杜遙雪，柳天磊

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泵體的熱流道注塑成型過程模擬分析

杜遙雪，柳天磊

（五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

利用MPI軟件對(duì)泵體的熱流道注塑成型過程進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果表明：將澆口設(shè)置在泵體錐部中心可以實(shí)現(xiàn)平衡充模，最大體積收縮率和制品最高溫度發(fā)生在泵體錐部中心，制品凍結(jié)時(shí)間在泵體法蘭凹槽處最長，最大翹曲量位于泵體法蘭底部，合模系統(tǒng)所需最大鎖模力為32.6 t，注射系統(tǒng)所需最大注射壓力為25.15 MPa，采用三排管路冷卻系統(tǒng)可以有效降低泵體制品成型加工后的最高溫度，熱流道系統(tǒng)在節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本等方面比冷流道優(yōu)越.

泵體；熱流道；注塑成型過程；模擬

熱流道技術(shù)是應(yīng)用于塑料注塑模流道系統(tǒng)的一種先進(jìn)技術(shù)，是塑料注塑成型發(fā)展的新方向，熱流道注塑成型時(shí)沒有回頭料的回收、挑選、粉碎、染色等工序，具有節(jié)約原材料、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的特點(diǎn)，與冷流道相比可減小開合模行程、縮短制品脫模和成型周期，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)[1]. 目前，熱流道技術(shù)在國外的應(yīng)用發(fā)展非常迅速，熱流道注塑模具廣泛應(yīng)用于電子、汽車、醫(yī)療、日用品、包裝、建筑、辦公設(shè)備等方面，塑料模具廠制造的模具50%以上采用熱流道技術(shù)，有的甚至高達(dá)80%以上，而國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的使用率僅20%~30%. 洗衣機(jī)和洗碗機(jī)的排水泵采用永磁同步電機(jī)式排水泵，主要由泵體、泵蓋、葉輪、轉(zhuǎn)子、線圈、安裝座等組成，大部分零件為注塑件，制品精度要求高. 本文針對(duì)由熱流道模具注塑成型加工的泵體，應(yīng)用Moldflow Plastics Insight（MPI）軟件，對(duì)泵體的型腔尺寸、澆口位置及數(shù)量、澆注與冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析加工參數(shù)和條件對(duì)泵體成型過程流動(dòng)、冷卻和翹曲的影響，通過CAD/CAE技術(shù)進(jìn)行模擬仿真，預(yù)測制品成型缺陷，從而減少模具制造過程反復(fù)試模和修模的次數(shù)、提高模具產(chǎn)品質(zhì)量、獲得合理的工藝參數(shù)，以便快速成型加工出最佳的泵體制品.

1 泵體模型的前處理

采用Pro/ENGINEER軟件建立泵體三維實(shí)體模型，并將文件類型轉(zhuǎn)化為STL格式，應(yīng)用MPI軟件輸入泵體模型時(shí)選擇Fusion表面網(wǎng)格，用網(wǎng)格工具生成網(wǎng)格[2-3]. 網(wǎng)格邊長一般為制品最小壁厚的1.5~2倍，通過比較確定全局網(wǎng)格邊長為2.5 mm. 由于模型網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此對(duì)Fusion表面模型進(jìn)行冷卻或翹曲分析時(shí)，一般要求最大縱橫比小于10、模型匹配率大于85%. 對(duì)網(wǎng)格縱橫比診斷，采用合并節(jié)點(diǎn)、插入節(jié)點(diǎn)、交換邊方法修改縱橫比，模型網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)信息如圖1所示：最大縱橫比為5.974，匹配率為86.1%，其余參數(shù)均在規(guī)定范圍，符合模擬分析計(jì)算的要求.

泵體所用材料為聚丙烯，在方案任務(wù)視窗中選擇分析類型為澆口位置并運(yùn)行分析，可以得到圖2所示的泵體澆口位置分布云圖. 圖2顯示：最佳澆口位置在泵體的圓柱底部，但是如果將澆口設(shè)在該處會(huì)使模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、生產(chǎn)制造成本增加. 根據(jù)澆口位置的選擇原則，綜合澆口位置的分布云圖，將澆口設(shè)置在泵體錐部中心.

