薄壁注塑模具设计中有限元分析软件的应用

王君

摘要：薄壁注塑成型技术是在普通注塑成型技术的基础上发展起来的，随着塑料制品的薄壁化，用户对塑料制品的质量、成本以及性能有了更高的要求。在薄壁注塑成型时，需要极高的注塑压力和熔体温度，如果内部温度场分布不均，会造成结构的收缩或膨胀。如果注塑模具的内部部件与外部温度场的温度差不均匀，会导致模具的变形。因此，分析薄壁注塑模具在设计过程中有限元分析软件所起到的作用，有助于提高注塑工艺。

Abstract： Thin-wall injection molding technology is developed on the basis of ordinary injection molding technology. With the thin-wall of plastic products， users have higher requirements on the quality， cost and performance of plastic products. In thin-wall injection molding， extremely high injection pressure and melt temperature are required. If the internal temperature field is not evenly distributed， the structure will shrink or expand. If the temperature difference between the internal parts of the injection mold and the external temperature field is not uniform， it will lead to mold deformation. Therefore， it is helpful to improve the injection molding process to analyze the role of finite element analysis software in the design process of thin-wall injection mold.

关键词：薄壁注塑;模具;ANSYS;热力耦合

Key words： thin-wall injection molding;the mold;ANSYS;thermal coupling

中图分类号：TP3;TQ3                                 文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）23-0223-02

0  引言

模具的冷却系统和浇注系统影响着塑件的成型质量，模具中的冷却系统影响着产品的成型时间和翘曲变形。模具冷却系统设计的标准就是根据冷却的时间周期进行评判，冷却时间越短，则成型周期越短。塑件在注塑成型过程中，如果冷却不均匀，会引起塑件发生变形。因此，对整个模具浇筑系统中的浇口位置进行设计，保证冷却系统布置的合理性，是让薄壁塑件不发生变形的关键因素。只有保证模具的型芯与型腔的温度均匀，才不会因过大压力而造成薄膜塑件發生变形。

1  薄壁注塑模具设计中的影响因素

1.1 成型工艺参数对模具变形的影响

成型工艺参数是影响薄壁塑件发生变形的主要因素，在注塑成型过程中，聚合物熔体的冷却时间与模具的温度有极大关联，模具的温度越高，则熔体的冷却速度越低，从而导致塑件收缩加大。系统的冷却时间增加会降低生产效率，在薄壁注塑成型过程中，如果塑件的壁厚偏小，当温度偏低时，塑料的熔体在充填的过程中就会形成凝结层，当凝结层的厚度增加，会妨碍熔体的流动，从而发生质量问题。熔体温度的高度对于塑料的充填过程十分重要，温度过低进行充填会导致流动性变差，增加阻力，产生的温差也会让塑件的应力发生变化，从而造成塑件的翘曲变形。熔体温度高的情况下会增加熔体流动性，让整个成型过程填充的非常顺利，因此，选择合理的熔体温度，可以让薄壁注塑成型的过程更好，减小塑件变形的几率。

1.2 模具结构设计对翘曲变形的影响

模具注塑的过程中，冷却系统和浇注系统关系到塑件的成型质量，模具的冷却系统影响到塑件是否翘曲变形，在使用过程中可以将模具的冷却系统当成是一个热交换器，当熔体温度产生热量，通过热传导将冷却液带走。模具冷却系统的质量由冷却时间长短决定，冷却时间越短，成型时间越短，模具的型芯和型腔表面的温度分布就越均匀。薄壁塑件发生变形的另外一个重要因素是模具浇筑系统中的浇口位置设置以及冷却系统设置是否合理，这些都是影响熔体充填状态的重要因素，容易导致塑件发生不同程度的变形。薄壁塑件的流长比较大的情况下，流动的距离就会越远，流动过程中所引起的内应力也就越大，因此发生变形的几率就越大;当熔体的流动距离短时，整个型腔过程的时间就会变短，冻结层厚度减薄，内应力减小，因此发生变形的几率也会降低。另外，冷却系统设置不合理也会造成型芯与型腔的温度差变大，从而导致塑件冷却不均匀而发生变形，影响塑件发生变形的因素很多，一定要保证模具的型芯和型腔的表面温度分布均匀。

2  薄壁注塑成型工艺研究

2.1 塑件CAE分析有限元建模

以某汽車安全气囊盖为研究对象，该塑件是外壳装配件，因此对装配的精度要求较高。塑件整体卷翘变形尺寸在1mm的范围内对装配的影响最小，且外观装配更加美观，如果长度与厚度的比值大于流长比，则薄壁塑件是比较合理规范的。对薄膜塑件进行三维模型处理，并采用IGES格式导入到入Moldflow软件中，随后对双面网格进行划分，建立有限元模型。

