基于Moldflow的熱流道雙色注射模具的流動(dòng)平衡優(yōu)化

徐 巖,賈建波,王慎波

(北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,吉林吉林132021)

基于Moldflow的熱流道雙色注射模具的流動(dòng)平衡優(yōu)化

徐 巖,賈建波,王慎波

(北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,吉林吉林132021)

利用模流分析軟件Moldflow的充填分析和流動(dòng)平衡分析模塊,分析了雙色牙刷熱流道注射模具的不平衡流動(dòng)。通過(guò)調(diào)整流道的截面尺寸,得到良好的流動(dòng)平衡,一次注射充填時(shí)間的不平衡率從38.2%降低為1.7%,充填末端壓力的不平衡率從39.6%降低為4.1%;二次注射充填時(shí)間的不平衡率為0.37%,充填末端壓力的不平衡率為4.5%。通過(guò)模擬確定了注射時(shí)間、注射壓力、熔體溫度和模具溫度等主要工藝參數(shù)。

熱流道;雙色注射成型;模具;流動(dòng)平衡;工藝參數(shù)

0 前言

雙色注射成型技術(shù)可成型2種具有不同顏色的塑料制品,是一種模內(nèi)組裝或焊接的“嵌件成型”工藝。常用的雙色注射成型技術(shù)是在專(zhuān)用的雙色注塑機(jī)上,通過(guò)具有水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的雙色注射模具一次注射完成[1-4]。

熱流道技術(shù)是指模具內(nèi)的流道采用熱流道系統(tǒng),通過(guò)加熱使?jié)沧⑾到y(tǒng)內(nèi)的塑料始終處于熔融狀態(tài),具有生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品品質(zhì)高和工藝控制優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[5]。

本文采用熱流道雙色注射成型技術(shù)成型雙色牙刷。熱流道雙色注射模具一次、二次注射均采用一模八腔,屬非幾何平衡,此時(shí)考慮熔體在澆注系統(tǒng)中的流動(dòng)平衡十分重要。本文采用Moldflow進(jìn)行了兩次注射流動(dòng)平衡分析,優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)以達(dá)到各型腔充填時(shí)間及充填壓力的平衡,有效避免了因流道不平衡流動(dòng)導(dǎo)致的飛邊、短射、制件密度不均勻、氣穴和熔接痕等缺陷,從而有效保證不同型腔內(nèi)制件品質(zhì)的一致性。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及模具工作原理

圖1是雙色牙刷產(chǎn)品效果圖,一次注射(牙刷頭部)采用韌性較好的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS),二次注射(尾部與手接觸處部分)采用觸感較好的熱塑性彈性體(TPE)。

雙色牙刷生產(chǎn)采用具有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的雙色注射模,一次雙色注射共完成8件產(chǎn)品,即一、二次注射均采用一模八腔結(jié)構(gòu)模具。一次注射結(jié)束后,模具旋轉(zhuǎn)180°,合模,進(jìn)行二次注射,且一次注射時(shí)澆口進(jìn)料方向與開(kāi)合模方向相同;而二次注射澆口進(jìn)料方向與開(kāi)合模方向成90°夾角。

圖1 雙色牙刷產(chǎn)品效果圖Fig.1 Double-color toothbrushes

2 流動(dòng)平衡及工藝參數(shù)確定

2.1 初始計(jì)算及工藝參數(shù)設(shè)定

以流變學(xué)原理為基礎(chǔ),經(jīng)初步計(jì)算得到一次注射熱流道澆注系統(tǒng)中的二級(jí)分流道直徑大小分別為:φ8、φ6、φ4.7、φ4,澆口尺寸 φ1.5,具體排布方式如圖 2 所示[6]。

圖2 一次注射型腔布局及流道尺寸Fig.2 Cavities layout and sizes of runners for first injection molding

為確定成型最優(yōu)產(chǎn)品的注射時(shí)間與模具溫度,采用成型窗口分析,初步確定注射時(shí)間-成型質(zhì)量曲線如圖3所示。最佳成型質(zhì)量系數(shù)0.9444對(duì)應(yīng)的注射時(shí)間為1.112 s,在此基礎(chǔ)上,確定一次注射成型中的最佳注射時(shí)間、熔體溫度和模具溫度分別為1.112 s、240℃和55℃,流動(dòng)前沿溫升3℃,壓力變化量4.39 MPa。

