基于Moldflow的盒盖注塑成型优化分析_吴建民.pdf

创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期基于 Moldflow 的盒盖注塑成型优化分析吴建民（上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620）塑料制品主要依据使用要求进行设计及成型。想要获得合格的塑料制品，应考虑塑件的结构工艺性，且符合成型工艺特点。这使得塑料制品的设计与成型过程复杂，是不断循环优化的过程。Moldflow 模流分析软件可以模拟注塑过程及其对塑料制品的影响，有效预防注塑制品的各种缺陷，对塑料制品的设计、生产和质量进行优化，提高成品质量1-3。本文以盒盖作为研究对象，通过运用 Moldflow 软件模拟注塑成型过程，其目的在于查找注塑成型过程中可能存在的缺陷，合理优化塑件结构，改善制品的成型质量。1塑件工艺性分析塑件的二维剖面图如图 1 所示。塑件主体尺寸为70.520 mm，中间部位凸台较厚，约为 12 mm，其余部位厚度基本一致，约为 2 mm。塑件材料选用制造商Generic Default、牌号 Generic PP 的热塑性材料，其熔体密度为 0.74 g/cm3，固体密度为 0.89 g/cm3，收缩率为 2%4。该材料被推荐的注塑成型各工艺温度参数见表 1。图1塑件的二维图2浇口位置分析与浇注系统创建塑料熔体通过主浇口进入模具型腔，浇口位置的选择是否恰当，在很大程度上影响着熔体填充的流动特性，也直接关系塑件能否被完好高质量地注塑成型，基金项目：国家级一流本科专业建设点（无编号）；上海工程技术大学校级教学建设项目（k202201002）作者简介：吴建民（1970-），男，工学博士，副教授。研究方向为机械工程。摘要：该文以盒盖为研究对象，分析塑件的结构和材料特性。通过运用 Moldflow 软件获得塑件的最佳浇口位置，在此基础上，对塑件的充填时间、流动前沿温度、体积收缩率和质量预测进行分析。仿真结果表明，塑件在成型过程中存在较大的体积收缩率，这可能引起塑件的质量缺陷，同时在质量预测中出现塑件有质量不被接受的部位，其原因在于塑件结构中壁厚相差较大。在满足塑件使用性能要求的前提下，通过优化塑件局部结构，在塑件厚度最厚部位进行减胶处理，使填充过程中的体积收缩率降低至 7.674%，质量预测显示提升注塑件的质量。关键词：注塑成型；Moldflow 软件；模流分析；结构优化；仿真分析中图分类号：TQ320.66文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）09-0001-04Abstract:In this paper,taking the box cover as the research object,the structure and material characteristics of plastic partsare analyzed.The best gate position of plastic parts is obtained by using Moldflow software,and on this basis,the filling time,flow front temperature,volume shrinkage and quality prediction of plastic parts are analyzed.The simulation results show that thereis a large volume shrinkage in the forming process of plastic parts,which may cause the quality defects of plastic parts,and thereare parts where the quality of plastic parts is not accepted in the quality prediction.The reason is that there is a big differencein wall thickness in the structure of plastic parts.On the premise of meeting the performance requirements of plastic parts,byoptimizing the local structure of plastic parts and reducing glue in the thickest part of the plastic parts,the volume shrinkage inthe filling process is reduced to 7.674%.The quality prediction shows that the quality of injection molded parts is improved.Keywords:injection molding;Moldflow software;mold flow analysis;structure optimization;simulation analysis上部凸台中间环形部位底部侧部凸缘DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.09.0011-2023年9期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application因此模具设计过程中的首要环节就是浇口的定位。利用 Moldflow 软件的浇口匹配性及最佳浇口位置分析模块，综合分析可得到塑件的最佳浇口位置。表1Generic PP推荐成型温度工艺参数图 2（a）、（b）分别为 Moldflow 软件分析得到的浇口匹配性分析图及最佳浇口位置云图，图 2（a）中上部凸台值为 0，表示浇口匹配性最佳；侧部凸缘靠近底部处值为 1，表示浇口匹配性最差5。