基于模流仿真的滤芯骨架注塑成型优化分析

Optimization Analysis of Injection Molding of Filter Core Framework Based on Mold Flow Simulation

摘要

采用模流仿真技术对吸油滤清器滤芯骨架的注塑成型工艺进行模拟，针对常规注塑加工过程中易出现的填充、翘曲等缺陷的原因进行分析并提供相应的解决方案。模腔设计采用一模两出的形式，原材料选用30%玻纤增强尼龙树脂，改进方案替滤清器骨架匹配合适的注塑工艺参数。实验结果证明，双浇口、“H”字形流道相比单浇口“、Z”字形流道在注塑机型选择和降低制件翘曲方面更有优势。优化方案中最高注射压力仅为75 MPa，填充时间仅需0.94 s，总体变形为0.35 mm，满足一般产品尺寸偏差要求，且优化效果较为明显。仿真模拟得到填充过程结果良好，且试模样件的外观及变形测量结果均合格，验证了优化参数的可行性。

关键词

滤芯骨架 / 模流分析 / 注塑成型 / 工艺优化

Key words

Filter core skeleton / Mode flow analysis / Injection molding / Process optimization

吸油滤清器是安装在液压系统或润滑系统油泵吸油口处的一种过滤装置，主要包括滤芯骨架和滤网，传统滤芯骨架一般采用不锈钢材料，可在较高温度下保持稳定性的特点。目前，汽车轻量化改进是整个汽车工业领域内研究的重点，对于滤清器的非承重结构部件和滤芯骨架而言，采用更为轻质且经济的材料是一个不错的选择^[1-3]。工程塑料综合了轻量化、耐腐蚀性、设计灵活性、绝缘性、成本效益等优点^[4-5]。孙守勤等^[6]提出了利用玻纤增强塑料制备汽车空气滤清器滤芯骨架；刘晓坤等^[7]以聚丙烯(PP)塑料为基材设计一款滤芯托架并进行计算机辅助工程(CAE)仿真分析；庞广富等^[8]利用45%玻纤增强PP塑料制备空气滤清器滤芯支撑外壳体。工程塑料制品通常采用注塑加工一体成型工艺，想要获得合格的塑料制品，应考虑塑件的结构工艺性，且符合成型工艺特点。塑料制品的设计与成型过程是需要不断循环优化的过程。模流分析可以模拟注塑过程及其对塑料制品的影响，有效预防注塑制品的各种缺陷，对塑料制品的设计、生产和质量进行优化，是提高成品质量的一种有效的分析手段^[9-10]。本文以滤芯骨架作为研究对象，通过模流仿真技术模拟注塑成型过程，其目的在于查找注塑成型过程中可能存在的缺陷，合理优化塑件结构，改善制品的成型质量。

1 滤芯骨架结构和材料分析

图1为吸油滤清器滤芯骨架。产品尺寸为120 mm×18 mm×18 mm，同一平面内壁厚基本均匀，约为1.5 mm，最薄处约为1.0 mm，最厚处约为2.0 mm。为了保证产品拥有足够的支撑强度，材料体系选择30%玻纤增强尼龙树脂(PA6+30GF)，制件的收缩率为1.0%~1.2%。表1为PA6+30GF材料基本属性。

2 注塑模模流仿真分析准备

2.1 塑件网格划分前处理

模流分析是一种利用计算机模拟技术来预测和分析塑料熔体在注塑模具中流动、冷却以及固化过程的方法^[11-12]。基本原理采用的是有限元分析法，将复杂的三维模型划分为数万个乃至数百万个小的体积元素（称为有限元或有限体积），以便于后续的数值计算^[13]。这一分析前期处理过程为网格处理，此次分析采用的是双层面网格，适用于对三维模型表面进行网格划分，一般适用于薄壁类制件，优点是对于壁厚均匀且相对薄的壳体零件，双层面网格能够有效且准确地分析其流动和冷却行为以及精确预测制件冷却完成后的翘曲变形^[14-15]。网格划分时要特别注意对自由边、公用边、多重边、错误单元、交叉单元、重叠单元、纵横比、匹配百分比等产品缺陷检查和修正以确保分析的准确性与效率^[16-17]。图2为滤芯骨架的网格模型，网格划分处理和修正后的三角形单元总数为42 614，纵横比最大值为3.84，纵横比最小值为1.16，纵横比均值为1.54，单元匹配率为91.6%，相互匹配率为89.3%。通过质量修复后得到的单元质量指标，满足双面网格对于计算分析的要求，实际计算也可正常进行。

2.2 浇注系统设计前处理

浇口和流道的设计首要保证的是型腔能够被顺利地填充满。考虑实际的生产效益，本设计采用一模两出的形式，综合材料的流动性以及产品的结构特点，采用侧浇口进胶的方式。为了探究流体填充以及塑件翘曲形变的影响因素，提出两套填充方案。方案一为初始方案，如图3a所示，采用的是单浇口进胶，流道采用“Z”字型平衡流道。方案二为改进方案，如图3b所示，采用的是双浇口进胶方式，流道采用“H”字型平衡流道。流道系统包含：圆形冷浇口（Φ2~Φ6 mm）、圆形冷流道（垂向Φ6 mm）、圆形冷流道（横向Φ6 mm）和冷主流道（Φ2~Φ6 mm）。

