基于Moldflow的继电器壳架注塑成型数值模拟及工艺优化

陈 振，黄 勇，李 鑫

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

基于Moldflow的继电器壳架注塑成型数值模拟及工艺优化

陈 振，黄 勇，李 鑫

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

根据继电器壳架件结构特点，利用Moldflow和CAD等软件进行数值模拟和工艺优化，设计浇注系统和冷却系统。依据壳架体积收缩率和翘曲变形大小为质量鉴定指标，设计DOE正交实验方案，得到优化的工艺组合为：熔体温度285℃，模具温度90℃，注射时间为1.2s，保压时间为二段保压10s，压力为注射压力的85%。通过实际生产得到了合格的继电器壳架产品，验证了模拟结果的正确性，可以进行注塑生产。

继电器；数值模拟；DOE；生产实践

继电器是一种电子控制器件，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器壳架(以下简称壳架)是继电器的重要组成部分，壳架的作用及环境要求其内在强度和外形精度较高，不允许有熔接痕、气泡、缩孔和翘曲变形等缺陷[1]。在注塑过程中如工艺参数设置不当，易产生各种缺陷，影响塑件质量，特别是近年来采用的一体产生技术[2]，传统的靠经验试模的方法已经不能满足对于生产高效率和产品完美性的需求。本文运用Moldflow软件模拟壳架的注塑成型过程，预测壳架缺陷产生的原因，研究熔体温度、充填时间和保压压力等工艺参数对充填过程中产生缺陷的影响，得到了优化的注塑工艺参数，控制了缺陷产生，为模具设计及产品生产提供了参考。

1 塑件建模及成型工艺分析

1.1 塑件前处理

壳架尺寸为58mm×72mm×60mm，最大壁厚为4.36mm，最小壁厚为1.21mm，材料为PA66-GF25，壳架总质量为42.32g。壳架采用UG软件做三维造型设计，将三维图转化为igs格式，先将模型导入CAD Doctor进行检测，消除能够影响分析的缺陷后导入Moldflow内划分为双层面网格，进行网格诊断和修复，得到自由边、多重边、配向不正确单元和相交单元均为0；纵横比最大为6.3、小于10；网格匹配百分比为92.8%，高于模拟要求的85%，满足Moldflow分析对于网格的要求。壳架三维造型和网格模型如图1、图2所示。

图1 壳架三维造型

1.2 浇注系统和冷却系统的设计

在Moldflow中建立浇注系统和冷却系统，为保证浇口的合理性，需要多次试验模拟检查在注塑过程中是否有填充不良的现象产生(如流动阻滞现象)，保证表面光滑，避免有浇口去除痕迹。设计注射浇口为潜伏式浇口，浇口可以在开模时自动切断，浇口痕迹相对较小。玻璃纤维增强PA66材料黏度较大，避免因浇注压力过大，剪切速率超出塑料最大承受能力而导致塑料降解；采用双点进胶，浇口扇形弧度与塑件圆形弧度相等，有效分散了进胶压力。冷却系统采用环绕冷却，壁厚部位加强冷却；水为冷却介质，恒温25℃，回路雷诺数选择默认值10000。浇注系统如图3、冷却系统如图4所示。

图2 壳架网格模型

图3 浇注系统

图4 冷却系统

根据流道经验公式和对应材料要求，设计主流道的直径大端12mm、小端3mm，长度为82mm；分流道为圆柱型，直径3mm，长度为1mm；浇口为扇形，半径为8mm，厚度1mm；冷却管道直径设置为10mm。

2 初步模拟实验分析结果

初步设定成型时间为25s，注射时间为1s，保压时间为8s，最大保压压力为注射压力的80%，塑件推出过程5s，浇注温度为290℃。实验初期，尽量延长冷却时间，推出之前确保塑件冷却完毕，防止因推出不当而导致的塑件变形。初步实验模拟结果如图5所示。

由图5可知，浇注系统注塑较均匀，没有胶体流动阻滞现象。壳架流动前沿温度相差较大，最高温度为290.4℃，最低温度为235.0℃，相差为55.4℃，熔体交汇处易形成较大熔接痕，降低塑件整体质量，需提高熔体和模具表面温度或加大注射速率等。体积收缩率最大为10.36%，分布不太均匀，高收缩率易产生缩痕或孔洞等相关缺陷，需要优化注塑工艺，如：适当提高保压时间和保压压力来防止缺陷。不均匀的体积收缩使塑件内应力集中，引起制件翘曲，翘曲变形最大为0.5674mm；继电器壳架要求使用精度较高，需进一步降低翘曲。冷却液最高温度25.79℃，最低25.01℃，温度相差较小，效果较好；由冷却不均造成翘曲为0.0365mm，可以忽略不计，该冷却系统满足使用要求。

图5 实验模拟结果

3 工艺参数优化正交实验设计

3.1 正交实验设计

为使壳架产品的质量及稳健性得到提高，同时提高实验效率，采用DOE正交方法来设计实验参数，减少实验次数，且将干扰因子的影响降到最小[4]。根据材料库中塑料的推荐使用值区间和实际使用需求，从6个重要的影响因子中筛选出对产品变形缺陷有较大影响的5个变量，选取模具温度M、熔体温度R、注射时间Z、保压时间B，保压压力N(占注射压力的百分比)这5个工艺参数建立5因素3水平的正交实验方案。设计正交因素表如表1所示。

