基于Moldflow的万用表注塑模具工艺参数优化设计

李晓微，胡新和，周国鹏，吴丽霞

(1.咸宁职业技术学院 工学院，湖北 咸宁 437100;2.湖北科技学院 工程技术研究院，湖北 咸宁 437100)

万用表能够测量的数据较为全面，不仅可以测量电压、电流数据，还可以测量电阻以及电容量等，是日常生活中使用频率很高的一种测量仪表。万用表的外壳不仅要求光滑坚固、防摔耐用、使用寿命长，同时还要求易于装配，节约装配时间，提高装配效率。目前，万用表外壳主要采用热塑性塑料的注塑成型加工，虽然成型工艺较为成熟，但是注塑成型过程中相关成型工艺参数对外壳的尺寸精度影响较大，参数设置不合理会造成翘曲严重，后期装配困难，甚至无法装配，因此，外壳的质量控制至关重要。本文以实验室万用表为实例，基于数值模拟技术和正交试验优化方法，将注射成型过程所需的重要参数进行组合优化，进而获得最优的成型工艺参数。

一、塑件的翘曲变形分析

1.塑件翘曲变形的原因分析

注塑件若需要与另外金属件或注塑件相连接装配使用，就必须保证有较小的尺寸偏差和良好的外观质量。在塑料制品的常见的缺陷中最普遍的就是塑件的翘曲变形，导致尺寸偏差过大无法使用，因此明晰塑件的翘曲变形缺陷产生原因一直是研究塑件质量影响因素的重中之重[1]。

翘曲变形量大的主要原因是塑件在冷却时存在收缩不均匀的问题，尤其是塑件各个方向的体积收缩率不均衡导致的。如果塑件零件在冷却时每个方向存在收缩率差异，脱模以后将会在零件内部产生较大的内应力，若不能进行及时后处理，就会出现较为严重的翘曲变形缺陷。

造成塑料制件产生冷却收缩不均的原因有很多，主要包括分子链形状不同、温度与压力不同、冷却速度不一致。

(1)分子链形状不同：由于浇口位置设置的不同，导致塑料熔体进入型腔的流动方向存在差异，间接使熔体在水平方向与垂直方向的流动速度大小不相同，不同方向的分子链形状也不相同，进而在塑件内部产生内应力，若内应力过大，塑件就会发生翘曲变形缺陷[2]。

(2)温度与压力不同：根据模具型腔的复杂程度不同，型腔每个区域的温度和压力都存在差异，不同的温度与压力使得塑件的每个部位的收缩率大小不一样，进而使得塑件产生翘曲变形。

(3)冷却速度不一致：如果塑件具有复杂的结构，那么对应模具的每个系统的设计也随之变得复杂，尤其是冷却系统的设计，要考虑到塑件每一个部分的冷却速度情况，若冷却速度存在较大的差异，则会使塑件因为冷却速度不均而产生严重的翘曲变形[3]。

2.影响翘曲变形的因素分析

(1)塑料制件结构

塑料制件自身结构存在不合理的因素，例如壁厚大小相差较大、型腔深度不统一、结构分布不均匀等，都会导致塑件出现翘曲变形缺陷[4]。

(2)模具设计结构

注塑模具的浇注系统和冷却系统设置的合理与否是影响塑件翘曲变形程度大小的主要因素。若模具浇注系统的浇道与浇口设计不正确，则会使塑料熔体流入型腔的状态不佳且填充时间变长，所需要的成型压力也随之增大，导致塑件因内应力过大产生翘曲变形；若模具冷却系统设置的不合理，就会使塑件不同位置的温度存在差别，产生冷却不均的问题，导致塑件因各部分不均匀收缩而发生翘曲变形[5]。

(3)工艺参数

注塑成型工艺参数的选择对于塑件的外观质量、成型速度、尺寸偏差、翘曲变形等影响较大。其中，最为关键的工艺参数包括：模具温度、成型压力、保压压力、冷却时间等。模具温度和成型压力决定塑料熔体的流动速度，若模具温度、成型压力设置数值较大，则塑料熔体快速的充满型腔，损失的热量较少，但是要保证在合理的范围内，若数值过于偏大，则会导致塑件产生较大的内应力，发生翘曲变形。保压压力过高会导致脱模困难，过低会出现无法压实的情况出现，造成翘曲变形[6]。冷却时间过短，塑件没有完全冷却定型就被顶出型腔，塑件容易出现翘曲变形尤其是设置顶杆位置最为变形严重。