在进行塑料产品结构设计时，根据工艺性的要求，需要对产品进行倒圆角处理。圆角处理虽然具有一定效果，但是在有限元网格划分时，进行圆角处理会影响到网格的划分质量，降低网格的匹配率，当网格匹配率低于50%时会导致分析失败，网格匹配率要达到90%以上才能够保证产品的质量。

根据塑件的结构和外观，对薄壁模具采用潜伏式浇口，可以减少浇口对外观所造成的影响，采用Moldflow进行注塑模拟仿真分析，得到最佳的浇筑系统和冷却系统。

在注塑成型过程中，塑料熔体的流动性对薄壁塑件充填是否顺利十分重要，因此选择流动性好的塑料进行充填，可以保证塑件的质量。ABS塑件具有较强的抗冲击性，而且尺寸稳定性好，基本性能参数如表1所示。

2.2 实验方案设计

采用Moldflow软件对模薄膜注塑进行模拟，可以看到注塑成型的变形过程。在成型过程中，通过对产生的因素进行分析和优化，可以得到成型工艺参数，参考工艺参数，可以降低塑件变形的概率。本实验中，通过对塑件的翘曲变形量进行分析后，得到熔体温度与模具温度，并根据参数的范围选择平均水平，并进行正交实验，正交实验参数如表2所示，根据表中数据在Moldflow软件中进行模拟实验，并记录模拟结果。

3  薄壁注塑模具变形分析

3.1 注塑模具有限元模型建立

以上述汽车安全气囊盖为例，将注塑模具作为分析对象，对薄壁注塑模具展开分析模具在成型时，对注塑压力和熔体温度要求较高，因此根据塑件的外形尺寸，利用PRO/E建立三维装配设计，三维尺寸为4.5cm×3.5cm×3.52cm。在对注塑模具进行有限元分析之前，要对其进行有限元网格划分，网格精度影响着有限元分析的结果。对注塑模具去除特征上的圆角后，导入模型进行ANSYS分析，得到简化后的模具。简化后的注塑模具其零件材料和材料基本属性数据如表3所示。

3.2 薄壁注塑模具热力耦合分析

在薄壁注塑成型的过程中，模具的温度场会影响到熔体，温度过高或者过低都会造成塑件出现质量问题。通过对注塑模具温度场进行分析后，可以得到模具的温度场分布云图，得到设计合理得冷却系统，完成对温度场的优化，从而达成塑件冷却的目的。由于注塑成型填充对模具温度场的变化速度有一定要求，假设熔体的温度正常，则需要展开对热换热系数的研究，同时还要考虑到模具的热传导在模具中的对流换热反映，从而得到有限元分析的初始边界条件参数，就如表4所示。

为了获得模具温度场的整体分布效果不受温度的影响，需要对模具进行温度场的模拟分析，当模具的自然冷却时间为25s时，模腔的温度为130℃，不符合要求;当自然冷却时间为2min时，模腔温度为88℃时，符合要求。模腔温度分布不均，说明注塑模具容易受到空气的自然对流散热作用的影响，让模具的温度降低，随着冷却时间的延长，温度下降。当模具没有冷却系统时，需要靠自然冷却的方法降低温度，容易影响注塑成型的效果。注塑模具冷却系统设计的合理性直接关系到模腔表面冷却的效果，同时也关系到了塑件成型过程中的质量。冷却系统设计的合理性可以降低塑件因冷却不均而发生的收缩变形，在自然条件下冷却模腔表面的温度场容易出现顶出不均的情况。薄壁注塑模具在注塑成型时需要较高的注塑压力和速率，以保证模具的刚性。成型过程很复杂，需要注意高压作用、锁模力作用、高温作用、应力作用以及集中作用这几项作用因素。因此在进行模具热力耦合分析时，需要考虑到型腔压力以及温度载荷作用所受到的影响，以载荷作为初始边界条件，对模具的整体强度与刚度进行实验。通过使用模具热力耦合分析对模具温度进行分析后，将分析的结果传递给ANSYS进行分析，得到模具在温度载荷的作用下对模具变形所产生的影响。

4  结语

使用ANSYS模拟，对薄膜注塑模具的温度场分布进行了分析，为冷却系统方案的布置提供了根据，并在冷却系统的作用下对模具进行了热力耦合分析。在注塑成型过程中，分析了压力对模具型腔所带来的影响，通过热力耦合分析，获取模腔的变形原因，为实际生产模具提供了参考。

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