圖1 網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)信息

圖2 最佳澆口位置分布云圖

采用冷卻回路向?qū)?chuàng)建泵體冷卻系統(tǒng)，水管直徑8mm，水管與制品的距離15mm，管道中心間距20 mm，制品之外距離15 mm. 為了減少模型網(wǎng)格數(shù)目、降低前處理與系統(tǒng)計(jì)算所需時(shí)間、提高分析工作效率，可更改泵體表面模型、熱流道和熱澆口的屬性，將其出現(xiàn)次數(shù)設(shè)置為4（用數(shù)值表示某個(gè)對(duì)象的重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)，不直接將整個(gè)模腔中的制品模型和澆注系統(tǒng)全部創(chuàng)建出來），即可得到與圖3中一模四腔模型分析效果相同的簡化模型見圖4. 選擇分析圖4的冷卻+流動(dòng)+翹曲，根據(jù)聚丙烯材料的推薦工藝成型條件[2]70,[4]，設(shè)置泵體成型過程的工藝參數(shù)：模具表面溫度50℃，熔體溫度230℃，開模時(shí)間5 s，注射+保壓+冷卻時(shí)間30 s，填充控制選擇自動(dòng)，在99%填充體積時(shí)速度控制轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫刂?，保壓控制采用默認(rèn)的充填壓力與時(shí)間關(guān)系曲線，運(yùn)行MPI軟件即可得到流動(dòng)分析、冷卻分析和翹曲分析的模擬計(jì)算結(jié)果.

圖3 一模四腔澆注系統(tǒng)

圖4 簡化的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)

2 流動(dòng)模擬結(jié)果與分析

通過MPI流動(dòng)分析可以獲得塑料熔體在模具型腔中的填充和保壓情況、優(yōu)化工藝參數(shù)、提高制品質(zhì)量. 圖5為熔體填充型腔過程的時(shí)間分布，顯示了熔體流動(dòng)前沿?cái)U(kuò)展情況和制品整體填充情況. 由圖5可知：泵體在0.774 5 s內(nèi)完成了熔體的填充，泵體法蘭端面底部是最后被熔體填充的部位；充填時(shí)間云圖左右對(duì)稱，表明澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，熔體流動(dòng)前沿的速度相等，泵體各對(duì)稱遠(yuǎn)端基本在同一時(shí)刻充滿，實(shí)現(xiàn)了平衡充模.

泵體在排水泵中起連接和定位各零部件的作用，因此必須保證其與其他零部件的配合精度. 圖6為泵體成型加工后的體積收縮率，由圖6可以看出：體積收縮率最大達(dá)到15.49%，并導(dǎo)致制品產(chǎn)生較大翹曲，對(duì)此一般通過調(diào)整澆注系統(tǒng)和修改成型條件來解決；最大體積收縮率發(fā)生在泵體錐部中心，該部位區(qū)域小且收縮率遠(yuǎn)高于其他部位，很容易產(chǎn)生氣穴和熔接痕，但轉(zhuǎn)子磁芯、軸承和軸承座配合部位的泵體體積收縮率約為3%且分布均勻，所以不影響排水泵的工作性能.

圖5 熔體充填時(shí)間云圖

圖6 體積收縮率

圖7為注塑成型過程中鎖模力隨時(shí)間變化的曲線，可作為注塑機(jī)合模系統(tǒng)鎖模力的選擇依據(jù). 由圖7可知：最大鎖模力達(dá)到32.6 t，發(fā)生在1.684 s，在此之前鎖模力迅速增大，之后也有比較快的下降，從而保證熔體在0.7745 s的充填時(shí)間內(nèi)完成注射填充過程.

圖8為注塑成型過程中注射壓力隨時(shí)間變化的曲線，可依此決定注塑機(jī)注射系統(tǒng)所提供注射壓力的最小值. 由圖8可知：在0.7615s時(shí)注射壓力達(dá)到最大值25.15 MPa（發(fā)生在充填時(shí)間0.7745 s之前），即在體積填充99%時(shí)實(shí)現(xiàn)了速度控制向壓力控制的轉(zhuǎn)變；在達(dá)到最大注射壓力后10 s內(nèi)，以充填結(jié)束時(shí)注射壓力的80%（20.12 MPa）保持系統(tǒng)壓力恒定，實(shí)現(xiàn)保壓.

圖7 鎖模力隨時(shí)間變化的曲線

圖8 注射壓力隨時(shí)間變化的曲線

3 冷卻模擬結(jié)果與分析

MPI的冷卻分析采用邊界元法對(duì)模具溫度場進(jìn)行模擬，將模具溫度場與冷卻管道中冷卻介質(zhì)能量方程聯(lián)立，采用解析法計(jì)算制品、模具、冷卻介質(zhì)的溫度分布. 冷卻結(jié)束后泵體制品的溫度分布如圖9所示：制品最高溫度為103.1℃，發(fā)生在泵體錐部中心，冷卻效果不理想，制品脫模后容易出現(xiàn)變形現(xiàn)象. 由于最高溫度位于澆口且所占區(qū)域較小，而泵體其他部位溫度都在85℃以下且較低，因此冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理.

