程國(guó)飛，丁立剛，魏文強(qiáng)，陳賢選，周卓輝

（1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528436；2.中山數(shù)碼模汽車技術(shù)有限公司，廣東中山 528436）

0 引言

熱塑性彈性體（TPE/TPR），同時(shí)具備橡膠的物理特性和熱塑性塑料的加工特性，又具有環(huán)保、無(wú)毒、手感好、外觀精美、可循環(huán)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用在電工電子、醫(yī)療器械等行業(yè)［1-2］。但因TPE 質(zhì)地較為柔韌，無(wú)法定型，常常需要結(jié)合硬膠進(jìn)行雙射注射成型。而為了使軟膠TPE注塑時(shí)能更好地熔合硬膠或者防止產(chǎn)生短射或飛邊等成型缺陷，需要確保TPE熔料在注射過(guò)程中能同時(shí)到達(dá)型腔的各個(gè)末端，確保流動(dòng)平衡。目前，對(duì)于單腔或多腔的注射過(guò)程中，一般在試模過(guò)程中通過(guò)調(diào)整流道或澆口尺寸進(jìn)行修正，但如果澆口位置設(shè)計(jì)不當(dāng)，很難通過(guò)修改尺寸達(dá)到流動(dòng)平衡，這樣會(huì)加大模具制造的風(fēng)險(xiǎn)，增加模具成本［3］。因此在模具設(shè)計(jì)初期，結(jié)合CAE 技術(shù)進(jìn)行流動(dòng)平衡分析就顯得尤其重要。本文基于Moldflow 軟件通過(guò)對(duì)一模多腔TPE 塑件進(jìn)行CAE流動(dòng)平衡研究，可為雙射成型硬膠設(shè)計(jì)和后期模具設(shè)計(jì)中提供技術(shù)參數(shù)。

1 塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為某電動(dòng)工具把手三維模型，該電動(dòng)工具把手分為左把手硬膠L 和右把手硬膠R，并在左把手硬膠L 上包裹TPE軟膠L1 和L2，在右把手硬膠R 上包裹TPE 軟膠R1 和R2。各塑件的具體尺寸如表1所示，其中左把手軟膠L2和右把手軟膠R2外形尺寸一樣，體積相差也不大；各TPE軟膠的壁厚均為1.5 mm，按體積從大到小排列為VL1＞VR1＞VL2＞VR2。

圖1 塑件三維模型

表1 塑件尺寸

為了使TPE軟膠成型時(shí)與硬膠更好地熔合，在硬膠上設(shè)計(jì)了一排溝槽，如圖2所示，每個(gè)溝槽的壁厚為0.3 mm，寬為3 mm，同時(shí)為了防止TPE注射成型時(shí)出現(xiàn)飛邊影響外觀，在硬膠與軟膠結(jié)合處還設(shè)計(jì)了美觀縫。

圖2 軟硬膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 分析前處理

2.1 網(wǎng)格模型

利用UG NX軟件建好塑件三維模型，并根據(jù)產(chǎn)品和模具結(jié)構(gòu)排位，并用刪除面等功能去除不影響分析結(jié)果的微小圓角或倒角，再導(dǎo)出為x_t 文件。打開(kāi)Moldflow 軟件，新建工程，導(dǎo)入之前的x_t文件，選擇網(wǎng)絡(luò)類型為Dual Domain，點(diǎn)擊創(chuàng)建網(wǎng)格，采用軟件推薦的全局邊長(zhǎng)0.76 mm 即可，進(jìn)行網(wǎng)格創(chuàng)建，并對(duì)不良三角形單元如縱橫比過(guò)大等進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后的網(wǎng)格模型和網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格模型

2.2 材料選用

因電動(dòng)工具產(chǎn)品均要接受跌落測(cè)試，材料必須具有高剛性、高強(qiáng)度、高耐熱性等特性，故左右把手硬膠選用增強(qiáng)尼龍，牌號(hào)為PA6-G30 N-103，該材料推薦的模具溫度為75 ℃，熔體溫度范圍為265 ℃，頂出溫度為150 ℃。為了防止雙射成型過(guò)程中第二次注射熔體把第一種材料熔化，兩種材料需存在30 ℃以上的溫差。本例中的左右把手軟膠材質(zhì)為T(mén)PE，選用牌號(hào)為FLEXBOND-1026BFE NC004，該材料推薦的模溫溫度為40 ℃，熔體溫度為180 ℃，頂出溫度為86 ℃，兩者熔體溫度相差85 ℃，符合雙射成型基本要求。查如圖4所示的Moldflow 材料庫(kù)黏度曲線可知，該材料黏度隨熔體溫度變化比較明顯，注射溫度越高，熔體流動(dòng)性越好，越便于注射成型。

