基于Moldlfow的透射样品盒注塑模具优化分析.pdf

第 61 卷 第 10 期Vol.61 No.102023 年 10 月October 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言注塑模具存在注塑成型周期短、节省原料以及高自动化等优点，在航空、航天、机械、电子、汽车、医疗器械等领域有着广泛的应用1。与传统的金属加工类似，注塑成型产品也存在生产缺陷，如收缩率不均、熔接痕以及翘曲变形等。样品盒是注塑成型产品，主要用于密封保存样品，需要一定的防氧化性等，对密封性能要求较高。为提升样品盒质量，需要对于样品盒的变形量进行优化，考虑组装配合性，并对成型工艺参数进行优化。注塑成形中工艺参数对翘曲变形有很大的影响，利用 Moldflow 软件2可以优化注塑工艺参数，使制品具有良好的尺寸稳定性、减少试错成本、增加企业效益。本研究结合所设计的样品盒结构特点，设计正doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.10.013基于 Moldlfow 的透射样品盒注塑模具优化分析周勰1，李方杰1，沈琴2，刘敏3，向延平4，江星辉5（1.201602 上海市 上海工程技术大学 材料工程学院；2.201602 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院；3.201418 上海市 上海应用技术大学 材料科学与工程学院；4.215535 江苏省 苏州市 苏州海鑫精密电子科技有限公司；5.516127 广东省 惠州市 惠州市祥辉电子科技有限公司）摘要 透射样品盒主要用于保存薄片状的样品，防止样品表面沾染灰尘以及发生氧化。自主设计了一款结构简单，便于存取的透射样品盒。使用 UG 创建三维模型，利用 Moldflow 对所建立透射样品盒的盖子和底座的三维模型进行分析，经过对比得到最佳浇口位置。创建浇注系统和冷却系统后，设计正交实验，以熔体温度、注射时间、保压时间和保压压力为自变量，用翘曲变形量作为判断塑件质量的标准。通过分析得到优化后盖子的工艺参数组合为：熔体温度 220，注射时间为 5 s，保压时间为 12 s，保压压力 80%；底座的工艺参数组合为：熔体温度220，注射时间为 4 s，保压时间为 12 s，保压压力 90%。优化后模具内温度变化均匀，盖子的翘曲变形量降低了 40.7%。底座的翘曲变形量降低了 11.8%。优化后的工艺参数相较初始参数得到明显改善，制品质量显著提升。关键词 Moldflow；模拟分析；正交试验；工艺优化；翘曲变形量 中图分类号 TQ320.2；TS943.66 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)10-0060-05引用格式：周勰，李方杰，沈琴,等.基于 Moldlfow 的透射样品盒注塑模具优化分析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(10):60-64.Injection mold optimization analysis of transmission sample box based on MoldlfowZHOU Xie1,Li Fangjie1,SHEN Qin2,LIU Min3,XIANG Yanping4,JIANG Xinghui5(1.School of Materials Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201602,China;2.School of Mechanical and Automotive Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201602,China;3.School of Materials Engineering,Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418,China;4.Suzhou Haixin Precision Electronic Technology Co.,Ltd.,Suzhou 215535,Jiangsu,China;5.Huizhou Xianghui Electric Technology Co.,Ltd.,Huizhou 516127,Guangdong,China )Abstract Transmission sample cassette is used to store a thin sheet of transmission sample to prevent dust and oxidation on the sample surface.A simple and easy-to-access transmission sample cassette was