張?chǎng)┚?1,2,3,4勒虾，陳慶祥 1纺阔，高 浩 1,2,3,4，魏 劍 1,2,3,4
1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院修然，福建 三明 365004 笛钝；
2.機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 三明愕宋，365004婆翔；
3.綠色鑄鍛及高端部件協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 三明掏婶，365004啃奴；
4.福建省鑄鍛零部件工程技術(shù)研究中心，福建 三明雄妥，365004
摘要：采用 Moldflow 軟件對(duì)醫(yī)療無(wú)影燈外殼注射模具的注塑成型過(guò)程進(jìn)行模擬仿真最蕾，通過(guò)注塑流動(dòng)情況分析出 制件的最佳澆 口位置依溯，預(yù)測(cè)和顯示氣穴、熔接痕等缺陷位置瘟则；結(jié)合塑件注射壓力和鎖模力的變化情況黎炉、填充過(guò)程、溫度 變化和產(chǎn)品成型質(zhì)量分析等情況醋拧，幫助工藝人員在試模前找出缺陷產(chǎn)生原因慷嗜，以此改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從而提高試模成功率 丹壕。
關(guān)鍵詞：Moldflow庆械；醫(yī)療無(wú)影燈外殼；注塑模具菌赖；成型分析
Moldflow 注射模流分析軟件能夠很好地驗(yàn)證和優(yōu)化塑料零部件缭乘、注射模具和注射成型流程，能 夠有效預(yù)防注射產(chǎn)品的各種缺陷琉用，出現(xiàn)問(wèn)題能夠精確分析缺陷原因堕绩，提供快速、高效的解決方案邑时，為塑件模擬分析提供強(qiáng)大的支撐[1-4] 奴紧。該軟件是美國(guó) 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(dòng)分析軟件以來(lái)晶丘，一直主導(dǎo)塑料成型 CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）軟件市場(chǎng)黍氮。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)铣口，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助分析滤钱，對(duì)注塑過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化觉壶、動(dòng)態(tài)化模擬[5]脑题，可以對(duì)塑料制件過(guò)程的各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、比較和優(yōu)化铜靶，從而確定最優(yōu)注塑解決方案叔遂。
醫(yī)療無(wú)影燈作為手術(shù)照明燈具，對(duì)其外殼要求具有成型質(zhì)量高 争剿、冷熱變形性小 已艰、密度低和電氣 性能良好等特性。和普通塑料制件相比蚕苇，要求設(shè)計(jì)時(shí)盡可能消除陰影哩掺，并在長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作過(guò)程 中，溫度不能過(guò)高涩笤，其成型的技術(shù)難點(diǎn)主要在光學(xué)性能要求方面嚼吞，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]盒件，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(diǎn)舱禽，有必要對(duì)該塑件的注塑過(guò)程進(jìn)行模擬仿真及工藝參數(shù)優(yōu)化炒刁。本文運(yùn)用 Moldflow 2018 版對(duì)醫(yī) 療無(wú)影燈外殼進(jìn)行數(shù)值模擬仿真， 分析其注塑成型過(guò)程誊稚，通過(guò)方案對(duì)比優(yōu)化澆口位置以及澆注系統(tǒng)翔始、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化里伯，獲得較小的翹曲變形和體積收縮率城瞎，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(duì)體積收縮率 俏脊、熱變形等問(wèn)題的影響全谤，為指導(dǎo)醫(yī)療無(wú)影燈外殼部件 的實(shí)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(wú)影燈外殼結(jié)構(gòu)是外形為 90 mm爷贫，內(nèi)孔為40 mm的圓形件认然，壁厚 t=4 mm，要求塑件表面質(zhì)量高漫萄、光亮整潔卷员，不能出現(xiàn)拉傷、斷裂腾务、料紋等注塑工藝缺陷毕骡。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 岩瘦。塑件三維模型如圖 1 所示未巫。選用 ABS 材料，結(jié)合其綜合力學(xué)性能好启昧、具有高韌性等力學(xué)特點(diǎn)叙凡，可通過(guò)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(wú)影燈外殼三維模型圖
