有限元分析在薄壁注塑模具設計中的應用

“薄壁”通常由壁厚少于1mm的輕便電子制件所定義的。對大的汽車部件來說,“薄”可以是2mm。目前,生產(chǎn)小尺寸、高精度、構造復雜的薄壁制件已經(jīng)成為 注塑加工面臨的主要挑戰(zhàn)。由于快速充模和高壓能以高速將熔融的熱塑性材料注入模腔中,從而防止了澆口冷固。因此,注塑速度和壓力成為確保薄壁注塑成功的關 鍵因素。當前,一個厚度小于2 mm的電子制件,充模時間通常不超過0.5秒,而注塑壓力往往高于50MPa 。

為了縮短產(chǎn)品注塑成型周期,降低模具原材料成本,減少模具厚度已經(jīng)成為設計人員采用的主要手段。但過薄的模具在經(jīng)受注塑高壓的沖擊下會引起模板彎曲過大, 導致注塑制件不合格。面對這一矛盾,企業(yè)往往僅能依靠設計人員的經(jīng)驗,多次試模、修模,不斷重復,直至注塑出合格的試樣。這樣對企業(yè)人力、物力資源都是很 大的浪費。而有限元分析(FEA)技術彌補了模具設計過程中依靠經(jīng)驗試制所帶來的定性不定量的不足,它可以幫助技術人員在模具設計初期階段,及時發(fā)現(xiàn)問題 并加以改進,從而提高生產(chǎn)效率,減少生產(chǎn)成本。目前,FEA在模具行業(yè)受到了越來越廣泛的重視。

本文借助大型有限元工程軟件ANSYS對某款薄壁注塑模具進行應力、應變分析和尺寸優(yōu)化。首先將模具整體幾何模型導入到ANSYS 中。然后,考慮模具的實際工作載荷和邊界約束,對其施加位移和壓力邊界條件,以模擬其真實的注塑環(huán)境,并對整個模具進行網(wǎng)格剖分和應力、應變分析。最后, 尺寸優(yōu)化設計為模具改進提出了參考方案。

2.1 幾何模型導入

圖1 所示是廠家提供的在某款注塑模具的幾何模型,整個模具是由面板、底板、方鐵、公模、公模鑲件、母模鑲件和母模7 個主要部分組成,熔融塑料被注塑機高壓射入澆口,流經(jīng)面板、公模,進入由公模和母模鑲件所形成的內腔中,經(jīng)保壓成形生成成品制件。

(1 底板;2 方鐵;3 公模;4 公模鑲件;5 母模鑲件;6 母模;7 面板;8 澆口)

幾何模型導入到ANSYS 中是整個仿真分析的基礎,利用ANSYS 與UG 的雙向互導功能,可以在UG 的設計環(huán)境中直接激活ANSYS 并導入到ANSYS 分析環(huán)境,這就實現(xiàn)了從設計到分析的無縫接合,導入到ANSYS 的模型保留了原UG 模型的所有特征而沒有任何丟失(見圖1)。另外,ANSYS 在導入模型的過程中,自動識別并且建立了各連接部件之間的接觸關系,由此大大簡化了接觸關系的定義工作,提高了分析效率。

2.2 初始條件設置

1)模腔壓力和鎖模力

模腔壓力P 主要受下面5 個因素影響:澆口的數(shù)目和位置、澆口的尺寸、制品的壁厚、使用塑料的粘度特性和注塑速度。根據(jù)文獻

P= P0×K=39×1.4= 54.6MPa (1)

注塑件投影面積數(shù)值:S = 6984.07mm2

該注塑模具工作所需要的最小鎖模力:

F=P×S=54.6×106×6984.07×10.6 =381.33KN (2)

2)模腔壓力加載時間歷程

通過載荷時間歷程的施加方式,來模擬填充到保壓階段的應力變化,即模腔壓力由注塑開始的0MPa,上升到保壓階段開始的最高壓力,然后在保壓階段下降到最大壓力的80%,最后卸載至0MPa ,這稱為一次加載過程,如圖2 所示。

