冰箱抽屉注塑成型CAE分析_李德军.pdf

20李德军 等 冰箱抽屉注塑成型 CAE 分析冰箱抽屉注塑成型 CAE 分析李德军，左英飞，杜 悦（北京燕山石化高科技术有限责任公司，北京 102500）摘要：使用 Moldflow CAE 分析软件，采用燕山石化公司聚丙烯 K6810 材料及韩国三星聚丙烯 BU510 材料进行了冰箱抽屉模流分析。采用正交试验方法进行试验设计，对冰箱抽屉模型进行了填充、保压、冷却及翘曲模拟分析。通过优化分析确定了熔体温度、模具温度、注射时间、注射压力等工艺参数，讨论了不同加工工艺条件对两种原材料的加工性能的影响。优化加工工艺结果表明，两种原材料具有相似的加工性能，通过优化的合适注塑加工工艺可以得到翘曲量较小、质量较好的冰箱抽屉制件产品。关键词：Moldflow；冰箱抽屉；模拟分析；注射成型中图分类号：TQ 325.1+4CAE Analysis of Injection Molding for Refrigerator DrawerLI De-jun,ZUO Ying-fei,DU Yue(Beijing Yanshan Petrochemical High-Tech Co.,Ltd.,Beijing 102500,China)Abstract:Moldfl ow CAE analysis software was used to analyze the mold fl ow of refrigerator drawer with polypropylene K6810 material from Yanshan Petrochemical Company and polypropylene BU510 material from Samsung,Korea.The orthogonal test method was used for the experimental design.The filling,pressure maintaining,cooling and warping simulation analysis of the refrigerator drawer model was carried out.The processing parameters such as melt temperature,mold temperature,injection time and injection pressure were determined through optimization analysis.The eff ects of diff erent processing conditions on the processing properties of the two raw materials were discussed.The results show that the two raw materials have similar processing properties,and the refrigerator drawer products with small warpage and good quality can be obtained by optimizing the appropriate injection molding process.Key words:Moldfl ow;refrigerator drawer;simulation analysis;injection molding作者简介：李德军，高级工程师，1993 年毕业于成都科技大学塑料工程专业，现主要从事高分子材料合成及加工应用技术研究工作。随着人民生活水平的日益提高，作为重要家用电器之一的电冰箱产品也得到了快速发展。冰箱抽屉作为冰箱的重要配件之一，不论从造型还是原材料上都得到了不断发展。目前，国外多家石化公司已经开发出具有中等流动速率、高刚性、高光泽、优异低温冲击性能的聚丙烯（PP）材料，包括埃克森美孚（ExxonMobil）公司的 AP3N 和三星道达尔（Samsung Total）公司的 BU510等，用于冰箱抽屉等家电制件的生产1。为了满足特定客户对此类聚丙烯产品的需求，燕山石化公司在化工二厂第三聚丙烯装置上开发生产出冰箱抽屉专用料 PP K6810 产品，并在冰箱制造厂家得到了应用。冰箱抽屉作为重要的冰箱配件之一，产品外观品质和尺寸稳定性非常重要。注塑模具的设计、材料的选择和注塑工艺参数等都会对最终制品的品质产生很大影响2。在本文中，使用 Moldflow 软件，采用 K6810 和BU510 两种聚丙烯原料，对冰箱抽屉模型进行了填充、保压、冷却、翘曲过程模拟分析，根据分析结果比较了两种聚丙烯原料加工性能的优劣。1 实验部分1.1 CAE 模流分析用冰箱抽屉模型冰箱抽屉塑件模型依据某款冰箱抽屉制件，按照 1:1比例进行绘制。制件尺寸为 392mm274mm144mm，产品大部分厚度在 2mm，比较均匀。该制件尺寸较大，在生产中采取一模一腔方式生产，使用热流道采取底部进胶方式。产品模型如图 1 所示。(a)正视图 (b)后视图图 1 冰箱抽屉模型图Fig.1 Refrigerator drawer model1.2 CAE 模流分析用 PP 原材料使用燕化公司开发生产的中流动、高刚性、优异低温冲击性能聚丙烯材料 K6810 和韩国三星公司生产的同类产品 BU510 进行对比模流分析，两种原材料的性能对比见表 1。DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.035合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期21表 1 K6810 与 BU510 性能数据Table 1 Performance data of K6810 and BU510 测试性能测试方法单位K6810BU510密度(A 法)，注塑GB/T 1033.1-2008g/cm30.9040.904MFR(230/2.16kg)GB/T 3682-2018g/10min9.19.9拉伸屈服应力GB/T 1040.2-2022MPa28.830.4拉伸断裂应力GB/T 1040.2-2022MPa18.618.5断裂拉伸应变GB/T 1040.2-2022%2017弯曲模量GB/T 9341-2008MPa16501570弯曲应力(定挠度)GB/T 9341-2008MPa36.835.2缺口简支梁冲击强度(23)GB/T 1843-2008kJ/m2C8.1C4.6缺口简支梁冲击强度(-20)GB/T 1843-2008kJ/m2C4.4C2.0洛氏硬度GB/T 3398.2-2008107101模塑收缩率(平行)GB/T 17037.4-2003%1.81.7模塑收缩率(垂直)GB/T 17037.4-2003%1.71.7负荷变形温度(0.45MPa)GB/T 1634.2-20191071041.3 CAE 模流分析用注射机设备的选择注射机具有诸多参数，其中理论塑化量和最大锁模力是两个重要的指标。在实际生产中，注射机成型产品的重量一般控制在理论注射量的 60%80%，制品所需锁模力控制在注射机最大锁模力的 60%80%。通过模型分析，冰箱抽屉加流道的充模体积为 564 cm3，充模过程的锁模力最高为 403 吨（3949kN），如图 2 所示。60.0050.0040.0030.0020.0010.000.00000.0000 0.5000 1.000 1.500 2.000 2.500时间/s注射位置处压力:XY图MPay=53.99MPa图 2 锁模力的变化情况Fig.2 Change of clamping force对于冰箱抽屉产品，比较适宜的注射机塑化量应该在 705940 cm3之间，最大锁模力在 49366582 kN 之间，比较合适的注塑机型号见表 2。表 2 冰箱抽屉用合适注塑机Table 2 Suitable injection molding machine for refrigerator drawer型号理论注射量/cm3最大锁模力/kN制造商HTF530X-A15925300海天塑机2 结果与讨论2.1 K6810 的充模流动分析流动分析的目的是预测熔体经流道、浇口填充型腔的过程，流动分析采用注射温度为 230，模具温度60，注射时间、注射压力、注射速度由程序自动控制，经过计算，制品的充模流动分析结果如图 3 所示。(a)熔体充模过程 (b)制品表面分子取向结果 (c)熔接线分布情况 (d)气穴分布情况图 3 制件充模流动分析结果Fig.3 Analysis results of mold filling flow of parts冰箱抽屉制品为一模一腔成型，在抽屉底部中部进胶，基本可以达到流动平衡。图 3(a)是抽屉的熔体充模过程，图形的颜色表示充模时间，从图中可以看出，从冰箱抽屉底部开始，胶料进行均衡的流动，基本在同样的时间到达制品的末端（红色部分）；从图 3(b)可以看出，在充模过程中聚合物大分子的取向比较均匀，这样可以很好地减少由于分子取向导致的产品变形；图 3(c)和图3(d)分别为制品中熔接线和气穴的分布情况（红色部分），从模拟结果可以看出，制品中的熔接线和气穴都比较少，而且大多分布在制品的边缘部分和嵌件部分，制品的困气可以通过模具的分型面或嵌件进行气体排除，这样对制品的外观和强度影响较小。以上说明，使用 K6810 原料产品，在合适的加工条件下，采用底部进胶方式可以顺利地进行冰箱抽屉的注塑充填加工。2.2 K6810 的冷却过程分析冷却分析是通过 Moldflow 软件3-4，对冰箱抽屉制件在注塑加工过程中的冷却过程进行模拟，来预测注塑模具中的温度分布、热流分布及制品的冷却效果等，通过冷却系统的分布控制及工艺优化控制，使得抽屉塑件达到经济、均衡的冷却，对制件进行很好的品质控制5。冰箱抽屉属于具有一定深度的制品，需要对冷却水道进行设计，以便冷却水能够将制品内部多余的热量进行排除，使得整体制件达到均衡的冷却。为此对冰箱抽屉制品设计了冷却水道 图 4(a)所示。其中，利用 Moldflow CAE 软件，在给定工艺条件（注射温度230、模具温度 60，冷却介质为水，温度 25、流速 10L/min）下进行冷却分析。冷却分析结果如图 4 所示。(a)冷却水道的布置及冷却液的温度模拟 (b)制件外表面温度分布 (c)零件冻结层百分比图 4 制件冷却水道及冷却结果Fig.4 Cooling channel and cooling results of parts由图 4(a)可知，冷却水的进出口温差为 3.93，这样既可以带走制件中的大量热量，又可以保证制件各个部分的冷却比较均匀；由图 4(b)和图 4(c)可知，制件外表面的温度分布非常均匀，内表面温度分布也比较均匀，只是在把手的根部区域出现比较高的温度，说明整体冷却系统的设计还是比较合理的，有利于减少由于冷却不均匀导致的变形，但在把手的根部区域可以增设局部冷却装置，提高制件整体冷却的均匀程度。以上分析说明，使用 K6810 原料产品，通过采用合适的模具冷却水管道布置，可以进行冷却均匀的冰箱抽屉制件的注塑加工。22李德军 等 冰箱抽屉注塑成型 CAE 分析续表 32.3 注射成型工艺条件的优化分析注射成型是一个复杂的成型过程，塑料制件的质量除了与原材料、成型模具有关外，也与工艺条件（如熔体温度、注射压力、注射时间、模具温度、注射速度等）有重要关系6。因此，在注射过程中，选择合适注塑工艺，严格控制工艺参数是获得优质塑件的重要手段7。2.3.1 注射时间的确定注射时间是指熔体从进入模腔开始，到充满模具型腔所需要的时间。一般来说，注射时间具有一个合适的范围。如果注射时间过短，则意味着需要很高的注射压力来保证熔体在较短时间内高速充满模腔；反之，如果注射时间过长，则随着熔体温度的下降，会有部分熔体粘度变大甚至部分冻结，同