注塑模cae (moldflow) 技术可在模具投入制造以前, 在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析, 准确预测熔体的填充、保压、冷却情况, 以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况, 使设计者能尽早发现问题, 及时修改制件和模具设计; 而不是等到试模以后再返修模具。这不仅是对传统模具设计方法的一次突破, 而且对减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低成本等都有着重大的技术经济意义。本文主要介绍使用moldflow 软件对空调的活动后盖的注塑成型过程进行模拟分析, 并根据产品本身的特点着重预测可能出现的翘曲, 确定改进方案, 为模具设计技术人员进行模具设计提供科学依据。
1 塑件的成型工艺分析
空调活动后盖是由两个夹角近似直角的面组成,另外包括六个等距离圆孔、两个圆柱形突起, 在两个板面的边缘还有几个向外延伸的小平板。塑件属于外置的活动配件, 对综合机械强度有比较高的要求, 这就要求塑件成型后不能产生过大翘曲变形; 一旦产生过大翘曲变形将会导致活动后盖与电器配合有大小不等的缝隙。除此之外, 塑件的表面质量、强度、韧性和抗冲击能力都要求较高。根据一般经验, 在材料的选取上宜采用综合性能及抗冲击性能比较好的丙烯腈2丁二烯2苯乙烯(abs) ; 为了保证塑件外观质量, 采用潜伏式浇口, 并将浇口设置在不影响外观质量的后盖背面, 初步采用单浇口。
2 塑件的模拟分析过程和结果
2-1 模型的建立及成型工艺参数的预置
应用proe 获得产品的三维建模, 并以3 1stl 的格式导入moldflow 中; 以fusion 的格式对产品进行有限元处理及网格修正, 最终获得如下参数: 面单元数为2 792 , 节点数为1 402 , 单元的匹配率为84 %。预置注塑成型工艺参数如下: 型腔温度40 ℃, 熔体温度230 ℃, 注射、保压及冷却时间为30 s , 开模顶出时间为5 s , 其它注塑成型工艺参数采用系统默认设置。冷却系统的布置及相关参数如下: 冷却管数量2 根、直径10 mm , 距离塑件25 mm , 塑件对称, 冷却介质为水, 温度为25 ℃, 流速2154 l/ min ,入口雷诺系数为10 000。分析流程为cool + flow +warp 。
2-2 填充分析和结果
填充过程的模拟可得到填充时间、填充压力、熔体前沿的温度、熔体温度在制件厚度方向的分布、熔体的流动速度、分子趋向、剪切速率及剪切应力、气穴及熔接痕位置等, 并直观地显示在计算机屏幕上;从而帮助工艺人员找到产生缺陷的原因。图1 是填充过程模拟得到的部分结果。其中图1a 显示型腔压力分布是以浇口为中心逐渐向两边递减; 图1b 显示完成这次注射填充需要的时间为1.520 s。
2-3 冷却分析和结果
冷却过程模拟可得到型腔表面的温度分布、制品沿厚度方向的温度变化、制品完全固化所需时间、冷却介质的温度变化等。图2 是冷却模拟过程的部分结果。其中图2a 显示型腔表面的温度在靠近浇口的位置较高, 远离浇口位置较低; 图2b 显示塑件表面三个不同点沿厚度方向的温度变化曲线。
2-4 翘曲分析和结果
翘曲模拟分析过程结果可预测到塑件整体翘曲的情况, 以及详细的分析结果, 如x 、y、z 方向的翘曲变形情况、由冷却引起的翘曲和收缩引起的翘曲。模拟分析部分结果如图3 所示。其中图3a 显示塑件的整体翘曲变形的最大值产生在塑件的两端; 图3b 显示在x 方向由收缩引起的最大值产生在塑件的两端。
3 模拟分析结果的改进设计
由原方案的模拟分析结果可知, 在填充分析、流动分析、冷却分析时所产生的可能缺陷都在塑件的允许范围内, 如: 气穴、熔合线主要产生在空调活动后盖的背部、边缘以及不影响塑件大体性能的部分; 但在翘曲模拟分析结果中, 塑件的整体翘曲超出塑件的允许范围。因此将着重改善塑件的翘曲。
所谓翘曲, 就是不均匀的内应力导致的塑件缺陷。注塑过程中, 翘曲是由于制品收缩率不均匀而产生的。收缩率不均匀表现在以下几方面: 1) 制品不同部位的收缩率不一样; 2) 沿制品厚度方向收缩率不同; 3) 与分子取向平行和垂直方向的收缩率不同。mpi/warp 把翘曲产生的原因归结为以下三点: 1)冷却不均匀; 2) 收缩不均匀; 3) 分子取向不一致。因此, mpi/ warp 分析可用于判定采用热塑性材料成型的塑件是否会产生翘曲; 如果出现翘曲, 查出导致翘曲产生的原因。具体查看翘曲模拟分析结果图并找出翘曲产生的原因, 塑件整体翘曲最大值为0.623 5 ;在分方向的翘曲最大值分别为x 方向0.602 4 , y 方向0.076 1 , z 方向0.140 3。其中1) 冷却不均匀引起翘曲值为0.037 5 , 在y 方向上的翘曲大小不对称; 2) 收缩不均匀引起的翘曲值为0.621 9 ; 3) 分子取向不一致引起的翘曲值为0 (因为没在塑料中添加填充物) , 从中发现引起翘曲的主要原因是收缩不均匀。进一步查看收缩不均匀引起翘曲的分析结果:x 方向收缩不均匀引起的翘曲值为0.621 87 , y 方向收缩不均匀引起的翘曲值为0.065 3 , z 方向收缩不均匀引起的翘曲值为0.126 1 ; 因此, 塑件产生翘曲的主要原因是由收缩不均匀引起的, 并且主要集中在x 方向。
根据以上分析结果, 将主要针对降低由x 方向的收缩不均匀引起的翘曲采取改进措施。即修改冷却系统和注塑成型的工艺条件; 为此, 拟定3 种方案进行比较。方案a : 把冷却管的位置设置在活动后盖的内侧, 其它参数不变; 方案b : 在方案a 的基础上,对保压压力进行优化, 由默认设置改为: 在恒定压力80 mpa 下保持2 s , 然后在12 s 内由80 mpa 线性减降为0 ; 方案c: 在方案a 的基础上, 设置保压曲线为在恒定压力100 mpa 下保持2 s , 然后在12 s 时间内由100 mpa 线性减降为0。以上方案模拟如表所示。
由表1 结果及综合各方面因素发现, 方案c 最好。图4 为采用方案c 改进后的部分模拟分析结果。图4a 显示塑件的整体翘曲最大值由0.623 5 降到0.131 0 , 图4b 显示由x 方向的收缩不均匀引起的翘曲最大值降倒0.074 9 , 总体翘曲的优化效果明显;而且y 方向上的翘曲不对称现象消除, y 方向的翘曲也由第一次分析的0.076 1 降低为0.051 8。由冷却不均匀引起的翘曲最大值由0.037 5 降到0.011 0。通过优化保压曲线, 由收缩引起的翘曲明显减小, 由原先的0.621 9 降低为0.175 5 , x 方向上的翘曲也降低为0.074 9 , 在数值上和比例上都有所减小。
表1 三种方案模拟的结果
4 结束语
利用注塑模的cae (moldflow) 技术对塑件的注塑成型进行填充、流动、冷却和翘曲模拟分析。根据分析结果找出了注塑成型过程中可能出现的缺陷在此基础上改进注塑成型的工艺参数, 获得了良好的模拟效果。这将缩短模具的设计生产周期和减少试模的次数, 为生产企业带来显著的经济效益。