林蒞蒞，譚安平

(1. 昆山登云科技職業(yè)學(xué)院 工學(xué)院，江蘇 昆山 215300；2. 成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院 自動化工程系，四川 樂山 614000)

0 引言

傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)前期主要依靠設(shè)計者的經(jīng)驗來進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，后期通過不斷地試模、修模來修正設(shè)計方案[1]。如果在模具設(shè)計的過程中加入CAE模擬，對成型質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測，使設(shè)計更具有科學(xué)性，可極大地提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期[2]。

大型細(xì)長塑件尺寸較大，外形上細(xì)而長，尺寸穩(wěn)定性較差。若翹曲變形量較大，強行裝配可能導(dǎo)致裝配縫隙過大或因內(nèi)應(yīng)力過大造成塑件龜裂等。

本文以某汽車內(nèi)飾條為例，在模具制造之前，采用模流分析軟件Moldflow進(jìn)行分析，得到最佳工藝參數(shù)，并預(yù)測了翹曲變形量。

1 產(chǎn)品3D建模及材質(zhì)

汽車內(nèi)飾條UG(Unigraphics NX)建模圖如圖1所示，產(chǎn)品尺寸116 mm×142 mm×933 mm，體積為191.2 cm3，屬于大型細(xì)長塑料件。

圖1 汽車內(nèi)飾條3D建模

制件的材質(zhì)采用聚碳酸酯(PC)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)的混合物，質(zhì)量配比為：mPC∶mABS=7∶3。這種材料既具有PC樹脂的優(yōu)良耐熱耐候性、尺寸穩(wěn)定性和耐沖擊性能，又具有ABS樹脂優(yōu)良的加工流動性[3]。

2 澆口及澆注系統(tǒng)

澆口是分流道與型腔之間最狹窄短小的部分。澆口的形式、大小、數(shù)量及位置的確定在很大程度上決定了制品質(zhì)量的好壞，也影響成型周期的長短。熔接痕、氣穴、翹曲變形等缺陷都是澆口設(shè)計不當(dāng)所造成的[4]。

2.1 平衡式進(jìn)澆與非平衡式進(jìn)澆的特點

收縮不一致是產(chǎn)生翹曲變形的重要原因，而澆口的不平衡是造成收縮不一致的主要因素。如果澆注系統(tǒng)進(jìn)澆平衡，則有：

1) 制件填充末端的填充時間相近，模腔壓力均勻；

2) 模腔壓力、V/P切換壓力、鎖模力都比較小；

3) 產(chǎn)品各部位收縮率一致，制件的成型質(zhì)量比較好，翹曲變形量小。

若澆注系統(tǒng)進(jìn)澆不平衡，則有：

1) 填充末端的填充時間有差異；

2) 未充滿的部位繼續(xù)填充，已充滿的部位形成保壓甚至過保壓的狀態(tài)；

3) 模腔壓力不均勻，先充滿的部位壓力大，未充滿的部位壓力??；

4) 模腔壓力大，V/P切換壓力大，鎖模力大，機臺能耗大；

5) 制件收縮不一致，先充滿的收縮率小、后充滿的收縮率大，制件翹曲變形概率增加；

6) 若模腔壓力極不平衡，則先充滿的部位密度大大增加，產(chǎn)生毛邊和飛邊。

2.2 Moldflow最佳澆口分析

運用模流分析軟件Moldflow可以分析出最佳的澆口位置，解決流動平衡的問題?？紤]到本制件比較長，澆口不宜選用單點進(jìn)澆。另外，澆口數(shù)量不宜太多，否則產(chǎn)品熔接痕風(fēng)險增大，影響產(chǎn)品的表面外觀質(zhì)量。另外，澆口數(shù)量太多會增加熱流道的成本。為了保證填充效率和流動性，選用三點進(jìn)澆的熱流道澆注系統(tǒng)。在Moldflow軟件中對產(chǎn)品進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，采用最佳澆口模塊分析出三點進(jìn)澆的最佳位置，如圖2所示。

圖2 最佳澆口分析(三點進(jìn)澆，流動阻力為1.000)

若塑料熔體從最佳澆口進(jìn)入型腔，遇到的阻力較小，模腔壓力均勻，鎖模力較小，產(chǎn)品各部位收縮率一致，制件的成型質(zhì)量較好，翹曲變形量小。

2.3 型腔布局及澆注系統(tǒng)建立

根據(jù)產(chǎn)品特點，考慮到模具成本，型腔布局采用一模二腔的布局。澆口的直徑一般為0.5～2.0 mm?？紤]到產(chǎn)品為大型制件，材質(zhì)為PC/ABS，流動性不如純ABS，因此澆口采用直徑較大(1.5 mm)的澆口。結(jié)合最佳澆口分析出的三點進(jìn)澆具體位置，建立熱流道澆注系統(tǒng)模型，如圖3所示。

