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摘 要：文章将铁道车辆滚动轴承用防护隔圈作为研究对象，以33%玻璃纤维增强的高温尼龙为注塑材料，基于Moldflow进行浇口位置分析，模拟其充填过程进行分析，优化充填、保压、冷却等成型条件方案，确定最终成型工艺参数，减少试模次数，降低成本试模，从而实现高效高品质注塑。
关键词：Moldflow;防护隔圈;注塑;浇口;充填
中图分类号：TQ320.662 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）01-010-04
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.004
在注塑成型过程中，注塑設备、塑料原料、模具是三个必不可少的物质条件。但在塑料原料、产品结构尺寸确定后，注塑设备、模具冷却系统及注塑成型工艺条件的选择和控制，就成为影响注塑成型质量的主要因素。
文章将铁道车辆滚动轴承用防护隔圈作为研究对象，以33%玻璃纤维增强的高温尼龙为注塑材料，基于Moldflow[1]软件对注塑成型过程进行模流分析，包括注塑机的选择、浇口匹配、充填、保压、冷却系统等设置工艺参数，优化充填、保压、冷却等成型条件方案，确定最终成型条件，从而实现高效高品质注塑。
1 分析前计算与处理
1.1 基本条件
防护隔圈零件形状较规则，壁厚均匀，通过Pro/E[2]软件对其进行三维建模，零件形状如图1所示。原材料为确定的33%玻璃纤维增强的高温尼龙，固体密度为1.46g/cm3，熔体密度为1.23g/cm3。经计算，产品体积约为30cm3，单次注塑量约为43.8g。
1.2 锁模力计算
为了对抗注射压力，必须使用锁模压力，锁模力公式（1）如下：
F锁=KP×A;F锁≥85%×F注 （1）
式中：F锁为产品注塑时所需锁模力;Kp为锁模力常数，玻璃纤维增强时约为0.64～0.72;A为产品开模方向投影面积。F注为产品总投影面积，约为150cm2，Kp取0.72。根据计算，最大锁模力约108t。
根据计算，可选用型号为Allrounder 420 S 143 tons 7.4 oz阿博格注塑机，螺杆直径35mm，最大注射行程151.6mm，最大锁模力129.687t。
1.3 模型导入
利用Moldflow导入模型，划分零件网格为三角形，网格类型为双层面;全局网格边长2mm;合并公差0.1mm;纵横比最大0.95，匹配率96.8%，满足分析要求。
2 浇口位置分析
浇口位置的设定，直接关系到熔体在模具内的流动。合理的浇口数量及位置，在模具设计中至关重要。
在Moldflow中选择分析序列为浇口位置。分析结果如图2a所示，可以看出浇口最佳位置。根据图2b流动阻力器结果设置1个浇口如图2c所示。然后进行6个浇口位置分析，如图2d显示6个浇口流动阻力器结果：3个在内径面，3个在产品表面。由于产品表面要求平整光滑，因此将浇口均设定在内径面上，如图2e所示。
根据浇口最佳位置，分别对1个浇口和6个浇口进行设计。浇口为直径φ2mm圆形截面;流道均为冷流道，主流道入口直径3.5mm，锥度3°，分流道为直径φ5mm圆形流道。分别进行填充分析。工艺设置为：熔体温度315℃，模具温度135℃，顶出温度240℃，自动充填，时间1.5s，V/P转换99%，保压压力为填充最大压力的80%，保压时间10s，冷却时间5s，开合模时间5s。
结果如图3所示，具体数据如表1所示。
由以上分析结果可知：1个浇口充填时，所需最大锁模力已经接近注塑机最大额定锁模力120t，远超85%要求。而且可知6个浇口与1个浇口比较：充填时间缩短了近一半;最大锁模力降低41.2%;注射最大压力降低59.9%;由图3i和图3j可以看出流动前沿温度、总体温度更均匀一致，最大剪切速率也降低58.5%。因此6个浇口设计更优于1个浇口设计。
3 注塑成型参数优化
