黃永程，楊 斌(1)，伍先明(2)，楊晶晶，王鵬程，李 俏，黎志勇，劉順彭，孫慶輝
廣東理工學院，廣東 肇慶 526100
摘 要：
基于Moldflflow 2018軟件對薄壁塑件進行注塑成型和注塑壓縮成型模擬，分別從V/P切換時的壓力、填充末端壓力、流動前沿溫度、平均體積收縮率、氣穴、熔接線和翹曲變形等方面進行對比分析。結果表明：采用注塑壓縮成型工藝加工的薄壁塑件質量優于由注塑成型工藝得到的薄壁塑件，該對比分析結果對薄壁塑件的實際加工具有一定的指導意義。
關鍵詞： 薄壁塑件；注塑成型；注塑壓縮成型；翹曲變形
隨著社會的飛速發展，塑料制件在家電、汽車、 高鐵、航空航天等領域得到廣泛應用。其中薄壁塑件因自身剛度較差，易出現較嚴重的翹曲變形，致使塑件的形狀和尺寸偏離原始設計要求，進而導致外觀質量變差、裝配性能下降。采用傳統加工方法很難得到高質量的薄壁塑件，為此諸多研究者對注塑成型工藝進行了大量的數值模擬和實驗對比分析。例如，肖民等[1]模擬分析了保壓工藝對薄壁塑件成型的影響，并通過注塑實驗進行了驗證，結果表明，保壓工藝對塑件翹曲變形具有顯著影響。殷筱依[2]采用正交試驗法分析了工藝參數和模具結構對薄壁塑件翹曲變形的影響，從而確定了影響塑件翹曲的主要因素，同時優化了模具結構，最終得到一組最優成型工藝參數(該工藝條件下得到的塑件翹曲變形量最小)。江青松等[3]采用耦合有限元分析方法對薄壁塑件應力分布和翹曲變形進行分析。結果表明，隨著翹曲變形的產生，塑件內的殘余應力相應減小；壁厚是影響翹曲變形的主要因素，而工藝參數的影響相對較小。此外，為提高薄 壁塑件的質量，還可采用特殊的成型方法，如注塑壓縮成型。注塑壓縮成型是一種注塑和壓縮模塑的組合成型技術，其是將塑料熔體注入稍微開啟的模具內，待注塑完畢，在熔體固化前通過外力進行二次合模，從而使塑件均勻受力以減少殘余應力、提高塑件性能。諸多研究表明，與傳統注塑成型相比，注塑壓縮成型工藝具有很大的優越性。例如，J Y Ho等[4]采用有限元法對厚1.5 mm、半徑70 mm的圓盤注塑壓縮成型進行了仿真和實驗，并對比分析了模擬及實驗數據，研究發現，與注塑成型相比，注塑壓縮成型的剪切速率更低，剪切應力分布更均勻。本研究對薄壁塑件的注塑成型和注塑壓縮成型工藝進行了對比分析，為薄壁塑件的實際生產提供參考。
1 薄壁塑件前處理
1.模型建立
薄壁塑件是指流長厚度比，即熔體從進入模具到型腔最遠點的流動長度與塑件平均壁厚之比在 100或150以上的塑件(或厚度小于1 mm，同時投影面積在50 cm2 以上的塑件)。本研究以某品牌筆記本電腦顯示器外殼作為分析模型(如圖1所示)，其外尺寸為340 mm×230 mm×1.5 mm，內尺寸為310 mm×175 mm×1.5 mm，屬于薄壁塑件。在Pro/E 中建立該顯示器外殼三維模型(圖1(a))，然后導入CAD Doctor對其進行修復，再把修復后的模型導入Moldflflow中進行3D網格劃分(圖1(b))。該模型的四面體數為57 628，節點數為10 752，最大縱橫比為28.26%，在允許范圍內。
1.2 材料選取
考慮到筆記本電腦顯示器外殼對機械強度、散熱效果、質量和光澤度等的要求，選用工程塑料 PC+ABS(聚碳酸酯與丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的共混物)，由該材料制備的顯示器外殼具有壁薄、質輕、強度高、散熱快、屏蔽好等突出優點[5]。本實驗選用牌號為Baybtend FR3001的PC+ABS材料，該材料的推薦模具表面溫度為70℃、熔體溫度為260℃，材料流動性較好，其黏度曲線如圖2所示。
1.3 流道及冷卻系統設計
顯示器外殼塑件較薄且面積較大，故采用一 模一腔，4個澆口進料。通過Moldflflow 2018軟件進行分析，最終確定的最佳澆口位置為N392、N293、N1096、N1157，如圖3所示。
此外，為不影響塑件外觀，采用潛伏式澆口，進膠點位于殼體背面。澆口始端直徑為1.2 mm，末端直徑為6 mm；分流道直徑為6 mm；主流道始端直徑為8 mm，末端直徑為6 mm；冷卻水道直徑為8 mm，水道中心距為30 mm。整個系統如圖4所示。
2 工藝分析
