張?chǎng)┚?，陳慶祥，高 浩，魏 劍

（1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 三明，365004；3.綠色鑄鍛及高端部件協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 三明，365004；4.福建省鑄鍛零部件工程技術(shù)研究中心，福建 三明，365004）

Moldflow注射模流分析軟件能夠很好地驗(yàn)證和優(yōu)化塑料零部件、注射模具和注射成型流程，能夠有效預(yù)防注射產(chǎn)品的各種缺陷，出現(xiàn)問(wèn)題能夠精確分析缺陷原因，提供快速、高效的解決方案，為塑件模擬分析提供強(qiáng)大的支撐[1-4]。該軟件是美國(guó)MOLDFLOW公司的產(chǎn)品，自1976年發(fā)行了世界上第一套塑料注塑成型流動(dòng)分析軟件以來(lái)，一直主導(dǎo)塑料成型CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）軟件市場(chǎng)。利用這種技術(shù)手段，以塑料材料流變學(xué)及傳熱學(xué)為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助分析，對(duì)注塑過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化、動(dòng)態(tài)化模擬[5]，可以對(duì)塑料制件過(guò)程的各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、比較和優(yōu)化，從而確定最優(yōu)注塑解決方案。

醫(yī)療無(wú)影燈作為手術(shù)照明燈具，對(duì)其外殼要求具有成型質(zhì)量高、冷熱變形性小、密度低和電氣性能良好等特性。和普通塑料制件相比，要求設(shè)計(jì)時(shí)盡可能消除陰影，并在長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作過(guò)程中，溫度不能過(guò)高，其成型的技術(shù)難點(diǎn)主要在光學(xué)性能要求方面，其關(guān)鍵是如何成型出具有較低光學(xué)畸變和低角偏差的光學(xué)制品[6]，常用的方法有注射成型和注射壓縮成型。因此基于這些性能要求和難點(diǎn)，有必要對(duì)該塑件的注塑過(guò)程進(jìn)行模擬仿真及工藝參數(shù)優(yōu)化。本文運(yùn)用Moldflow 2018版對(duì)醫(yī)療無(wú)影燈外殼進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，分析其注塑成型過(guò)程，通過(guò)方案對(duì)比優(yōu)化澆口位置以及澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得較小的翹曲變形和體積收縮率，從而滿足塑件裝配要求和外觀質(zhì)量要求，解決光學(xué)折射率對(duì)體積收縮率、熱變形等問(wèn)題的影響，為指導(dǎo)醫(yī)療無(wú)影燈外殼部件的實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 塑件結(jié)構(gòu)工藝分析

無(wú)影燈外殼結(jié)構(gòu)是外形為90 mm，內(nèi)孔為40 mm的圓形件,壁厚t=4 mm，要求塑件表面質(zhì)量高、光亮整潔,不能出現(xiàn)拉傷、斷裂、料紋等注塑工藝缺陷。涉及到后期該外殼與其他零件組裝，注塑成型中不能出現(xiàn)變形或冷縮。塑件三維模型如圖1所示。選用ABS材料，結(jié)合其綜合力學(xué)性能好、具有高韌性等力學(xué)特點(diǎn)，可通過(guò)注塑加工成型[7]。

圖1 醫(yī)療無(wú)影燈外殼三維模型圖

2 注塑模流設(shè)計(jì)及流動(dòng)分析

2.1 模流分析設(shè)置及澆口位置確定

設(shè)置模流分析參數(shù)：模具表面溫度為60℃，熔體溫度為235℃，模具溫度范圍設(shè)定在40～80℃區(qū)間，頂出溫度為89℃，最大剪切應(yīng)力為0.3 MPa，如圖2所示。

圖2 模流分析的參數(shù)設(shè)置

無(wú)影燈外殼屬于薄殼類(lèi)零件，選用雙層面網(wǎng)格劃分，縱橫比最大為7.37，最小為 1.16，平均 1.77，其值小于10，匹配百分比為85.7%，自由邊、多重邊、相交單元等參數(shù)都為0，因此模型網(wǎng)格質(zhì)量良好，滿足模流分析要求，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

研究通過(guò)設(shè)置不同澆口位置模擬塑料填充狀態(tài)及考慮模具制造經(jīng)濟(jì)性的方式來(lái)確定最佳澆注方案。方案1的澆口位置選擇塑件注塑內(nèi)部，方案2的澆口位置設(shè)置塑件外部（小三角為澆口注塑位置，如圖3所示）。分析兩種情況下的填充時(shí)間、注塑壓力、塑件變形及氣穴數(shù)等參數(shù)，如表1所示。

表1 澆口位置方案的分析結(jié)果對(duì)比

由表1分析對(duì)比可確定，方案2填充時(shí)間較短，注塑壓力大，塑件變形量小，冷凝時(shí)間短，產(chǎn)生的氣穴少，故選用方案2外部澆注進(jìn)行注塑模流過(guò)程仿真，模擬分析采用一模兩件模式。