二、产品结构分析

图1为万用表外壳的三维结构，外壳尺寸为：长度为190 mm，宽度为87 mm，高度为15 mm，壁厚均为1.5 mm，同时存在不对称的不同形状的孔、倒圆角、螺纹孔、加强筋等结构特征，这些细节特征在注塑成型过程中对成型工艺要求较高，考虑实际安装需要，体积收缩率不能超过万用表外壳体积的10%，否则会增加装配难度。

图1 万用表外壳模型

万用表外壳选取ABS作为成型材料，ABS具有获取方便、价格合理、用途广泛、综合性能好等优点，同时，ABS能够在较大的成型温度范围内具有良好的工艺性能，即使制件被损坏，也只能是拉伸破坏而不会是冲击破坏。熔融温度在210-237 ℃，热分解温度在250 ℃以上，热变形温度比PA、PVC高，尺寸稳定性好，流动性比PVC和PC好[7]。表1为ABS的推荐成型工艺参数。

表1 ABS的推荐成型工艺参数

三、原始模具设计方案

1.Moldflow软件简介

Moldflow仿真软件是一款专业的注塑成型仿真软件，利用Moldflow可以帮助研发人员验证和优化塑料产品的注塑成型过程，使研发人员可以快速得到最合理的成型方案。该软件可以直接将CAD实体导入进行分析，大幅度减少前期的处理工作。同时分析功能全面、速度快、结果准确，所以本试验选用Moldflow软件作为仿真分析软件。

2.万用表外壳有限元模型的建立

(1)网格类型选择

Moldflow软件根据模型的不同特征设置了以下三种类别网格：

1)中性层网格

中性层网格主要应用于结构简单的塑件模型，特别是薄壁件或是仅需要分析中性面零件，这类网格优点是分析速度快，但是分析结果准确度较低，部分成型缺陷无法分析，应用范围较窄。

2)双层面网格

双层面网格主要应用于零件的长度和宽度大于局部厚度的4倍或是要运行的分析在整个厚度范围内生成结果的塑件模型，在双层面中可将模型视为一个曲面壳覆盖而成的中空体，双层面网格适用于多数的缺陷模拟分析，可实现对设计方案的优化与验证[8]。

3)3D网格

3D网格是由实体四节点四面体单元组成，经过3D网格模拟分析得到的结果最精确，但是由于网格划分复杂，会导致模拟过程中计算量大、耗时长。

万用表外壳的平均壁厚为1.5mm，整体结构厚度均匀，为了保证分析质量良好，减少分析时间，故网格类型选择双层面网格。

(2)划分网格

在划分网格时，应合理设置网格边长，若边长设置较长，则网格数量会偏少，而网格比配百分比也会降低，这就会导致模拟结果出现较大误差，设置无法真实反映出成型结果；若边长设置较小，则网格数量会成倍增长，这就会造成模拟时间变长，计算机负荷增大。最理想的网格边长是既能满足网格匹配率，又能尽量减少网格数量，若要保证万用表外壳翘曲分析的准确性，就需将网格数量和网格匹配率综合分析，网格匹配率不小于90%，分析速度不宜过长。基于此，万用表外壳的网格边长设置为2 mm，网格划分结果如图2所示，网格质量如表2所示，可以看出网格质量较好，匹配百分比达到93.3%，符合数值模拟要求。

图2 网格划分结果

表2 网格质量

3.模具浇注系统设计

(1)确定浇口位置

浇口位置的选择对成型工艺的影响尤为重要，通常，浇口位置的选择应遵循以下原则：

1)根据塑料零件的结构来确定浇口位置，确保模具结构的合理性。

2)浇口的位置要充分考虑到塑料熔体的流动距离，保证塑料熔体同时充满每个型腔。

3)塑料制品的熔接痕与浇口的数量关系重大，若要减少熔接痕，就需要尽量减少模具的浇口数量。

4)浇口的位置要远离排气孔，这样设置可以使型腔内的气体顺利排出，减少了气穴缺陷的产生。

5)若浇口设置在狭小的位置，就会容易导致塑料熔体过早凝固堵塞浇口，故浇口应该开在塑件厚度较大的位置。

6)考虑到塑料制件的美观性，尽量将浇口设置在塑件内部或是不影响外观的位置[6]。

本文的实验对象万用表结构较为规则，为了减少气穴和熔接痕的数量和降低模具的复杂性，确定浇口数量为1个。除了要确定浇口数量，还需要确定浇口的位置，在充分遵循浇口设计原则的基础上，同时结合万用表外壳的结构特性和Moldflow软件分析结果得出最优浇口位置，最优浇口位置为蓝色区域，如图3所示，在蓝色区域设置浇口可以使塑料流体平稳快速的充满整个型腔。

