基于Moldflow與Abaqus的注射成型及模具結構聯合仿真分析

翟 林，韓國泰，胡海朝，張建新

(天津中德應用技術大學機械工程學院，天津 300350)

0 前言

對于各類注射成型模具而言，從設計模具圖紙到試模獲取產品的過程，實際上是將電腦圖紙變成實物的過程，因此各類仿真軟件的應用變得尤為重要。Moldflow軟件是專業模擬注射成型過程的仿真軟件，Abaqus以通用有限元專業分析仿真軟件著稱于各行各業。因此，將兩者進行有機結合，發揮各自的優勢，可有效減少試模次數，并能提供可預見性的技術數據，為保證模具制造工期在規定時間內完成提供有力的保障。

實際上計算機輔助工程(CAE)軟件技術在各行各業的應用已久，并取得了多方面的研究成果，但在中小型模具企業中，一般仍采用的是經驗數據值，只有當問題出現時，再用CAE軟件來尋找問題并確定解決方案，而事實上CAE軟件的運用應當是在計算機輔助設計(CAD)之前或同時進行的。因此，注塑模具的設計、結構分析、成型分析三者的有機結合，將為制定相應的工作流程提供依據，為探索CAE軟件的應用持續延伸性研究、全方位數字化模擬仿真提供參考。

本文運用有限元分析軟件Abaqus與專業模流分析軟件Moldflow進行聯合仿真，對注塑模具因模板結構強度不足而導致注塑缺陷進行了有效的預測。

1 注塑模具的產品質量控制

1.1 注射成型工藝與注塑模具的結構分析

影響注塑產品生產率的因素很多，其中最重要的是注塑模具的結構合理性。當注塑模具的結構變形量較大時，注塑件的成型質量就會受到嚴重的影響，而影響模具結構變形的因素較多，進而造成注塑模具的結構變形難以有效監測。但目前隨著CAE分析軟件的不斷發展提升，使得塑件成型過程與塑模結構變形的聯合仿真成為現實，為保證注塑件的成型質量提供了技術支持。

通用有限元分析軟件Abaqus擁有逼真的工程仿真功能，并且它還具有各種材料的模型庫，可模擬典型工程材料的性能，包括金屬、橡膠、聚合物材料等。作為一款功能強大的通用仿真工具，Abaqus軟件可進行靜力學分析，其主要是針對于所施加的載荷進行分析，包括外部施加的作用力和壓力，同時Abaqus軟件還可進行包括位移、應力、應變、力等分析。因此，本文選擇該軟件對整體注塑模具的結構進行驗證。

注塑模具在合理的注射成型的工藝條件下成型得到的產品被稱為注塑產品。通過Moldflow的CAE分析軟件不僅可在適當的條件下驗證設計工藝、生產成型工藝，發現注塑過程中存在的問題，還可進一步進行優化和改進，同時也可對模具的結構和注射成型的工藝參數進行設計。當代CAE軟件已經是CAD模具設計中非常重要的手段之一。

1.2 分析流程

注塑模具除了固定側部分之外，移動側部分的結構也應引起足夠的重視。在移動側部分，由于動模板或支承板與頂桿固定板之間留有頂出距離，這種結構使動模板變形的可能性加大[1]。如果動模板或支承板的設計厚度不夠，會導致分型面處變形，從而產生溢料(飛邊)。因此，應對模具的動模側進行結構強度校核分析，而固定側在保證定模座板足夠厚度的前提下，一般可省略分析[2]。

模流分析流程依次是用Unigraphics NX軟件做三維造型設計，并將三維圖轉化為igs格式，然后將模型導入 CAD Doctor 中進行檢測，為提升分析計算速度，可刪除破折面、自由邊、溝槽臺階、細小邊倒圓等，最后將簡化后的模型導入Moldflow軟件，預測成型時的最佳型腔壓力及其他成型參數；之后將項目模型導入Abaqus軟件，設定初始數據(模流分析結果)，并對模具結構進行尺寸變化分析，驗證注塑模具的結構是否正確。

