基于CAE的變模溫注射成型數(shù)值仿真

0 引 言

隨著家電、通信、消費(fèi)電子、汽車內(nèi)飾和光電等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,消費(fèi)者對(duì)塑料制品提出壁厚更薄、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、表面更美觀以及強(qiáng)度更高等要求.傳統(tǒng)的注塑成型技術(shù)通常采用恒定模溫控制技術(shù),但低模溫會(huì)導(dǎo)致聚合物熔體在充模流動(dòng)過程中提前冷卻,從
而在型腔壁形成冷凝層,阻礙熔體的成型,降低熔體的充模能力,難以應(yīng)用于成型透明度較高的光學(xué)產(chǎn)品、表面具有微結(jié)構(gòu)的塑件以及強(qiáng)度較高的復(fù)合材料制品等.同時(shí),聚合物熔體過早冷卻還將導(dǎo)致塑件表面產(chǎn)生熔接痕、流動(dòng)痕和凹陷等表面缺陷,極大地降低產(chǎn)品的表面質(zhì)量,需要用打磨和噴涂等后續(xù)工序加以掩蓋,不僅增加生產(chǎn)成本和能源消耗,還會(huì)污染環(huán)境,危害操作人員的健康.提高模具溫度后,雖然可以提高產(chǎn)品表面的外觀品質(zhì),但容易產(chǎn)生翹曲、下陷和尺寸精度不夠等現(xiàn)象,同時(shí)延長成型周期,增加生產(chǎn)成本.

在注塑成型過程中,對(duì)填充過程進(jìn)行數(shù)值模擬可預(yù)測實(shí)際注塑過程中可能出現(xiàn)的缺陷、優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、調(diào)整工藝參數(shù)和有針對(duì)性地制訂解決方案,達(dá)到減少材料浪費(fèi)、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力等目的.

1 變模溫技術(shù)原理

變模溫技術(shù)又被稱為快速加熱冷卻技術(shù),其基于動(dòng)態(tài)的模溫控制方式,根據(jù)不同工藝階段的特點(diǎn)和要求隨時(shí)調(diào)整模具溫度,從而解決常規(guī)注塑工藝存在的熔接痕、噴射痕、流動(dòng)痕、翹曲和浮纖等缺陷.在熔體充填型腔階段,在冷卻水路中通入高溫蒸汽
或高溫油提高模具溫度,從而提高熔體的流動(dòng)性,大幅提高成型制品的品質(zhì),使熔體填充到普通注塑成型不易填充的區(qū)域;同時(shí)在冷卻階段,通過通入冷卻水迅速降低模具溫度,減少冷卻時(shí)間,縮短注塑成型周期,從而在不影響注塑生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上,徹底消除熔接痕、流動(dòng)痕和凹陷等缺陷,有效提升塑件表面的光澤度,提升注塑件的品質(zhì),省去對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重的二次噴涂等后續(xù)工序.目前,變模溫技術(shù)主要用于薄壁注塑成型、高光注塑成型和微特征產(chǎn)品等.現(xiàn)有的變模溫技術(shù)主要有快速加熱冷卻(rapidheatcyclemolding)、脈沖式冷(pulsed?cooling)和水管溫度的冷熱切換等,但仍較多采用傳統(tǒng)的冷卻方式,即利用冷卻管道中的冷卻介質(zhì)以熱傳導(dǎo)的方式將熱量帶走,其加熱技術(shù)主要有蒸汽式加熱、電熱式加熱[6]、火焰加熱[7]、氣體加熱[8]、感應(yīng)加熱[9]和紅外線加熱[10]等.

2 研究方法

2.1 基礎(chǔ)建模

采用SolidWorks繪圖軟件,構(gòu)建填充模型,見圖1.該模型中,經(jīng)澆口進(jìn)入型腔的兩股流動(dòng)的熔體相碰撞,使熔體分子鏈沿厚度方向而不是沿充模主流方向上取向,從而在圈出部分形成熔接痕.在Rhinoceros中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格前處理,設(shè)定initialmeshsize為0.8,節(jié)點(diǎn)數(shù)為36291個(gè),三角形網(wǎng)格單元數(shù)為12874個(gè),四面體實(shí)體單元數(shù)為86227個(gè)(與SHELL網(wǎng)格相比,SOLID網(wǎng)格能更好地模擬熔體在型腔中的流動(dòng)波前,故采用SOLID網(wǎng)格).冷卻水路布置以及參數(shù)設(shè)定見圖2和3,冷卻水路的直徑為8mm.

圖1 基礎(chǔ)建模 圖2 冷卻水路布置

圖3 冷卻水路參數(shù)設(shè)定

2.2 模型參數(shù)

模型塑件尺寸為30.00mm(長)×28.00mm(寬)×3.00mm(厚),模具尺寸為37.22mm×35.23mm×31.18mm,模穴體積為1.3047cm3,模座體積為36.124 9 cm3,冷卻水管體積為
3.45185cm3.所用材料為ABS_POLYLACPA756S
(CHI-MEI).

2.3 需解決的問題

采用傳統(tǒng)注塑方法單澆口進(jìn)澆時(shí),因產(chǎn)品壁厚較薄,易在熔體對(duì)接區(qū)域產(chǎn)生熔接痕,熔接痕的出現(xiàn)將降低該處的充模質(zhì)量,進(jìn)而影響該處的力學(xué)性能.為提高澆口處和熔接線處溫度,設(shè)定如圖2所示的冷卻管路布置,一方面可延緩澆口固化、增加保壓補(bǔ)
縮,另一方面可提高熔接線處熔體的溫度,提高該處的力學(xué)強(qiáng)度.