图3 万用表外壳的模具浇口位置

(2)设置浇注系统

浇注系统是连接注塑成型机与模具型腔之间的通道，主要包括注射主流道和分流道两部分。浇注系统设置的是否合理直接影响万用表外壳注塑成型过程。本实验所采用的万用表外壳结构相对规则，为了提高生产效率，故采用一模两腔结构。塑料熔体要想平稳的进入并填满整个型腔，就需要对模具的浇注系统进行设置，本文的浇注系统包括一个主流道，两个分流道，主流道设置为圆锥形，入口处直径为3.5 mm，主流道长度为70 mm，拔模角度为3 deg，两个分流道截面均为圆形，直径为7 mm，结构如图4所示。

图4 万用表外壳的模具浇注系统

4.冷却系统设计注塑模具的冷却系统决定着塑件的成型速度与成型质量，如果冷却系统设置不合理，则会出现冷却效果不好、冷却速度过快或过慢、塑件残余内应力过大等问题，导致塑件填充不完整或发生翘曲变形[9]。本文根据塑件的结构特征，设计的冷却系统如图5所示，水管与零件按照常用的X型方式排列，设置冷却水管和塑件的距离为25 mm，冷却管路设置为6 根，每根直径为10 mm，管路之间间距设置为30 mm。冷却介质选择雷诺数为1000，初始温度为25 ℃的纯水。

图5 万用表外壳的模具冷却系统

5.初始模流分析

本文利用Moldflow软件对万用表外壳进行初始模流分析，根据所选材料ABS的推荐工艺参数来确定初始成型参数，ABS推荐的模具表面温度为50 ℃，本文选择此推荐温度；ABS推荐的熔体温度为205—245 ℃，本文选择熔体温度为225 ℃；由于万用表外壳尺寸较小，根据注射机的注射速率，可以确定注射时间为3s，保压时间为10s，保压压力设置为80%，基于此基本注塑成型参数进行初始模流分析。图6为万用表的充填分析结果。根据图6所呈现的云图可以发现，充填时间的长短与距离浇口的距离有关，离浇口越远，充填时间越长，整个型腔完成充填的时间为1.449s，熔体充满了型腔，不存在填充不足的缺陷。

图6 充填分析结果

6.万用表仿真结果分析

在完成模具设计后，利用Moldflow软件对万用表外壳进行了初始模流分析，通过观察塑件成型后的各项结果发现，虽然充填过程比较平稳快速，但是在冷却完成之后，塑件发生了翘曲变形，如图7所示，塑件的变形量达到了0.7022 mm，翘曲变形位置主要集中在外壳的四个边角位置，这会直接影响到后期仪表的装配工艺，因此需要对此进行优化处理。

图7 翘曲变形分析结果

四、正交试验设计与成型工艺参数优化

塑料制品的质量因注塑成型工艺参数的多样选择而发生改变，多种工艺参数是相互作用、相互制约的，所以想要获得最合理的工艺参数组合较为困难。生产企业内传统的做法通常是经过多次的试模生产与经验数据总结，获得较为合理的成型工艺参数。这种做法属于试错的做法，不仅浪费时间与生产材料，不具有系统性和可推广性，而且还可能存在随机性，不能确定是真实的最优成型工艺参数组合。本文利用正交试验方法，将各类工艺参数进行组合，再将不同的组合导入Moldflow模流分析软件进行仿真分析，将每组的翘曲变形量进行数据分析处理，总结出每种成型工艺参数对最终变形量的影响程度，最后得出最优的成型工艺参数组合。

1.正交试验概述

正交试验法是研究多个因素及不同水平，通过正交的方法寻求最优化目标下最佳因素水平组合的数理统计方法。通过正交试验法的计算分析，可以快速地得到最优组合，组合中的每一种因素都具有代表性。任何一件塑料产品(本文以万用表外壳为例)从设计到生产都需要经历多个流程，每一个流程中都存在多个影响因素会制约产品的质量，如果仅依靠试错来完善成型过程进而获得合格产品是非常困难的，若将正交试验法和Moldflow软件相结合，就可以利用仿真模拟来减少生产过程中其他因素的干扰。

2.正交试验因素与水平

本文研究发现模具温度、熔体温度、注射时间、保压时间和保压压力对翘曲变形的影响尤其重要，所以将这5种工艺参数作为试验因素。成型工艺参数的组合不同，制品的翘曲率也略有不同，为了确定最优的成型参数组合，降低制品的翘曲程度，设计L16(45)正交试验，选取熔体温度、模具温度、注射时间、保压时间和保压压力等五个工艺参数作为分析变量，在材料推荐参数范围内各选取4个水平，表3为L16(45)正交试验水平设计。表4为L16(45)正交试验结果。

