磨莉，谷林

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000； 2.西安工程大學(xué)，西安 710048)

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基于Moldflow的PP薄壁制品注塑工藝計算機(jī)模擬

磨莉1，谷林2

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000； 2.西安工程大學(xué)，西安 710048)

摘要：利用Moldflow對Taguchi法和L16(45)正交表所設(shè)計出的聚丙烯(PP)薄壁制品注塑方案進(jìn)行仿真，研究發(fā)現(xiàn)：注射時間、保壓時間、保壓壓力是影響PP薄壁制品翹曲變形的主要因素，并且得到最優(yōu)注塑參數(shù)為：注塑機(jī)料筒溫度180℃，模具溫度75℃，注射時間3.0 s，保壓時間3.5 s，保壓壓力65 MPa。另外，通過CAE模流分析軟件中PP薄壁制品注塑加工的翹曲變形進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)，正交試驗所獲得的優(yōu)化工藝的總翹曲變形量為1.417 mm，翹曲變形百分比約為3.30%。其中由于冷卻引起的翹曲變形量約為0.159 mm，而由收縮和取向引起的翹曲變形分別約為1.853 mm 和0.904 mm。

關(guān)鍵詞：翹曲變形；moldflow；正交試驗法；CAE模流分析；計算機(jī)仿真

聯(lián)系人：磨莉，講師，主要從事計算機(jī)仿真模擬研究

聚丙烯(PP)是一種具有良好絕緣性能、抗化學(xué)腐蝕性能、加工性能，且無毒的高分子材料，作為三大通用塑料之一，可以廣泛應(yīng)用于食品包裝、汽車儀表盤及零件、塑料纖維、日用品等領(lǐng)域。PP熔體在低剪切速率情況下，通常呈牛頓流體特性，隨剪切速率增大，出現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象。在注塑加工時，通常選用熔體流動速率為2～10 g/(10 min)范圍內(nèi)的PP，其流動性較好，成型溫度約為205～315℃，溢出值約為0.03 mm，注塑機(jī)料筒溫度一般為210～280℃，注射壓力約為180 MPa[1]。

注塑制備薄壁塑料產(chǎn)品時，由于聚合物熔體冷卻收縮以及產(chǎn)品各部分冷卻不均一、PP分子發(fā)生取向性流動等現(xiàn)象，容易造成塑料制品的翹曲變形，進(jìn)而影響產(chǎn)品的使用性能，甚至造成產(chǎn)品報廢。為了避免翹曲變形現(xiàn)象的出現(xiàn)，除了選取結(jié)構(gòu)合理的模具外，結(jié)合高聚物流變特性，減小聚合物熔體殘余內(nèi)應(yīng)力，也是較為重要的手段[2-3]。一般情況下，注塑機(jī)的料筒溫度、模具溫度、注射速率、注射時間、保壓時間、保壓壓力和冷卻時間等因素都會影響到塑料制品的翹曲變形程度[1]。利用傳統(tǒng)優(yōu)化方法往往會造成較大的工作量，而正交試驗法卻可以通過較少的實驗組合找到最優(yōu)的水平組合[4-5]，結(jié)合moldflow平臺的仿真模擬，則可較為精確地確定優(yōu)化工藝[6-9]。筆者以PP薄壁制品為例(尺寸為230 mm×136 mm×43 mm，壁厚為2 mm)，利用Taguchi正交試驗法對各注塑參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將所獲得的最佳工藝條件在CAE模流分析軟件中進(jìn)行模擬仿真，并與傳統(tǒng)注塑工藝進(jìn)行對比。

1　正交實驗設(shè)計及注塑參數(shù)的確定

1.1注塑參數(shù)范圍選定

在PP注塑加工過程中，注塑機(jī)的料筒溫度、模具溫度、注射速率、注射時間、保壓時間、保壓壓力和冷卻時間等工藝參數(shù)都在不同的程度上影響著塑料制品的翹曲變形量。

注塑機(jī)料筒溫度：料筒溫度直接影響PP熔體的流動性能，溫度過低，PP流體流動性能差，從而導(dǎo)致不能及時釋放流動過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，造成制品翹曲變形；而過高的溶體溫度則會導(dǎo)致材料發(fā)生分解或黏著于料筒壁或噴嘴，冷卻脫模時也會造成制品收縮量過大，導(dǎo)致翹曲變形?？傮w來說，溫度過高或過低都會導(dǎo)致塑料制品發(fā)生翹曲變形，而合適的料筒溫度應(yīng)根據(jù)PP的流變性能來決定，使其既可以充分熔融，又能保持均一、適中的流動速率，筆者所確定的料筒溫度為180～210℃。

