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浅析塑料玩具组合型腔流动平衡模拟

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摘要:塑料玩具上下盖组合型腔注塑成型过程中,浇注系统的设计影响熔体流动不平衡,需要优化浇注系统。运用Moldflow软件进行浇口位置、填充及流动平衡分析可以优化浇注系统。通过模拟熔体在型腔的流动情况,比较了三种浇口位置的填充结果,初步优化了浇注系统,得到了初步的流动平衡分析结果。以分析结果为基础,调整了浇注系统的设计,比较了三种浇口尺寸的填充及流动平衡分析。结果表明,优化后的浇注系统,型腔间的填充时间不平衡率低于5%,压力不平衡值小于5MPa,注射位置压力曲线能够稳定上升,有效改善了熔体流动不平衡。

关键词:流动平衡;注塑成型;浇注系统;Moldflow

一模多腔的注塑成型过程中,塑料熔体经浇注系统能够同时充满各型腔,则流动是平衡的,否则流动不平衡[1]。不平衡的流动会导致各型腔产品质量不均一,易产生飞边、短射、产品密度不均及气穴等缺陷[2-4]。为实现流动平衡,对于相同型腔,可以采用自然平衡的浇注系统设计;而对于异型腔,则浇注系统设计相对复杂[5-8]。传统的异型腔模具设计制造主要依靠经验,在试模过程中不断地调整浇注系统设计,尽可能地减小因流动不平衡引起的缺陷问题,致使生产周期较长,成本较高[9-11]。运用CAE技术,可以在异型腔模具制造前进行流动平衡分析,优化浇注系统设计,使塑料熔体同时充满各型腔,缩短生产周期,降低成本[12-15]。因此,以塑料玩具上下盖为研究对象,以填充时间不平衡率和压力不平衡值为评价指标,运用Moldflow软件进行流动平衡分析,优化浇注系统设计,实现异型腔流动平衡的目的。

1玩具上下盖的填充分析

1.1浇口位置的设置运用PROE软件进行玩具上盖及下盖的建模,长×宽×高尺寸分别为135mm×64mm×31.98mm及135mm×64mm×15mm,壁厚均为2mm。材料选用美国Dow化学公司的PC/ABS塑料,无填充物,模具温度及熔体温度分别为70、270℃,其他参数采用默认设置,进行浇口位置分析,结果如图1所示。图1中,数字接近1表示较为理想的区域,接近0表示较差的区域。对于玩具上下盖组合型腔,浇口位置考虑四个方面:第一,不影响产品外观,设置在分型面并采用侧浇口;第二,根据浇口位置分析结果,尽量不选择在数字接近0的较差区域;第三,为实现较小的模具尺寸就能满足设计要求,玩具上下盖均采用纵向布局;第四,流动平衡不仅是型腔间的时间平衡和压力分布均衡,而且要考虑纵向布局时,玩具上下盖的上下两端尽量在同一时间完成填充,以确保产品质量均一。型腔布局如图2所示。图2中,对于玩具下盖,由于上下端近似对称,浇口设置在长度方向中间位置。由此进行填充分析,模具温度及熔体温度分别为70、270℃,其他参数采用默认设置,结果如图3所示。图3中,塑料熔体充满型腔的时间为0.9439s,当填充时间为0.9345s时,上端刚好充满,下端有一小部分尚未充满,时间差为0.094s,大致能够实现上下端在同一时间完成填充。1.1.2玩具上盖因为玩具上盖上下端非对称,为获取较为理想的浇口位置,在长度方向设计3个位置,如图2所示。图2中,对于方案1,浇口在其上下方实体体积相同的位置,即距离上端56.5mm;对于方案2,在长度方向中间位置,即距离上端67.5mm;对于方案3,则距离上端75mm。由此进行填充分析,参数设置则同下盖的分析,结果如图4所示。图4中,对于方案1,塑料熔体充满型腔的时间为1.389s,当填充时间为1.236s时,上端刚好充满,上下端时间差为0.153s,下端未充满的部分较多,流动较为不平衡。对于方案2,塑料熔体充满型腔的时间为1.281s,当填充时间为1.216s时,上端刚好充满,上下端时间差为0.065s,较方案1的小,且未充满部分较方案1的少。对于方案3,塑料熔体充满型腔的时间为1.164s,当填充时间为1.153s时,上下端各有一小部分未完成填充,区域大致相同,上下端流动较为平衡。因此,方案3的浇口位置较为理想。