圖3 一模二腔的熱流道澆注系統(tǒng)模型

2.4 流道長短不同對流動平衡的校驗

由于流道長度有差異，會略微影響流道的平衡，需要對流道的平衡性進(jìn)行校驗，主要是檢測各個進(jìn)澆點在匯合處是否形成多個末端填充區(qū)域。如果熔體在各個末端區(qū)域的凝固時間不一致，則先凝固的區(qū)域會形成保壓過度狀態(tài)，與后凝固的區(qū)域壓力不一致，導(dǎo)致整體收縮率不一致，進(jìn)而產(chǎn)生翹曲變形。熔體匯合區(qū)域如圖4所示。

圖4 熔體匯合區(qū)域(充填時間為1.594 s)

由圖4可知：由于流道長短有區(qū)別，中間澆口進(jìn)澆的時間為0.284 s，側(cè)面進(jìn)澆的時間為0.715 s，進(jìn)澆時間之差為0.431 s，這可能產(chǎn)生不平衡進(jìn)澆，導(dǎo)致壓力不均勻，需要做進(jìn)澆平衡性校驗。

當(dāng)填充時間為1.600 s時，中間澆口進(jìn)澆的熔體與側(cè)面進(jìn)澆的熔體即將匯合，但澆口匯合處未形成填充末端凍結(jié)區(qū)域。當(dāng)填充時間為1.728 s時，凍結(jié)層因子分析圖如圖5所示。由圖5可知，此時熔體匯合區(qū)域的凍結(jié)層因子為0，未凍結(jié)。此時，中間澆口和側(cè)面澆口的熔體匯合繼續(xù)向末端填充區(qū)域流動，在2.550 s時充滿型腔。

圖5 填充時間為1.728 s時的凍結(jié)層因子

經(jīng)過分析得知：流道長短的差異不會形成多個填充末端區(qū)域，壓力是均勻的。

2.5 依據(jù)最佳澆口位置進(jìn)行模具設(shè)計

在大型復(fù)雜制件的模具設(shè)計過程中，最為困擾模具工程師的就是澆口位置和澆注系統(tǒng)的設(shè)計。有了模流分析的科學(xué)預(yù)測，模具工程師就可以輕松地進(jìn)行模具設(shè)計，不必?fù)?dān)心因澆口錯誤而導(dǎo)致的模具修模。模具設(shè)計中的熱流道澆注系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 依據(jù)最佳澆口位置設(shè)計的熱流道澆注系統(tǒng)

3 冷卻系統(tǒng)校驗

3.1 大型制件的冷卻分析特點

在模流分析初期，由于模具結(jié)構(gòu)還沒設(shè)計完成，大型復(fù)雜塑件不宜在Moldflow軟件中設(shè)計水路。真實的水路設(shè)計是在模具的成型零部件、澆注系統(tǒng)、導(dǎo)向與脫模機構(gòu)、抽芯機構(gòu)等設(shè)計完成之后進(jìn)行的。這是因為水管孔要避開型腔、澆注系統(tǒng)、頂桿、斜頂、斜導(dǎo)柱及滑塊、導(dǎo)柱等，否則會發(fā)生零件干涉和漏水。

大型復(fù)雜塑件冷卻系統(tǒng)宜用UG模具設(shè)計的真實水路，然后導(dǎo)入到Moldflow中，通過模流分析結(jié)果來驗證UG模具設(shè)計的水路是否合理。若水路設(shè)計不合理，在不發(fā)生干涉和漏水的前提下，在UG中局部修改水路，重新導(dǎo)入Moldflow進(jìn)行驗證，直到合理為止。

3.2 冷卻系統(tǒng)建模

UG模具設(shè)計的冷卻管路如圖7所示。

圖7 UG模具設(shè)計中的冷卻管道

將水路管道的中心線提取出來，導(dǎo)入到Moldflow中進(jìn)行處理，并劃分網(wǎng)格，得到冷卻管道有限元模型，如圖8所示。

圖8 冷卻管道有限元模型

3.3 冷卻系統(tǒng)合理性的評判標(biāo)準(zhǔn)及校驗結(jié)果

圖9 模具溫度模擬結(jié)果

冷卻不均引起的翹曲變形如圖10所示。

圖10 冷卻不均產(chǎn)生的翹曲變形(變形比例因子為1.000)

