陳如香，雷喬治，何銘，張國軒，胡一博，劉改霞
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）實驗與創(chuàng)新實踐教育中心，廣東深圳518055）
摘要：本文應(yīng)用Moldflow模流分析技術(shù)對即將開發(fā)的注塑件的成型方案進行仿真分析，首先，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征確定最佳澆口位置，設(shè)計成型方案并進行動態(tài)模流分析，預(yù)測注塑件可能存在的質(zhì)量問題。結(jié)果表明，初始方案的注塑件熔接線和氣穴位于注塑件正上方位置，影響產(chǎn)品的強度、外觀和使用壽命，同時翹曲變形量較大；為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，分別從材料和澆注系統(tǒng)兩方面進行優(yōu)化，設(shè)計了優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二，分析結(jié)果表明，選用20%填充物的材料并選用2點進澆的澆注系統(tǒng)方案，優(yōu)化了產(chǎn)品的質(zhì)量，將熔接線和氣穴轉(zhuǎn)移到不影響產(chǎn)品質(zhì)量和外觀的位置，同時減少了充填時間，將翹曲變形量降低了64.4%。優(yōu)化方案可為注塑件的開發(fā)提供參考，提高注塑件質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低模具開發(fā)成本。
關(guān)鍵詞：注塑成型；模流分析；翹曲變形；優(yōu)化
1前言
隨著塑料工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對塑料制品提出了更高的要求，而模具行業(yè)是一個高新技術(shù)密集型，依靠人工經(jīng)驗來設(shè)計模具已經(jīng)不能滿足需要。與傳統(tǒng)的模具設(shè)計相比，計算機輔助工程（CAE）技術(shù)無論是在提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量方面，還是在降低成本、減輕勞動強度方面，都具有極大的效用。
Moldflow是一款用于塑料產(chǎn)品、模具的設(shè)計與制造的行業(yè)軟件。Moldflow為企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計及制造的優(yōu)化提供了整體的解決方案，幫助工程人員輕松地完成整個流程中各個關(guān)鍵點的優(yōu)化工作。
Moldflow可以模擬整個注射過程及這一過程對注射成型產(chǎn)品的影響。Moldflow工具融合了一整套設(shè)計原理，可以評價和優(yōu)化組合整個過程，可以在模具制造以前對塑料產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)和質(zhì)量進行優(yōu)化。
某單位正在開發(fā)一款注塑件，如圖1所示。注塑件結(jié)構(gòu)、材料物性、模具結(jié)構(gòu)以及成型工藝條件是否合理都會影響注塑件的成型質(zhì)量，應(yīng)用模流分析軟件對當前注塑件進行注塑成型仿真分析，預(yù)測注塑件成型質(zhì)量缺陷，并提出優(yōu)化方案，推薦最佳的材料、流道系統(tǒng)，縮短注塑件成型周期，減少注塑件翹曲變形，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高注塑件的生產(chǎn)效率和合格率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低模具開發(fā)成本。
2注塑件模流分析
2.1模型建模及前處理
注塑件三維模型如圖1所示，外形尺寸為：130mm×85mm×10mm，壁厚為1.5mm，采用3D實體網(wǎng)格模型，進行有限元網(wǎng)格劃分，創(chuàng)建注塑件的網(wǎng)格模型，總共有4328個網(wǎng)格單元，診斷并修復(fù)網(wǎng)格模型，如圖2所示。
2.2初始方案模流分析
2.2.1澆口位置分析及材料
澆口位置的設(shè)定直接關(guān)系到熔體在模具型腔內(nèi)的流動，從而影響聚合物分子的取向和產(chǎn)品成型后的翹曲，因此，選擇合理的澆口在模具產(chǎn)品的設(shè)計中是十分重要的。
初始方案可以應(yīng)用Moldflow的澆口位置分析功能，綜合考慮塑件尺寸、結(jié)構(gòu)、孹厚等特征、流動阻力和流動平衡，給出最佳的澆口位置。Moldflow中的澆口位置分析模塊，可以用來為設(shè)計分析過程找到一個初步的最佳的澆口位置，對設(shè)計會有很好的參考價值。