模具溫度：模具溫度過低的話，PP熔體注入模具后會快速冷卻，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品快速收縮，無法釋放內(nèi)應(yīng)力，從而發(fā)生翹曲變形，升高模具溫度可以降低塑料制品的冷卻速率，留出充分的時間釋放PP熔體的內(nèi)應(yīng)力。但是，溫度過高也會造成PP的降解，甚至損壞模具。根據(jù)PP的流變性能和模具所能承受的最高溫度，將模具溫度選定在60～75℃范圍內(nèi)。

注射速率：由于模具溫度低于料筒溫度，并且低于PP的粘流溫度，所以當(dāng)PP熔體進(jìn)入模具后便會發(fā)生冷卻，若注射速率過低，PP熔體則無法充滿模具，產(chǎn)品內(nèi)部會殘留內(nèi)應(yīng)力；而注射速率過高，則熔體流動速率過大，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也過大，這兩種情況都會導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生翹曲變形。根據(jù)注塑機(jī)最大注射速率，將注射速率選定為40～55 cm3/s。

注射時間：與注射速率的影響相同，較長或較短的注射時間都會對產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，在此選定注射時間為2.4～3 s。

保壓壓力：將PP熔體注射到模具中后，由于熔體的冷卻收縮會導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸發(fā)生變化，通常利用電液系統(tǒng)對其進(jìn)行保壓，在冷卻過程中向模具內(nèi)補充PP熔體。如果保壓壓力過低，沒有足夠的PP熔體進(jìn)行補充，則產(chǎn)品會發(fā)生收縮而導(dǎo)致翹曲變形；保壓壓力過高，會使模具內(nèi)的流體流動速率過大，從而產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，也會導(dǎo)致翹曲變形。因而選定的保壓壓力范圍為35～65 MPa。

保壓時間：保壓時間對產(chǎn)品質(zhì)量的影響與保壓壓力的影響類似，保壓時間較短容易造成產(chǎn)品尺寸收縮，較長的保壓時間會增大模具內(nèi)PP流體的內(nèi)應(yīng)力，會造成翹曲變形。因而選定的保壓時間為2.0 ～3.5 s。

冷卻時間：產(chǎn)品沒有經(jīng)過充分冷卻，脫模后沒有電液系統(tǒng)的保壓作用，會發(fā)生較大的尺寸收縮，產(chǎn)生翹曲變形；但若冷卻時間過長，保壓過程則會增大PP熔體的內(nèi)應(yīng)力，同樣造成翹曲變形。因而冷卻時間設(shè)定為23.5～25.6 s。

1.2正交實驗設(shè)計及仿真

對注塑制件翹曲變形量的影響因素有澆注系統(tǒng)、冷卻方式和注塑成型參數(shù)，筆者對這三種因素進(jìn)行仿真，進(jìn)而篩選出最優(yōu)的注塑條件。

(1)澆注系統(tǒng)的仿真。

在注塑成型過程中，澆口的位置、數(shù)目以及流道半徑和形狀都會在很大程度上影響PP熔體的流動平衡，影響PP熔體內(nèi)應(yīng)力的殘留情況，從而影響PP制件的翹曲變形量。合適的澆注系統(tǒng)可以降低制件的翹曲變形量，減少缺陷，提高表面質(zhì)量。結(jié)合PP熔體的流動特性，最佳的澆口位置為制件的中心位置，通過改變澆口位置和數(shù)目以及流道半徑和形狀，設(shè)計了以下5種注塑方案：

(a)單澆口，雙流道。澆口位于制件中心位置，直徑為1 mm，主流道為圓錐形，小口直徑為3 mm，大口直徑為7 mm，支流道為圓形，直徑為7 mm。

(b)單澆口，單流道。澆口位于制件中心位置，直徑為1 mm，流道為圓錐形，小口直徑為3 mm，大口直徑為7 mm。

(c)雙澆口，雙流道。澆口直徑為1 mm，主流道為圓錐形，小口直徑為3 mm，大口直徑為7 mm，支流道為圓形，直徑為7 mm。

(d)雙澆口，雙流道。澆口直徑為1 mm，主流道和支流道皆為圓錐形，小口直徑為3 mm，大口直徑為7 mm。

(e)雙澆口，雙流道。澆口直徑為1 mm，主流道和支流道皆為圓形，直徑為7 mm。

在相同的注塑參數(shù)下(注塑機(jī)料筒溫度220℃，模具溫度60℃，注射時間2.6 s，保壓時間10 s，保壓壓力50 MPa)對以上五種注塑方案進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，最終制件的翹曲變形量分別為2.166，2.180，2.158，2.161，2.182 mm，這說明第三套注塑方案更適合注塑制備高質(zhì)量的PP薄壁制品。

