段亮亮，黨新安，楊立軍，杜二超

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

0 前言

隨著塑料工業(yè)的飛速發(fā)展，塑料制品廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中，也應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、機(jī)械制造等［1］。注射成型是成型塑料制品的一種重要方法。其基本過(guò)程是塑料原料經(jīng)注塑機(jī)熔融塑化并注入模具，在模具中固化后脫模成為制品［2］。注射成型能一次成型形狀復(fù)雜、尺寸精確的制品，適合高效率、大批量的生產(chǎn)方式，已發(fā)展成為熱塑性塑料和部分熱固性塑料的主要成型加工方法。

本文利用三維CAD軟件UG對(duì)前蓋制件及模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了精準(zhǔn)性［3］，本文根據(jù)塑件的工藝性，將前蓋注塑模設(shè)計(jì)為1模2腔結(jié)構(gòu)，并用側(cè)澆口進(jìn)料，采用單分型面實(shí)現(xiàn)塑件和流道凝料的分離及塑件的順利脫模，并且用Moldflow模具仿真軟件對(duì)前蓋的整個(gè)注射成型過(guò)程進(jìn)行了分析與模擬，得到了制件的最佳澆口、熔接痕和氣穴位置，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率［4］。

1 塑件工藝分析

塑料件材料為聚碳酸酯（PC），收縮率為0.5%～0.8%。塑件尺寸較小，要求精度低，生產(chǎn)批量大，采用1模2件結(jié)構(gòu)。PC的流動(dòng)性差，采用短流程澆口，同時(shí)為了滿足制品的要求采用側(cè)澆口。同時(shí)塑件形狀較為復(fù)雜，為了方便加工和熱處理，型腔與型芯采用鑲拼式結(jié)構(gòu)。

圖1是用三維CAD軟件UG設(shè)計(jì)的前蓋塑件，該塑件為殼體件，要求表面光澤，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在模具設(shè)計(jì)中要求有較高的精度和良好的加工工藝，以保證該塑件的精度和模具的充型能力。

圖1 前蓋塑件Fig.1 Front plastic parts

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 成型零件的設(shè)計(jì)

型腔零件是成形塑料件外表面的主要零件，按結(jié)構(gòu)不同可分為整體式和組合式兩類。為了保證其精度，此型腔采用整體式。材料通常選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)工具鋼T10A，淬火處理，硬度為HRC50～55。

成型塑件內(nèi)表面的零件稱型芯，主要有主型芯、小型芯。型芯按其結(jié)構(gòu)類型可分為整體式和組合式兩類。本文設(shè)計(jì)的主型芯用于成型塑件內(nèi)壁，小型芯是用于成型塑件上的孔，故選組合式結(jié)構(gòu)。

2.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1 確定分型面的位置

定模和動(dòng)模相接觸的面稱為分型面。此塑料件尺寸小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需側(cè)抽結(jié)構(gòu)，因而采用直接分型。通過(guò)對(duì)塑件的分析，且根據(jù)分型面的選擇原則，分型面的位置確定在最大輪廓處即最大截面處。

2.2.2 流道的設(shè)計(jì)

主流道是連接注塑機(jī)的噴嘴與分流道的一段通道，主流道設(shè)計(jì)成圓錐型，目的是便于冷料的脫模，同時(shí)也改善料流的速度。

分流道截面形狀一般為圓形、梯形、半圓形及矩形等。本文的設(shè)計(jì)中采用梯形截面，其加工工藝性好，且塑料熔體的熱量散失流動(dòng)阻力均不大。該模具采用1模2腔結(jié)構(gòu)形式，澆口采用側(cè)澆口，如圖2所示。

2.3 選用標(biāo)準(zhǔn)模架

根據(jù)型腔尺寸、位置尺寸及型腔壁厚，可確定模架的結(jié)構(gòu)形式和規(guī)格，選用A4－200250－51－Z2GB／T12556.1－1990，模具外形尺寸為250mm×230mm×195mm。