1.2浇注系统的创建浇口位置确定以后,浇注系统设计如图5所示。图5a中,主流道长度为50mm,小端直径为4mm,大端直径为6mm;通往上盖型腔的一级分流道长度为7.5mm,二级分流道长度为20mm,均为圆形截面,直径均为5mm;通往下盖型腔的分流道长度为20mm,圆形截面,直径为5mm;侧浇口尺寸均为2mm×2mm×2mm(长×宽×高)。创建的浇注系统如图5b所示。

1.3填充分析浇注系统创建以后,进行填充分析,为确定流动平衡分析的目标压力,体积/压力(V/P)转换点的填充百分比设置为100%,其他参数设置则同前述填充分析,结果如图6所示。图6a中,塑料熔体充满型腔的时间为1.237s,当填充时间为1.002s时,下盖型腔刚好充满,上盖型腔有一部分尚未充满,时间差为0.235s,不平衡率为0.235/1.237,达到19.0%。时间不平衡率是流动不平衡的一个重要方面,其过大会导致型腔间压力分布不均衡,易出现过保压和飞边等问题,影响产品的质量和性能。图6b中,V/P转换点压力为67.93MPa。下盖型腔在1.002s时完成填充,末端压力为43MPa左右,压力值较大,易引起过保压问题;而上盖型腔部分位置的压力接近0,型腔间的压力分布较为不均,容易出现高密度高应力区域,使得应力分布不均,导致变形过大,引起上下盖的质量不均一,最后上下盖装配出现问题。注塑成型过程中,由于先进入型腔的塑料熔体温度降低,其流动性能下降,为将熔体压注到型腔,注射压力因克服不断增大的浇注系统及型腔表面阻力而逐渐变大。因此,随着注塑过程的进行,理想的注射位置压力应逐步平稳地上升。较快速度的压力上升对模具及注塑机较为不利,产品容易出现缺陷。图6c中,相对于之前,注射位置压力在0.9729s以后,压力以较快的速度由48.12MPa升至67.93MPa。分析其原因,系由流动不平衡导致注射压力的突变。在0.9729s时下盖型腔先完成填充,上盖型腔还未充满,此后填充上盖型腔的过程中,由于熔体温度的下降及排气空间仅剩上盖型腔末端区域,其受到的阻力较大,需注射压力快速上升才能完成上盖型腔的填充。综上,对玩具上下盖组合型腔初步设计的浇注系统进行填充分析,型腔间的填充时间不平衡率达到了19.0%,压力分布较为不均匀,且注射位置压力在填充后期出现突变,而这易引起产品质量问题,特别是有装配要求的产品易出现装配问题。因此,需要进行流动平衡分析,优化浇注系统,将时间不平衡率控制在可接受的范围之内,使压力分布更为均匀,并实现注射位置压力曲线平稳上升。

2玩具上下盖组合型腔的流动平衡分析

2.1初始的流动平衡分析流动平衡分析过程中,约束设置是一个较为关键的环节,数值设置的合理与否,影响到迭代计算的精度和速度以及最后能否顺利收敛。结合前述的分析结果,约束设置为:目标压力,通常小于V/P转换点压力,由填充分析可知其值为67.93MPa,故设置为65MPa;流道截面直径的改变步长为0.1mm;最大的迭代计算次数为30步;时间收敛精度为5%;压力收敛精度为5MPa;流道尺寸约束条件设置为不约束。由此进行流动平衡分析,其中填充设置界面的参数同前述的填充分析,结果如表1及图7所示。图7中,时间不平衡率由18.7562%减为3.7224%,能够满足低于5%的要求;压力不平衡值则由13.69MPa减为7.596MPa,但超过设置的5MPa;通往上盖型腔的流道直径均为6mm;通往下盖型腔的流道直径则为3mm。迭代没有收敛到设置的约束条件,需要重新进行优化分析。