designed.The 3D model of the lid and pedestal of the cassette was created using UG and analyzed by Moldflow.After creating the gating system and cooling system,the orthogonal experiments were designed with melt temperature,injection time,holding time and holding pressure as the independent variables of the experiments,and the warpage deformation of the lid and pedestal as quality evaluation index.The optimized process parameter combinations for the lid were obtained through analysis:melt temperature 220,injection time 5 s,holding time 12 s and holding pressure 80%;optimized process parameter combinations for the base were melt temperature 220,injection time 4 s,holding time 12 s and holding pressure 90%.Compared with that before optimization,the warpage deformation of the lid was reduced by 40.7%.The warpage deformation of the pedestal was reduced by 11.8%.The optimized process parameters were significantly improved compared with the initial parameters,which led to a significant improvement in product quality.Key words Moldflow;simulation analysis;orthogonal test;process optimization;warpage deformation收稿日期：2022-09-0961第 61 卷第 10 期交实验，通过仿真软件 Moldflow2对样品盒的翘曲变形缺陷进行优化分析，以提高产品质量。1 样品盒结构分析样品盒由盖子与底座组成，图 1 为盖子、底座和样品盒装配三维模型。盖子为直径83.00 mm、高度 10.00 mm 的圆柱，盖子表面有扇形圆台孔，如图 1（a）所示；底座为直径86.00 mm，高度为 9.00 mm 的圆柱，如图（b）所示；图 1（c）为透射样品盒装配效果图。2 基于 Moldflow 模流分析Moldflow 是一款常用于塑料模具设计及加工工艺参数设计前处理的模流分析软件。利用 Moldflow软件对透射样品盒的三维模型进行网格划分，结果如图 2 所示。其中底座双层面结构中实体计数三角形为 7 584，已连接的节点 3 794，不包括模具镶块和冷却管道表面积为 204.538 cm2；单元类型统计的三角形体积 44.197 3 cm3，纵横比最大为 6.97，平均为 1.80，最小为 1.16，共用边为 11 376，匹配百分比为 87.5%，相互百分比 93.2%。盖子双层面结构中实体计数三角形为 5 082，已连接节点 2 541，不包括模具镶块和冷却管道表面积为 151.775 7 cm2；单元类型统计的三角形体积 17.079 8 cm3，纵横比最大为 18.72，平均为 2.03，最小为 1.16，共用边为 7 623，匹配百分比为 92.5%，相互百分比92.2%，满足模流分析的要求。2.1 浇口位置优化分析 浇口位置是影响塑件成型的重要因素，浇口位置的选择主要取决于制件的结构、原材料的种类、流动阻力、塑件厚度以及塑件可成型性。不合理的浇口位置将导致型腔无法充满，塑件出现缺胶，影响表面外观质量。合理的浇口位置能够减少内应力，减少熔接线的划痕，改善塑件的外观质量3。剪切速率体积、流动前沿温度、平均速度、温度、压力以及充填时间等参数可用来判断浇口位置的选择是否合理4-5。模拟分析结果域如图 3 所示。通过对节点(2.7 -1.770)和节点(1.56 -0.888)2 次偏移复制的方式创建关键结构节点，再由关键的结构节点创建“直线”或“曲线”。本文选择创建的是“直线”，因为曲线一般针对香蕉型浇口。创建完成之后给“直线”定义属性，对流道尺寸形状进行编辑，随后进行网格划分创建浇注流道，最终确定盖子和底座的浇注系统如图 4 所示。