吳建民

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

塑料制品主要依據(jù)使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)及成型。想要獲得合格的塑料制品，應(yīng)考慮塑件的結(jié)構(gòu)工藝性，且符合成型工藝特點(diǎn)。這使得塑料制品的設(shè)計(jì)與成型過程復(fù)雜，是不斷循環(huán)優(yōu)化的過程。Moldflow 模流分析軟件可以模擬注塑過程及其對塑料制品的影響，有效預(yù)防注塑制品的各種缺陷，對塑料制品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，提高成品質(zhì)量[1-3]。

本文以盒蓋作為研究對象，通過運(yùn)用Moldflow 軟件模擬注塑成型過程，其目的在于查找注塑成型過程中可能存在的缺陷，合理優(yōu)化塑件結(jié)構(gòu)，改善制品的成型質(zhì)量。

1 塑件工藝性分析

塑件的二維剖面圖如圖1 所示。塑件主體尺寸為?70.5×20 mm，中間部位凸臺較厚，約為12 mm，其余部位厚度基本一致，約為2 mm。塑件材料選用制造商Generic Default、牌號Generic PP 的熱塑性材料，其熔體密度為0.74 g/cm3，固體密度為0.89 g/cm3，收縮率為2%[4]。該材料被推薦的注塑成型各工藝溫度參數(shù)見表1。

表1 Generic PP 推薦成型溫度工藝參數(shù) ℃

圖1 塑件的二維圖

2 澆口位置分析與澆注系統(tǒng)創(chuàng)建

塑料熔體通過主澆口進(jìn)入模具型腔，澆口位置的選擇是否恰當(dāng)，在很大程度上影響著熔體填充的流動特性，也直接關(guān)系塑件能否被完好高質(zhì)量地注塑成型，因此模具設(shè)計(jì)過程中的首要環(huán)節(jié)就是澆口的定位。利用Moldflow 軟件的澆口匹配性及最佳澆口位置分析模塊，綜合分析可得到塑件的最佳澆口位置。

圖2（a）、（b）分別為Moldflow 軟件分析得到的澆口匹配性分析圖及最佳澆口位置云圖，圖2（a）中上部凸臺值為0，表示澆口匹配性最佳；側(cè)部凸緣靠近底部處值為1，表示澆口匹配性最差[5]。結(jié)合圖2（b），將澆口位置設(shè)置在塑件上部凸臺上表面中心位置。

圖2 澆口位置分析

在本文中，塑件采用一模兩腔注塑，結(jié)構(gòu)對稱布置，分流道對稱且等距，塑件熔體到兩型腔距離一致。初步創(chuàng)建的澆注系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 創(chuàng)建的澆注系統(tǒng)

3 基于Moldflow 模流的仿真分析

根據(jù)Generic PP 的推薦成型工藝參數(shù)，選用MildFlow Plastics Advisers（產(chǎn)品優(yōu)化顧問，簡稱MPA）的填充+保壓分析序列，設(shè)置分析的主要工藝參數(shù)：模具溫度50 ℃，熔體溫度220 ℃，最高注塑壓力180 MPa。

運(yùn)用Moldflow 模流軟件就填充時間、流動前沿溫度合理性、頂出時的體積收縮率和質(zhì)量預(yù)測等幾個方面進(jìn)行分析和仿真，以確定澆注系統(tǒng)的合理性及可能存在的缺陷，進(jìn)而優(yōu)化方案。

圖4 為填充時間云圖。圖中，左側(cè)圖例欄中，底部代表填充開始，頂部代表熔體最后到達(dá)的位置。填充時間為0.277 7 s。填充時澆口位于塑件上部凸臺頂部，從頂部向下方再沿徑向充型，初始位置最厚，流動充型阻力較小，流動順暢，熔體的充型速度較快，用時較短。同時可觀察到，兩塑件末端顏色相同（紅色區(qū)域，側(cè)部凸緣靠近底部處），且顏色過渡較為均勻，說明兩型腔同時完成了填充，填充過程是平衡填充。

圖4 填充時間云圖

圖5 是充模結(jié)束時的流動前沿溫度云圖。通常情況下，應(yīng)將填充階段中流動前沿的溫度變化降到最低，理論上溫度差極限5 ℃[6]，溫度變化越小，產(chǎn)生的問題就越少。而由圖5 可知，本澆注系統(tǒng)的流動前沿溫度在219.5～220 ℃，熔體的溫差約為0.5 ℃，數(shù)值較小，意味著注塑成型過程中溫度分布較均勻，塑件尺寸精度較高，并且最高溫度與最低溫度均在推薦的熔體溫度范圍之內(nèi)，說明熔體在流動的合理范圍內(nèi)，具有較高的流動性。

