无人机灭火弹饰盖模流分析及注塑模具设计

Moldflow Analysis and Injection Mold Design for UAV Fire-Fighting Grenade Cover

摘要

以无人机灭火弹的饰盖为研究对象，利用Moldflow软件从灭火弹饰盖的填充时间、流动前沿温度、熔接痕、气穴、翘曲变化五个方面对两种浇口设计方案进行对比分析，得到最优的浇口方案，并对两种冷却系统进行模流分析，得到较优的冷却系统。经锁模力的数值计算和模流分析，选择符合成型要求的注射机，然后运用正交试验优化工艺参数，从而降低饰盖的体积收缩率，通过对塑件总体温度分布和剪切速率与体积分布进行验证，最终得到优化后的注塑模具结构。结果表明：通过Moldflow软件分析和正交试验，可提高无人机灭火弹饰盖模具的设计效率和质量，且优化后的注塑模具结构合理，工作可靠，可以有效减少试模的成本，满足生产需求。实验为类似模具的设计提供了参考。

关键词

灭火弹饰盖 / 模流分析 / 正交试验 / 注塑模具

Key words

Fire-fighting grenade cover / Mold flow analysis / Orthogonal test / Injection molds

近年来，现代模具行业快速发展，在短期内设计出一款适用的模具至关重要。传统的模具开发基于工人的生产经验设计模具结构和选择模具参数，需要反复试模和修改参数，开发周期长致使设计成本增加^[1-2]。现在越来越多的设计人员应用CAE分析软件Moldflow进行无人机有关模具开发^[3]。杨小勇等^[4]采用Moldflow软件模拟分析某品牌四旋翼无人机上壳的注塑流程，通过对比8点侧浇口注塑（方案Ⅰ）和中心单点浇口注塑（方案Ⅱ）的填充时间和翘曲变化，最终确定方案Ⅰ为四旋翼无人机上壳注塑成型最佳方案。杨鸿^[5]针对一款因材料为聚碳酸酯(PC)而注塑困难的无人机上盖结构，通过模流分析确定了一套热流道和冷流道混合的浇注系统，并选用8个潜伏式浇口方式来充填产品。于洋等^[6]通过Moldflow软件对碳纤维增强聚丙烯复合材料的无人机固定翼注塑成型过程进行模拟，得到4种浇口位置所对应的平均碳纤维取向值及拉伸模量云图，通过分析比较，得出最佳浇口方案，并通过泊松比验证。张留伟等^[7]利用过CAE技术分析提前预测了塑件成型时可能产生的问题，设计了一副一模一腔的顺序阀热流道大型注塑模具。王平洲等^[8]利用Moldflow软件对模具进行模流分析，从而选择合适的浇注系统及冷却系统。

本实验对无人机灭火弹的饰盖进行工艺分析后，利用Moldflow软件对两种不同的浇口方案和冷却系统进行综合对比分析，选择出最优的浇口方案和冷却系统，并通过对锁模力的数值计算和模流分析选择型号为 XS-ZY250的注射机。以降低体积收缩率为目标进行正交试验，并进行验证，得到优化后的模具结构。

1 灭火弹饰盖工艺性分析

灭火弹饰盖属于小型塑料零件，外形尺寸为110 mm×110 mm×100 mm，平均壁厚8 mm，曲面较多但并不复杂，零件圆周的侧壁的四孔均为通孔，形状简单易于成型，需采用一模一腔进行加工。材料选用聚丙烯(PP)，抗拉强度和刚度均较好，且具有良好的耐化学性、耐热性和高耐磨加工性能，密度为0.89~0.91 g/cm³，容易注塑成型。

2 基于Moldflow的模流分析

2.1 网格划分

灭火弹饰盖是一个结构简单外形对称的零件，综合分析后选择Dual Domain网格构建饰盖模型进行分析，不需要使用高精密的实体网格，考虑到模拟时间和模拟精度，设置网格边长为1.5 mm，图1为灭火弹饰盖的网格划分。

通过网格统计可得，三角形单元数为29 352，最大纵横比为7.23，最小纵横比为1.16，平均纵横比为1.55，匹配百分比为87.3%，均满足要求，网格没有过大的缺陷，不需要进行网格修复。