(1)有限元模型的簡化和網格劃分

對于簡化模型的導入原則包括，不能刪除對力學性能有影響的圓角，關建部位要有選擇性的細化，對結果影響較大的主體特征需保留，其他部位(如導柱導套、螺釘螺栓、回程桿、推桿、各類通孔、澆注、冷卻、排氣系統等結構)可以粗畫，即可刪除模板、棱邊、倒角等無關緊要的特征。

劃分網格的精度對分析結果的準確度會有直接影響，可在適當的情況下，首先選用10節點四面體單元的類型，如若時間充分，可選擇劃分具有分析結果準確度高，但運算復雜的8節點六面體網格。劃分網格時，合理的做法是先采用智能劃分方式劃分，然后局部網格模型采用網格細化方式再修改完善。

(2)有限元分析的邊界條件和載荷

注塑模具的結構特點是定模側A板部分保持靜止不動，動模側B板部分隨注射成型機的移動模板一起移動，從而實現注塑模具的開模、合模動作。鎖模力是重要的注射成型參數之一，當鎖模力不足時，產品會發生飛邊(毛峰)缺陷。聚合物熔體在一定壓力下，以設定的速度填充模具型腔，而型腔壓力的數值由于各類條件的不同而不同，很難判定其準確的數值。型腔壓力在滿足注塑制品要求的同時，也會對模具結構尺寸的變化產生影響。

添加載荷主要有自動輸入與手動輸入2種方式。自動輸入時需通過適當程序將 Moldflow軟件的分析結果導入到Abaqus軟件中，再通過軟件操作將約束與載荷這2個模塊直接添加到模型上。同時，作為載荷錄入到Abaqus軟件的界面中時，可將Moldflow軟件的分析結果適當加大一定的保險系數。從最終的分析效果來看，采用簡單實用的手動輸入法，可完全校核因模板變形所造成的破壞程度。

1.3 影響分析結果的注意事項

(1)盡量在Abaqus軟件中直接創建分析模型

實現無縫對接是Abaqus軟件與其他軟件相互轉換的一大優勢，在其他軟件中創建的分析模型能直接導入到Abaqus軟件中。為提升這些導入的分析模型的分析速度，一般均進行了簡化處理。

(2)合理添加壓力數值

不需將各異型腔的壓力值精確地傳輸到Abaqus軟件中，其具體方案是由Moldflow軟件獲得的不同分析數值，將模型承載表面作為受力中心區域，選取前面最大的分析結果作為均布壓力輸入到Abaqus軟件中即可，也即提升了壓力的系數。

(3)正確觀察分析結果

仿真分析軟件均是以假設理論數據為依據，根據設定的公式進行計算，然后觀察模擬結果與實際生產結果是否吻合，這在一定程度上取決于初始數據的真實性。模具設計人員應依據分析結果并結合實際生產情況綜合考慮后，對注塑模具的結構進行整體設計。

2 實例分析

2.1 模具的結構及產品簡介

1—定位圈 2—內六角螺栓 3—油缸架 4—定模仁 5—動模仁 6—滑塊 7—拉桿 8—彈簧 9—大螺栓 10—內六角螺栓 11—KO孔12—動模座板 13—內六角螺栓 14—回程桿 15—墊鐵 16—鎖緊塊 17—密封圈 18—定模固定板 19—定模座板 20—澆口套(a)側視圖 (b)俯視圖圖2 固定套的裝配圖Fig.2 Assembly of the fixed set

本項目(固定套)為電器試驗臺上固定實驗儀器的配件之一，要求具有方便拆卸、固定牢固且使用壽命長的特點。從圖1中可以看到，塑件的外形尺寸約為φ11 mm×15.5 mm，壁厚約為 1.5 mm。采用具有熱塑性彈性特點的熱塑性彈性體(TPE)，滿足塑件需具備彈性的要求。塑件表面質量要求較高，不允許出現錯口、飛邊、鼓包、縮孔、氣孔等缺陷。