结合图 2（b），将浇口位置设置在塑件上部凸台上表面中心位置。（a）浇口匹配性分析图（b）最佳浇口位置云图图2浇口位置分析在本文中，塑件采用一模两腔注塑，结构对称布置，分流道对称且等距，塑件熔体到两型腔距离一致。初步创建的浇注系统如图 3 所示。图3创建的浇注系统3基于Moldflow模流的仿真分析根据 Generic PP 的推荐成型工艺参数，选用MildFlow Plastics Advisers（产品优化顾问，简称 MPA）的填充+保压分析序列，设置分析的主要工艺参数：模具温度 50，熔体温度 220，最高注塑压力 180 MPa。运用 Moldflow 模流软件就填充时间、流动前沿温度合理性、顶出时的体积收缩率和质量预测等几个方面进行分析和仿真，以确定浇注系统的合理性及可能存在的缺陷，进而优化方案。图 4 为填充时间云图。图中，左侧图例栏中，底部代表填充开始，顶部代表熔体最后到达的位置。填充时间为 0.277 7 s。填充时浇口位于塑件上部凸台顶部，从顶部向下方再沿径向充型，初始位置最厚，流动充型阻力较小，流动顺畅，熔体的充型速度较快，用时较短。同时可观察到，两塑件末端颜色相同（红色区域，侧部凸缘靠近底部处），且颜色过渡较为均匀，说明两型腔同时完成了填充，填充过程是平衡填充。图4填充时间云图图 5 是充模结束时的流动前沿温度云图。通常情况下，应将填充阶段中流动前沿的温度变化降到最低，理论上温度差极限 5 6，温度变化越小，产生的问题就越少。而由图 5 可知，本浇注系统的流动前沿温度在219.5220，熔体的温差约为 0.5，数值较小，意味着注塑成型过程中温度分布较均匀，塑件尺寸精度较高，并且最高温度与最低温度均在推荐的熔体温度范围之内，说明熔体在流动的合理范围内，具有较高的流动性。图5流动前沿温度云图由图 6 可知，顶出时的体积收缩率最大为15.16，这表明，整个塑件的体积收缩未能达到均匀一致，变形不均匀，塑件变形量较大。同时还可看出，体积收缩率最大值出现在塑件的浇口位置及其相邻的上部凸台处，这个部位厚度尺寸较大，成为积热区域，导致盒盖此处体积收缩率比较大，这主要由塑件壁厚的差异引起。而局部高收缩率区域可能在塑件冷却时导致内部出现缩孔或缩痕7。这个指标较大表明塑件的初始结构设计不够合理。模具表面温度熔体温度模具温度范围熔体温度范围绝对最大熔体温度502202080180260300浇口匹配性=1.000最佳浇口位置=1.000最好最好最差最差充填时间=0.277 7ss0.277 70.208 20.138 80.069 40.000红色区域（侧部凸缘靠近底部处）充填时间0.069 4流动前沿温度=220.0CC220.0219.9219.7219.6219.5温度约 219.6 温度最高处2-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期图6顶出时的体积收缩率为了更好地评价塑件的质量及外观，选择质量预测仿真进行评估（图 7）。图 7 中显示的绿色表示塑件具有高质量，黄色表示此部位可能会出现质量问题，需要予以关注，而红色则表示塑件肯定会出现质量问题，需要从工艺参数或零件结构方面予以优化调整。从图 7可看出，黄色（中间环形部位与上部凸台交接处局部）和红色（上部凸台）两者占比近 10%，而红色区域占据了 9%，模拟结果表明塑件质量将无法达到设计要求。图7质量预测综合以上分析，虽然填充时间、流动前沿温度 2 项模拟结果较好，但是顶出时的体积收缩率及质量预测结果却表明对目前的塑件结构，利用推荐的成型工艺参数得到的塑件质量将不予被接受。4塑件结构优化基于在推荐的成型工艺参数下，仿真模拟结果不理想，结合盒盖的应用状况，对盒盖进行了结构优化（图 8），调整后中间凸台位置壁厚减小，与其他位置壁厚基本一致，减少了熔料的注入。有限元分析（如图9所示，图中URES表示合位移）结果表明，在 20 N 的受力状态下，最大静态位移量从初始结构的0.003186mm 增加到0.005 066 mm，虽增幅较大，但绝对数依然极小，对应用无影响。图8调整后的盒盖剖面图5优化后的模流分析依据推荐的工艺参数，对结构优化后的盒盖进行填充+保压分析，得到图 10 所示的仿真模拟结果。图 10（a）为填充时间云图，优化后填充时间增加到 1.691 s，原因在于整体壁厚较薄，流动阻力加大，使得填充时间增加，但是注塑流动平衡性较好，填充过程均匀、顺畅，无注塑不足现象。顶出时的体积收缩率=15.16%15.1611.898.6115.3352.060体积收缩率最大处质量预测高（90.1%）（绿色）中（0.93%）（黄色）（红色）低（9.00%）红色区域（上部凸台）绿色区域（中间环形部位与侧部凸缘）（a）初始结构静态位移（b）结构优化静态位移图920 N作用力下有限元分析静态位移图3.186e-032.921e-032.655e-032.390e-032.124e-031.859e-031.593e-031.328e-031.062e-037.965e-045.310e-042.655e-041.000e-30URES/mmURES/mm5.660e-035.188e-034.717e-034.245e-033.773e-033.302e-032.830e-032.358e-031.887e-031.415e-039.433e-044.717e-041.000e-30最小：1.000e-30最大：3.186e-03最小：1.000e-30最大：5.660e-033-2023年9期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application（c）顶出时的体积收缩率模拟图（d）质量预测云图图10优化后模流仿真结果流动前沿温度（图 10（b）变化为 3.5，但温度变化比较平稳，说明流动前沿处温度分布比较合理，处于可控范围之内。顶出时的体积收缩率（图 10（c）最大为 7.