鼠标盖注塑成型过程的Moldflow分析

鼠标盖注塑成型过程的Moldflow分析
严志云
北京化工大学机电工程学院，北京（100029）
Email:yzy2006test@
一、建立模型
鼠标是电脑的一个重要外部设备，如图1，其外壳大都是由塑料注塑成型，本文中将对常用的鼠标其上盖的注塑成型进行Moldflow分析，模拟其注塑成型过程，为注塑工艺参数优化提供指导。

图1 鼠标和注塑机
通过三维软件PRO/E对鼠标上盖进行建模，如图2。

然后将模型导入分析软件Moldflow中进行网格划分，如图3。

图2 鼠标上盖三维建模图3 鼠标盖的网格划分鼠标盖的材料选用Moldflow软件材料库中的ABS，牌号为Lustran ABS Elite HH 1891:Bayer USA，然后选用注塑机为Moldflow中默认的注塑机，工艺参数也为Moldflow中的默认值，然后对鼠标盖进行最佳浇口位置的分析，结果如图4，蓝色区域为最佳浇口位置。

图4 最佳浇口位置
确定浇口位置以后开始建立流道系统。

为了提高生产率，鼠标盖的注塑成型方式设计为一模两腔。

为了不影响其外观，浇口形式选用潜伏式浇口，潜伏式浇口形式示意图如图5，本例中选用普通潜伏式浇口。

确定浇口形式以后，进行浇注系统的设计，如图6，具体尺寸为：主流道长度为50mm,形状为锥形，小口直径为4mm,大口直径为5mm；分流道直径为5mm，浇口中心线起点处直径为1.1mm，浇口中心线终点处直径为3mm。

冷却系统按照Moldflow软件中的默认
值进行设计，冷却管道直径为10mm，结构如图7。

图5 潜伏式浇口
图6 鼠标盖浇注系统
图7 冷却系统
二、成型工艺窗口分析
上述工作完成以后首先进行制品的成型工艺窗口分析（Molding Window），得到的结果给出了推荐的模具温度、熔体温度和注塑时间，如图8。

图8 成型工艺窗口分析的推荐值
成型工艺窗口分析得到工艺参数的推荐值为：模具温度71℃，熔体温度271℃，注塑时间0.5423s。

另外还可以得到模具温度、熔体温度和注塑时间三个参数的范围，如图9。

图9 模具温度、熔体温度和注塑时间三个参数的范围
从图中可以得出三个参数的范围为：模具温度49～71℃，熔体温度249～271℃，注塑时间0.1s～3.7s。

如果成型工艺条件位于这个范围之内，那么就可以生产出好质量的制品。

有了成型工艺窗口之后，就可以在这个范围内对成型条件做出适当修改以期获得最好的制品质量。

三、填充分析
分析完成型工艺窗口，接下来进行填充分析（Fill分析）获得最佳浇口系统设计，选择最佳浇口位置、浇口数目、最佳浇注系统布局。

工艺参数设置时将
成型工艺窗口分析的推荐值代入。

具体分析结果如下：
（1）填充时间（Fill time）结果：
（2）压力（Pressure）结果：
（3）气穴（Air traps）结果：
（4）熔接线（Weld line）结果：
反复观察fill time的动画显示中制品填充的过程，判断两边型腔填充是否平衡。

观察制品的fill time结果和pressure结果发现两个型腔的充填是平衡的，接下来分析熔接线和气穴，熔接线一共有10条，气穴在制品边缘，能够释放气体，可以通过改变浇口位置来改变熔接线位置，尽量使熔接线数量减少。

（5）注射点的压力时间曲线（Pressure at injection location: XY Plot）结果：
（6）剪切应力（Shear stress at wall）结果：
（7）剪切速率（Shear rate, bulk）结果：
此制品材料允许的最大剪切速率和剪切应力在材料参数中可以查到，最大剪切速率为12000 1/s，最大剪切应力为0.28Mpa。

观察发现潜伏浇口部位剪切速率和应力超过允许值，制品上有的部位也超过允许值，应改变浇口尺寸和形状，将潜伏浇口的尺寸改为：浇口中心线起点处直径为1.5mm，浇口中心线终点处直径为4mm。

重新进行分析，将剪切速率和剪切应力的分析结果与上面的分析结果比较。

剪切速率结果比较：
第一次分析的结果第二次分析的结果
剪切应力结果比较：
第一次分析的结果第二次分析的结果
注射点的压力结果比较：
第一次分析的结果第二次分析的结果观察结果发现浇口尺寸增大后，剪切速率和剪切应力明显减小，由于浇口位置没变，因此熔接线位置没变，但此制品的熔接线可以满足要求，故对浇口位置不做改变。

分析注射点压力时间曲线发现，浇口尺寸改变后，注射点压力上升过程为单峰值，而没改变尺寸之前，注射点压力有两个峰值，波动较大。

另外由于浇口尺寸增大，注射点压力下降。

四、cool+flow+warp分析
进行完填充分析得到优化的浇注系统，然后在Moldflow中进行cool+flow+warp分析，分析结果如下：
1.Flow分析结果
（1）体收缩率（V olumetric shrinkage）结果：
（2）顶出时的收缩率（V olumetric shrinkage at ejection）结果：
从结果中可以看出，顶出时体收缩率很不均匀，制品末端收缩较大。