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模具澆口設(shè)置是影響注塑過(guò)程的一個(gè)重要因素，最優(yōu)澆注系統(tǒng)能夠有效地減少模具生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。研究采用生產(chǎn)中常用的冷流道澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)置潛伏澆口，潛伏澆口具有自動(dòng)拉斷、不影響塑件外觀和加工方便等優(yōu)點(diǎn)，有利于提高生產(chǎn)效率。其澆注系統(tǒng)設(shè)置如圖4所示。

圖4 澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在注塑過(guò)程中，要盡可能地保持冷卻系統(tǒng)的高效率工作，使模具型腔表面的溫度穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)為上、下模2條冷卻水回路（圖4），冷卻管道直徑為 8mm，距離型腔表面18 mm，設(shè)計(jì)時(shí)考慮排布位置避開(kāi)熔接痕的位置。

2.4 流動(dòng)分析

1.填充時(shí)間：由圖5（a～d）可以看出填充過(guò)程是對(duì)稱分布的，注塑流動(dòng)平衡性較好，填充過(guò)程較為均勻。填充時(shí)間為1.471 s，由于塑件尺寸較小，故填充過(guò)程順暢，無(wú)注射不足現(xiàn)象。

圖5 制件填充過(guò)程

2.流動(dòng)前沿溫度：決定熔體充型后是否能混合均勻以決定冷卻后的制件質(zhì)量。流動(dòng)前沿溫度最高為236.8℃，最低為234.4℃，最高溫度與最低溫度相差2.4℃，變化小于10℃，因此溫度分布合理，反映了該熔體在流動(dòng)過(guò)程中不太可能出現(xiàn)流動(dòng)阻力大的狀況，也無(wú)材料分解及低溫滯留現(xiàn)象。

3.填充注射壓力：整個(gè)填充注射壓力為0～44.19 MPa，在44.19 MPa時(shí)進(jìn)行V/P轉(zhuǎn)換，壓力較小，便于注塑，填充壓力比較低，不易出飛邊，滿足生產(chǎn)要求。

4.熔接痕：是指兩股料流相遇熔接而產(chǎn)生的表面缺陷[8]。熔接痕是影響制品質(zhì)量的重要因素，它的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致制品的強(qiáng)度變低，并且會(huì)影響制品的外觀。在整個(gè)注塑過(guò)程中應(yīng)該避免熔接痕的產(chǎn)生，如不能避免也應(yīng)該盡量地使熔接痕處于不易受影響的位置[9]。

由圖6可以看出熔接痕主要產(chǎn)生在內(nèi)孔邊緣，此時(shí)需在模具上開(kāi)好排氣槽或溢料槽，同時(shí)提高模溫，增大熔接痕處的溫度，改善熔接痕。

圖6 制品熔接痕位置

5.氣穴：主要是型腔內(nèi)部的空氣被熔體包圍無(wú)法及時(shí)排出，這樣將會(huì)導(dǎo)致制品填充不完整以及保壓不充分，同時(shí)腔體內(nèi)的氣體被熔體擠壓從而產(chǎn)生大量的熱量，產(chǎn)品可能因此出現(xiàn)焦痕。如果氣穴不能及時(shí)排出，將會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和性能產(chǎn)生很大的影響。而且氣穴越多，制品生產(chǎn)的問(wèn)題會(huì)隨之增多，注塑成型質(zhì)量也會(huì)隨之降低[10]。本次塑件注塑氣穴位置與熔接痕位置相近，主要分布在內(nèi)孔邊緣，采用排氣機(jī)構(gòu)，同時(shí)控制注射速度不能太快，不然可能會(huì)有燒焦現(xiàn)象，影響產(chǎn)品外觀。

2.5 保壓分析

1.注射壓力和鎖模力：注射節(jié)點(diǎn)是觀察二維XY圖的常用節(jié)點(diǎn)，通過(guò)注射位置壓力和鎖模力的XY圖可清晰看出注射壓力和鎖模力的變化情況。圖7a顯示，在0～1.443 s區(qū)間，注射壓力達(dá)到最大值44.19 MPa，隨后注射壓力快速下降到35 MPa，進(jìn)入穩(wěn)壓注塑階段。圖7b顯示，注塑成型階段所需鎖模力在0～1.881 s區(qū)間快速上升，達(dá)到最大值22.51 t，隨著模具開(kāi)模，鎖模力快速下降。

圖7 注塑成型力變化曲線

2.凍結(jié)因子：模擬分析可得塑件在30 s的凍結(jié)因子，即保壓結(jié)束后的凍結(jié)因子為1。整體凍結(jié)均勻，能夠滿足保壓補(bǔ)縮，達(dá)到頂出要求。

3.達(dá)到頂出溫度的時(shí)間：制件達(dá)到頂出的總時(shí)間為39.75 s,模擬分析顯示所需塑件頂出溫度出現(xiàn)在15.10 s。為了提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，可將塑件在15.10 s時(shí)頂出。

