论文部分内容阅读
[摘 要]以电池外壳为研究对象，使用Moldflow软件对其进行CAE注塑成型的填充、冷却、翘曲等模拟分析，研究三种不同的浇口位置方案对制品的充填时间、剪切速率、熔接痕、翘曲、困气、缩痕的影响，并提出相应的解决方法，为模具的浇口位置设计提供一定的理论依据。
[关键词]CAE分析，注塑成型，成型影响
中图分类号：TS124.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0202-02
随着塑料工业技术的不断发展，CAE（计算机辅助工程）技术已经广泛、频繁的使用于注塑模具设计、塑料产品研发等领域中[1-3]。作为连接模具及注塑机的通道，浇口位置的合理性直接关系到制品的成型质量，它对填充时间、制品的成型和冷却、困气和熔接痕等都有重要的影响[4]。Moldflow是一款基于塑料产品注塑成型分析的CAE软件，通过软件设置浇口位置，模拟充填、保压、冷却等注塑过程，预测成型过程中可能的缺陷，引导工程应用中避免类似缺陷的出现。
本文以某电池外壳为例，使用CAE分析软件Moldflow中的“冷却+填充+保压+翘曲”模块，分析在填充、保压、冷却等注塑成型阶段，不同浇口位置对塑料制品的成型影响，预测可能出现的缺陷并提出相对应的解决方法，为同类型注塑件的生产、研发提供经验。
一.CAE分析模型
本论文研究的模型为电池外壳塑件，总体尺寸为70mm×45mm×2.4mm，壁厚约0.95mm，壁厚均匀，塑件表面光滑平整，在底部有8个暗扣。塑件3维造型如图1所示。在Moldflow中使用fushion网格，对其进行网格划分及修复以后[5]，网格数8566。对模型检测没有发现自由边和公共边，最大纵横比6.621，匹配百分比92.5%，满足CAE分析要求。
二.材料性能
该制品要求有一定的硬度、强度、耐磨、抗冲击等性能，同时也要求表面质量良好。据此，本文选择的材料为通用塑料ABS（LG Chemical公司生产制造，牌号XR401）。其基本参数如表1。
三.成型方案及分析结果
本文拟定一模两腔，按照不同的浇口位置以及结合常规的浇口类型，制定了3个方案：分别将浇口位置设置在制品表面正面中央（点浇口形式浇口位置）、制品侧表面正面（侧浇口形式浇口位置）、制品侧表面背面（潜伏式浇口形式浇口位置），浇口位置如图2所示。冷却系统采用直径为8mm的水路，两侧水路距离制品均为15mm。
在进行了填充、保压、冷却等分析过程后，其结果如下：
1.充填分析
充填分析结果可以用于查看制品的填充行为是否合理、填充是否平衡、能否完成制品的完全填充等[6]。三种方案在CAE模拟中填充结束后都没有发现灰色的填充部分，即充熔融塑料最终充满整个型腔，没有出现充填不足等充填缺陷。充填时间分别为0.32s、0.44s和0.32s，可见方案1和方案3的充填时间相同，并且比方案2的填充时间要短，因此这两种方案的注塑周期也相对较短，在实际生产中可以提高生产效率；而方案2则多出0.12s，比另外两者多出近1/3的时间，因此从生产效率角度考虑，可以优先选择方案1和方案3。
2.剪切速率
三种方案的剪切速率最大值分别为19239 1/s、42220 1/s、35741 1/s，而材料本身的许用剪切速率为40000 1/s。方案1和方案3的最大剪切速率均小于材料许用剪切速率，基本满足塑料成型要求。而方案2已经超过了该材料的许用剪切速率，在实际注塑成型过程中可能会导致在限值之上的区域材料发生降解、脆化，成型后的制品力学性能降低等问题。另外，方案3的最大剪切速率35741 1/s也较接近材料的许用剪切速率，本方案在实际成型也需要注意避免产生类似问题。为避免材料发生降解，选择方案的优先顺序为方案1>方案3>方案2。
3.熔接痕
熔融塑料在流动时，与型腔接触的两侧受冷冷却，中心的塑料流动速度要快于两侧，致使熔融塑料在交汇时，中心先融合冷却，而两侧在没有完全融合的情况下冷却，最终造成产品表面形成熔接痕[7-8]。熔接痕不仅会影响产品表面美观，也会影响产品力学性能。三种方案都会产生熔接痕，并且三种方案的熔接痕都发生在类似的位置：产品底面的暗扣附近，如图3所示，。这是因为这几种方案都会使熔融塑料分流后再合流，熔融塑料冷却后无法完全融合，最终产生熔接痕。产品的顶面要求表面光滑美观，但是底面没有美观的要求；由于底面需要和另外产品配合，表面质量要求不高，熔接痕的存在不会影响产品美观。但是，暗扣附近出现熔接痕，会降低暗扣的力学性能，影响产品的使用寿命。因此，可以通过提高模具温度、熔体温度等手段消除或减弱熔接痕。
