田 冰，殷燕芳

(武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢430023)

為滿足工業(yè)或生活中的不同需要，在注塑模生產(chǎn)過(guò)程中，制品種類增多、批量變小的現(xiàn)象日益普遍。為提高生產(chǎn)效率降低制造成本，往往把不同制件放在同一套模具中生產(chǎn)，要使生產(chǎn)出來(lái)的制品質(zhì)量與性能相一致，則需要設(shè)計(jì)出具有平衡性的澆注系統(tǒng)，即塑料熔體流經(jīng)澆注系統(tǒng)能夠在相同時(shí)間以相同壓力、相同溫度到達(dá)各型腔末端［1］。澆注系統(tǒng)按流道布置的形式可以分為自然平衡式澆注系統(tǒng)和非自然平衡式澆注系統(tǒng)兩大類［2］。自然平衡式澆注系統(tǒng)從主流道到各型腔的分流道、澆口的截面形狀和尺寸都相同，塑料熔體到各型腔的流動(dòng)過(guò)程自然平衡。非平衡式澆注系統(tǒng)從主流道到各型腔的分流道、澆口的截面形狀和尺寸各不相同，很容易造成熔體到各型腔的時(shí)間、溫度、壓力有差異。流動(dòng)不平衡容易造成制件飛邊、短射、密度不均、氣穴及過(guò)多熔接痕等缺陷［3］。

Moldflow軟件基于塑料流變學(xué)與傳熱學(xué)理論，能夠?qū)ψ⑺艹尚瓦^(guò)程進(jìn)行仿真分析。利用Moldflow軟件的充填保壓及流道平衡分析功能模塊模擬注塑成型過(guò)程，可以預(yù)測(cè)熔體到各型腔的流動(dòng)平衡性及潛在的成型缺陷，為設(shè)計(jì)人員提供修改依據(jù)。本文以兩個(gè)簡(jiǎn)化的非等體積塑料制件為例，闡述基于Moldflow的組合型腔注塑模澆注系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 初步設(shè)計(jì)方案

1.1 產(chǎn)品分析

如圖1、圖2所示，是兩個(gè)非等體積的端部連接件，材料為聚丙烯，采用一模兩腔的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)。以下分別將其稱為制件1、制件2，對(duì)應(yīng)下面以1、2為腳標(biāo)命名各參數(shù)。每個(gè)制件可分別看成由倒過(guò)圓角的矩形塊與矩形框組成。其中制件1的基本尺寸為70 mm×50 mm×22 mm，體積V1=8.3563 cm3，制件2的基本尺寸為70 mm×50 mm×32 mm，體積 V2=10.2356 cm3。

圖1 制件1

圖2 制件2

1.2 產(chǎn)品建模及網(wǎng)格劃分

通過(guò)Pro/E軟件建立制件的三維模型，模型建立完成后轉(zhuǎn)換為STL格式，導(dǎo)入到Moldflow軟件中，分別進(jìn)行fusion網(wǎng)格劃分。為了提高分析的準(zhǔn)確性，需要對(duì)有問(wèn)題的網(wǎng)格進(jìn)行修復(fù)，最終使網(wǎng)格最大縱橫比不超過(guò)6，網(wǎng)格匹配率不小于90%［4］。

1.3 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)的平衡澆注系統(tǒng)如下。

(1)主流道頂端直徑為4 mm，末端直徑為5 mm，主流道長(zhǎng)度為50 mm。

(3)分流道的形狀均為圓形。對(duì)于分流道直徑而言，澆口截面積Ag與分流道截面積Ar的比例應(yīng)該取 為:Ag:Ar= 0.07—0.09［5］， 則，經(jīng)過(guò)計(jì)算取 d=5.51mm，d2=6mm。

對(duì)于分流道長(zhǎng)度，根據(jù)澆口BGV值進(jìn)行計(jì)算:

其中:W1、W2分別為型腔1、2的填充量(熔體質(zhì)量或體積);Ag1、Ag2分別為型腔1、2的截面積，mm2;Lr1、Lr2分別為主流道中心到型腔1、2的流動(dòng)長(zhǎng)度，mm;Lg1、Lg2分別為型腔1、2的澆口長(zhǎng)度，mm。

根據(jù)已經(jīng)確定的各參數(shù)可以計(jì)算出Lr1≈Lr2，本次計(jì)算中取Lr1=Lr2=19 mm。

至此，初步設(shè)計(jì)的平衡澆注系統(tǒng)創(chuàng)建完畢，如圖3所示。

圖3 澆注系統(tǒng)

