□ 金志偉 □ 周小林 □ 李繼承 □ 張 浩 □ 王 驥

1.寧波大學(xué) 機械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211

2.寧波富佳實業(yè)有限公司 浙江余姚 315400

注塑成型工藝可以生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度要求高和材料相對單一的塑料制品，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天及日常生活等領(lǐng)域。隨著注塑成型產(chǎn)品的不斷推廣應(yīng)用，注塑件的翹曲、收縮、熔接痕等缺陷問題廣受關(guān)注。借助于有限元方法，工程技術(shù)人員分別對這些缺陷進(jìn)行了分析并從工藝參數(shù)方面進(jìn)行優(yōu)化。王桂龍等［1］以電視機面板為研究對象，把注塑過程中的熔體溫度和模具溫度等6個參數(shù)作為翹曲的影響因素，對各工藝組合進(jìn)行了有限元仿真試驗。吳真繁等［2］對某一薄壁零件從熔體溫度、保壓壓力等4個參數(shù)著手對翹曲進(jìn)行了優(yōu)化。徐剛、王麗霞等［3，4］采用有限元方法研究了注射時間和保壓壓力等工藝參數(shù)對不同注塑制品體積收縮率變化的影響，并用正交試驗方法找到一組工藝參數(shù)，使制品的體積收縮率變化最小。鐘皓東等［5］采用有限元軟件并結(jié)合遺傳算法獲得了對應(yīng)于熔接痕長度與位置最佳的注塑時間、模具溫度、熔體溫度和澆口位置4個參數(shù)的組合。

有限元分析對解決工程中的復(fù)雜問題很有幫助，但作為一種數(shù)值求解方法，許多因素都會對計算結(jié)果造成影響。在具體的計算過程中，結(jié)構(gòu)模型前處理中的網(wǎng)格劃分就對分析精度有很大影響。如果網(wǎng)格質(zhì)量不佳或密度不夠，都會使數(shù)值結(jié)果不精確，失去實用價值。在這方面，虞俊波等［6］通過細(xì)化構(gòu)件的有限元網(wǎng)格和對比網(wǎng)格質(zhì)量，檢驗了有限元分析結(jié)果的收斂性，并在最大翹曲的估計上取得了與實驗結(jié)果一致的良好結(jié)果。

本文是筆者在翹曲分析方面研究工作的深入和延伸，研究對象來自于寧波富佳實業(yè)有限公司最新設(shè)計的產(chǎn)品，是一個應(yīng)用在吸塵器上的伸縮套管殼，其關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)是伸縮配合部分的翹曲變形量，它對產(chǎn)品的質(zhì)量和性能有重要影響。在對其注塑缺陷進(jìn)行分析預(yù)測前，需要以翹曲值為目標(biāo)，對比不同網(wǎng)格密度和網(wǎng)格質(zhì)量下的結(jié)果，檢驗有限元分析的精度。然后在工藝參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)值試驗分析，加上優(yōu)化技術(shù)，找到一組工藝參數(shù)，使翹曲值最小，同時對熔接痕、收縮和氣穴缺陷進(jìn)行預(yù)測，最后綜合這些結(jié)果，提供注塑過程的改進(jìn)方案，整個分析過程是基于注塑分析軟件Moldflow來完成的。

1 注塑件模型和網(wǎng)格劃分

伸縮套管殼的三維模型如圖1所示，零件尺寸大約為 500 mm×100 mm×50 mm，壁厚約為 3.5 mm，材料為ABS 750，主要材料屬性見表1，塑件的三維模型在Pro/E中建立。

▲圖1 套管殼三維模型

表1 ABS 750的主要材料屬性

對零件的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分有三種方法：中性面、雙層面和3D網(wǎng)格［7］。中性面網(wǎng)格需要采集模型的壁厚信息，忽略熔體在厚度方向的速度分量和壓力梯度，計算量相對較小，但結(jié)果誤差通常較大；雙層面網(wǎng)格在模型的表面生成二維網(wǎng)格，并要求保證頂面和底面網(wǎng)格的單元相互匹配；3D網(wǎng)格通過四面體單元填充模型，對中性面或雙層面網(wǎng)格中的假設(shè)結(jié)果以額外的計算來獲得。相對而言，3D網(wǎng)格更適合形狀復(fù)雜的塊狀模型，中性面和雙層面網(wǎng)格更適合薄壁殼狀零件［8-9］。綜合上述分析，在綜合計算資源耗費和計算精度的情況下，本文計算采用雙層面網(wǎng)格劃分幾何模型，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