（3）冷凝层因子（Frozen layer fraction）结果：
通过动态的观察冷凝层的变化，找出浇口冷凝的时间，如果直到压力释放之后浇口或制品都没有冷凝，那么修改Pack Time为更长的值然后重新分析：
从结果中可以看出浇口冷凝的时间为8.8s，压力释放时间如下面所示为11.11s浇口在压力释放之前冷凝。

（4）压力（Pressure）结果：
（5）流动前沿温度（Temperature at flow front）结果：
从图中可以看出温差为仅1.1℃，满足要求。

（6）注射点压力（Pressure at injection location: XY Plot）结果：
（7）Sink index结果
从图中可以看出制品末端收缩较大，考虑提高保压压力和延长保压时间。

2.Cool分析结果
（1）制品平均温度（Average temperature, part）结果：
制品平均温度温差为11℃，满足要求。

（2）冷却剂温度（Circuit coolant temperature）结果：
冷却剂的入口和出口温度差为0.26℃，满足要求。

（3）冷却管道管壁温度（Circuit metal temperature）结果，
冷却管道管壁温度与模壁温度的差值应当控制在5℃以内，结果满足要求。

（4）制品温度差（Temperature profile, part）结果，制品的温度差异是引起翘曲的主要原因，因此该值应尽量减小，一般应控制在20℃以内：
从图中看出温度差为18.65℃，满足要求。

（5）制品的最高温度（Maximum temperature, part）结果：
制品的最高温度要低于材料的顶出温度，材料的顶出温度在软件中的材料明细表中为85℃，从下图中可以看出制品的最高温度为51.96℃，满足要求。

（6）制品凝固时间（Time to freeze, part）结果：
从图中可以看出制品的冷却很均匀，制品在10.51s凝固。

（7）流道冷却时间（Time to freeze, cold runner）结果：
3.Warp分析结果
（1）综合因素引起的总体偏差（Deflection, all effects: Deflection）结果：
果：
（3）综合因素引起的Y方向上的偏差（Deflection, all effects: Y Component）结果：
果：
从结果中可以看出制品末端的翘曲较大，下面将浇点的位置改变，并增加保压时间和增大保压压力，保压时间设为15s,保压压力设为填充压力的85%，然后重新进行cool+flow+warp分析，将分析结果与上次分析结果对比，查看几个关键因素结果的变化。

（a）体收缩率结果比较：
第一次分析结果第二次分析结果第二次分析时制品体收缩率有少量增加，由4.18%增大到4.3%，但是制品收缩更均匀。

(b) 顶出时的收缩率结果比较：
第一次分析结果第二次分析结果第二次分析时制品顶出时的收缩率最大值下降。

（c）冷凝层因子结果比较：
第一次分析结果第二次分析结果第二次分析制品冷凝更均匀。

(d) 流动前沿温度结果比较：
第一次分析结果第二次分析结果
第二次分析时制品流动前沿温度为271℃～271.9℃，最高温度略有下降，更均匀一些
（e）Sink Index结果比较：
第一次分析结果第二次分析结果
从图中可以看出Sink由4.3%下降到3.8%。

（f）注射点压力结果比较：
第一次分析结果第二次分析结果比较两个曲线发现注塑点压力略有下降，由曲线峰值可以确定该制品成型用注塑机最小注塑压力为53Mpa。

（g）综合因素引起的总体偏差（Deflection, all effects: Deflection）结果：
第一次分析结果第二次分析结果比较结果，翘曲最大值由0.3857下降到0.3688，且制品最大翘曲区域减小。

比较两次分析结果的几个关键因素表明，经过修改的工艺参数可以提高制品的质量。

五、确定工艺参数
下面先确定翘曲产生的原因，导致收缩变化过大的原因有三条：收缩不均匀、取向不均匀和冷却不均匀。

下面分析各个因素引起的翘曲，确定引起翘曲的主要原因。

1.冷却不均匀导致的翘曲（Deflection, differential cooling: Deflection）结果：
2.收缩不均匀导致的翘曲（Deflection, differential shrinkage: Deflection）结果：
3.取向不均匀导致的翘曲（Deflection, orientation effects: Deflection）结果：
由上面三个图结果显示可知，翘曲的主要原因是收缩不均匀引起的，不是冷却不均匀引起的，因此不用修改冷却管道，考虑制品的收缩可以满足要求，因此不再做工艺参数修改，确定工艺参数如下：
材料：Lustran ABS Elite HH 1891:Bayer USA
浇注系统尺寸：主流道长度为50mm,形状为锥形，小口直径为4mm,大口直
径为5mm；分流道直径为5mm，浇口中心线起点处直径为1.5mm，浇口中心线终点处直径为4mm。

冷却管道直径为10mm。

工艺窗口：模具温度49～71℃，熔体温度249～271℃，注塑时间0.1s～3.7s。

注塑机最小注塑压力为53Mpa。

保压时间为15s,保压压力为填充压力的85%。