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注射成型工艺及模具设计教学研究

 论文栏目:模具设计论文     更新时间:2018/2/12 16:21:06   

摘要:基于注射成型工艺及模具设计课程的特点,结合教学案例,探讨了Moldflow软件在注射成型工艺及模具设计教学中的应用,帮助学生理解和掌握课程中的重点和难点,提高课程教学质量,激发学生学习兴趣。

关键词:注射成型工艺及模具设计;教学;Moldflow;应用;填充

引言

《注射成型工艺与模具设计》是模具专业人才培养的核心课程,其主要内容包括塑料成型的理论基础、注射成型工艺及模具设计等,是一门知识面和实践性强的综合课程[1]。但是注射成型在模具型腔中进行,过程不可见,对学生的三维空间想象能力要求高,学生很难理解和掌握,学生学习兴趣不高,现场生产实习也无法达到良好的效果。Mold-flow软件可以将整个注射成型过程中的塑件结构、工艺参数和模具设计等以动画、曲线或实体的形式展现出来,使学生可以直接观察熔体在型腔中的流动情况[2],帮助学生理解和掌握塑料熔体的注射成型过程,提高课程教学质量,激发学生学习兴趣。

1、Moldflow软件简介

Moldflow软件是针对注射成型的计算机辅助分析软件[3],主要包括前处理、分析计算和后处理3个模块,可以模拟熔体的整个注射成型过程,并通过分析、可视化功能以及规范的项目管理工具,对成型工艺、塑件结构和模具设计等进行深入的分析和优化[4,5]。

2、Moldflow软件在课程教学中的应用

2.1Moldflow在了解塑件基本信息中的应用

塑件设计初期需要了解塑件的形状、结构和材料性能等信息,以便进行后期的工艺设置和模具设计。随着工业的发展,塑件结构更加复杂,在教学中利用Moldflow的三维图像显示功能中的动态和多向视图,帮助学生观察塑件的成型过程,可以让学生充分理解塑件的几何形状和关键部位。以某轿车的排气盒叶片为例,其动态观察效果如图1所示,塑件外形尺寸为150mm×40mm×20mm,料厚为1mm,属于薄壁件,塑件整体尺寸较小,注射成型时采用1模2腔的结构形式。Moldflow软件还可以查看所用材料的基本信息,并推荐一定的成型工艺范围,为学生提供很好的借鉴作用。排气盒叶片塑件材料为PP,软件提供的材料牌号为API-1609,其主要材料性能参数如表1所示。

2.2Moldflow在注射成型工艺教学中的应用

注射成型工艺参数,如熔体温度、模具温度、注射压力、填充时间等对塑件成型质量有很大的影响[6],但是由于涉及到聚合物熔体流变学理论以及试验条件和时间的限制,学生不能直观地了解工艺参数对塑件成型质量的影响,仅通过课堂理论学习,教学效果较差。在Moldflow软件中设置不同的工艺参数,如分别调整熔体的注射温度、模具温度、注射压力等,然后进行填充分析,通过分析结果,学生可以了解塑件的整个注射成型过程,比较不同的工艺参数条件下,注射时间、注射压力、注射温度等变化,观察是否出现填充不足、缩孔、明显熔接痕和翘曲等缺陷。图2和图3分别为排气盒叶片在其他参数默认,仅改变熔体注射温度为200℃和220℃时的对比分析结果。从图2(a)和图3(a)可以分析熔体逐渐充满型腔的过程,为避免材料流动对卡扣填充成型的影响,浇口设置于塑件右侧,右边部位先于左边部位填充;从图2(b)和图3(b)注射压力的曲线图中可以看出,2种方案的注射压力都随时间的增加而增加,没有出现突然递增或递减的情况,说明压力变化平衡,熔体温度为200℃的最大压力在1.01s时为60.35MPa,熔体注射温度220℃的最大压力在0.75s时为53.53MPa,最大压力减少了7MPa;从图2(c)和图3(c)可知,流动前沿温度中的最大温度与设置的注射温度相对应,分别是200.2℃和220.2℃,熔体温度越高,流动时间越短,注射压力越低;图2(d)和图3(d)为塑件的总体翘曲变形情况,2个温度翘曲变形的最大位置都在2条窄边缘上,熔体温度为220℃时翘曲变形量较小。综上可知,熔体注射温度220℃相对熔体注射温度为200℃时,填充时间、最大的注射压力和翘曲变形更小。从生产周期,制造成本和成型质量等方面综合判断熔体注射温度为220℃更合理。

2.3Moldflow在模具设计教学中的应用

浇注系统和冷却系统的设计是模具设计的关键,合理的浇注系统可以减少塑件缺陷,是保证塑件成型质量的关键。如何合理有效地选择浇注系统的形式、数目、位置和大小,也是学生学习的难点。在Moldflow软件中建立的排气盒叶片的2种不同浇注系统的有限元模型如图4所示,方案一采用点浇口进浇,三板式模具结构;方案二采用侧浇口进浇,两板式模具结构。图5和图6所示为2种浇注系统中熔体在型腔中的流动情况和分析结果。从图5(a)和图6(a)可知,学生可以观察熔体从主流道到分流道,再由各流动分支至浇口逐渐充满型腔各个位置,同时可以分析2种方案的流动间距是相同的,流动平衡。图5(b)和图6(b)所示为注射成型时,由速度控制切换为压力控制时的压力分布,最大注射的压力值分别是58.11MPa和47.36MPa。图5(c)和图6(c)所示为气穴分布,2种方案的困气位置都集中在卡扣处,因此模具设计时此处应注意排气;图5(d)和图6(d)所示为塑件总体翘曲变形情况,变形的最大位置都在2条窄边缘上,变形情况相同,方案二的变形量比方案一减少约0.1mm。通过以上对比,学生可以直观判断方案二的浇注系统设计优于方案一。通过这种动态教学方式,学生对这部分内容的难点更加容易理解。课后学生再利用课余时间去更改不同的工艺参数,或优化浇注系统等观察不同条件下成型质量的变化,从而激发学生的思考能力和创新能力。

3、结束语

在《注射成型工艺及模具设计》课程的教学中,引入Moldflow软件,可以使学生观察整个熔体的流动成型过程,不需要通过现场的实际生产就可以对比分析不同的工艺参数和模具设计方案的优劣,从而进一步优化参数设置。该方法不仅活跃了课堂气氛,激发了学生的学习兴趣,帮助学生更容易理解和掌握课程中的重点、难点内容,同时激发学生的思考能力和创新能力,增强学生的职业竞争力。

参考文献:

[1]王华君,徐德鑫,李爱农,等.Moldlfow在注射成型工艺课程教学中的应用[J].模具工业,2012,38(6):67-70.

[2]俞鸿斌.注射成型流动数值模拟技术研究[J].机床与液压,2008,36(3):80-82.

[3]刘峰,沈洪雷.问答式项目教学法在Moldflow软件教学中的应用[J].模具工业,2015,41(4):60-62,65.

[4]傅建,彭必友,曹建国.材料成形过程数值模拟[M].北京:化学工业出版社,2009:250-252.

[5]冯玮.Moldlfow软件在塑料成型工艺及模具设计教学中的应用[J].中国现代教育装备,2012(11):79-81.

[6]魏刚,彭必友,廖永衡.塑料成型理论与技术基础[M].成都:西南交通大学出版社,2013:172-177.

作者:余玲 彭必友 闵忠华 单位:西华大学材料科学与工程学院

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