馮振禮，肖國(guó)華，陳永剛*

(1. 寧波如意股份有限公司，浙江 寧波 315600；2. 浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 寧波 315012)

雙射成型是兩種塑料在同一臺(tái)注塑機(jī)上注塑，分兩次成型，但是產(chǎn)品只出模一次的注塑工藝。一般這種模塑工藝也叫雙料注塑，通常由一套模具完成，且需要專門的雙射注塑機(jī)[1-3]。塑件成型時(shí)的雙射注塑、帶塑件鑲件注塑、部分模內(nèi)組裝塑件、鋼制嵌件注塑、模內(nèi)裝飾注塑成型(IMD)等，都可以采用Moldflow軟件中的重疊注塑來進(jìn)行模流分析[4-5]。重疊注塑分析中，CAE模型構(gòu)造的步驟是： 1)對(duì)塑件中的兩種不同材料、形狀的塑件分別構(gòu)建其CAE雙層面網(wǎng)格模型、澆口、流道等，而后將模型導(dǎo)出為udm格式的中間傳遞模型；2)再次新建CAE分析任務(wù)后，先將重疊分析所需的第二部分udm格式網(wǎng)格加入模型中，并將所有網(wǎng)格、澆口、流道等的屬性設(shè)置為“第二次注塑”；3)將第一部分的udm網(wǎng)格通過添加方式再次添加進(jìn)來；4)針對(duì)兩部分塑件的材料，分別對(duì)應(yīng)設(shè)置，并設(shè)置好兩部分模型的進(jìn)膠位置及工藝參數(shù)；5)優(yōu)化工藝參數(shù)，獲得能滿足實(shí)際注塑成型要求的工藝參數(shù)[5-6]。重疊分析能依照注塑先后順序，合理地分析出第二次注塑的工藝參數(shù)使用要求，并能實(shí)時(shí)觀察到第二次注塑時(shí)，料流對(duì)第一次成型后塑件的作用，指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)者合理設(shè)計(jì)澆口位置，防止飛邊及沖料等潛在問題的出現(xiàn)。通過優(yōu)化可確定兩種材料各自的最優(yōu)工藝參數(shù)組合[6-10]。本文通過采用兩種不同塑料重疊注塑成型某掃料斗的實(shí)際案例，討論了基于CAE重疊優(yōu)化分析的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

1 掃料斗塑件模型

由UG軟件造型所獲得的掃料斗塑件3D模型圖如圖1所示。塑件由兩種不同材質(zhì)按先后順序注塑而成，其主體件為ABS硬質(zhì)塑膠，其唇部位置采用TPU軟質(zhì)塑膠，兩者復(fù)合注塑而成。

圖1 掃料斗塑件3D模型

塑件的外形規(guī)格尺寸為236 mm×340 mm×62 mm，如圖2所示。塑件前部位斗內(nèi)寬218 mm，斗外沿為翻邊增強(qiáng)槽；尾部的柄寬23 mm，柄長(zhǎng)111 mm；前部設(shè)置的唇部尖形鏟邊寬14 mm，厚度為2 mm，長(zhǎng)211 mm。

圖2 塑件結(jié)構(gòu)尺寸(單位： mm)

