韓　瑩，王承志，黃　勇，杜曉明，張　景

(1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 10159　2.煙臺南山學院，山東 煙臺 265713)

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殼體注塑成型數值模擬及工藝研究

韓瑩1，王承志2，黃勇1，杜曉明1，張景1

(1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 101592.煙臺南山學院，山東 煙臺 265713)

摘要：以Moldfow模擬軟件為分析平臺，研究增強PA66交流接觸器殼體注塑工藝。通過填充，保壓等過程的仿真模擬，針對殼體的縮痕，翹曲等缺陷，運用正交試驗法優(yōu)化出最佳的注塑工藝參數，設計并制造出殼體注塑模具，并通過生產實踐得到了合格的殼體產品，證明了模擬結果的正確性且可以應用于生產實際。

關鍵詞：注塑成型；數值模擬；殼體；模具設計；工藝參數

玻璃纖維增強PA66與標準材料相比，具有高達兩倍的耐沖擊性，可進行注塑成型加工，適用于復雜形狀和薄壁制件的注塑成型。注塑成型作為一種重要的塑料加工方法，能以較短的生產周期、自動化的生產方式生產出尺寸精確和結構復雜的塑料產品[1]。經過注塑加工出來的塑料制品可廣泛用于電子、醫(yī)療器材、汽車等行業(yè)。殼體是交流接觸器的主要部件，交流接觸器的使用環(huán)境對零件的力學性能有較高的要求，注射工藝要求較高，技術難度較大，因此采用數值模擬對殼體注塑模具設計及工藝進行研究[2]。近年來對注塑成型數值模擬的研究已取得了一定的進展，主要集中在PA、PP、ABS的成型工藝及翹曲缺陷分析上，本次研究運用數值模擬改進了澆注系統(tǒng)的設計，并且通過對從溫度分布、收縮率、壁上剪切應力等指標的優(yōu)化，減少縮痕、翹曲等缺陷，科學而有效地提高了零件的成品率[3]。

1殼體澆注系統(tǒng)的設計及填充模擬

1.1殼體零件的3D模型

用UG作為設計平臺對殼體產品進行3D建模，以Moldflow作為分析平臺對注塑過程進行仿真模擬，對填充過程、翹曲、溫度變化等進行數值模擬分析，再對注塑過程中的工藝參數如溫度、壓力等做進一步的研究。圖1為殼體產品3D造型圖。

圖1　殼體產品3D造型圖

殼體零件的外形尺寸為80.48mm×74.64mm×113.55mm，最薄壁厚為2.01mm，最厚為4.39mm，計算總重量為：115.86g，材料為PA66，收縮范圍大，取向性明顯，所以注塑模具溫度、注射時間、保壓時間等參數對殼體件的收縮率、凹痕、變形、縮孔等都有較大的影響[4]。

1.2殼體澆注系統(tǒng)的設計

殼體注塑成型選用CJ320型臥式注塑機，根據產量及產品特征設計為一模一腔。交流接觸器殼體屬于深腔注塑件，選用的玻璃纖維增強PA66材料黏度較大，因此首先選擇為進料速度快，傳遞壓力較好的主流道型澆口，但由于零件外觀要求較高，而主流道澆口加工難度較大，且采用主流道+點澆口的澆注系統(tǒng)會導致澆口壓力過大，綜上多種因素，采用多點進澆方案，根據殼體的結構設置了4條分流道，對應4個點澆口，如圖2所示。

圖2　殼體澆注系統(tǒng)設計圖

這種設計既采用了易于分離的點澆口，又有效地分散了澆口的壓力，而且為避免澆口壓力過大導致周圍壁上剪切應力增大的情況，相應擴大主流道和澆口的橫截面[5]。通過多次填充模擬實驗，最終選定澆注系統(tǒng)尺寸為：主流道橫截面直徑5.1～11mm，分流道橫截面直徑為7.1～3.2mm，點澆口橫截面直徑為1.1mm，長度為1.8mm。

1.3網格劃分及預填充模擬

在模擬之前，首先對模型進行前處理，包括3D造型的完善和修復以及網格的劃分及修復，如圖3所示。

圖3　殼體網格劃分圖

圖中網格統(tǒng)計結果如下：

三角形單元：66882；連接節(jié)點：33415；表面積：874.968cm2；體積：108.307cm3；縱橫比：最大27.0，平均1.68，最小1.15；匹配百分比：91.0%；相互百分比：90.8%。