2.2优化的流动平衡分析由于初始时间不平衡率较大,致使迭代过程出现问题,使初始的流动平衡分析不能够得到理想的结果。因此,考虑减小初始时间不平衡率,即增加下盖型腔填充时间,减小下盖型腔浇口尺寸,以使流动平衡分析具有相对理想的基础,能够顺利收敛。为了更好地优化浇注系统,比较3种浇口尺寸(长×宽×高)方案,即:方案1,2mm×2mm×1mm;方案2,2mm×1.5mm×1mm;方案3,2mm×1mm×1mm。其他设置同初始的流动平衡分析。结果如表2~4及图8~10所示。2.2.1迭代结果表2中,对于方案1,时间不平衡率由13.8074%减为2.0636%;压力不平衡值则由10.367MPa减为4.455MPa。表3中,对于方案2,时间不平衡率由11.4529%减为1.4564%;压力不平衡值则由8.583MPa减为3.972MPa。表4中,对于方案3,时间不平衡率由6.6122%减为2.6708%;压力不平衡值则由9.279MPa减为3.481MPa。相对于初始的浇注系统,在下盖型腔浇口尺寸减小以后,初始时间不平衡率及压力不平衡值均有一定程度的改善,三种方案的流动平衡分析均能够顺利收敛。时间不平衡率由高到低依次为:方案3、方案1、方案2;压力不平衡值由大到小依次为:方案1、方案2、方案3。图8中,对于方案1,塑料熔体充满型腔的时间为1.226s,当填充时间为1.201s时,上盖型腔刚好完成填充,上下盖型腔的时间差为0.025s;对于方案2,塑料熔体充满型腔的时间为1.225s,当填充时间为1.212s时,上盖型腔刚好完成填充,上下盖型腔的时间差为0.013s,且下盖型腔未充满的区域较方案1的小;对于方案3,塑料熔体充满型腔的时间为1.24s,当填充时间为1.202s时,下盖型腔刚好完成填充,上下盖型腔的时间差为0.038s,且上盖未充满区域较方案1多。三种方案均能大致实现流动平衡,时间差由长到短依次为:方案3、方案1、方案2,即流动不平衡由高到低依次为:方案3、方案1、方案2,与迭代结果的时间不平衡率一致。2.2.3V/P转换点压力图9中,方案1、2、3的V/P转换点的压力分别为62.0191、61.0391、65.91MPa,方案3高于设置的目标压力65MPa;型腔间的压力分布较调整前的有所改善,方案2比方案1、3的压力分布更均匀。2.2.4注射位置压力图10中,相对于初始的填充分析,注射位置压力曲线都能够实现平稳的上升,有利于保护注塑机及模具,成型出较为理想的产品。方案3在注塑末期有一小段曲线明显快速上升,但上升幅度不大,这是由于上下盖型腔填充时间差引起,但总体能够稳定上升;方案1较方案3有了一定改善,在注塑末期亦能实现压力的平稳上升;方案2则较方案1更优,整个过程均能实现注射压力的稳定上升,且注塑末期能够更为平稳上升。因此,注射位置压力曲线质量由高到低依次为:方案2、方案1、方案3。这是因为流动平衡程度由高到低依次为:方案2、方案1、方案3,与迭代结果和填充时间的分析一致。综合上述分析,方案2的时间不平衡率最小,塑料熔体能够大概同时充满上下盖型腔,压力不平衡值居中,型腔间的压力分布更为均匀,且注射位置压力曲线稳定上升,因此考虑采用方案2优化后的浇注系统。

2.3优化后的浇注系统方案2优化后的浇注系统如图11所示。图11a中,通往上盖型腔的一级分流道体积缩小了22.31%,二级分流道则缩小了19%;通往下盖型腔的分流道体积缩小了68.64%。图11b中,通往上盖型腔的一级分流道直径为4.4mm,二级分流道直径为4.5mm,浇口尺寸(长×宽×高)为2mm×2mm×2mm;通往下盖型腔的分流道直径为2.8mm,浇口尺寸(长×宽×高)为2mm×1.5mm×1mm。

3结论

1)异型腔注塑成型过程中,浇注系统的设计尤为关键,利用Moldflow软件进行流动平衡分析,可以优化浇注系统设计,得到较为理想的流动平衡效果。2)运用Moldflow软件分析前,不同型腔的流道及浇口设计相同尺寸,由此进行流动平衡分析。流动平衡分析过程中,对浇口设计参数反复调整,进行多次的迭代计算;根据时间不平衡率是否低于5%、压力不平衡值是否小于5MPa及注射位置压力曲线是否稳定上升来评价浇注系统的结构是否合理,可以得到几种合理的浇注系统设计结果以供比较研究。

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作者:许建文 刘斌 骆灿彬 单位:华侨大学福建省特种能场制造重点实验室

塑料助剂杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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