李春波，符学龙

LI Chun-bo1, FU Xue-long2

（1.淮阴工学院 数理学院，淮安 223003；2. 江苏财经职业技术学院 机电工程系，淮安 223003）

0 引言

塑料注射成型是一种复杂的模塑工艺，随着生活中所用塑件的多样化、复杂化，对塑料模具的设计提出了更高的要求。由于注塑成型工艺的复杂性以及不同压力、温度下难以预测的材料性能，另外由于制品质量和成型工艺参数之间的关系难以确定，因此，现代模具企业利用CAE技术进行模拟，研究工艺条件和制品质量之间的关系，建立工艺参数和制品质量之间关系的工艺模型，来进行注塑制品质量控制[1～4]。

本文运用MPI技术对模具企业开发的ABS支架塑件进行数值模拟分析，确定其适宜的浇注系统和冷却系统，优化成型工艺，缩短开发周期。

1 模型建立

将外形尺寸为320mm，高度为8mm，壁厚为2.5mm的支架塑件模型以*.stl格式文件导入MPI软件，对塑件进行网格划分，修补自由边、重叠面等缺陷，最大纵横比小于10，网格匹配率达到91.4%，最终模型网格数为24437。图1显示的是材料的粘度以及PVT性能，选用材料为MONKAS提供的ABS，牌号为TFX-210。模具温度设置为50℃，熔体温度为230℃，顶出温度88℃，最大剪切速率120001/s。

图2是塑件网格划分后的厚度诊断，由图中可以看出塑件壁厚比较均匀。对塑件的结构工艺性以及精度要求进行分析，采用一模两腔进行注射成型，并根据塑件最佳浇口位置的分析云图进行浇注系统的设计，结果如图3所示。浇口类型采用侧浇口成型，控制延后1.4s注射，使用圆形分流道，浇口尺寸为8mm×6mm×10mm×1.2mm，主流道尺寸为 10mm。

图1 ABS的粘度及PVT性能

生产中的不合格产品包括塑件变形、尺寸异变、表面缺陷等，大概60%的塑件质量问题都是由于冷却系统的设计不恰当引起的，这就凸显了冷却系统的重要性。根据塑件的长、薄的特点及以往的设计经验，为了减少其变形，冷却系统的设计需采用动、定模冷却，浇口处加强冷却的冷却方式，冷却水道直径为 8mm，最终效果如图9所示。

图2 零件的厚度检测

图3 浇注系统的建立

2 成型分析

熔体流动状态对塑料成型有较大的影响，图4是塑件不同充填阶段的流动状态，根据充填状态30%、50%、75%和97%分析，塑件可以完全充满，没有欠注的情况，从而很好地保证塑件成型的质量要求。

图4 塑件各阶段的充填状态

由于塑件在充填过程中会发生体积收缩，为了确保塑件的完整性，对塑件进行补缩，由充填状态向保压状态的V/P转换点选择在充填2s以后，这时压力为43.03MPa，塑件已经充满98.13%，以确保充填状态向保压状态转变及时，使得塑件能充分地补缩，以提高塑件的致密度，改善塑件的使用性能。

图5 熔体前端温度

从图5可以看出，该塑件的模温分布比较均匀，熔体在流动过程中温度下降缓慢，利于填充。熔体最大前沿温度为253.9℃，最小前沿温度为247.5℃，前沿温度相差为6.4℃，温差控制在20℃内，相差很小，可以保证塑件几乎在同一时间冷却，保证塑件的尺寸稳定性，减少翘曲对塑件的影响。最大剪切速率是在0.99s时的1.840×1051/s，最大剪切速率不超过数据库中提供的1000001/s，超过这一值塑料就会发生分解，所以在成型时要确保不超过1000001/s。型腔壁上的最大剪切应力为32.69MPa，确保塑件在成型过程中不发生分解的现象，预防失效。