2 注塑模流設(shè)計(jì)及流動(dòng)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 ℃密末，熔體溫度為 235 ℃握爷，模具溫度范圍設(shè)定 在 40～80 ℃ 區(qū) 間，頂出溫度為 89 ℃严里， 最大剪切應(yīng)力為0.3 MPa新啼，如圖2所示。
圖 2 模流分析的參數(shù)設(shè)置
無(wú)影燈外殼屬于薄殼類(lèi)零件刹碾，選 用雙 層面網(wǎng)格劃分燥撞， 縱橫比最 大為7.37，最小為 1.16，平均 1.77物舒，其值小 于 10辆布， 匹配百 分比為 85.7%， 自由邊茶鉴、多重邊锋玲、相交單元等參數(shù)都為0，因此模型網(wǎng)格質(zhì)量良好涵叮，滿足模流分析要求惭蹂，有限元模型如圖 3 所示。
圖 3 有限元模型
研究通過(guò)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(jì)性的方式來(lái)確定最佳澆注方案割粮。方案 1 的澆口位置選擇塑件注塑內(nèi)部盾碗，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）舀瓢。 分析兩種情況下的填充時(shí)間 廷雅、注塑壓力、塑件變形及氣穴數(shù)等參數(shù)京髓，如表 1 所示航缀。
表 1 澆口位置方案的分析結(jié)果對(duì)比
方案 澆口位置 填充時(shí)間/s 注塑壓力/MPa 變形量 冷凝時(shí)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(duì)比可確定，方案 2 填充時(shí)間較短堰怨，注塑壓力大芥玉，塑件變形量小，冷凝時(shí)間短备图，產(chǎn)生 的氣穴少灿巧，故選用方案 2 外部澆注進(jìn)行注塑模流過(guò)程仿真，模擬分析采用一模兩件模式揽涮。
2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)
模具澆口設(shè)置是影響注塑過(guò)程的一個(gè)重要因素抠藕，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 蒋困。 研究采用生產(chǎn)中常用的冷流道澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案盾似，設(shè)置潛伏澆口，潛伏澆口具有 自 動(dòng)拉斷 家破、不影響塑件外觀和加工方便等優(yōu)點(diǎn)颜说，有利于提高生產(chǎn)效率 购岗。其澆注系統(tǒng)設(shè)置如圖 4 所示汰聋。
圖 4 澆注系統(tǒng) 、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在注塑過(guò)程中喊积，要盡可能地保持冷卻系統(tǒng)的高效率工作烹困，使模具型腔表面的溫度穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)為上乾吻、下模 2 條冷卻水回路（圖4）髓梅，冷卻管道直徑為8mm拟蜻，距離型腔表面 18 mm，設(shè) 計(jì)時(shí)考慮排布位置避開(kāi)熔接痕的位置枯饿。
2.4 流動(dòng)分析
1.填充時(shí)間：由圖 5（a～d）可以看出填充過(guò)程是對(duì)稱(chēng)分布的酝锅，注塑流動(dòng)平衡性較好，填充過(guò)程較為均勻奢方。填充時(shí)間為 1.471 s搔扁，由于塑件尺寸較小，故填充過(guò)程順暢蟋字，無(wú)注射不足現(xiàn)象稿蹲。
圖 5 制件填充過(guò)程
2.流動(dòng)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(dòng)前沿溫度最 高為 236.8 ℃鹊奖，最低為 234.4 ℃苛聘，最高溫度與最低溫度相差 2.4 ℃，變化小于 10 ℃忠聚，因此溫度分布合 理设哗，反映了該熔體在流動(dòng)過(guò)程中不太可能出現(xiàn)流動(dòng)阻力大的狀況，也無(wú)材料分解及低溫滯留現(xiàn)象两蟀。
3.填充注射壓力：整個(gè)填充注射壓力為 0～44.19 MPa熬拒，在 44.19 MPa 時(shí)進(jìn)行 V/P 轉(zhuǎn)換，壓力較小垫竞，便于注塑澎粟，填充壓力比較低，不易出飛邊欢瞪，滿足生產(chǎn)要求活烙。
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)量的重要因素遣鼓，它的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致制品的強(qiáng)度變低啸盏，并且會(huì)影響制品的外觀。在整個(gè)注塑過(guò)程中應(yīng)該避免熔接痕的產(chǎn) 生骑祟，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]回懦。
由圖6可以看出熔接痕主要產(chǎn)生在內(nèi)孔邊緣，此時(shí)需在模具上開(kāi)好排氣槽或溢料槽次企，同 時(shí)提高模溫怯晕，增大熔接痕處的溫度，改善熔接痕缸棵。