圖5 流動前沿溫度云圖

由圖6 可知，頂出時的體積收縮率最大為15.16%，這表明，整個塑件的體積收縮未能達(dá)到均勻一致，變形不均勻，塑件變形量較大。同時還可看出，體積收縮率最大值出現(xiàn)在塑件的澆口位置及其相鄰的上部凸臺處，這個部位厚度尺寸較大，成為積熱區(qū)域，導(dǎo)致盒蓋此處體積收縮率比較大，這主要由塑件壁厚的差異引起。而局部高收縮率區(qū)域可能在塑件冷卻時導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)縮孔或縮痕[7]。這個指標(biāo)較大表明塑件的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理。

圖6 頂出時的體積收縮率

為了更好地評價塑件的質(zhì)量及外觀，選擇質(zhì)量預(yù)測仿真進(jìn)行評估（圖7）。圖7 中顯示的綠色表示塑件具有高質(zhì)量，黃色表示此部位可能會出現(xiàn)質(zhì)量問題，需要予以關(guān)注，而紅色則表示塑件肯定會出現(xiàn)質(zhì)量問題，需要從工藝參數(shù)或零件結(jié)構(gòu)方面予以優(yōu)化調(diào)整。從圖7可看出，黃色（中間環(huán)形部位與上部凸臺交接處局部）和紅色（上部凸臺）兩者占比近10%，而紅色區(qū)域占據(jù)了9%，模擬結(jié)果表明塑件質(zhì)量將無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖7 質(zhì)量預(yù)測

綜合以上分析，雖然填充時間、流動前沿溫度2 項(xiàng)模擬結(jié)果較好，但是頂出時的體積收縮率及質(zhì)量預(yù)測結(jié)果卻表明對目前的塑件結(jié)構(gòu)，利用推薦的成型工藝參數(shù)得到的塑件質(zhì)量將不予被接受。

4 塑件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于在推薦的成型工藝參數(shù)下，仿真模擬結(jié)果不理想，結(jié)合盒蓋的應(yīng)用狀況，對盒蓋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化（圖8），調(diào)整后中間凸臺位置壁厚減小，與其他位置壁厚基本一致，減少了熔料的注入。有限元分析（如圖9所示，圖中URES表示合位移）結(jié)果表明，在20 N 的受力狀態(tài)下，最大靜態(tài)位移量從初始結(jié)構(gòu)的0.003 186 mm 增加到0.005 066 mm，雖增幅較大，但絕對數(shù)依然極小，對應(yīng)用無影響。

圖8 調(diào)整后的盒蓋剖面圖

圖9 20 N 作用力下有限元分析靜態(tài)位移圖

5 優(yōu)化后的模流分析

依據(jù)推薦的工藝參數(shù)，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的盒蓋進(jìn)行填充+保壓分析，得到圖10 所示的仿真模擬結(jié)果。

圖10（a）為填充時間云圖，優(yōu)化后填充時間增加到1.691 s，原因在于整體壁厚較薄，流動阻力加大，使得填充時間增加，但是注塑流動平衡性較好，填充過程均勻、順暢，無注塑不足現(xiàn)象。

流動前沿溫度（圖10（b））變化為3.5 ℃，但溫度變化比較平穩(wěn)，說明流動前沿處溫度分布比較合理，處于可控范圍之內(nèi)。

頂出時的體積收縮率（圖10（c））最大為7.674%，按照體積收縮率低于8%為較佳的標(biāo)準(zhǔn)[8]，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的頂出時的體積收縮率達(dá)到了要求。

質(zhì)量預(yù)測（圖10（d））則顯示綠色高質(zhì)量區(qū)域?yàn)?6%，黃色區(qū)域占比14%，但是如果去除流道部分，綠色區(qū)域占比將增大，而黃色區(qū)域占比將減小。后期可通過優(yōu)化成型工藝參數(shù)提高塑件質(zhì)量。

圖10 優(yōu)化后模流仿真結(jié)果

6 結(jié)論

本文以盒蓋為例，利用Moldflow 軟件對塑件進(jìn)行了模流仿真分析。確定了澆口位置，并進(jìn)行了填充時間、流動前沿溫度、頂出時的體積收縮率和質(zhì)量預(yù)測分析，因塑件壁厚相差較大，導(dǎo)致塑件成品質(zhì)量不理想。在不改變塑件性能要求的前提下，對塑件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部優(yōu)化，使得整體結(jié)構(gòu)的壁厚均勻，使頂出時的體積收縮率減小、預(yù)測質(zhì)量提高，消除了部分區(qū)域質(zhì)量較低的隱患，改善了塑件質(zhì)量。