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基于Moldflow的防護(hù)隔圈注塑模擬分析及參數(shù)優(yōu)化

2021-09-10 07:22張懷影張家富付紅素
科技尚品 2021年1期

張懷影 張家富 付紅素

摘 要:文章將鐵道車(chē)輛滾動(dòng)軸承用防護(hù)隔圈作為研究對(duì)象,以33%玻璃纖維增強(qiáng)的高溫尼龍為注塑材料,基于Moldflow進(jìn)行澆口位置分析,模擬其充填過(guò)程進(jìn)行分析,優(yōu)化充填、保壓、冷卻等成型條件方案,確定最終成型工藝參數(shù),減少試模次數(shù),降低成本試模,從而實(shí)現(xiàn)高效高品質(zhì)注塑。

關(guān)鍵詞:Moldflow;防護(hù)隔圈;注塑;澆口;充填

中圖分類(lèi)號(hào):TQ320.662 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-1064(2021)01-010-04

DOI:10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.004

在注塑成型過(guò)程中,注塑設(shè)備、塑料原料、模具是三個(gè)必不可少的物質(zhì)條件。但在塑料原料、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸確定后,注塑設(shè)備、模具冷卻系統(tǒng)及注塑成型工藝條件的選擇和控制,就成為影響注塑成型質(zhì)量的主要因素。

文章將鐵道車(chē)輛滾動(dòng)軸承用防護(hù)隔圈作為研究對(duì)象,以33%玻璃纖維增強(qiáng)的高溫尼龍為注塑材料,基于Moldflow[1]軟件對(duì)注塑成型過(guò)程進(jìn)行模流分析,包括注塑機(jī)的選擇、澆口匹配、充填、保壓、冷卻系統(tǒng)等設(shè)置工藝參數(shù),優(yōu)化充填、保壓、冷卻等成型條件方案,確定最終成型條件,從而實(shí)現(xiàn)高效高品質(zhì)注塑。

1 分析前計(jì)算與處理

1.1 基本條件

防護(hù)隔圈零件形狀較規(guī)則,壁厚均勻,通過(guò)Pro/E[2]軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模,零件形狀如圖1所示。原材料為確定的33%玻璃纖維增強(qiáng)的高溫尼龍,固體密度為1.46g/cm3,熔體密度為1.23g/cm3。經(jīng)計(jì)算,產(chǎn)品體積約為30cm3,單次注塑量約為43.8g。

1.2 鎖模力計(jì)算

為了對(duì)抗注射壓力,必須使用鎖模壓力,鎖模力公式(1)如下:

F鎖=KP×A;F鎖≥85%×F注? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (1)

式中:F鎖為產(chǎn)品注塑時(shí)所需鎖模力;Kp為鎖模力常數(shù),玻璃纖維增強(qiáng)時(shí)約為0.64~0.72;A為產(chǎn)品開(kāi)模方向投影面積。F注為產(chǎn)品總投影面積,約為150cm2,Kp取0.72。根據(jù)計(jì)算,最大鎖模力約108t。

根據(jù)計(jì)算,可選用型號(hào)為Allrounder 420 S 143 tons 7.4 oz阿博格注塑機(jī),螺桿直徑35mm,最大注射行程151.6mm,最大鎖模力129.687t。

1.3 模型導(dǎo)入

利用Moldflow導(dǎo)入模型,劃分零件網(wǎng)格為三角形,網(wǎng)格類(lèi)型為雙層面;全局網(wǎng)格邊長(zhǎng)2mm;合并公差0.1mm;縱橫比最大0.95,匹配率96.8%,滿足分析要求。

2 澆口位置分析

澆口位置的設(shè)定,直接關(guān)系到熔體在模具內(nèi)的流動(dòng)。合理的澆口數(shù)量及位置,在模具設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。

在Moldflow中選擇分析序列為澆口位置。分析結(jié)果如圖2a所示,可以看出澆口最佳位置。根據(jù)圖2b流動(dòng)阻力器結(jié)果設(shè)置1個(gè)澆口如圖2c所示。然后進(jìn)行6個(gè)澆口位置分析,如圖2d顯示6個(gè)澆口流動(dòng)阻力器結(jié)果:3個(gè)在內(nèi)徑面,3個(gè)在產(chǎn)品表面。由于產(chǎn)品表面要求平整光滑,因此將澆口均設(shè)定在內(nèi)徑面上,如圖2e所示。

根據(jù)澆口最佳位置,分別對(duì)1個(gè)澆口和6個(gè)澆口進(jìn)行設(shè)計(jì)。澆口為直徑φ2mm圓形截面;流道均為冷流道,主流道入口直徑3.5mm,錐度3°,分流道為直徑φ5mm圓形流道。分別進(jìn)行填充分析。工藝設(shè)置為:熔體溫度315℃,模具溫度135℃,頂出溫度240℃,自動(dòng)充填,時(shí)間1.5s,V/P轉(zhuǎn)換99%,保壓壓力為填充最大壓力的80%,保壓時(shí)間10s,冷卻時(shí)間5s,開(kāi)合模時(shí)間5s。

結(jié)果如圖3所示,具體數(shù)據(jù)如表1所示。

由以上分析結(jié)果可知:1個(gè)澆口充填時(shí),所需最大鎖模力已經(jīng)接近注塑機(jī)最大額定鎖模力120t,遠(yuǎn)超85%要求。而且可知6個(gè)澆口與1個(gè)澆口比較:充填時(shí)間縮短了近一半;最大鎖模力降低41.2%;注射最大壓力降低59.9%;由圖3i和圖3j可以看出流動(dòng)前沿溫度、總體溫度更均勻一致,最大剪切速率也降低58.5%。因此6個(gè)澆口設(shè)計(jì)更優(yōu)于1個(gè)澆口設(shè)計(jì)。