根据浇口分析结果优选6个浇口，进行参数优化。
3.1 注射速度
推荐螺杆速度曲线如图4a所示。用实际注塑机螺杆曲线形状近似拟合，对注射速度进行分段，拟合螺杆速度曲线如图5所示。
根据充填体积计算螺杆位置，已知：产品总体积（产品+流道）V：41cm3，材料固体密度ρs为1.46g/cm3，材料熔体密度ρm为1.23g/cm3，螺杆直径D为35mm，根据公式（2）计算螺杆计量行程L约为50.61mm。
（2）
填充99%切换保压，即螺杆位置为0.5mm;为了保护螺杆会加上余料量5mm;为防止流涎，后松退取5mm，即最终螺杆位置为Ls0，为60.61mm。根据各段注射体积比计算螺杆位置，填充99%保压，螺杆位置为10.5mm，注塑采用慢—快—慢形式，具体参数如表2所示。
3.2 保压时间及保压压力
3.2.1 浇口冻结时间
查看浇口冻结时间来判断保压时间是否足够，可通过观察冻结层因子确定产品和浇口冻结的时间，当冻结层因子值为“1”时，表面已经冻结。如图4b为浇口冻结层因子，充填时间为3.704s时，浇口冻结。初始设置保压时间是10s，大于3.704s，可以进一步优化。
3.2.2 确定保压方式 由图4c达到顶出温度体积收缩率图可以看出，体积收缩率在5.36%～10.3%之间，填充末端的收缩远大于浇口附近的收缩。由图4d所示不同位置处压力曲线可知，产品内部压力曲线分布较均匀。可通过优化保压，控制产品型腔内压力变化，降低产品各区域收缩差异。
3.2.3 保压过程优化
保压时间=浇口冻结时间-V/P切换时间=3.704-1.027=2.677s，约为2.7s。
以位于填充末端的压力变化作为决定第一段保压压力为判断依据。如图4f所示，以填充末端压力曲线的顶点时间1.249s和直至0对应的时间3.06s，取二者之和的1/2即（1.249+3.06）/2=2.15s，取2.5s为保压曲线中恒定压力结束的初始值。故恒定压力保持的时间应为2.5-1.044=1.456s，取1.5s。
第二段保压通常为压力衰减方式，压力由恒定值减为零，保压时间为总的保压时间减去第一段保压时间，即2.7s-1.5s=1.2s。
将保压曲线进一步优化，第一段保压压力采用原始方案填充压力的80%即52MPa，保压时间1.5s;第二段保压压力30MPa，保压时间1.2s。
3.3 充填参数优化结果
如图6所示，零件在1.753s时完成充填，比優化前延长了0.709s;产品重量43.2g;流道重量17.2g，比优化前降低了0.4g，避免了流道过保压情况;产品体积收缩率6.02%～10.38%，进一步减小，产品各区域收缩也更加均匀，优化效果较好。
3.4 冷却系统分析
采用上下两层冷却系统，管道直径10mm，水管与零件距离25mm，管道数量8个，回路式;冷却时间5s。
从图7分析结果看到，回路冷却液温度温度差1.29℃，回路管壁最高温度差为4.96℃，可接受。零件温度为58.9℃～101.5℃，模具温度45.8℃～85.2℃，温度曲线梯度均匀，冷却效果较好。
4 结语
将防护隔圈作为研究对象，以33%玻璃纤维增强的高温尼龙为注塑材料，通过注塑机的选择，基于Moldflow软件，进行浇口匹配及充填、保压、冷却过程模拟，对模拟结果进行分析，从而对成型参数进行优化，其极大缩短了产品的模具设计和生产周期，同时确定了最终注塑成型工艺参数，减少试模次数[3-5]，降低了模具设计和试模成本，提高了试模效率。
参考文献
[1] 陈艳霞.2015Moldflow模流分析从入门到精通[M].北京：电子工业出版社，2015.
[2] 林清安.完全精通Pro/ENGINEER野火5.0中文版零件设计基础入门[M].北京：电子工业出版社，2010.
[3] 王波.Moldflow模流分析在注塑过程中的应用[J].塑料科技，2015，43（6）：75-78.
[4] 刘细芬，黄家岗.基于Moldflow软件的注塑件浇口优化设计[J].塑料工业，2007（12）：36-38.
