基于MoldFlow工业湿度计上盖注射模CAE分析＊

王迎春

（苏州工业职业技术学院，江苏苏州 215104）

1 引言

近年来随着塑料工业的迅速发展，以及塑件在航空、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的广泛应用，塑料模具得以快速发展，传统的模具设计方法已经不能满足实际生产的需求。因此，依靠计算机的模具CAD/CAM/CAE技术在企业模具生产中的占比越来越大。尤其近几年，计算机辅助分析工程（CAE）技术被越来越多的企业利用来辅助模具设计，为模具制造提供参考。

MoldFlow是全球塑料注射成型应用最广、技术最先进的CAE软件。它可以模拟整个注塑过程，分析人员通过优化注塑工艺参数就可在模具制造之前对塑件的设计、模具设计和塑件质量进行优化。MoldFlow软件在注塑行业的应用，从根本上改变了传统的生产方式，大大提高了塑件质量，缩短了制造周期，降低了生产成本。

2 塑件有限元网格划分

应用MoldFlow进行模型分析之前，必须创建网格模型，即创建有限元模型。网格是MoldFlow分析的基础，网格划分质量对于分析精度及分析结果有关键性的影响。MoldFlow分析模型的网格类型有中性面、双层面和实体3种类型。

中性面网格即将网格创建在模型壁厚的中间处，形成单层网格来代表整个模型的网格，也就是以平面流动来仿真三维实体流动。其优点是分析速度快，效率高，主要用于整个塑件壁都很薄，所有分析只能在中性面中实现的塑件。

双层面网格是将网格创建在塑件的上下表面，网格单元由彼此相对的面拼接而成，将三维几何模型简化成由曲面组成的中空体，用表面的流动来模拟三维实体流动。其适用于结构相对简单、壁厚均匀薄壁塑件。

实体网格是将塑件划分为由4个节点4个三角形组成的四面体单元来进行真实的三维模拟分析，主要用于壁厚较大或者有较大壁厚特征的塑件。实体网格分析对计算要求较高，速度慢。

图1所示为工业温度计上盖，塑件没有局部厚度发生改变的结构，所以选择双层面网格，匹配率两者均在85%以上，所以满足分析充填、冷却和翘曲的条件。网格统计结果如图2所示。

图1 工业温度计上盖

图2 网格划分结果图

3 模流分析工艺设计

3.1 材料性能分析

（1）材料选择。

本塑件为工业湿度计上盖零件，使用环境相对较恶劣，考虑到安全和实用性，要求材料无毒无异味，有绝缘性能、耐热不易燃，有一定的强度、防潮耐腐蚀性能。另外塑件需要和其他零件装配使用所以要求材料要有一定的尺寸稳定性，结合经济性考虑选用综合性能良好、价格实惠的ABS料。

（2）ABS塑料成型工艺特性。

吸湿性：原料吸湿性强，注塑前需要烘干，一般为80℃～90℃，3h。

流动性：中等，宜采用高料温、高模温及较大压力注射成型。

收缩率：0.4%～0.7%，本设计选择的材料收缩率为0.5%。

熔融温度：成型温度一般在180℃～230℃，270℃以上开始分解。

模具温度：一般取50℃～60℃，对高光泽、耐热塑件，模温宜取60℃～80℃。

成型压力：60～120MPa。

（3）MoldFlow分析时材料设置。

MoldFlow 软件为用户提供了丰富的材料数据库，而且包含了详细的材料的特性信息，能够帮助用户确定成型工艺条件。分析时应确保分析用材料牌号与实际成型用材料一致；确保加纤维材料启动玻纤的分析选项；确保在Fusion 分析时启用了CRIMS收缩模型或残余应变收缩模型。本设计选择与实际提供的材料性能一致的数据库中的ABS780 材料，选择以系统推荐的工艺参数作为注塑条件进行分析，对模具初使设计方案进行评估。材料性能详细信息如表1所示。

表1 塑料材料成型参数表

3.2 注塑机的选择

根据塑件的信息包括：尺寸（长度、宽度、高度、壁厚）、净重量、浇注系统重量；模具的安装尺寸要求以及注塑材料为ABS，选择软件提供的Generic 注塑机，该注塑机与实际生产应用的德立天智能精密油电注塑（型号：DLTZSCXJ-500B）性能一致，可保证分析结果的准确性。其主要技术参数如表2所示。

表2 注塑机主要参数表

3.3 工艺参数设置

注射成型工艺条件是在塑料材料、注塑机和模具结构确定之后决定成型质量的主要因素。定义注塑成型条件时模具的温度、材料熔体的温度和注射的时间是必须定义的。这3项是运行充填分析或流动分析的最基本条件。优化成型条件是制品充填成型分析的关键步骤，制品成型条件的优化通常也和浇口的布局有莫大的关系，其它分析参数包括基本充填分析所需要的其它输入项数据。一般情况下初使分析直接采用系统默认参数即可达到模拟的目的，本设计中系统推荐的参数值如表3、表4、表5所示。

表3 充型参数表

表4 冷却参数表

表5 冷却回路信息表

4 分析结果判读与方案对比

本设计分析时根据塑件结构特征和模具设计的基本要求，确定了两种分析方案。一是利用软件分析得出的塑件最佳浇口位置设计分析方案一如图3a 所示；二是根据模具设计原则确定分析方案二如图3b所示。对分析结果进行了比较。

