薄壁注塑模具設(shè)計(jì)中有限元分析
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摘要：薄壁注塑成型技術(shù)是在普通注塑成型技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，隨著塑料制品的薄壁化，用戶對(duì)塑料制品的質(zhì)量、成本以及性能有了更高的要求。在薄壁注塑成型時(shí)，需要極高的注塑壓力和熔體溫度，如果內(nèi)部溫度場(chǎng)分布不均，會(huì)造成結(jié)構(gòu)的收縮或膨脹。如果注塑模具的內(nèi)部部件與外部溫度場(chǎng)的溫度差不均勻，會(huì)導(dǎo)致模具的變形。因此，分析薄壁注塑模具在設(shè)計(jì)過程中有限元分析軟件所起到的作用，有助于提高注塑工藝。
關(guān)鍵詞：薄壁注塑；模具；ANSYS；熱力耦合
0引言
模具的冷卻系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)影響著塑件的成型質(zhì)量，模具中的冷卻系統(tǒng)影響著產(chǎn)品的成型時(shí)間和翹曲變形。模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)就是根據(jù)冷卻的時(shí)間周期進(jìn)行評(píng)判，冷卻時(shí)間越短，則成型周期越短。塑件在注塑成型過程中，如果冷卻不均勻，會(huì)引起塑件發(fā)生變形。因此，對(duì)整個(gè)模具澆筑系統(tǒng)中的澆口位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證冷卻系統(tǒng)布置的合理性，是讓薄壁塑件不發(fā)生變形的關(guān)鍵因素。只有保證模具的型芯與型腔的溫度均勻，才不會(huì)因過大壓力而造成薄膜塑件發(fā)生變形。
1薄壁注塑模具設(shè)計(jì)中的影響因素
1.1成型工藝參數(shù)對(duì)模具變形的影響
成型工藝參數(shù)是影響薄壁塑件發(fā)生變形的主要因素，在注塑成型過程中，聚合物熔體的冷卻時(shí)間與模具的溫度有極大關(guān)聯(lián)，模具的溫度越高，則熔體的冷卻速度越低，從而導(dǎo)致塑件收縮加大。系統(tǒng)的冷卻時(shí)間增加會(huì)降低生產(chǎn)效率，在薄壁注塑成型過程中，如果塑件的壁厚偏小，當(dāng)溫度偏低時(shí)，塑料的熔體在充填的過程中就會(huì)形成凝結(jié)層，當(dāng)凝結(jié)層的厚度增加，會(huì)妨礙熔體的流動(dòng)，從而發(fā)生質(zhì)量問題。熔體溫度的高度對(duì)于塑料的充填過程十分重要，溫度過低進(jìn)行充填會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性變差，增加阻力，產(chǎn)生的溫差也會(huì)讓塑件的應(yīng)力發(fā)生變化，從而造成塑件的翹曲變形。熔體溫度高的情況下會(huì)增加熔體流動(dòng)性，讓整個(gè)成型過程填充的非常順利，因此，選擇合理的熔體溫度，可以讓薄壁注塑成型的過程更好，減小塑件變形的幾率。
1.2模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)翹曲變形的影響
模具注塑的過程中，冷卻系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)關(guān)系到塑件的成型質(zhì)量，模具的冷卻系統(tǒng)影響到塑件是否翹曲變形，在使用過程中可以將模具的冷卻系統(tǒng)當(dāng)成是一個(gè)熱交換器，當(dāng)熔體溫度產(chǎn)生熱量，通過熱傳導(dǎo)將冷卻液帶走。模具冷卻系統(tǒng)的質(zhì)量由冷卻時(shí)間長(zhǎng)短決定，冷卻時(shí)間越短，成型時(shí)間越短，模具的型芯和型腔表面的溫度分布就越均勻。薄壁塑件發(fā)生變形的另外一個(gè)重要因素是模具澆筑系統(tǒng)中的澆口位置設(shè)置以及冷卻系統(tǒng)設(shè)置是否合理，這些都是影響熔體充填狀態(tài)的重要因素，容易導(dǎo)致塑件發(fā)生不同程度的變形。薄壁塑件的流長(zhǎng)比較大的情況下，流動(dòng)的距離就會(huì)越遠(yuǎn)，流動(dòng)過程中所引起的內(nèi)應(yīng)力也就越大，因此發(fā)生變形的幾率就越大；當(dāng)熔體的流動(dòng)距離短時(shí)，整個(gè)型腔過程的時(shí)間就會(huì)變短，凍結(jié)層厚度減薄，內(nèi)應(yīng)力減小，因此發(fā)生變形的幾率也會(huì)降低。另外，冷卻系統(tǒng)設(shè)置不合理也會(huì)造成型芯與型腔的溫度差變大，從而導(dǎo)致塑件冷卻不均勻而發(fā)生變形，影響塑件發(fā)生變形的因素很多，一定要保證模具的型芯和型腔的表面溫度分布均勻。
2薄壁注塑成型工藝研究
2.1塑件
CAE分析有限元建模以某汽車安全氣囊蓋為研究對(duì)象，該塑件是外殼裝配件，因此對(duì)裝配的精度要求較高。塑件整體卷翹變形尺寸在1mm的范圍內(nèi)對(duì)裝配的影響最小，且外觀裝配更加美觀，如果長(zhǎng)度與厚度的比值大于流長(zhǎng)比，則薄壁塑件是比較合理規(guī)范的。對(duì)薄膜塑件進(jìn)行三維模型處理，并采用IGES格式導(dǎo)入到入Moldflow軟件中，隨后對(duì)雙面網(wǎng)格進(jìn)行劃分，建立有限元模型。在進(jìn)行塑料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)工藝性的要求，需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行倒圓角處理。圓角處理雖然具有一定效果，但是在有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，進(jìn)行圓角處理會(huì)影響到網(wǎng)格的劃分質(zhì)量，降低網(wǎng)格的匹配率，當(dāng)網(wǎng)格匹配率低于50%時(shí)會(huì)導(dǎo)致分析失敗，網(wǎng)格匹配率要達(dá)到90%以上才能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量。根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)和外觀，對(duì)薄壁模具采用潛伏式澆口，可以減少澆口對(duì)外觀所造成的影響，采用Moldflow進(jìn)行注塑模擬仿真分析，得到最佳的澆筑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。在注塑成型過程中，塑料熔體的流動(dòng)性對(duì)薄壁塑件充填是否順利十分重要，因此選擇流動(dòng)性好的塑料進(jìn)行充填，可以保證塑件的質(zhì)量。ABS塑件具有較強(qiáng)的抗沖擊性，而且尺寸穩(wěn)定性好，基本性能參數(shù)如表1所示。
