張雯娟 1,2,3,4，陳慶祥 1，高 浩 1,2,3,4，魏 劍 1,2,3,4
1.三明學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 三明 365004 ；
2.機械現(xiàn)代設(shè)計制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 三明，365004；
3.綠色鑄鍛及高端部件協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 三明，365004；
4.福建省鑄鍛零部件工程技術(shù)研究中心，福建 三明，365004
摘要：采用 Moldflow 軟件對醫(yī)療無影燈外殼注射模具的注塑成型過程進行模擬仿真，通過注塑流動情況分析出 制件的最佳澆 口位置，預(yù)測和顯示氣穴、熔接痕等缺陷位置；結(jié)合塑件注射壓力和鎖模力的變化情況、填充過程、溫度 變化和產(chǎn)品成型質(zhì)量分析等情況，幫助工藝人員在試模前找出缺陷產(chǎn)生原因，以此改進模具結(jié)構(gòu)設(shè)計和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從而提高試模成功率 。
關(guān)鍵詞：Moldflow；醫(yī)療無影燈外殼；注塑模具；成型分析
Moldflow 注射模流分析軟件能夠很好地驗證和優(yōu)化塑料零部件、注射模具和注射成型流程，能 夠有效預(yù)防注射產(chǎn)品的各種缺陷，出現(xiàn)問題能夠精確分析缺陷原因，提供快速、高效的解決方案，為塑件模擬分析提供強大的支撐[1-4] 。該軟件是美國 MOLDFLOW 公司的產(chǎn)品，自1976年發(fā)行了世界上第一套塑料注塑成型流動分析軟件以來，一直主導(dǎo)塑料成型 CAE（計算機輔助工程）軟件市場。利用這種技術(shù)手段，以塑料材料流變學(xué)及傳熱學(xué)為基礎(chǔ)，通過計算機輔助分析，對注塑過程進行數(shù)字化、動態(tài)化模擬[5]，可以對塑料制件過程的各參數(shù)進行調(diào)整、比較和優(yōu)化，從而確定最優(yōu)注塑解決方案。
醫(yī)療無影燈作為手術(shù)照明燈具，對其外殼要求具有成型質(zhì)量高 、冷熱變形性小 、密度低和電氣 性能良好等特性。和普通塑料制件相比，要求設(shè)計時盡可能消除陰影，并在長時間的連續(xù)工作過程 中，溫度不能過高，其成型的技術(shù)難點主要在光學(xué)性能要求方面，其關(guān)鍵是如何成型出具有較低光 學(xué)畸變和低角偏差的光學(xué)制品[6]，常用的方法有注射成型和注射壓縮成型。因此基于這些性能要求 和難點，有必要對該塑件的注塑過程進行模擬仿真及工藝參數(shù)優(yōu)化。本文運用 Moldflow 2018 版對醫(yī) 療無影燈外殼進行數(shù)值模擬仿真， 分析其注塑成型過程，通過方案對比優(yōu)化澆口位置以及澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計，對參數(shù)進行優(yōu)化，獲得較小的翹曲變形和體積收縮率，從而滿足塑件裝配要求和 外觀質(zhì)量要求，解決光學(xué)折射率對體積收縮率 、熱變形等問題的影響，為指導(dǎo)醫(yī)療無影燈外殼部件 的實際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。
1 塑件結(jié)構(gòu)工藝分析