(2)冷卻系統(tǒng)的仿真。

冷凝管路的排列、數(shù)目、直徑和冷卻用水的溫度都在很大程度上影響著PP熔體在模具中的冷卻速率，進(jìn)而影響制品的翹曲變形量。根據(jù)PP的流變性能和實際注塑經(jīng)驗，筆者設(shè)計了9種不同的冷卻系統(tǒng)，利用上述注塑參數(shù)進(jìn)行仿真，具體實驗方案和仿真結(jié)果見表1。結(jié)果表明，不同的冷卻方式對制件的翹曲變形影響不大，但相對來說第二套冷卻方案更適合該PP薄壁制品的注塑成型。

表1　采用不同冷卻系統(tǒng)方案的仿真結(jié)果

利用CAD UG 5.0對薄壁制品建模后導(dǎo)入Moldflow軟件中，利用Moldflow 軟件，結(jié)合彈性力學(xué)和流體力學(xué)等性能，對薄壁制品注塑成型進(jìn)行CAE 分析。如圖1所示，將第二套冷卻方案的工藝參數(shù)在CAE模流分析軟件中對PP薄壁制品的翹曲變形進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果表明當(dāng)進(jìn)入冷凝管的水溫為25.02℃，對制件進(jìn)行冷卻后水溫升至28.59℃；制件各部位達(dá)到從模具中頂出溫度的時間為12.84 ～34.67 s，制件中部先達(dá)到頂出溫度，邊緣部位較晚達(dá)到頂出溫度；制件經(jīng)冷卻后，各部位的溫度為37.27～71.55℃，其中除制件邊角部位溫度較高外，其他部分溫度均低于50℃；經(jīng)方案2冷卻所得PP薄壁制件的翹曲變形為2.158 mm，其中制件邊角部分和制件中心部位的翹曲變形量相對較大。

圖1　采用方案2冷卻系統(tǒng)的注塑工藝仿真結(jié)果

通過對上述注塑工藝參數(shù)的討論和范圍選定，選取注塑機(jī)的料筒溫度(A)、模具溫度(B)、注射時間(C)、保壓壓力(D)、保壓時間(E)五個最主要的因素，在所確定的每個工藝參數(shù)范圍內(nèi)平均選定4個工藝參數(shù)，具體工藝參數(shù)見表2。

表2　因素4水平取值表

根據(jù)表2中工藝參數(shù)及其水平的劃分，采用5因素4水平的正交試驗矩陣，利用L16(45)正交表，利用Taguchi法設(shè)計出單指標(biāo)正交試驗方案，具體試驗方案如表3所示。為了得到最佳工藝，傳統(tǒng)方法需要對45個實驗參數(shù)進(jìn)行評估，而正交試驗只需要對16組實驗進(jìn)行評估，篩選出對產(chǎn)品翹曲變形影響最大的實驗因素。

表3　正交實驗方案及結(jié)果

利用CAD UG 5.0對薄壁制品建模后導(dǎo)入Moldflow軟件中，通過MLD將所創(chuàng)建的薄壁制品模型導(dǎo)入到MPI模塊中，利用Fusion法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。結(jié)合實際生產(chǎn)中的澆注系統(tǒng)，確定采用一模一腔熱流道系統(tǒng)，其中主流道為圓錐形，小口直徑為3 mm，大口直徑為7 mm，分流道為圓孔型，直徑為7 mm，澆口為圓形，直徑為1 mm，冷卻管道為2根，X軸向排列，管道直徑為8 mm，采用水溫為25℃的冷卻水進(jìn)行冷卻。利用Moldflow對表2中16組正交實驗的翹曲變形量進(jìn)行仿真，實驗結(jié)果見表3和圖2。由圖2可看出，注射時間(C)、保壓壓力(D)、保壓時間(E)三個工藝參數(shù)對產(chǎn)品的翹曲變形影響較大，且隨著注射時間、保壓壓力和保壓時間的增大，注塑制品的翹曲變形量較低。表2中第四組正交實驗的翹曲變形量最低，為1.702 mm。該注塑成型參數(shù)為：注塑機(jī)料筒溫度180℃，比傳統(tǒng)工藝的料筒溫度低約40℃；模具溫度為75℃，相對傳統(tǒng)工藝較高；注射時間、保壓時間和保壓壓力都較高，分別為3.0 s，3.5 s和65 MPa，更有利于降低該制件注塑成型的翹曲變形量。

圖2　各工藝參數(shù)對翹曲變形量的影響

2　注塑工藝參數(shù)仿真

通過對正交實驗的仿真模擬得知，最為優(yōu)化的注塑工藝為：注塑機(jī)料筒溫度180℃，模具溫度75℃，注射時間3.0 s，保壓時間3.5 s，保壓壓力65 MPa。