2.2 浇口位置选择

浇口是将塑料熔体注入型腔的入口，浇口的位置会对模具注塑产生很大影响^[9-10]，图2为初步制定的两个浇口位置。从图2可以看出，方案一是顶面浇口，方案二是底面浇口。通过Moldflow比较不同位置的填充+保压+翘曲的分析结果确定合适的浇口位置。

2.2.1 填充时间

填充时间指塑料熔料填满整个型腔的时间^[11]，填充时还需要检查是否出现短射现象。图3为两种方案的填充模拟，蓝色开始填充，红色最后填充。

从图3可以看出，方案一的填充时间为19.17 s，方案二的填充时间21.58 s，均没有短射，型腔填充均匀，充模平均。单从填充时间来看，方案一优于方案二。

2.2.2 流动前沿温度

流动前沿温度表示熔融物在边界上的过渡温度，是注塑模具的一个设计标准，若温度变化太大，熔料流动性会变差，可能出现短射^[12-13]。图4为两种方案的流动前沿温度模拟。从图4可以看出，方案一中最大温差为1.7 ℃，方案二中最大温差在3.1 ℃，两种方案的温差均在允许值±30 ℃内，均满足要求可以采用，但温差在允许值范围内越小越好。单从浇口流动前沿温度看，方案一优于方案二。

2.2.3 熔接痕

当两种聚合物熔体的流动前沿汇合在一起时，或者当一个流动前沿被分离然后结合在一起时，将会出现焊接痕迹，这种焊接痕迹被称为熔接痕，会影响到塑件的质量、力学性能等等^[14-15]。图5为两种方案的熔接痕分布。从图5可以看出，两种方案的熔接痕数量相似，面积较小，大多分布于零件外表面的圆角处，重要平面并无分布，对零件质量的影响有限，可以忽略。

2.2.4 气穴

气穴的位置在两股气流合并形成气流的位置，容易形成气泡^[16-17]，里面的气体引起的反作用力将影响塑料熔体的平滑填充，同时气体被压缩，温度上升影响模具成型。图6为两种方案气穴分布。从图6可以看出，两种方案的气穴数量大致相等，位置多集中于外表面圆角处，两种方案效果相近。

2.2.5 翘曲变化

翘曲变形是注塑制品常见缺陷，导致出模后的零件质量难以保证^[18-20]。图7为两种方案的翘曲变形。

从图7可以看出，方案一的最大变形量为0.921 8 mm，方案二的最大变形量为0.937 6 mm，翘曲变形量越小越好，所以从翘曲变形的角度来看，方案一优于方案二。

综合填充时间、流动前沿温度、熔接痕、气穴、翘曲变化五个方面的结果，得出方案一的顶面浇口方案最好。

3 冷却系统的确定

在模具注塑过程中，冷却系统是将型腔中的熔体冷固，其直接影响模具的生产质量^[21]。图8为初步制定的两种冷却方案。通过模流分析，方案一的冷却液温差为1.83 ℃，回路管壁温度差为3.15 ℃，零件冷冻层百分比（顶部）为 100%；方案二的冷却液温差为1.81 ℃，回路管壁温度差为2.38 ℃，零件冷冻层百分比（顶部）为25.69%。综合分析考虑选择方案一。

4 注射机的选择

注塑模具是注射机上生产产品的模子，塑料制品的加工成型主要是通过注射机与模具之间的有机配合而实现的^[22-23]，所以注塑模具的选择一定要选好型号，锁模力是选择注射机的一大标准。锁模力计算公式为：

P = K_p S (1)

式(1)中：P为锁模力，t；K_P 为锁模力常数，t/cm²（PP材料为0.32）；S为制品在模板的垂直投影面积，cm²。S=π×(R-r)²=94.247 8 cm²。经计算锁模力大小为295.558 2 kN，选择型号为XS-ZY250的注射机，其最大锁模力为1 650 kN，符合要求。通过Moldflow仿真分析，图9为锁模力变化曲线。从图9可以看出，该塑件所需最大的夹紧力远远小于注射机的最大夹紧力16.5 MPa。

