基于Moldflow的一種快接閥注塑成型方案設(shè)計

劉一聰，鐘璞，王小明

（1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.昆山康而學(xué)精密電子科技有限公司，江蘇 蘇州 215300）

0 引言

在注塑模具開發(fā)過程中，如果單純依靠經(jīng)驗和產(chǎn)品的特點制定注塑工藝參數(shù)，很難保證產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，在模具設(shè)計和注塑過程中引入計算機(jī)輔助分析技術(shù)是當(dāng)前常用的做法，也是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，模型結(jié)構(gòu)的CAE分析已成為模具設(shè)計過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)[1]。通過CAE分析，可提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷，預(yù)測模具設(shè)計中的潛在問題，進(jìn)而通過方案對比，多次試驗，制定出較為優(yōu)化的設(shè)計方案。Moldflow是一款專業(yè)模流分析軟件，能夠幫助驗證和優(yōu)化注塑成型流程，為生產(chǎn)過程提供指導(dǎo)。通過模擬熔體在模具中的流動，在模具制造之前實現(xiàn)模流分析，從而提前優(yōu)化結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，實現(xiàn)模具的優(yōu)化設(shè)計，并對塑件的填充、冷卻等成型過程起指導(dǎo)作用[2]，從而保證制品質(zhì)量，提高產(chǎn)品合格率。本文研究了某快接閥注塑過程，對其注塑進(jìn)行方案設(shè)計，優(yōu)化注塑過程。通過制品的模流分析，預(yù)先發(fā)現(xiàn)注塑中的缺陷，為后期的實際生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)信息，優(yōu)化生產(chǎn)周期。

1 產(chǎn)品信息

1.1 產(chǎn)品外觀

快接閥是一種不需要工具就能實現(xiàn)管路連通或斷開的接頭。常用于氣壓、液壓工具、氣缸、液壓缸、金屬模具相關(guān)機(jī)械的附屬裝置，具有連接方便，省時省力的特點，多數(shù)由鑄造成型，要求具有剛性強(qiáng)，耐磨損，連接處精度高等特性，因此在注塑過程中需考慮其材料變形等因素。本研究對象三維圖如圖1。

圖1 產(chǎn)品外觀

1.2 材料特性

PP通稱聚丙烯，其抗折斷性能較好，含金屬添加劑的PP廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)和日用器械,如擋泥板、通風(fēng)管、風(fēng)扇、干燥機(jī)通風(fēng)管、洗衣機(jī)框架及機(jī)蓋、冰箱門襯墊等）。本產(chǎn)品即采用含金屬添加劑的PP材料進(jìn)行注塑，通過查詢手冊得到其成型工藝參數(shù)如表1。

表1 PP成型工藝參數(shù)如表

1.3 注塑設(shè)置

對注塑機(jī)的選用沒有特殊要求，由于PP具有高結(jié)晶性。需采用注射壓力較高及可多段控制的電腦注塑機(jī)。鎖模力一般按4～5t/m2來確定，注射量20%～85%即可。模具及澆口設(shè)計模具溫度50～90℃，對于尺寸要求較高的用高模溫。型芯溫度比型腔溫度低5℃以上，流道直徑4～7mm，針形澆口長度1～1.5mm，直徑可小至0.7mm。邊形澆口長度越短越好，約為0.7mm，深度為壁厚的一半，寬度為壁厚的兩倍，并隨模腔內(nèi)的熔流長度逐肯增加。模具必須有良好的排氣性，排氣孔深0.025mm～0.038mm，厚1.5mm，要避免收縮痕，就要用大而圓的注口及圓形流道，加強(qiáng)筋的厚度要小（例如是壁厚的50～60%）。通過查詢可知PP熔融段溫度最好在240℃左右。

2 注塑方案設(shè)計

2.1 網(wǎng)格劃分

有限元網(wǎng)格劃分是Moldflow進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算的基礎(chǔ)，利用UGNX10完成快接閥的三維建模，并導(dǎo)出通用格式，在CAE分析之前，需要先對快接閥模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，一般經(jīng)過多次的“合并節(jié)點”和“插入節(jié)點”來進(jìn)行網(wǎng)格的修，直至符合分析要求。圖2為所得的網(wǎng)格劃分結(jié)果。從圖2中可以看出，模型共劃分了1598313個四面體網(wǎng)格，從縱橫比的分析結(jié)果來看，其最大值為32.88，平均2。61，最小為1.13，網(wǎng)格匹配百分比 86.0%，相互百分比88.3%，網(wǎng)格劃分結(jié)果符合要求，達(dá)到了Moldflow分析條件。

