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塑料模具 |
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基于注塑模CAE的显示器底座壁厚优化 |
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作者：内蒙古工业大学 王金龙 王鹏程 |
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0 引言
注塑制品的质量主要取决于注射成型过程，塑料熔体注入模具后的流动行为在决定制品质量方面具有重要意义，因此对充模过程进行有效地分析是非常必要的。注射过程流动分析的目的是预测塑料熔体注入模具型腔时的流动情况，从而判断熔体流动给注塑件质量带来的影响【1】。本文应用华塑CAE（HSCAE 3DRF5.1）模拟软件对计算机显示器底座进行注塑充模流动模拟分析，优化制品设计，确定制品的最佳壁厚成型范围及最小壁厚值。
1 计算机显示器底座的几何造型和网格划分
1.1 几何造型
运用Pro/Engineer2000i 软件对计算机显示器底座进行了三维实体造型，三维实体图如图1 所示。制件长度247mm，宽度200mm，高度34.1mm，最大壁厚为4.84037mm，最小壁厚为0.279156mm。本注塑件选择材料为聚苯乙烯（PS）。考察HSCAE 的材料库，共有55种牌号的聚苯乙烯，选择牌号YANSHAN 666D，其粘度值在各种牌号中居中下等。
图1 计算机显示器底座实体图
(a) 上表面 (b) 下表面
图2 计算机显示器底座三角形网格划分
1.2 网格划分【2，3】
有限元网格的划分是模拟软件进行分析的基础。HSCAE 采用STL文件格式传送塑件几何模型。在划分有限元网格时应根据模型的大小及复杂程度，选择合适的有限单元密度。从Pro/Engineer 中转换输出STL 文件，有两个参数需要选择，其中“Chord Height”（弦高）表示三角形逼近的绝对误差，“Angle Control”表示三角形平面与其逼近的曲面切平面夹角的余弦。本文中将计算机显示器底座三维模型转化为STL文件所选择的参数为：“Chord Height”——0.05mm，“Angle Control”——0.5，得到的网格划分如图2 所示，HSCAE 软件进行重整细化后的顶点数为7483 个，面片数为14978 个，能够满足精度的要求。
2 模拟方案制定
本文是对计算机显示器底座的壁厚进行优化设计。首先利用壁厚与流程的关系计算出塑件能够成型的最小壁厚值， 然后根据资料推荐的成型时合理的壁厚范围，确定5 个壁厚值。 对上述6个壁厚值分别按照正交法得出其最优的模拟结果，然后对得到的6个最优模拟结果进行分析对比，最终得到塑件的最佳壁厚成型范围值。
2.1 浇口和流道设计【4】
PS 可以采用各种形式的进料口，在对本注塑件模拟过程中，由于该件的壁厚不是很均匀，所以选择了直接浇口形式。为了使塑料熔体能够均衡的充满型腔，选择浇口位置为（-27，18，0）。因为采用的是直接浇口形式，因此流道的设计部分只需要设计主流道，具体尺寸为：大端直径为8mm，锥角为4°，流道长度为60mm，小端直径为4mm。
2.2 壁厚值的确定
2.2.1 最小壁厚值的确定
PS 属于流动性较好的材料，利用壁厚与流程的关系式S=（L/100 +0.5）×0.6（其中L为流程，由该塑件几何关系可得L=167.6mm）可以得到该塑件成型的最小壁厚值S≈1.3mm。将制件的主要壁厚改变为1.3mm，得到制件的平均厚度为1.57754mm。
2.2.2 在合理的壁厚范围内选取模拟值
对于材料为PS 的一般注塑制品，壁厚推荐值为2.25～2.60mm【5】。因为此注塑件的壁厚不很均匀，模拟中通过改变制件的主要壁厚，将制件的平均壁厚控制在推荐值范围内。主要壁厚值的选取分5级，分别为2.7mm、2.85mm、3mm、3.15mm、3.3mm，得到相应的制品平均壁厚分别为2.29101mm、2.3972mm、2.45497mm、2.52095mm、2.58047mm。因此共有6个壁厚值需模拟分析。
