基于MPI的典型零件注塑模具结构优化.pdf

基于MPI的典型零件注塑模具结构优化杨虹周凤佳于沪平(上海交通大学国家模具CAD工程研究中心,上海200030)MoulddesignoptimizationoftypicalpartbasedonCAEanalysisYANGHong,ZHOUFeng-jia,YUHu-ping(NationalDie&MoldCADEng.ResearchCenter,ShanghaiJiaoTongUniv.,Shanghai200030,China)文章编号:1001-3997(2008)10-0057-02【摘要】针对某U型薄壁注塑件实际生产中出现的翘曲现象,结合MPI软件分析了产生翘曲的原因；在分析的基础上,改进后的模具生产出的注塑件质量有了很大的改进。并且经过实际与模拟的验证,进一步采用优化实验设计,以减小注塑件翘曲为目标值,对注塑模的冷却系统和浇注系统进行了分析和优化。优化之后的模具结构,最大程度上减小了两侧壁之间产生的翘曲不平现象,改善了注塑制品的质量,提高了其功能性和使用性。关键字:翘曲；注塑；优化；MPI【Abstract】ThecauseofwarpagewasanalyzedaccordingtotheMPI/warpsimulationresultsofaU-shapeshellpart.Thewarpagedegreehasbeenreducedwiththeimprovedmoulddesignwhichisoptimizedwiththesimulationresults.Inordertoreducethewarpagedegreeoftheinjectionpart,coolingsystemandinjectionsystemareoptimizedwithTaguchimethodandfactorialexperimentdesign.Withtheoptimizedmoulddesign,warpageandtwistofthesidewallshavebeenreduced,atthesametimethequality,functionalityandusabilityoftheinjectionpartareimproved.Keywords:Warpage；Injection；Taguchidesign；MPI!*来稿日期:2007-12-15中图分类号:TH14,TG24文献标识码:AMachineryDesign&Manufacture机械设计与制造第10期2008年10月xzy0.32670.24650.16640.08620.006014215423xzy0.01750.01310.00880.00442.8402E-0514215423xzy0.24380.18480.12570.06670.00771421542314215423xzy0.28930.21711.14490.07280.00061引言在塑料注塑成型中,翘曲现象是经常遇到的注塑件生产缺陷之一,通常翘曲被看成是不均匀收缩产生的残余应力造成的2。注塑模CAE给传统注射模设计提供了技术参考,用户可以利用CAE软件准确预测熔体的填充、保压、冷却情况以及塑件中应力的分布、分子和纤维取向分布、塑件的收缩和翘曲变形等情况,以便能尽早发现问题而不必等到试模以后再返修模具3。选用注塑模部分结构作为设计变量,注塑件的翘曲量作为优化目标,在CAE模拟的基础上对模具结果进行优化,从而到达改进模具设计、减少塑件的翘曲缺陷,提高制品质量的目的。2MPI翘曲分析某U型薄壁注塑件,材料为PBT,外形尺寸为(817244)mm,由于装配的需要,内部分布有孔、肋板、筋和凸台等,造成模具结构十分复杂。该典型塑料件的注塑模具浇注系统和冷却系统的设计(图略)。采用两个点浇口斜对称分布,14根冷却管道接自来水进行冷却,基本上可以满足塑料件冷却的需要。采用上述设计,实际生产出的零件出现翘曲过大的问题。为了提出解决问题的办法,通过MPI软件的翘曲分析模块来对该注塑件进行模拟。零件材料为PBTArniteTV4,分析采用Fusion网格,单元数量为25794个,由于材料库中该材料没有给出收缩参数,因此收缩模型采用了未修正的残余应力模型。翘曲分析的结果显示,如图1所示。图中依次显示了成型后注塑件发生的总翘曲、因冷却不均、收缩不均和取向而造成的翘曲这四项结果。总翘曲图显示最大翘曲发生在左前侧棱边上,最大值为0.3267mm。因冷却不均造成的翘曲在数值上明显小于其他两个原因造成的翘曲,说明冷却管道的布置基本上是合理的,变形较大的区域集中在左侧壁的外侧。图1翘曲分析结果显示因收缩不均造成的翘曲以x-z平面对称分布的。