1 引言
由于塑料制品的多樣性、復(fù)雜性及設(shè)計者經(jīng)驗的局限性,很難精確地設(shè)計出一套可降低成本、節(jié)省時間、提高塑件質(zhì)量及保證成品合格率的成型工藝方案。傳統(tǒng)的塑件開發(fā)及其成型模具的設(shè)計依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗進行,從設(shè)計到修改再到設(shè)計,需要反復(fù)迭代,不斷優(yōu)化。若在模具設(shè)計過程中運用CAE技術(shù),通過模擬塑件的成型過程能夠輔助設(shè)計人員設(shè)計出精確、高效的模具,從而達到提高模具設(shè)計質(zhì)量、降低模具成本、縮短模具交付工期的目的,節(jié)約了時間和成本,F(xiàn)以純平顯示器面板注射模為例,介紹CAE技術(shù)在模具設(shè)計中的應(yīng)用。
2 塑件分析
圖1所示純平顯示器面板可分為面板(425mm*390mm*25mm)和底座(290mm*200mm*20mm)兩部分,外觀質(zhì)量要求表面光滑,光澤好,無明顯的成型痕跡和缺陷(如飛邊、縮痕),而底座及內(nèi)表面作為不可見部分,對質(zhì)量要求沒有外觀可見部分高。塑件形狀復(fù)雜,有很多孔和加強筋,容易出現(xiàn)熔接痕、氣穴以及冷卻不均導(dǎo)致的翹曲變形等缺陷。正確設(shè)計澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)是該模具設(shè)計的難點。
圖1 純平顯示器面板
3 CAE分析
3.1分析前處理
將塑件模型通過MDL導(dǎo)入到MPI模塊中。純平顯示器面板屬薄壁件,在導(dǎo)入模型時采用Fusion網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分。為了保證分析結(jié)果盡量準(zhǔn)確,需對所得網(wǎng)格進行修改、優(yōu)化。網(wǎng)格統(tǒng)計信息為:三角形單元數(shù)92737,最大縱橫比9.99,平均縱橫比2.24,匹配率為90.6%。
塑件材料選用聚苯乙烯(HIPS),成型工藝參數(shù)為:熔體溫度220℃,模具表面溫度50℃,其余采用默認值。
3.2填充分析
為了不影響塑件外觀質(zhì)量,采用潛伏式點澆口(澆口直徑φ2mm,分流道直徑φ8mm)進料。由于塑件體積較大,需填充熔體較多,設(shè)計3澆口、4澆口、5澆口3種方案,從中選擇最優(yōu)方案。3種澆注方案如圖2所示。
圖2 澆注方案
3.2.1填充時間
分析3種方案的填充時間,從圖3可以看出,熔體到達型腔各處末端的時間方案一最接近,即填充相對最平衡。
圖3 填充時間
3.2.2熔體前沿溫度
3種方案的熔體前沿溫度如圖4所示,前沿溫差分別為10.2、17.1、17.9℃,前沿溫差較低的對填充最有利,故方案一較優(yōu)。
圖4 熔體前沿溫度分布
3.2.3V/P轉(zhuǎn)換點壓力分布
圖5所示是3種方案的V/P(注射速度/保壓壓力)轉(zhuǎn)換點壓力分布狀態(tài)圖,V/P轉(zhuǎn)換點壓力分別為74.67、67.51、80.37MPa,都不太高。方案一壓力分布均勻,熔體流動基本平衡;方案二底座大部分區(qū)域壓力較低,可能造成保壓不足而收縮率過大;方案三壓力分布普遍較高,底部澆口附近最高,可能造成過保壓,出現(xiàn)飛邊。綜合比較,方案一最合理。
圖5 VIP轉(zhuǎn)換點壓力分布
3.2.4熔接痕分布
圖6所示為3種方案的熔接痕分布,方案一只有3條主熔接痕,所處位置對塑件性能影響不大;方案二有4條主熔接痕,均處于塑件四角對角線上,對塑件力學(xué)性能影響較大,底部兩角處熔接痕特別長,嚴(yán)重影響塑件承力能力;方案三有5條熔接痕,4條所處位置同方案二一致。分析熔接痕處熔體前沿溫度,方案一稍低,只比熔體溫度(220℃)低2~3℃,熔接痕處熔體溫度可以保證。綜合考慮,方案一較佳。
圖6 熔接痕分布
通過以上分析結(jié)果可知,方案一為最優(yōu)方案,因此以方案一對塑件進行翹曲變形分析。
3.3冷卻、流動、翹曲變形分析
