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摘要：薄壁注塑成型技術是在普通注塑成型技術的基礎上發展起來的，隨著塑料制品的薄壁化，用戶對塑料制品的質量、成本以及性能有了更高的要求。在薄壁注塑成型時，需要極高的注塑壓力和熔體溫度，如果內部溫度場分布不均，會造成結構的收縮或膨脹。如果注塑模具的內部部件與外部溫度場的溫度差不均勻，會導致模具的變形。因此，分析薄壁注塑模具在設計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。
關鍵詞：薄壁注塑；模具；ANSYS；熱力耦合
0引言
模具的冷卻系統和澆注系統影響著塑件的成型質量，模具中的冷卻系統影響著產品的成型時間和翹曲變形。模具冷卻系統設計的標準就是根據冷卻的時間周期進行評判，冷卻時間越短，則成型周期越短。塑件在注塑成型過程中，如果冷卻不均勻，會引起塑件發生變形。因此，對整個模具澆筑系統中的澆口位置進行設計，保證冷卻系統布置的合理性，是讓薄壁塑件不發生變形的關鍵因素。只有保證模具的型芯與型腔的溫度均勻，才不會因過大壓力而造成薄膜塑件發生變形。
1薄壁注塑模具設計中的影響因素
1.1成型工藝參數對模具變形的影響
成型工藝參數是影響薄壁塑件發生變形的主要因素，在注塑成型過程中，聚合物熔體的冷卻時間與模具的溫度有極大關聯，模具的溫度越高，則熔體的冷卻速度越低，從而導致塑件收縮加大。系統的冷卻時間增加會降低生產效率，在薄壁注塑成型過程中，如果塑件的壁厚偏小，當溫度偏低時，塑料的熔體在充填的過程中就會形成凝結層，當凝結層的厚度增加，會妨礙熔體的流動，從而發生質量問題。熔體溫度的高度對于塑料的充填過程十分重要，溫度過低進行充填會導致流動性變差，增加阻力，產生的溫差也會讓塑件的應力發生變化，從而造成塑件的翹曲變形。熔體溫度高的情況下會增加熔體流動性，讓整個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模具結構設計對翹曲變形的影響
模具注塑的過程中，冷卻系統和澆注系統關系到塑件的成型質量，模具的冷卻系統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當成是一個熱交換器，當熔體溫度產生熱量，通過熱傳導將冷卻液帶走。模具冷卻系統的質量由冷卻時間長短決定，冷卻時間越短，成型時間越短，模具的型芯和型腔表面的溫度分布就越均勻。薄壁塑件發生變形的另外一個重要因素是模具澆筑系統中的澆口位置設置以及冷卻系統設置是否合理，這些都是影響熔體充填狀態的重要因素，容易導致塑件發生不同程度的變形。薄壁塑件的流長比較大的情況下，流動的距離就會越遠，流動過程中所引起的內應力也就越大，因此發生變形的幾率就越大；當熔體的流動距離短時，整個型腔過程的時間就會變短，凍結層厚度減薄，內應力減小，因此發生變形的幾率也會降低。另外，冷卻系統設置不合理也會造成型芯與型腔的溫度差變大，從而導致塑件冷卻不均勻而發生變形，影響塑件發生變形的因素很多，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象，該塑件是外殼裝配件，因此對裝配的精度要求較高。塑件整體卷翹變形尺寸在1mm的范圍內對裝配的影響最小，且外觀裝配更加美觀，如果長度與厚度的比值大于流長比，則薄壁塑件是比較合理規范的。對薄膜塑件進行三維模型處理，并采用IGES格式導入到入Moldflow軟件中，隨后對雙面網格進行劃分，建立有限元模型。在進行塑料產品結構設計時，根據工藝性的要求，需要對產品進行倒圓角處理。圓角處理雖然具有一定效果，但是在有限元網格劃分時，進行圓角處理會影響到網格的劃分質量，降低網格的匹配率，當網格匹配率低于50%時會導致分析失敗，網格匹配率要達到90%以上才能夠保證產品的質量。根據塑件的結構和外觀，對薄壁模具采用潛伏式澆口，可以減少澆口對外觀所造成的影響，采用Moldflow進行注塑模擬仿真分析，得到最佳的澆筑系統和冷卻系統。在注塑成型過程中，塑料熔體的流動性對薄壁塑件充填是否順利十分重要，因此選擇流動性好的塑料進行充填，可以保證塑件的質量。ABS塑件具有較強的抗沖擊性，而且尺寸穩定性好，基本性能參數如表1所示。