圖3 一次注射的成型質(zhì)量與注射時(shí)間關(guān)系曲線Fig.3 Curves for forming quality versus different injection time for first injection molding

二次注射的型腔排布與一次注射相同,兩次注射的流道長(zhǎng)度基本相等,通過(guò)對(duì)比,兩次注射用材料的允許最大剪切速率和最大剪切壓力相差不大,因此可將二次注射的初始二級(jí)分流道尺寸設(shè)定與一次注射相同 :直徑分別為 φ8、φ6、φ4.7、φ4,澆口尺寸為 φ1.5,型腔排布如圖2所示。由成型窗口得二次注射的最佳成型質(zhì)量系數(shù)0.9531對(duì)應(yīng)注射時(shí)間為1.708 s,由此確定最佳注射時(shí)間、熔體溫度和模具溫度分別為1.708 s、190℃和50℃,流動(dòng)前沿溫升2.8℃,壓力變化量6.1 MPa。

2.2 流動(dòng)平衡分析

U G建模,模型導(dǎo)入MPI前對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行修復(fù)簡(jiǎn)化,以保證網(wǎng)格質(zhì)量。在CAD doctor中進(jìn)行處理,主要修復(fù)內(nèi)容包括:小圓角、破面、漏空、交叉平面、自由邊界、微小結(jié)構(gòu)主體單元等。本模型中主要是將牙刷頭部的圓孔簡(jiǎn)化以提高模型的網(wǎng)格質(zhì)量。簡(jiǎn)化修復(fù)前后的結(jié)果如圖4所示。

將修復(fù)好的模型導(dǎo)入MPI進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分信息如表1所示。

根據(jù) 2.1 節(jié)的理論計(jì)算結(jié)果 φ8、φ6、φ4.7、φ4,依靠實(shí)體曲線,手動(dòng)創(chuàng)建一次注射的澆注系統(tǒng),賦予其熱流道屬性,之后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。按照最佳注射時(shí)間、熔體溫度和模具溫度分別為1.112 s、240℃和55℃的工藝進(jìn)行充填分析。

3 結(jié)果和討論

3.1 流動(dòng)平衡結(jié)果

多次手動(dòng)調(diào)整二級(jí)分流道的截面尺寸,經(jīng)充填分析得到一次注射流道平衡優(yōu)化前后的充填時(shí)間和充填末端的壓力結(jié)果,如圖5和圖6所示。從圖5可知,流道平衡優(yōu)化前,各型腔的充填時(shí)間存在較大差異,最大為1.254 s,最小為0.775 s,不平衡率達(dá)38.2%;流道平衡優(yōu)化后,各型腔的充填時(shí)間均勻,不平衡率僅為1.7%,充填時(shí)間 1.209 s。

充填壓力不平衡對(duì)一模多腔產(chǎn)品的成型十分不利,可能導(dǎo)致某些產(chǎn)品欠充填,而某些產(chǎn)品又過(guò)保壓,不僅有飛邊等產(chǎn)生,還會(huì)降低模具的壽命。從圖6可知,流動(dòng)平衡前各型腔的壓力明顯大于優(yōu)化后,平衡后的充填末端壓力在16.5 MPa左右;平衡前各型腔充填末端的壓力差為14.28 MPa,不平衡率為39.6%,而平衡后壓力的不平衡率僅為4.1%;經(jīng)流動(dòng)平衡優(yōu)化的二級(jí)分流道截面尺寸為 φ8、φ7.2、φ6.4 和 φ5.8。

用相同的方法,對(duì)牙刷尾部進(jìn)行二次注射的流動(dòng)平衡優(yōu)化,優(yōu)化后二級(jí)分流道的截面尺寸為φ8、φ7.3、φ6.5、φ5.85,平衡后的充填時(shí)間和充填末端壓力結(jié)果如圖7和圖8所示,二次注射的充填時(shí)間為1.853 s,充填末端壓力在5 MPa左右,充填時(shí)間和充填末端壓力的不平衡率分別為0.37%和4.5%,平衡效果良好。

圖7 二次注射流動(dòng)平衡后的充填時(shí)間Fig.7 Filling time for second injection molding after flow balance

圖8 二次注射流動(dòng)平衡后的充填末端壓力Fig.8 Pressure for second injection molding after flow balance