2 重疊注射模具設(shè)計(jì)存在的問題

塑件的成型要求為雙射同模注射成型，采用ABS塑料+TPU橡膠來對(duì)塑件進(jìn)行雙射重疊成型，過程如圖3所示。第一步成型時(shí)，通過G1熱流道澆口對(duì)塑件的基體件L1進(jìn)行注射成型，而后改變塑件的模腔形狀，采用G2澆口對(duì)附加件L2注射TPU硬膠層，從而達(dá)到在基礎(chǔ)件L1的前端增加一個(gè)保護(hù)件L2的目的。在模具設(shè)計(jì)時(shí)有以下幾處需要重點(diǎn)注意： 1)本塑件主件L1的體積及形狀復(fù)雜程度遠(yuǎn)大于附加件L2，如果單純依據(jù)傳統(tǒng)的雙射模結(jié)構(gòu)形式來設(shè)計(jì)兩副子模具，分別做兩次注塑，明顯浪費(fèi)；2)傳統(tǒng)的雙射模需要進(jìn)行兩個(gè)模腔的成型互換，模具結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，特別是互換時(shí)型腔與型芯的定位要求比較高；3)最好是無流道注塑或者流道廢料自動(dòng)脫離；4)二次注塑時(shí)要避免對(duì)第一次注塑成型塑件進(jìn)行過度沖刷和擠壓，以避免第一次成型塑件變形而導(dǎo)致二次注塑產(chǎn)生飛邊，結(jié)合塑件的注射成型CAE輔助分析，可將第一次注塑成型的塑件適當(dāng)做大一些，通過第二次成型的型腔壁將一次成型的塑件周邊壓緊，以保證二次成型模腔的密封性；5)盡量將二次成型的注塑壓力控制在一定的范圍內(nèi)，以避免其沖刷第一次成型塑件使其缺料或者使注射膠位變形，產(chǎn)生二次注射漏膠；6)應(yīng)防止頂出機(jī)構(gòu)回位不準(zhǔn)確而造成第一次注射成型塑件的位移；7)模腔的冷卻應(yīng)考慮塑件的形狀，保證塑件能獲得均衡冷卻[6]；8)注射時(shí)，應(yīng)能保證首先注射硬膠ABS，然后再注射軟膠TPU[7]；9)單次注射時(shí)，模腔的澆注系統(tǒng)對(duì)模腔的充填性能要好，降低注射難度[8]。

圖3 雙射成型路徑

針對(duì)此塑件雙射注射的難點(diǎn)，可以采用如下解決方法： ①針對(duì)第1)，2)項(xiàng)難點(diǎn)，因?yàn)楦郊蛹﨤2體積較小，可以通過模具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的方式解決，即在主體件L1的模具結(jié)構(gòu)上增加一個(gè)開閉機(jī)構(gòu)，用單副模具實(shí)現(xiàn)雙射注塑的效果；②針對(duì)第3)～5)項(xiàng)難點(diǎn)，可以通過設(shè)置可控式熱流道閥嘴進(jìn)行注射來解決；③針對(duì)第6)項(xiàng)難點(diǎn)，須在確定模具結(jié)構(gòu)后，采取適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)設(shè)置解決；④針對(duì)第8)項(xiàng)難點(diǎn)，可專門設(shè)計(jì)一種垂直式雙料筒注塑機(jī)實(shí)施注塑。對(duì)于第9)項(xiàng)難點(diǎn)，須分別選定合適的L1，L2澆口位置，通過模流分析來確認(rèn)，先優(yōu)化單腔的充填性能，而后再進(jìn)行兩腔重疊注塑的工藝參數(shù)優(yōu)化[11-13]。

此塑件雙射重疊注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步，是塑件重疊雙射成型過程的仿真分析，以便妥善解決潛在的問題，避免造成生產(chǎn)浪費(fèi)。

3 塑件層疊/雙射成型CAE分析

在Moldflow軟件中，重疊注塑分析模塊用于分析兩個(gè)連續(xù)射出的重疊注塑零件，包括3種基本類型： 1)二次順序重疊注塑，先將第一種材料注射到一個(gè)封閉的型腔中，然后通過移動(dòng)模具或型芯來創(chuàng)建第二個(gè)型腔，同時(shí)將第一個(gè)組件作為第二次注射另一種材料的鑲件，通常要對(duì)材料進(jìn)行特殊的選擇以使它們能夠借助注射第二種材料時(shí)所產(chǎn)生的熱量結(jié)合在一起，這樣可以避免使用黏合劑黏合已成型的零件，從而生產(chǎn)出堅(jiān)固耐用的高光潔度多材料零件；2)多射注射成型和鑲件重疊注塑，即在同一個(gè)成型周期中將多種材料注射到型腔中；3)鑲件重疊注塑，即在注射第二種材料之前先將預(yù)成型鑲件放在模具中。在設(shè)計(jì)重疊注塑零件時(shí)，鑲件和重疊注塑組件的壁厚應(yīng)盡量均勻，避免采用加強(qiáng)筋或尖角以減少流動(dòng)問題。與單射注射成型零件相比，重疊注塑零件所需的冷卻時(shí)間更長(zhǎng)并且冷卻系統(tǒng)的效率更低。鑲件起著絕緣體的作用，使得熱量從零件中散發(fā)出去的效率更低。借助于CAE分析對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化有助于減少周期時(shí)間[2-5]。

