? 浇口设计中的CAE优化分析史昆玉*，王永峰，何朋飞，董明青 （武汉工程大学，湖北武汉 430074） 摘要：以电表壳为例分析壳类塑件在注塑过程中最易产生的问题（翘曲变形、熔接痕、气穴），通过Moldflow的模拟过程发现传统模具设计中易导致塑件变形并对其进行优化分析，使产品在设计阶段得到充分优化，缩短产品的开发周期并最终使产品质量（翘曲变形、熔接痕、气穴）得到较大的改善。 关键词：壳类塑件；翘曲变形；气穴；CAE优化 由于近年来科学技术的突飞猛进，带来了模具技术的又一次革命，对注塑产品的大规模需求，尤其是对大体积、装配精度要求高的壳类注塑产品的需求，使得传统中依据设计者的个人经验先设计出模具，然后进行试模和调整的方法显现出天然的弊端。以这种方法生产的产品质量稳定性较差，且生产周期和成本都比较高[1]。 随着计算机仿真技术的发展，可以通过模拟软件对注塑过程进行模拟，优化浇口位置数量，减少熔接痕和气穴的产生，并且可以对塑件进行翘曲变形分析。模拟预测产品在成型过程中可能出现的缺陷，降低生产成本，缩短生产周期，提高塑件质量。 Moldflow是一款专业的模流分析软件，在注塑过程的模拟应用中非常广泛。运用这款软件可以优化浇口的设置，模拟溶体在型腔中的充填行为，预测溶体的前沿温度，可能产生熔接痕的位置，以及对塑件进行翘曲变形分析等。本文就是以电表壳为例介绍Moldflow在实际问题中的应用。 1 模拟过程1.1 制品前处理 1.1.1 建立实体模型及有限元模型 利用Pro/E建立实体模型如图1所示，并将其保存为可直接导入Moldflow的IGES格式，把实体模型导入Moldflow CAD Docter对其因软件转化错误进行修复如图2、图3所示，并进行简化处理。  图1 实体模型 把修复后的实体模型导入Moldflow Synergy进行网格划分，如图4所示。  图2 修复前 图3 修复后  图4 有限元模型及其网格统计 从网格统计中可以看出经过修复后的实体模型在进行网格划分时得到的结果比较好，且其匹配率和相互百分比都达到90%以上[2]，所以该模拟过程的精度符合要求[3]。 1.2 浇口的优化分析 1.2.1 浇口位置预分析 为了方便初步确定浇口的位置，利用Moldflow软件中的浇口预分析功能先初步找到一个合理的浇口位置，虽然这只是一个参考位置，但它对浇口设计具有很好的参考作用，如图5所示。 1.2.2 浇口设计 由于产品较大故采用一模一腔的模具设计，对浇口的位置及数量设计浇口方案。 方案一：将浇口设计在预分析所得到的最佳位置上。 方案二：在方案一对称的位置上再添加一个浇口。 方案三：在预分析可能的位置上设置四个相互对称浇口。 方案四：在预分析可能的位置上设置上下对称，左右轴对称的四个浇口。  图5 浇口位置预分析 2 充填时间充填时间是指熔体从开始到充满整个模具型腔所用的时间[4]。充填时间过长也就意味着熔体在模具型腔中停留的时间过长，易导致熔体温度下降，黏度增加，增大注射压力，最终得不到理想的充填效果。因此，为了获得较好的产品质量和提高产品效率，缩短填充时间是非常有必要的。 图6中（a）～（d）分别代表着方案一到方案四的充填时间，充填时间分别为4.421 s、3.815 s、3.502 s和3.487 s，四者比较，方案四的充填时间较短。  （a）方案一 （b）方案二  （c）方案三 （d）方案四 图6 充填时间 3 流动前沿温度流动前沿温度是指塑料熔体在型腔中最前沿处的温度，温度差对塑件的翘曲变形量有直接影响，其值越大，产品变形量就越大。塑件越容易产生断裂等缺陷。图7中（a）～（d）分别是方案一到方案四的流动前沿温度，其最高流动前沿温度依次为241.3℃、240.8℃、240.8℃、240.7℃。 4 气穴气穴的产生是因为溶体在模具型腔中流动时包裹气泡而形成，这主要是因为大多数溶体中含有挥发性气体以及塑料流动性差和塑件表层的冷却速度大于中心层的缘故[5]。气穴将直接影响塑件的强度和外观质量，如果气穴在塑件的结构部位将会降低塑件强度，而边缘位置的气穴则可以通过凸凹模的间隙排出。图8中，（a）～（d）分别是方案一到方案四的气穴分布，方案三和方案四的气穴较少且多存在塑件表面，而另外两种方案产生的气穴较多。  （a）方案一 （b）方案二  （c）方案三 （d）方案四 图7 流动前沿温度  （a）方案一 （b）方案二  （c）方案三 （d）方案四 图8 气穴 5 翘曲变形分析翘曲变形是指原料没有按照设计要求成型，塑件发生扭曲，是注塑件常见的缺陷之一，作为评定注塑件质量的重要指标[6]翘曲变形不仅影响塑件的外观形状，而且影响塑件的力学性能，因此应该尽量减小塑件的翘曲变形[7]。图9中，（a）～（d）分别是方案一到方案四的总翘曲变形量，其最大总变形量依次为1.519 mm、1.528 mm、1.532 mm、1.510 mm。