2.2 冷却回路设计考虑到样品盒需要具有一定的抗酸碱腐蚀、良好的耐磨性以及光洁度。因此选用丙稀晴-丁二烯-苯乙烯（ABS）共聚物进行注塑成型分析。表 1 为ABS 材料的注塑成型推荐工艺参数。塑件在注塑成型过程中，冷却时间占整个成型时间的大部分，合理设计冷却回路能减少产品成型时间，从而提高生产效率，降低成本，提升产品质量6。对盖子和底座分别创建如图 5 所示的冷却回路，设定水管的直径为 10 mm，水管与零件间的 （a）（b）（c）图 1 样品盒装配三维结构Fig.1 3D structure of sample box assembly（a）盖子（b）底座（c）样品盒 （a）（b）图 2 网格划分结果Fig.2 Meshing results（a）盖子 （b）底座 （a）（b）图 4 浇注系统Fig.4 Pouring system（a）盖子 （b）底座 （a）（b）图 3 浇口匹配性Fig.3 Fitting of gate（a）盖子 （b）底座浇口匹配性=1.000浇口匹配性=1.000最好最差最好最差周勰 等：基于 Moldlfow 的透射样品盒注塑模具优化分析62农业装备与车辆工程 2023 年距离为 25 mm，管道的数量为 4，管道中心之间距离为 20 mm，零件之外距离为 30 mm，并勾选软管连接管道，完成冷却回路设计。表 1 注塑成型推荐工艺参数Tab.1 Recommended process parameters for injection molding工艺参数数值模具表面温度/50熔体温度/230模具温度/2580熔体温度范围/200280顶出温度/88最大剪切应力/MPa0.28最大剪切速率/s-112 000固体密度/(g/cm3)10.541熔体密度/(g/cm3)0.949 33弹性模量 E1、E2/MPa1 200泊松比 v12、v230.43剪切模量 G12/MPa419.6热膨胀（CTE）数据的横向各向同性系数/(1/)Alpha1 0.000 13Alpha2 0.000 3 树脂识别码7能量使用指示器4 回路冷却液温度差过大，会导致塑件成型出现缺陷。如图 6 所示，模拟分析结果表明，盖子和底座回路冷却液温度差分别为 0.34 和 0.50，冷却液的温度并没有明显的升高，温差较低，表明所设计的冷却系统能达到良好的冷却效果。2.3 流动性分析（1）盖子气穴熔接线分析通过进行填充保压，分析熔体在模腔内部的流动过程7-8。图 7 的模拟结果表明，气穴主要集中在塑件的边缘部分，可以通过在熔体汇集处开设少量的气孔或者凹槽进行改善；同时存在少量的熔接线，这对成型件表面质量影响不大。（2）底座流动前沿温度分析流动前沿温度表示的是熔体经过节点时聚合物的温度，若流动前沿温度较高，会导致此区域聚合物易发生降解和产生表面缺陷；若流动前沿温度较低，则此区域内很可能出现滞流或者短射的现象。流动前沿温度变化越小，表明模具内温度分布越均匀9-10。从图 8 可以看出，底座表面与底座底面 2个不同位置所对应的流动前沿温度分别为 220.3 和 220.0，温差分别为 0.5 和 0.2，温差变化合理，表明模具温度变化比较均匀。3 翘曲变形工艺参数优化塑件产品必须考虑其质量以及表面光滑度11，塑件质量主要受翘曲变形影响，翘曲变形是塑件常见缺陷之一。影响翘曲变形的主要因素是熔体温度、注射时间、保压时间、保压压力等。本文通过调控这些工艺参数对塑件进行优化12-13。图 9 为默认参数下盖子和底座的翘曲变形量，分别为 0.444 6 mm和0.474 1 mm，变形较大影响后续装配，需进行优化。（a）（b）图 5 冷却系统Fig.5 Cooling system（a）盖子 （b）底座 （a）（b）图 6 回路冷却液温度Fig.6 Loop coolant temperature（a）盖子 （b）底座回路冷却液温度=25.23 回路冷却液温度=25.51 25.3425.2625.1725.0925.0025.5125.3825.2625.1325.01熔接线=135 135.0101.968.7535.632.506 （a）（b）图 7 气穴、熔接线Fig.7 Air pocket&Welding wire（a）气穴 （b）熔接线 （a）（b）图 8 流动前沿温度Fig.8 Temperature of flow front（a）底座表面（b）底座底面流动前沿温度=220.3 220.3220.2220.0219.9219.8220.0220.0219.9219.9219.8流动前沿温度=220.0 63第 61 卷第 10 期周勰 等：基于 Moldlfow 的透射样品盒注塑模具优化分析选择熔体温度（A）、注射时间（B）、保压时间（C）、保压压力（D）等因素为变量，设置四因素三水平正交实验，表 2 为盖子和底座的 L9（34）正交实验因素水平设计。表3为L9 （34）盖子正交实验结果（M=K/3），表 4 为 L9（34）底座正交实验结果。