表1 正交因素水平表

根据上述正交表，采用正交表L9(35)其中L是正交表代号；9代表实验次数，即要进行9次模拟实验；5代表熔体温度、模具表面温度、浇注时间、保压时间与保压压力这五个因子；3代表这四个因子分别取不同的四个值[5]。按照表1所设置的参数来进行模拟实验，并得到相应的实验结果，如表2所示。

表2 正交试验方案与结果

从表2可以看出体积收缩率和翘曲变形受各种因素影响，变化差异较大，为更直观的发现各质量指标的因数反应，通过表2数据设计Moldflow中DOE实验，得到更为直观的显示数据，如表3所示。

表3 各因素对指标的影响大小

通过表3可以看出，不同工艺参数对塑件体积收缩率和翘曲变形变化的影响不同，溶体温度和保压时间对其影响较大。

3.2 优化工艺参数后的模拟结果

设计工艺DOE实验，得到优化的工艺参数：防止熔体在充填过程中温降较大，提高模具表面温度为90℃；优化保压曲线，延长恒压时间为7.5s，递减保压为2.5s；提高保压压力为注射压力的85%。将优化后的工艺参数应用于模拟分析，得到模拟结果如图6所示。

图6 工艺优化后的模拟结果

由图6可以看出，壳架塑件的成型质量得到大幅提升。塑件流动前沿温度较为均匀，最高温与最低温度相差14.1℃，温差较小；最低温度为276.7℃，高于熔体凝结温度，分布在壳架边缘断层处，对塑件整体质量成型影响不大。塑件整体温度较均匀，性能较平衡。体积收缩率较均匀，较大的体积收缩集中在流道内，对壳架塑件质量成型影响较小。塑件收缩大小多为4%以下(见图6b)，有效降低由收缩不均造成的塑件内应力集中而产生的翘曲变形。翘曲变形由优化前的0.5674mm降低为0.3850mm。通过对比证实利用正交实验法来优化注塑成型工艺参数的可行性。

4 模具结构设计

壳架形状复杂，凹槽通孔较多，结构不规整，模具的设计和制造相对复杂，在设计时要充分考虑到充模的完整性。将浇注系统和冷却系统的优化方案应用于模具设计中，设计并制造出壳架注塑模具装配图如图7所示。

图7 壳架装配图

1为上模座板;2为静模板;3、5、13、14、17、29、30为螺钉;4为大斜铁;6为大滑块1;7为大斜导柱;8为大滑块1拼块;9为静模大芯;10为定位环;11为圆柱销;12为浇口套;15为大滑块2拼块;16为动模套;18为大滑块;19为导柱;20为导套;21为压块;22为水嘴;23为反推杆;24为弹簧;25为动模板;26为垫板;27为下推板;28为下模座板;31为上推板;32为支脚;33为顶杆;34为拉料杆。

5 生产验证

按照模拟优化的注塑工艺参数进行试模，注塑机采用CJ320型，材料选用25%玻璃纤维填充PA66，如图8所示。

由图8可以看出，壳架外表无瑕疵，填充均匀，塑件整体外观良好，没有溢料和飞边等情况，此继电器壳架产品合格。

图8 生产出的壳架成品

6 结论

(1)通过正交实验数值模拟确定出优化注塑工艺参数为：熔体温度285℃、模具温度90℃、注射时间1.2s、保压时间10s、压力为注射压力的85%。

(2)根据数值模拟结果制造出壳架注塑成型模具，通过实际生产，得到了合格的壳架注塑件，验证了模拟结果的正确性，可以应用于生产实际中。

[1] 赵蓓蓓.注塑件注塑成形的数值模拟及翘曲变形控制[D].上海：上海交通大学,2012.

[2] 莫彦波，李旭东，唐园亮.注塑成型工艺参数对电脑显示器前框翘曲变形的影响[J].塑料,2015(2):78-82.

[3] 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,2007,35(12):36-38.

[4] Ching Piao,Chen Ming.Simulation and Experimental study in determining injection molding process parameters for thin-shell plastic parts via design of experiments analysis[J].Expert Syst.Appl.,2009(36):52-59.

[5] Öktem H.Modeling and Analysis of Process Parameters for Evaluating Shrinkage Problems During Plastic Injection Molding of a DVD-ROM Cover[J].Journal of Materials Engineering and Performance,2012(21):25-32.

[6] 李云雁，胡传荣.试验设计与数据处理[M].北京:化学工业出版社,2008.

(责任编辑：赵丽琴)

TheRelayShellMoldingNumericalSimulationandProcessOptimizationBasedonMoldflow

CHEN Zhen,HUANG Yong,LI Xin

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

According to the structural characteristics of relay shell parts,the numerical simulation and process optimization were designed based on the software of Moldflow and CAD.The gating system and cooling system were established.According to the shrinkage rate of the shell and the size of the warping deformation,the DOE orthogonal experiment was designed.The optimized process combination was:the melt temperature 285℃;mold temperature 90℃;injection time 1.2s;holding time 10s,the pressure 85% of the injection pressure.Through production practice the qualified relay shell products can be obtained,the correctness of the simulation results can be validated.Injection molding can be used in production.

relay;numerical modeling;DOE;production practice

TB324

A

2016-11-22

陈振(1990—)，男，硕士研究生；通讯作者：黄勇(1959—)，男，教授，研究方向：凝固过程数值模拟技术。

1003-1251(2017)05-0090-05