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    基于Moldflow的变压器上盖注塑制品翘曲分析及优化设计

    时间：2023-03-23 13:05:05来源：百花范文网本文已影响人

    王 坤，杨 波

    (广东环境保护工程职业学院，广东 广州 528216)

    在模具行业中，设计出来的模具往往需要多次试模和修模才能达到理想的要求，导致模具生产周期长、效率低，制造成本高。而Moldflow软件可以快速模拟整个注塑成型的过程，根据流动冷却翘曲等分析结果及时发现模具设计的缺陷，提高产品设计的效率，证明了注塑CAE技术在塑料产品开发和模具设计行业中占据着不可或缺的地位[1]。

    本文是在某企业初步模具设计的基础上，研究变压器上盖浇注系统和冷却系统设计的合理性，以及产品变形是否符合要求。利用Moldflow软件，根据填充冷却翘曲的初步分析结果，优化浇注系统、冷却系统和保压曲线，最终使产品的翘曲量符合要求，缩短了模具制造周期，提高了模具质量。

    变压器上盖外观要求高，不允许有较大的熔接痕迹。产品尺寸要求：外形总体变形量要求不超过±0.3 mm。如图1所示，产品尺寸为118 mm×105 mm×80 mm，材料为ABS-XR-474。模具初步设计为两个浇口，且在产品的外表面，所以设为点浇口，然后应用Moldflow软件进行模流分析，验证模具方案的可行性，以及检查产品的翘曲量是否达到要求。

    图1 变压器上盖外观图

    为了提高后续划分网格的匹配率，需要把一些对分析影响不大的圆角、倒角，及孔或柱位去除[2]。一般半径R<1 mm的圆角需要去除，如图2所示，因为本产品模型相对比较简单，直接在NX10.0中利用删除面的操作来完成。

    图2 原始产品的小圆角

    利用Moldflow软件进行网格划分，采用双层面网格，一般根据产品的尺寸来确定全局网格边长，产品尺寸小于100 mm，网格边长取3 mm；
    在100～200 mm之间，网格边长取4 mm；
    大于200 mm，网格边长取5 mm，产品尺寸为118 mm×105 mm×80 mm，取4 mm。一般要求最大纵横比不能大于6，平均纵横比不能大于3。如图3所示，产品的最大纵横比为4.71，平均值为1.65，符合要求。如果要对产品进行翘曲分析，网格匹配百分比一般要求大于90%(允许±2%的偏差)，图3中为92.7%，可以进行分析。

    图3 网格模型

    浇注系统和冷却系统的管线可以在Moldfolw中创建，也可以在NX10.0中创建igs文件，之后导入Moldflow软件。因为本产品已经在三维设计软件中做了初步模具设计，所以直接在NX10.0创建igs文件，在Moldflow软件中根据模具设计中浇注系统和冷却系统的尺寸，赋予线条一定的属性。

    因为塑件的长高比较大，采用两个浇口进胶，冷浇口尺寸为1.5 mm×1.2 mm。在注塑成型过程中，冷却对制品的质量影响非常大，冷却水路的布局、冷却入水口的温度直接影响制品的表面质量，如果不合理将导致产品收缩不均，产生翘曲过大问题。模具设计设定冷却水管直径8 mm，因为产品比较深，设计6条冷却水路，前模采用2条走外围的水路进行冷却，保证产品外表面高度方向冷却均匀，后模产品的内腔采用2条隔水板水路冷却，保证内表面冷却到位，冷却系统尽量沿着塑件的形状对称布置，保证各处温度均匀，如图4所示。

    图4 浇注系统和冷却系统

    定动模具温度差一般不超过10 ℃，否则会使产品内外表面变形不均匀[3]。开始按照默认设置，前后模入水口温度为25 ℃。按照默认工艺设置一次分析完成之后，依据前后模温度进行调整，使其达到要求。

    成型窗口分析用来确定分析任务的最佳初步工艺设置，提供注射时间、模具温度和熔体温度的推荐值，以用作填充+保压分析的初步输入。根据材料属性选择模具表面温度60 ℃，熔体温度220 ℃，得到初步的注射时间为1.3 s。根据网格统计的体积83.64(图3)除以成型窗口最高点的时间1.3 s(图5)，得到充填速度为64 s-1再用流道体积5.4除以充填速度，得到流道充填时间的为0.1 s。成型窗口最高点的时间加上流道充填时间，得到总的充填时间为1.4 s。