表 2 L 9(34 )正交实验因素水平设计Tab.2 Factor level design of L9(34)orthogonal experiment水平因素熔体温度（A）/注射时间（B）/s保压时间（C）/s保压压力（D）/%12203870224041080326051290表 3 盖子正交实验结果Tab.3 Lid orthogonal experiment results实验序号因素翘曲变形量/mmABCD111110.350 9212220.292 1313330.263 8421230.371 1522310.332 2623120.290 5731320.296 7832130.352 7933210.319 3K10.302 10.339 60.331 40.334 1K20.331 20.325 70.327 50.293 1K30.322 90.291 00.297 40.329 0M10.100 70.113 20.110 50.111 4M20.110 40.108 60.109 20.097 7M30.107 60.097 00.099 10.109 7R0.009 70.016 20.011 40.013 7由表 3 可得盖子极差排序为 RBRDRCRA，即4 个因素的影响顺序为：注射时间 保压压力 保压时间 熔体温度。表 4 底座正交实验结果Tab.4 Experimental results of orthogonal base实验序号因素翘曲变形量/mmABCD111110.466 6212220.435 3313330.424 6421230.436 3522310.429 8623120.465 7731320.428 4832130.451 9933210.458 3K10.442 20.443 80.461 40.451 6K20.443 90.439 00.443 30.443 1K30.446 20.449 50.427 60.437 6M10.147 40.147 90.153 80.150 5M20.148 00.146 30.147 80.147 7M30.148 70.149 80.142 50.145 9R0.001 30.003 50.011 30.004 6从表 4 可得底座极差排序为 RCRDRBRA，即4 个因素的影响顺序为：保压时间 保压压力 注射时间 熔体温度。图 10 为透射样品盒盖子的翘曲变形量与因素水平的关系，可知盖子的翘曲变形量随着熔体温度的升高呈现先升高后降低的现象，当熔体温度为A1时，翘曲变形量最小；随着注射时间的增加，翘曲变形量逐渐降低；随着保压时间的增加，翘曲变形量也逐渐降低；随着保压压力的增加，翘曲变形量先下降后增加，保压压力为 D2时，翘曲变形量最小。综上所述，盖子优化后的参数为熔体温度220，注射时间为 5 s，保压时间为 12 s，保压压力 80%，组合为 A1B3C3D2。图 11 为透射样品盒底座的翘曲变形量与因素水平的关系，可知随着熔体温度的增加，底座翘曲变形量逐渐增大；当注射时间不断增加时，翘曲变形量呈现出先降低再增加的现象，B2的变形量为最小；保压时间和保压压力逐渐增加翘曲变形量均呈现逐渐降低的趋势。综上所述，底座优化后的组合为 A1B2C3D3，具体参数为熔体温度 220，注射时间为 4 s，保压时间为 12 s，保压压力 90%。盖子和底座针对优化完成后的最优参数组合A1B3C3D2、A1B2C3D3，利 用 Moldflow 进 行 模 拟 分析，图 12 为优化后的翘曲变形量。盖子优化后的翘曲变形量为 0.263 7 mm，与优化前相比降低了变形，所有效应：变形比例因子=1.000mm变形，所有效应：变形比例因子=1.000mm0.44460.38640.32820.27000.21180.47410.36590.25770.14950.0414 （a）（b）图 9 优化前的翘曲变形量Fig.9 Warping deformation before optimization（a）盖子 （b）底座64农业装备与车辆工程 2023 年40.7%。底座优化后的翘曲变形量为 0.418 2 mm，与优化前相比降低了 11.8%。4 结论分析样品盒的结构，选择合适的材料，利用Moldflow 软件设计最佳浇口位置，针对浇口位置创建流道及冷却回路进行模拟分析，通过对成型工艺参数优化促使变形量降为最低，以提高设计效率。（1）分析最佳浇口位置创建流道及冷却回路，进胶口往往需要更多的平衡进胶，选择中心位置为平衡进胶，利于减少熔接线的存在，提升成型质量；（2）选用 Moldflow 软件对样品盒盖子以及底座进行注塑成型模拟分析。熔体充模流动可以对成型质量缺陷做出管控，控制回路冷却温度稳定，减少气穴、熔接线的存在，从而保证注塑成型的质量；（3）对成型参数进行调控，结果表明，盖子的翘曲变形量降低了 40.7%，底座的翘曲变形量降低了 11.8%。优化后的工艺参数相较于初始参数得到明显的改善，优化后可使模具内温度变化均匀，提升了塑件制品的质量。