1.4 初步設(shè)計(jì)結(jié)果分析

Moldflow流道平衡分析模塊是在充填+保壓分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，此次分析既是對(duì)根據(jù)專業(yè)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)的檢驗(yàn)，也為進(jìn)一步的修改提供依據(jù)。

(1)充填時(shí)間。如圖4所示，制件1型腔充滿所需時(shí)間為0.587 0 s，制件2型腔充滿所需時(shí)間為0.632 5 s，流動(dòng)的不平衡性為 7.2%，由此可知，初步設(shè)計(jì)的平衡澆注系統(tǒng)的流動(dòng)不平衡性較高，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 充填時(shí)間

(2)V/P切換時(shí)的壓力。如圖5所示，V/P切換時(shí)注射位置處壓力為28.45 MPa，兩個(gè)制件在發(fā)生V/P切換時(shí)型腔內(nèi)的壓力并不一致，相差約有8.36 MPa。制件1過(guò)早被充滿，填充結(jié)束時(shí)，其型腔壓力大容易出現(xiàn)過(guò)保壓，形成高密度高應(yīng)力區(qū)域，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

圖5 速度/壓力切換時(shí)的壓力

(3)注射位置處壓力:XY圖。如圖6所示，澆口位置處壓力在整個(gè)充填保壓過(guò)程中隨時(shí)間變化而變化，注射位置處壓力在0.590 4 s急劇上升到28.45 MPa，經(jīng)過(guò) 0.008 4 s之后急劇下降到 23.95 MPa，壓力變化較大。流動(dòng)的不平衡造成了注射位置處壓力的升高。

圖6 注射位置處壓力:XY圖

(4)氣穴及熔接痕。如圖7、圖8所示，制件的氣穴數(shù)量是比較少的，制件未產(chǎn)生熔接痕，說(shuō)明澆口位置是比較合理的。

圖7 氣穴

圖8 熔接痕

2 流道平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用Moldflow軟件模擬注塑成型過(guò)程，進(jìn)行流道平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)前需要對(duì)部分注塑成型工藝進(jìn)行調(diào)整。從注射位置處壓力:XY圖知道，在整個(gè)注射過(guò)程中注射壓力是比較小的，最大壓力為28.45 MPa，故在進(jìn)行流道平衡分析時(shí)將目標(biāo)壓力設(shè)置降低。目標(biāo)壓力作為流道平衡分析時(shí)進(jìn)行迭代計(jì)算的目標(biāo)值，與求解器進(jìn)行迭代的次數(shù)關(guān)系緊密，每一次迭代過(guò)程就是進(jìn)行一次充填仿真分析。為驗(yàn)證流動(dòng)不平衡性與目標(biāo)壓力、迭代次數(shù)之間的關(guān)系，分別將目標(biāo)壓力設(shè)定為35 MPa，40 MPa，45 MPa，將迭代次數(shù)設(shè)定為20。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)目標(biāo)壓力為35 MPa時(shí)，最多只能進(jìn)行7次迭代計(jì)算，得到的流動(dòng)不平衡性為2.20%。當(dāng)目標(biāo)壓力為40 MPa、45 MPa時(shí)，流動(dòng)不平衡性與迭代次數(shù)之間的關(guān)系如圖9所示。

圖9 迭代次數(shù)與流動(dòng)不平衡性關(guān)系圖

分析流動(dòng)不平衡性與迭代次數(shù)之間的關(guān)系圖可以發(fā)現(xiàn):

(1)當(dāng)目標(biāo)壓力為40 MPa時(shí)，迭代到第14次時(shí)出現(xiàn)不平衡性的第一個(gè)極小值而后繼續(xù)迭代計(jì)算，迭代到18次時(shí)因達(dá)到目標(biāo)壓力而無(wú)法繼續(xù)計(jì)算。

(2)當(dāng)目標(biāo)壓力為45 MPa時(shí)，迭代到第18次時(shí)出現(xiàn)不平衡性的第一個(gè)極小值，而后可以迭代計(jì)算到第20次。當(dāng)目標(biāo)壓力越高時(shí)，可以進(jìn)行的迭代次數(shù)也會(huì)隨之增大，流動(dòng)不平衡性也會(huì)降低，優(yōu)化后的分流道截面積會(huì)變小。

