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        塑料窗體填充分析及應用——余姚舜龍模具培訓

        塑料窗體填充分析及應用

        在以前傳統模具設計制造過程中,由于沒有采用專業的CAE軟件,在模具制造完畢后要進行多次試模、修模,在許多情況下,還要涉及到設計整體方案的修改,從而對模具進行較大程度的改變,造成反復的修模、試模。而且反復的修模會造成模具內部品質的變化(如出現內應力),導致整副模具的性能降低,從而使最終的塑料制品質量不能達標,這時就存在著模具全部報廢的可能。而使用計算機輔助CAE技術不僅可能提高一次試模成功率,而且還可以使模具設計和制造在質量、性能及成本上都有很大程度的提升。使用計算機輔助CAE技術在進行分析前,一定要進行網格缺陷診斷與修復,將最大縱橫比下調到8~10,并將整個網格自由邊、交叉邊、重疊單元及相交單元數變為0,最后檢查流道與網格的連通性即可。 

        計算機輔助工程分析(CAE) 

        CAE技術是一門以CAD/CAM技術水平的提高為發展動力,以高性能計算機和圖形顯示設備為發展條件,以計算力學中的邊界元、有限元、結構優化設計及模態分析等方法理論為基礎的一項新的技術。注塑成型過程中,塑料在型腔中的流動和成型與材料的性能、制品的形狀、成型溫度、成型速度、成型壓力、成型時間、型腔表面情況和模具設計等一系列因素有關。因此,對于新產品的試制或是一些形狀復雜、質量和精度要求較高的產品,即使是具有豐富經驗的工藝和模具設計人員,也很難保證一次成功地設計出合格的模具。所以,在模具基本設計完成之后,可以通過注塑成型分析,發現設計中存在的缺陷,從而保證模具設計的合理性,提高模具的一次試模成功率,降低企業生產成本。注塑成型MOLDFLOW分析的內容和結果為模具設計和制造提供可靠、優化的參考數據,其中主要包括:①澆注系統的平衡,澆口的數量、位置和大??;②熔接痕的位置預測;③型腔內部的溫度變化;④注塑過程中的注射壓力和熔融料體在填充過程中的壓力損失;⑤熔融料體的溫度變化;⑥剪切應力、剪切速率。根據注塑成型的MOLDFLOW分析結果,就可以判斷模具及其澆注系統的設計是否合理,其中的一些基本原則如下:①各流道的壓差要比較小,壓力損失要基本一致;②整個澆注系統要基本平衡,即保證熔融料體同時到達,同時填充型腔;③型腔要基本同時填充完畢;④填充時間要盡可能短,總體注射壓力要小,壓力損失也要??;⑤填充結束時熔融料體的溫度梯度不大;⑥熔接痕和氣穴位置合理,不影響產品質量。 

        注塑工藝參數的重要性 

        在注塑成型生產中,塑料原料、注塑設備和模具是三個必不可少的物質條件,將這三者聯系起來并能形成一定的生產能力的技術方法就是注塑成型工藝。通??梢哉J為影響注塑成型質量的因素很多,但是在塑料原料、注塑機和模具結構確定之后,注塑成型工藝條件的選擇和控制,就成為決定成型質量的主要因素。一般來說,整個注塑成型周期中具有三大工藝條件,即溫度、壓力和時間。注塑成型的溫度條件主要是指熔體溫度(料溫)和模具溫度(模溫)兩方面的內容,其中料溫影響熔體塑化和注射充模過程,而模溫則同時影響充模和冷卻定型。注塑成型過程需要選擇和控制的壓力包括注射壓力、保壓壓力和塑化壓力。其中,注射壓力與注射速度相輔相成,對塑料熔體的流動和充模有決定性作用;保壓壓力和保壓時間密切相關,主要影響型腔壓力和最終成型質量;塑化壓力的大小影響熔體的塑化過程、塑化效果和塑化能力,并與螺桿轉速相關。注塑成型周期是指完成一次注塑成型工藝過程所需要的時間,它包含注塑成型過程中的所有時間問題,直接關系到生產效率,主要包括注射時間、保壓冷卻時間和其它操作時間。在MPI系統中,對于注塑成型工藝的三大影響因素,以及它們之間的相互關系都有很好的表示和控制方法,在分析仿真過程中基本上能夠真實地表達。 