泵體制品從成型周期開始到完全冷卻至低于頂出溫度所需的凍結(jié)時(shí)間及其分布如圖10所示. 由圖10可知：制品凍結(jié)發(fā)生在泵體法蘭凹槽處，凍結(jié)時(shí)間為25.96 s；對(duì)壁厚較小的圓柱部位，法蘭內(nèi)環(huán)凍結(jié)時(shí)間在3 s左右且在保壓開始階段就首先均勻凍結(jié). 由此可知前述設(shè)置泵體工藝參數(shù)時(shí)，將注射+保壓+冷卻的成型周期時(shí)間設(shè)定為30 s是合理的.

圖9 制品溫度分布圖

圖10 制品凍結(jié)時(shí)間

4 翹曲模擬結(jié)果與分析

5 冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)及冷熱流道對(duì)比

為解決圖9所示泵體制品由于冷卻效果不理想而導(dǎo)致最高溫度偏高的問題，將圖4的冷卻系統(tǒng)改進(jìn)為如圖12所示的布局，即在上下水管中間增加一條水管. 為了進(jìn)一步揭示熱流道注塑模具對(duì)泵體制品成型加工的優(yōu)越性，將圖4熱流道澆注系統(tǒng)改為冷流道澆注系統(tǒng)，采用與前述相同的工藝參數(shù)設(shè)置，得到泵體成型過程的流動(dòng)、冷卻和翹曲模擬計(jì)算結(jié)果見表1.

表1 各種系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

由表1并結(jié)合圖12可知：冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)有效地降低了制品成型加工后的最高溫度、減小了溫度應(yīng)力的不利影響和制品的翹曲變形. 由表1可知：冷流道澆注系統(tǒng)的鎖模力比熱流道系統(tǒng)的顯著增大，需要更大噸位鎖模力的注塑機(jī)才能滿足工作要求，而且將加工熔體射入模具型腔所需的注射壓力提高，成型制品的充填時(shí)間和凍結(jié)時(shí)間增加，使得泵體制品的成型周期比熱流道的延長，能量消耗增加.

圖12 改進(jìn)的冷卻系統(tǒng)制品最高溫度

6 結(jié)論

本文通過對(duì)泵體的熱流道注塑成型過程的模擬分析說明：應(yīng)用MIP軟件對(duì)泵體的型腔尺寸、澆口位置及數(shù)量、澆注及冷卻系統(tǒng)進(jìn)行的設(shè)計(jì)是合理的，并為實(shí)際工程應(yīng)用提供了合理的加工工藝參數(shù)；熱流道系統(tǒng)在節(jié)能降耗、減低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、改善熔體的流動(dòng)性和提高制品質(zhì)量等方面比冷流道優(yōu)越，有很好的應(yīng)用前景.

[1] 王建華，徐佩弦. 注射模的熱流道技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2] 王衛(wèi)兵. Moldflow中文版注塑流動(dòng)分析案例導(dǎo)航視頻教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3] 戴劍青，杜遙雪. 掃描器的注塑成型參數(shù)正交優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 模具制造，2006, 6(7): 43-46.

[4] 王樹勛，朱亞林，梅伶，等. 注塑模具設(shè)計(jì)[M]. 廣州：華南理工大學(xué)出版社，2005.

[責(zé)任編輯：孫建平]

Simulation of the Hot Runner Injection Molding Process for the Pump Body

DUYao-xue,LIUTian-lei

Simulation of the hot runner injection molding process of the pump using MPI software shows that placing the gate in the center of the pump body cone can achieve equilibrium filling; the maximum volumetric shrinkage rate and the product maximum temperature occur in the pump cone; the product’s freezing time is the longest in the pump body’s flange grooves; the maximum warpage is at the bottom of the pump flange; the maximum clamping force required by the clamping system is 32.6 t; and the maximum injection pressure required by injection system is 25.15 MPa. The adoption of the three-row pipe cooling system can effectively reduce the maximum temperature of the pump product. The hot runner system is better than the cold runner system in energy saving and consumption reduction and in lowering production cost.

the pump body; hot runner; injection molding process; simulation

1006-7302（2010）03-0006-01

TH122

A

2009-09-04

廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（9151063101000021），廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2005B10201010）

杜遙雪（1962—），男，山東萊州人，教授，博士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)和聚合物成型加工，E-mail: luoting@wyu.edu.cn.