進(jìn)行CAE重疊分析時(shí)，分析步驟為兩步： 首先在第一個(gè)型腔上執(zhí)行常規(guī)填充+保壓分析(第一個(gè)組件階段)，然后在重疊注塑型腔上執(zhí)行填充+保壓分析(重疊注塑階段)；對(duì)第二個(gè)型腔的連續(xù)重疊注塑階段使用與第一個(gè)分析不同的材料，并將第一個(gè)組件溫度作為初始溫度[3-6]。因此，分析時(shí)首先應(yīng)為兩個(gè)組件分別劃分網(wǎng)格、創(chuàng)建計(jì)算方案，然后為這兩個(gè)組件的重疊注塑分析創(chuàng)建一個(gè)新方案。

本塑件模具設(shè)計(jì)前，先應(yīng)用CAE分析弄清以下問題： 1)第一次注射塑件的充填情況；2)第二次注射成型的充填情況，及二次注射時(shí)熔融材料對(duì)一次成型塑件的影響；3)兩個(gè)模腔各自的冷卻效果；4)優(yōu)化兩次注塑的成型工藝參數(shù)。

3.1 CAE模型

重疊注塑時(shí)，兩種材料的熔點(diǎn)的溫度差，必須控制在30～60℃之間，第一射的材料的熔點(diǎn)溫度高，一般第一射是PC或PC/ABS，第二射是TPU或TPE[3-4]。塑件厚度設(shè)計(jì)上，PC或者ABS硬膠厚度一般厚0.6～0.7 mm，TPU軟膠厚度在0.4 mm以上。塑件設(shè)計(jì)時(shí)盡量加寬接觸面積，做溝槽等增加黏合合力，或第一射采用抽芯，第二射部分材料注塑到第一射里面，第一射模具表面盡量做得粗糙[12-15]。

CAE模型分3個(gè)模型來構(gòu)建，第一次注射的模腔CAE模型如圖4(a)所示，第二次所需模型的單獨(dú)CAE模型如圖4(b)所示，兩種材料重疊注射的CAE模型如圖4(c)所示，其分析方案如圖4(d)所示。

(a) L1模型

(b) L2模型

(c) 重疊模型

(d) 重疊分型流程

CAE模型的主要參數(shù)如下：

1) L1雙層面網(wǎng)格模型的匹配率為92.3%，其熱流道澆口G1的直徑為1.2 mm，冷卻管道直徑為10 mm，共12條，型腔管道為A1～A7，型芯管道為B1～B5，如圖4(a)所示。相應(yīng)的材料選用為ABS，材料牌號(hào)為Triax 1790 INEOS ABS[10]。該材料的模溫較高，其冷卻需要采用油溫來進(jìn)行冷卻。

2) L2雙層面網(wǎng)格模型匹配率為97.2%，其熱流道澆口G2的直徑為1.2 mm，不設(shè)冷卻管道，如圖4(b)所示。相應(yīng)的材料選用為TPU，材料牌號(hào)為Estaloc 59300[11]。

CAE分析包括3步： 第一步是針對(duì)圖4(a)所示模型進(jìn)行冷卻+充填+保壓+翹曲分析，確定第一腔的注塑成型條件；第二步是針對(duì)圖4(b)所示模型進(jìn)行充填+保壓+翹曲分析，確定第二腔獨(dú)立成型所需的注塑成型條件；；第三步是針對(duì)圖4(c)所示重疊注塑模型，依據(jù)圖4(d)所示分析方案進(jìn)行充填+保壓+重疊注塑充填+重疊注塑保壓分析，獲取重疊注塑成型的優(yōu)化工藝參數(shù)，為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