圖4 TPE材質(zhì)黏度曲線

3 澆口位置分析

通過(guò)查詢得知，TPE 的流長(zhǎng)比一般為100 ～150，每塊區(qū)域經(jīng)計(jì)算采用單個(gè)澆口即可。由于左右把手軟膠共分成4 塊區(qū)域，無(wú)法一次進(jìn)行“澆口位置”分析。故需要把上面得到的網(wǎng)格模型復(fù)制成4 份方案，并在每份方案中保留其中一塊區(qū)域。在每個(gè)方案中均運(yùn)用Moldflow 進(jìn)行“澆口位置”分析，澆口數(shù)量均設(shè)為1，得到的最佳澆口位置如圖5 所示。實(shí)際澆口位置可以此最佳澆口位置為參考，可以避免因澆口位置設(shè)計(jì)不當(dāng)而造成模具返修等損失［4-6］。

圖5 最佳澆口位置

4 流動(dòng)平衡初分析

為了確保熔體在充填過(guò)程中能夠盡量同時(shí)到達(dá)型腔的各個(gè)末端，參考最佳澆口位置，并根據(jù)左右把手硬膠結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初定合適的澆口位置，進(jìn)行“填充”分析，根據(jù)“充填時(shí)間”結(jié)果不斷微調(diào)各澆口位置來(lái)找到最佳的進(jìn)澆位置［7］。根據(jù)塑件的質(zhì)量、壁厚、澆口位置來(lái)構(gòu)建澆注系統(tǒng)，因塑件為外觀件，TPE水口料可再次注射使用，故采用潛入頂針式進(jìn)澆方式，冷流道系統(tǒng)，如圖6 所示，具體尺寸如表2 所示。采用Moldflow軟件默認(rèn)的工藝參數(shù)進(jìn)行“填充”分析，分析結(jié)果如下。

圖6 澆注系統(tǒng)

表2 初始設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)

4.1 充填時(shí)間

左把手軟膠L2 最后充填時(shí)間為0.975 7 s，右把手軟膠R2最后充填時(shí)間為0.936 2 s，左把手軟膠L1 最后充填時(shí)間為0.846 2 s，右把手軟膠R1最后充填時(shí)間為0.832 2 s，如圖7所示。充填時(shí)間從大到小排列為tL2＞tR2＞tL1＞tR1，其中最大與最小值相差0.143 5 s，相比最大值約有14.7%差值，充填不平衡，將會(huì)影響塑件質(zhì)量。

4.2 填充末端壓力

填充末端壓力為49.12 MPa，如圖8 所示。通過(guò)查詢靠近每個(gè)澆口附近單元的壓力得知，左把手軟膠L1和右把手軟膠R1壓力分別為38.14 MPa和37.45 MPa，但左把手軟膠L2和右把手軟膠R2壓力分別為17.90 MPa和29.43 MPa，這兩部分壓力相差較大，充填不平衡。

圖7 充填時(shí)間

圖8 填充末端壓力

5 流動(dòng)平衡優(yōu)化分析

由流動(dòng)平衡初分析可知，充填時(shí)間不平衡，將會(huì)導(dǎo)致各型腔的充填壓力不平衡，影響各型腔塑件質(zhì)量［8］。由充填時(shí)間分析可知，上部分腔體因流道較短，充填時(shí)間較短，而下部分腔體因流道較長(zhǎng)，充填時(shí)間較長(zhǎng)。

為了使各個(gè)腔體充填時(shí)間達(dá)到一致，可通過(guò)改大下半部分腔體的流道直徑，再進(jìn)行“充填”分析，根據(jù)分析結(jié)果再微調(diào)各澆口直徑尺寸以達(dá)到充填平衡。優(yōu)化設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)有變化尺寸如表3所示，其余為未變化尺寸，具體數(shù)值參考表2。優(yōu)化后的充填分析結(jié)果如下。

表3 優(yōu)化設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)有變化尺寸

5.1 充填時(shí)間

右把手軟膠R2 最后充填時(shí)間為0.978 6 s，右把手軟膠R1最后充填時(shí)間為0.971 7 s，左把手軟膠L1 最后充填時(shí)間為0.967 9 s，左把手軟膠L2最后充填時(shí)間為0.967 1 s，如圖9 所示。其中最大與最小值僅相差0.011 5 s，相比最大值約有1.18%差值，充填平衡。

5.2 填充末端壓力

填充末端壓力為58.07 MPa，如圖10 所示。通過(guò)查詢靠近每個(gè)澆口附近單元的壓力得知，左把手軟膠L1和右把手軟膠R1壓力分別為23.57 MPa 和22.10 MPa，左把手軟膠L2和右把手軟膠R2壓力分別為23.08 MPa和20.72 MPa，各型腔壓力相差不大，充填平衡。

圖9 充填時(shí)間

圖10 填充末端壓力

從以上分析可知，優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)分析結(jié)果如充填時(shí)間和填充末端壓力等均比初始設(shè)計(jì)有很大改善，優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)充填較為平衡，能確保塑件成型質(zhì)量。

6 結(jié)束語(yǔ)

TPE因具有良好的柔性、手感和可回收利用等特性，廣泛應(yīng)用在雙射成型產(chǎn)品中，本文采用Moldflow 軟件對(duì)一模多腔TPE塑件進(jìn)行CAE流動(dòng)平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)，可為雙射成型硬膠設(shè)計(jì)和后期模具設(shè)計(jì)中提供技術(shù)參數(shù)。實(shí)踐證明，基于Moldflow優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)運(yùn)行可靠，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。