4.翘曲
翘曲变形是指注塑制品的形状在脱模后或稍后一段时间内产生旋转或扭曲现象[9]。翘曲主要是受温度变化等原因，制品内应力太大而产生变形。三个方案在X、Y、Z三个方向的变形值表2所示。方案1的翘曲变形在Z方向最大，为0.3665mm；方案2、3的翘曲变形曲线类似，在Y方向最大，分别0.3329和0.3342mm。根据图4可知，方案2、3的翘曲较大的地方主要集中在制品的四个角落，方案1的翘曲较大的地方主要在制品两侧面中间位置如图所示，因此在选择不同的方案时，可以有针对性地，通过修改冷却系统等方法控制翘曲。
5.困气
在注塑成型过程的保压、冷却阶段，熔融塑料在型腔内流动挤压型腔内的空气，如空气不能有效、迅速地排出，就会造成困气，后果是制品填充不满或影响成型质量。在型芯、型腔等模具结构内设计合理的排气系统，是杜绝困气的关键。三种方案困气位置基本出现在相同的地方，都在产品暗扣边缘，如图5所示。因为在注塑填充过程，气体随着熔融塑料的流动，最终会移动到暗扣末端位置。因此，在设计时，需要注意在暗扣边缘位置设计有效的排气系统避免困气现象：合理通过模具分型面、利用斜顶与型芯、型腔间隙排气，加工排气槽等方式排气等。 6.缩痕
熔融塑料在模腔内冷却凝固时，由于壁厚不均等问题，凝固快慢也有所不同，最后在注塑件表面所产生的凹陷，即缩痕。缩痕指数主要表征产品表面缩印的产生程度，在保证产品正常使用的前提下，一般缩痕指数控制在7%以内[10]。3种方案的缩痕指数分别为-2.092%～0.7154%、-2.074%～0.8080%、-1.844%～0.9331%，缩痕指数都在都±2.1%以内，在允许范围以内。出现的负值缩痕，可以通过降低保压压力等方式减缓或消除。
四.结语
应用Moldflow软件对电池外壳三种不同的浇口位置进行注塑成型CAE分析，对比三种方案对制品的成型时间、最大剪切速率、熔接痕、翘曲、困气等成型结果的影响，根据不同的因素，方案优先顺序（“≈”表示前后效果几乎一样，“>”表示前者优于后者）为：成型时间：方案1≈方案3>方案2，最大剪切速率：方案1>方案3>方案2，翘曲：方案2≈方案3>方案1，熔接痕、困气、缩痕：方案1≈方案2≈方案3，并且针对每种因素提出相应的解决方案。通过以上研究，可以帮助模具设计人员合理设置浇口位置，提高模具设计的可靠性和可行性，降低模具开发成本，缩短开发周期，提高生产效率。
五.致谢
感谢浙江机电职业技术学院校级科研项目《基于CAE的浇口位置设置对产品注塑成型影响的研究》（浙机电院（2014）82号）对论文的资助。
参考文献
[1] 曾喜生. 基于Moldflow的注塑成型缺陷分析及成型周期优化[D]. 湘潭大学，2012.
[2] 李跃文.塑料注塑成型技术新进展[J].塑料工业，2011，39（4）：6-9.
[3] 王乾.基于Moldflow的电机盖注塑成型分析[J]. 轻工机械，2012，30（3）：9-12.
[4] 基于Moldflow的电器保护盒注塑浇口优化设计[J]. 轻工机械，2014，32（1）：103-106.
[5] 王玉愧，贾虹，孙亚萍.注塑模表面自适应三角网格剖分策略[J]. 塑料科技，2011，29（4）：l一4.
[6] 基于Moldflow的汽车牌照灯护板注塑模拟与成型缺陷的分析[J]. 塑料工业，2013，41（2）：61-64.
[7] 饶启琛，黄建军. 注塑成型异常分析及处理[J]. 橡胶技术与设备，2006，32：52-60.
[8] 肖长江，刘春太，申长雨. 注塑制件熔接痕的形成，性能和预测[J]. 工程塑料应用， 2003，31（3）：17-20.
[9] 李吉泉，李德群，郭志英. 基于特征翘曲度优化的注塑模浇口位置设计[J]. 中国机械工程，2008，19（2）：242-244.
