于國棟
(新疆天業(yè)集團(tuán)天辰電石廠,新疆石河子 832000)
隨著現(xiàn)代模具技術(shù)的發(fā)展,尤其是計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)(CAE)的應(yīng)用,改變了傳統(tǒng)注塑模具設(shè)計(jì)中的觀念,為注塑模具的成型、研制過程提供了一個(gè)高效率、低成本的方案,Moldflow 軟件可以識(shí)別和兼容常用的CAD 格式,如CATIA、UG、Pro/E接受實(shí)體造型的STL格式文件,不作任何修改;也不存在有限單元網(wǎng)絡(luò)的劃分,直接導(dǎo)入就可以進(jìn)行注塑成型的模擬和分析;支持跨編程語言、編程接口,即OpenGL技術(shù),圖形處理高效、快捷;操作簡(jiǎn)單易學(xué)。
本文以節(jié)水器材用內(nèi)鑲式滴頭為研究對(duì)象,內(nèi)鑲式滴頭是節(jié)水滴灌用的主要產(chǎn)品,主要用在大田節(jié)水用。通過CAE軟件對(duì)產(chǎn)品注塑成型過程和成型工藝進(jìn)行模擬和分析,來確定澆口位置及優(yōu)化成型參數(shù),并將分析的結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn),以制得精準(zhǔn)和上佳的產(chǎn)品。
建立內(nèi)鑲式滴頭制品及流道、澆口一體的實(shí)體模型的有限元網(wǎng)格,模型分析中采用中性面網(wǎng)格,塑件材料為PP。如圖1,模型分析的有限元數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)數(shù),以三角形為單元的個(gè)數(shù)是17 088組,以節(jié)點(diǎn)為單元的個(gè)數(shù)是8 584組,沒有完全重疊的單元組。其中以三角形為單元組的縱橫比極大值為3.081,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于6,具有較好的精確性和可靠性。
圖1 塑件有限元網(wǎng)格劃分示意圖
注塑模具的設(shè)計(jì)澆口位置的正確與否,不僅影響到產(chǎn)品的外觀,熔體在模具型腔內(nèi)的流動(dòng),而且涉及到產(chǎn)品的質(zhì)量。必須在設(shè)計(jì)模具時(shí)考慮模穴中所有的流動(dòng)路徑的平衡,也就是說在相同的時(shí)間、相同的壓力下完成模穴的充填。合理的澆口設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)減少熔接痕、降低內(nèi)應(yīng)力、腔內(nèi)不能積聚氣體、不能在注射過程中因熔融溫度的變化使材料出現(xiàn)降解和蛇形紋,直接影響產(chǎn)品的外觀,因此合理的澆口位置在模具的設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的一步[1]。澆口的設(shè)計(jì)牽涉到澆口位置的確定、澆口類型的選擇以及澆口尺寸的確立。通過滴灌用內(nèi)鑲式小滴頭設(shè)置澆口位置來分析成型(流動(dòng))時(shí)間及氣泡狀況,從而解決因澆口位置設(shè)置不當(dāng)而引起的產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷。
選擇Moldflow 中的Gate Location(澆口位置)項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化分析,得到圖2 所示的最佳澆口位置,及其相應(yīng)的成型(流動(dòng))時(shí)間及氣泡狀況。
圖2 塑件澆口位置
如圖3 所示,澆口位置的澆注時(shí)間基本一致,但從物料流動(dòng)的分布來看,澆口位置在正中心時(shí),注射物料因熔融分解產(chǎn)生的氣泡分布在同一個(gè)平面,根據(jù)分型面的設(shè)計(jì)原理,分型面設(shè)置在易排氣的平面,而且有利于脫模,直接用頂針頂出即可。
剪切應(yīng)力會(huì)通過在制品中產(chǎn)生的氣泡或凹痕而自行消除,另外也可以通過熱處理技術(shù)消除,由于注塑件的熔溶體材料具有高彈性,所以建立的應(yīng)力不會(huì)立即松弛,而會(huì)和非彈性體材料一樣。最好的解決辦法就是將材料冷卻到軟化點(diǎn),則材料的分子鏈固定在伸直狀態(tài),則可以消除應(yīng)力,切忌不能將塑件快速冷卻,這樣不但不能降低應(yīng)力,相反還會(huì)增大應(yīng)力,引起塑件的變形。利用Moldflow軟件,在制品與模具設(shè)計(jì)時(shí),模擬制品成型的充模流動(dòng)過程和模具溫度分布情況,適時(shí)修改制品或模具設(shè)計(jì),調(diào)整設(shè)計(jì)思路或成型工藝參數(shù),從而避免因設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)某淠A鲃?dòng)與不合理的工藝參數(shù)、溫度設(shè)計(jì)不正確而引起的制品內(nèi)應(yīng)力翹曲變形或開裂。該塑件在注射時(shí)間達(dá)到0.413 4 s 時(shí),其剪切引力可達(dá)到2.274 MPa[2]。如圖4所示。
圖3 模擬充填物料流動(dòng)分析圖
圖4 流動(dòng)模擬分析-壁上剪切應(yīng)力示意圖
澆口位置如圖5 時(shí)的最大鎖模力為0.842 8噸,通過以上分析,可以確定該滴頭模具的澆口位置選取點(diǎn)較為合理、正確,如圖6。
合理地控制塑件物料的注射溫度,是直接影響塑件合格率的關(guān)鍵因素,該塑件注射溫度應(yīng)該控制在80.93 ℃~192.1 ℃。否則,物料不能融化,或者物料出現(xiàn)氣化和糊料現(xiàn)象[3]。
圖5 鎖模力分析圖
利用Moldflow 軟件對(duì)該塑件進(jìn)行分析,由分析圖可得到注塑所需要的成型壓力,壓力降是否均勻,哪些位置容易發(fā)生熔接痕、溢邊,設(shè)計(jì)充模是否平衡等結(jié)果[4]。如圖6所示,經(jīng)過計(jì)算和參考模具設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值,得到了成型工藝的重要參數(shù):填充壓力最大為180 MPa,模具溫度推薦為48.89 ℃,熔體溫度推薦220 ℃,每腔注塑時(shí)間推薦0.413 4 s。
傳統(tǒng)的注塑模設(shè)計(jì)基本憑借設(shè)計(jì)人員自身的素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn),模具加工完畢后,需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行調(diào)試、修改、返工,甚至可能由于設(shè)計(jì)的失誤,使得整個(gè)模具報(bào)廢,浪費(fèi)大量的人力物力和財(cái)力,尤其是不能快速響應(yīng)市場(chǎng)的需求和變革,模具設(shè)計(jì)、加工的成本高,效率低。
圖6 流動(dòng)模擬分析-充模溫度示意圖
對(duì)于注塑模具設(shè)計(jì)所需的各類數(shù)據(jù),Moldflow都可以提供,使用Moldflow軟件,可以實(shí)現(xiàn)注塑件的流動(dòng)模擬分析,殘余應(yīng)力的消除、澆口位置的分布,排氣位置的確定,成型溫度的控制,保壓時(shí)間的確定,并根據(jù)得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以確定鎖模力的大小和方向等等,依據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)最后生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。
[1]王興天.注塑成型技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1989.
[2]單巖.Moldflow 模具分析技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.
[3]李建軍.模具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及模具CAD[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.
[4]張清.UG 注塑模具設(shè)計(jì)與制造[M].北京:化工工業(yè)出版社,2005.