基于Moldflow軟件對(duì)薄壁件某塑料噴嘴的注塑方案優(yōu)化研究

袁志華，符烜赫，袁博

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.沈陽(yáng)城市學(xué)院，沈陽(yáng) 110112）

0 引言

當(dāng)今世界，隨著材料科學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步，各種塑料的性能越來(lái)越好，塑料成為了應(yīng)用最為廣泛的材料[1]。在塑件生產(chǎn)中約有95%是依靠模具完成的。塑件的創(chuàng)新與換代都是以成型工藝的改進(jìn)和模具的日臻完善為前提[2]。注塑成型是塑料加工中比較常用的一種加工方法，具有力學(xué)性能好、生產(chǎn)成本低、較短的成型周期以及較高的產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)[3]，被廣泛應(yīng)用于加工塑料產(chǎn)品。塑件的質(zhì)量和性能很大程度上由注塑方案和工藝參數(shù)所決定，不當(dāng)?shù)淖⑺芊桨负凸に噮?shù)會(huì)導(dǎo)致充填不足、熔接線(xiàn)過(guò)多、翹曲變形量大等問(wèn)題。依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)試模的方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足高質(zhì)量和高效率的需求，利用Moldflow進(jìn)行模擬分析，能夠縮短研發(fā)周期，提高制件質(zhì)量，降低開(kāi)發(fā)成本。

趙春元[4]根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定了3種注塑位置方案，然后進(jìn)行注塑模擬分析，通過(guò)比較3種注塑位置方案的填時(shí)間、流動(dòng)前沿溫度、鎖模力和最大翹曲變形量，最終得到了最佳的注塑方案，為生產(chǎn)實(shí)踐提供了指導(dǎo)。常輝等[5]結(jié)合模具結(jié)構(gòu)及澆口形式確定3處不同的澆口位置方案，利用Moldflow軟件的填充+保壓+翹曲模塊對(duì)不同方案進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)得到的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得到比較合適的澆口位置。黃永程[6]利用Moldflow軟件，對(duì)空調(diào)擋風(fēng)板進(jìn)行注塑成型和注射壓縮成型模擬，將得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到注射壓縮成型加工薄壁多孔塑件的質(zhì)量要好于注塑成型加工的結(jié)論。

噴嘴作為日常生活中經(jīng)常用到的產(chǎn)品，被廣泛使用在各種容器之上，本文以有限元模擬軟件Moldflow為分析平臺(tái)，分析澆注位置對(duì)產(chǎn)品的影響，以達(dá)到減少產(chǎn)品缺陷、降低制造成本、提高塑件質(zhì)量的目的。

1 噴嘴塑件前處理

1.1 噴嘴結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

利用UG軟件繪制的噴嘴三維模型如圖1所示。該塑件壁厚分布均勻，最大壁厚為1.55 mm，平均壁厚為1.13 mm。

圖1 噴嘴模型

建立噴嘴三維模型后，將噴嘴模型導(dǎo)入CAD doctor進(jìn)行分析，目的是優(yōu)化后續(xù)分析，減少網(wǎng)格錯(cuò)誤，對(duì)零件進(jìn)行一定程度上的簡(jiǎn)化。在UG中將零件以.igs格式導(dǎo)出，然后導(dǎo)入CAD doctor進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)零件由于不同軟件打開(kāi)而導(dǎo)致的面缺失等錯(cuò)誤。對(duì)這些錯(cuò)誤進(jìn)行修補(bǔ)及優(yōu)化，將修復(fù)完成后的零件導(dǎo)入Moldflow軟件并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格模型劃分完成后，對(duì)劃分的網(wǎng)格進(jìn)行修復(fù)，以提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，一般在雙層面類(lèi)型的網(wǎng)格分析中縱橫比的推薦最大值為6左右，匹配百分比最好高于90%，相互百分比高于85%[7]。

如圖2所示，經(jīng)過(guò)修復(fù)后，噴嘴模型的網(wǎng)格劃分如下：三角形單元為24 828個(gè)，已連接節(jié)點(diǎn)為12 414個(gè)，連通域1個(gè)，最大縱橫比為6.15，平均縱橫比為1.67，最小縱橫比為1.16，匹配百分比為95.4%，相互百分比為93.3%。

圖2 網(wǎng)格劃分

為考慮能順利脫模，分型面選在零件輪廓最大處，并且該零件需要一側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，因此采用一模兩腔方案，如圖3所示。

