以常見(jiàn)的塑膠產(chǎn)品外殼為研究對(duì)象，應(yīng)用SOLIDWORKS Plastics對(duì)產(chǎn)品的注塑成型過(guò)程進(jìn)行仿真。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行澆口位置、數(shù)量、成型壓力、填充時(shí)間、冷卻時(shí)間、冷卻水路排布及翹曲進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)評(píng)估產(chǎn)品熔合線、包封等缺陷，從而減少試模次數(shù)，縮短開(kāi)發(fā)周期，進(jìn)而降低成本。

一 引言

塑膠由于其重量輕，強(qiáng)度高，價(jià)格低而被廣泛地應(yīng)用在家電、儀器儀表、電線電纜、建筑器材、通訊電子、航天航空、日用、玩具及汽車等行業(yè)。但是由于涉及到高分子材料性能，成型工藝，模具設(shè)計(jì)及注塑機(jī)等多方面的原因，在實(shí)際的注塑成型中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些缺陷，如短射，縮痕，燒焦及飛邊等。大多數(shù)的工程師會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去設(shè)計(jì)產(chǎn)品或模具，經(jīng)常要經(jīng)過(guò)多次的試模，修模才能滿足注塑成型的需求，這樣會(huì)造成了開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)和成本過(guò)高的問(wèn)題。因此，我們可以利用CAE的技術(shù)，模擬整個(gè)注塑的整個(gè)過(guò)程以及預(yù)測(cè)成型后產(chǎn)品的缺陷。本文以SOLIDWORKS Plastics對(duì)某產(chǎn)品外殼進(jìn)行模擬分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

二 SOLIDWORKS Plastics注塑模擬

SOLIDWORKS Plastics是一款基于SOLIDWORKS平臺(tái)的模流分析軟件。它可以模擬塑料制品在注塑成型過(guò)程中的流動(dòng)，保壓和冷卻過(guò)程，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的殘余應(yīng)力分布、纖維的排向、收縮和翹曲變形等，幫助設(shè)計(jì)人員及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，減少試模及修模次數(shù)，幫助我們縮短產(chǎn)品的上市周期，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。其分析流程如圖1。

圖1 分析流程

2.1 3D 模型

圖2 3D模型

圖2 所示為某產(chǎn)品的外殼3D模型，采SOLIDWORKS建立模型，無(wú)需數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，可以直接切換到SOLIDWORKS Plastics進(jìn)行模流分析。產(chǎn)品要求外觀光滑，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，確定合理的注塑成型條件。

2.2 網(wǎng)格及材料

SOLIDWORKS Plastics根據(jù)用戶輸入的網(wǎng)格尺寸自動(dòng)劃分網(wǎng)格，支持局部網(wǎng)格加密。一般在幾何變化較大的地方需要做網(wǎng)格細(xì)化處理。另外，SOLIDWORKS Plastics內(nèi)置大概有5000多種材料可供我們選擇，同時(shí)支持自定義。產(chǎn)品采用的材料為ABS。

圖3 網(wǎng)格模型

2.3 澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

SOLIDWORKS Plastics可以根據(jù)流動(dòng)的平衡自動(dòng)選擇澆口的位置跟數(shù)量。綜合產(chǎn)品外觀要求，暫時(shí)采用設(shè)計(jì)如圖澆道，澆口位置位于澆道上端的位置。另外考慮產(chǎn)品的冷卻系統(tǒng)如圖。只需要在SOLIDWORKS中繪制草圖線就可以定義冷卻水路及澆道。

圖4 冷卻水路及澆道

2.4 流動(dòng)分析結(jié)果

流動(dòng)分析用來(lái)預(yù)測(cè)制產(chǎn)品在特定的塑料材料以及相關(guān)注塑成型參數(shù)下的填充行為。填充分析結(jié)果主要用于查看產(chǎn)品的填充行為是否合理、填充是否平衡、能否完成對(duì)制件的完全填充等。用戶可以根據(jù)動(dòng)態(tài)的填充結(jié)果來(lái)查看填充階段的熔體流動(dòng)行為，判斷填充流動(dòng)行為是否合理。

通過(guò)分析結(jié)果，可以知道最大的注塑壓力44.10Mpa，一般情況下最大壓力應(yīng)不超過(guò)注塑機(jī)壓力極限的80%，若果分析部包含澆注系統(tǒng)，最大壓力則不能超出注塑機(jī)壓力極限的59%。同時(shí)要求壓力分布均勻，如圖5。從圖中可以知道壓力分布并不均勻，這是由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與進(jìn)澆位置決定的。另外，填充時(shí)間為1s。最大鎖模力29.17T，填充完成最高溫度244.48℃。包封出現(xiàn)在如圖5 所示的位置，如果包封的位置不在分型面上，則需要在該包封位置設(shè)計(jì)排氣。熔合線則出現(xiàn)在側(cè)面，需要盡量保證熔合線不出先在受力位置上和影響外觀。

圖5 填充結(jié)束時(shí)模穴壓力

2.5 冷卻結(jié)果及優(yōu)化

冷卻分析參數(shù)主要有塑件和模具的溫度、模具熱通量、冷卻結(jié)束時(shí)產(chǎn)品溫度及冷卻時(shí)間等。通過(guò)冷卻分析結(jié)果判斷產(chǎn)品冷卻效果，所需的冷卻時(shí)間，確定成型周期。如圖6所示，冷卻時(shí)間為10.34s，冷卻結(jié)束時(shí)產(chǎn)品溫度最高溫度為69.44℃，最低位56.20℃，冷卻效果較差。我們可以將冷卻水路進(jìn)行優(yōu)化，將冷卻水路貼近產(chǎn)品。優(yōu)化后冷卻時(shí)間降低到9.04s，模面溫度降低到60攝氏度。優(yōu)化后的結(jié)果如圖7所示。

2.6 翹曲分析

翹曲分析是基于冷卻分析過(guò)程，對(duì)產(chǎn)品成型后可能出現(xiàn)的變形以及形狀尺寸等進(jìn)行分析，便于對(duì)成型過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。從結(jié)果可知，總的變形量為0.71mm，如圖8所示?？傋冃斡蓛刹糠謽?gòu)成，分別是材料本身熱脹冷縮導(dǎo)致的收縮變形和不同區(qū)域收縮不均或材料分子取向不平衡導(dǎo)致的翹曲變形。通過(guò)SOLIDWORKS Plastics分析，可以預(yù)測(cè)產(chǎn)品變形，為設(shè)計(jì)方案提供參考，從而減少試模次數(shù)。

圖8 翹曲結(jié)果

三 總結(jié)

應(yīng)用CAE的分析工具SOLIDWORKS Plastics對(duì)注塑成型的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬分析，可以在模具設(shè)計(jì)的前期對(duì)注塑成型的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)并進(jìn)行方案優(yōu)化，避免實(shí)際生成過(guò)程出現(xiàn)的一些缺陷，減少試模的次數(shù)，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。