3.2 雙色注射工藝參數(shù)的確定

完成多型腔流動(dòng)的平衡分析后,將流動(dòng)平衡的澆注系統(tǒng)應(yīng)用于Moldflow中的 Thermoplastics Overmolding模塊進(jìn)行雙色注射的整體分析。

2次注射的注射壓力隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。從圖9可以看出,兩次注射成型的注射壓力變化趨勢(shì)相同:在成型初期迅速增大,后逐漸減小并保持穩(wěn)定狀態(tài),直至進(jìn)入保壓后逐漸增大至最大值后迅速減小;最大注射壓力分別為36.466 MPa和44.951 MPa,為成型設(shè)備的選擇提供依據(jù)。

圖9 注射壓力隨時(shí)間的變化曲線Fig.9 Curves for injection pressure versus time

2次成型過(guò)程中流動(dòng)前沿溫度的變化情況,結(jié)果如圖10所示。與冷流道注射不同,2次注射的流動(dòng)前沿溫度呈上升趨勢(shì),這是由于熱流道的持續(xù)加熱可忽略熱量損失,熔體流經(jīng)澆口時(shí)還會(huì)產(chǎn)生較大的剪切熱所致;除上述原因外,還因一次注射的溫升未能及時(shí)散去,導(dǎo)致二次注射的溫升高于一次注射;2次注射前沿溫度的最大溫升分別為6.1℃和9.2℃,在材料允許的成型溫度范圍內(nèi),說(shuō)明成型窗口確定的240、190℃的熔體溫度和55、50℃的模具溫度合理。

圖10 流動(dòng)前沿溫度Fig.10 Temperature at flow front

4 結(jié)論

(1)經(jīng)Moldflow的流動(dòng)平衡優(yōu)化分析,將原有兩次注射二級(jí)分流道的截面尺寸優(yōu)化為φ8、φ7.2、φ6.4、φ5.8 和 φ8、φ7.3、φ6.5、φ5.85;

(2)流道平衡優(yōu)化后,一次注射充填時(shí)間的不平衡率為1.7%,充填末端壓力的不平衡率為4.1%;二次注射充填時(shí)間的不平衡率為0.37%,充填末端壓力的不平衡率為4.5%;

(3)確定雙色注射的主要工藝參數(shù)為:一次注射壓力為36.466 MPa,充填時(shí)間為1.209 s,模具溫度為55℃,熔體溫度為240℃;二次注射壓力為44.951 MPa,充填時(shí)間為1.853 s,模具溫度為50 ℃,熔體溫度為190℃。

[1] 李冬梅,徐 巖,賈建波,等.雙色電器外殼的注射成型[J].中國(guó)塑料,2010,24(3):68-71.

[2] 洪劍城.基于Moldflow軟件的型腔各異模具流動(dòng)平衡優(yōu)化[J].工程塑料應(yīng)用,2010,38(1):35-38.

[3] 翟 明,顧元憲,申長(zhǎng)雨.注射模澆注系統(tǒng)位置優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2002,38(2):40-43.

[4] Beaumont J P,Nagel R,Sherman R.Successful Injection Molding:Process,Design and Simulation[M].Cincinnati:Hanser Gardner Publications,2002:118.

[5] 黃澤森.熱流道注射模流道板設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè),2007,33(6):45-48.

[6] 王建華,徐佩弦.注射模的熱流道技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:25-70.

Flowing Balance Optimization of Double-color Injection Mould with Hot Runners Based on Moldflow

XU Yan,J IA Jianbo,WAN G Shenbo
(School of Mechanical Engineering,Beihua University,Jilin 132021,China)

Using filling and flowing balance modules of Moldflow,unbalanced flowing of doublecolor toothbrushes injection moulds with hot runners was analyzed.By adjusting section sizes of runners,good flowing balance was obtained:in first injection molding,the unbalanced filling ratio was decreased to 1.7%from 38.2%,and the unbalanced pressure ratio was decreased to 4.1%from 39.6 %;unbalanced filling ratio and unbalanced pressure ratio was 0.37 %and 4.5 %separately for second injection molding.Main processing parameters were determined,including injection time,injection pressure,melt temperature and mould temperature.

hot runner;double-color injection molding;mould;flow balance;process parameter

TQ320.66+2

B

1001-9278(2010)10-0100-04

2010-07-17

聯(lián)系人,xuyan_916@163.com