薄壁注塑模具設(shè)計中有限元分析
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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，需要極高的注塑壓力和熔體溫度，如果內(nèi)部溫度場分布不均，會造成結(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的溫度差不均勻，會導(dǎo)致模具的變形。因此，分析薄壁注塑模具在設(shè)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(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)品的成型時間和翹曲變形。模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)就是根據(jù)冷卻的時間周期進(jìn)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(fā)生變形。因此，對整個模具澆筑系統(tǒng)中的澆口位置進(jìn)行設(shè)計，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)計中的影響因素
1.1成型工藝參數(shù)對模具變形的影響
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)的冷卻時間增加會降低生產(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，塑料的熔體在充填的過程中就會形成凝結(jié)層，當(dāng)凝結(jié)層的厚度增加，會妨礙熔體的流動，從而發(fā)生質(zhì)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(jìn)行充填會導(dǎo)致流動性變差，增加阻力，產(chǎn)生的溫差也會讓塑件的應(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(jié)構(gòu)設(shè)計對翹曲變形的影響
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(fā)生變形的另外一個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。薄壁塑件的流長比較大的情況下，流動的距離就會越遠(yuǎn)，流動過程中所引起的內(nèi)應(yīng)力也就越大，因此發(fā)生變形的幾率就越大；當(dāng)熔體的流動距離短時，整個型腔過程的時間就會變短，凍結(jié)層厚度減薄，內(nèi)應(yīng)力減小，因此發(fā)生變形的幾率也會降低。另外，冷卻系統(tǒng)設(shè)置不合理也會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(nèi)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(guī)范的。對薄膜塑件進(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)計時，根據(jù)工藝性的要求，需要對產(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，進(jìn)行圓角處理會影響到網(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%時會導(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(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(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
采用Moldflow軟件對模薄膜注塑進(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(jù)塑件的外形尺寸，利用PRO/E建立三維裝配設(shè)計，三維尺寸為4.5cm×3.5cm×3.52cm。在對注塑模具進(jìn)行有限元分析之前，要對其進(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(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，模具的溫度場會影響到熔體，溫度過高或者過低都會造成塑件出現(xiàn)質(zhì)量問題。通過對注塑模具溫度場進(jìn)行分析后，可以得到模具的溫度場分布云圖，得到設(shè)計合理得冷卻系統(tǒng)，完成對溫度場的優(yōu)化，從而達(dá)成塑件冷卻的目的。由于注塑成型填充對模具溫度場的變化速度有一定要求，假設(shè)熔體的溫度正常，則需要展開對熱換熱系數(shù)的研究，同時還要考慮到模具的熱傳導(dǎo)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(shù)，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(jìn)行溫度場的模擬分析，當(dāng)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(dāng)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(dāng)模具沒有冷卻系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計的合理性直接關(guān)系到模腔表面冷卻的效果，同時也關(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容易出現(xiàn)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(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，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(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模具變形所產(chǎn)生的影響。
4結(jié)語
使用ANSYS模擬，對薄膜注塑模具的溫度場分布進(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:長治職業(yè)技術(shù)學(xué)院