综合以上分析，可以看出方案四的充填时间和最高流动前沿温度最低，气穴较少且多分布在塑件表面，总变形量最小，因此方案四的浇口设计较为合理。  （a）方案一 （b）方案二 （c）方案三 （d）方案四 图9 总变形量 6 结论从以上的分析中可看出，浇口的数量和位置都对产品的成型有重大影响，应该综合考虑这些因素以便更好的优化浇口设计。通过提出几种不同的可行化方案和基于Moldflow软件对产品模拟注塑分析，从充填时间、流动前沿温度、气穴和产品的总变形量等方面综合考虑，选出了最优化的设计方案，这表明Moldflow软件在现代注射成型领域与以经验为主要依据的传统模具设计具有明显的优势，即提高了注射成型的生产效率，又实现了资源的优化利用[8]。 参考文献： [1]李东君. 塑料成型工艺与模具设计[M]. 北京：化学工业出版社，2010. [2]D. C Montgomery. Design and analysis of experiments(3nd Edition). New York：John Wiley&Sons，1991. [3]郑战光，宾兵，林元祖. 用MOLDFLOW软件优选注射模冷却系统[J]. 装备制造技术，2003（6）：30-36. [4]杨勇. 基于Moldflow的塑料箱注射成型CAE分析[J]. 模具制造，2010（5）：5-8. [5]申开智. 塑料成型模具[M]. 北京：中国轻工业出版社，2012. [6]陈艳霞，陈如香，吴盛金. Moldf1ow2012中文版完全学习手册[M]. 北京：电子工业出版社，2012. [7]Ming-Chih Huang，Ching-Chih Tai. The effectivefactors in the warpage problem of an injection-molded part with a thin shell feature[J]. Materials Processing Technology，2001，110（1）：124-130. [8]韩雷雷，王晓鹏. 基于moldf1ow在空调外壳注塑成型中的浇口优化分析[J]. 塑料制造，2016（5）：1-5. The Gate Design of CAE Optimization AnalysisSHI Kunyu，WANG Yongfeng，HE Pengfei，DONG Mingqing ( Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China ) Abstract：Based on a shell plastic shells is a kind of plastic parts as an example analysis of problems in injection molding process is the easiest（buckling deformation、welding scar, air pocket）,By Moldflow simulation found that traditional mould design can cause plastic deformation and carries on the optimization analysis, make full optimization of the product at the design stage, shorten the product development cycle and ultimately make the product quality (buckling deformation, welding scar, air pocket) to get greater improvement. Key words：shells plastic parts；buckling deformation；air pocket；CAE optimization 中图分类号：TP391.9 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2017.04.010 文章编号：1006－0316 (2017) 04－0042－05 收稿日期：2016－10－19 基金项目：武汉工程大学科学研究基金项目资助（k201519） 作者简介：王永峰（1991－），男，安徽宿州人，工学硕士，主要研究方向为注塑模仿真。 *通讯作者：史昆玉（1972－），女，湖北武汉人，工学博士，副教授，主要研究方向为模具工艺参数及结构优化。 |
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