圖3 型腔排列

1.2 材料選擇

本產(chǎn)品為塑料噴嘴，材料沒(méi)有特殊的要求，故使用常用于注塑制品的低密度聚乙烯[8]。低密度聚乙烯又稱(chēng)高壓聚乙烯（Low Density Polyethylene，LDPE）。密度為0.91～0.93 g/cm3，是聚乙烯樹(shù)脂中最輕的品種，且其化學(xué)性能穩(wěn)定，具有良好的力學(xué)性能。

在Moldflow 上選擇的是Asia Poly 公司的POLYETHYLENES（PE）系列的M-201，基本參數(shù)如表1所示。

表1 PLDE在Moldflow上的參數(shù)

1.3 澆口位置設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)設(shè)定

澆口位置的選擇在澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要，澆口位置選擇不合理將會(huì)影響塑件的外觀和使用性能，可能會(huì)增加產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中的成本。利用Moldflow軟件澆口位置分析模塊可以得到澆口匹配性云圖（如圖4），通過(guò)分析結(jié)果可以知道在噴嘴的最上方的澆口匹配性最好，因此設(shè)計(jì)成如圖5所示的點(diǎn)澆口。但在實(shí)際生產(chǎn)和工作中，澆口匹配云圖只能作為參考，不能作為最終方案的依據(jù)，還應(yīng)該結(jié)合塑件的結(jié)構(gòu)、表面質(zhì)量、模具結(jié)構(gòu)等因素。澆口若設(shè)計(jì)為點(diǎn)澆口，為脫出流道凝料，模具需多開(kāi)一次模，所以做出圖6所示側(cè)澆口的方案[9]。

圖4 澆口匹配云圖

圖5 點(diǎn)澆口

圖6 側(cè)澆口

通過(guò)對(duì)模具成型窗口的分析，可以模擬出塑料零件在注射過(guò)程中的最佳注射溫度和注射時(shí)間。由表2可知，點(diǎn)澆口和側(cè)澆口的推薦模具溫度相同，側(cè)澆口方案的推薦熔體溫度為240 ℃，點(diǎn)澆口方案的推薦熔體溫度為220 ℃，均符合PLDE材料的熔體溫度范圍和模具溫度范圍。

表2 兩種澆口方案成型窗口比較

2 模擬結(jié)果與分析

在Moldflow中對(duì)兩種方案設(shè)置“填充+保壓+翹曲”的分析序列，通過(guò)模流分析可以得到塑件成型過(guò)程中的填充時(shí)間、流動(dòng)前沿溫度、熔接線(xiàn)和翹曲變形等分析結(jié)果，只需要對(duì)不同澆口位置的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，比較兩者的優(yōu)劣，就可以確定最佳澆口位置。

2.1 填充時(shí)間

填充時(shí)間是熔料充滿(mǎn)整個(gè)型腔所用的時(shí)間，從充填時(shí)間也可以看出在整個(gè)注塑過(guò)程中熔料的流動(dòng)和是否會(huì)出現(xiàn)填充不足的情況。由圖7和圖8可以看出兩種方案均能保證填充完整性，側(cè)澆口方案所用時(shí)間要大于點(diǎn)澆口方案所用時(shí)間，側(cè)澆口方案的澆注時(shí)間為點(diǎn)澆口方案的171.6%。

圖7 點(diǎn)澆口方案充填時(shí)間

圖8 側(cè)澆口方案充填時(shí)間

2.2 熔接線(xiàn)

熔接線(xiàn)是注塑產(chǎn)品常見(jiàn)的缺陷，熔接線(xiàn)的存在不僅會(huì)影響塑件外觀，還會(huì)影響塑件的質(zhì)量與強(qiáng)度。由圖9、圖10可以看出點(diǎn)澆口方案熔接線(xiàn)分布較散，側(cè)澆口方案熔接線(xiàn)集中分布在側(cè)面且連接成線(xiàn)，可能會(huì)導(dǎo)致中間不完全融合，影響到表面的質(zhì)量。

圖9 點(diǎn)澆口方案熔接線(xiàn)

圖10 側(cè)澆口方案熔接線(xiàn)

2.3 流動(dòng)前沿溫度

流動(dòng)前沿溫度反映了熔料在充填過(guò)程中溫度的分布，并且可以通過(guò)流動(dòng)前沿溫度看出熔接線(xiàn)的明顯程度，溫度越高，熔接線(xiàn)越不明顯。由圖11、圖12可以看出：點(diǎn)澆口方案溫差為6.9℃，最低溫度處為噴嘴底部；側(cè)澆口方案溫差為17.3 ℃，最低溫度處為噴嘴出口及其側(cè)面，這會(huì)導(dǎo)致側(cè)澆口方案的熔接線(xiàn)更加明顯。