▲圖2 套管殼的網(wǎng)格劃分

雙層面網(wǎng)格中的每個單層由三節(jié)點的二維三角形單元組成，網(wǎng)格劃分后的單元總數(shù)為40 080，節(jié)點總數(shù)為20 026。在利用Moldflow的網(wǎng)格劃分過程中，網(wǎng)格質(zhì)量的一個重要評判指標(biāo)是網(wǎng)格縱橫比［10］，一般縱橫比越小，網(wǎng)格質(zhì)量越高。而Moldflow中的雙層面網(wǎng)格劃分還有一個對網(wǎng)格匹配率的要求。本例中，雙層面網(wǎng)格的匹配率為93.4%，縱橫比低于3，匹配率和縱橫比均符合Moldflow使用手冊對分析模擬的推薦要求。

2 工藝窗口分析

產(chǎn)品的生產(chǎn)使用海天塑機公司的SA3200/1700u注塑機，公稱注射量為929 cm3，注射壓力182 MPa，螺桿轉(zhuǎn)速0～220 r/min，鎖模力3 200 kN。在后續(xù)分析前，先結(jié)合此設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行工藝窗口的分析，分析結(jié)果顯示了對于注塑模具設(shè)計約束下的特定材料的模具溫度、熔體溫度和注射時間的推薦值。工藝窗口分析范圍的模具溫度為30～60℃，熔體溫度為205～245℃，注射時間0.35～8.64 s，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看到，首選區(qū)域范圍并不小，只要選擇的參數(shù)落在該范圍內(nèi)，應(yīng)該可以得到較為良好的成型質(zhì)量。根據(jù)Moldflow的推薦結(jié)果，選取模具溫度44.4℃，熔體溫度240.8℃，注射時間1.365 s。由此計算得到了成型質(zhì)量曲線，如圖4所示。成型質(zhì)量是Moldflow將最低流動前沿溫度、注射壓力、最長冷卻時間、最大剪切速率和最大剪切應(yīng)力等結(jié)果綜合后的一個塑件質(zhì)量評價指標(biāo)，該指標(biāo)隨著注射壓力、最長冷卻時間、最大剪切速率和最大剪切應(yīng)力的減小而增大，隨著最低流動前沿溫度的升高而增大。

▲圖3 模具溫度為40℃時的熔體溫度與注射時間

▲圖4 Moldflow推薦參數(shù)下的成型質(zhì)量曲線

3 以翹曲值為目標(biāo)的網(wǎng)格精度驗證

網(wǎng)格密度隨著全局網(wǎng)格邊長減小而增大，計算精度也將得到改善，但是相應(yīng)的計算量耗時會更長［11］。為了驗證分析結(jié)果的收斂性，對模型分別劃分為網(wǎng)格全局邊長 10 mm、8 mm、5 mm、4 mm、3.5 mm、3 mm 和2.5 mm的有限元模型，然后以成型缺陷分析中的翹曲值來考察在其它參數(shù)不變情況下的結(jié)果變化 （如圖5所示）。計算結(jié)果表明，在不同的網(wǎng)格邊長下，翹曲變形分布位置是一致的。在翹曲變形較小的位置，不同的網(wǎng)格邊長下的結(jié)果相差很小，基本一致。在翹曲值最大區(qū)域、網(wǎng)格邊長大于4 mm的分析中，最大翹曲值的偏差較大，并隨著網(wǎng)格的增大而減小。網(wǎng)格邊長小于3.5 mm，翹曲最大值的偏差為0.002 5 mm；誤差遠(yuǎn)不到1%，可認(rèn)為已經(jīng)收斂。由此可知，翹曲的計算結(jié)果隨著網(wǎng)格的加密而趨于平穩(wěn)，最后計算結(jié)果收斂。網(wǎng)格密度影響計算時間，10 mm網(wǎng)格邊長下的分析耗時34 min，4 mm網(wǎng)格耗時 79 min，2.5 mm網(wǎng)格耗時 253 min。注意到網(wǎng)格邊長3 mm以下的計算，耗時大大增加，而且對計算的結(jié)果影響極小，繼續(xù)細(xì)化已無實際意義，為在后來的分析過程中兼顧精度和計算資源，采用3.5 mm網(wǎng)格。

▲圖5 不同全局網(wǎng)格邊長下零件的最大翹曲值

4 針對翹曲變形的工藝參數(shù)優(yōu)化分析結(jié)果

套管對配合部分的翹曲變形要求盡可能低，可以采用Moldflow的實驗設(shè)計方法對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化［12-14］。其中變量影響實驗采用田口方法，由此判斷哪些變量對零件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的影響最大。變量響應(yīng)實驗采用面心立方方法，計算各項質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對輸入變量的敏感度，為各項標(biāo)準(zhǔn)生成響應(yīng)面，以此對各個變量的值進(jìn)行優(yōu)化。使用的變量為模具溫度、熔體溫度、保壓時間和保壓壓力，見表2。