采用Moldflflow對塑件模型進行模流分析，結果顯示，在塑件成型過程中能夠實現充填平衡和均勻冷卻，進而驗證了所設計澆注系統和冷卻系統的合理性和有效性。根據材料自動匹配成型條件，成型條件均采用默認值。
2.1 V/P切換時的壓力和填充末端壓力
V/P切換時的壓力顯示了從速度控制切換到壓力控制時，模具內整個流動路徑的壓力分布，壓力越大說明熔體流動阻力也越大。本實驗的最大(V/P切換時)壓力發生在熔體注射位置附近(如圖5所示)，其中注塑壓縮成型的最大壓力為23.45 MPa，而注塑成型的最大壓力達到180 MPa，且出現短射現象。
填充末端壓力顯示了在填充結束時壓力在模具中沿熔體流動路徑的分布情況。與普通注塑成
型相比，注塑壓縮成型型腔可以自動調整，在注塑過程中所需壓力較小。圖6為上述兩種成型工藝的填充末端壓力模流分析結果。從圖6可以看出，注塑壓縮成型的填充末端壓力最大值為23.02 MPa，其制品在低壓狀態下完成充填，而注塑成型的填充末端壓力最高達到144 MPa。
2.2 流動前沿溫度
流動前沿溫度是熔體充填一個節點的中間流溫度，代表截面中心的溫度。流動前沿溫度過高會導致材料降解、制品產生表面缺陷，溫度過低則會發生滯流或短射。圖7為普通注塑成型與注塑壓縮成型的流動前沿溫度模流分析結果。由圖7可知，注塑壓縮成型的溫度變化范圍小于注塑成型，前者的溫度變化比較均勻。
2.3 平均體積收縮率
體積收縮率顯示了每個單元(在頂出時)相對于自身原始體積的收縮率，體積收縮必須均勻分布在整個塑件上才能減小翹曲變形。圖8為普通注塑成型與注塑壓縮成型的平均體積收縮率模流分析結果。從圖8可以看出，注塑壓縮成型工藝的平均體積收縮率變化較小，而注塑成型工藝的體積收縮率變化較大，且出現反向收縮。
2.4 氣穴
氣穴通常出現在節點位置，當熔體從各個方向流向同一個節點時就會形成氣穴，氣穴過多會影響塑件的質量。由圖9可以看出，注塑成型塑件產生了3處氣穴。
2.5 熔接線
充模過程中，兩股相向或平行的熔體前沿相遇，就會形成熔接線。通常兩股匯合熔體前端的夾 角(匯合角)越小，產生的熔接線越明顯。熔接線是 常見的塑件缺陷，其存在不僅影響制品外觀質量，而且對制品的力學性能影響很大。從圖10可以看出，注塑壓縮成型產生的熔接線明顯少于注塑成型。
2.6 翹曲分析
翹曲變形是指塑件的形狀偏離模具型腔的形狀所規定的范圍，是塑件常見的缺陷之一。對于薄壁塑件，其更易發生翹曲變形。從圖11可以看出，注塑壓縮成型的最大變形量為1.802 mm，注塑成型最大翹曲變形量為2.632 mm，注塑壓縮成型產生的翹曲變形明顯小于注塑成型。
3 結論
(1)與普通注塑成型工藝相比，注塑壓縮成型在V/P切換時的壓力減小了87
.0%，填充末端壓力減小了84.1%，制品翹曲變形量減小了31.5%。
(2)與注塑壓縮成型工藝相比，普通注塑成型的流動前沿溫度變化不均勻，平均體積收縮率變化較大，且出現反向收縮，同時產生較多的氣穴和熔接線，嚴重影響了塑件的質量。
參考文獻:
[1] 肖民,阮育煌,威巍. 薄壁注塑件保壓工藝的CAE分析及優化 [J]. 機電工程技術, 2012, 41(11): 12-16.
[2] 殷筱依. 薄壁塑件注塑成型翹曲變形控制研究[D]. 重慶: 重慶交通大學, 2017.
[3] 江青松,柳和生,熊愛華,等. 纖維增強薄壁注塑件翹曲變形耦合有限元分析[J]. 北京化工大學學報: 自然科學版, 2017, 44(2): 103-107.
[4] J Y Ho, J M Park, T G Kang. Three-dimensional numerical analysis of injection-compression molding process[J]. Polymer Engineering and Science, 2012, 52(4): 901-911. [5] 丁清國. RHCM成型數值模擬分析及工藝參數優化[D]. 昆明: 昆明理工大學, 2013.
[6] 黃成,黃建峰,等. Moldflow 2018模流分析從入門到精通[M]. 北京: 機械工業出版社, 2018.
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