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齐婧妍,张黎君
(河南应用技术职业学院，河南 郑州 450042)
注塑成型是目前最常用的塑料制品加工方法之一[1]。由于塑料制品的应用越来越广泛，传统的手工模具设计制造的缺陷日益明显。CAE技术的应用应运而生[2]，其中，Moldflow[3]的应用正逐步取代传统依赖经验和试错的模具设计，并取得了明显的经济效益。
本文结合已有的实验室样条模型，创建了实验室样条设计方案并利用Moldflow软件进行模流分析，展开了注塑模具的相关研究。
1.1 制品建立
根据实验要求，用Pro/E软件建立制品三维模型如图1所示，其尺寸参数为：长150 mm，外边宽20 mm，中边宽10 mm，厚5 mm。
图1 样条模型示意图
1.2 网格划分
将塑件CAD模型导出为.STL格式，然后导入Moldflow中，最后对模型进行自动网格划分，结果如图2所示。网格划分完成后进行下一步工作网格统计。网格划分的最终结果：最大纵横比2.36，最小纵横比1.16，平均纵横比1.43，匹配率99.6%，无孤立节点、自由边界、相交错误、零厚度单元等问题。结果表明，网格划分的质量足以满足填充翘曲等分析的要求。
图2 网格划分结果
1.3 设置浇口
根据现有模具的成型条件，浇口位置和型腔排布应与实际生产一致，即一腔两模结构设计，根据实际样条成型条件做出的Moldflow模型如图3所示。其中，样条圆锥所指位置为浇口位置，除样条外还有两条模具自带的矩形状小样条，主要分析填充是否有缺陷。
图3 浇口位置设置
1.4 浇注系统的设计
为满足实际需要建立浇注系统，流道模型如图4所示。浇注系统的设计对整个模具的流动性影响很大，必须保证其有很好的连通性，手动建立的流道系统如图5所示，该流道系统采用梯形截面设计，上底为3 mm，下底为5 mm，高3 mm。
图4 流道系统模型
1.5 冷却系统的设置
常见的冷却水道形状有“工”字型、“口”字型、“S”型等几种[4]，冷却水道的形状需要根据塑件的结构和加工工艺的难易程度来确定。根据实际生产情况设置的冷却回路如图6所示。
图5 流道系统的建立
图6 冷却回路示意图
1.6 模具整体造型
根据实际模具情况，经过以上样条建模、型腔排布、浇口选择、流道系统设置以及冷却回路的设置，做出整体模具造型如图7所示。
图7 模具造型
2.1 成型工艺的选择
2.1.1 材料的选择
根据成型需要，选择的两种材料分别为Formosa Plastic：
8050、 Taiwan PP Globalene 6331，如图8所示。主要因为在实际生产中，两者推荐工艺有些许相似，在温度控制上能很快达到要求，且两种材料相对容易买到；
两种材料都是高结晶材料，也是易结晶材料。由于结晶度高(HDPE:80%～95%，PP:>70%)，在后续实验中，除了做翘曲分析外，还可以做结晶性分析。
图8 成型材料
2.1.2 成型工艺条件
成型过程中，一般用料筒温度、喷嘴温度、模具温度、注射压力、保压压力、螺杆转速、注射速度、锁模力，以及熔料温度进行成型控制。在Moldflow中将翘曲量作为质量指标，测试注射工艺参数对翘曲量的影响，以此评价分析方案的准确性，设置参数包含了熔体温度、保压时间、模具温度、注射时间、冷却时间。
2.1.3 注塑机的选择
考虑到实验制品的布置设计，并综合考虑理论注塑容量和锁模力，拟采用TW1580 AIII-J3注塑机，最大锁模力为1 500 kN，最大注射压力为137 MPa。以期各项性能均可达到样品注塑充模的需要。
2.1.4 正交实验设计与记录
以PP为例，根据推荐工艺参数与实际生产中可设置参数的选择，做出正交实验设计与记录，如表1和表2所示。