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(wú)法及時(shí)排出舟茶，這樣將會(huì)導(dǎo)致制品填充不完整以及保壓不充分，同時(shí)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)焦痕吧凉。如果氣穴不能及時(shí)排出隧出，將會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和性能產(chǎn)生很大的影響。而且氣穴越多阀捅，制品生產(chǎn)的問(wèn)題會(huì)隨之增多胀瞪，注塑成型質(zhì)量也會(huì)隨之降低[10] 。本次塑件注塑氣穴位置與熔接痕位置相近饲鄙，主要分布在內(nèi)孔邊緣赏廓，采用排氣機(jī)構(gòu)，同時(shí)控制注射速度不能太快傍妒，不然可能會(huì)有燒焦現(xiàn)象幔摸，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(diǎn)是觀察二維 XY 圖的常用節(jié)點(diǎn)颤练，通過(guò)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既忆。圖 7a 顯示，在 0～1.443 s 區(qū)間嗦玖，注射壓力達(dá)到最大值 44.19 MPa患雇，隨后注射壓力快速下降到 35 MPa，進(jìn)入穩(wěn)壓注塑階段宇挫。圖 7b 顯示苛吱，注塑成型階段所需 鎖模力在 0～1.881 s 區(qū)間快速上升，達(dá)到最大值 22.51 t器瘪，隨著模具開(kāi)模翠储，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)因子橡疼，即保壓結(jié)束后的凍結(jié)因子為1援所。整體凍結(jié)均勻，能夠滿足保壓補(bǔ)縮欣除，達(dá)到頂出要求住拭。
3.達(dá)到頂出溫度的時(shí)間：制件達(dá)到頂出的總時(shí)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)效率历帚，縮短生產(chǎn)周期滔岳，可將塑件在 15.10 s 時(shí)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)的冷卻效果挽牢，通常冷卻系統(tǒng)是用來(lái)滿足 注射成型工藝對(duì)模具溫度的要求谱煤，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(huì)影響塑件的冷卻速度及收縮性卓研，進(jìn)而影響塑件最終的表面質(zhì)量趴俘、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(jì)奏赘，冷卻水管道的管壁熱傳導(dǎo)系數(shù)為 1寥闪，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)后磨淌，經(jīng)過(guò)冷卻模流仿真分析疲憋，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梁只，冷卻液最高溫度為 59.98℃缚柳，最低 溫度為 59.53 ℃，兩者溫度只相差 0.45 ℃搪锣，冷卻水路的溫度變化差別小秋忙，進(jìn) 、出水口溫差控制在 1 ℃ 內(nèi)构舟，遠(yuǎn)小于冷卻水進(jìn)出口溫度差不宜高于 3 ℃的規(guī)定灰追，符合冷卻水路的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)冷卻水路的 長(zhǎng)度設(shè)計(jì)也在合理的范圍內(nèi) 狗超。
2.內(nèi)外壁溫差：圖 9a 顯示內(nèi)壁最高溫度為 64.79 ℃弹澎，最低溫度為 63.30 ℃，平均溫度為 64.05 ℃努咐； 圖 9b 顯示外壁最高溫度為 63.44 ℃苦蒿，最低溫度為 62.43 ℃，平均溫度為 62.94 ℃ 渗稍。內(nèi)外壁平均溫差控 制在1.11 ℃左右 佩迟。綜上所述，冷卻管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理竿屹，具有良好的冷卻效果音五。
（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
塑件注塑冷卻后羔沙，取比例因子為 1 時(shí)躺涝，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)域扼雏，最小值為 0.116 3 mm坚嗜，主要集中在內(nèi)孔邊緣區(qū)域（圖 10a）；當(dāng)冷卻不均勻時(shí)诗充，制件最大變形量值為 0.013 0 mm苍蔬，最小變形量為 0.000 3 mm，變形量較泻选（圖 10b）碟绑；冷卻收縮不均勻時(shí)俺猿，制件最大變形量為 0.407 4 mm，主要集中在塑件外部邊緣格仲，最小變形量為 0.135 3 mm押袍，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凯肋，最小變形為 0.004 6 mm（圖 10d）谊惭。