2.4 推出機(jī)構(gòu)及導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖2 澆注系統(tǒng)Fig.2 Design of the runner system

在注射成型的每一次循環(huán)中，都必須使制品從模具型腔和型芯上脫出，這種脫出制品的機(jī)構(gòu)稱為推出機(jī)構(gòu)或脫模機(jī)構(gòu)。根據(jù)制品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求及推出力的大小，可確定推出機(jī)構(gòu)選用Φ3mm推桿。導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)采用導(dǎo)柱和導(dǎo)套，根據(jù)模架的選用，導(dǎo)柱選用Φ20mm，導(dǎo)套選用Φ28mm。

2.5 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在注射成型過(guò)程中，模具的溫度會(huì)影響到塑件成型的品質(zhì)和生產(chǎn)效率。由于各種塑料的性能和成型工藝要求不同，模具的溫度要求也不同。PC流動(dòng)性差，要求模具溫度高。根據(jù)材料的工藝參數(shù)，可知模具溫度為90～110℃。故選擇以Φ13mm加熱棒加熱。塑件的冷卻采用隨模冷卻。

該模具屬于中小型模具，排氣量并不大，而且塑件在分型面的投影面積較大，因此不單獨(dú)開(kāi)設(shè)排氣槽，利用分型面和頂桿與孔的配合間隙排氣。

3 模具整體結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

該模具的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其工作過(guò)程為：注塑機(jī)鎖模之后，由導(dǎo)柱、導(dǎo)套進(jìn)行合模，動(dòng)定模閉合。注塑機(jī)注射時(shí)，塑料熔體經(jīng)過(guò)澆注系統(tǒng)進(jìn)入型腔，待充滿型腔并經(jīng)過(guò)保壓、補(bǔ)塑和冷卻后開(kāi)模。開(kāi)模時(shí)，模具從分型面分開(kāi)，塑件包在型芯上隨動(dòng)模一起后移。同時(shí)，拉料桿將澆注系統(tǒng)的主流道凝料從澆口套中拉出。當(dāng)移動(dòng)到一定距離后，推出機(jī)構(gòu)將塑件及澆注系統(tǒng)凝料從型芯和冷料穴中推出，塑件與澆注系統(tǒng)凝料一起從模具中落下。合模時(shí)，推出機(jī)構(gòu)使復(fù)位桿復(fù)位。

4 Moldflow模流分析

塑料注射成型CAE軟件的發(fā)展十分迅速，其全面提升模具設(shè)計(jì)水準(zhǔn)的顯著效果正逐漸為模具界所認(rèn)識(shí)［5］。利用Moldflow對(duì)塑件注射成型過(guò)程進(jìn)行模擬，對(duì)最佳澆口、填充、溫度、氣穴和熔接痕等進(jìn)行分析，這樣避免了可能出現(xiàn)的缺陷，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

4.1 網(wǎng)格劃分

圖3 模具裝配圖Fig.3 Schematic of the mold assembly

在進(jìn)行分析之前，首先將UG中創(chuàng)建的三維實(shí)體模型導(dǎo)出為.igs格式的文件，然后用Moldflow軟件導(dǎo)入該模型文件，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的結(jié)果會(huì)影響到最終分析結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh generation

4.2 最佳澆口位置分布

合理選擇澆口位置關(guān)系到模具進(jìn)料平衡、充模時(shí)間、熔接痕位置等方面的因素，因此合理選擇澆口位置是提高塑件成型品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。Moldflow軟件可以根據(jù)模型幾何形狀及相關(guān)材料參數(shù)、工藝參數(shù)分析出澆口最佳位置，根據(jù)分析結(jié)果設(shè)置澆口位置，可避免由于澆口位置不當(dāng)可能引起的制件缺陷［6］。

從圖5可看出，藍(lán)色區(qū)域是最佳澆口位置。為了保證制件外表的美觀，進(jìn)料的平衡性及成型速度快的情況下，把澆口位置設(shè)置在制件藍(lán)色區(qū)域即左側(cè)中間。