表1 水平因子取值
表2 正交实验表
从表2可以看出，5个成型工艺参数对翘曲量指标影响程度从大到小依次为：C>A>D>E>B，即填充时间对翘曲量指标影响最大，熔体温度和保压时间影响次之，冷却时间和模具温度影响最小。工艺参数的最佳水平组合：A4-B2-C3-D1-E4，即熔体温度250 ℃，模具温度50 ℃，填充时间0.9 s，保压时间56.7 s，冷却时间76 s。
图9所示为用游标卡尺测量软件推荐工艺注塑得到的样条尺寸，结果为149.28 mm，该样条x方向的翘曲量为0.72 mm。表2中的翘曲数值也是按照这种方法测出来的，虽然会有一些误差的存在，但总体趋势表明：按照软件推荐的注塑工艺注塑出来的产品翘曲量最小。
图9 推荐工艺生产的样条尺寸
由正交实验表(表2)各组实验的设定，分析其在Moldflow软件中翘曲量的大小，并与实际生产所得结果进行比较，可验证软件的精准性。
3.1 填充模拟
以Taiwan PP Globalene 6331材料为例进行软件注塑模拟，填充结果如图10所示。灰色部分表示流道系统，黑色部分表示填充状态，分析显示4个填充区域能够完全填充满，制品无缺料、表面凹凸不平等缺陷。
图10 填充区域
3.2 翘曲分析
翘曲主要是由冷却不均匀、收缩不均和取向效应等内部残余应力不均匀导致的[5-6]。
3.1.1 整体翘曲情况
为了方便比较软件模拟与实际生产结果的差异，从而验证软件的预测准确性，模拟应与实际测量的翘曲方向保持一致，即与取样条(如图11)x方向上的翘曲做分析比较。
图11 x方向上的变形
图11采用的工艺参数为Moldflow推荐的参数，填充、保压、冷却都是软件随机生成。从图11可知，x方向的最大翘曲量为0.713 1 mm，与正交实验中所得结果0.72 mm相比，在允许误差范围之内。
3.2.2 翘曲原因分析
在进行翘曲分析之前，首先在【工艺设置向导】栏目下【翘曲分析】中选取了【分离翘曲原因】一项，因为翘曲原因比较多，除了开模时顶杆顶出的外应力之外，其内部翘曲原因主要有冷却不均、收缩不均、取向效应3种，如图12～14所示。
图12 冷却不均造成的翘曲
图13 收缩不均造成的翘曲
图14 取向效应造成的翘曲
图11展示的是在x方向的总体翘曲量，最大值为0.713 1 mm。图12中的翘曲是由冷却不均引起的，图中显示冷却不均造成的翘曲量为0 mm。图13表示的是由收缩不均造成的翘曲，最大翘曲量为0.713 1 mm。图14表示的是由取向效应造成的翘曲，显示取向效应造成的翘曲也是0 mm。由图11～14可知：收缩不均是翘曲的主要原因。
3.3 软件精准性分析
在实际测量和模拟分析样条的过程中可以发现，虽然测量的和模拟的结果会有一点误差(误差也许是实际生产中操作不当造成的)，但总体趋势还是相同的。实际翘曲与模拟的翘曲基本一致，使用软件推荐的注塑工艺在实际生产中能够达到优化的结果，这就为塑料行业的生产提供了有力的技术指导，提前预测生产中会出现的制品缺陷，能及时调整工艺参数以达到理想生产状态。
本文采用Moldflow软件模拟实验样条的注塑成型过程，分析填充情况和翘曲量大小，并与实际生产出的样条作对比找出翘曲原因，验证Moldflow软件的准确性。结合正交实验改善工艺参数,其对实际生产中工艺条件的控制、模具的改良都有一定的指导作用。使用正交实验方法优化成型参数，工艺参数的最佳水平组合为：A4-B2-C3-D1-E4，即熔体温度250℃，模具温度50℃，填充时间0.9 s，保压时间56.7 s，冷却时间76 s。在模具设计中，合理地使用CAE/Moldflow技术可节约设计时间和成本，提高准确率。
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