在進(jìn)行流道平衡優(yōu)化時(shí)，要兼顧流動(dòng)不平衡性與流道截面工藝性，選擇適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)壓力與迭代次數(shù)。本次設(shè)計(jì)將目標(biāo)壓力設(shè)置為40 MPa，迭代次數(shù)設(shè)定為14次。優(yōu)化后分流道1截面積縮小86.11%，分流道2截面積縮小85.05%，優(yōu)化后的分流道截面直徑為 d1=2.05 mm，d2=2.32 mm。澆注系統(tǒng)分流道體積更改如圖10所示。

圖10 體積更改

優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)流動(dòng)平衡分析結(jié)果如下。

(1)充填時(shí)間。如圖11所示，從分析結(jié)果圖及結(jié)果查詢工具查詢的結(jié)果可以看到，制件1型腔充滿所需時(shí)間為0.5830 s，制件2所需時(shí)間為0.5851 s，流動(dòng)的不平衡性為0.36%，相對(duì)于未優(yōu)化前不平衡性明顯下降。

圖11 優(yōu)化后充填時(shí)間

(2)V/P切換時(shí)的壓力。如圖12所示，V/P切換時(shí)注射位置點(diǎn)處壓力為33.61 MPa.分析結(jié)果圖顯示，兩個(gè)制件在發(fā)生V/P切換時(shí)型腔內(nèi)的壓力相差很小，表明流動(dòng)平衡性得到了較好改善。

(3)注射位置處壓力:XY圖。如圖13所示，注射位置處壓力隨時(shí)間而緩慢變化，沒(méi)有急劇上升或下降，表明達(dá)到了較好的流動(dòng)平衡。

(4)氣穴及熔接痕。氣穴及熔接痕可以分別如圖14、圖15所示，經(jīng)過(guò)優(yōu)化氣穴減少，由于氣穴所在位置位于制件末端及分型面處，氣體在充模時(shí)能夠排出。熔接痕容易產(chǎn)生于兩股低溫熔體相遇處，制件2產(chǎn)生了一處熔接痕。

圖12 優(yōu)化后速度/壓力切換時(shí)的壓力

圖13 優(yōu)化后注射位置處壓力

圖14 優(yōu)化后氣穴

圖15 優(yōu)化后熔接痕

3 二次優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)流道平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，流動(dòng)的不平衡性明顯下降，能夠有效提高制品質(zhì)量與性能的一致性，但是制品2容易產(chǎn)生熔接痕，熔接痕對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響很大，需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)避免熔接痕的產(chǎn)生。

澆注系統(tǒng)的流動(dòng)平衡除了可以通過(guò)調(diào)節(jié)分流道的形狀與尺寸之外，也可以通過(guò)調(diào)整型腔布局，調(diào)節(jié)澆口形狀與尺寸等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行二次優(yōu)化，將原來(lái)的側(cè)澆口改為點(diǎn)澆口，使制件1對(duì)應(yīng)的澆口大端直徑為2 mm，小端直徑為0.8 mm，制件2對(duì)應(yīng)的澆口大端直徑為2 mm，小端直徑為1 mm。

再次進(jìn)行流道平衡分析，得到的流動(dòng)平衡分析結(jié)果如下。

(1)充填時(shí)間。二次優(yōu)化之后充填時(shí)間如圖16所示，由于澆口截面積變小，總共所需充填時(shí)間為0.5882 s，較第一次優(yōu)化后所需充填時(shí)間0.585 1 s多0.003 1 s。通過(guò)分析日志可以看到流動(dòng)的不平衡性為0.001 9%，優(yōu)于第一次優(yōu)化后流動(dòng)不平衡性的0.36%，可以認(rèn)為熔體同時(shí)充滿兩個(gè)型腔。

(2)熔接痕。如圖17所示，二次優(yōu)化之后，制件2的熔接痕已經(jīng)消失。

圖16 二次優(yōu)化充填時(shí)間

圖17 二次優(yōu)化后熔接痕

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上實(shí)例分析可以看到，在一模多腔或組合型腔中，熔體在澆注系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)平衡對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量非常重要。通過(guò)Moldflow軟件對(duì)注塑過(guò)程進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而可以對(duì)型腔布局、分流道及澆口的形狀及尺寸進(jìn)行修改，提高流動(dòng)平衡性，從而得到符合實(shí)際生產(chǎn)需要的澆注系統(tǒng)。避免實(shí)際生產(chǎn)中反復(fù)試模、修模，從而提高生產(chǎn)效率、降低制造成本。本次設(shè)計(jì)使用的是圓形截面分流道，此種形式的分流道在常用的分流道形式中比表面積最小，但是在制造時(shí)要求較高。如果對(duì)澆注系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，可以考慮改變分流道的截面形式。

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［4］張金標(biāo).注塑CAE及Moldflow軟件應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

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