3.2 L1基體件的CAE分析

針對(duì)L1基體件的分析目的在于了解其模腔的充填性能、冷卻效果、翹曲變形大小，及潛在的品質(zhì)缺陷，并優(yōu)化注塑工藝參數(shù)。在軟件的“熱塑性注塑成型”模塊中選擇“冷卻+充填+保壓+翹曲”功能，其優(yōu)化分析結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可知： 1.4 s左右即可將型腔充滿，唇端為充填末端，柄端在充填中途時(shí)刻充滿，在唇端充填結(jié)束時(shí)，尾端的充填壓力約為24 MPa，低于30 MPa，因而塑件不會(huì)產(chǎn)生飛邊；料流在模腔內(nèi)流動(dòng)性好；從熔接線、縮痕、氣孔等結(jié)果得知，這些潛在缺陷在本塑件CAE優(yōu)化后，基本已得到消除。冷卻結(jié)果表明，圖5(c)中所設(shè)置的管道冷卻效果良好。翹曲結(jié)果表明，唇端位置的最大翹曲為2 mm左右，通過第二注塑的壓力可將變形壓回，因而可以認(rèn)為： 優(yōu)化后的塑件能滿足二次充填所需要求。

(a) 充填時(shí)間

(b) 充填壓力

(c) 冷卻液溫度

(d) 翹曲變形

塑件的優(yōu)化成型工藝參數(shù)為： 熔體溫度280℃，模溫90℃，開模時(shí)間5 s；注射時(shí)間1.5 s；注射壓力50 MPa，分3段保壓，分別為35 MPa—3 s，30 MPa—4 s，20 MPa—5 s；冷卻油入口溫度25℃。

3.3 L2附加件的CAE優(yōu)化分析

L2層的獨(dú)立模型優(yōu)化分析結(jié)果如圖6所示，分析模塊為“熱塑性注塑成型”，分析方式同樣采用“冷卻+充填+保壓+翹曲”。由圖6可知： 橡膠件在模腔內(nèi)充填時(shí)間為0.6 s左右，其流動(dòng)前沿溫差在20℃以內(nèi)，流動(dòng)性能良好，如圖6(a)所示；充填末端壓力最大為27 MPa，充填壓力要求不高，末端的充填壓力為2.2 MPa左右，壓力充足，不存在充填不足問題，如圖6(b)所示；注射時(shí)的最大剪切力出現(xiàn)在澆口位置處，為1.85 MPa，低于材料抗剪切最高值2.6 MPa，如圖6(c)所示，不存在燒焦問題；變形最大為0.4 mm左右，變形不大，如圖6(d)所示。整體而言，采用G2澆口所對(duì)應(yīng)的澆注系統(tǒng)，能較好地實(shí)現(xiàn)L2附加件的注射充填。

L2塑件優(yōu)化后的成型工藝參數(shù)為： 熔體溫度240℃，模溫74℃，開模時(shí)間5 s；注射時(shí)間0.6 s；注射壓力52.4 MPa，分3段保壓，分別為40 MPa—2 s，30 MPa—2 s，20 MPa—4 s。

3.4 L1-L2組件重疊注塑分析

構(gòu)建圖4(c)，4(d)所示的重疊CAE分析模型，分以下幾個(gè)步驟進(jìn)行： 1)新建CAE分析方案；2)將P1層的優(yōu)化網(wǎng)格模型先導(dǎo)出為udm模型，然后再導(dǎo)入層疊分析方案中，并歸并為同一屬性層中，將所導(dǎo)入的所有流道、澆口、單元網(wǎng)格等在屬性設(shè)置中全部設(shè)置為“第一次注塑”；3)在層疊分析方案中，通過模型“添加”方式，將P2/P3層優(yōu)化的網(wǎng)格方案導(dǎo)入，并對(duì)所導(dǎo)入的流道、澆口、單元網(wǎng)格等在屬性設(shè)置中全部設(shè)置為“第二次注塑”，最終優(yōu)化的分析結(jié)果如圖7所示。

