Moldflow/MPI 在注射模具优化设计中的应用

Moldflow/MPI 在注射模具优化设计中的应用（韶关学院 机电系 黄晨华 广东 韶关 512005）

Moldflow摘 要：
        基于塑料模具设计的关键技术，介绍了 Moldflow/MPI CAE 解决方案，用实例详述了 Moldflow/MPI 在注射模具优化设计中的应用。Moldflow/MPI 分析结果与实践中采用的方案相似，说明了 Moldflow/MPI 在注射模具优化设计中结果的可靠性。
引言
        高质量的塑料模具与塑料性能、成型工艺和制品设计密切相关。目前大多数设计人员设计模具时主要是依据自己的经验进行设计。但由于塑料制品的多样性、复杂性和设计人员经验的局限性，长期以来，工程技术人员很难精确地设计出一套可减少成本、节省时间、提高产品的质量及合格率的最合理工艺方案。
        往往是模具设计加工完以后需要不断地试模与修模才能正式投入生产，有些模具由于无法修复而报废。CAD/CAM在模具设计与制造中运用比较成熟，而要制造出高质量模具，仅仅依靠 CAD/CAM 是不够的，必须运用 CAE 技术，在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，依据塑料性能，优化成型工艺参数和制品结构。现以某塑料厂生产的某玩具的一个零件为例，研究
Moldflow 在模具优化设计中的应用。
1 塑料模具设计的关键技术
1.1 浇注系统的设计
        浇注系统是熔融塑料从注射机喷嘴到型腔的必经通道，它直接关系到成型的难易和制品的质量，是注射模设计中的重要组成部分。它的作用是使熔融塑料平稳、有序地填充到型腔中去，且把压力充分地传递到各个部位，以获得组织致密、外形清晰、美观的制品。浇注系统通常分为普通浇注系统和无流道浇注系统两大类。其中普通浇注系统最为常用。它由主流道、冷料井、分流道和浇口。
1.2 模具温度调节系统的设计
        在注射成型过程中，模具的温度直接影响到塑件成型的质量和生产效率。由于各种塑料的性能和成型工艺要求不同，模具的温度也要求不同。对于任何塑料制品，模温波动较大都是不利的。过高的模温会使制品在脱模后发生变形，延长冷却时间，使生产率下降。过低的模温会降低塑料的流动性，难以充满型腔，增加制品的内应力和明显的溶接痕等缺陷。
1.3 成型工艺参数的选择
        为顺利实现制订的塑料注射成型工艺，得到良好的塑料制品，成型工艺参数的选择是关键。注射成型的主要工艺参数是温度、压力和时间。注射成型工艺过程需要控制的温度有料筒温度、喷嘴温度和模具温度。前两种温度主要影响塑料的塑化和流动，后一种温度主要影响塑料的流动和冷却定型。
        注射成型过程中的压力包括塑化压力和注射压力。增加塑化压力可以提高熔体温度和使温度均匀，但会减小塑化速率，延长成型周期，可能导致塑料降解。在满足塑料制品质量的前提下，塑化压力低一点为好。注射压力的作用是克服塑料熔体从料筒流向型腔的流动阻力，使熔体具有一定的充模速率并对熔体进行压实。
        为了保证塑料制品的质量，对注射速率有一定的要求，而注射速率又主要取决于注射压力，注射压力高则注射速率高。在满足塑料制品成型的前提下，一般应尽量采用低的注射压力。完成一次注射成型过程所需的时间称为成型周期。在整个成型周期中，注射时间和冷却时间是基本组成部分，注射时间和冷却时间的多少对塑料制品的质量有决定性影响。
2 Moldflow/MPICAE 解决方案
        MPI 是一个进行深入分析的软件包，用于确定最优的制件形状、材料选用、加工参数、制件和模具设计等。MPI可以进行流动、冷却、翘曲、纤维取向、制件刚度和收缩、以及气辅和热固性材料流动分析等。
2.1 填充分析
        填充分析计算出从注塑开始到模腔被填满整个过程中的流动前沿位置。该分析用来预测制件、塑料材料以及相关工艺参数设置下的填充行为。填充分析结果主要用于查看制件的填充行为是否合理，填充是否平衡，能否完成对制件的完全填充等。用户可以根据动态的填充时间结果查看填充阶段的熔体流动行为，同时借助等高线显示结果，以便更好地判断填充流动行为是否合理。填充分析的目的是为了获得最佳浇口位置、浇口数目、最佳浇注系统布局。
2.2 流动分析
        流动分析用于预测热塑性高聚物在模具内的流动。流动分析的目的是为了获得最佳保压阶段设置，从而尽可能地降低由保压引起的制品收缩、翘曲等质量缺陷。
2.3 冷却分析
        冷却分析用来分析模具赔偿损失热传递。冷却分析主要包含塑件和模具的温度、冷却时间等。通过冷却分析结果判断制件冷却效果的优劣，根据冷却效果计算出冷却时间的长短，确定成型周期所用时间。在获得均匀冷却的基础上优化冷却管道布局，尽量缩短冷却时间，从而缩短单个制品的成型周期，提高生产率，降低生产成本。
2.4 翘曲分析
        翘曲分析用于判定采用热塑性材料成型的制件是否会出现翘曲，如果出现翘曲的话，查出导致翘曲产生的原因。
2.5 浇口位置分析
        Moldflow 中的优化分析可以根据模型几何以及相关材料参数、工艺参数分析出浇口最佳位置。用户可以在设置浇口位置之前进行浇口位置分析，依据这个分析结果设置浇口位置，从而避免由于浇口位置设置不当可能引起的制件缺陷。
3 设计实例www.kongzipx.com
        以某塑料厂生产的某玩具的一个零件为例，详述 Moldflow/MPI 在模具优化设计中的应用。制品的三维图如图1所示，该制品与其它制品有装配关系，因此对制品的变形要求较严格。材料为 PP 。该厂在生产该制品时进行了大量的试模，最后才找到合适的模具结构和成型工艺参数，现对制品在设计模具时采用 Moldflow/MPI进行 CAE 分析。

