黃永程，楊 斌(1)，伍先明(2)，楊晶晶，王鵬程，李 俏，黎志勇，劉順彭，孫慶輝
廣東理工學院，廣東 肇慶 526100
摘 要：
基于Moldflflow 2018軟件對薄壁塑件進行注塑成型和注塑壓縮成型模擬，分別從V/P切換時的壓力、填充末端壓力、流動前沿溫度、平均體積收縮率、氣穴、熔接線和翹曲變形等方面進行對比分析。結(jié)果表明：采用注塑壓縮成型工藝加工的薄壁塑件質(zhì)量優(yōu)于由注塑成型工藝得到的薄壁塑件，該對比分析結(jié)果對薄壁塑件的實際加工具有一定的指導意義。
關(guān)鍵詞： 薄壁塑件；注塑成型；注塑壓縮成型；翹曲變形
隨著社會的飛速發(fā)展，塑料制件在家電、汽車、 高鐵、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應用。其中薄壁塑件因自身剛度較差，易出現(xiàn)較嚴重的翹曲變形，致使塑件的形狀和尺寸偏離原始設(shè)計要求，進而導致外觀質(zhì)量變差、裝配性能下降。采用傳統(tǒng)加工方法很難得到高質(zhì)量的薄壁塑件，為此諸多研究者對注塑成型工藝進行了大量的數(shù)值模擬和實驗對比分析。例如，肖民等[1]模擬分析了保壓工藝對薄壁塑件成型的影響，并通過注塑實驗進行了驗證，結(jié)果表明，保壓工藝對塑件翹曲變形具有顯著影響。殷筱依[2]采用正交試驗法分析了工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)對薄壁塑件翹曲變形的影響，從而確定了影響塑件翹曲的主要因素，同時優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)，最終得到一組最優(yōu)成型工藝參數(shù)(該工藝條件下得到的塑件翹曲變形量最小)。江青松等[3]采用耦合有限元分析方法對薄壁塑件應力分布和翹曲變形進行分析。結(jié)果表明，隨著翹曲變形的產(chǎn)生，塑件內(nèi)的殘余應力相應減??；壁厚是影響翹曲變形的主要因素，而工藝參數(shù)的影響相對較小。此外，為提高薄 壁塑件的質(zhì)量，還可采用特殊的成型方法，如注塑壓縮成型。注塑壓縮成型是一種注塑和壓縮模塑的組合成型技術(shù)，其是將塑料熔體注入稍微開啟的模具內(nèi)，待注塑完畢，在熔體固化前通過外力進行二次合模，從而使塑件均勻受力以減少殘余應力、提高塑件性能。諸多研究表明，與傳統(tǒng)注塑成型相比，注塑壓縮成型工藝具有很大的優(yōu)越性。例如，J Y Ho等[4]采用有限元法對厚1.5 mm、半徑70 mm的圓盤注塑壓縮成型進行了仿真和實驗，并對比分析了模擬及實驗數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)，與注塑成型相比，注塑壓縮成型的剪切速率更低，剪切應力分布更均勻。本研究對薄壁塑件的注塑成型和注塑壓縮成型工藝進行了對比分析，為薄壁塑件的實際生產(chǎn)提供參考。
1 薄壁塑件前處理
1.模型建立
薄壁塑件是指流長厚度比，即熔體從進入模具到型腔最遠點的流動長度與塑件平均壁厚之比在 100或150以上的塑件(或厚度小于1 mm，同時投影面積在50 cm2 以上的塑件)。本研究以某品牌筆記本電腦顯示器外殼作為分析模型(如圖1所示)，其外尺寸為340 mm×230 mm×1.5 mm，內(nèi)尺寸為310 mm×175 mm×1.5 mm，屬于薄壁塑件。在Pro/E 中建立該顯示器外殼三維模型(圖1(a))，然后導入CAD Doctor對其進行修復，再把修復后的模型導入Moldflflow中進行3D網(wǎng)格劃分(圖1(b))。該模型的四面體數(shù)為57 628，節(jié)點數(shù)為10 752，最大縱橫比為28.26%，在允許范圍內(nèi)。
1.2 材料選取
考慮到筆記本電腦顯示器外殼對機械強度、散熱效果、質(zhì)量和光澤度等的要求，選用工程塑料 PC+ABS(聚碳酸酯與丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的共混物)，由該材料制備的顯示器外殼具有壁薄、質(zhì)輕、強度高、散熱快、屏蔽好等突出優(yōu)點[5]。本實驗選用牌號為Baybtend FR3001的PC+ABS材料，該材料的推薦模具表面溫度為70℃、熔體溫度為260℃，材料流動性較好，其黏度曲線如圖2所示。
1.3 流道及冷卻系統(tǒng)設(shè)計
顯示器外殼塑件較薄且面積較大，故采用一 模一腔，4個澆口進料。通過Moldflflow 2018軟件進行分析，最終確定的最佳澆口位置為N392、N293、N1096、N1157，如圖3所示。
此外，為不影響塑件外觀，采用潛伏式澆口，進膠點位于殼體背面。澆口始端直徑為1.2 mm，末端直徑為6 mm；分流道直徑為6 mm；主流道始端直徑為8 mm，末端直徑為6 mm；冷卻水道直徑為8 mm，水道中心距為30 mm。整個系統(tǒng)如圖4所示。