表3 L16(45)正交试验水平设计

表4 L16(45)正交试验结果

续表4 L16(45)正交试验结果

从表4可以看出，极差排序为RC>RE>RD>RA>RB，这五个因素的影响程度排序为：注射时间>保压压力>保压时间>熔体温度>模具温度。

图8为极差分析数据折线图，从图中可以直观地看出每一种工艺参数对翘曲变形的影响情况，从左向右依次是熔体温度、模具温度、注射时间、保压时间、保压压力。从图8中可以看出：

图8 信噪比极差分析结果

(1)随着熔体温度的上升，万用表外壳的翘曲变形量随之增大，原因是塑料熔体在冷却过程中，因为热收缩、结晶收缩和取向收缩等因素影响，会使塑件的最终翘曲变形量随熔体温度升高而增大，其中也会受保压压力大小的影响；

(2)随着模具表面温度的增大，万用表外壳的翘曲变形量随着减小，原因是模具温度升高，塑料熔体可以平稳充满型腔，塑件的冷却速度也会随着降低，使不同区域之间的温差缩小，进而降低翘曲变形量，但是过高的模具温度会影响生产周期，降低生产效率；

(3)随着注射时间的增加，万用表外壳的翘曲变形量先增大后减小，原因是若注射时间短，则注射速率就会偏大，将造成型腔内的压力过大，产生较大的残余应力，造成翘曲变形较大，但是若注射时间过长，则注射速率就会较慢低，塑料熔体进入型腔较困难，最终的翘曲变形量变大；

(4)随着保压时间的增加，万用表外壳翘曲变形量先减小而后基本保持不变，若保压时间设置过短，则翘曲变形量偏大，应合理设置保压时间，过长的保压时间，反而会使内应力过大影响脱模，同时也增加了成型周期；

(5)随着保压压力的增加，万用表外壳的翘曲变形量先减小后保持不变而后减小，说明合理的设置保压压力会使塑件的尺寸与模具型腔尺寸更接近一致，同时翘曲变形量较小，但是也不能一味地追求偏高的保压压力，会导致脱模困难和增加设备与模具的负担。

综上所述，翘曲变形量在熔体温度为A4、模具温度为B2、注射时间为C4、保压时间为D3、保压压力为E4时最小。所以最优参数组合为A4B2C4D3E4 ，即熔体温度245 °C、模具温度50 °C、注射时间4 s、保压时间12 s以及保压压力90 Mpa。利用Moldflow软件基于最优参数组合A4B2C4D3E4 进行注塑成型模拟，图9为优化后翘曲变形量。

图9 优化后翘曲变形量

从图9可以看出，优化后万用表外壳翘曲变形量为0.498 9 mm，A4B2C4D3E4组合模拟出的翘曲变形量比未优化之前降低了28.95%，翘曲变形量分布更均匀，这表明了经过正交试验优化后的成型工艺组合确实能够减少塑料制品的翘曲变形程度，可应用于实践生产。

五、实物验证

基于以上仿真最优成型工艺参数进行试模生产，因为环境和成型设备等诸多实际生产因素的影响，实际成型的万用表外壳与模拟分析结果存在些许差异，图10为基于最优成型工艺参数生产的万用表外壳实物，观察试模样品可以看出，万用表外观质量良好，无变形和飞边缺陷，四个边角的翘曲变形量与模拟仿真结果基本相同，无明显翘曲变形缺陷，尺寸误差在设计要求范围内，满足质量要求，可指导实际生产。

图10 万用表外壳试模样品

六、结论

翘曲变形是影响塑件质量的关键因素，目前，随着社会发展需要，对塑件制品的质量要求越来越高，逐步向着精细化、功能化发展，所以研究如何降低塑料制件翘曲变形程度具有重要意义。本文针对实验室常用的万用表作为研究对象，运用Moldflow软件研究其注塑成型过程的翘曲变形量，分析影响产品翘曲变形的主要因素。同时利用正交试验方法，得到了在推荐范围内的最佳成型工艺参数组合，即熔体温度245 °C、模具温度50 °C、注射时间4 s、保压时间12 s以及保压压力90 Mpa。根据最佳工艺成型参数进行模拟验证，得到万用表外壳的翘曲变形量为0.498 9 mm，与优化前相比降低28.95%，最后将最佳的成型工艺参数用于实践生产，可以得到较好外观质量的万用表外壳，成型质量也得到很大改善，翘曲变形结果与Moldflow模拟结果相吻合。不仅验证了Moldflow数值模拟的准确性，而且对后续的生产加工具有指导意义。