2.4 黏度

流體流動(dòng)阻力隨黏度變化,黏度越高,流動(dòng)阻力越大,流動(dòng)越困難.對(duì)一般熱塑性塑料,黏度是塑料成分、溫度、壓力和剪切率的函數(shù).就溫度效應(yīng)而言,熱塑性塑料的黏度一般隨溫度升高而降低;就剪切率的效應(yīng)而言,剪切率越高,代表加工變形的速率越大.高分子鏈被排向,使大部分塑料具有黏度隨剪切率升高而下降的切變致稀性.

2.5 PVT關(guān)系

塑料的質(zhì)量體積或密度是相對(duì)狀態(tài)、溫度和壓力等的函數(shù),一般而言,可利用狀態(tài)方程式或PVT方程式進(jìn)行定量計(jì)算.模式參數(shù)由試驗(yàn)取得,代入此類經(jīng)驗(yàn)公式中即可求得塑料在某溫度和壓力下的質(zhì)量體積或密度值.ABS_POLYLACPA756S材料的黏度和PVT關(guān)系分別見圖4和5.

圖4 材料的黏度 圖5 材料的PVT關(guān)系

2.6 比熱容和熱導(dǎo)率
將單位塑料溫度提高1℃所需的熱量是塑料溫度容易改變與否的度量,比熱容越高,塑料溫度越不易變化;熱導(dǎo)率是塑料熱傳導(dǎo)特性的度量,熱導(dǎo)率越高,熱傳導(dǎo)效果越佳.塑料在加工過程中溫度傾向均勻,不會(huì)因熱量局部堆積而產(chǎn)生熱點(diǎn).熱導(dǎo)率以及比熱容關(guān)系到塑料熱傳導(dǎo)、冷卻性質(zhì),亦影響到冷卻時(shí)間的長短.材料的比熱容和熱導(dǎo)率見圖6和7.

圖6 材料的比熱容 圖7 材料的熱導(dǎo)率

3 分析參數(shù)及結(jié)果討論

3.1 分析參數(shù)

在Moldex3D分析軟件中設(shè)定的分析參數(shù)見表1,通入蒸汽溫度為200℃.

表1 分析參數(shù)

3.2 分析結(jié)果討論

模型中熔接痕位置見圖8.圖9中,由澆口壓力1和2比較可得,與普通冷卻方法相
比,當(dāng)注射時(shí)間相同時(shí),采用變模溫方法將降低澆口壓力,同時(shí)會(huì)減小熔接痕處的壓力;由澆口壓力2和3比較可得,縮短注射時(shí)間將提高澆口壓力,同時(shí)會(huì)提高熔接痕處的壓力;由曲線熔接痕處壓力1,2和3可得,當(dāng)冷卻水溫度為40℃時(shí),熔接痕處壓力最高.冷卻水溫度與熔接痕處溫度關(guān)系見圖10.其中,1為普通冷卻,2和3均為變模溫,其工藝參數(shù)見表1.在圖9中,由熔接痕處壓力1曲線得,提高冷卻水溫度可提高熔接痕處的溫度;由熔接痕處壓力1和2曲線比較可得,在注射階段通入蒸汽可提高模具局部溫度,即采用變模溫技術(shù)可提高熔接痕處溫度;通過查看熔接痕形成時(shí)的溫差,可判斷熔接痕的質(zhì)量,熔接痕處的溫度越接近注射溫度,熔接痕質(zhì)量越好;熔接痕處壓力越高,溫度越高,制品產(chǎn)生熔接痕處的力學(xué)性能越高.根據(jù)圖9和10,當(dāng)注射時(shí)間為0.1s,通入蒸汽時(shí)間為0.3s,冷卻水溫度為40℃時(shí),制品熔接痕處力學(xué)性能最好、熔接痕質(zhì)量最高.

圖8 模型中熔接痕位置

圖9 冷卻水溫度與型腔壓力的關(guān)系

圖10 冷卻水溫度與熔接痕處溫度關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)數(shù)值模擬可采用數(shù)學(xué)方程式描述系統(tǒng)中各變量之間的關(guān)系,同時(shí)在系統(tǒng)軟件的支撐下研究不同工況下的溫度場,具有準(zhǔn)確可靠、靈活多變、速度快等特點(diǎn);但應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況判斷模擬結(jié)果的可用性并綜合模擬結(jié)果,得出理論最佳注射工況以指導(dǎo)
實(shí)際生產(chǎn).

(2)在分解溫度以下適當(dāng)提高熔體與模具溫度,較高的模具溫度可使熔體在模具型腔中的流動(dòng)性增加,但增加熔體溫度和模具溫度會(huì)使成型周期延長.

(3)適當(dāng)提高注射壓力和保壓壓力,適當(dāng)加快充模速度或減少注射時(shí)間,可提高熔接痕處的壓力.

(4)變模溫技術(shù)利用蒸汽加熱,使模具表面維持較高溫度,在不影響注塑生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上,消除熔接痕、流動(dòng)痕和凹陷等缺陷,有效提升塑件表面的光澤度,提升制品品質(zhì).