圖4為設計注塑工藝下的充填-保壓-翹曲分析結果。

(a)填充時間

(b)填充末端總體溫度

(c)翹曲形變

由填充時間結果(圖4a)可見，澆注系統(tǒng)具有良好的平衡性。但填充末端總體溫度差較大，達到42.5℃，并且分布不均勻，澆口附近溫度較高。體積收縮率在填充結束時的最大值為9.902%，經過保壓后最大值達到8.343%，將導致零件有較大的形變和縮痕指數。翹曲最大值為0.6186mm，分布位置如圖4c所示，其中由于收縮不均造成的形變達到0.6063mm，由纖維取向造成的形變達到0.3523mm。厚壁位置縮痕指數較大，易產生縮孔和凹痕。這些缺陷都是導致制品的尺寸穩(wěn)定性差，沖擊強度下降，影響零件的精度和使用壽命的原因。因此需要通過數值模擬改進工藝，提高零件產品的品質特性。

2殼體數值模擬及工藝優(yōu)化

2.1正交模擬試驗的設計

PA66屬于結晶性料，熔點較高，熔融溫度范圍狹窄，成型收縮率大，取向性明顯，易發(fā)生縮孔，凹痕和變形等缺陷，成型條件應穩(wěn)定在20～90℃。具體溫度按壁厚選擇，低模溫易產生縮孔和結晶度低等現象，料溫高則收縮大，易出飛邊。注射壓力依注射機類型、料溫、零件尺寸，澆注系統(tǒng)的設計而變化。注射壓力高則易出現飛邊，取向性強，收縮小，注射壓力低易發(fā)生凹痕、波紋等缺陷，注射時間及高壓時間對塑件收縮率、凹痕、變形、縮孔等影響較大[6]。

玻璃纖維的含量直接影響制品的力學性能，玻璃纖維增強的PA66具有絕緣性好、抗腐蝕性好、耐熱性強，機械強度高等優(yōu)點。但也存在脆性高、耐磨性較差的缺點，而且當玻璃纖維用量過高時，也會引起浸潤和料液流動不良等問題。因此，玻璃纖維的用量一般不宜超過30%[7]。

表1為針對PA66的性能及殼體零件的結構特點設計的變量及因數水平。

表1　正交試驗變量及因數水平

為了使殼體產品的質量及穩(wěn)健性得到提高，同時提高實驗效率，采用田口方法來設計實驗參數，不僅減少實驗次數，而且將干擾因子的影響降到最小。表2是為滿足7因素3水平正交試驗設計的L19(318)正交表[8]。

表2　L(318)正交表

2.2模擬結果及分析

對以上18組工藝參數進行充填—保壓分析，模擬結果見表3。填充末端溫度(bulk temperature)用來表示填充時殼體壁上整體溫度分布，成型周期間的溫度分布不僅與填充時間和位置有關，也與成型周期間的壁厚有關[9]。總體溫度分布也是檢查流量分配的標準之一，熔體流動速率較大的部位通常具有較高的溫度，熔體流動緩慢的部位溫度會有明顯的下降，因此大的溫度差異會引起收縮不均和翹曲?？s痕指數表示縮孔和凹痕可能存在的位置和嚴重程度，體積收縮率顯示了每個區(qū)域的收縮體積與原始體積的比例，過高的體積收縮率可導致縮孔，而差異過大則會導致翹曲[10]。填充時壁上剪切應力過高則會造成內部纖維取消性強烈，導致零件成型后沖擊強度下降。

表3　模擬結果

模擬試驗結果可分成充填、保壓兩個階段來分析。

2.2.1充填階段結果分析

表4為充填階段熔體溫度、模具溫度、注射時間、玻纖含量對各質量指標的因數反應。

表4充填階段變量因數反應

由上述因數反應，可得

表5　注塑工藝參數1

對于不同指標的優(yōu)化工藝參數有所差異，為了使質量損失降到最小，可以計算各因數的因子效應，因子效應代表一個因子對指標影響的強弱，因子效應越大，表示對指標的影響越大[11](表6)。

表6　充填階段變量因子效應

通過對變量的篩選，擬定了表7中的4組方案。

表7　注塑工藝參數2

將以上方案進行模擬分析，運用田口方法中的信噪比(S/N)[12]計算，進一步確定最佳的方案。望小特性的算法如下，其中yi為試驗結果，n為試驗次數，S/N值越大，品質特性越高。

通過分析和計算得到，熔體溫度275℃，模具溫度75℃，注射時間1.5s，玻纖含量30%，信噪比達到最大值-38.65.