翘曲最大的区域分布于侧壁外部四个棱边附近,左侧壁外侧棱边附近翘曲最严重,最大的翘曲量为0.2438mm。57-因取向造成的翘曲,数值上比其他两个原因造成的翘曲量大。由于两个浇口的位置不是以注塑件的结构对称面而对称分布的,因此由于填充流动时的差异会造成纤维取向的不对称从而影响翘曲量的分布不对称。取向因素使得左侧壁前棱边附近产生了较大的翘曲变形,棱边底部区域为翘曲最大的部位,最大翘曲量为0.2893mm。因此,收缩不均主要影响了两侧壁间的平行度,而左侧壁不平衡的扭曲使得侧壁间开口尺寸不相等是由于取向造成的。3基于MPI的结构改进和优化3.1对浇口位置的简单优化从模具结构上改进,根据经验改变一个浇口的位置,减小熔体流动时的不平衡,具体浇口位置,如图2所示。改进后的浇口使得翘曲量减小了26%,翘曲现象有了很大改善。(a)(b)图2基于MPI改进浇口位置后的分析结果改进浇口位置之后进行修模,实例验证MPI的模拟结果可以较为准确地预测翘曲的趋势；翘曲结果的数值比较,如表1所示。表1验证实验比较结果Tab.1Resultscomparisonbetweenpracticeandsimulations其中长度方向的翘曲预测偏差最大,预测值为实际的77.6%,偏差值为0.121mm。基本可以认为模拟值是可信的,可以在此基础上对模具的结构做进一步的改进。3.2对冷却管道和浇口位置的实验优化经过上述分析,与左侧壁冷却相关的2号、7号和10号冷却管道是主要考虑进行优化的对象,而减小不均匀冷却和不均匀收缩造成的翘曲则是进行优化的目标变量,同时考虑到x方向的总翘曲量对侧壁间的平行度有一定的影响,因此也选作目标变量之一。采用6因素3水平研究冷却管道对塑件注塑翘曲变形量的影响,正交表安排试验27次模拟之后,直接可以找到分别使三个目标变量的值达到最优的设计变量组合,但经过方差分析之后,综合考虑各设计变量水平选择对三个目标变量的影响以及其显著程度,参考原先冷却水道的布置情况,得到使综合指标最优的设计组合。MPI的分析得到该塑件的底平面上表面是最佳设置浇口位置的区域,由于冷却管道的布置,可放置浇口的空间并不大,对于两个浇口的情况,最佳浇口位置基本局限在底部孔洞的附近。并且斜对称分布会比以设计对称面对称分布的浇口产生更大的翘曲变形。Moldflow最佳浇口位置分析l(图略)。采用析因设计中的全面实验来分析浇口位置对翘曲的影响。把浇口的位置设定在最佳浇口区域,取浇口的x坐标为正、0、负这三种情况定性分析,结果显示两个浇口位置都在接近右侧壁的时候实验得到翘曲最小的模拟结果,因此两浇口应尽量接近右侧壁且以塑件对称面对称。4优化结果分析和讨论根据对冷却系统管道结构和布置的优化以及对两个浇口位置的优化,修改相关参数,重新进行模拟试验,试验结果列于,如表2所示。其中,第一组实验为正交实验中直观读出的最小总翘曲的结果,而第二组实验为经过方差分析之后采用相应设计参数进行模拟之后的翘曲结果,第三组实验是对模具结构综合优化之后的模拟结果。表2优化模拟结果Tab.2Optimalresults表中,D、Dx、Dc、Ds、Do分别表示塑料件成型后发生的最大翘曲变形量、x方向上发生的最大翘曲变形量、因冷却不均造成的最大翘曲变形量、因收缩不均造成的最大翘曲变形量和因取向造成的最大翘曲变形量通过表2中数据可以看到,经过对冷却水道的优化,虽然总的翘曲量没有减小,但是对于三个优化的目标变量Dx、Dc和Ds都有了很大的改善,并且结合对浇口位置的优化,得到的最小总翘曲量为0.2161mm,改进后的浇口使得最大总翘曲量减小了34%。5结语针对某U型薄壁注塑件实际生产中出现的翘曲现象,通过CAE对翘曲的分析研究了产生翘曲的原因以及产生翘曲的部位,针对相应的分析选取适当的研究对象采用通用的优化设计方法对注塑模具的结构提出了修改的方案,证实基于CAE分析的模具结构修改的可行性和合理性,改善了该塑件发生的最大翘曲量,提高了塑件质量。参考文献1J.C.Lin.Optimumcoolingsystemdesignofafree-forminjectionmoldusinganabductivenetwork.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2002,120(15):2262362ZoeteliefWF,DouvenLFA,IngenhouszAJ.ResidualThermalStressesinInjectionMoldedProducts.PolymerEngineeringandScience,1996,36(14):188618963刘健.Moldflow在塑件翘曲分析中的应用.模具工业,2007,33(2):610结果/mm外观尺寸装配尺寸侧壁平面度模拟值实测