        塑料機殼MPI/Flow分析實例 

        塑料制件為后窗體,材料為PP+色母,顏色為藍色,一模一腔。 

        建模 

        該塑料制件采用PRO/E軟件建模,以STL格式導入到MPI軟件中,采用表面模型技術(Fusion)進行分析。值得一提的是該塑料制件由于是柵格件,成型非常困難,為了保證該塑件的成型完整,決定采用多點平衡進料的澆注系統(如圖1所示)。

        工藝條件 

        其常用注塑工藝要求為: 
        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 
        模擬結果 
        填充過程的模擬可得到填充時間、填充壓力、熔體前沿的溫度、轉換點壓力分布、熔體的流動速度、分子趨向、體積剪切速率及剪切應力、氣穴及熔接痕位置等,并直觀地顯示在計算機屏幕上,從而幫助工藝人員找到產生缺陷的原因。

        填充時間分析 

        由圖2可知,填充較為均衡,但從右側兩點澆口填充進去的料稍慢,而點澆口的位置又不能右移至大的外觀表面上,這時就需將右側兩點澆口適當加大,以提高產品右側的成型速度與時間,確保產品填充更為均勻與可靠。 

        填充壓力分析

        由圖3可知,塑料填充壓力為43.93MPa,壓力分布較為均勻,只是末端右側角落處壓力稍微偏低,不過通過將右側兩點澆口適當加大就會大大改善右側的產品成型質量。此處壓力指的是噴嘴處的壓力,而非注塑時注塑機所能提供的靜壓。 

        溫度分布分析

        由圖4可知,料流前鋒最大溫度降很小,大概為1.1℃,因此不會產生短射和應力集中現象,這也意味著整個塑件的表面質量將會得到非常好的保證。

        鎖模力變化分析 

        由圖5可見最大縮模力為50噸。 

        體積剪切速率分析

        體積剪切速率必須低于允許值( 許用值:50000 1/sec),特別是在澆口區域。如果超過這個限制,材料很容易發生降解。由圖6體積剪切速率可知,對于這個方案,體積剪切速率根本不存在問題,萬一真有可能會產生降解的話,我們則可以通過降低注塑速率和增加澆口的尺寸來解決這個問題。后經過在實踐中的運用,證明該方案體積剪切速率不高,材料未發生降解。 

        墻壁剪切應力分析

        圖7的結果顯示了在填充階段墻壁剪切應力的分布。除了極小部分區域,大部分區域的值是可以接受的。通常如果該值超過極限0.25MPa,材料在填充階段將容易出現降解現象。 

        困氣分析

        圖8結果顯示了困氣出現的位置。所有的困氣都出現在分型面和填充的末端 ,因此氣體很容易通過模具的間隙釋放出來。 

        熔接痕分析 

        熔接痕很容易使產品的強度降低,特別是在產品可能受力的部位產生熔接痕會造成產品結構上的缺陷。同時熔接痕還會造成產品表面質量不過關。由于熔接痕主要產生于熔體的分流匯合,因此,模具的澆注系統對于熔接痕的產生有很大的影響。對此,在模具設計過程應該盡量減少澆口的數量,合理設置澆口位置,加大澆口截面積,設置輔助流道及分流道。但在此副模具設計中,由于該產品為眾多的柵格,成型非常困難,必須采用多點進料,為此,減少圖9熔接痕數量只有通過其它辦法來解決。其解決方法為:①提高熔體的流動性能和料溫;②在分流道的末端設置冷料穴;③調整塑件壁厚,盡量保持壁厚的一致性,以免在薄壁處由于充模阻力大而產生熔接痕,從而導致塑件在薄壁處斷裂;④改善模具的排氣效果。

        轉換點壓力分析 

        V/P轉換點壓力是指注塑過程由速度控制向壓力控制轉換時模具型腔內熔體的壓力,轉換點的控制對注塑過程有很大影響。如圖10所示,V/P轉換點位置為43.93MPa。本案例的V/P轉換點的設置采用系統自動(Automatic)計算的方式,MPI系統通過計算得到在填充比例為97.66%時(2.28s左右)發生V/P轉換,澆口位置處壓力在通過轉換點后由43.93MPa降為保壓壓力35.15MPa,在壓力控制下熔體繼續充滿整個型腔。

        結束語 

        MPI/Flow通過對填充過程的模擬分析,有助于工藝人員從本質上找出缺陷產生的原因,并提出消除缺陷的對策與方法,從而縮短新產品的開發周期和費用,提高制品的生產效率和質量,確保生產出優質的塑料制品。

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