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战略合作单位:

 

基于Moldex3D与ABAQUS的注射模结构分析与优化

时间:2020-12-18   来源:《模具工业》   作者:管航,王小新,董志家,厉邵,杜鹏辉   浏览次数:197

管航,王小新,董志家,厉邵,杜鹏辉

(青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室)

摘要:基于Moldex3D与ABAQUS联合仿真,将模流分析中的型腔载荷输入结构分析中,以提高分析真实性和有效性。同时对注射模进行力学分析计算和结构优化,减小了模板尺寸,降低了模具的生产成本。

关键词:联合仿真;结构分析;刚度计算;模具变形

 

0 引言

注射过程中模具同时受机械力、热传递等多因素综合作用,如模具开合过程对分型面的挤压与碰撞,型腔内熔体对型腔壁和型芯内壁的压力、温度梯度产生的热应力及注塑机的锁模力夹紧作用[1]。在诸多因素同时作用下,模具在短时间内发生弹性变形,刚度要求高的大型模具更容易产生变形,模具尺寸精度下降的同时可能发生溢料甚至喷射现象,制品脱模也受影响。企业目前的主要应对措施是更换优质模具材料或凭借经验增加模板厚度以保证模具刚度和强度,但相应地会增加不必要的生产成本,降低企业竞争力。为解决上述问题,基于对模具结构的分析而进行优化很有必要。

模具结构分析中,从注射CAE软件中人工提取的型腔载荷等数据,在结构CAE软件中加载会存在较大的误差。而利用注射CAE软件和结构CAE软件的接口,将模流分析结果输入结构分析中作为边界条件,可以得到更加真实有效的仿真结果。通过注射CAE软件Moldex3D和结构CAE软件ABAQUS的软件接口进行联合仿真,对模具进行更精确地结构分析。

1 研究方法

以某支架注射模为研究对象,制品材料为PC,外形尺寸为25mm×32mm×8mm,壁厚为1.5mm,模具尺寸为350mm×280mm×260mm,布局为1模8腔,侧浇口进料,如图1所示。

廖宇航等[2]研究了注射模中大尺寸特征对模具变形影响从大到小排序依次为:冷却系统、导向部件、浇注系统。基于其研究内容,简化了导向部件、推出系统,保留了2个直径为ϕ34mm的支撑圆柱,并删除了非成型部分的细节特征,如图2所示。将模具分为型腔型芯和其余模架2部分,如图3所示。根据实际工艺参数,以型腔型芯为模座,在Moldex3D中对制品进行模流分析。Mlodex3D是注射CAE软件,能进行充填、保压、冷却、翘曲、应力及光学等分析,操作简便且准确性高,并具有3D网格强大的计算速度。

首先在Moldex3D中导入制品并建立冷却水路、浇注系统和模座,划分实体网格,导入注射材料性能参数,选择模具材质为P20。设定注射压力85MPa,注射时间2s,保压压力80MPa,保压时间5s,进行模流分析。Moldex3D分析模型如图4所示。

基于模流分析结果,在Moldex3D的FEA界面中通过插值映射法将某一时刻的制品表面网格节点压力映射到型腔型芯表面网格节点上,并导出附有节点载荷的型腔型芯INP文件,将其导入ABAQUS中与模架装配并进行结构分析,FEA界面和ABAQUS分析模型如图5所示。

对模具施加足够的锁模力,模架主流道施加对应压强,分型面、型芯型腔与模架接触面选择表面硬接触,其相互作用及边界条件定义如图6所示。

约束条件:界面1(定模座板与注塑机模板接触面):x和y方向固定;界面2(定模座板与定模板接触面):x和z方向固定;界面3(型芯型腔镶件与模架接触面)和界面4(分型面):表面硬接触;界面5(垫块和立柱与动模板、动模座板接触面):绑定;界面6(动模座板与注塑机模板接触面):完全固定。

2 侧壁和动模座板的力学分析计算

模具的最大允许变形主要考虑3个问题:①注射过程中不能产生飞边;②制品能顺利脱模;③保证制品的尺寸精度。此处注射材料为PC,以其溢边值0.04mm作为最大允许变形值。