2.2實驗方案設計
采用Moldflow軟件對模薄膜注塑進行模擬，可以看到注塑成型的變形過程。在成型過程中，通過對產生的因素進行分析和優化，可以得到成型工藝參數，參考工藝參數，可以降低塑件變形的概率。本實驗中，通過對塑件的翹曲變形量進行分析后，得到熔體溫度與模具溫度，并根據參數的范圍選擇平均水平，并進行正交實驗，正交實驗參數如表2所示，根據表中數據在Moldflow軟件中進行模擬實驗，并記錄模擬結果。
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象，對薄壁注塑模具展開分析模具在成型時，對注塑壓力和熔體溫度要求較高，因此根據塑件的外形尺寸，利用PRO/E建立三維裝配設計，三維尺寸為4.5cm×3.5cm×3.52cm。在對注塑模具進行有限元分析之前，要對其進行有限元網格劃分，網格精度影響著有限元分析的結果。對注塑模具去除特征上的圓角后，導入模型進行ANSYS分析，得到簡化后的模具。簡化后的注塑模具其零件材料和材料基本屬性數據如表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，模具的溫度場會影響到熔體，溫度過高或者過低都會造成塑件出現質量問題。通過對注塑模具溫度場進行分析后，可以得到模具的溫度場分布云圖，得到設計合理得冷卻系統，完成對溫度場的優化，從而達成塑件冷卻的目的。由于注塑成型填充對模具溫度場的變化速度有一定要求，假設熔體的溫度正常，則需要展開對熱換熱系數的研究，同時還要考慮到模具的熱傳導在模具中的對流換熱反映，從而得到有限元分析的初始邊界條件參數，就如表4所示。為了獲得模具溫度場的整體分布效果不受溫度的影響，需要對模具進行溫度場的模擬分析，當模具的自然冷卻時間為25s時，模腔的溫度為130℃，不符合要求；當自然冷卻時間為2min時，模腔溫度為88℃時，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流散熱作用的影響，讓模具的溫度降低，隨著冷卻時間的延長，溫度下降。當模具沒有冷卻系統時，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。注塑模具冷卻系統設計的合理性直接關系到模腔表面冷卻的效果，同時也關系到了塑件成型過程中的質量。冷卻系統設計的合理性可以降低塑件因冷卻不均而發生的收縮變形，在自然條件下冷卻模腔表面的溫度場容易出現頂出不均的情況。薄壁注塑模具在注塑成型時需要較高的注塑壓力和速率，以保證模具的剛性。成型過程很復雜，需要注意高壓作用、鎖模力作用、高溫作用、應力作用以及集中作用這幾項作用因素。因此在進行模具熱力耦合分析時，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，對模具的整體強度與剛度進行實驗。通過使用模具熱力耦合分析對模具溫度進行分析后，將分析的結果傳遞給ANSYS進行分析，得到模具在溫度載荷的作用下對模具變形所產生的影響。
4結語
使用ANSYS模擬，對薄膜注塑模具的溫度場分布進行了分析，為冷卻系統方案的布置提供了根據，并在冷卻系統的作用下對模具進行了熱力耦合分析。在注塑成型過程中，分析了壓力對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，為實際生產模具提供了參考。
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作者:王君 單位:長治職業技術學院