[10] 傅建钢， 傅晓锦. 注塑成型工艺参数对注塑件缩痕影响的研究 [J].轻工机械，201l，29（1）：1—3.
[关键词]CAE分析，注塑成型，成型影响
中图分类号：TS124.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0202-02
随着塑料工业技术的不断发展，CAE（计算机辅助工程）技术已经广泛、频繁的使用于注塑模具设计、塑料产品研发等领域中[1-3]。作为连接模具及注塑机的通道，浇口位置的合理性直接关系到制品的成型质量，它对填充时间、制品的成型和冷却、困气和熔接痕等都有重要的影响[4]。Moldflow是一款基于塑料产品注塑成型分析的CAE软件，通过软件设置浇口位置，模拟充填、保压、冷却等注塑过程，预测成型过程中可能的缺陷，引导工程应用中避免类似缺陷的出现。
本文以某电池外壳为例，使用CAE分析软件Moldflow中的“冷却+填充+保压+翘曲”模块，分析在填充、保压、冷却等注塑成型阶段，不同浇口位置对塑料制品的成型影响，预测可能出现的缺陷并提出相对应的解决方法，为同类型注塑件的生产、研发提供经验。
一.CAE分析模型
本论文研究的模型为电池外壳塑件，总体尺寸为70mm×45mm×2.4mm，壁厚约0.95mm，壁厚均匀，塑件表面光滑平整，在底部有8个暗扣。塑件3维造型如图1所示。在Moldflow中使用fushion网格，对其进行网格划分及修复以后[5]，网格数8566。对模型检测没有发现自由边和公共边，最大纵横比6.621，匹配百分比92.5%，满足CAE分析要求。
二.材料性能
该制品要求有一定的硬度、强度、耐磨、抗冲击等性能，同时也要求表面质量良好。据此，本文选择的材料为通用塑料ABS（LG Chemical公司生产制造，牌号XR401）。其基本参数如表1。
三.成型方案及分析结果
本文拟定一模两腔，按照不同的浇口位置以及结合常规的浇口类型，制定了3个方案：分别将浇口位置设置在制品表面正面中央（点浇口形式浇口位置）、制品侧表面正面（侧浇口形式浇口位置）、制品侧表面背面（潜伏式浇口形式浇口位置），浇口位置如图2所示。冷却系统采用直径为8mm的水路，两侧水路距离制品均为15mm。
在进行了填充、保压、冷却等分析过程后，其结果如下：
1.充填分析
充填分析结果可以用于查看制品的填充行为是否合理、填充是否平衡、能否完成制品的完全填充等[6]。三种方案在CAE模拟中填充结束后都没有发现灰色的填充部分，即充熔融塑料最终充满整个型腔，没有出现充填不足等充填缺陷。充填时间分别为0.32s、0.44s和0.32s，可见方案1和方案3的充填时间相同，并且比方案2的填充时间要短，因此这两种方案的注塑周期也相对较短，在实际生产中可以提高生产效率；而方案2则多出0.12s，比另外两者多出近1/3的时间，因此从生产效率角度考虑，可以优先选择方案1和方案3。
2.剪切速率
三种方案的剪切速率最大值分别为19239 1/s、42220 1/s、35741 1/s，而材料本身的许用剪切速率为40000 1/s。方案1和方案3的最大剪切速率均小于材料许用剪切速率，基本满足塑料成型要求。而方案2已经超过了该材料的许用剪切速率，在实际注塑成型过程中可能会导致在限值之上的区域材料发生降解、脆化，成型后的制品力学性能降低等问题。另外，方案3的最大剪切速率35741 1/s也较接近材料的许用剪切速率，本方案在实际成型也需要注意避免产生类似问题。为避免材料发生降解，选择方案的优先顺序为方案1>方案3>方案2。
3.熔接痕
熔融塑料在流动时，与型腔接触的两侧受冷冷却，中心的塑料流动速度要快于两侧，致使熔融塑料在交汇时，中心先融合冷却，而两侧在没有完全融合的情况下冷却，最终造成产品表面形成熔接痕[7-8]。熔接痕不仅会影响产品表面美观，也会影响产品力学性能。三种方案都会产生熔接痕，并且三种方案的熔接痕都发生在类似的位置：产品底面的暗扣附近，如图3所示，。这是因为这几种方案都会使熔融塑料分流后再合流，熔融塑料冷却后无法完全融合，最终产生熔接痕。产品的顶面要求表面光滑美观，但是底面没有美观的要求；由于底面需要和另外产品配合，表面质量要求不高，熔接痕的存在不会影响产品美观。但是，暗扣附近出现熔接痕，会降低暗扣的力学性能，影响产品的使用寿命。因此，可以通过提高模具温度、熔体温度等手段消除或减弱熔接痕。
