汪菊英,李杰新

(1.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院機電工程系,廣東廣州510027;2.洛陽北方企業(yè)集團(tuán)有限公司注塑部,河南洛陽471003)

注塑模具澆注系統(tǒng)的設(shè)計是否合理,將直接影響熔體壓力與溫度的損失、充填流程、保壓補料、制件內(nèi)應(yīng)力、熔接痕等很多方面,同時也會影響制品的內(nèi)外質(zhì)量和模具使用的剛度、強度。本文以Moldflow軟件作為分析平臺,通過對不同的澆注系統(tǒng)方案模擬流動結(jié)果的分析,提出了對產(chǎn)品及模具澆注系統(tǒng)設(shè)計的改進(jìn)意見。

1 塑件分析

塑件是某型號摩托車手把前罩,其外形尺寸為449 mm×212 mm×173 mm。產(chǎn)品壁厚大部分均勻,基本壁厚為2.4 mm,最大壁厚為 3.528 mm,最小壁厚為1.443 mm,在厚壁處可能會發(fā)生縮水問題,而薄壁處則可能會發(fā)生滯流問題。塑件壁厚分布見圖1。

圖1 塑件厚度分析

本塑件原料為臺灣某公司的ABS,牌號777D,其具體的物理性能參數(shù)見表1。

通過Moldflow軟件的網(wǎng)格大縱橫比單元(Maximum aspect ratio)修改、自由邊(Free edges)修改、重疊交叉單元修改、未定向單元修改等有限元前處理,得到該塑件的網(wǎng)格單元。

表1 ABS材料物理性能參數(shù)

在本次分析中,采用Moldflow軟件的流動分析模塊和雙層面網(wǎng)格前處理器分析模塊來進(jìn)行分析計算,通過對流動過程與保壓過程的模擬分析,研究澆口位置、數(shù)量及尺寸大小3種不同方案,對比型腔壓力分布、溫度分布、熔接痕位置、氣穴位置及體積收縮率等數(shù)據(jù),確定最佳的模具澆注系統(tǒng)方案。

2 方案設(shè)計與分析

該模具采用一模一腔,3點進(jìn)膠,根據(jù)進(jìn)膠點位置的不同設(shè)計3個澆注系統(tǒng)方案。

2.1 填充質(zhì)量分析

評估填充質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)主要有:流動是否平衡,各參數(shù)是否超過材料的許可值。如果填充不均勻,一側(cè)比另一側(cè)先充滿,將引起制品部分過保壓,導(dǎo)致收縮不均勻,這是制品產(chǎn)生翹曲變形的原因之一。注塑成形選擇注塑機噸位為360 t,在工藝參數(shù)中設(shè)置模溫為60℃,料溫為240℃,圖2是3個方案的制品流動充填末端狀態(tài)圖。從圖中可看出制品流動方向及充填末端位置,澆口附近是塑料熔體最早到達(dá)的位置,塑件兩側(cè)表示制品充填末端。從圖2還可看出,3個方案的填充效果都很均勻,填充時間為3.386～3.406 s,3個方案填充時間相差不多。所以從填充質(zhì)量來說,3個方案均可行。

圖2 制品流動充填末端狀態(tài)圖

2.2 最大注射壓力分析

使用的最大壓力應(yīng)低于注射機的壓力極限。很多注射機的壓力極限為140 MPa,模具的設(shè)計壓力極限最好在100 MPa左右;如果所用注塑機的壓力極限高于140 MPa,則設(shè)計極限可相應(yīng)增大。通常,模具的設(shè)計壓力極限大約為注射機壓力極限的80%,假如分析時不包括澆注系統(tǒng),則設(shè)計壓力極限應(yīng)取注射機注射壓力極限的50%。

同充模時間一樣,壓力分布也應(yīng)平衡。壓力圖和充模時間圖看起來應(yīng)該十分相似,這樣,充模時制件內(nèi)就只有很少甚至?xí)]有潛流。

從圖3可看出,3個設(shè)計方案的最大注射壓力分別為65.58、68.91、67.7 MPa,壓力均低于注射機的極限壓力70 MPa(設(shè)計極限壓力取140 MPa的50%)。