(a)固定套俯視圖 (b)固定套側視圖圖1 固定套產品圖Fig.1 Drawings of the fixed set

如圖2所示，為保證產品的成型質量，并考慮固定套的外形有凸起形狀，故采用雙排橫向布局，側向油缸統一抽芯的成型方法，及1模8腔、兩側對稱滑塊移動、側澆口形式、推桿推出的設計方案。該設計方案可利用定動模打開的動作，實現產品外凸起的順利脫模，避免模具采用傳統的哈夫塊結構。此外，橫向布置的4個側型芯一并設計固定在滑塊6上，滑塊6在標準滑道的導向下，由油缸提供動力，實現向兩側移動完成抽芯的工作內容。此外，油缸的動作由注塑機電腦控制，可在任意時間完成側型芯的抽拔、插入動作，并且保證了產品的生產安全性。設計完成的模具CAD模型的外形參數為 300 mm×250 mm×235 mm，油缸模具外形參數達到300 mm×560 mm×235 mm，定(動)模板的尺寸為 300 mm×200 mm。綜上，該設計方案具有整體設計布局平衡性好、模具結構簡單化、制造工序相對容易、成本低的特點。

2.2 分析模型的確定

為便于Abaqus軟件的分析，對模具動模側的分析模型進行了簡化處理，保留了模具的基本結構，刪除了諸如導柱導套、螺釘螺栓、回程桿、推桿、各類通孔、澆注、冷卻、排氣系統等結構[3]。圖3為處理后的分析模型，其中受型腔壓力影響的面是8處型腔面及流道面。隨后，在Abaqus軟件中選取單元類型，完成材料屬性、接觸區域、載荷約束等設置，并對分析對象進行模型求解[4]。

圖3 動模側的簡化模型Fig.3 Simplification model of the movable side

2.3 注射成型分析

為獲得填充型腔合理的壓力值，通過Moldflow軟件可模擬仿真固定套的8腔注射成型過程。首先在Moldflow 軟件中構建如圖4所示的分析模型并生成網格；然后，在軟件中選用制造商為A Schulman GMBH，牌號為620-31的TPE材料為充填材料，并設定注塑機的最大注塑壓力為100 MPa，設定“ 95 %充填體積”作為速度/壓力的切換方式，其他工藝參數取默認值，執行立即分析[5]。

圖4 Moldflow軟件的分析模型Fig.4 Analysis model for Moldflow

圖5 填充結束時的壓力分析Fig.5 Analysis of the pressure at the end of filling

TPE填充各處區域時的壓力存在著明顯差異，而型腔壓力的最大數值一般表現在保壓階段之前。從圖5中可以看出，8個側澆口位置的壓力最大，分別為32.56、32.52、32.22、23.87、29.66、24.09、25.44、26.77 MPa，故取最大值32.56 MPa作為動模型腔表面的壓力值[6]。

2.4 載荷的確定與添加

注塑模具動模側的各種零件部分采用了多種材質，如S55C模具鋼、P20模具鋼、NAK80模具鋼等，均為合金結構鋼；通過查詢相關文獻可知[7]，其彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，因此依靠現有的模具制造中心的注塑設備條件，選取了東華新型注塑機90T進行實驗。其最大鎖模力為900 kN[8]，經計算可知，動模座板上所受的最大鎖模壓力為37.5 MPa，而由Moldflow軟件分析結果得到的最大型腔壓力為32.56 MPa，故所選設備可滿足試模要求。

2.5 模具的變形分析

(a)z向總的受力變形 (b)x方向變形，×500 (c)y方向變形，×500 (d)z方向變形，×500圖6 動模部分的的受力變形分析結果Fig.6 Total stress deformation of the moving part

