基于CAE分析的塑件3D制造技术

臧建所

(1.哈尔滨理工大学 机械动力工程学院, 哈尔滨 150080; 2.黑龙江科技大学 机械工程学院, 哈尔滨 150022)



基于CAE分析的塑件3D制造技术

臧建所1,2

(1.哈尔滨理工大学 机械动力工程学院, 哈尔滨 150080; 2.黑龙江科技大学 机械工程学院, 哈尔滨 150022)

为缩短模具设计与制造周期，提高塑件质量，以塑料盒盖为研究对象，在浇注、冷却系统确定的前提下，应用CAE技术对其进行流动、冷却和翘曲模拟分析。实验结果表明：当冷却回路介质温差0.94 ℃、充填时间4.859 s、总体变形量0.791 8 mm时，满足塑料模具设计要求。

CAE; 3D; 注射模; 冷却系统; 塑料盒盖

0　引　言

随着产品设计与制造由2D向3D转变,利用CAE软件进行辅助分析得到直观的3D效果,越来越普遍被研究人员所采用[1]。注射模作为塑料制品生产的主要设备,其传统设计对经验依赖性强,需反复试模,最终才能投入生产,从设计到投产整个流程是典型的串行路线[2]。注射模CAE技术可以代替试模,在模具制造之前,先在计算机上对整个成型过程进行模拟分析,准确预测熔体的填充、保压、冷却以及塑件中的应力分布、分子和纤维取向分布、塑件的收缩和翘曲变形等情况,设计者可以不断调整工艺参数,优化工艺规程[3],尽早发现并解决问题,及时修改塑件和模具结构,而不是等到试模以后再返修模具,在设计阶段以最小的花费、最短的时间优化设计。CAE技术缩短开发周期,降低生产成本,使得注射模的设计得以优化[4-5]。

1　CAE分析前处理

1.1塑件参数及工艺

塑件如图1所示的塑料盒盖。该塑料盒盖材料为Cycolac PS-507(ABS),壁厚2 mm,且均匀,尺寸精度均为MT4。上表面有9个通孔,整体形状较规则,外观质量要求较高,表面粗糙度Ra为1.6 μm,无飞边、毛刺等塑件缺陷。

图1　塑料盒盖3D图

1.2网格划分

塑件三维模型导入CAE系统后,首先需要对模型进行网格划分。网格是CAE模拟分析整个过程的基础,直接影响模拟结果精度,甚至会导致求解无法进行[6]。

以Fusion表面网格类型导入塑料盒盖模型。启用CAE网格自动划分功能,划分好的网格模型如图2所示。网格统计信息显示:网格平均边长3 mm,网格单元为15 536个三角形,节点数为7 776个,连通区域为1,自由边为0,纵横比范围为1.158 000～5.652 000,匹配率为91.6%,大于80%,计算能够顺利进行且结果精度较高[6]。

图2　塑料盒盖网格自动划分结果

1.3浇注、冷却系统及工艺条件

浇注系统是塑料熔体从注射机喷嘴出来到达模腔之前在模具中流经的通道。浇注系统的设计直接影响塑件的内在质量和外观。根据塑件的表面质量要求和结构特点,采用手工方式创建浇注系统,其中分流道截面形状为圆形,直径为5 mm,采用潜伏式浇口,始端直径1.5 mm,末端直径5 mm,如图3所示。

图3　浇注系统示意

冷却系统对塑件质量的影响非常大。冷却效果直接影响塑件的表面质量、机械性能和结晶度等。根据塑件的结构特点,依经验,冷却水道的主要参数为:直径8 mm,水道与塑件间距为10 mm,上、下表面各设置1条环形水道,水道超出塑件外距离40 mm。如图4所示。