2.3 工艺参数的确定
模拟中考虑了七个注塑工艺参数。
①注射时间【4,5】: 熔体的注射时间Tf 可以由模具所需要的冷却时间Tc 来估计：
②保压时间：根据PS 的保压时间与成型收缩率的关系曲线【6】，取保压时间范围为：10～25S。
③最大注射压力：PS 属于粘度不高的塑料，并且本文所选制品的形状不是非常复杂，精度要求也一般，所以注射压力范围取60～90MPa。
④保压压力：根据最大注射压力和聚苯乙烯的性能，选取保压压力为40MPa。
⑤注射温度 ⑥模具温度：根据HSCAE 软件提供数据，在模拟过程中我们选取注射温度范围为：190～250℃，模具温度范围为：20～50℃。
⑦空气温度：选取室温20℃
2.4 模拟方案的确定
为了对6 种壁厚值分别给出最佳模拟方案，本文采用了正交实验法。分析7 个工艺参数，其中保压压力40MPa 和空气温度20℃给出固定值，其它5 个工艺因素都是给出了一定的范围，对这5个因素分别确定4个水平,见下表。注塑工艺参数5 因素4水平表
 采用5 因素4 水平正交表设计模拟方案。每种壁厚值需进行16 次流动模拟分析，6 种壁厚值共需完成96 次流动模拟分析。
3 模拟结果分析
在6 个不同壁厚值的16 种方案中根据模拟结果选定的最佳模拟方案如下表。
3.1 型腔内熔体流动前沿分布状态
经过反复运行三维流动模拟软件，通过反复修改浇口的位置，最终选定在位置（-28，17，0）处设置浇口。在该位置设置浇口，熔体流动情况较平衡。
3.2 熔接痕和气穴位置
流动模拟软件可以为用户准确地预测熔接痕和气穴的位置。经模拟分析可知，当平均壁厚为最小值1.57754mm时，制品上产生的熔接痕最多，而其它5 个壁厚值时的熔接痕数量明显减少，其中以平均壁厚为2.45497mm 和2.52095mm 时，熔接痕数量最少。图3 给出了平均壁厚为1.57754mm时的熔接痕和气穴位置示意图。
3.3 型腔内熔体温度分布状态
流动模拟软件还可模拟型腔内熔体在填充过程中的温度场。经模拟分析可知平均壁厚为2.29101mm、2.3972mm、2.45497mm 和2.58047mm时，在制件的局部位置上都出现了温度明显偏高的现象，这会使得制件在这些部位形成局部热点，对制件的成型质量是不利的。其中平均壁厚为2.29101mm时，制件的温度分布很不均匀，制品表面温差的最大值已经达到了120℃左右，这会引起制品的翘曲变形。当平均壁厚为1.57754mm 和2.52095mm 时，温度分布比较均匀，制品表面最大温差在60℃以内。
3.4 型腔内熔体压力分布状态
流动模拟软件还能给出在熔体填充过程中模具所需的最大锁模力，以便用户选择注射机。分析该塑件在保压结束后型腔内熔体压力分布结果，可以得到：
①当平均壁厚为最小值1.57754mm 时，在16种模拟方案中有5个方案发生了短射现象，其共同点是注射温度较低。因此当该塑件选取最小壁厚值成型时应适当增加注射温度。
②比较其它5个壁厚值保压完毕时的压力分布状态，其中以平均壁厚为2.29101mm和2.45497mm时模拟结果最为理想，制品表面压力梯度小，而且非常均匀。其余三个壁厚值时的模拟结果在局部位置都出现了压力不均现象，这会使得塑件在该部位发生翘曲变形。
③6 个不同壁厚值的塑件体积由小到大依次为：156.455cm3、228.477 cm3、239.075 cm3、245.816 cm3、251.699 cm3、257.673 cm3。对6 个塑件分别进行模拟，得到的锁模力最大值均为200MPa，因此可以选用G54-S200/400 型号的注射机，其公称注射量为200～400 cm3，锁模力为254MPa，能够满足注射要求。
3.5 型腔中熔体的剪切应力分布状态
熔体的剪切应力值不应过大，以避免制品翘曲或开裂。根据经验，熔体在填充型腔时所承受的剪切应力不应超过该材料抗拉强度的1％。经模拟分析可知，平均壁厚为2.29101mm、2.3972mm、2.45497mm 和2.58047mm 时，制品表面局部区域剪切应力值偏高，最大应力值分别为3.19MPa、3.83MPa、3.48MPa 和5.30MPa。当平均壁厚为1.57754mm和2.52095mm时，制品表面剪切应力分布状况良好，最大剪切应力值仅为0.15MPa 左右。
