基于Moldflow的热流道双色注射模具的流动平衡优化

徐 岩,贾建波,王慎波

(北华大学机械工程学院,吉林吉林132021)

基于Moldflow的热流道双色注射模具的流动平衡优化

徐 岩,贾建波,王慎波

(北华大学机械工程学院,吉林吉林132021)

利用模流分析软件Moldflow的充填分析和流动平衡分析模块,分析了双色牙刷热流道注射模具的不平衡流动。通过调整流道的截面尺寸,得到良好的流动平衡,一次注射充填时间的不平衡率从38.2%降低为1.7%,充填末端压力的不平衡率从39.6%降低为4.1%;二次注射充填时间的不平衡率为0.37%,充填末端压力的不平衡率为4.5%。通过模拟确定了注射时间、注射压力、熔体温度和模具温度等主要工艺参数。

热流道;双色注射成型;模具;流动平衡;工艺参数

0 前言

双色注射成型技术可成型2种具有不同颜色的塑料制品,是一种模内组装或焊接的“嵌件成型”工艺。常用的双色注射成型技术是在专用的双色注塑机上,通过具有水平旋转机构的双色注射模具一次注射完成[1-4]。

热流道技术是指模具内的流道采用热流道系统,通过加热使浇注系统内的塑料始终处于熔融状态,具有生产成本低、产品品质高和工艺控制优良等优点[5]。

本文采用热流道双色注射成型技术成型双色牙刷。热流道双色注射模具一次、二次注射均采用一模八腔,属非几何平衡,此时考虑熔体在浇注系统中的流动平衡十分重要。本文采用Moldflow进行了两次注射流动平衡分析,优化流道结构以达到各型腔充填时间及充填压力的平衡,有效避免了因流道不平衡流动导致的飞边、短射、制件密度不均匀、气穴和熔接痕等缺陷,从而有效保证不同型腔内制件品质的一致性。

1 产品结构及模具工作原理

图1是双色牙刷产品效果图,一次注射(牙刷头部)采用韧性较好的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS),二次注射(尾部与手接触处部分)采用触感较好的热塑性弹性体(TPE)。

双色牙刷生产采用具有旋转机构的双色注射模,一次双色注射共完成8件产品,即一、二次注射均采用一模八腔结构模具。一次注射结束后,模具旋转180°,合模,进行二次注射,且一次注射时浇口进料方向与开合模方向相同;而二次注射浇口进料方向与开合模方向成90°夹角。

图1 双色牙刷产品效果图Fig.1 Double-color toothbrushes

2 流动平衡及工艺参数确定

2.1 初始计算及工艺参数设定

以流变学原理为基础,经初步计算得到一次注射热流道浇注系统中的二级分流道直径大小分别为:φ8、φ6、φ4.7、φ4,浇口尺寸 φ1.5,具体排布方式如图 2 所示[6]。

图2 一次注射型腔布局及流道尺寸Fig.2 Cavities layout and sizes of runners for first injection molding

为确定成型最优产品的注射时间与模具温度,采用成型窗口分析,初步确定注射时间-成型质量曲线如图3所示。最佳成型质量系数0.9444对应的注射时间为1.112 s,在此基础上,确定一次注射成型中的最佳注射时间、熔体温度和模具温度分别为1.112 s、240℃和55℃,流动前沿温升3℃,压力变化量4.39 MPa。

图3 一次注射的成型质量与注射时间关系曲线Fig.3 Curves for forming quality versus different injection time for first injection molding

二次注射的型腔排布与一次注射相同,两次注射的流道长度基本相等,通过对比,两次注射用材料的允许最大剪切速率和最大剪切压力相差不大,因此可将二次注射的初始二级分流道尺寸设定与一次注射相同 :直径分别为 φ8、φ6、φ4.7、φ4,浇口尺寸为 φ1.5,型腔排布如图2所示。由成型窗口得二次注射的最佳成型质量系数0.9531对应注射时间为1.708 s,由此确定最佳注射时间、熔体温度和模具温度分别为1.708 s、190℃和50℃,流动前沿温升2.8℃,压力变化量6.1 MPa。

2.2 流动平衡分析

U G建模,模型导入MPI前对网格进行修复简化,以保证网格质量。在CAD doctor中进行处理,主要修复内容包括:小圆角、破面、漏空、交叉平面、自由边界、微小结构主体单元等。本模型中主要是将牙刷头部的圆孔简化以提高模型的网格质量。简化修复前后的结果如图4所示。

将修复好的模型导入MPI进行网格划分,网格划分信息如表1所示。

根据 2.1 节的理论计算结果 φ8、φ6、φ4.7、φ4,依靠实体曲线,手动创建一次注射的浇注系统,赋予其热流道属性,之后对其进行网格划分。按照最佳注射时间、熔体温度和模具温度分别为1.112 s、240℃和55℃的工艺进行充填分析。

3 结果和讨论

3.1 流动平衡结果

多次手动调整二级分流道的截面尺寸,经充填分析得到一次注射流道平衡优化前后的充填时间和充填末端的压力结果,如图5和图6所示。从图5可知,流道平衡优化前,各型腔的充填时间存在较大差异,最大为1.254 s,最小为0.775 s,不平衡率达38.2%;流道平衡优化后,各型腔的充填时间均匀,不平衡率仅为1.7%,充填时间 1.209 s。