(a) 充填時(shí)間

(b) 充填壓力

(c) 剪切應(yīng)力

(d) 翹曲變形

(a) L2充填末端壓力

(b) L2總體溫度分布

(c) L2剪切應(yīng)力

(d) 熔接線

從優(yōu)化結(jié)果來看，重疊注塑時(shí)，二次充填所需的壓力要求不高，為4 MPa左右，不會(huì)對(duì)一次注射成型的塑件形成沖刷，且整體溫度表明： 二次充填注塑完畢時(shí)一次成型件溫度已經(jīng)降到90℃左右，完全固化了，二次充填TPU的整體溫度控制在230℃左右，不會(huì)對(duì)一次成型塑件形成二次熔化。二次充填時(shí)，料流流動(dòng)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力較低，塑料無高壓充填情況。充填時(shí)的內(nèi)部的成型質(zhì)量也比較好，如圖7(d)所示的熔接線非常少。從CAE優(yōu)化的結(jié)果可以看出，采用優(yōu)化工藝參數(shù)能滿足塑件的二次重疊成型。

綜上，第一次充填的優(yōu)化參數(shù)結(jié)果為3.2節(jié)所列結(jié)果，第二次優(yōu)化參數(shù)結(jié)果為： 開模時(shí)間5 s，注射時(shí)間0.6 s；熔體溫度240℃，模具溫度90℃；注射壓力20 MPa；分3段保壓，分別為15 MPa—4 s，10 MPa—3 s，5 MPa—4 s。

4 模具設(shè)計(jì)

根據(jù)CAE的分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了兩腔形式布局、兩板熱流道雙射模具結(jié)構(gòu)，如圖8所示。針對(duì)單腔的雙射成型設(shè)計(jì)，為了改變模腔狀態(tài)，采用圖8(c)所示機(jī)構(gòu)，用油缸驅(qū)動(dòng)二次成型活動(dòng)鑲件構(gòu)成組件來實(shí)現(xiàn)此功能。如圖8(c)所示：

(a) 模具動(dòng)模

(b) 模具定模

(c) 模具機(jī)構(gòu)件的安裝

當(dāng)雙射進(jìn)行第一注塑時(shí)，驅(qū)動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)二次成型活動(dòng)鑲件上移，對(duì)二次成型模腔進(jìn)行封閉排出，這樣，G1澆口只能對(duì)L1件形狀的模腔區(qū)域進(jìn)行充填注射；第一次注射完畢后，待塑件冷卻到一定溫度后，驅(qū)動(dòng)油缸下行，帶動(dòng)二次成型活動(dòng)鑲件下行，讓出二次成型所需的模腔空間，此時(shí)，G2澆口開始注塑，完成L2件的注射成型。針對(duì)模具的成型要求，選用一種經(jīng)過改造的帶有雙料筒的注塑機(jī)。

5 結(jié)論

針對(duì)某掃料斗塑件需采用ABS和TPU兩種材料同體成型的需要，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，確定采用雙射成型的工藝。通過CAE模流分析先對(duì)塑件雙射成型獨(dú)立模腔所需的澆注系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值分析，獲得了單腔成型所需的最佳注塑成型工藝參數(shù)，再運(yùn)用CAE重疊分析獲得了塑件第一、第二次重疊注射成型所需的最佳工藝參數(shù)。根據(jù)CAE模流分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了塑件成型所需的一模兩腔兩板式熱流道雙射注塑模具，其中采用移動(dòng)成型鑲件構(gòu)成前后兩次注射成型所需的模腔，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，可有效地降低模具的制造成本，實(shí)現(xiàn)塑件非旋轉(zhuǎn)式雙射成型，大大降低塑件的制造成本，提高了生產(chǎn)效率。