苗 瑞，宋桂珍

（太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，塑料制品應(yīng)用范圍越來越廣泛，其中大多數(shù)是注塑產(chǎn)品。但隨著模具的復(fù)雜程度增大，模具精度要求的不斷提高，單憑設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)已不能滿足現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)的要求，CAD/CAE/CAM技術(shù)應(yīng)用而生，采用CAE技術(shù)，可以在模具加工前對整個注塑過程模擬分析，極大地提高了模具設(shè)計(jì)的效率，減少了試模修模的次數(shù)，降低生產(chǎn)成本及縮短生產(chǎn)周期[1]。

利用CAE軟件MOLDFLOW的MPI(Moldflow Plas?tic Insight)模塊對某食品機(jī)械的料斗座注塑成型中的澆口位置、充填、流動、曲翹等過程進(jìn)行了分析模擬,預(yù)測了塑件可能產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷,并針對模擬結(jié)果分析缺陷產(chǎn)生的原因和影響因素。根據(jù)分析所得的結(jié)果對注塑工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，最終得到比較合理的注塑工藝參數(shù)。

1 料斗座的建模（UG）

根據(jù)二維設(shè)計(jì)圖紙，利用UG軟件的建模模塊對料斗座進(jìn)行實(shí)體建模[2],結(jié)果如圖1所示，并導(dǎo)出STL格式文件，為應(yīng)用MOLDFLOW軟件進(jìn)行CAE分析奠定基礎(chǔ)。

圖1 料斗座三維圖

2 MOLDFLOW分析前處理及最佳澆口位置分析

本課題擬運(yùn)用現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用專業(yè)模流分析軟件MOLDFLOW進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析，對塑料的成型性能、成型工藝參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)理論綜合考慮，再通過計(jì)算機(jī)模擬成型、結(jié)果分析，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。

2.1 劃分網(wǎng)格

進(jìn)入MOLDFLOW界面，導(dǎo)入模型的STL文件，根據(jù)模型特點(diǎn)（壁厚較大），為簡化模型并且提高分析效率，選用“雙層面-fushion”網(wǎng)格。

先使用默認(rèn)參數(shù)劃分網(wǎng)格，然后再更改。在氣穴、熔接痕等位置采用較密的網(wǎng)格可以提高分析精度；在較大面積的平整部位，采用較疏的網(wǎng)格以提高分析速度。劃分完成后使用“網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)工具”查看劃分結(jié)果。見圖2。

從圖2可以看到，自由邊、交叉邊為0，符合雙層面的要求，配向不正確單元也必須為0，此處也滿足。在相交細(xì)節(jié)中所有參數(shù)為零，完全符合要求?？v橫比最小1.16，最大為34.62，有些偏大需要修改，縱橫比太大會導(dǎo)致流動壓力、溫度和速度的急劇變化，導(dǎo)致流動不暢，影響分析結(jié)果和分析速度。網(wǎng)格匹配率高達(dá)91.1%，若要進(jìn)行流動+保壓分析，網(wǎng)格匹配率應(yīng)達(dá)到85%以上，此處完全符合要求。

2.2 網(wǎng)格修復(fù)

如前所述，網(wǎng)格的最大縱橫比偏大，應(yīng)予以修復(fù)。在雙層面網(wǎng)格中縱橫比的范圍應(yīng)不超過20。使用“縱橫比診斷工具”找出不符合要求的節(jié)點(diǎn)和三角形。

先用“自動修復(fù)”可從整體上改進(jìn)網(wǎng)格的縱橫比。然后再使用“插入節(jié)點(diǎn)+合并節(jié)點(diǎn)”命令（一般為先使用插入節(jié)點(diǎn)，然后把這個插入的節(jié)點(diǎn)和原有的適合的節(jié)點(diǎn)合并），或單獨(dú)使用合并節(jié)點(diǎn)命令修改節(jié)點(diǎn)和三角形單元，使網(wǎng)格縱橫比達(dá)到要求，如圖3所示。

圖2 網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3 修復(fù)后的網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)

2.3 選擇材料

料斗座作為某食品機(jī)械中的零件，其制作材料要求無毒、透明，有一定的強(qiáng)度和剛度。塑料成型材料選擇牌號為IF-850的PMMA材料，從“細(xì)節(jié)”查得其成型的工藝條件：模具表面溫度60℃，推薦范圍35～80℃；熔體溫度250℃，推薦范圍240～280℃；最大剪切應(yīng)力0.41 MPa。

2.4 最佳澆口位置分析

澆口在模具設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵的作用,它的位置、形式及尺寸直接影響到塑料熔體在模具型腔內(nèi)的充填方式,從而關(guān)系到注塑件成型后是否會產(chǎn)生翹曲變形、熔接痕等缺陷。形式及尺寸可以通過修模來調(diào)整，但位置一旦確定就無法改變了。MOLDFLOW可以根據(jù)注塑件的形狀、材料參數(shù)以及工藝參數(shù)快速準(zhǔn)確地分析出制品最佳的澆口位置。