充填压力不平衡对一模多腔产品的成型十分不利,可能导致某些产品欠充填,而某些产品又过保压,不仅有飞边等产生,还会降低模具的寿命。从图6可知,流动平衡前各型腔的压力明显大于优化后,平衡后的充填末端压力在16.5 MPa左右;平衡前各型腔充填末端的压力差为14.28 MPa,不平衡率为39.6%,而平衡后压力的不平衡率仅为4.1%;经流动平衡优化的二级分流道截面尺寸为 φ8、φ7.2、φ6.4 和 φ5.8。

用相同的方法,对牙刷尾部进行二次注射的流动平衡优化,优化后二级分流道的截面尺寸为φ8、φ7.3、φ6.5、φ5.85,平衡后的充填时间和充填末端压力结果如图7和图8所示,二次注射的充填时间为1.853 s,充填末端压力在5 MPa左右,充填时间和充填末端压力的不平衡率分别为0.37%和4.5%,平衡效果良好。

图7 二次注射流动平衡后的充填时间Fig.7 Filling time for second injection molding after flow balance

图8 二次注射流动平衡后的充填末端压力Fig.8 Pressure for second injection molding after flow balance

3.2 双色注射工艺参数的确定

完成多型腔流动的平衡分析后,将流动平衡的浇注系统应用于Moldflow中的 Thermoplastics Overmolding模块进行双色注射的整体分析。

2次注射的注射压力随时间变化曲线如图9所示。从图9可以看出,两次注射成型的注射压力变化趋势相同:在成型初期迅速增大,后逐渐减小并保持稳定状态,直至进入保压后逐渐增大至最大值后迅速减小;最大注射压力分别为36.466 MPa和44.951 MPa,为成型设备的选择提供依据。

图9 注射压力随时间的变化曲线Fig.9 Curves for injection pressure versus time

2次成型过程中流动前沿温度的变化情况,结果如图10所示。与冷流道注射不同,2次注射的流动前沿温度呈上升趋势,这是由于热流道的持续加热可忽略热量损失,熔体流经浇口时还会产生较大的剪切热所致;除上述原因外,还因一次注射的温升未能及时散去,导致二次注射的温升高于一次注射;2次注射前沿温度的最大温升分别为6.1℃和9.2℃,在材料允许的成型温度范围内,说明成型窗口确定的240、190℃的熔体温度和55、50℃的模具温度合理。

图10 流动前沿温度Fig.10 Temperature at flow front

4 结论

(1)经Moldflow的流动平衡优化分析,将原有两次注射二级分流道的截面尺寸优化为φ8、φ7.2、φ6.4、φ5.8 和 φ8、φ7.3、φ6.5、φ5.85;

(2)流道平衡优化后,一次注射充填时间的不平衡率为1.7%,充填末端压力的不平衡率为4.1%;二次注射充填时间的不平衡率为0.37%,充填末端压力的不平衡率为4.5%;

(3)确定双色注射的主要工艺参数为:一次注射压力为36.466 MPa,充填时间为1.209 s,模具温度为55℃,熔体温度为240℃;二次注射压力为44.951 MPa,充填时间为1.853 s,模具温度为50 ℃,熔体温度为190℃。

[1] 李冬梅,徐 岩,贾建波,等.双色电器外壳的注射成型[J].中国塑料,2010,24(3):68-71.

[2] 洪剑城.基于Moldflow软件的型腔各异模具流动平衡优化[J].工程塑料应用,2010,38(1):35-38.

[3] 翟 明,顾元宪,申长雨.注射模浇注系统位置优化设计[J].机械工程学报,2002,38(2):40-43.

[4] Beaumont J P,Nagel R,Sherman R.Successful Injection Molding:Process,Design and Simulation[M].Cincinnati:Hanser Gardner Publications,2002:118.

[5] 黄泽森.热流道注射模流道板设计[J].模具工业,2007,33(6):45-48.

[6] 王建华,徐佩弦.注射模的热流道技术[M].北京:机械工业出版社,2006:25-70.

Flowing Balance Optimization of Double-color Injection Mould with Hot Runners Based on Moldflow

XU Yan,J IA Jianbo,WAN G Shenbo
(School of Mechanical Engineering,Beihua University,Jilin 132021,China)

Using filling and flowing balance modules of Moldflow,unbalanced flowing of doublecolor toothbrushes injection moulds with hot runners was analyzed.By adjusting section sizes of runners,good flowing balance was obtained:in first injection molding,the unbalanced filling ratio was decreased to 1.7%from 38.2%,and the unbalanced pressure ratio was decreased to 4.1%from 39.6 %;unbalanced filling ratio and unbalanced pressure ratio was 0.37 %and 4.5 %separately for second injection molding.Main processing parameters were determined,including injection time,injection pressure,melt temperature and mould temperature.

hot runner;double-color injection molding;mould;flow balance;process parameter

TQ320.66+2

B

1001-9278(2010)10-0100-04

2010-07-17

联系人,xuyan_916@163.com