基于熔接痕處應力值的澆口位置優化設計

單 志,朱建華＊,劉 勇,朱祖媛

(1.國家復合改性聚合物材料工程技術研究中心,貴州 貴陽550014;2.貴陽海信電子有限公司,貴州貴陽550009)

0 前言

熔接痕是由于方向相反或平行的兩股熔體相遇而形成的。在工作狀態下,塑料制品應力較大區域出現熔接痕,熔接痕處因應力集中而使得制品的性能大大降低。熔接痕的存在不僅影響制品的外觀品質,而且對制品力學性能產生影響,損害制品的使用性能[1],是注塑制品常見缺陷之一。澆口位置是注塑模具設計的關鍵部分,澆口位置的設定直接關系到熔接痕的位置分布和性能。因此,可以通過熔接痕的性能評價來判斷澆口位置的設計合理性,同時,又可以通過澆口位置的優化設計來提高熔接痕的性能,從而達到改善塑料制品使用性能的目的。

熔接痕的分析與研究受到廣泛的關注,有文獻[2-5]針對啞鈴型實驗制件,研究了工藝參數對熔接痕的影響,在一定程度上提高了制件的強度。但是在工業生產中,制品的復雜性導致了熔接痕分布的復雜性,從而導致了熔接痕上應力分布的復雜性,改變工藝參數并不能改變制品應力分布情況,實際使用過程中,制品的熔接痕上可能承受著較大應力而成為制品發生破壞的裂紋源。傳統的澆口設計也主要依靠工程師的經驗,對于大型、造價昂貴的模具,完全依靠經驗會有很大的風險。本文結合數值模擬軟件Moldflow和結構分析軟件ANSYS對塑料制品的熔接痕位置及其應力狀況進行分析,利用Moldflow預測塑料制品的熔接痕位置,并通過ANSYS分析獲得實際載荷下制品熔接痕處的應力值。在塑料制品所用材料和注塑工藝條件一樣的條件下,通過對不同澆口位置所形成熔接痕的應力水平進行對比分析,判斷出澆口位置設計的合理性,為熔接痕性能評價和澆口位置優化設計提供可靠指導,減少企業模具設計周期和生產成本。

1 制品結構特征及受力分析

該塑料制品是液晶顯示器上的一個結構,件總體尺寸為45 mm×17 mm×19 mm,結構件下部設計3個銷釘孔,三維模型及受力分析如圖1所示。由于在工作狀態下,該結構件是處于高溫(40～70℃)和受到液晶面板的重力作用,因此對其力學性能要求較高。

該結構件主要承受液晶顯示器的重力,在受力面的分布均勻,且受力方向不變,如圖1箭頭所示。由于工作過程中受力均勻和方向不變,可以假定結構件各個區域的應力分布不受作用力大小的影響。此外,在注射成型過程中,結構件不可避免產生多條熔接痕。因此,通過分析和研究熔接痕上的應力狀況,判斷澆口位置設計的合理性。通過澆口位置的設計和改變,將熔接痕分布到應力較小的區域,從而減小熔接痕對結構件力學性能的影響。

圖1 結構件三維模型Fig.1 Three dimensionalmodel for the injection molded part

2 澆口設計方案分析

對兩種澆口位置設計方案所得到的熔接痕的分布進行模擬分析,通過結構數值模擬分析得到結構件在實際載荷條件下的大小和分布情況,綜合兩種模擬分析數據和結果得到結構件在使用狀態下的應力狀況,從而為澆口位置的設計和安排提供判斷依據。

2.1 成型過程模擬前處理和澆口設計方案

采用丙烯腈-苯乙烯-丁二烯(ABS)作為結構件用材料。在三維設計軟件UG中建立結構件三維模型,并以 STL格式導入到Moldflow中。模擬分析過程為:選擇分析序列:填充+保壓;選擇 Monsanto Kasei公司的ABS作為原料;設置工藝參數為:模溫40℃,熔體溫度240℃,其他工藝默認設置。

在Moldflow分析中,設置網格類型為3D,定義全局網格邊長為1.5 mm,劃分網格單元數38658。復制3D方案得到復結構件方案,重命名為2D,定義網格類型為雙層面,重新劃分網格,系統去除3D有限元模型的內部單元,保留表層單元一切屬性,得到雙層面單元數4278。

結構件模具澆口設計方案有2個,其中方案1是某模具企業澆口設計方案,如圖2(a)所示,澆口在結構件中的位置比較對稱;方案2是本文提出的,如圖2(b)所示,澆口在結構件的側邊設置。

圖2 澆口設計的2個方案Fig.2 Different program of gate design

2.2 流動分析結果

運行分析兩個澆口設計方案(3D網格),分析結束后,在2D方案中可以查看熔接痕的位置、長度、匯合角等信息,如圖所示3所示。在該塑料結構件在兩個澆口設計方案下均出現多條熔接痕。

將熔接痕圖形數據保存為Patran格式的單元結果數據,命名為“熔接痕數據.nod”,此數據文件用于與結構數值分析結果進行結構件應力的綜合分析。

圖3 熔接痕位置Fig.3 Weld line position

2.3 應力分析前處理

ANSYS并不能直接使用Moldflow的有限元模型,通過二次開發手段,將Moldflow的有限元模型轉換成ANSYS的cdb格式有限元模型,包括四面體網格屬性和材料屬性。

打開ANSYS導入sz.cdb,如圖4所示。單元類型自動匹配成 SOL ID187,材料數據全部繼承了 Moldflow中的3D有限元模型材料屬性。

2.4 應力分析邊界條件設置

將結構件在工作狀態下所受載荷做簡化處理,設結構件的固定面部分被固定,而上邊部分受1 MPa的壓力。如圖4所示,在ANSYS中加載,結構件上部分箭頭表示向上壓力,下部分箭頭處表示被限制了所有自由度。

圖4 載荷分布Fig.4 Stress distribution

不同澆口位置并不影響結構件應力的分布及大小,故該應力分析結果可以同時用于兩個不同澆口設計方案。

ANSYS等效應力分析結果如圖5所示(單位是Pa),不同顏色代表了制品上不同應力大小及分布的不同,并保存為二進制文件“應力數據.lis”。

圖5 制品應力分布Fig.5 Stress distribution of the part

2.5 結構件及熔接痕應力結果計算

實際結構件在使用過程中,結構件上同一條熔接痕上的應力分布并不均勻,熔接痕上最大應力處往往是裂紋開始萌生的地方,故熔接痕上的最大應力可視為代表整條熔接痕的強度性能。

根據“熔接痕數據.nod”文件和“應力數據.lis”文件數據,計算出每一條熔接痕上的最大應力,即計算構成熔接痕節點上的最大應力,計算結果如表1所示。本文列出兩種澆口設置得到的熔接痕中4條最大應力值進行對比分析。根據表中最高四條熔接痕應力值可以看出方案2的澆口位置設計所得到的熔接痕的應力值要低于方案1的熔接痕應力值,表明澆口方案2中形成的熔接痕在相同使用條件下安全性能較高,因此就受力狀況而言,方案2的澆口位置設計要明顯優于方案1。

表1 熔接痕上的最大應力Tab.1 The maximumstress value at the weld lines

3 結論

(1)承受靜力載荷的制品,其薄弱、危險區域確定,且不隨載荷大小而改變;

(2)熔接痕處于制品薄弱區域時,會增加制品破壞的可能性;

(3)在其他工藝條件相同的條件下,通過CAE分析,方案2中的澆口設計使得制品的熔接痕處于相對較安全的區域。

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