5 正交试验设计及优化验证

5.1 正交试验设计与分析

由于材料的特性和试验中可能出现的误差，会导致零件体积收缩率的变化^[24-26]，本次正交试验的目的是进一步降低体积收缩率，使得塑件总体温度分布均匀，剪切速率与体积分布在允许范围内。冷却系统、压力、熔体温度和模具温度对塑件体积变化有很大影响，因此本次试验因素选择：熔体温度(A)、模具温度(B)和冷却时间(C)。根据PP材料的特性，模具温度范围为40~80 ℃，一般控制在30~50 ℃，取三个水平值分别为 30、40、50 ℃。熔体温度范围为200~250 ℃，但实际使用中，须考虑阻燃等级，一般不超过220 ℃，取三个水平值分别为200、210、220 ℃。冷却时间范围30~50 s，取三个水平值分别为30、40、50 s。设置恒定压力为80 MPa。表1为L₉(3⁴)正交试验因素水平设计。

采用三因素三水平的标准正交试验表L₉(3⁴)设计不同工艺参数组合的正交试验，共设计9组试验，表2为L₉(3⁴)正交试验结果。通过极差法确定各因素对试验结果的影响，计算得到的极差值R_i 越大，则因素对试验结果的影响越大。从表2可以看出，各工艺参数对体积收缩率影响的R_i 值分别为R _A>R _C>R _B。对于体积收缩率，影响程度排序为：A>C>B。最佳参数组合为A₁B₁C₁，即熔体温度200 ℃，模具温度30 ℃，冷却时间30 s。

5.2 优化工艺验证

将正交试验得出的数据作为条件，图10为通过Moldfiow得到总体温度分布，图11为剪切速率与体积分布。由于热胀冷缩，塑件的总体温度的分布对体积收缩率影响很大^[27-28]，若温度分布均匀，则体积收缩率降低成功。从图10可以看出，塑料零件的体积温度分布均匀，大约160 ℃，边缘处大约150 ℃，温度范围波动不大。

剪切速率与体积分布指的是该截面剪切速率，如果剪切速率超过允许值，则材料易发生变性和变形，呈假塑性流体^[29-30]，从而增大体积收缩率，反之则证明体积收缩率降低成功。从图11可以看出，剪切速率为18 201 s^-1<允许值40 000 s^-1，该值满足条件且较小。通过分析总体温度分布和剪切速率与体积分布，成功验证了体积收缩率的降低，为设计出性能优异的模具提供指导。

6 注塑模具设计

本次注塑模具设计分为凹凸模，图12为通过Pro/E软件绘制的三维结构。

图13为饰盖注塑模具结构。工作过程大概如下：初始阶段模架先合模，注射机向模架里注入PP材料，等待材料注满整个型腔，在冷却系统的作用下，零件成型且充分冷却。然后1-动模板受到注射机给的力运动开模。零件及浇注部分在7-型芯固定板的作用下移动保证塑件留在动模一侧。当开模达到开模距离后，注射机给4-推杆支撑板作用力传导至5-推杆固定板，推杆固定板给6-推杆作用力推出塑件，取下塑件。这时开始复位运动15-复位杆和16-弹簧同时作用将斜顶推回原来位置，在12-导柱和13-导套的作用下保证复位准确。其余零件多起到固定作用。合模并进行下一次注塑。

7 结论

通过对填充时间、流动前沿温度、熔接痕、气穴、翘曲变化的模流分析得到了最佳的浇口位置方案为顶部浇口；对方案一和方案二的冷却液温度、回路管道温度、冷冻层百分比（顶部）参数对比得出最优的冷却系统方案；通过对锁模力的数值计算和模流分析选择型号为 XS-ZY250的注射机。运用正交试验优化参数，降低了饰盖的体积收缩率，得出最佳参数为熔体温度200 ℃，模具温度30 ℃，冷却时间30 s。并通过分析总体温度分布和剪切速率与体积分布，对优化结果进行了验证。完成了灭火弹饰盖注塑模具结构的设计，实现了全周期的计算机辅助，大大降低了产品成本和工人的劳动强度，为此类模具制造提供了参考。

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基金资助

辽宁省科学技术计划项目(2021-BS-261)