[5] 刘昌林，高可可，孙江宏.基于Moldflow的套管注塑模拟分析及优化[J].塑料，2020，49（5）：125-128.
关键词：Moldflow;防护隔圈;注塑;浇口;充填
中图分类号：TQ320.662 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）01-010-04
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.004
在注塑成型过程中，注塑設备、塑料原料、模具是三个必不可少的物质条件。但在塑料原料、产品结构尺寸确定后，注塑设备、模具冷却系统及注塑成型工艺条件的选择和控制，就成为影响注塑成型质量的主要因素。
文章将铁道车辆滚动轴承用防护隔圈作为研究对象，以33%玻璃纤维增强的高温尼龙为注塑材料，基于Moldflow[1]软件对注塑成型过程进行模流分析，包括注塑机的选择、浇口匹配、充填、保压、冷却系统等设置工艺参数，优化充填、保压、冷却等成型条件方案，确定最终成型条件，从而实现高效高品质注塑。
1 分析前计算与处理
1.1 基本条件
防护隔圈零件形状较规则，壁厚均匀，通过Pro/E[2]软件对其进行三维建模，零件形状如图1所示。原材料为确定的33%玻璃纤维增强的高温尼龙，固体密度为1.46g/cm3，熔体密度为1.23g/cm3。经计算，产品体积约为30cm3，单次注塑量约为43.8g。
1.2 锁模力计算
为了对抗注射压力，必须使用锁模压力，锁模力公式（1）如下：
F锁=KP×A;F锁≥85%×F注 （1）
式中：F锁为产品注塑时所需锁模力;Kp为锁模力常数，玻璃纤维增强时约为0.64～0.72;A为产品开模方向投影面积。F注为产品总投影面积，约为150cm2，Kp取0.72。根据计算，最大锁模力约108t。
根据计算，可选用型号为Allrounder 420 S 143 tons 7.4 oz阿博格注塑机，螺杆直径35mm，最大注射行程151.6mm，最大锁模力129.687t。
1.3 模型导入
利用Moldflow导入模型，划分零件网格为三角形，网格类型为双层面;全局网格边长2mm;合并公差0.1mm;纵横比最大0.95，匹配率96.8%，满足分析要求。
2 浇口位置分析
浇口位置的设定，直接关系到熔体在模具内的流动。合理的浇口数量及位置，在模具设计中至关重要。
在Moldflow中选择分析序列为浇口位置。分析结果如图2a所示，可以看出浇口最佳位置。根据图2b流动阻力器结果设置1个浇口如图2c所示。然后进行6个浇口位置分析，如图2d显示6个浇口流动阻力器结果：3个在内径面，3个在产品表面。由于产品表面要求平整光滑，因此将浇口均设定在内径面上，如图2e所示。
根据浇口最佳位置，分别对1个浇口和6个浇口进行设计。浇口为直径φ2mm圆形截面;流道均为冷流道，主流道入口直径3.5mm，锥度3°，分流道为直径φ5mm圆形流道。分别进行填充分析。工艺设置为：熔体温度315℃，模具温度135℃，顶出温度240℃，自动充填，时间1.5s，V/P转换99%，保压压力为填充最大压力的80%，保压时间10s，冷却时间5s，开合模时间5s。
结果如图3所示，具体数据如表1所示。
由以上分析结果可知：1个浇口充填时，所需最大锁模力已经接近注塑机最大额定锁模力120t，远超85%要求。而且可知6个浇口与1个浇口比较：充填时间缩短了近一半;最大锁模力降低41.2%;注射最大压力降低59.9%;由图3i和图3j可以看出流动前沿温度、总体温度更均匀一致，最大剪切速率也降低58.5%。因此6个浇口设计更优于1个浇口设计。
3 注塑成型参数优化
根据浇口分析结果优选6个浇口，进行参数优化。
3.1 注射速度
推荐螺杆速度曲线如图4a所示。用实际注塑机螺杆曲线形状近似拟合，对注射速度进行分段，拟合螺杆速度曲线如图5所示。
