塑料窗体填充分析及应用

作者：江苏春兰机械制造有限公司 张晓陆

欢迎访问e展厅 展厅 1 塑料模具展厅 注塑模具, 吹塑模具, 挤出模具, 吸塑模具, 瓶胚模具, ... 在以前传统模具设计制造过程中，由于没有采用专业的CAE软件，在模具制造完毕后要进行多次试模、修模，在许多情况下，还要涉及到设计整体方案的修改，从而对模具进行较大程度的改变，造成反复的修模、试模。而且反复的修模会造成模具内部品质的变化（如出现内应力），导致整副模具的性能降低，从而使最终的塑料制品质量不能达标，这时就存在着模具全部报废的可能。而使用计算机辅助CAE技术不仅可能提高一次试模成功率，而且还可以使模具设计和制造在质量、性能及成本上都有很大程度的提升。使用计算机辅助CAE技术在进行分析前，一定要进行网格缺陷诊断与修复，将最大纵横比下调到8~10，并将整个网格自由边、交叉边、重叠单元及相交单元数变为0，最后检查流道与网格的连通性即可。 计算机辅助工程分析（CAE） CAE技术是一门以CAD/CAM技术水平的提高为发展动力，以高性能计算机和图形显示设备为发展条件，以计算力学中的边界元、有限元、结构优化设计及模态分析等方法理论为基础的一项新的技术。注塑成型过程中，塑料在型腔中的流动和成型与材料的性能、制品的形状、成型温度、成型速度、成型压力、成型时间、型腔表面情况和模具设计等一系列因素有关。因此，对于新产品的试制或是一些形状复杂、质量和精度要求较高的产品，即使是具有丰富经验的工艺和模具设计人员，也很难保证一次成功地设计出合格的模具。所以，在模具基本设计完成之后，可以通过注塑成型分析，发现设计中存在的缺陷，从而保证模具设计的合理性，提高模具的一次试模成功率，降低企业生产成本。注塑成型MOLDFLOW分析的内容和结果为模具设计和制造提供可靠、优化的参考数据，其中主要包括：①浇注系统的平衡，浇口的数量、位置和大小；②熔接痕的位置预测；③型腔内部的温度变化；④注塑过程中的注射压力和熔融料体在填充过程中的压力损失；⑤熔融料体的温度变化；⑥剪切应力、剪切速率。根据注塑成型的MOLDFLOW分析结果，就可以判断模具及其浇注系统的设计是否合理，其中的一些基本原则如下：①各流道的压差要比较小，压力损失要基本一致；②整个浇注系统要基本平衡，即保证熔融料体同时到达，同时填充型腔；③型腔要基本同时填充完毕；④填充时间要尽可能短，总体注射压力要小，压力损失也要小；⑤填充结束时熔融料体的温度梯度不大；⑥熔接痕和气穴位置合理，不影响产品质量。 注塑工艺参数的重要性 在注塑成型生产中，塑料原料、注塑设备和模具是三个必不可少的物质条件，将这三者联系起来并能形成一定的生产能力的技术方法就是注塑成型工艺。通常可以认为影响注塑成型质量的因素很多，但是在塑料原料、注塑机和模具结构确定之后，注塑成型工艺条件的选择和控制，就成为决定成型质量的主要因素。一般来说，整个注塑成型周期中具有三大工艺条件，即温度、压力和时间。注塑成型的温度条件主要是指熔体温度（料温）和模具温度（模温）两方面的内容，其中料温影响熔体塑化和注射充模过程，而模温则同时影响充模和冷却定型。注塑成型过程需要选择和控制的压力包括注射压力、保压压力和塑化压力。其中，注射压力与注射速度相辅相成，对塑料熔体的流动和充模有决定性作用；保压压力和保压时间密切相关，主要影响型腔压力和最终成型质量；塑化压力的大小影响熔体的塑化过程、塑化效果和塑化能力，并与螺杆转速相关。注塑成型周期是指完成一次注塑成型工艺过程所需要的时间，它包含注塑成型过程中的所有时间问题，直接关系到生产效率，主要包括注射时间、保压冷却时间和其它操作时间。在MPI系统中，对于注塑成型工艺的三大影响因素，以及它们之间的相互关系都有很好的表示和控制方法，在分析仿真过程中基本上能够真实地表达。 塑料机壳MPI/Flow分析实例 塑料制件为后窗体，材料为PP+色母，颜色为蓝色，一模一腔。 建模 该塑料制件采用PRO/E软件建模，以STL格式导入到MPI软件中，采用表面模型技术（Fusion）进行分析。值得一提的是该塑料制件由于是栅格件，成型非常困难，为了保证该塑件的成型完整，决定采用多点平衡进料的浇注系统（如图1所示）。 