2.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
采用Moldflow軟件對(duì)模薄膜注塑進(jìn)行模擬，可以看到注塑成型的變形過程。在成型過程中，通過對(duì)產(chǎn)生的因素進(jìn)行分析和優(yōu)化，可以得到成型工藝參數(shù)，參考工藝參數(shù)，可以降低塑件變形的概率。本實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)塑件的翹曲變形量進(jìn)行分析后，得到熔體溫度與模具溫度，并根據(jù)參數(shù)的范圍選擇平均水平，并進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示，根據(jù)表中數(shù)據(jù)在Moldflow軟件中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并記錄模擬結(jié)果。
3薄壁注塑模具變形分析
3.1注塑模具有限元模型建立
以上述汽車安全氣囊蓋為例，將注塑模具作為分析對(duì)象，對(duì)薄壁注塑模具展開分析模具在成型時(shí)，對(duì)注塑壓力和熔體溫度要求較高，因此根據(jù)塑件的外形尺寸，利用PRO/E建立三維裝配設(shè)計(jì)，三維尺寸為4.5cm×3.5cm×3.52cm。在對(duì)注塑模具進(jìn)行有限元分析之前，要對(duì)其進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格精度影響著有限元分析的結(jié)果。對(duì)注塑模具去除特征上的圓角后，導(dǎo)入模型進(jìn)行ANSYS分析，得到簡(jiǎn)化后的模具。簡(jiǎn)化后的注塑模具其零件材料和材料基本屬性數(shù)據(jù)如表3所示。
3.2薄壁注塑模具熱力耦合分析
在薄壁注塑成型的過程中，模具的溫度場(chǎng)會(huì)影響到熔體，溫度過高或者過低都會(huì)造成塑件出現(xiàn)質(zhì)量問題。通過對(duì)注塑模具溫度場(chǎng)進(jìn)行分析后，可以得到模具的溫度場(chǎng)分布云圖，得到設(shè)計(jì)合理得冷卻系統(tǒng)，完成對(duì)溫度場(chǎng)的優(yōu)化，從而達(dá)成塑件冷卻的目的。由于注塑成型填充對(duì)模具溫度場(chǎng)的變化速度有一定要求，假設(shè)熔體的溫度正常，則需要展開對(duì)熱換熱系數(shù)的研究，同時(shí)還要考慮到模具的熱傳導(dǎo)在模具中的對(duì)流換熱反映，從而得到有限元分析的初始邊界條件參數(shù)，就如表4所示。為了獲得模具溫度場(chǎng)的整體分布效果不受溫度的影響，需要對(duì)模具進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬分析，當(dāng)模具的自然冷卻時(shí)間為25s時(shí)，模腔的溫度為130℃，不符合要求；當(dāng)自然冷卻時(shí)間為2min時(shí)，模腔溫度為88℃時(shí)，符合要求。模腔溫度分布不均，說明注塑模具容易受到空氣的自然對(duì)流散熱作用的影響，讓模具的溫度降低，隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，溫度下降。當(dāng)模具沒有冷卻系統(tǒng)時(shí)，需要靠自然冷卻的方法降低溫度，容易影響注塑成型的效果。注塑模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系到模腔表面冷卻的效果，同時(shí)也關(guān)系到了塑件成型過程中的質(zhì)量。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性可以降低塑件因冷卻不均而發(fā)生的收縮變形，在自然條件下冷卻模腔表面的溫度場(chǎng)容易出現(xiàn)頂出不均的情況。薄壁注塑模具在注塑成型時(shí)需要較高的注塑壓力和速率，以保證模具的剛性。成型過程很復(fù)雜，需要注意高壓作用、鎖模力作用、高溫作用、應(yīng)力作用以及集中作用這幾項(xiàng)作用因素。因此在進(jìn)行模具熱力耦合分析時(shí)，需要考慮到型腔壓力以及溫度載荷作用所受到的影響，以載荷作為初始邊界條件，對(duì)模具的整體強(qiáng)度與剛度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過使用模具熱力耦合分析對(duì)模具溫度進(jìn)行分析后，將分析的結(jié)果傳遞給ANSYS進(jìn)行分析，得到模具在溫度載荷的作用下對(duì)模具變形所產(chǎn)生的影響。
4結(jié)語(yǔ)
使用ANSYS模擬，對(duì)薄膜注塑模具的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了分析，為冷卻系統(tǒng)方案的布置提供了根據(jù)，并在冷卻系統(tǒng)的作用下對(duì)模具進(jìn)行了熱力耦合分析。在注塑成型過程中，分析了壓力對(duì)模具型腔所帶來的影響，通過熱力耦合分析，獲取模腔的變形原因，為實(shí)際生產(chǎn)模具提供了參考。
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作者:王君 單位:長(zhǎng)治職業(yè)技術(shù)學(xué)院