4.翘曲
翘曲变形是指注塑制品的形状在脱模后或稍后一段时间内产生旋转或扭曲现象[9]。翘曲主要是受温度变化等原因，制品内应力太大而产生变形。三个方案在X、Y、Z三个方向的变形值表2所示。方案1的翘曲变形在Z方向最大，为0.3665mm；方案2、3的翘曲变形曲线类似，在Y方向最大，分别0.3329和0.3342mm。根据图4可知，方案2、3的翘曲较大的地方主要集中在制品的四个角落，方案1的翘曲较大的地方主要在制品两侧面中间位置如图所示，因此在选择不同的方案时，可以有针对性地，通过修改冷却系统等方法控制翘曲。
5.困气
在注塑成型过程的保压、冷却阶段，熔融塑料在型腔内流动挤压型腔内的空气，如空气不能有效、迅速地排出，就会造成困气，后果是制品填充不满或影响成型质量。在型芯、型腔等模具结构内设计合理的排气系统，是杜绝困气的关键。三种方案困气位置基本出现在相同的地方，都在产品暗扣边缘，如图5所示。因为在注塑填充过程，气体随着熔融塑料的流动，最终会移动到暗扣末端位置。因此，在设计时，需要注意在暗扣边缘位置设计有效的排气系统避免困气现象：合理通过模具分型面、利用斜顶与型芯、型腔间隙排气，加工排气槽等方式排气等。 6.缩痕
熔融塑料在模腔内冷却凝固时，由于壁厚不均等问题，凝固快慢也有所不同，最后在注塑件表面所产生的凹陷，即缩痕。缩痕指数主要表征产品表面缩印的产生程度，在保证产品正常使用的前提下，一般缩痕指数控制在7%以内[10]。3种方案的缩痕指数分别为-2.092%～0.7154%、-2.074%～0.8080%、-1.844%～0.9331%，缩痕指数都在都±2.1%以内，在允许范围以内。出现的负值缩痕，可以通过降低保压压力等方式减缓或消除。
四.结语
应用Moldflow软件对电池外壳三种不同的浇口位置进行注塑成型CAE分析，对比三种方案对制品的成型时间、最大剪切速率、熔接痕、翘曲、困气等成型结果的影响，根据不同的因素，方案优先顺序（“≈”表示前后效果几乎一样，“>”表示前者优于后者）为：成型时间：方案1≈方案3>方案2，最大剪切速率：方案1>方案3>方案2，翘曲：方案2≈方案3>方案1，熔接痕、困气、缩痕：方案1≈方案2≈方案3，并且针对每种因素提出相应的解决方案。通过以上研究，可以帮助模具设计人员合理设置浇口位置，提高模具设计的可靠性和可行性，降低模具开发成本，缩短开发周期，提高生产效率。
五.致谢
感谢浙江机电职业技术学院校级科研项目《基于CAE的浇口位置设置对产品注塑成型影响的研究》（浙机电院（2014）82号）对论文的资助。
参考文献
[1] 曾喜生. 基于Moldflow的注塑成型缺陷分析及成型周期优化[D]. 湘潭大学，2012.
[2] 李跃文.塑料注塑成型技术新进展[J].塑料工业，2011，39（4）：6-9.
[3] 王乾.基于Moldflow的电机盖注塑成型分析[J]. 轻工机械，2012，30（3）：9-12.
[4] 基于Moldflow的电器保护盒注塑浇口优化设计[J]. 轻工机械，2014，32（1）：103-106.
[5] 王玉愧，贾虹，孙亚萍.注塑模表面自适应三角网格剖分策略[J]. 塑料科技，2011，29（4）：l一4.
[6] 基于Moldflow的汽车牌照灯护板注塑模拟与成型缺陷的分析[J]. 塑料工业，2013，41（2）：61-64.
[7] 饶启琛，黄建军. 注塑成型异常分析及处理[J]. 橡胶技术与设备，2006，32：52-60.
[8] 肖长江，刘春太，申长雨. 注塑制件熔接痕的形成，性能和预测[J]. 工程塑料应用， 2003，31（3）：17-20.
[9] 李吉泉，李德群，郭志英. 基于特征翘曲度优化的注塑模浇口位置设计[J]. 中国机械工程，2008，19（2）：242-244.
[10] 傅建钢， 傅晓锦. 注塑成型工艺参数对注塑件缩痕影响的研究 [J].轻工机械，201l，29（1）：1—3.