王　權(quán)，董麗媛，孟慶國(guó)，蔡玉?。ㄌ旖蚵殬I(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300222）

基于Moldflow的多樣條注塑模流道優(yōu)化設(shè)計(jì)

王權(quán)，董麗媛，孟慶國(guó)，蔡玉俊
（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

摘要：多樣條注塑模具是進(jìn)行試樣力學(xué)性能測(cè)試的關(guān)鍵。文中設(shè)計(jì)了2型腔非平衡式拉伸、沖擊樣條注射模流道結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Moldflow軟件模擬熔料的填充和流動(dòng)平衡分析，獲得最佳的流道設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)中。

關(guān)鍵詞：注塑模具；多樣條；Moldflow；流道平衡

力學(xué)性能測(cè)試是工程塑料重要的性能測(cè)試之一，力學(xué)性能包括拉伸樣條測(cè)試試樣的拉伸強(qiáng)度和彈性模量以及沖擊樣條測(cè)試試樣的沖擊強(qiáng)度。為了避免頻繁更換模具，可在一套多腔注塑模具中成型多種測(cè)試樣條[1-2]。然而，由于多模腔中測(cè)試樣條的尺寸和形狀不同，熔體在模具型腔中的充填速率也不相同。充填的不平衡會(huì)導(dǎo)致塑件過(guò)保壓，殘余應(yīng)力過(guò)高，對(duì)測(cè)試的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，因此合理地設(shè)計(jì)流道尤為重要[3-5]。在一模多腔中的注射模流道設(shè)計(jì)上，為減少充填不平衡帶來(lái)的測(cè)試誤差，必須對(duì)模具流道進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)，以確保所有的測(cè)試樣條能在相同的成型工藝條件下同時(shí)填滿模具型腔，因而多型腔注射模具流道平衡研究非常重要[6-8]。本文利用Moldflow軟件對(duì)2型腔非平衡式注射模流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　樣條結(jié)構(gòu)及注塑工藝

樣條模具用于檢測(cè)各種塑料的力學(xué)性能，通過(guò)UG軟件建立拉伸樣條和沖擊樣條模型，尺寸如圖1所示。

圖1　測(cè)試樣條尺寸

根據(jù)樣條的使用要求，將澆口設(shè)在產(chǎn)品的側(cè)面。成型以聚丙烯材料為例，聚丙烯材料的黏流曲線如圖2所示。選用推薦工藝的填充方式為自動(dòng)，熔體溫度為240℃，模具溫度為40℃，速度/壓力切換以填充體積99%為界，保壓壓力為80 MPa，保壓控制為填充壓力與時(shí)間，保壓時(shí)間為10 s。

圖2　聚丙烯材料黏流曲線

2　初步結(jié)構(gòu)及充填分析

為了直觀反映塑料熔體在模具型腔的流動(dòng)過(guò)程，由充填不同型腔的時(shí)間差別，可以獲得充填的非平衡程度。應(yīng)用流道平衡分析應(yīng)盡量減少各型腔的充填時(shí)間差，使熔體流動(dòng)過(guò)程平衡。

2.1初始澆注系統(tǒng)的建立

錐形主流道的各項(xiàng)參數(shù)為：末端直徑2.5 mm，長(zhǎng)度27 mm，錐度為1°，分流道為U型，寬度3 mm，高度2 mm，澆口為矩形，拉伸樣條澆口尺寸10 mm×1.5 mm× 1.5 mm，沖擊樣條澆口尺寸為6.0 mm×1.5 mm×1.5 mm，初始澆注系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　初始澆注系統(tǒng)示意圖

2.2充填結(jié)果分析

填充時(shí)間如圖4所示。在充填的后階段，充填壓力在短時(shí)間由32.53 MPa突然變化為36.88 MPa，這是由于流道出現(xiàn)了不平衡。由圖4可以看出，拉伸樣條完成充填需要1.638 s，而沖擊樣條完成充填需要1.383 s，充填流動(dòng)的不平衡性達(dá)到15.6%。不平衡流動(dòng)會(huì)造成拉伸、沖擊樣條型腔壓力分布不均勻，影響測(cè)試結(jié)果。

圖4　填充時(shí)間

V/P轉(zhuǎn)換點(diǎn)型腔內(nèi)的壓力分布圖如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，沖擊樣條型腔先注滿，在拉伸樣條型腔注射過(guò)程中其已處于保壓狀態(tài)，2型腔壓力降差異很大。充填結(jié)束時(shí)，沖擊樣條型腔壓力較高，產(chǎn)生過(guò)保壓的情況，使塑件質(zhì)量出現(xiàn)缺陷。成型過(guò)程制品的鎖模力變化如圖6所示，其最大值為1.43 t。