图4　冷却系统示意

CAE系统根据选用的塑料Cycolac PS-507,推荐成型工艺参数为:熔体温度210 ℃,模具表面温度60 ℃,开模时间为5 s,注射周期为30 s。设置充填自动控制,速度/压力自动切换,保压控制由充填压力与时间决定。顶出温度为81 ℃,环境温度为25 ℃,顶出时的冻结百分比为100%,并将翘曲原因分离。模流分析序列采用“冷却+流动+翘曲”。

2　模拟结果与分析

2.1冷却分析

冷却分析用于判断冷却系统的冷却效果。根据冷却模拟所计算出的冷却时间来确定成型周期。另外,通过冷却分析优化冷却水道的布局,降低成型周期,提高生产率[7]。

2.1.1回路冷却介质温度

显示冷却液在水道中的温度变化。冷却液的温度变化要均匀,温度变化不宜超过3 ℃。该实验中的冷却水温差为0.94 ℃,CAE分析结果如图5所示,符合要求。

图5　回路冷却介质温度

2.1.2冻结时间

冻结时间是从成型周期开始至制品完全冷却至低于顶出温度所需要的时间。该塑件的冻结时间为63.95 s,CAE分析结果如图6所示。

图6　冻结时间

2.2流动分析

流动分析是用来模拟塑料从注塑点逐渐扩展并充填完模腔的流动情况。通过预测缺陷,获得最佳保压曲线,从而降低由保压引起的制品收缩、翘曲等缺陷[8]。

2.2.1充填时间

CAE分析结果如图7所示,远离浇口处的塑件边缘充填时间最长,为4.859 s。

图7　充填时间

2.2.2体积收缩率

图8显示塑件顶出时体积收缩CAE分析结果。由图8可知,体积收缩较均匀,处于5.522%左右。最大收缩处于流道中,对塑件的成型无影响。

图8　体积收缩率

2.2.3注射压力

图9为模拟注射位置各时刻压力分布图。压力曲线峰值处对应的时间t1=4.833 s,p=41.45 MPa,处于塑料Cycolac PS-507推荐的注射压力20～100 MPa范围内,注射压力合理。

压力降为0时,对应的时间t2=14.85 s,故第二段保压的起始时间T1=(t1+t2)/2=9.842 s。

由图6所示的浇口冻结时间可知,第二段保压终止时间即冻结时间T2=63.95 s。从表1所示的“结果概要”中可知,保压压力p为填充完毕时的压力,即p=33.16 MPa。注射时间T3为发生V/P转化时的时间,即T3=4.83 s。

图9　注射位置压力分布

t/sv/%p/MPa锁模力/t流动速率/(cm3·s-1)状态4.6394.8640.4024.7398.50V4.8399.0141.4530.2798.42V/P4.8499.2133.1628.3765.05P4.8599.3733.1627.2962.97P4.86100.0033.1622.0762.36已充填

综上,对保压曲线进行优化,第一段保压时间Ta=第二段保压的起始时间-注射时间=9.842-4.83=5.012s,第二段保压时间Tb=冻结时间-(第一段保压时间+注射时间)=第二段保压的起始时间-注射时间=63.95-9.842=54.108s。优化后的保压曲线如图10所示。

图10　优化后的保压曲线

2.2.4锁模力

图11显示,在5.069s最大锁模力为74.68t,为注射机的选择提供了重要依据。

图11　锁模力模拟曲线

2.2.5剪切应力

图12所示,最大剪切应力为0.402 8MPa,动画显示最大剪切应力产生在潜伏式浇口始端位置,小于塑料CycolacPS-507的最大许用剪切应力0.45MPa。剪切应力满足材料使用要求。

图12　剪切应力分布

2.3翘曲分析

在成型过程中由于冷却不均、收缩不均、分子配向性效应等原因可导致塑件翘曲变形。翘曲分析是用于判断成型制品是否会出现翘曲以及分析翘曲的原因[1]。

变形分为所有因素、x方向变形、y方向变形和z方向变形。所有因素变形如图13所示。通过分析可知,总体变形量为0.791 8mm,其中,x方向最大变形量为0.734 2mm,y方向最大变形量为0.762 3mm,z方向最大变形量为0.310 9mm。从影响因素来看,由冷却方式引起变形为0.180 6mm,由分子取向引起变形为0.186 6mm,由塑件收缩引起变形最大为0.689 8mm。