3.6 型腔中熔体的剪切速率分布状态
剪切速率对熔体流动过程影响很大。实验表明，在剪切速率为103S-1 左右成型，制品的质量最佳。流道处熔体剪切速率的推荐值为5×102～5×103S-1，浇口处熔体剪切速率的推荐值为104～105S-1。流动软件能够给出不同填充时刻型腔各处的熔体剪切速率，经模拟分析可知，当平均壁厚为2.3972mm和2.58047mm时，制品表面局部区域剪切速率过大，最大值分别为1.6×104S-1 和1.1×104S-1，这种剪切速率分布不均匀的现象会使熔体分子产生不同程度的取向，因而收缩不同，导致制品翘曲。在其它四个壁厚的模拟结果中，剪切速率最大值都在103S-1左右，且分布均匀，其中尤以平均壁厚为2.52095mm时结果最为理想，保压结束后制品表面剪切速率接近于0，浇口处剪切速率最大，流道处剪切速率与制品表面相差不多。
3.7 制品的收缩指数
在模具设计中确定模腔尺寸时应考虑制品的收缩指数，因而在模拟中给出制品的收缩指数是非常有意义的。经模拟分析可知，在制品的平均壁厚为1.57754mm、2.29101mm、2.3972mm和2.58047mm时，制品表面收缩非常不均匀。而当平均壁厚为2.45497mm 和2.52095mm 时，制品表面的收缩比较均匀，且最大收缩指数都在0.04左右。
4 总结
本文选择计算机显示器底座为研究对象，运用正交试验法，利用HSCAE 软件对其壁厚进行了优化设计，现总结分析如下：
（1）当选择最小壁厚值成型该塑件时，即主要壁厚为1.3mm（平均厚度为1.57754mm）时，16 个模拟方案中有5 个方案发生了短射现象，即熔体不能充满型腔。而其它11个方案虽可成型，但是制品的成型质量差，且保压结束后制品表面的压力分布以及收缩指数也很不均匀。因此，该塑件最好不采用最小壁厚值成型。
（2）比较其它5 个壁厚值时的成型效果,可知当将主要壁厚修改为3mm（平均壁厚为2.45497mm）和3.15mm（平均壁厚为2.52095mm）时，制品成型质量最佳，其制品表面熔接痕非常少，且温度场、压力场、剪切力场、剪切速率场和收缩指数较其它3个壁厚值时的成型效果更为均匀、合理。但其也有不足的地方，如平均壁厚为2.45497mm时，制品表面的局部区域温度高、剪切应力大，不过范围很小。平均壁厚为2.52095mm 时，在浇口周围压力分布不是十分均匀，但其压力差不超过2MPa。而选择其它三个壁厚值成型时，塑件表面熔接痕都较多。其中，当将主要壁厚修改为2.7mm时，制品表面温度分布很不均匀，最大温差达到了120℃，且制品表面收缩也很不均匀，这会导致制品发生很大的翘曲变形。当将主要壁厚修改为2.85mm（平均壁厚为2.3972mm）和3.3mm（平均壁厚为2.58047mm）时，制品表面存在局部热点，且压力场、剪切应力场、剪切速率场以及收缩指数都存在局部不均的现象。最终，确定该塑件较为合理的壁厚成型范围为将主要壁厚值设定在3mm（平均壁厚为2.45497mm）～3.15mm（平均壁厚为2.52095mm）左右。
参 考 文 献
[1] 注塑模流动模拟软件的指导意义．HSCAE 3DRF5.1 用户指南
[2] 王健，贺琼义等．塑料模具注射过程分析．天津职业技术师范学院学报．2001，11（4）：16～19
[3] 王从军，郭丽华，黄树魁．CAD 文件的STL 格式转换．计算机辅助设计与制造．2001，（1）：36～37
[4] 李德群，唐志玉主编．中国模具设计大典第2 卷．第一版．南昌：江西科学技术出版社．2003：629
[5] 屈华昌主编．塑料成型工艺与模具设计．第一版．机械工业出版社．2001：42，71
[6] 王善勤主编. 塑料注射成型工艺与设备. 北京：中国轻工业出版社.1997(end)
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(9/20/2005) |
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