圖5　V/P轉(zhuǎn)換壓力

圖6　成型過(guò)程制品的鎖模力變化

樣條在注塑成型中，由于充填不平衡，從而使得塑件內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，導(dǎo)致制品出現(xiàn)翹曲變形，影響制品的精度。翹曲結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，塑件的最大變形量為拉伸樣條的充填末端，其值為0.393 9 mm。

圖7　翹曲變形量

3　流道優(yōu)化平衡分析

利用Moldflow提供的流道平衡分析模塊，設(shè)置平衡約束條件，目標(biāo)壓力設(shè)置為38 MPa；流道平衡分析完成后，系統(tǒng)自動(dòng)給出滿足平衡的約束條件和經(jīng)過(guò)流道尺寸調(diào)整的充填結(jié)構(gòu)。本次分析進(jìn)行的迭代計(jì)算次數(shù)為3次，時(shí)間不平衡率為2.969 4%，壓力不平衡率為1.874 0%，截面不平衡率為0.114 5%，分析結(jié)果比較理想。

優(yōu)化后主流道采用錐形，末端直徑2.5 mm，長(zhǎng)度27mm，錐度為1°，拉伸樣條側(cè)U型分流道寬度2.82mm、高度1.88 mm，沖擊樣條側(cè)U型分流道寬度2.67 mm、高度1.78 mm，流道澆口為矩形，拉伸樣條澆口尺寸10 mm×1.5 mm×1.5 mm，沖擊樣條澆口尺寸為6.0 mm× 1.5 mm×1.5 mm。

優(yōu)化后的充填時(shí)間如圖8所示。經(jīng)過(guò)流道平衡優(yōu)化，拉伸樣條充填時(shí)間為1.596 s，沖擊樣條充填時(shí)間1.549 s，流動(dòng)的不平衡性是2.9%，滿足成型要求，2個(gè)型腔流動(dòng)路徑上的壓力降基本一致。

圖8　優(yōu)化后的充填時(shí)間

優(yōu)化后的轉(zhuǎn)換壓力、翹曲變形量和鎖模力變化如圖9至圖11所示。與優(yōu)化前的澆口位置壓力曲線相比，澆口位置的壓力在熔體充模的后期變化均勻，塑件的最大變形量為0.388 1 mm，較以前有所減??；優(yōu)化后的最大鎖模力由原來(lái)的1.43 t變?yōu)?.17 t。因此，流道的平衡優(yōu)化比較合理。

圖9　優(yōu)化后V/P轉(zhuǎn)換壓力

圖10　優(yōu)化翹曲變形量

圖11　優(yōu)化后鎖模力變化

綜上所述，流道分析不僅實(shí)現(xiàn)了充填平衡，還減少了料頭用量，降低了產(chǎn)品成本。由于流道平衡分析不能優(yōu)化澆口尺寸，因此在實(shí)際中，當(dāng)充填出現(xiàn)不平衡時(shí)，應(yīng)采用同時(shí)改變澆口和流道尺寸的方法改善充填。

應(yīng)用UG6.0完成注塑模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖12所示。

圖12　模具設(shè)計(jì)

4　結(jié)束語(yǔ)

塑料熔體流動(dòng)是否平衡對(duì)塑件質(zhì)量有著重要的影響，本文利用注射模CAE技術(shù)對(duì)多樣條流道進(jìn)行了模擬分析，通過(guò)調(diào)整流道尺寸，獲得平衡充填、注射壓力均勻、變形小的流道結(jié)構(gòu)，為多樣條模具設(shè)計(jì)制造提供了理論依據(jù)。

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Flow optimization design of multi-spline injection mould based on Moldflow

WANG Quan，DONG Li-yuan，MENG Qing-guo，CAI Yu-jun
（Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Machining，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：Design of multi-spline injection mould is the key to testing the specimen mechanical proper. The paper describes the two cavities non-equilibrium injection mould runner system design，such as tensile and impact specimens. The Moldflow software is used to simulate the filling and flow balance analysis in order to obtain the best runner system. The mould is designed finally.

Key words：injection mould；multi-spline；Moldflow；flow balance

作者簡(jiǎn)介：王權(quán)（1977—），男，副教授，博士后，研究方向?yàn)槟＞逤AD/CAE.

基金項(xiàng)目：天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目（20140409）；天津市高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)計(jì)劃資助（TD12-5043）；新疆維吾爾自治區(qū)2013年科技援疆項(xiàng)目（2013911035）.

收稿日期：2015-05-13

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ320.662

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095－0926（2015）03－0029－03