工艺条件 其常用注塑工艺要求为： Conductivity 0.170000 W/m/deg.C SpecificHeat 2760.000000 J/kg/deg.C MeltDensity 0.86023 g/cm3 EjectionTemperature 100.000000 deg.C Melt Temperature Maximum 250.000000 deg.C Melt Temperature Minimum 220.000000 deg.C Melt Temperature Suggested 235.000000 deg.C Generic Mold Temperature Minimum 30.000000 deg.C Generic Mold Temperature Maximum 60.000000 deg.C Generic Mold Temperature Suggested 50.000000 deg.C Melt Temperature Absolute Maximum 280.000000 deg.C Generic Maximum Shear Stress 0.250000 MPa Generic Maximum Shear Rate 50000.000000 1/s Mold Temperature (Target) 50.0 deg.C Melt Temperature 235.0 deg.C Injection Time 2.407 sec Max. Inject Pressure 120 MPa 模拟结果 填充过程的模拟可得到填充时间、填充压力、熔体前沿的温度、转换点压力分布、熔体的流动速度、分子趋向、体积剪切速率及剪切应力、气穴及熔接痕位置等，并直观地显示在计算机屏幕上，从而帮助工艺人员找到产生缺陷的原因。 填充时间分析 由图2可知，填充较为均衡，但从右侧两点浇口填充进去的料稍慢，而点浇口的位置又不能右移至大的外观表面上，这时就需将右侧两点浇口适当加大，以提高产品右侧的成型速度与时间，确保产品填充更为均匀与可靠。 填充压力分析 由图3可知，塑料填充压力为43.93MPa，压力分布较为均匀，只是末端右侧角落处压力稍微偏低，不过通过将右侧两点浇口适当加大就会大大改善右侧的产品成型质量。此处压力指的是喷嘴处的压力，而非注塑时注塑机所能提供的静压。 温度分布分析 由图4可知，料流前锋最大温度降很小，大概为1.1℃，因此不会产生短射和应力集中现象，这也意味着整个塑件的表面质量将会得到非常好的保证。 锁模力变化分析 由图5可见最大缩模力为50吨。 体积剪切速率分析 体积剪切速率必须低于允许值( 许用值：50000 1/sec)，特别是在浇口区域。如果超过这个限制，材料很容易发生降解。由图6体积剪切速率可知，对于这个方案，体积剪切速率根本不存在问题，万一真有可能会产生降解的话，我们则可以通过降低注塑速率和增加浇口的尺寸来解决这个问题。后经过在实践中的运用，证明该方案体积剪切速率不高，材料未发生降解。 墙壁剪切应力分析 图7的结果显示了在填充阶段墙壁剪切应力的分布。除了极小部分区域，大部分区域的值是可以接受的。通常如果该值超过极限0.25MPa，材料在填充阶段将容易出现降解现象。 困气分析 图8结果显示了困气出现的位置。所有的困气都出现在分型面和填充的末端 ，因此气体很容易通过模具的间隙释放出来。 熔接痕分析 熔接痕很容易使产品的强度降低，特别是在产品可能受力的部位产生熔接痕会造成产品结构上的缺陷。同时熔接痕还会造成产品表面质量不过关。由于熔接痕主要产生于熔体的分流汇合，因此，模具的浇注系统对于熔接痕的产生有很大的影响。对此，在模具设计过程应该尽量减少浇口的数量，合理设置浇口位置，加大浇口截面积，设置辅助流道及分流道。但在此副模具设计中，由于该产品为众多的栅格，成型非常困难，必须采用多点进料，为此，减少图9熔接痕数量只有通过其它办法来解决。其解决方法为：①提高熔体的流动性能和料温；②在分流道的末端设置冷料穴；③调整塑件壁厚，尽量保持壁厚的一致性，以免在薄壁处由于充模阻力大而产生熔接痕，从而导致塑件在薄壁处断裂；④改善模具的排气效果。 转换点压力分析 V/P转换点压力是指注塑过程由速度控制向压力控制转换时模具型腔内熔体的压力，转换点的控制对注塑过程有很大影响。如图10所示，V/P转换点位置为43.93MPa。本案例的V/P转换点的设置采用系统自动(Automatic)计算的方式，MPI系统通过计算得到在填充比例为97.66%时(2.28s左右)发生V/P转换，浇口位置处压力在通过转换点后由43.93MPa降为保压压力35.15MPa，在压力控制下熔体继续充满整个型腔。 结束语 MPI/Flow通过对填充过程的模拟分析，有助于工艺人员从本质上找出缺陷产生的原因，并提出消除缺陷的对策与方法，从而缩短新产品的开发周期和费用，提高制品的生产效率和质量，确保生产出优质的塑料制品。(end)

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