圖2 網(wǎng)格劃分信息

2.2 澆口流道設(shè)置

澆口位置和形狀尺寸在注塑過程之至關(guān)重要，澆口是熔體進(jìn)入模具型腔入口，在設(shè)計中要考慮后期在成品上的留痕，盡量控制在較小的尺寸。澆口的形狀、尺寸、位置都會直接影響熔體的流動狀態(tài)和塑件質(zhì)量[3]。基于模型的形狀結(jié)構(gòu)、材料屬性及工藝參數(shù)等進(jìn)行澆口位置分析，得到最佳澆口位置[4]。本產(chǎn)品在注塑設(shè)計中采用一模兩腔的設(shè)計，以提升注塑產(chǎn)品產(chǎn)能，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。通過模流分析軟件可以分析出快接閥最佳的澆口位置位于快接閥側(cè)面，流道分一條主流道和兩次分流道，以對稱方式連接兩腔。如圖3所示。

圖3 澆口流道設(shè)置

2.3 填充分析

填充分析的目的是驗證設(shè)置的注射位置是否能實現(xiàn)熔體在填充中平衡流動。通過分析從注射開始到熔體充滿整個型腔的充填時間和熔接痕的位置，熔體在型腔內(nèi)的充填情形，從而獲知熔體的充填是否平衡、充滿等[5]。由圖4可以看出最大填充時間為1.288s，兩個腔體填充時間一致，在預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)，填充未出現(xiàn)滯留、短射等現(xiàn)象，填充結(jié)果符合制品要求。

圖4 填充時間

2.4 注射壓力分析

塑料在注塑成型過程中，根據(jù)注塑機(jī)型號性能，設(shè)置合適的注射壓力。除此之外，注射壓力在設(shè)定是還需要考慮注塑材料的性能、模具溫度、流動阻力、塑件形狀及精度等等。注射壓力會影響模具的充填速度和流動距離，進(jìn)而影響塑件的成型質(zhì)量[6]。而保壓壓力在制品成型中也至關(guān)重要，它將直接影響后期制品的質(zhì)量。通常注射后期的保壓壓力充填壓力最高值的80 %，以此完成注塑過程的最后填充。從圖5可以看出，澆口速度/壓力切換時的最大壓力值為28.72MPa，符合工藝要求，避免了注塑過程中出現(xiàn)短射現(xiàn)象。

圖5 澆口速度/壓力切換時的壓力

2.5 流動前沿溫度

流動前沿溫度是熔體充填一個節(jié)點時的中間流溫度，代表的是截面中心的溫度，其溫控控制的好壞將直接影響熔接線的質(zhì)量。如圖6所示，是快接閥流動前沿溫度示意圖，從圖中可以看出，注塑制品流動前沿溫度控制合理，分布均勻，最小值為270.8℃，高于材料推薦的最低溫度220℃。可以保證溶體在注塑過程中的流動性，避免困氣出現(xiàn)。

圖6 流動前沿溫度

2.6 變形與收縮率分析

由圖7可以看出，通過軟件仿真分析，制品注塑完成后，其變形量控制在相對較好的程度，大部分區(qū)域變形量在0.1到0.16之間，在小接口末端稍高，其變形量在0.17左右，基本符合制品要求。體積收縮率是中間數(shù)據(jù)結(jié)果，它顯示制件在保壓和冷卻過程中收縮率的變化，主要用于檢測制品的縮痕，均勻的體積收縮可以減少制品的翹曲變形[7-9]。對其作出收縮率分析可以看出，接口末端和大平面四周收縮率較大，數(shù)值在7.17左右，與圖7的變形分析位置基本吻合。

圖7 變形分析

圖8 體積收縮率

3 結(jié)語

綜上所述，本文采用Moldflow模流分析軟件對某快接閥進(jìn)行了注塑前的工藝仿真分析，以仿真結(jié)果確定了最終的注塑工藝參數(shù)，選擇一模兩腔，一個主流道，兩個分流道的澆注方案，分析了制品的填充過程及注射壓力，通過流動前沿溫度分析，把模具溫度設(shè)置為65 ℃，熔體溫度設(shè)定為315 ℃，最終模擬仿真出制品的最終成型的變形量和收縮率。在產(chǎn)品注塑前通過CAE軟件進(jìn)行模流分析，得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)，以此為參考設(shè)計模具，能有效的縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高制品合格率，降低生產(chǎn)成本，具有良好的推廣應(yīng)用價值。