圖11 點(diǎn)澆口方案流動(dòng)前沿溫度

圖12 側(cè)澆口方案流動(dòng)前沿溫度

2.4 翹曲變形

翹曲變形是塑件成型的缺陷之一，是指塑件的形狀與模具的型腔存在差別。噴嘴作為外觀制品，對(duì)表面質(zhì)量有一定要求，翹曲變形量是評(píng)價(jià)噴嘴的一個(gè)重要指標(biāo)。由圖13、圖14可以看出：點(diǎn)澆口最大變形量為0.265 2 mm，主要分布在噴嘴的最下方，最小翹曲變形量為0.066 1 mm；側(cè)澆口方案最大翹曲變形量為0.340 3 mm，主要分布在噴嘴出口處，最小翹曲變形量為0.079 3 mm。點(diǎn)澆口方案的翹曲變形量要小于側(cè)澆口方案的翹曲變形量。

圖13 點(diǎn)澆口方案變形量

圖14 側(cè)澆口方案變形量

2.5 兩種方案的比較

通過(guò)分析和比較兩種方案的分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：在充填時(shí)間方面，點(diǎn)澆口方案充填時(shí)間更短，生產(chǎn)效率更高；在流動(dòng)前沿溫度方面，點(diǎn)澆口比側(cè)澆口溫度分布更加均勻，溫差更小；側(cè)澆口方案熔接線(xiàn)分布在零件表面且集中，影響塑件外觀，并且對(duì)塑件表面強(qiáng)度和質(zhì)量有影響；在變形方面，點(diǎn)澆口方案的翹曲變形量要小于側(cè)澆口方案的翹曲變形量。

綜合以上內(nèi)容可知，點(diǎn)澆口方案更加有優(yōu)勢(shì)，如果采用側(cè)澆口方案，會(huì)導(dǎo)致主流道的長(zhǎng)度太長(zhǎng)，浪費(fèi)材料的同時(shí)，也不利于塑件從型腔中脫模。因此，點(diǎn)澆口方案在這個(gè)零件的設(shè)計(jì)中更加合理。

3 工藝參數(shù)優(yōu)化

為了讓噴嘴的質(zhì)量得到提升，同時(shí)提高參數(shù)優(yōu)化效率，采用DOE（Design Of Experiment）正交方法來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)[10]。選取保壓時(shí)間、模具溫度、熔體溫度、保壓壓力（占注射壓力百分比）4個(gè)工藝參數(shù)建立4因素3水平正交試驗(yàn)方案。采用正交表L9（34）進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得到如表3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表3 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

從表3中可以看出不同工藝參數(shù)對(duì)于體積收縮率和變形量的影響，變化差異比較大。通過(guò)工藝DOE實(shí)驗(yàn)，可以得到優(yōu)化的工藝參數(shù)：保壓時(shí)間為10 s；模具溫度為50 ℃；熔體溫度為220 ℃；保壓壓力為85%。將優(yōu)化后的工藝參數(shù)輸入Moldflow進(jìn)行模擬分析，得到的結(jié)果如圖15～圖17所示。

圖15 優(yōu)化后流動(dòng)前沿溫度

圖16 優(yōu)化后體積收縮率

圖17 優(yōu)化后變形量

由分析結(jié)果可以看出，塑件流動(dòng)前沿溫度更加均勻，溫差更小，主體部分體積收縮率較小，變形量由以前的0.265 2 mm降低為0.259 2 mm。通過(guò)對(duì)比可以證實(shí)正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化的注塑成型工藝參數(shù)具有一定的提升。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用Moldflow軟件強(qiáng)大的分析與計(jì)算功能，對(duì)塑料噴嘴的點(diǎn)澆口和側(cè)澆口兩種方案進(jìn)行模擬分析，得到了充填時(shí)間、流動(dòng)前沿溫度、熔接線(xiàn)及翹曲變形量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)確定最佳澆口位置，并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)最終的成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)樽⑺芊桨傅谋容^和其它薄壁注塑件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供參考，可促進(jìn)注塑成型工藝的發(fā)展，減少模具生產(chǎn)過(guò)程中的成本，有利于塑料制品的多樣發(fā)展和優(yōu)化發(fā)展。