可以發(fā)現(xiàn)，由冷卻不均引起的最大翹曲變形量只有0.064 mm，對于近1 m長的大型制件來說，可以忽略不計。此時，冷卻系統(tǒng)校驗完成，此次模具設(shè)計的冷卻系統(tǒng)比較合理，無須更改。

4 使用模流分析確定工藝參數(shù)

工藝參數(shù)包括熔體溫度、模具溫度、注射時間、保壓時間、保壓壓力等。由于參數(shù)較多，工藝師調(diào)試時往往憑經(jīng)驗確定大致范圍，然后通過試模查看產(chǎn)品的缺陷，并逐步改變工藝參數(shù)。整個試模過程缺乏科學(xué)依據(jù)，造成大量塑料原料浪費，調(diào)試時間長，成本增加。

4.1 注射時間

Moldflow的成型窗口分析可以提供注射時間、模具溫度和熔體溫度的推薦值。

圖11為成型質(zhì)量XY示意?？梢钥闯?，當(dāng)注射時間X為1.28時，曲線的縱坐標(biāo)值最高(縱坐標(biāo)值最大為1，無量綱)，成型質(zhì)量最好。

圖11 成型質(zhì)量XY示意

4.2 保壓時間

在保壓的過程中，熔體流速很小，保壓時間不能過短也不能過長。如果保壓時間過短，熔體不能到達(dá)需要補縮的位置，制件可能出現(xiàn)短射、縮水等缺陷；相反，保壓時間過長，澆口早已凍結(jié)，制件的重量不再增加，繼續(xù)增加保壓時間會增加成型周期，造成對時間及機臺能源浪費，增加成本。

在實際的試模過程中，試模人員會通過稱重制件來判斷最佳保壓時間。有了模流分析軟件Moldflow，模流分析人員可在軟件中查看制件質(zhì)量的變化情況，不必到現(xiàn)場去稱重，這極大地減少了塑料原料成本和人力成本，節(jié)約了試模時間。

制件質(zhì)量模擬稱重如圖12所示。當(dāng)成型時間為7.995 s時，型腔質(zhì)量幾乎不再增加，表明澆口已經(jīng)凍結(jié)。查看分析日志可知螺桿由速度控制轉(zhuǎn)為壓力控制(V/P切換)的時間點約為3.2 s。根據(jù)計算公式：保壓時間=澆口凍結(jié)時間-V/P切換時間。計算可知，最佳保壓時間約為5.0 s。

圖12 制件質(zhì)量模擬稱重

4.3 保壓壓力

在澆口凍結(jié)之前，熔體在注射壓力作用下繼續(xù)向模腔補充熔體，產(chǎn)生保壓補縮的流動。保壓的壓力不宜過小或過大。保壓壓力過小起不到保壓補縮的作用；保壓壓力過大可能使制件密度過大、產(chǎn)生飛邊、頂件困難。

查看分析日志，最大注射壓力為122 MPa。設(shè)置4種方案。方案1～4的保壓壓力分別為80、90、100、110 MPa，模擬得到的翹曲變形量分別為6.357、5.462、4.634、4.208 mm，如圖13所示。

圖13 不同保壓壓力下制件的翹曲變形量(變形比例因子為1.000)

制件要求翹曲變形量在5 mm以下，因此方案3和方案4滿足要求。由于方案4保壓壓力過大，有可能產(chǎn)生密度過大、出現(xiàn)飛邊、頂件困難等風(fēng)險。因此，選擇保壓壓力方案3(100 MPa)。至此，工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)束。

5 結(jié)論

(1) 為了保證大型細(xì)長制件成型的尺寸穩(wěn)定性，在模具制造之前，采用模流分析軟件進(jìn)行預(yù)測及優(yōu)化，分析流程為：優(yōu)化澆口→模具設(shè)計→校驗冷卻系統(tǒng)→分析工藝參數(shù)。

(2) 運用Moldflow最佳澆口模塊得出了三點進(jìn)澆的最佳位置，建立一模兩腔的熱流道澆注系統(tǒng)，因流道長短不同，對流動平衡性進(jìn)行校驗，校驗合格。

(3) 模具設(shè)計完成之后，將水路導(dǎo)入到Moldflow中，對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行校驗，發(fā)現(xiàn)凸凹模模溫一致，冷卻不均產(chǎn)生的翹曲變形量可忽略不計，證明模具設(shè)計的水路比較合理。

(5) 模具制造前采用模流分析軟件，為模具設(shè)計及試模調(diào)試提供了科學(xué)依據(jù)，極大地降低修模費用和成本，能更快、更優(yōu)質(zhì)地把產(chǎn)品交付給客戶。