表2 實驗設(shè)計方法的變量

在確定變量及范圍后，用田口方法得出套管殼零件翹曲影響最大的是保壓時間，而采用面心立方方法確定的最佳工藝參數(shù)見表3。

表3 工藝優(yōu)化后的參數(shù)

從圖6中可以看到，經(jīng)過優(yōu)化后的翹曲與驗證網(wǎng)格精度時選用的初期參數(shù)相比有了明顯降低，最大翹曲變形量減小了24%。配合部分的翹曲在0.38 mm以下，可以保證較高的配合質(zhì)量。

5 套管殼的注塑缺陷分析結(jié)果

套管殼由于裝配時的配合要求，對滑動配合部分要求變形量盡可能小，也是這一零件最為關(guān)鍵的質(zhì)量要求。以翹曲為目標(biāo)進(jìn)行工藝優(yōu)化可以將變形大大減小，如果考慮以塑件整體的綜合質(zhì)量為目標(biāo)，應(yīng)繼續(xù)對套管殼的其它重要缺陷進(jìn)行分析，以更好地綜合指導(dǎo)零件設(shè)計、模具開發(fā)和工藝參數(shù)的改進(jìn)。鑒于套管殼的結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用環(huán)境，對強度的要求不高，而對外觀質(zhì)量有較高要求，需要選取氣穴、熔接痕和體積收縮率3個缺陷作進(jìn)一步分析。這些缺陷能在Moldflow中的流動分析結(jié)果中得到，在分析參數(shù)的工況設(shè)置中，充填方式采用自動方式，即軟件在流動前沿達(dá)到最后一個節(jié)點時自動停止注射。V/P轉(zhuǎn)換點方式設(shè)置為填充量的百分比控制，設(shè)置值為98%。保壓控制以保壓壓力和保壓時間方式進(jìn)行，數(shù)值分別為60 MPa和10 s。

氣穴缺陷來源于兩股或多股熔體流動前沿包圍并困住的氣泡，當(dāng)熔體冷卻后，困住的氣體由于密度比熔體小，往往在塑件表面形成小孔狀的瑕疵，此外，保壓階段被困空氣壓縮升溫，極端情況下產(chǎn)品由此出現(xiàn)焦痕。氣穴產(chǎn)生的原因主要有跑道效應(yīng)、遲滯現(xiàn)象和排氣不足［15］等，跑道效應(yīng)是熔體在厚薄不均的部位分流，先填充較厚的區(qū)域，之后再匯合來填充較薄的區(qū)域；遲滯是在包含多個流動路徑的零件中，熔體會緩慢流動或停滯在窄小的區(qū)域；排氣不足是指最后填充的區(qū)域中缺少排氣口或者排氣口尺寸不夠大，根據(jù)這3個因素，以采用合理的黏度模型，利用Moldflow可以對氣穴的位置進(jìn)行預(yù)測。在軟件的工程面板中將分析序列設(shè)置為填充+保壓，黏度模型采用Cross-WLK，充填方式設(shè)為自動，運行分析后得到的氣穴分布如圖7所示，圖中深色點表示可能產(chǎn)生氣穴的位置，可以看到氣穴主要集中在套管殼兩個端部的邊緣位置。

熔接痕是在填充過程中，兩股或多股熔體相遇而造成的瑕疵或可見缺陷。如果不同流動前沿在相遇時過早冷卻，則它們無法很好地熔合成一體，從而在成型零件中產(chǎn)生熔接痕。零件中熔融材料在流動至孔或鑲件、下個澆口或可變壁厚處時，均可能出現(xiàn)熔接痕。熔接痕會造成結(jié)構(gòu)的強度變?nèi)酰瑫r也影響外觀，在注塑過程中應(yīng)盡可能消除熔接痕。對于無法消除的熔接痕，也應(yīng)盡量使其位于不易受影響的區(qū)域。

圖8中的明暗條紋代表熔接痕的分布位置，不同灰度代表兩股熔體相遇時的液面夾角不同。注塑件的熔接痕主要分布在兩端的孔狀結(jié)構(gòu)附近，角度較小，相應(yīng)的熔接痕對結(jié)構(gòu)強度的損害也越小，對外觀的影響也越小，中間部分只有兩條位于內(nèi)側(cè)面的熔接痕。

體積收縮是由于溫度從熔體溫度變化為環(huán)境溫度而造成的聚合物收縮，體積收縮過大會造成零件翹曲、縮痕、關(guān)鍵尺寸過小和內(nèi)部縮孔，壁厚過大和保壓不足都是造成零件高體積收縮的原因。

