Основные технологии анализа потока литья под давлением для оптимизации дефектов литьевых форм

В современном литьевом производстве уровень брака продукции, отходы материала и остановки производства, вызванные дефектами пресс-форм, являются распространёнными проблемами отрасли. Согласно отраслевой статистике, процент успешного прохождения испытаний пресс-форм без оптимизации анализа потока пресс-формы составляет всего 40–50%, в то время как распространённые дефекты напрямую приводят к снижению эффективности производства более чем на 30%. Анализ потока пресс-форм, основанный на принципах вычислительной гидродинамики (CFD) и термодинамики, позволяет точно моделировать весь процесс расплавления пластика в полости пресс-формы, обеспечивая научную основу для проектирования пресс-формы и корректировки процесса. Пресс-форма для испытаний сплайн-форм является ключевым инструментом для проверки результатов анализа, а их сочетание образует основу системы контроля дефектов.

I. Распространенные дефекты литьевых форм и их влияние на производство

1. Типы распространенных дефектов

К типичным дефектам при литье под давлением относятся облой, недолив, воздушные пузыри, коробление, линии спая и утяжины. Частота появления облоя в тонкостенных изделиях достигает 60%; линии спая часто встречаются в изделиях со сложными полостями; а коробление особенно заметно в изделиях из конструкционных пластиков, таких как АБС и ПК.

2. Влияние на эффективность производства и качество продукции

Процент повторной обработки, вызванной облоем, составляет приблизительно 15–20%, при этом среднее время повторной обработки одной детали составляет 3–5 минут; отходы материала из-за недоливов составляют 8–12%, а процент брака изделий с короблением может достигать 25%. Кроме того, время простоя пресс-формы и отладки, связанное с устранением дефектов, составляет 20–25% от общего времени производства, что существенно ограничивает производственные мощности.

II. Основные принципы и ключевые данные анализа течения литья

1. Основной принцип анализа течения литья под давлением

Создавая 3D-модель пресс-формы и базу данных пластиковых материалов, программа моделирует весь процесс плавления, от впрыска до охлаждения и затвердевания. С помощью численных расчётов она воспроизводит распределение температурного поля, поля давления и поля скорости, а также прогнозирует местоположение и причину возникновения дефектов.

2. Интерпретация ключевых показателей данных

Основные показатели включают время истечения, распределение давления, распределение температуры, скорость сдвига и время затвердевания. Разница во времени истечения должна контролироваться в пределах ±0,3 с; максимальное давление впрыска в полость формы должно быть менее 85% от допустимого давления формы (допустимое давление для пресс-форм для конструкционных пластиков составляет 150–200 МПа); погрешность распределения температуры должна быть ≤5°C; скорость сдвига должна контролироваться в диапазоне 1000–5000 с⁻¹; время затвердевания обычно составляет 70–80% от общего времени охлаждения.

III. Основные методы анализа течения литья для оптимизации дефектов литьевых форм

1. Оптимизация конструкции ворот

(1) Определение положения литника: на основе моделирования траектории движения расплава литник устанавливается в самой дальней точке расплава в полости или в месте с максимальной толщиной стенки, избегая основных напряженных зон изделия. Для однополостных изделий количество литников обычно составляет 1–2.

Оптимизация размера литника: Рассчитываемый на основе текучести материала и веса изделия, диаметр литника для небольших изделий из ПП составляет 0,8–1,2 мм, а для крупных изделий — 1,5–2,5 мм.

2. Оптимизация литниковой системы

Конструкция литников: приоритет отдаётся сбалансированной компоновке для обеспечения равномерного распределения расплава и потери давления в каждой полости. Разница в длине литников должна составлять не более 5%. Диаметр основного литника должен быть на 1–2 мм больше диаметра дополнительных литников, а диаметр дополнительных литников должен составлять 4–8 мм.

Оптимизация размера литника: обеспечить, чтобы потеря давления расплава в литнике была ≤30 МПа, и сократить разницу во времени заполнения многогнездных форм до 0,2 с.

3. Оптимизация системы охлаждения

Конструкция каналов охлаждающей воды: следует принципу «близкого расположения к полости и равномерного распределения». Расстояние между каналами и поверхностью полости составляет 15–25 мм, а между ними — 25–35 мм. Конформные каналы охлаждающей воды используются для форм со сложными криволинейными поверхностями, что позволяет повысить равномерность охлаждения более чем на 40%.

Выбор охлаждающей среды: для обычных изделий используется промышленная охлаждающая вода (температура 20–25 ℃) со скоростью потока 1,5–2,5 м/с; для изделий из конструкционного пластика или толстостенных изделий используется охлаждение ледяной водой (температура 5–10 ℃), при этом колебание температуры поверхности формы составляет ≤3 ℃.