图3 分析方案设计图

（1）充填时间分析。

填充时间显示了模腔在填充的时候每隔一定时间间隔的材料熔体注射到的位置。每根等高线描绘了模型每一个部分在同一时刻的充填。在填充开始的时候，显示为深蓝色，最后填充的地方为深红色。如果制品在充填的过程中发生了短射，那么未填充的部分（一般都为充填末端）是没有颜色。从图4 中可以看出，两个方案都能满足充填要求即充满型腔。

图4 充填时间图

从分析结果可以看出，方案二充填时间只有0.22s，比方案一节省0.11s，可以明显缩短成型周期。从图4 中可以看出方案二4 个角充填时间基本一致，说明方案二的流道布局更均匀，更有利于充型。

（2）充型压力分析。

充型压力显示了在充型过程中模腔内的压力变化，充填时压力分布均匀则充填平稳，塑件壁厚成型均匀，充填效果好。在填充开始前，模腔内各处的压力为零。熔体材料的前沿到达哪里，哪里的压力才会增加，当材料熔体前沿向前方移动时已经填充完的区域压力会继续增加。因为材料熔体向前流动需要一定的压力支持，因此该结果取决于浇口位置与材料熔体的流动前沿长度。

从图5 分析结果可以看出，方案二充填压力布局更均匀，压力损失小，更有利于塑件成型，说明方案二的流道长度和浇口位置明更合理。

图5 流动前沿压力分布图

（3）温度场分析。

体积温度描述了在熔体材料通过确定位置时材料熔体温度的改变，这个温度决定了塑件充型时的熔体结合时的状态，这个温度越高则熔体结合时熔体的融合状态越好，产生熔接痕的温度也就越高。所以，通过某一个特征的显示，很难解释清楚这些改变，在塑料熔体流动中充填结束温度比一个简单的平均温度有更多的物理意义。

从图6 分析结果可以看出，方案二的流动前沿温度更高，四周的温度分布更均匀，说明充填过程中热量损失更小，充填更均匀，成型效果更好，得到的塑件壁厚也就越均匀。

图6 流动前沿温度场分布图

（4）熔接痕分析。

熔接痕是注塑成时熔融塑料汇合时的界限，通过熔接线的温度和位置，可以发现一些塑件结构上原有的缺点或者注塑成型后塑件的缺陷。熔接线一般导致的塑件缺陷有两种情况，一种是塑件可能会在有熔接线的部位发生折断或者变形等问题，特别在低质量的熔接线时，这样的缺陷会使塑件有更多的部位将会受到应力影响；二是熔接线会导致塑件的线条、凹凸部位或者塑件外观面上的颜色发生改变，所以熔接线在模流分析时会被调整到塑件不重要的部位。

从图7分析结果可以看出方案一的熔接线较多的分布在塑件的孔周边，这样会降低塑件的强度，减少使用寿命。方案二的熔接痕虽然主要在塑件的塑件表面处，但是根据温度场分析可以得出熔接痕的温度较高，冷却后影响表面质量的几率很小，而且很容易调整。

图7 熔接痕分布图

（5）气穴位置分析。

气穴是在塑料熔体充填型腔时因为熔体包裹的气体没有及时排出导致在型腔内形成气泡，因此一般发生在两个流动前沿汇胶的地方，或者是在流动的末端。气穴的位置直接影响注塑成型结果，如导致型腔充不饱、塑件出现缺陷等。

从图8 分析结果可以看出，方案一和方案二的气穴都分布在塑件分型面和小结构附近。由模具结构可知这些部位都是装配面，制造时会有一定的间隙，通过调整间隙可以顺利排气，因此气穴并不会造成充型问题。

图8 气穴分布图

（6）翘曲变形结果分析。

翘曲变形是指塑件的形状偏离模具型腔形状所规定的范围，是常见的注射成型缺陷。典型的表现为塑件有轻微扭曲，直边向内或向外弯曲等。翘曲变形是衡量塑件质量的重要指标之一，产生翘曲的原因有塑料材料收缩、冷却条件以及分子的取向。所以，翘曲变形是不可避免的，只能过模流分析检验塑件的翘曲变形是否满足设计要求，并对注射工艺及模具结构进行优化。

从图9的分析结果可以看出两个方案的变形都比较小，主要变形量是由材料的收缩引起的，满足使用设计要求。但是方案二的总变形量小，且变形发生在塑件远端，此处有装配的螺钉孔位，不影响和下盖的配合。

图9 翘曲变形结果图

综上分析可知，方案二从多个方面均优于方案一。不紧可以缩短塑件成型周期，而且成型的塑件质量好，变形小，满足生产要求。

5 总结

首先对实例进行了有限元网格划分，然后根据选取的塑料材料和注塑机对工艺参数进行了设置，通过具体分析优化了模具结构。具体为：根据流动前沿温度对浇注系统、冷却系统和注射工艺参数进行了优化处理，使熔融充填更加均衡，保证了塑件的成型质量；根据纹位置对浇注系统和注射工艺参数进行了优化处理，减少了融合纹数量，同时将无法减少的融合纹移动到塑件的非主要受力区域，保证了塑件使用时的强度；根据气穴位置对浇注系统和注射工艺参数进行了优化处理，将气穴位置移动到塑件的分型面或碰穿面处，对于无法排除的气体在其附近设置顶杆，保证了气体的顺利排出，避免了充填时出现气孔；根据冷却介质温度对冷却系统和注射工艺参数进行了优化处理，降低了模具进出口温差，保证了模具各处温度的均衡性；根据冷却时间对冷却系统进行了优化处理，提高了生产效率；根据翘曲变形对浇注系统、冷却系统和注射工艺参数进行了优化处理，减少了塑件的翘曲变形，保证了塑件的质量。