圖5 最佳澆口位置Fig.5 Best gate location

4.3 流動(dòng)分析結(jié)果

流動(dòng)分析結(jié)果包括充模時(shí)間、壓力、溫度、氣穴和熔接痕等。對(duì)前蓋的流動(dòng)分析結(jié)果為：填充分析結(jié)果主要用于查看制件的填充是否平衡，是否完全填充等?？梢愿鶕?jù)動(dòng)態(tài)的填充時(shí)間結(jié)果分析填充階段的熔體流動(dòng)是否合理。填充分析的最終目的是為了獲得最佳澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［6］。

從圖6可以看出，在澆口位置處（即藍(lán)色區(qū)域）最早填充，遠(yuǎn)離澆口位置的制件（即紅色區(qū)域）在0.5335s時(shí)被填充，總填充時(shí)間為0.5335s。被填充的塑件沒(méi)有顏色缺陷部分，塑料完全充滿了型腔，表明澆口位置設(shè)計(jì)合理。

圖6 填充時(shí)間Fig.6 Filling time

圖7顯示了填充結(jié)束時(shí)的型腔及流道內(nèi)的壓力分布，此時(shí)進(jìn)料口處的最大壓力為69.34MPa，腔內(nèi)最大壓力為17.33MPa。型腔處較進(jìn)料口處壓力低，型腔處壓力梯度分布比較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)滯流、溢料等品質(zhì)缺陷。

圖7 填充結(jié)束時(shí)的壓力Fig.7 At the end of the filling pressure

熔體溫度分布是分析熔體流動(dòng)情況的重要指標(biāo)，在熔體流動(dòng)好的地方，溫度一直保持在較高的水平，否則溫度下降很快［7］。圖8中料流前沿的最高溫度為301.3℃，最低溫度為196.2℃，最低溫度大于凍結(jié)溫度，所以制件可以充滿。圖中流體溫度分布均勻，能保證制件各處都較均衡。

為了避免產(chǎn)生氣穴，設(shè)計(jì)模具時(shí)，在容易產(chǎn)生氣穴的位置開(kāi)設(shè)專用的排氣槽，保證排氣良好［4］。如圖9所示，制件可能產(chǎn)生氣穴的地方都在制件的邊緣，中間表面無(wú)任何缺陷，空氣可以從分型面排出，可避免產(chǎn)生氣穴，所以不需設(shè)計(jì)排氣槽。

圖8 料流前沿的溫度Fig.8 The temperature of the flow front

圖9 氣穴Fig.9 Cavitation

在模具注塑時(shí)，制品經(jīng)常有熔接痕，不僅影響產(chǎn)品外表的美觀，而且產(chǎn)品的強(qiáng)度降低。經(jīng)過(guò)Moldflow優(yōu)化分析，熔接痕的出現(xiàn)就會(huì)減少，也會(huì)避免造成結(jié)構(gòu)上的缺陷，降低了廢品率，提高了制件的品質(zhì)。從圖10分析結(jié)果可看出制件沒(méi)有大面積的熔接痕，所以表面品質(zhì)不會(huì)受到影響。

圖10 熔接痕Fig.10 Weld mark

5 結(jié)論

（1）運(yùn)用UG對(duì)塑件及模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使塑件的造型簡(jiǎn)單、建模過(guò)程更直觀，加快了整個(gè)注塑模具的設(shè)計(jì)過(guò)程，縮短了設(shè)計(jì)周期；

（2）利用Moldflow對(duì)塑件的澆口位置、溫度、氣穴和熔接痕進(jìn)行了模流分析，結(jié)果表明，前面的設(shè)計(jì)和計(jì)算結(jié)果是可行的，是符合設(shè)計(jì)要求，滿足注塑模具的性能要的；

（3）根據(jù)模流分析結(jié)果可對(duì)前蓋注塑模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大縮短了模具的設(shè)計(jì)周期、降低了成本，并提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

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