無影燈外殼結(jié)構(gòu)是外形為 90 mm，內(nèi)孔為40 mm的圓形件，壁厚 t=4 mm，要求塑件表面質(zhì)量高、光亮整潔，不能出現(xiàn)拉傷、斷裂、料紋等注塑工藝缺陷。涉及到后期該外殼與其他零件組裝，注塑成型中不能出現(xiàn)變形或冷縮 。塑件三維模型如圖 1 所示。選用 ABS 材料，結(jié)合其綜合力學(xué)性能好、具有高韌性等力學(xué)特點，可通過注塑加工成型[7]。
（a）外壁結(jié)構(gòu) （b）內(nèi)壁結(jié)構(gòu)
圖 1 醫(yī)療無影燈外殼三維模型圖
2 注塑模流設(shè)計及流動分析
2.1 模流分析設(shè)置及澆口位置確定
設(shè)置模流分析參數(shù)：模具表面溫 度為 60 ℃，熔體溫度為 235 ℃，模具溫度范圍設(shè)定 在 40～80 ℃ 區(qū) 間，頂出溫度為 89 ℃， 最大剪切應(yīng)力為0.3 MPa，如圖2所示。
圖 2 模流分析的參數(shù)設(shè)置
無影燈外殼屬于薄殼類零件，選 用雙 層面網(wǎng)格劃分， 縱橫比最 大為7.37，最小為 1.16，平均 1.77，其值小 于 10， 匹配百 分比為 85.7%， 自由邊、多重邊、相交單元等參數(shù)都為0，因此模型網(wǎng)格質(zhì)量良好，滿足模流分析要求，有限元模型如圖 3 所示。
圖 3 有限元模型
研究通過設(shè)置不同澆口位置模擬塑料填充狀態(tài)及考慮模具制造經(jīng)濟性的方式來確定最佳澆注方案。方案 1 的澆口位置選擇塑件注塑內(nèi)部，方案 2 的澆口位置設(shè)置塑件外部（小三角為澆口注塑位置， 如圖 3 所示）。 分析兩種情況下的填充時間 、注塑壓力、塑件變形及氣穴數(shù)等參數(shù)，如表 1 所示。
表 1 澆口位置方案的分析結(jié)果對比
方案 澆口位置 填充時間/s 注塑壓力/MPa 變形量 冷凝時間/s 氣穴
方案 1 內(nèi)部澆注 1.221 22.06 0.4397 18.61 多
方案 2 外部澆注 1.216 23.56 0.3890 17.10 少
由表 1 分析對比可確定，方案 2 填充時間較短，注塑壓力大，塑件變形量小，冷凝時間短，產(chǎn)生 的氣穴少，故選用方案 2 外部澆注進行注塑模流過程仿真，模擬分析采用一模兩件模式。
2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計
模具澆口設(shè)置是影響注塑過程的一個重要因素，最優(yōu)澆注系統(tǒng)能夠有效地減少模具生產(chǎn)周期， 提高生產(chǎn)效率 。 研究采用生產(chǎn)中常用的冷流道澆注系統(tǒng)設(shè)計方案，設(shè)置潛伏澆口，潛伏澆口具有 自 動拉斷 、不影響塑件外觀和加工方便等優(yōu)點，有利于提高生產(chǎn)效率 。其澆注系統(tǒng)設(shè)置如圖 4 所示。
圖 4 澆注系統(tǒng) 、冷卻系統(tǒng)設(shè)計
2.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計
在注塑過程中，要盡可能地保持冷卻系統(tǒng)的高效率工作，使模具型腔表面的溫度穩(wěn)定在一個范圍內(nèi)，冷卻系統(tǒng)設(shè)計為上、下模 2 條冷卻水回路（圖4），冷卻管道直徑為8mm，距離型腔表面 18 mm，設(shè) 計時考慮排布位置避開熔接痕的位置。
2.4 流動分析
1.填充時間：由圖 5（a～d）可以看出填充過程是對稱分布的，注塑流動平衡性較好，填充過程較為均勻。填充時間為 1.471 s，由于塑件尺寸較小，故填充過程順暢，無注射不足現(xiàn)象。
圖 5 制件填充過程
2.流動前沿溫度：決定熔體充型后是否能混合均勻以決定冷卻后的制件質(zhì)量 。 流動前沿溫度最 高為 236.8 ℃，最低為 234.4 ℃，最高溫度與最低溫度相差 2.4 ℃，變化小于 10 ℃，因此溫度分布合 理，反映了該熔體在流動過程中不太可能出現(xiàn)流動阻力大的狀況，也無材料分解及低溫滯留現(xiàn)象。