根据充填体积计算螺杆位置，已知：产品总体积（产品+流道）V：41cm3，材料固体密度ρs为1.46g/cm3，材料熔体密度ρm为1.23g/cm3，螺杆直径D为35mm，根据公式（2）计算螺杆计量行程L约为50.61mm。
（2）
填充99%切换保压，即螺杆位置为0.5mm;为了保护螺杆会加上余料量5mm;为防止流涎，后松退取5mm，即最终螺杆位置为Ls0，为60.61mm。根据各段注射体积比计算螺杆位置，填充99%保压，螺杆位置为10.5mm，注塑采用慢—快—慢形式，具体参数如表2所示。
3.2 保压时间及保压压力
3.2.1 浇口冻结时间
查看浇口冻结时间来判断保压时间是否足够，可通过观察冻结层因子确定产品和浇口冻结的时间，当冻结层因子值为“1”时，表面已经冻结。如图4b为浇口冻结层因子，充填时间为3.704s时，浇口冻结。初始设置保压时间是10s，大于3.704s，可以进一步优化。
3.2.2 确定保压方式 由图4c达到顶出温度体积收缩率图可以看出，体积收缩率在5.36%～10.3%之间，填充末端的收缩远大于浇口附近的收缩。由图4d所示不同位置处压力曲线可知，产品内部压力曲线分布较均匀。可通过优化保压，控制产品型腔内压力变化，降低产品各区域收缩差异。
3.2.3 保压过程优化
保压时间=浇口冻结时间-V/P切换时间=3.704-1.027=2.677s，约为2.7s。
以位于填充末端的压力变化作为决定第一段保压压力为判断依据。如图4f所示，以填充末端压力曲线的顶点时间1.249s和直至0对应的时间3.06s，取二者之和的1/2即（1.249+3.06）/2=2.15s，取2.5s为保压曲线中恒定压力结束的初始值。故恒定压力保持的时间应为2.5-1.044=1.456s，取1.5s。
第二段保压通常为压力衰减方式，压力由恒定值减为零，保压时间为总的保压时间减去第一段保压时间，即2.7s-1.5s=1.2s。
将保压曲线进一步优化，第一段保压压力采用原始方案填充压力的80%即52MPa，保压时间1.5s;第二段保压压力30MPa，保压时间1.2s。
3.3 充填参数优化结果
如图6所示，零件在1.753s时完成充填，比優化前延长了0.709s;产品重量43.2g;流道重量17.2g，比优化前降低了0.4g，避免了流道过保压情况;产品体积收缩率6.02%～10.38%，进一步减小，产品各区域收缩也更加均匀，优化效果较好。
3.4 冷却系统分析
采用上下两层冷却系统，管道直径10mm，水管与零件距离25mm，管道数量8个，回路式;冷却时间5s。
从图7分析结果看到，回路冷却液温度温度差1.29℃，回路管壁最高温度差为4.96℃，可接受。零件温度为58.9℃～101.5℃，模具温度45.8℃～85.2℃，温度曲线梯度均匀，冷却效果较好。
4 结语
将防护隔圈作为研究对象，以33%玻璃纤维增强的高温尼龙为注塑材料，通过注塑机的选择，基于Moldflow软件，进行浇口匹配及充填、保压、冷却过程模拟，对模拟结果进行分析，从而对成型参数进行优化，其极大缩短了产品的模具设计和生产周期，同时确定了最终注塑成型工艺参数，减少试模次数[3-5]，降低了模具设计和试模成本，提高了试模效率。
参考文献
[1] 陈艳霞.2015Moldflow模流分析从入门到精通[M].北京：电子工业出版社，2015.
[2] 林清安.完全精通Pro/ENGINEER野火5.0中文版零件设计基础入门[M].北京：电子工业出版社，2010.
[3] 王波.Moldflow模流分析在注塑过程中的应用[J].塑料科技，2015，43（6）：75-78.
[4] 刘细芬，黄家岗.基于Moldflow软件的注塑件浇口优化设计[J].塑料工业，2007（12）：36-38.
[5] 刘昌林，高可可，孙江宏.基于Moldflow的套管注塑模拟分析及优化[J].塑料，2020，49（5）：125-128.