圖2 模腔壓力加載時間歷程

綜上分析,在面板上施加鎖模力,大小381.33KN ,方向由面板指向公模。在模腔的內表面施加最大注塑壓力,大小54.6MPa ,方向垂直于模腔內表面,底板上使用固定約束,以模擬模具在注塑階段到保壓階段中的工作情況。所施加的邊界條件如圖3 所示。

2.3 材料參數(shù)

面板、底板、方鐵、公模和母模的材料為普通碳素鋼S45C

2.4 模型的網(wǎng)格化

該注塑模具模型共劃分了284954單元,總節(jié)點數(shù)是478202,如圖4所示。具體網(wǎng)格劃分方式與單元尺寸設定如下:

1) 面板,底板和方鐵4 個部件,使用六面體占優(yōu)的網(wǎng)格劃分方式,單元邊長尺寸為12.5 mm ,共劃分4852 單元,25221 節(jié)點;

2) 公模和母模2 個部件,使用六面體占優(yōu)的網(wǎng)格劃分方式,單元邊長尺寸為8 mm,共劃分81771 單元,134523 節(jié)點;

3) 公模鑲件和母模鑲件2 個部件整體上使用六面體占優(yōu)的網(wǎng)格劃分方式,單元邊長尺寸為8 mm;同時,為了捕捉模腔內的細節(jié),再選擇模腔內表面102 個面,使用全四面體的網(wǎng)格劃分方式,單元邊長尺寸為1.2 mm ,最共劃分198331 單元,318458 節(jié)點,如圖5所示。

通過計算結果的云圖顏色深淺就可以判斷變形和應力的大小,通過最大/最小值圖標可以方便地判斷最大/最小應力、應變的位置。同時,在計算結果的后處理中, 可以通過將應力、應變結果做成動畫,更加直觀地顯示計算結果,方便設計人員確定問題所在。計算所得模具整體最大變形為0.0199mm,發(fā)生位置為公模/ 母模鑲件模腔表面(如圖6所示);最大等效主應力(Von Mises 應力)為302MPa ,發(fā)生位置為母模鑲件模腔表面;面板與公模之間的最大壓力為67.4MPa ,方鐵與底板、母模之間的壓力最大為102MPa 。上述指標均符合設計要求,即“保證塑件加工精度在0.01mm~0.03mm 之間”,最大等效應力小于材料屈服強度(826MPa )。

為了改進模具設計,在模具整體變形和應力值不超過設計要求的情況下,盡可能的減少材料,對不同厚度的公模進行了對比計算。當公模的厚度(圖6 所示尺寸T)變薄2mm 時,有限元分析的結果如圖8 所示。從圖中可以看到公模最大變形由原來的0.011mm 增加為0.019mm ,最大變形發(fā)生的位置在公模底面中心位置(圖8,MAX 處)。公模厚度減少2mm ,模具變形不大,依然滿足“保證塑件加工精度在0.01mm~0.03mm 之間”的設計要求。

借助ANSYS 結構靜力學分析功能,對某型號注塑模具的應力應變分析,確定其在特定工況下(鎖模力為381.33KN ,注塑壓力為54.6MPa )模具的整體變形及應力分布,校核模具在工作狀態(tài)下的結構強度。獲得以下結論:

1)利用ANSYS 和UG 間的接口,能夠將注塑模具模型導入到ANSYS 分析環(huán)境中,并且能夠自動的建立和識別零部件間的接觸關系,提高了分析效率;

2)整個模具的鑲件部分變形最大值為0.0199mm ,位置在母模鑲件模腔內表面上,保證了該注塑模具加工塑件的精度在0.01mm~0.03mm 之間,故可以認為該模具結構設計比較合理;

3)整個模具的鑲件部分等效應力分布比較均勻,雖然局部最大應力達到302MPa ,考慮到該部分使用的模具鋼2738 ,并未超出其屈服強度(826MPa),故可以認為這個結構設計比較合理。

4)模具局部最大應力值隨之鎖模力和注塑壓力的增大而增大,采用ANSYS 多工況分析,計算得到導致模具發(fā)生塑性應變的最大鎖模力為1042KN ,最大注塑壓力為149MPa 。

5)根據(jù)不同尺寸的模具,做了優(yōu)化分析。在滿足工作要求的情況下,得到最優(yōu)的模具尺寸,即公模厚度減少2mm ,從而節(jié)省了模具材料和制造成本。