3.填充注射壓力：整個填充注射壓力為 0～44.19 MPa，在 44.19 MPa 時進行 V/P 轉(zhuǎn)換，壓力較小，便于注塑，填充壓力比較低，不易出飛邊，滿足生產(chǎn)要求。
4.熔接痕：是指兩股料流相遇熔接而產(chǎn)生的表面缺陷[8] 。熔接痕是影響制品質(zhì)量的重要因素，它的產(chǎn)生會導(dǎo)致制品的強度變低，并且會影響制品的外觀。在整個注塑過程中應(yīng)該避免熔接痕的產(chǎn) 生，如不能避免也應(yīng)該盡量地使熔接痕處于不易受影響的位置[9]。
由圖6可以看出熔接痕主要產(chǎn)生在內(nèi)孔邊緣，此時需在模具上開好排氣槽或溢料槽，同 時提高模溫，增大熔接痕處的溫度，改善熔接痕。
圖 6 制品熔接痕位置
5.氣穴：主要是型腔內(nèi)部的空氣被熔體包圍無法及時排出，這樣將會導(dǎo)致制品填充不完整以及保壓不充分，同時腔體內(nèi)的氣體被熔體擠壓從而產(chǎn)生大量的熱量，產(chǎn)品可能因此出現(xiàn)焦痕。如果氣穴不能及時排出，將會對產(chǎn)品的質(zhì)量和性能產(chǎn)生很大的影響。而且氣穴越多，制品生產(chǎn)的問題會隨之增多，注塑成型質(zhì)量也會隨之降低[10] 。本次塑件注塑氣穴位置與熔接痕位置相近，主要分布在內(nèi)孔邊緣，采用排氣機構(gòu)，同時控制注射速度不能太快，不然可能會有燒焦現(xiàn)象，影響產(chǎn)品外觀 。
2.5 保壓分析
1.注射壓力和鎖模力：注射節(jié)點是觀察二維 XY 圖的常用節(jié)點，通過注射位置壓力和鎖模力的 XY 圖可清晰看出注射壓力和鎖模力的變化情況。圖 7a 顯示，在 0～1.443 s 區(qū)間，注射壓力達到最大值 44.19 MPa，隨后注射壓力快速下降到 35 MPa，進入穩(wěn)壓注塑階段。圖 7b 顯示，注塑成型階段所需 鎖模力在 0～1.881 s 區(qū)間快速上升，達到最大值 22.51 t，隨著模具開模，鎖模力快速下降。
圖 7 注塑成型力變化曲線
2.凍結(jié)因子：模擬分析可得塑件在 30 s 的凍結(jié)因子，即保壓結(jié)束后的凍結(jié)因子為1。整體凍結(jié)均勻，能夠滿足保壓補縮，達到頂出要求。
3.達到頂出溫度的時間：制件達到頂出的總時間為 39.75 s,模擬分析顯示所需塑件頂出溫度出現(xiàn)在 15.10 s。為了提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，可將塑件在 15.10 s 時頂出。
2.6 冷卻分析
冷卻分析是根據(jù)塑件在模具中的熱傳遞判斷冷卻系統(tǒng)的冷卻效果，通常冷卻系統(tǒng)是用來滿足 注射成型工藝對模具溫度的要求，并保證塑料熔體的充模和冷卻凝固，因此冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)建是否合 理會影響塑件的冷卻速度及收縮性，進而影響塑件最終的表面質(zhì)量、尺寸精度和力學(xué)性能[11-12] 。
根據(jù)2.3 中冷卻系統(tǒng)設(shè)計，冷卻水管道的管壁熱傳導(dǎo)系數(shù)為 1，管道冷卻介質(zhì)為乙二醇水溶液 （乙二醇的質(zhì)量濃度為 40%～60%）。設(shè)置參數(shù)后，經(jīng)過冷卻模流仿真分析，得出結(jié)果如圖 8 所示。
圖 8 回路冷卻液溫度
1.冷卻水路的溫度變化：圖8 顯示了冷卻液回路的溫度變化，冷卻液最高溫度為 59.98℃，最低 溫度為 59.53 ℃，兩者溫度只相差 0.45 ℃，冷卻水路的溫度變化差別小，進 、出水口溫差控制在 1 ℃ 內(nèi)，遠小于冷卻水進出口溫度差不宜高于 3 ℃的規(guī)定，符合冷卻水路的設(shè)計要求，同時冷卻水路的 長度設(shè)計也在合理的范圍內(nèi) 。