從圖6(a)中可以看出，變形的綜合最大值為0.025 825 mm，z向的最大變形量為0.025 612 mm，經查詢可知，TPE材料的熔體流動速率為4.0 g/10 min(5 kg,190 ℃)，通用級聚苯乙稀(GPPS)的熔體流動速率為4.5 g/10 min(5 kg,200 ℃)，GPPS材料的溢料間隙值為0.03 mm。由于2種材料的流動性相近，故假設認定TPE材料的溢料間隙值同樣為0.03 mm。因此，該模具定模側和動模側在分型面處受力最大，沿開模方向的變形值應小于0.03 mm。從圖6(a)中可見，圖中的2個數值均符合塑件成型的條件，并且達到了極限值的要求[9]。

圖6(b)、6(c)、6(d)分別給出了模具動模部分在注塑件成型過程中的整體變形情況，依次為x向變形(動模短邊方向)、y向變形(動模長邊方向)、z向變形(開模方向)，為更直觀表達仿真結果，3個方向的變形部分均放大了500倍[10]。

由圖6(a)可知，模具從整體變形的分布區域看，模具最大的變形區域集中于鑲件的中心部位，變形的范圍和尺寸均較小，且變形較大的區域多集中于注塑件型腔附近；從模具變形量來看，模具x方向變形的最大值為0.018 4 mm[圖6(b)]，模具y方向變形的最大值為0.011 mm[圖6(c)]；z方向的模具最大變形量為0.003 433 mm[圖6(d)]。由于TPE材料的溢料間隙值為0.03 mm，因此，我們將模具分型面處沿z方向的極限變形量(0.03 mm)作為依據，對定模與動模之間的分型面閉合情況進行驗證。通過數據表明，模具在3個方向的變形均符合塑件成型的極限值要求，模具整體的支撐布置方案合理。

由圖7可知，注塑件成型過程的極限米塞斯應力僅為39.5 MPa，遠小于材料的屈服應力，由此表明，注塑件的成型過程安全可靠，模具結構合理。

圖7 模具動模部分米塞斯應力的分析Fig.7 Analysis of the stress of the moving mould parts

2.6 生產驗證

根據Moldflow軟件提供的仿真數據，設定產品的成型工藝參數，并通過試模調整各項參數，其包括熔體溫度、注射時間、注射壓力、注射速度、保壓時間、保壓壓力、模具溫度等[11]。其中，從一區～三區的熔體溫度分別為185、180、170 ℃，射嘴處的熔體溫度為180 ℃，其他試模的主要成型參數見表1[12]。

表1 固定套的試模成型參數Tab.1 Set parameters record of set test molding parameters

固定套塑件的成型材料選用熱塑性彈塑料TPE，以模擬優化后的注塑工藝參數為依據設定試模條件，試模得到的合格固定套試件如圖8所示。該模具結構經生產實踐驗證，開模、合模、滑塊抽拔等動作順序流暢穩定，塑件外觀質量達到試驗臺裝配技術的要求。

圖8 固定套試件Fig.8 The fixed set

3 結論

(1)將Abaqus軟件和 Moldflow 軟件聯合應用于注塑模具的結構分析是完全可行的；分析中要遵循“定性分析為主，定量分析為輔”的原則，模具設計人員應依據分析結果并結合實際生產情況來進行注塑模具結構的設計，在試模中不斷積累經驗數據，并用實際試模結果驗證分析結論；

(2)將成型材料的溢料間隙值作為注塑模具結構分析的評價規范，并將模具的動模模塊作為結構分析的參照物，其前提是定模座板必須有充足的抵抗力，以避免注塑壓力過大時，型腔內部注塑壓力在反作用下，在澆口套附近產生彎曲變形；

(3)經生產驗證，基于Moldflow軟件和Abaqus軟件聯合仿真得到的注塑模具，結構合理，注塑件質量達到試驗臺裝配技術的要求。

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