图7是塑件中气孔的分布，在设计模具时，要注意气孔所在的位置，如果在成型时塑件中存在气泡，就容易使得气体发生膨胀并产生缩孔，使得塑件表面凹凸不平，影响使用。产生气孔的原因有：塑件中有水分，充填时水分被气化；排气不良，设计时应特别注意排气系统应在塑件最后充填的位置；模温低，来不及充填就发生结晶，应减少气孔的尺寸以保证塑件的完整性，所以在注射前一定要对ABS进行烘干、检验色泽等工序。

图6 剪切速率

图7 塑件中的气孔分布

图8 塑件的熔接痕位置

塑件的熔接痕位置以及成型时的温度对塑件质量产生很大的影响，熔接痕可能产生结构问题，同时使得零件不合格。然而由于某些塑件的结构特点，熔接痕的存在是不可避免的，因此需要注意成型时的工艺条件以及熔接痕存在的位置（如图8所示），以确保熔接痕也有很好的力学性能，这受到成型时熔接痕处温度的影响，由熔体前端温度可知熔接痕处的温度为248℃，在成型时对塑件的力学性能影响很小。

注塑模具冷却系统对于提高模具的设计制造水平和制品的质量是非常重要的[5]。从图9塑件的冷却系统分析结果中可以看出，冷却介质的最低温度为49.6℃，最高温度为50.48℃，温度差为0.88℃，小于一般冷却系统要求的温度差5℃的要求，从而使得塑料达到均匀冷却，不会在塑件内部产生较大应力，保证其性能。冷却后塑件上、下表面温度为61.02℃～71.28℃以及63.33℃～78.76℃，使得塑件在推出时不发生变形。

翘曲变形是影响塑料件质量的主要因素[6～7]，本次实验以翘曲值为考核目标。产生翘曲变形的原因有冷却不均匀、收缩不均匀和分子取向不一致等，其直接原因在于塑料件的不均匀收缩。塑件总变形量为4.914mm，其中X方向为1.286mm，Y方向为2.351mm，Z轴方向为3.704mm，相对塑件自身而言变形较小，保持其特有的形态。在制品的下表面增加加强筋后，对防止制品变形的效果会更好。

3 结论

图9 冷却系统温度分布

图10 塑件的总变形

通过对ABS支架塑件进行MPI数值模拟分析，针对塑件的结构工艺性建立相应的浇注系统和冷却系统，系统分析了熔体前沿温度、剪切速率、塑件的上、下表面温度、冷却系统温度分布和塑件的总变形等，得到塑件流道平衡状况评估，制品缩痕与气穴提示，熔接痕分布状况，从而实现对成型制品进行理论上的预测和把握，大大提高模具设计效率，增强模具设计企业竞争力。

[1]J. Liu. Application of Moldflow technology in buckling analysis of plastic part[J]. Mould Industry, 2008, 33(2),6-10.

[2]H. Ahmad, Z. Leman. Optimization of Warpage Defect in Injection Moulding Process using ABS Material[J]. Third Asia International Conference on Modelling & Simulation,2007: 1271 -1278.

[3]Chiaming Yen, J.C. Lin, Wujeng Li, and M.F.Huang,2006. An adductive neural network approach to the design of runner dimensions for theminimization of warpage in injection mouldings[J]. Journal of Materials Processing Technology 174, 2006:22-28.

[4]Mustafa Kurt, Yusuf Kaynak, Omer S. Kamber. Influence of molding conditions on the shrinkage and roundness of injection molded parts[J]. Manuf Technol, 2010, 46: 571-578.

[5]王义, 刘泓滨. Moldflow在注塑模冷却系统分析中的应用[J]. 塑料工业, 2010, 4: 85-88.

[6]段贤勇, 何顺荣. 基于Moldflow/MPI的UPS电源壳体注塑成型分析[J]. 塑料科技, 2011, 3: 67-70.

[7]吴真繁, 孙宝寿, 陈哲. 基于Moldflow的注塑件翘曲优化及影响因素分析[J]. 轻工机械, 2009, 12: 5-10.