模流分析類型選擇“澆口位置”。
注塑件選擇默認的材料PP，制造商為LGChemical，牌號為LupoySC-1004A。
工藝設(shè)置選擇默認值即可，進行分析計算。
澆口位置分析結(jié)果如圖3和圖4所示，包括澆口匹配性和流動阻力指示器，可以看到，注塑件的上表面中心位置是最佳澆口位置。
根據(jù)澆口位置分析結(jié)果，將注塑件的上表面中心節(jié)點作為進澆口，如圖5所示。
2.2.2模流分析
注塑件初始方案模流分析類型選擇填充+保壓+翹曲，分析注塑件注塑成型過程中的熔體流動行為，工藝參數(shù)直接選用系統(tǒng)推薦的默認值即可。
注塑件模型前處理及分析參數(shù)設(shè)置完成，選擇分析，開始進行分析計算。
注塑件初始方案模流分析結(jié)果如圖6所示，填充時間為1.086s，總的翹曲變形量達到0.6551mm，注塑件的熔接線位于最后填充位置，如圖6所示（圖片為產(chǎn)品逆時針旋轉(zhuǎn)90度效果，以下相同），位于注塑件正上方最薄弱的中間位置，同樣，氣穴也位于注塑件薄弱的正上方位置。
該注塑件為外觀件，首先，熔接線和氣穴位于外觀件正上方，會影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量；另外，熔接線和氣穴位于注塑件最薄弱的位置，會影響注塑件的強度及產(chǎn)品的使用壽命，因此，初始方案存在致命的成型缺陷，需要對模具設(shè)計方案進行優(yōu)化。
3注塑件優(yōu)化分析
根據(jù)注塑件結(jié)構(gòu)的特殊性以及模流分析的結(jié)果可知，該注塑件使用單澆口進澆會導(dǎo)致注塑件熔接處存在嚴重的熔接痕和氣穴，由于注塑件正上方無支撐，容易產(chǎn)生變形，加上熔接痕和氣穴正好位于正上方中間，影響注塑件的強度和使用壽命。
針對初始方案存在的以上問題，優(yōu)化方案一選用填充物增強材料，優(yōu)化方案二修改澆注系統(tǒng)方案，由1點進澆改為2點進澆，改變?nèi)劢雍酆蜌庋ㄎ恢?，嘗試提高注塑件的強度和使用壽命。
3.1優(yōu)化方案1模流分析
優(yōu)化方案一，選用PC+10%玻纖+10%碳纖材料，制造商為LGChemical，牌號為LuconCP-4208F，其它同初始方案，通過Moldflow優(yōu)化分析，分析結(jié)果如圖7所示。選用含20%填充物的PC材料比選用PC料，充填時間由1.086降低至0.816s，總的翹曲變形量由0.6551減小為0.279mm。
3.2優(yōu)化方案2模流分析
優(yōu)化方案2在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計，由單澆口改為雙澆口進澆，澆注系統(tǒng)方案如圖8所示。
優(yōu)化方案二模流分析結(jié)果如圖8所示，由于設(shè)計雙澆口同時進澆，注塑件的充填時間降低到0.6158s，總的翹曲變形量減小到0.2331mm，關(guān)鍵是注塑件的熔接線轉(zhuǎn)移到注塑件的兩側(cè)邊緣，氣穴基本已經(jīng)轉(zhuǎn)移到注塑件的外表面，注塑件的強度和外觀質(zhì)量都顯著提高。
4設(shè)計方案對比
初始方案由于注塑件質(zhì)量不能滿足使用要求，所以從材料和澆注系統(tǒng)方案兩方面進行優(yōu)化設(shè)計，三個方案及模流分析結(jié)果見表1所示，充填時間分別從1.086a分別降低至0.8161s和0.6158s，翹曲變形量分別從0.6551減小到0.2790s和0.2331s，總的翹曲變形量降低了64.4%，放大比例因子，三個方案的翹曲變形如9所示，注塑件的翹曲變形明顯減少，顯著提高了注塑件的質(zhì)量；最重要的是注塑件的熔接線和氣穴基本已經(jīng)不影響注塑件質(zhì)量，注塑件的強度和外觀質(zhì)量都顯著提高，優(yōu)化的效果還是比較明顯的。
5結(jié)語
針對新開發(fā)的注塑件應(yīng)用CAE軟件進行輔助設(shè)計，預(yù)測模具初始方案可能存在的質(zhì)量問題并進行優(yōu)化設(shè)計和分析，本文提出了2個優(yōu)化方案，分別從材料和澆注系統(tǒng)兩個方面進行優(yōu)化。結(jié)果表明，通過Moldflow模流分析技術(shù)，注塑件的填充時間從1.086s減少到0.6158s，翹曲變形量由0.6551mm減小到0.2331mm，同時，將影響注塑件強度和外觀的熔接線和氣穴等缺陷轉(zhuǎn)移到其他位置，提高了產(chǎn)品的強度、外觀、質(zhì)量及使用壽命，為注塑件的開發(fā)提供參考，從而避免單純靠經(jīng)驗評估可能出現(xiàn)的失誤，避免模具反復(fù)試模修模而增加的開發(fā)成本和開發(fā)周期，同時可明顯改善產(chǎn)品成型質(zhì)量。
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