▲圖6 優(yōu)化后的翹曲結(jié)果

▲圖7套管殼的氣穴預(yù)測

▲圖8 套管殼的熔接痕預(yù)測

▲圖9 套管殼的體積收縮預(yù)測

根據(jù)最佳注塑條件參數(shù)計算所得的收縮率如圖9所示，得到的套管其整體收縮率在2%左右，少部分區(qū)域在4%以上，在實際生產(chǎn)中，2%～4%是可以接受的。

經(jīng)過上述分析，得到了對套管殼質(zhì)量有顯著影響的主要缺陷結(jié)果。利用這些結(jié)果，結(jié)合產(chǎn)品開發(fā)和模具設(shè)計中的實際情況，提出以下幾個工藝調(diào)整策略來提高塑件質(zhì)量：①將排氣口或模具的分型面盡量設(shè)計在氣穴出現(xiàn)的位置，利于減少氣穴以及由此造成的小孔瑕疵和焦痕；②對于塑件背部中間位置的熔接痕缺陷，由于其剛好與分型面在同一平面內(nèi)，可以考慮在模具中熔接痕對應(yīng)的位置上開很淺的槽，將熔接痕轉(zhuǎn)移到飛邊上，并在塑件脫模后將飛邊去除；③根據(jù)體積收縮率的預(yù)測結(jié)果，可以找出塑件中局部收縮最嚴(yán)重的區(qū)域，可以考慮將模具的預(yù)留容量適當(dāng)加大一些，彌補塑料熔體在冷卻脫模后的收縮，使產(chǎn)品的形狀和尺寸更為精準(zhǔn)。

6 結(jié)論

利用Moldflow進(jìn)行注塑過程分析時，網(wǎng)格劃分質(zhì)量對有限元仿真分析有重要影響。網(wǎng)格質(zhì)量和Moldflow翹曲分析結(jié)果有密切的關(guān)聯(lián)性，粗糙的網(wǎng)格和網(wǎng)格缺陷會導(dǎo)致計算結(jié)果不收斂。在計算之初需要考慮網(wǎng)格的合理選擇，目的在于保證計算質(zhì)量，得到可靠的注塑缺陷分析結(jié)果。根據(jù)上述分析計算結(jié)果，可以得到以下結(jié)論。

（1）數(shù)值模擬越趨近實際的注塑過程，網(wǎng)格越需要加密，但是過大的網(wǎng)格密度勢必增加計算量。合適的網(wǎng)格密度在計算結(jié)果精度足夠的情況下，減少了計算資源的耗費，提高了模擬計算的效率。在資源有限的情況下，應(yīng)該靈活地細(xì)化網(wǎng)格，兼顧分析精度和計算效率。

（2）Moldflow分析在一些主要缺陷的預(yù)測上能夠提供一定的指導(dǎo)原則，但與實際結(jié)果還可能存在一定偏差。例如氣穴和熔接痕預(yù)測，Moldflow從實踐中歸納整理了這些缺陷的產(chǎn)生條件，根據(jù)經(jīng)驗在可能的位置作出預(yù)判。在實際生產(chǎn)中，許多難以預(yù)料的干擾因素，例如設(shè)備折舊、材料參數(shù)不精確、生產(chǎn)環(huán)境氣溫變化等，都會對結(jié)果的精度產(chǎn)生影響。在實際應(yīng)用中，一定要與實際產(chǎn)品的測試相結(jié)合，從計算模型、參數(shù)、環(huán)境條件等方面積累經(jīng)驗，逐步保證計算結(jié)果與實際結(jié)果的相似和一致，這是一個長期的數(shù)值分析與加工過程的互動過程，應(yīng)該制定一個完整的工作計劃來保證最大限度地利用Moldflow的計算結(jié)果和設(shè)計、加工過程的匹配。

（3）充分利用計算機輔助設(shè)計技術(shù)，引入并行制造的理念，協(xié)調(diào)零件和模具的設(shè)計開發(fā)，可以提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，對塑料加工行業(yè)有重要意義。因此，應(yīng)用有限元分析對注塑工藝進(jìn)行優(yōu)化，幫助工藝參數(shù)擇優(yōu)，有深入研究的必要。數(shù)值計算結(jié)果提供了最佳設(shè)計和工藝的實驗出發(fā)點，需要在計算與實驗相結(jié)合的基礎(chǔ)上，改進(jìn)目前的產(chǎn)品設(shè)計和加工流程，不斷發(fā)揮計算分析方法的重要作用。

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