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3.1 浇口位置分析
        在用 Moldflow/MPI 进行 CAE 分析时，一般是先进行浇口最佳位置分析，因为其它的分析都要求设置浇口位置。制品的成型工艺条件为：模温60℃、熔体温度为200 ℃、开模时间5s，注塑保压冷却时间总和为 30s ，填充控制、速度 / 压力控制转换为自动设置，保压控制为填充压力与时间关系，采用默认值，浇口最佳位置分析结果如图2所示。依据分析结果，结合浇口开设的可能性，可以确定模具的浇口位置。这里考虑一模多腔，采用侧浇口。www.ugboke.com

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3.2 制件的填充—冷却—流动—翘曲分析
        按3.1 分析所得结果，开设好浇注系统和冷却水道，设定好成型工艺条件，进行填充－冷却－流动－翘曲分析。填充顺序和时间如图 3 所示，总的填充时间为 7.989s。

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制件的冷却方案和温度分布如图4所示，符合要求。

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        对制件进行流动分析，可以得到成型过程中非常重要的保压曲线，如图5所示，防止过保压。制件的收缩率为 1.476% ～ 9.123% ，制件的翘曲变形最小为 0.0216mm，最大为 0.0780mm，如图 6 所示。变形在合理的范围内。

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        在进行CAE 分析时，还可以得到其它非常重要的一些结果，如气穴分布图，熔接线分布图等，这些对优化模具结构都非常有帮助，这里由于篇幅限，不再一一介绍。
Moldflow结论
        把用 Moldflow/MPI 分析的结论与实际生产中通过试模所得的方案相对比，成型工艺参数大体相同，证明了 Moldflow/MPI 在模具生产中的实用性，它可以大大减少试模次数，从而缩短了生产周期，降低生产成本。
参考文献：
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[3] 单 岩，王 蓓，王 刚． Moldflow模具分析技术基础[M] ． 北京： 清华大学出版社， 2004．
[4] 王丽秀， 吴崇峰． 利用Moldflow对生化试剂板模具进行优化设计[J]． 工程塑料， 2003，（ 8）： 52～54．