3 注塑成型參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)澆口分析結(jié)果優(yōu)選6個(gè)澆口,進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

3.1 注射速度

推薦螺桿速度曲線如圖4a所示。用實(shí)際注塑機(jī)螺桿曲線形狀近似擬合,對(duì)注射速度進(jìn)行分段,擬合螺桿速度曲線如圖5所示。

根據(jù)充填體積計(jì)算螺桿位置,已知:產(chǎn)品總體積(產(chǎn)品+流道)V:41cm3,材料固體密度ρs為1.46g/cm3,材料熔體密度ρm為1.23g/cm3,螺桿直徑D為35mm,根據(jù)公式(2)計(jì)算螺桿計(jì)量行程L約為50.61mm。

(2)

填充99%切換保壓,即螺桿位置為0.5mm;為了保護(hù)螺桿會(huì)加上余料量5mm;為防止流涎,后松退取5mm,即最終螺桿位置為L(zhǎng)s0,為60.61mm。根據(jù)各段注射體積比計(jì)算螺桿位置,填充99%保壓,螺桿位置為10.5mm,注塑采用慢—快—慢形式,具體參數(shù)如表2所示。

3.2 保壓時(shí)間及保壓壓力

3.2.1 澆口凍結(jié)時(shí)間

查看澆口凍結(jié)時(shí)間來(lái)判斷保壓時(shí)間是否足夠,可通過(guò)觀察凍結(jié)層因子確定產(chǎn)品和澆口凍結(jié)的時(shí)間,當(dāng)凍結(jié)層因子值為“1”時(shí),表面已經(jīng)凍結(jié)。如圖4b為澆口凍結(jié)層因子,充填時(shí)間為3.704s時(shí),澆口凍結(jié)。初始設(shè)置保壓時(shí)間是10s,大于3.704s,可以進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2.2 確定保壓方式

由圖4c達(dá)到頂出溫度體積收縮率圖可以看出,體積收縮率在5.36%~10.3%之間,填充末端的收縮遠(yuǎn)大于澆口附近的收縮。由圖4d所示不同位置處壓力曲線可知,產(chǎn)品內(nèi)部壓力曲線分布較均勻??赏ㄟ^(guò)優(yōu)化保壓,控制產(chǎn)品型腔內(nèi)壓力變化,降低產(chǎn)品各區(qū)域收縮差異。

3.2.3 保壓過(guò)程優(yōu)化

保壓時(shí)間=澆口凍結(jié)時(shí)間-V/P切換時(shí)間=3.704-1.027=2.677s,約為2.7s。

以位于填充末端的壓力變化作為決定第一段保壓壓力為判斷依據(jù)。如圖4f所示,以填充末端壓力曲線的頂點(diǎn)時(shí)間1.249s和直至0對(duì)應(yīng)的時(shí)間3.06s,取二者之和的1/2即(1.249+3.06)/2=2.15s,取2.5s為保壓曲線中恒定壓力結(jié)束的初始值。故恒定壓力保持的時(shí)間應(yīng)為2.5-1.044=1.456s,取1.5s。

第二段保壓通常為壓力衰減方式,壓力由恒定值減為零,保壓時(shí)間為總的保壓時(shí)間減去第一段保壓時(shí)間,即2.7s-1.5s=1.2s。

將保壓曲線進(jìn)一步優(yōu)化,第一段保壓壓力采用原始方案填充壓力的80%即52MPa,保壓時(shí)間1.5s;第二段保壓壓力30MPa,保壓時(shí)間1.2s。

3.3 充填參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

如圖6所示,零件在1.753s時(shí)完成充填,比優(yōu)化前延長(zhǎng)了0.709s;產(chǎn)品重量43.2g;流道重量17.2g,比優(yōu)化前降低了0.4g,避免了流道過(guò)保壓情況;產(chǎn)品體積收縮率6.02%~10.38%,進(jìn)一步減小,產(chǎn)品各區(qū)域收縮也更加均勻,優(yōu)化效果較好。

3.4 冷卻系統(tǒng)分析

采用上下兩層冷卻系統(tǒng),管道直徑10mm,水管與零件距離25mm,管道數(shù)量8個(gè),回路式;冷卻時(shí)間5s。

從圖7分析結(jié)果看到,回路冷卻液溫度溫度差1.29℃,回路管壁最高溫度差為4.96℃,可接受。零件溫度為58.9℃~101.5℃,模具溫度45.8℃~85.2℃,溫度曲線梯度均勻,冷卻效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)

將防護(hù)隔圈作為研究對(duì)象,以33%玻璃纖維增強(qiáng)的高溫尼龍為注塑材料,通過(guò)注塑機(jī)的選擇,基于Moldflow軟件,進(jìn)行澆口匹配及充填、保壓、冷卻過(guò)程模擬,對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析,從而對(duì)成型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,其極大縮短了產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期,同時(shí)確定了最終注塑成型工藝參數(shù),減少試模次數(shù)[3-5],降低了模具設(shè)計(jì)和試模成本,提高了試模效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳艷霞.2015Moldflow模流分析從入門(mén)到精通[M].北京:電子工業(yè)出版社,2015.

[2] 林清安.完全精通Pro/ENGINEER野火5.0中文版零件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)入門(mén)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[3] 王波.Moldflow模流分析在注塑過(guò)程中的應(yīng)用[J].塑料科技,2015,43(6):75-78.

[4] 劉細(xì)芬,黃家崗.基于Moldflow軟件的注塑件澆口優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].塑料工業(yè),2007(12):36-38.

[5] 劉昌林,高可可,孫江宏.基于Moldflow的套管注塑模擬分析及優(yōu)化[J].塑料,2020,49(5):125-128.