图13　CAE分析结果-变形，所有因素

由上述塑件翘曲变形的定量分析可知:翘曲变形主要集中在沿y轴方向上发生的变形;由收缩因素对y向的翘曲变形影响最大,而冷却和分子取向因素的影响相对较小。

3　模具设计

注射模具一般分为8个基本组成部分,分别为成型部件、浇注系统、导向部件、推出机构、侧向分型抽芯机构、调温系统、排气槽和标准模架[9]。根据以上CAE分析,并结合塑件具体使用要求,应用CAD软件可方便地设计出模具的型腔、型芯等零部件,通过加载模架等标准件完成模具具体设计,爆炸图如图14所示。

图14　模具3D设计爆炸图

4　结束语

(1)将CAE技术应用于塑件生产,以数值模拟方法,帮助设计制造人员预测产品成型质量,从而不断改进产品工艺和模具设计方案,有效地缩短生产周期,降低生产成本。

(2)以实际塑料盒盖为例,在建立浇注系统、冷却系统和设置工艺参数等条件下,应用CAE技术进行“流动+冷却+翘曲”分析,系统以3D彩图等形式给出充填时间、体积收缩率、回路冷却介质温度和各方向的变形量等结果。

(3)不同的设计方案能够得到不同的模拟结果。设计制造人员可以根据模拟结果,从各方案中选择最优的设计方案,在一定程度上克服了传统模具设计依赖经验、需反复试模的缺点,使模具设计更加优化,进而提高了塑件的生产质量。

[1]王卫兵. Moldflow中文版注塑流动分析案例导航与视频教程[M]. 北京： 清华大学出版社, 2008.

[2]罗广思. 基于CAE技术注射模设计[J]. 模具工业, 2009, 35(11): 50-52.

[3]王树勋. 基于CAE分析的注塑模具浇口位置的研究[J]. 制造业自动化, 2011, 33(3): 35-36.

[4]王宏松. CAE在注塑及其数字化设计中的应用[J]. 九江职业技术学院学报, 2011, 23(1): 11-13.

[5]刘畅. 塑料注射成型中冷却时间的快速预测[J]. 塑料工业, 2010, 38(10): 39-43.

[6]单岩, 王刚. Moldflow模具分析技术基础[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.

[7]陈吉平. 基于MPI平台随身听面板注塑成型优化设计[J]. 塑料工业, 2006, 34(1): 22-25.

[8]周大路. Moldflow在注塑模具设计中的应用[J]. 计算机应用技术, 2005, 8(4): 26-34.

[9]黄虹. 塑料成型加工与模具 [M]. 2版. 北京: 化学工业出版社, 2008.

(编辑晁晓筠)

Plastic parts 3D manufacturing technology based on CAE analysis

ZANGJiansuo1,2

(1.School of Mechanical Power Engineering, Harbin University of Science & Technology, Harbin 150080, China;2.College of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Aimed at shortening the injection mold design and manufacturing cycle and improving plastic parts quality, this paper introduces the use of CAE technology for the simulation analysis of the flow, cooling, and warping, based on the plastic cover used as the research object, with definite casting and cooling system. Results show the possibility of fulfilling the requirements of injection mold design, with the cooling circuit medium temperature difference of 0.94 ℃, the filling time of 4.859 s, and the overall deformation of 0.791 8 mm.

CAE; 3D; injection mold; cooling system; plastic cover

2013-06-12

臧建所(1980-),男,吉林省农安人,讲师,硕士,研究方向:机械制造、模具CAD/CAE/CAM技术,E-mail:zangjiansuo@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.011

TQ320.66

1671-0118(2013)05-0449-04

A