利用Moldflow 軟件，結(jié)合彈性力學(xué)和流體力學(xué)等性能，對薄壁制品注塑成型進(jìn)行CAE分析。并結(jié)合公式(1)和公式(2)，采用有限元方法對注塑成型過程進(jìn)行模擬分析。

其中，η為黏度，α為黏度系數(shù)，γ為剪切率，β為剪切系數(shù)，C為溫度系數(shù)，T為溫度。

其中，γ′為黏度，A1～A6是多項式的6個系數(shù)，X為剪切速率，Z為溫度。

圖3為優(yōu)化工藝的翹曲變形仿真結(jié)果。由圖3可知，該PP薄壁制品在正交實驗優(yōu)化后的工藝條件下進(jìn)行注塑加工時，總的翹曲變形量為1.417 mm。其中由于冷卻引起的翹曲變形量約為0.159 mm，而由收縮和取向引起的翹曲變形分別約為1.853 mm 和0.904 mm，這說明冷卻對PP薄壁制品的翹曲變形影響較小，而收縮和取向?qū)βN曲變形的影響較大。目標(biāo)制件的尺寸為230 mm×136 mm×43 mm，該優(yōu)化工藝下對其進(jìn)行注塑加工的翹曲變形百分比約為3.30%。為了更直觀地體現(xiàn)正交試驗優(yōu)化后注塑工藝的改善，也對傳統(tǒng)工藝下(注塑機(jī)料筒溫度220℃，模具溫度60℃，注射時間2.6 s，保壓時間10 s，保壓壓力50 MPa)注塑加工PP薄壁制品進(jìn)行了仿真研究。其總的翹曲變形量為1.797 mm。其中由于冷卻引起的翹曲變形量約為0.075 mm，而由收縮和取向引起的翹曲變形分別約為1.938 mm 和0.670 mm，，傳統(tǒng)工藝下對PP薄壁制品進(jìn)行注塑加工的翹曲變形百分比約為4.18%。相比之下，優(yōu)化后的工藝可以在很大程度上降低PP薄壁制品注塑加工時的翹曲變形量。

圖3　優(yōu)化工藝的翹曲變形仿真結(jié)果

3　結(jié)論

(1)通過Moldflow對利用Taguchi法和L16(45)正交表所設(shè)計出單指標(biāo)正交試驗方案進(jìn)行仿真模擬發(fā)現(xiàn)，注射時間、保壓時間、保壓壓力三個工藝參數(shù)對產(chǎn)品的翹曲變形影響較大，最優(yōu)注塑參數(shù)為注塑機(jī)料筒溫度180℃，模具溫度75℃，注射時間3.0 s，保壓時間3.5 s，保壓壓力65 MPa。

(2)在CAE模流分析軟件中對優(yōu)化工藝和傳統(tǒng)工藝注塑加工PP薄壁制品的翹曲變形進(jìn)行仿真，結(jié)果表明優(yōu)化工藝的翹曲變形百分比約為3.30%，而傳統(tǒng)工藝的翹曲變形百分比為4.18%，優(yōu)化后的注塑工藝大大降低了PP薄壁制品注塑加工的翹曲變形量。

(3)通過CAE模流分析軟件中對PP薄壁制品注塑加工的翹曲變形進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)，冷卻對PP薄壁制品的翹曲變形影響較小，而收縮和取向?qū)βN曲變形的影響較大。

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Computer Simulation on Injection Molding Process of PP Thin-Walled Products Based on Moldflow Method

Mo Li1， Gu Lin2
(1. Shaanxi Industrial Vocational College， Xianyang 712000， China； 2. Xi'an Polytechnic University， Xi'an 710048， China)

Abstract：Through simulation investigation on injection molding processes of polypropylene(PP) mirror frame designed by L16(45) orthogonal layout by the moldflow software，the injecting time，holding time and holding pressure were proved to be the dominant factors on warping deformation. The modified process parameters were obtained as 180℃of injection molding machine barrel temperature，75℃of mold temperature，3.0 s of injecting time，3.5 s holding time and 65 MPa of holding pressure. The modified parameters were simulated on CAE mode flow analysis software，the warping deformation value and its ratio were decreased to 1.417 mm and 3.30%. The warping deformation value originated from cooling，contraction and orientation were 0.159， 1.853 and 0.904 mm.

Keywords：warping deformation；moldflow；orthogonal test method；CAE mode flow analysis；computer simulation

中圖分類號：TQ320.66

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-3539(2016)04-0069-05

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.04.016

收稿日期：2016-01-26