4. Оптимизация параметров процесса впрыска

Давление и скорость впрыска: Давление впрыска устанавливается в 1,1–1,2 раза больше максимального давления в полости. Скорость впрыска варьируется: 30–50 мм/с на начальном этапе заполнения, 60–100 мм/с на среднем этапе и 20–40 мм/с на конечном этапе.

Давление и время выдержки: Давление выдержки составляет 60–80% от давления впрыска. Время выдержки определяется толщиной стенки изделия: на каждый 1 мм увеличения толщины стенки время выдержки увеличивается на 1–1,5 с.

Температура формования: температура цилиндра на 20–40 ℃ выше температуры плавления пластика (200–240 ℃ для АБС-пластика, 260–300 ℃ для ПК-материалов); температура формы составляет 40–80 ℃ для кристаллических пластиков и 60–120 ℃ для аморфных пластиков.

IV. Применение сплайновых испытательных форм для анализа течения литья

1. Обзор испытательных форм для шлицевых соединений

Стандартная пресс-форма, специально предназначенная для проверки результатов анализа текучести, имеет размеры стандартных шлицевых соединений ISO 527-2 (170 мм × 15 мм × 4 мм). Она может быть одно- или многогнездной, оснащена стандартными литниками, питателями и системами охлаждения. Изготавливая стандартные шлицы, она проверяет соответствие характеристик формования материала данным анализа.

2. Ключевые особенности конструкции испытательных форм для шлицевых соединений

В качестве материала сердечника пресс-формы предпочтительно использовать сталь марки S136 или H13 с твердостью HRC50-55 после термообработки; шероховатость поверхности полости составляет Ra≤0,8 мкм; система выталкивания использует комбинацию выталкивающих штифтов и выталкивающих пластин с диаметром выталкивающих штифтов 2-3 мм и расстоянием между ними 30-40 мм; предусмотрены монтажные отверстия для датчиков температуры, позволяющие контролировать температуру полости в режиме реального времени.

3. Роль сплайн-тестирования в анализе течения литья

Он служит «калибратором» результатов анализа, корректируя параметры модели путем сравнения смоделированных и измеренных данных. Например, если анализ потока литья предсказывает коробление шлица 0,5 мм, а фактическое измерение составляет 0,52 мм, погрешность после корректировки может быть снижена до ±3%. Кроме того, он позволяет заранее проверить параметры процесса, например, проверить прочность сварного шва шлицев при различных скоростях впрыска, чтобы определить оптимальный диапазон процесса.

V. Практический анализ случая

Компания использовала АБС-пластик для производства автомобильных дверных накладок. Первое испытание пресс-формы выявило серьёзные линии сварных швов и коробление, а уровень дефектов составил 12%. Анализ течения пресс-формы показал, что однолитниковая конструкция исходной пресс-формы привела к чрезмерно длинному пути заполнения расплавом, а неравномерное распределение каналов охлаждающей воды привело к разнице температур в полости 8 °C.

План оптимизации: добавить один вспомогательный литник и использовать сбалансированный литник; увеличить расстояние между каналами охлаждающей воды до 30 мм и добавить два конформных канала. Испытания шлицев показали, что прочность на разрыв сварного шва шлицев увеличилась с 18 до 25 МПа, а коробление уменьшилось с 0,8 до 0,3 мм.

После применения плана оптимизации прочность сварного шва изделия соответствовала стандарту, деформация коробления стала контролируемой, уровень брака снизился до 2,5%, эффективность производства увеличилась на 28%, а отходы материала на партию уменьшились на 10%.

VI. Тенденции развития технологии анализа течения литья под давлением

1. Интеграция с ИИ и большими данными

На пути к интеллектуальности алгоритмы ИИ автоматически выявляют дефекты конструкции и области оптимизации параметров, а также в сочетании с большими данными реализуют самообучение и самокалибровку моделей. Некоторые системы могут выполнить полный анализ процесса изготовления сложных пресс-форм за 10 минут, повышая эффективность более чем на 50%.

2. Моделирование взаимодействия многофизических полей

Усилить анализ сопряжения поля потока, поля температуры и поля напряжений, моделировать взаимодействие между течением расплава и деформацией структуры формы и объединить с совместным программным моделированием для реализации цифровой проверки всей цепочки от проектирования до прогнозирования производительности.

VII. Заключение

Анализ потока литья под давлением (Mold Flow Analysis) является ключевой технологией оптимизации дефектов литьевых форм, а пресс-формы для сплайн-тестирования повышают надежность решений по оптимизации. Оптимизация конструкции и процессов в сочетании с проверкой сплайн-тестирования позволяет значительно снизить количество дефектов и повысить процент успешных испытаний пресс-форм с первого раза. С развитием интеграции технологий анализ потока литья под давлением будет играть все большую роль в области прецизионного литья под давлением, способствуя переходу отрасли к высокой эффективности, точности и интеллектуальности. Создание замкнутой системы «анализ потока литья под давлением – тестирование сплайнов – оптимизация пресс-формы» является ключом к повышению конкурентоспособности предприятий.