注射过程中,熔体压力梯度最大,进浇口为85MPa,流动前沿的压力接近为0,型腔压力场并未建立完整。而注射结束进入保压后,型腔内部压力场建立完毕,此时型腔型芯受力更均匀,变形范围更大,因此最大型腔压力会出现在保压刚开始的一段时间内,随着保压的继续进行,制品开始冷却、凝固,型腔压力也随之减小。

为得到型芯型腔对模架真实的接触应力,从FEA界面导出时选择保压开始前后时刻的INP文件,分别导入ABAQUS中与模架装配并进行接触面应力分析,如图7所示。结果表明在保压0.17s时型芯型腔对模架的接触应力最大为17.9MPa

基于接触应力分析结果,假定模架受均布载荷20MPa,对模架进行力学分析与计算。分析计算对象为定模板和动模板,并分别对侧壁和底板建立受力模型。

一般根据模具尺寸大小选择刚度或强度计算,区分临界为L临,最长尺寸大于L宜用刚度计算,反之宜用强度计算[3-5]

 

式中:E——材料弹性模量,MPaP——均布载荷,MPa[δ]——允许最大变形;[σ]——许用应力,MPa

模架材料为45号钢,故取E=210000MPa,[σ]=222MPa,[δ]=0.04mmP=20MPa,计算得出L=128.5mm,模架侧壁最长为250mm,故选择刚度计算。

2.1 侧壁分析计算

对于侧壁可看作一边自由、三边固定的矩形板,假定最大变形δmax和最大应力σmax都发生在自由边中点处,侧壁简化模型如图8所示,其受力模型如9所示。

按刚度计算:

式中:h——侧壁总高,mmL——侧壁长边,mmS——板的厚度,mmC1——三边固定一边自由矩形板的计算系数。C1可通过查表1或近似公式

计算得到,取E=210000MPa,[δ]=0.04mm。定模板长边L=250mm,侧壁总高h=30mm,均布载荷P=20MPa,取C1=1.485,

动模板长边L=250mm,侧壁总高h为40mm,均布载荷P=20MPa,取C1=1.45,

2.2 动模座板分析计算

对于动模座板,可以看作四边固定的矩形板,假定最大变形δmax和最大应力σmax都发生在板中央处。动模座板简化模型如图10所示,其受力模型如图11所示。

按刚度计算:

式中:l——底板短边长度,mmC2——四边固定矩形板的计算系数。

C2可通过查表2或近似公式得到。定模板和动模板L/l相同,长边L=250mm,短边l=135mm,均布载荷P=20MPa,通过插值查表法取C2​=0.0269,

对模架进行结构优化,在保证刚度的同时,尽量减小模架厚度。根据刚度计算结果,减小侧壁厚度至25mm,减小动模座板厚度至30mm。

3 模拟仿真计算

基于Moldex3D与ABAQUS的软件接口,将制品表面压力看作型腔型芯所受压力,故选择保压开始前后时刻的制品表面压力作为型腔载荷,不同时刻制品表面压力分布如图12所示。

在ABAQUS中导入填充结束时刻、保压0.17s和保压0.57s三个时刻的INP模型分别与优化后的模架装配并进行结构分析,不同时刻位移分析结果如图13所示。

3个时刻最大变形均发生在型腔内部,最大变形数值十分接近,分别为0.00735mm、0.00743mm、0.00734mm,主要原因是3个时刻的最大压力相差不大。填充结束时刻型腔压力分布不均匀且梯度较大,充填末端压力接近为0,流道和浇口压力接近最大注射压力,因此型腔内部变形主要集中在流道和浇口附近。保压后型腔内部压力逐渐均匀,变形范围变大,最大变形主要在型腔应力集中部位。最大型腔压力的真实变形均小于最大允许变形0.04mm,因此结构优化后的模具满足使用需求。

4 结束语

模具变形的研究中,结构分析的型腔载荷输入方式一直是研究重点。通过Moldex3D的FEA界面将模流分析中的制品表面压力载荷映射到型芯型腔网格节点上,并导入ABAQUS中进行结构分析以提高仿真计算的准确性。针对模架进行结构优化,通过模具刚度的计算和有限元分析,在保证模具使用要求的前提下,减小了模板厚度,降低了模具开发的成本。

参考文献(略)

 
 
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