李 雅
(常熟理工學院,江蘇 蘇州 215500)
在注塑生產(chǎn)中,為了提高生產(chǎn)率和降低成本,常采用一模異穴模具生產(chǎn)中小型的塑件。由于各型腔的塑件體積不同,塑料熔體經(jīng)澆注系統(tǒng)不能同時充滿各型腔,造成澆注系統(tǒng)流動不平衡現(xiàn)象,導致各型腔產(chǎn)品品質不一致,易產(chǎn)生飛邊、短射、產(chǎn)品密度不均及氣穴等缺陷[1-2],因此必須對澆注系統(tǒng)進行平衡設計。目前,實際生產(chǎn)中,往往采用經(jīng)驗方法進行設計,在實際試模中再對澆口進行調整和修正,來達到不同產(chǎn)品同模注塑流動平衡的目的,但這樣會加大模具的制造風險,一是澆口位置選擇不當,通過澆口的修正和尺寸調整很難達到平衡效果;二是試模方法具有較大的盲目性,模具需要在注塑機上反復拆裝,造成較大的人力物力浪費,模具制造成本高、周期長[3-5],滿足不了日益競爭的市場需要。
文章利用Moldflow 軟件優(yōu)化香皂盒套件注塑模組合型腔的流動平衡。實踐證明,采用注塑模計算機輔助技術(CAE),能科學地降低成本,縮短設計周期,提高生產(chǎn)效率,達到理想的效果。
香皂盒套件包括盒體、盒墊兩部分,三維(3D)造型如圖1所示。其材料采用Monsanto Kasei 公司生產(chǎn)的丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS),無玻璃纖維填充。ABS材料成型性好,剛度和強度好、表面硬度大、耐沖擊、耐磨、易清潔處理、尺寸穩(wěn)定、抗蠕變性好,收縮率在0.5 %左右,成型壓力較高,其主要成型性能參數(shù)為:熔料溫度為180~250 ℃,模具溫度為50~70 ℃,注射壓力70~90 MPa[6]。
盒體尺寸160 mm×70 mm×30 mm,壁厚最大值4 mm,最小值2 mm,盒墊尺寸60 mm×60 mm×5 mm,壁厚最大值2 mm,最小為1.2 mm。表面品質要求較高,尺寸精度要求不高。
在UG軟件中完成香皂盒套件三維造型,保存為.prt格式,導入Moldflow中選擇“雙層面”類型進行網(wǎng)格劃分,經(jīng)過多次網(wǎng)格修改將網(wǎng)格縱橫比減小到5.96,小于模擬分析要求的10,網(wǎng)格匹配率達到93.3 %,高于模擬分析要求的85 %[7]。
(a)盒體 (b)盒墊圖1 香皂盒套件三維造型Fig.1 3D modeling of soap boxes
澆口的設計應保證塑料熔體充填均勻、平衡、避免短射、凹陷及滯留等缺陷產(chǎn)生。通過Moldflow分別分析盒體、盒墊塑件的理想澆口位置,結果如圖2所示。可以看出,盒體最佳澆口位置處于產(chǎn)品的中間位置,盒墊最佳澆口位置處于長孔四周。
(a)盒體 (b)盒墊圖2 最佳澆口位置分析結果Fig.2 Analysis results of optimal gate location
香皂盒套件是一個盒體配2個盒墊,為了將套件中的3個零件一次成型,采用側澆口形式,根據(jù)理想澆口位置分析結果,確定側澆口位置。型腔布局與澆口位置如圖3所示。
圖3 型腔布局Fig.3 Cavity layout
利用Moldflow軟件分別對盒體、盒墊進行成型窗口分析,工藝參數(shù)設置:模具溫度50~70 ℃,熔料溫度180~250 ℃,注射時間0.5~2 s,分析結果如表1所示。
表1 成型窗口分析結果
根據(jù)表1結果,盒體、盒墊成型推薦的模具溫度均為70 ℃,而兩者推薦的熔體溫度和注射時間差別不大。考慮到推薦溫度為材料推薦模溫的邊界值,在實際應用時要留有余量,因此,選擇注射參數(shù)時,模具溫度選擇65 ℃,熔體溫度和注射時間選擇接近兩者的中間值,分別為240 ℃和0.6 s。
在區(qū)域成型窗口中設置“切割軸”為模具溫度,“切割位置”為65 ℃,以“熔體溫度”和“注射時間”作為橫、縱軸,繪制區(qū)域成型窗口二維(2D)切片圖如圖4所示。從圖4中可知,熔體溫度240 ℃、注射時間0.6 s都位于兩者成型的首選區(qū)域,驗證了參數(shù)的可行性。
(a)盒體 (b)盒墊圖4 區(qū)域成型窗口2D切片圖Fig.4 2D section diagram of the area shaping window
澆注系統(tǒng)初始設計方案如圖5所示,各段具體尺寸見表2[8]。
圖5 澆注系統(tǒng)Fig.5 Gating system
Tab.2 Specific dimensions of the initially desingned gating system
澆注系統(tǒng)創(chuàng)建之后,進行填充分析,為確定流動平衡分析的目標壓力,V/P轉換點的填充百分比設置為100 %[8],模具溫度、熔料溫度設置采用上述分析結果。