分析塑件達到頂出溫度時(未創(chuàng)建冷卻水道)所用時間,塑件底座時間較長,原因是底座厚度較面板大,因此底座需加強冷卻?紤]模具結(jié)構(gòu)、冷卻水道布置及塑件冷卻要求,采用5組冷卻水道。分別布置于底座上、下面、面板上、下面、面板四周,水道布置如圖7所示;緟(shù)同填充分析一致,注射+保壓+冷卻時間設(shè)為30s,其他參數(shù)采用默認設(shè)置。
圖7 冷卻水道布置
冷卻分析結(jié)果主要從回路水溫變化、回路管壁溫度、塑件到達頂出溫度時間、平均塑件溫度、冷卻不均等引起的翹曲變形幾個方面討論。圖8(a)所示回路水溫差2.3℃,水溫最高處于底座冷卻水道1(見圖7),原因為該水道路徑較長,底座熱量大;圖8(b)為回路管壁溫度,溫差4.61℃,處于5℃以內(nèi),較合理。由圖8(c)可知,塑件達到頂出溫度時間較長,達129.8s,而底座上部仍處于未冷卻狀態(tài),原因為水道設(shè)計不合理,不能實現(xiàn)快速冷卻。分析塑件平均溫度如圖8(d)所示,同樣是底座上部區(qū)域較高,原因同樣是冷卻水道設(shè)計不合理。由圖8(e)可知,塑件冷卻不均引起的變形量為0.0064—0.5391mm,而底座尾部變形量達到最大,將會造成塑件向內(nèi)收縮而引起翹曲變形。
圖8 冷卻分析
綜合以上分析,該水路設(shè)置不合理,底座上部水道2離塑件距離遠,而該區(qū)域恰好處于澆口附近,且存在壁厚較大部分,以上結(jié)果均證實該處存在冷卻問題;對于底座尾部翹曲變形嚴(yán)重也是由于水道1設(shè)置不合理造成的。
基于上述水道設(shè)計缺陷,重新設(shè)計冷卻水道1、2。水道1進出水方向設(shè)置于底座另一邊;水道2底座上部采用翻水孔,縮短水路至塑件表面距離,冷卻的澆口位置距離水道達到最短,改進的冷卻水道如圖9所示。
圖9 改進的冷卻水道
對比改進的冷卻水道前5組數(shù)據(jù),回路水溫差降低至1.54℃;管壁溫度差同樣有所降低;塑件達到頂出溫度時間大幅度降低,為78s,對于該類大型塑件,冷卻時間可以接受;塑件平均溫度分布較均勻;冷卻不均引起的翹曲變形量為0.0025-0.2596mm,最大值減半。綜合考慮,優(yōu)化后水道布置合理。
4 模具設(shè)計
利用Pro/E軟件并綜合了Moldflow分析結(jié)果,完成了模具設(shè)計,模具結(jié)構(gòu)如圖10所示。塑件內(nèi)外皆需側(cè)抽芯,外側(cè)直接采用普通斜導(dǎo)柱抽芯,斜導(dǎo)柱固定于定模側(cè),滑塊及導(dǎo)滑槽安裝于動模?紤]側(cè)滑塊成型面積大,承受熔體壓力大,特設(shè)置雙楔緊塊,防止鎖緊力不足而溢料。內(nèi)側(cè)滑塊采用傳統(tǒng)布置方式會導(dǎo)致無法實現(xiàn)抽芯或生產(chǎn)塑件時操作不便等問題,因此采用斜導(dǎo)柱、滑塊均布置于動模側(cè)。開模時,在彈簧作用下定距分型面打開,定距拉桿控制分型距離完成內(nèi)抽芯;緊接著主分型面打開。在動模后退的過程中,開模力通過斜導(dǎo)柱作用于側(cè)型芯滑塊,側(cè)型芯滑塊隨動模后退并在導(dǎo)滑槽內(nèi)向外滑動,直至滑塊與塑件完全脫開,側(cè)抽芯動作完成。塑件包在型芯上繼續(xù)后移,直至注塑機頂桿與模具推板接觸,推出機構(gòu)開始工作,推桿將塑件從型芯上推出。合模時,借助彈簧使推出機構(gòu)先復(fù)位,斜導(dǎo)柱使型芯滑塊向內(nèi)移動,最后完成合模。
圖10 模具結(jié)構(gòu)
5 結(jié)束語
CAE軟件應(yīng)用于塑件的開發(fā)和注射模的優(yōu)化設(shè)計中不僅縮短了塑件的開發(fā)周期,而且提高了模具設(shè)計的效率。在純平顯示器面板的模具設(shè)計中,將Pro/E中的注射模設(shè)計模塊和Moldflow的CAE分析功能綜合使用,避免了模具設(shè)計完成后反復(fù)試模和修模的過程,提高了模具的開發(fā)效率,降低了模具制造成本。
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