2.6 冷卻分析

冷卻分析是根據(jù)塑件在模具中的熱傳遞判斷冷卻系統(tǒng)的冷卻效果，通常冷卻系統(tǒng)是用來(lái)滿足注射成型工藝對(duì)模具溫度的要求，并保證塑料熔體的充模和冷卻凝固，因此冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)建是否合理會(huì)影響塑件的冷卻速度及收縮性，進(jìn)而影響塑件最終的表面質(zhì)量、尺寸精度和力學(xué)性能[11-12]。

根據(jù)2.3中冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，冷卻水管道的管壁熱傳導(dǎo)系數(shù)為1，管道冷卻介質(zhì)為乙二醇水溶液（乙二醇的質(zhì)量濃度為40%～60%）。設(shè)置參數(shù)后，經(jīng)過(guò)冷卻模流仿真分析，得出結(jié)果如圖8所示。

圖8 回路冷卻液溫度

1.冷卻水路的溫度變化：圖8顯示了冷卻液回路的溫度變化，冷卻液最高溫度為59.98℃，最低溫度為59.53℃，兩者溫度只相差0.45℃，冷卻水路的溫度變化差別小，進(jìn)、出水口溫差控制在1℃內(nèi)，遠(yuǎn)小于冷卻水進(jìn)出口溫度差不宜高于3℃的規(guī)定，符合冷卻水路的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)冷卻水路的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)也在合理的范圍內(nèi)。

2.內(nèi)外壁溫差：圖9a顯示內(nèi)壁最高溫度為64.79℃，最低溫度為63.30℃，平均溫度為64.05℃；圖9b顯示外壁最高溫度為63.44℃，最低溫度為62.43℃，平均溫度為62.94℃。內(nèi)外壁平均溫差控制在1.11℃左右。綜上所述，冷卻管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理，具有良好的冷卻效果。

圖9 內(nèi)、外壁溫度分布

3 塑件質(zhì)量分析

3.1 翹曲變形分析

塑件注塑冷卻后，取比例因子為1時(shí)，整體效應(yīng)變形量最大值為0.400 7 mm，主要集中在制件外邊緣區(qū)域，最小值為0.116 3 mm，主要集中在內(nèi)孔邊緣區(qū)域（圖10a）；當(dāng)冷卻不均勻時(shí)，制件最大變形量值為0.013 0 mm，最小變形量為0.000 3 mm，變形量較?。▓D10b）；冷卻收縮不均勻時(shí)，制件最大變形量為0.407 4 mm，主要集中在塑件外部邊緣，最小變形量為0.135 3 mm，在內(nèi)孔邊緣小部分區(qū)域（圖10c）；取向效應(yīng)最大變形為0.060 3 mm，最小變形為0.004 6 mm（圖10d）。

由模擬分析可知，當(dāng)翹曲變形量較小時(shí)，若集中在制件外部邊緣位置，主要由收縮不均和取向?qū)е碌乃芗冃螘?huì)產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象，但整體翹曲變形未超過(guò)5 mm的容差范圍，塑件質(zhì)量是合格的，滿足裝配要求。對(duì)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，可以通過(guò)改善制件結(jié)構(gòu)及其壁厚等工藝進(jìn)行優(yōu)化；對(duì)于模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，可通過(guò)修改冷卻水路設(shè)計(jì)或由制件收縮率確定適當(dāng)?shù)淖冃伪龋云趦?yōu)化注塑模具結(jié)構(gòu)，減少試模時(shí)間，節(jié)約成本。

3.2 體積收縮率

圖11顯示塑件體積與產(chǎn)品尺寸體積的收縮率在4.125%～5.780%區(qū)間，平均收縮率控制在4.953%，收縮變化均勻，制件不易發(fā)生變形。最大體積收縮率10.64%發(fā)生在注塑料頭處（塑件成型外），對(duì)成型制件質(zhì)量和注塑生產(chǎn)影響不大。由體積收縮率分析結(jié)果可預(yù)測(cè)制品收縮較嚴(yán)重區(qū)域，通過(guò)改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)尺寸，彌補(bǔ)制品在冷卻脫模后所產(chǎn)生的收縮，如此產(chǎn)品的形狀和尺寸就更加符合設(shè)計(jì)要求[13]。

圖11 塑件體積收縮率

4 結(jié)論

通過(guò)采用Mold flow軟件，對(duì)醫(yī)療無(wú)影燈外殼進(jìn)行模流分析，能快速有效地分析注塑最佳澆口位置，從填充時(shí)間、氣穴、翹曲變形分析、體積收縮率等方面進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)生缺陷位置，從而為后期模具調(diào)整結(jié)構(gòu)以及試模提供較為精確的數(shù)據(jù)依據(jù)，采用外部澆注方案后注塑成型所獲得的優(yōu)化數(shù)據(jù)如表2所示。注塑模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，大大減少了模具修模次數(shù)和制造成本。

表2 方案優(yōu)化數(shù)據(jù)