香皂盒套件的充填時間如圖6所示。盒墊最后充填時間為1.805 s,盒體最后充填時間為1.925 s,時間差為0.120 s,流動不平衡,不平衡率為0.120/1.925,達到6.2 %,會造成2個型腔內(nèi)壓力不平衡,易出現(xiàn)飛邊和過保壓等問題,影響產(chǎn)品的質量[8-9]。
圖6 充填時間Fig.6 Filling time
速度/壓力切換時的壓力如圖7所示,V/P轉換點壓力為46.10 MPa。盒墊完成填充時,末端壓23.95 MPa,壓力值較大,容易引起過保壓問題;盒體完成填充時,末端壓力為零,最大壓差接近24 MPa,型腔間的壓力分布較為不均,容易導致變形過大。
圖7 V/P 轉換點壓力Fig.7 V/P conversion points pressure
注射位置處壓力變化如圖8所示,由圖可知,注射位置處的壓力在1.805 s后增加較為急劇,從38.79 MPa增加至44.97 MPa,分析原因,在1.805 s 時盒墊先完成填充,盒體還未充滿,此后填充盒體型腔的過程中,由于流動不平衡導致注射壓力的突變。
圖8 注射位置處壓力Fig.8 Pressure at the injection position
由以上模擬結果的分析可知,對于初步設計方案,型腔間的填充時間不平衡率達到了6.2 %,速度/壓力切換時最大壓差為24 MPa,壓力分布不均勻,注射位置處壓力圖由于流動不平衡導致注射壓力的突變,為了達到流動平衡,需要優(yōu)化澆注系統(tǒng),降低時間不平衡率和速度/壓力切換時最大壓差,并使注射位置處壓力圖變化平穩(wěn)[10-12]。
采用流道平衡分析自動優(yōu)化方案的流道尺寸進行優(yōu)化設計。保證盒體流道和澆口尺寸不變的情況下,對盒墊的流道尺寸進行了微調[13]。只改變盒墊二級分流道尺寸,將盒墊二級分流道尺寸設置為變量,目標壓力設為45 MPa,流道截面直徑的改變步長為0.01 mm,最大的迭代計算次數(shù)為20 步,時間收斂精度為5 %,壓力收斂精度為5 MPa[14-15],優(yōu)化的流動平衡分析迭代結果如表3所示。
表3 優(yōu)化的流動平衡分析迭代結果
Tab.3 Iteration results of optimized flow balance
優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)如圖9所示。圖9中,優(yōu)化后的盒墊二級分流道直徑為4.21 mm,體積縮小了29.1 %。
圖9 流動平衡分析優(yōu)化的澆注系統(tǒng)Fig.9 Optimized gating system by flow balance analysis
流道平衡分析優(yōu)化后的充填時間如圖10所示。從圖10可知,盒體最后充填時間為1.922 s,而盒墊最后充填時間為1.874 s,不平衡率為2.5 %,流動基本達到平衡。
圖10 流道平衡分析優(yōu)化后的充填時間Fig.10 Optimized filling time by flow balance analysis
流道平衡分析優(yōu)化后的V/P切換點壓力如圖11所示。從圖11可知,V/P切換發(fā)生在壓力為44.76 MPa,與目標壓力45 MPa相差不大,盒體、盒墊在發(fā)生V/P切換時型腔內(nèi)的壓力由原來的接近24 MPa減低為不足16 MPa,相比初始設計方案有了明顯改善。
圖11 流道平衡分析優(yōu)化后V/P切換點壓力Fig.11 Optimized V/P conversion points pressure by flow balance analysis
流道平衡分析優(yōu)化后的注射位置處壓力變化如圖12所示。由圖12可知,澆口位置處壓力隨時間變化很均勻,沒有急劇上升和急劇下降等不平衡情況。
圖12 流道平衡分析優(yōu)化后注射位置壓力Fig.12 Optimized pressure at the injection position by flow balance analysis
(1) 一模異穴型腔注塑過程中,利用Moldflow 軟件進行熔體流動平衡分析,可以優(yōu)化澆注系統(tǒng)設計,達到較為理想的流動平衡效果;
(2) 初始方案中,不同型腔的澆注系統(tǒng)設計成相同尺寸,根據(jù)充填結果分析流動是否平衡,確定澆注系統(tǒng)優(yōu)化方案,制定優(yōu)化目標,利用Moldflow 軟件流道平衡分析自動優(yōu)化方案進行多次的迭代計算;使時間不平衡率低于5 %、壓力不平衡值小于5 MPa 并保證注射位置壓力曲線穩(wěn)定上升。