2.3 初始注塑工艺设置

一个完整注塑成型过程主要包括填充、保压、冷却3个阶段，其中熔融温度依据材料物性进行选择，影响的是该材料的塑化和填充效果，注射速度、压力和时间影响填充是否分布均匀^[18-19]。保压压力和时间的设定是为了补充因冷却收缩造成的体积减小，确保制品完全充满模具型腔并保持形状稳定。冷却时间的设定是为了确保制品均匀冷却，防止变形并且能被安全顶出^[20-21]。初始注塑工艺中料筒的温度设定范围为260~280 ℃，不额外增加模具温度，高压高速注射，采用V/P转化自动转保压，保压时间为10 s，冷却时间为5 s。

3 注塑工艺仿真分析与改进

3.1 初始方案结果分析

3.1.1 填充结果分析

图4为滤芯骨架的填充仿真，充填时间由不同颜色代表充填的不同阶段，蓝色区域表示首先填充到的位置，随着颜色不断加深，最后红色区域表示充填完成^[22]。从图4a可以看出，在充填过程中流体前锋分布比较均匀，说明该填充过程较顺利。从图4b可以看出，流体能够同时充满两个制件，充满的时间为1.352 s。图5为充填时间与注塑压力的关系。从图5可以看出，填充时间为1.278 s时达到压力峰值110.9 MPa，随后压力突降为88.8 MPa。这是因为分析参数设置为软件填充控制和V/P自动切换，即填充前期以恒定注射速度进行，所以随着时间的延长注塑压力逐渐增加，压力达到最大值之后转变为恒定压力直到保压过程结束，此时的压力为最大值的80%。

3.1.2 翘曲及其他缺陷分析

制件自脱模后发生翘曲变形是影响产品质量的最主要因素之一，主要是工程塑料从熔融态转变为固态时由于冷却不均所产生的应力差所造成^[23-24]。在模流仿真中将最终的翘曲变形归结为3个影响因素，即收缩不均引起的翘曲变形、取向引起的翘曲变形、角效应引起的翘曲变形。图6为滤芯骨架翘曲变形。从图6可以看出，本方案最终的总变形为0.58 mm，其中收缩变形为0.55 mm，取向变形为0.48 mm，角效应变形为0.20 mm。由此得出造成翘曲变形的主要原因为不同部位收缩不一致和取向各向异性。其原因是PA6的结晶速度较快，前端填充和后端填充的冷却出现时间差造成收缩不一致。而取向变形较大是因为此次填充是单方向，且材料里含30%的高长径比玻纤，玻纤容易在流动方向形成顺向排列，导致流动方向和垂直与流动方向上出现明显的收缩率差异，从而造成变形^[25-26]。

除翘曲变形以外，制件常见的缺陷还有气穴、表面缩痕、熔接线明显等^[27-29]，由于滤芯骨架结构的特殊性，注射过程中排气顺畅，故产生气穴的概率较低。该制件厚度分布很均匀，局部未出现明显缩痕。图7为滤芯骨架其他缺陷。从图7a可以看出，缩痕估算最高值仅为0.1 mm，肉眼无法观测。如从图7b可以看出，该制件在成型过程中出现多处熔接线，原因是该制件拐角处较多，熔接线处强度会降低，可以通过提高模具温度改善材料在模具中的流动性，或者提高注射和保压压力增加制件熔接线处强度^[30]。

3.1.3 初始方案分析结果评价

通过对初始方案分析发现有几点问题需要改进：第一，注射压力过高，最高值为110 MPa，安全值为140 MPa，对注塑机台要求较高；第二，翘曲变形较大，总变形为0.58 mm，主要由收缩变形和取向变形导致。

3.2 改进方案

考虑到设备的使用经济性和安全性，适当降低注射压力。考虑到收缩和取向引起的翘曲变形，将单浇口进胶改为双浇口进胶方式。一方面可有效缩短流动行程，缩短填充时间从而缩小前后端冷却时间差，同样提高模具温度也能防止PA6快速结晶；另一方面双浇口进胶可打乱流体中玻纤的取向进而减小取向变形，另外延长冷却时间也能减小变形量。

表2为滤芯骨架初始和改进注塑工艺参数，注射压力从110 MPa缩减至75 MPa，充填时间从1.35 s缩减至0.94 s，冷却时间从5 s延长至10 s，模具温度从常温增加至恒温80 ℃。将“Z”字形流道改为“H”字形流道，浇口和流道形状和尺寸参数不变。

图8为改进方案与初始方案的翘曲变形对比。从图8可以看出，改进后的翘曲总变形明显改善，从0.58 mm减少至0.35 mm。另外，双浇口的设计对玻纤取向的打乱也有显著影响，体现在取向变形从0.48 mm降低至0.28 mm。翘曲变形的改善不仅体现在数值变化上，改进后的变形区域相较之前对称性更好，在实际应用更方便装配和加工。

4 结论

本实验以滤芯骨架为研究对象，利用模流仿真技术对该塑件进行填充、保压、冷却分析，针对初始方案中所发现注射压力过高和翘曲形变的问题，提出双浇口填充方案并同时优化了加工工艺参数。优化后的注塑工艺参数为注射压力75 MPa、注射时间0.94 s、保压压力60 MPa、保压时间10 s、冷却时间10 s、模具温度80 ℃，翘曲总变形为0.35 mm，相较于优化前的0.58 mm下降39.7%。快结晶类工程塑料制件的翘曲影响因素主要为收缩变形和取向变形，研究结果为注塑模具的设计提供指导。

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基金资助

荆楚理工学院科研项目(QN202422)

大学生创新创业计划项目(S202311336033)