由模擬分析可知，當(dāng)翹曲變形量較小時(shí)侮东，若集中在制件外部邊緣位置圈盔，主要由收縮不均和取向 導(dǎo)致的塑件變形會(huì)產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象，但整體翹曲變形未超過(guò)5 mm 的容差范圍悄雅，塑件質(zhì)量是合格的驱敲，滿足裝配要求。對(duì)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面宽闲，可以通過(guò)改善制件結(jié)構(gòu)及其壁厚等工藝進(jìn)行優(yōu)化癌佩；對(duì)于模具 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，可通過(guò)修改冷卻水路設(shè)計(jì)或由制件收縮率確定適當(dāng)?shù)淖冃伪缺阆牵云趦?yōu)化注塑模具結(jié) 構(gòu)围辙，減少試模時(shí)間，節(jié)約成本放案。
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)間姚建， 平均收縮率控制 在4.953%，收縮變化均勻吱殉，制件不易發(fā)生變形掸冤。最大體積收縮率 10.64%發(fā)生在注塑料頭處（塑件成型 外），對(duì)成型制件質(zhì)量和注塑生產(chǎn)影響不大友雳。由體積收縮率分析結(jié)果可預(yù)測(cè)制品收縮較嚴(yán)重區(qū)域稿湿，通過(guò)改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)尺寸，彌補(bǔ)制品在冷卻脫模后所產(chǎn)生的收縮押赊，如此產(chǎn)品的形狀和尺寸就更加符合設(shè) 計(jì)要求[13]饺藤。
圖 11 塑件體積收縮率
4 結(jié)論
通過(guò)采用 Mold flow 軟件，對(duì)醫(yī)療無(wú)影燈外殼進(jìn)行模流分析流礁，能快速有效地分析注塑最佳澆口位 置涕俗，從填充時(shí)間 、氣穴神帅、翹曲變形分析 再姑、體積收縮率等方面進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)生缺陷位置找御，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)元镀， 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 绍填。 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)和制造成本栖疑。
參考文獻(xiàn):
［1］ 王善凱讨永，李晶，胡激濤蔽挠，等．基于 Moldflow 汽車(chē)配件注塑工藝參數(shù)優(yōu)化［J］．西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)住闯，2015瓜浸，2（6）：692－697． ［2］ 何建林澳淑，白志鵬．基于 Moldflow 的汽車(chē)配件 CAE 優(yōu)化分析［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2019插佛，48（2）：16－20．
［3］ 唐杰杠巡，黃榮學(xué)，王全亮雇寇，等．CAE 技術(shù)在汽車(chē)燈罩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．模具工業(yè)氢拥，2020，46（3）：12－17．
［4］ 張?zhí)飿s锨侯，曹宏偉．基于 Moldflow 的薄壁殼體注塑件成型質(zhì)量分析［J］．鍛壓裝備與制造技術(shù)嫩海，2020，55（4）：101－104． ［5］ 修雪穎囚痴，汪圣堯叁怪，黃兆閣．基于 Moldflow 的注塑閥門(mén)應(yīng)用與仿真［J］．現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2020深滚，32（5）：56－59．
［6］ 孫銳奕谭，周陽(yáng)，杜遙雪．基于 Moldflow 的注射成型與注塑壓縮成型塑料單透鏡仿真對(duì)比［J］．2016痴荐，30（4）：52－56． ［7］ 潘祖仁．高分子化學(xué)［M］．北京：化學(xué)工業(yè) 出版社血柳，2010：140－153．
［8］ ESSOLES X，TOURNIER C．Automatic polishing process of plastic injection molds on a 5－axis milling center［J］． Journal of Material Processing Technology生兆，2009难捌，209（7）：3665－3673．
［9］ 徐佩弦．注射制品與模具設(shè)計(jì)［M］．北京：中國(guó)輕工業(yè) 出版社，2002：124－137．
［10］ 陸寶山．注塑缺陷原因分析及改善對(duì)策［J］．機(jī)械制造研究鸦难，2009栖榨，47（544）：25－29．
［11］ 黃 海 龍，褚 忠明刷，狄 金 葉．基 于 Imageware 和 Moldflow 的 后 視 鏡 逆 向 設(shè) 計(jì) 與 注 塑 成 型 模 擬 分 析［J］．塑 料婴栽，2010，39（6）：14－16．
［12］ 李芳辈末，賈宇霖愚争，黃清剛．基于 Moldflow 的汽車(chē)門(mén)外板塑件模流分析［J］．模具工業(yè)映皆，2017，43（8）：10－14．
［13］ 楊鳳霞．注塑制品常見(jiàn)表觀缺陷產(chǎn)生原因及其對(duì)策［J］．塑料轰枝，2003（6）：59－61．
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