設(shè)置模溫、料溫、填充控制、注射壓力等工藝參數(shù)，分析最佳澆口的位置,結(jié)果如圖4所示,圖中的深色區(qū)域?yàn)樽罴褲部趨^(qū)域。

圖4 最佳澆口位置

圖5 曲翹變形

3 翹曲分析及優(yōu)化

曲翹變形是制品常見的缺陷之一，即制品的形狀在制品脫模后或稍后一段時間內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或扭曲現(xiàn)象。引起翹曲變形的原因主要有三個方面：冷卻不均勻，收縮不均勻，分子取向不一致[3]。

對初選材料及其成型工藝參數(shù)和最佳澆口位置方案初步設(shè)計(jì)一套冷卻系統(tǒng)進(jìn)行曲翹分析，結(jié)果如圖5所示，最大變形量為0.640 7 mm。進(jìn)一步分離曲翹原因，進(jìn)行分析，可知收縮不均引起的變形為0.6241 mm，占總變形量的97.4%。應(yīng)該對成型溫度和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 熔體溫度及模具溫度的確定

表1 不同熔體溫度與模具溫度對應(yīng)的曲翹變形量

對于PMMA IF-850，雖然MOLDFLOW給出了推薦溫度：模具溫度為60℃，熔體溫度為250℃。模具溫度范圍為35℃～80℃，熔體溫度范圍為240℃～280℃。這些溫度與收縮的關(guān)系比較復(fù)雜，太高或太低都對減小曲翹不利。熔體溫度過高，塑件需要的冷卻時間加長，從而增加塑件的收縮機(jī)會；模溫過高會使成型收縮率增大，過低則熔體的流動性較差。故排除最低最高溫度,為了找出一組合適的溫度,設(shè)計(jì)了以下的實(shí)驗(yàn),以達(dá)到優(yōu)化曲翹的目的，如表1。

從表1可以看出，曲翹變形量基本上隨著模具溫度的升高而增大，隨著熔體溫度的升高而減小。通過對比這20組數(shù)據(jù)結(jié)果，找出當(dāng)模具溫度55℃，熔體溫度270℃所對應(yīng)的曲翹變形量最小，為0.629 7 mm，通過分離曲翹原因可知，收縮不均引起的變形為0.610 6 mm，見圖6。

3.2 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

冷卻不均是造成塑件收縮不均導(dǎo)致曲翹變形的主要因素之一[4]。通過三個方案逐步優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，使制品的曲翹量減小。保壓曲線為恒壓式保壓曲線。冷卻管道的尺寸及間距設(shè)置如表2。

圖6 收縮不均引起的變形

表2 塑件的壁厚、孔徑的大小及孔的位置

圖7 冷卻系統(tǒng)方案1

圖8 冷卻系統(tǒng)方案2

方案1為采用軟件的“冷卻系統(tǒng)創(chuàng)建向?qū)А卑胱詣由傻?，由圖7可知其曲翹變形量較大為0.954 1，應(yīng)予以優(yōu)化。方案2(圖8)根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)了冷卻系統(tǒng)，從分析結(jié)果中可看出曲翹量減小為0.767 7，但發(fā)現(xiàn)在塑件的四周及上表面的中部冷卻不均勻。方案3(圖9)在塑件的側(cè)面和頂面的內(nèi)外面都相應(yīng)的增加了冷卻管道，并且為使冷卻均勻從而減小曲翹量，入水口采用了錯位安排。CAE分析得知，曲翹量減小到了0.605 4，比最初減小了36.55%。

在此條件下的氣穴和熔接痕如圖10所示，氣穴在制件的邊緣，可從分型面上順利排出；熔接痕是由于兩股或多股熔體聚集到一起形成的，由圖11分析結(jié)果可顯示沒有大面積和連續(xù)的熔接痕，所以塑件表面質(zhì)量不會受到影響。

圖9 冷卻系統(tǒng)方案3

圖10 氣穴分布

4 結(jié)束語

圖11 熔接痕分布

通過使用MOLDFLOW軟件模擬分析，確定最佳注射工藝條件，降低模具生產(chǎn)成本，提高模具設(shè)計(jì)效率有重要的意義。

[1]申開智.塑料成型模具[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2006.

[2]單巖，吳立軍，蔡娥.三維造型技術(shù)基礎(chǔ)[M].(UG NX版)北京：清華大學(xué)出版社,2008.

[3]陳艷霞，陳如香.MOLDFLOW2010[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4]許建文,劉斌.基于MOLDFLOW注塑模冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].塑料科技，2008，,36(3)：17-21.