2 工藝分析
采用Moldflflow對塑件模型進行模流分析，結(jié)果顯示，在塑件成型過程中能夠?qū)崿F(xiàn)充填平衡和均勻冷卻，進而驗證了所設(shè)計澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的合理性和有效性。根據(jù)材料自動匹配成型條件，成型條件均采用默認值。
2.1 V/P切換時的壓力和填充末端壓力
V/P切換時的壓力顯示了從速度控制切換到壓力控制時，模具內(nèi)整個流動路徑的壓力分布，壓力越大說明熔體流動阻力也越大。本實驗的最大(V/P切換時)壓力發(fā)生在熔體注射位置附近(如圖5所示)，其中注塑壓縮成型的最大壓力為23.45 MPa，而注塑成型的最大壓力達到180 MPa，且出現(xiàn)短射現(xiàn)象。
填充末端壓力顯示了在填充結(jié)束時壓力在模具中沿熔體流動路徑的分布情況。與普通注塑成
型相比，注塑壓縮成型型腔可以自動調(diào)整，在注塑過程中所需壓力較小。圖6為上述兩種成型工藝的填充末端壓力模流分析結(jié)果。從圖6可以看出，注塑壓縮成型的填充末端壓力最大值為23.02 MPa，其制品在低壓狀態(tài)下完成充填，而注塑成型的填充末端壓力最高達到144 MPa。
2.2 流動前沿溫度
流動前沿溫度是熔體充填一個節(jié)點的中間流溫度，代表截面中心的溫度。流動前沿溫度過高會導致材料降解、制品產(chǎn)生表面缺陷，溫度過低則會發(fā)生滯流或短射。圖7為普通注塑成型與注塑壓縮成型的流動前沿溫度模流分析結(jié)果。由圖7可知，注塑壓縮成型的溫度變化范圍小于注塑成型，前者的溫度變化比較均勻。
2.3 平均體積收縮率
體積收縮率顯示了每個單元(在頂出時)相對于自身原始體積的收縮率，體積收縮必須均勻分布在整個塑件上才能減小翹曲變形。圖8為普通注塑成型與注塑壓縮成型的平均體積收縮率模流分析結(jié)果。從圖8可以看出，注塑壓縮成型工藝的平均體積收縮率變化較小，而注塑成型工藝的體積收縮率變化較大，且出現(xiàn)反向收縮。
2.4 氣穴
氣穴通常出現(xiàn)在節(jié)點位置，當熔體從各個方向流向同一個節(jié)點時就會形成氣穴，氣穴過多會影響塑件的質(zhì)量。由圖9可以看出，注塑成型塑件產(chǎn)生了3處氣穴。
2.5 熔接線
充模過程中，兩股相向或平行的熔體前沿相遇，就會形成熔接線。通常兩股匯合熔體前端的夾 角(匯合角)越小，產(chǎn)生的熔接線越明顯。熔接線是 常見的塑件缺陷，其存在不僅影響制品外觀質(zhì)量，而且對制品的力學性能影響很大。從圖10可以看出，注塑壓縮成型產(chǎn)生的熔接線明顯少于注塑成型。
2.6 翹曲分析
翹曲變形是指塑件的形狀偏離模具型腔的形狀所規(guī)定的范圍，是塑件常見的缺陷之一。對于薄壁塑件，其更易發(fā)生翹曲變形。從圖11可以看出，注塑壓縮成型的最大變形量為1.802 mm，注塑成型最大翹曲變形量為2.632 mm，注塑壓縮成型產(chǎn)生的翹曲變形明顯小于注塑成型。
3 結(jié)論
(1)與普通注塑成型工藝相比，注塑壓縮成型在V/P切換時的壓力減小了87
.0%，填充末端壓力減小了84.1%，制品翹曲變形量減小了31.5%。
(2)與注塑壓縮成型工藝相比，普通注塑成型的流動前沿溫度變化不均勻，平均體積收縮率變化較大，且出現(xiàn)反向收縮，同時產(chǎn)生較多的氣穴和熔接線，嚴重影響了塑件的質(zhì)量。
參考文獻:
[1] 肖民,阮育煌,威巍. 薄壁注塑件保壓工藝的CAE分析及優(yōu)化 [J]. 機電工程技術(shù), 2012, 41(11): 12-16.
[2] 殷筱依. 薄壁塑件注塑成型翹曲變形控制研究[D]. 重慶: 重慶交通大學, 2017.
[3] 江青松,柳和生,熊愛華,等. 纖維增強薄壁注塑件翹曲變形耦合有限元分析[J]. 北京化工大學學報: 自然科學版, 2017, 44(2): 103-107.
[4] J Y Ho, J M Park, T G Kang. Three-dimensional numerical analysis of injection-compression molding process[J]. Polymer Engineering and Science, 2012, 52(4): 901-911. [5] 丁清國. RHCM成型數(shù)值模擬分析及工藝參數(shù)優(yōu)化[D]. 昆明: 昆明理工大學, 2013.
[6] 黃成,黃建峰,等. Moldflow 2018模流分析從入門到精通[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2018.
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