從圖3還可看出,壓力分布并不均勻。這是由于產(chǎn)品的不對稱結(jié)構(gòu)造成的,因為根據(jù)產(chǎn)品的功能要求,無法將產(chǎn)品設(shè)計成對稱結(jié)構(gòu)。所以在注塑過程中,要根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行合理的參數(shù)控制,保證產(chǎn)品的質(zhì)量要求,避免產(chǎn)品發(fā)生注塑缺陷。

2.3 熔接痕分析

當(dāng)兩股聚合物熔體的流動前沿匯集到一起,或一股料流分開后又合到一起時,就會產(chǎn)生熔接痕(如:聚合物熔體沿著一個孔流動)。有時,當(dāng)有明顯的流速差時,也會形成熔接痕。厚壁處的材料由于料流通道寬、流速快,而薄壁處則流速慢,在厚薄交界處就可能形成熔接痕。熔接痕為分流匯交部位,很難避免,但通過調(diào)整參數(shù)可改變?nèi)劢雍鄣奈恢?也可在產(chǎn)品設(shè)計時注意壁厚的均勻來減小熔接痕。同時,要使熔接痕處于受力較小、不影響外觀的位置。熔接痕對網(wǎng)格密度非常敏感,由于網(wǎng)格劃分的原因,有時熔接痕可能顯現(xiàn)在并不存在的地方,或在真正有熔接痕的地方?jīng)]有顯示。為確定熔接線是否存在,可與充模時間一起顯示。同時,熔接線也可與溫度圖和壓力圖一起顯示,以判斷它們的相對質(zhì)量。3個設(shè)計方案的熔接痕見圖4。由于為了保證充填質(zhì)量和時間,3個方案都采用了3點進(jìn)膠,熔接痕相對較多,但3個方案的熔接痕位置相差不大。由于本產(chǎn)品是一個外觀件,對表面質(zhì)量要求較高,而對熔接痕的位置要求不是很高。

圖3 最大注射壓力圖

圖4 熔接痕圖示

2.4 冷凝層因子分析

凍結(jié)層厚度是中間數(shù)據(jù)結(jié)果,需觀察制件和澆口凍結(jié)的時間。該結(jié)果非常有用,它可決定保壓補縮時間的長短。

保壓補縮是從熔體充滿型腔時起。至柱塞或螺桿退回時為止的時間內(nèi),塑料仍處于螺桿的壓力下,熔體會繼續(xù)注入模腔內(nèi)以彌補因冷卻收縮而產(chǎn)生的空隙,使模腔中的塑料能成形出形狀完整且致密的塑件。這對提高塑件質(zhì)量、減少塑件收縮、克服缺陷具有重要意義。所以冷凝層百分比的比例不可過高,否則會使制件上靠近澆口的一些區(qū)域凍結(jié)過早,造成補縮因難,從而導(dǎo)致遠(yuǎn)離澆口的區(qū)域收縮率較高,注塑出來的產(chǎn)品就會有明顯的收縮痕,影響產(chǎn)品的外觀及使用功能。

從圖5可看出,3種設(shè)計方案的冷凝層因子比例部分區(qū)域最大值達(dá)到1.0,但大部分?jǐn)?shù)值為0.5左右?？梢?3種設(shè)計方案的產(chǎn)品凝固時間相差較大,這是由于各區(qū)域收縮不一致引起的,須從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面來改善產(chǎn)品的縮水痕。如:在不同壁厚的連接處增加R角,或在壁厚較薄的區(qū)域適當(dāng)加膠。

3 結(jié)論

在注射模具結(jié)構(gòu)設(shè)計制造之前,采用CAE技術(shù),對3種不同澆注系統(tǒng)設(shè)計方案的填充過程進(jìn)行了模擬。從各項分析的結(jié)果,得出以下結(jié)論:

(1)塑件外觀的縮水痕主要是由于壁厚突變,導(dǎo)致產(chǎn)品凝固時間相差較大,各區(qū)域收縮不一樣引起的。通過改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可改善產(chǎn)品的縮水痕,如:在不同壁厚的連接處增加圓角,或在壁厚較薄的區(qū)域適當(dāng)加膠。

圖5 產(chǎn)品冷凝層狀態(tài)圖

(2)澆注系統(tǒng)采用3點進(jìn)膠的方式,可保證充填質(zhì)量和時間,同時改善主外觀面的縮水痕,但個別區(qū)域的熔接痕會較明顯。

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