    图5 质量(成型窗口)

    6.1 填充分析优化

    填充分析主要模拟塑料熔体从开始进入型腔到充满型腔的整个过程。最终获得最优的浇注系统设计。原始进浇口是1.2 mm，如图6(a)所示，会产生较大的剪切速率，一般可以通过降低材料的流动速率和增大注射时间来改进，加大浇口边长至1.3 mm，注射时间增加0.1 s至1.5 s，如图6(b)所示，剪切塑料大大降低。一般只要不超过材料推荐值的4倍就是可行的，此材料最大的剪切速率为50 000 s-1，符合要求。

    (a) 优化前 (b) 优化后

    6.2 冷却分析优化

    冷却分析用于分析塑料注射模具中热量流动的热传导模拟，用于确定使用塑料填充的型腔的温度和整个模具中的温度，以及冷却时间，从而优化模具冷却系统。采用系统默认的6条水路入水口的温度为25 ℃，如图7所示，前模模具温度为40 ℃左右，与图5中推荐的模具温度62 ℃差距太大。如果模具温度不稳定，将导致制品零件收缩不均和尺寸不稳定[4]。

    (a) 前模温度分布 (b) 后模温度分布

    前模冷却入水口温度改为65 ℃，后模冷却入水口温度不变仍为25 ℃。图8为优化后模具前后模温的比较，前后模温差为6 ℃左右，小于10 ℃，满足要求，实际生产前可以进行微调达到成型工艺最优化。

    (a) 前模温度分布 (b) 后模温度分布

    6.3 翘曲分析优化

    零件在成型过程中的翘曲变形主要由冷却不均、收缩不均、分子配向性效应等原因导致。由变形分析结果(图9)可知，翘曲变形是收缩不均产生的，主要是流动末端往里收缩产生翘曲，翘曲变形分为X、Y、Z3个方向，外形总体变形量要求不超过±0.3 mm，最大变形量为0.5 mm，这个变形会影响到零件的装配，不符合要求。

    (a) 总体翘曲分布 (b) 冷却不均

    由流动结果顶出时的体积收缩率分析(图10)可知，浇口收缩小，流动末端收缩大，主要是因为注射过程中型腔内压力分布不均匀。如图11(a)所示，流动末端在第8秒左右压力就衰减到0(保压时间为11.5 s)，与浇口位置产生很大的压力差。最理想的是在流动过程中各个位置的压力都保持一致，但是基本很难做到，只能尽量缩小压力差，因此调整保压曲线对于解决产品的翘曲至关重要。一般根据浇口处的冻结时间(图12)来确定保压时间，如果保压时间不够，内部压力大于外部压力，会使浇口封冻前倒流，产生收缩过大的问题。

    图10 顶出时的体积收缩率

    (a) 优化前 (b) 优化后

    图12 浇口冻结时间曲线

    保压工艺调整：采用分段保压，一般第一段保证流动末端的填充，最后一段保证浇口的填充，本产品主要是流动末端保压不足，所以第一段加大压力，浇口位置减小压力，以保证整个腔体压力均衡，变形均匀，降低翘曲变形，保压工艺如图13所示。如图11(b)所示，优化保压曲线后，型腔内的压力差大大缩减。

    图13 分段保压曲线

    通过改进保压曲线、产品总的变形量大大降低，分析得出产品总变形量为0.252 2 mm(图14)，符合产品要求。

    图14 优化后变形量

    在模具初步设计确定冷却系统和浇注系统的基础上，利用Moldflow软件，对变压器上盖进行填充保压加翘曲的分析，从理论上找到了产品翘曲变形的原因及优化的可行性方案，使变形量由优化前的0.504 6 mm降至0.252 2 mm。避免了单靠经验设计出现的失误，减少了试模、修模的次数。设计初期尽早发现模具设计和成型工艺参数方面存在的问题，能有效地节省生产成本和减短生产周期，增强企业在模具行业的竞争力。

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