参考文献1 李帅,赵国群,管延锦,等.模具型腔气体压力对微发泡注塑件表面质量的影响 J.机械工程学报,2015,51(10):79-852 单岩,王蓓,王刚.Moldflow 模具分析技术基础 M.4 版.北京:清华大学出版社,2004.3 廖铃钢.基于 Moldflow 注射成型及模具优化设计 D.武汉:武汉轻工大学,20144 王波.Moldflow 在注塑模浇口优化设计中的应用 J.塑料科技,2015,43(3):72-74.5 左继红,刘丽丽,蔡颂.基于 Moldflow 交流接触器底盖最佳浇口的研究 J.塑料工业,2021,49(1):85-88.6 陈林成,金华军,李薇.注塑模大赛模具冷却系统优化设计及分析 J.科技创新与应用,2020(07):88-91.7 李雅.基于 Moldflow 的香皂盒套件注塑流动平衡优化 J.中国塑料,2019,33(9):72-76,99.8 杨德,张惠敏.基于 moldflow 的控制开关面板双色模工艺分析J.塑料制造,2014(09):64-67.9 刘细芬,黄家广.基于 Moldflow 软件的注塑制件浇口优化设计J.塑料工业,2007(12):36-38.10 陶筱梅,杜小清.基于 MoldFlow 的注塑模具浇口优化设计 J.模具技术,2007(04):40-43,62.11 王长颖,秦刚,丁征,等.基于 Moldflow 的喇叭罩注塑模具优化分析 J.山东化工,2021,50(13):181-18412 李桂玲,张雨.基于 CAE 的急停按钮基座注塑模具工艺参数优化研究 J.塑料科技,2021,49(12):78-81.13 LI Jing,XU Yang,HAN Cuihong,et al.Optimization of process parameters in injection molding of mounting panel of automobile air conditioner housing based on Moldflow and Taguchi orthogonal experimentC/5th International Conference on Materials Engineering for Advanced Technologies,(ICMEAT 2016),2016:48-51.作者简介 周勰（1998-），男，硕士，研究方向：模具 CAE 有限元模拟。E-mail： 变形，所有效应：变形比例因子=1.000mm变形，所有效应：变形比例因子=1.000mm0.26370.22970.19570.16170.12770.41820.32200.22580.12960.0335 （a）（b）图 12 优化后翘曲变形量Fig.12 Warping deformation of optimized（a）盖子 （b）底座C1 C2 C3D1 D2 D30.112 00.110 00.108 00.106 00.104 00.102 00.100 00.112 00.110 00.108 00.106 00.104 00.102 00.100 00.098 00.114 00.112 00.110 00.108 00.106 00.104 00.102 00.100 00.098 00.096 00.112 00.110 00.108 00.106 00.104 00.102 00.100 00.098 00.096 0A1 A2 A3B1 B2 B3翘曲变形量/mm翘曲变形量/mm翘曲变形量/mm翘曲变形量/mm （c）（d）图 10 盖子翘曲变形量与因素水平关系Fig.10 Relationship between lid warping deformation and factor level（a）熔体温度 （b）注射时间 （c）保压时间 （d）保压压力 （a）（b）0.148 8 0.148 6 0.148 4 0.148 2 0.148 0 0.147 8 0.147 6 0.147 4 0.147 2 0.150 0 0.149 5 0.149 0 0.148 5 0.148 0 0.147 5 0.147 0 0.146 5 0.146 0 0.154 0 0.152 0 0.150 0 0.148 0 0.146 0 0.144 0 0.142 0 A1 A2 A3B1 B2 B3 （a）（b）翘曲变形量/mm翘曲变形量/mm翘曲变形量/mm翘曲变形量/mmC1 C2 C3D1 D2 D3 （c）（d）图 11 底座翘曲变形量与因素水平关系Fig.11 Relationship between base warping deformation and factor level（a）熔体温度 （b）注射时间 （c）保压时间 （d）保压压力0.151 0 0.150 0 0.149 0 0.148 0 0.147 0 0.146 0 0.145 0