2.2.2保壓階段結果分析

表8是保壓時間、保壓壓力、冷卻時間對縮痕指數和體積收縮率的因數反應。

表8　保壓階段變量因數反應　%

分析得出保壓冷卻階段的因子效應，如表9所示。

表9　保壓階段變量因子效應　%

與充填階段不同，保壓階段可按照不同的需求設定不同的保壓曲線，通過上述結果，設計如圖5的保壓曲線[13]，既有效的降低了體積收縮率及縮痕指數，又避免了過保壓現象。

圖5　保壓曲線

2.3優(yōu)化工藝參數模擬結果

將確定的參數及保壓曲線用于充填-保壓-翹曲模擬，與設計工藝進行比較，結果如圖6～圖9所示。

(a)原定工藝

(b)優(yōu)化工藝

由圖6的填充末端總體溫度結果來看，優(yōu)化工藝不僅降低了溫度差值，而且使溫度分布更加均勻。

圖7是優(yōu)化工藝減小體積收縮率的結果。

(a)原定工藝

(b)優(yōu)化工藝

優(yōu)化工藝將原定工藝在填充結束時的最大體積收縮率由9.902%降低到了9.256%保壓結束時最大體積收縮率由8.343%降低到7.8034%，有效減小了零件出現縮孔，凹痕的程度。

圖8是優(yōu)化前后縮痕指數的對比。

(a)原定工藝

(b)優(yōu)化工藝

圖9是翹曲分析結果，通過對填充末端總體溫度以及體積收縮率的控制，優(yōu)化后的工藝也有效減小了因收縮不均和纖維取向造成的翹曲形變。

(a)原定工藝

(b)優(yōu)化工藝

整體形變量由0.6186mm降低到0.5716mm，其中收縮不均引起的形變量由0.6063mm降低到0.6762mm，纖維取向不均造成的形變量由0.3523mm降低到0.3473mm。

綜上所述，優(yōu)化工藝模擬結果將設計工藝下的填充末端總體溫度差降低了22.4%，體積收縮率降低了6.5%，縮痕指數降低了33%，翹曲變形降低了7.8%，其中由收縮不均引起的形變降低5.0%，纖維取向造成的形變降低1.4%。

2.4生產驗證

澆注系統(tǒng)的優(yōu)化方案應用于模具設計，并制造出殼體注塑模具，按照模擬優(yōu)化的注塑工藝參數進行試模，注塑機采用CJ320型，材料選用30%玻璃纖維填充PA66，生產出合格的殼體產品，如圖10所示。

圖10　生產出的殼體產品

3結論

(1)根據殼體零件的結構特點及生產需求設計了殼體注塑澆注系統(tǒng)，通過數值模擬驗證了其模具設計的合理性，并成功設計制造出殼體注塑模具。

(2)通過正交實驗數值模擬確定出注塑工藝參數為：熔體溫度275℃、模具溫度70℃、注射時間為1.5s，并設計了合理的保壓曲線。

(3)通過生產驗證，模擬出的優(yōu)化工藝參數可以得到合格的殼體產品，證明數值模擬可以應用于生產實際中。

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(責任編輯：馬金發(fā))

Numerical Simulation and Process Study of Shell Injection Molding

HAN Ying，WANG Chengzhi,HUANG Yong，DU Xiaoming，ZHANG Jing

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Abstract：The designing of injection mold and the optimizations for process parameters of GF PA66 AC contactor shell were provided by the numerical simulation analysis on filling,packing and warpage,on the platform of Moldflow.The injection mold was designed and prepared,deriving the optimum process referring to the result of numerical simulation,finally acquiring the qualified product through productive practice，which verified the correctness of simulation results.

Key words：injection molding;numerical simulation;shell;mold design;process parameters

中圖分類號：TB324

文獻標志碼：A

文章編號：1003-1251(2016)01-0050-08

作者簡介：韓瑩(1988—)，女，碩士研究生；通訊作者：黃勇(1959—)，男，教授，研究方向：半固態(tài)成型、注塑成型數值模擬。

收稿日期：2014-11-14