2.內(nèi)外壁溫差：圖 9a 顯示內(nèi)壁最高溫度為 64.79 ℃，最低溫度為 63.30 ℃，平均溫度為 64.05 ℃； 圖 9b 顯示外壁最高溫度為 63.44 ℃，最低溫度為 62.43 ℃，平均溫度為 62.94 ℃ 。內(nèi)外壁平均溫差控 制在1.11 ℃左右 。綜上所述，冷卻管道系統(tǒng)的設(shè)計合理，具有良好的冷卻效果。
（a）內(nèi)壁溫度分布 （b）外壁溫度分布
圖 9 內(nèi) 、外壁溫度分布
3 塑件質(zhì)量分析
3.1 翹曲變形分析
塑件注塑冷卻后，取比例因子為 1 時，整體效應(yīng)變形量最大值為 0.400 7 mm，主要集中在制件 外邊緣區(qū)域，最小值為 0.116 3 mm，主要集中在內(nèi)孔邊緣區(qū)域（圖 10a）；當(dāng)冷卻不均勻時，制件最大變形量值為 0.013 0 mm，最小變形量為 0.000 3 mm，變形量較小（圖 10b）；冷卻收縮不均勻時，制件最大變形量為 0.407 4 mm，主要集中在塑件外部邊緣，最小變形量為 0.135 3 mm，在內(nèi)孔邊緣小部 分區(qū)域（圖10c）；取向效應(yīng)最大變形為 0.060 3 mm，最小變形為 0.004 6 mm（圖 10d）。
由模擬分析可知，當(dāng)翹曲變形量較小時，若集中在制件外部邊緣位置，主要由收縮不均和取向 導(dǎo)致的塑件變形會產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象，但整體翹曲變形未超過5 mm 的容差范圍，塑件質(zhì)量是合格的，滿足裝配要求。對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，可以通過改善制件結(jié)構(gòu)及其壁厚等工藝進行優(yōu)化；對于模具 結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，可通過修改冷卻水路設(shè)計或由制件收縮率確定適當(dāng)?shù)淖冃伪龋云趦?yōu)化注塑模具結(jié) 構(gòu)，減少試模時間，節(jié)約成本。
3.2 體積收縮率
圖11顯示塑件體積與產(chǎn)品尺寸體積的收縮率在 4.125%～5.780% 區(qū)間， 平均收縮率控制 在4.953%，收縮變化均勻，制件不易發(fā)生變形。最大體積收縮率 10.64%發(fā)生在注塑料頭處（塑件成型 外），對成型制件質(zhì)量和注塑生產(chǎn)影響不大。由體積收縮率分析結(jié)果可預(yù)測制品收縮較嚴重區(qū)域，通過改進模具結(jié)構(gòu)尺寸，彌補制品在冷卻脫模后所產(chǎn)生的收縮，如此產(chǎn)品的形狀和尺寸就更加符合設(shè) 計要求[13]。
圖 11 塑件體積收縮率
4 結(jié)論
通過采用 Mold flow 軟件，對醫(yī)療無影燈外殼進行模流分析，能快速有效地分析注塑最佳澆口位 置，從填充時間 、氣穴、翹曲變形分析 、體積收縮率等方面進行分析，預(yù)測產(chǎn)生缺陷位置，從而為后期 模具調(diào)整結(jié)構(gòu)以及試模提供較為精確的數(shù)據(jù)依據(jù)， 采用外部澆注方案后注塑成型所獲得的優(yōu)化數(shù) 據(jù)如表 2 所示 。 注塑模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，大大減少了模具修模次數(shù)和制造成本。
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