劉世豪，郭志忠

（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南?？?70228）

注射成型方法是塑料產(chǎn)品加工成型的主要方法，可快速、高效地成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度高的大批量塑料產(chǎn)品[1]。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)[2-3]。注射模CAE技術(shù)可在模具制造前預(yù)測(cè)模具在一定的工藝條件下制品的質(zhì)量情況，與傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)相比，CAE技術(shù)無(wú)論在保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品生產(chǎn)率，還是在降低成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面，都具有很大的優(yōu)越性[4]，因此在航空制造、汽車、摩托車、家用電器、儀器儀表等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

汽車的組成較為復(fù)雜，其零部件的成型制造技術(shù)一直是重要的研究課題。汽車水箱蓋是一種塑料件，起著密封和保護(hù)水箱的作用，其成型工藝與質(zhì)量是汽車制造領(lǐng)域所關(guān)注的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。如：李昆[5]對(duì)一種汽車水箱蓋的成型過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真分析，研究了主要成型工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形的影響規(guī)律；張維和[6]針對(duì)某種汽車水箱蓋塑件側(cè)向凹凸結(jié)構(gòu)多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了該塑件的注塑模，并采用了熱流道澆注系統(tǒng)；丁華[7]對(duì)汽車水箱蓋的塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及成形工藝的分析，介紹了多側(cè)孔復(fù)雜零件的模具設(shè)計(jì)方法，著重研究了多個(gè)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與排位設(shè)計(jì)。綜上所述，對(duì)汽車水箱蓋注塑模及其成型工藝進(jìn)行研究是一項(xiàng)十分必要的研究工作，具有重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。對(duì)此，本文在對(duì)一種汽車水箱蓋殼件進(jìn)行工藝性分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用UG軟件進(jìn)設(shè)計(jì)了汽車水箱蓋殼件注射模，利用Moldflow軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的注射模進(jìn)行仿真，并對(duì)注射成型過(guò)程進(jìn)行CAE分析，確定最佳澆口位置。根據(jù)CAE分析結(jié)果，優(yōu)化澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，得到合理的模具設(shè)計(jì)方案，可大大縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

1 塑件工藝性分析

如圖1所示的汽車水箱蓋，選用ABS 工程塑料為原材料，其外形尺寸為90 mm×80 mm×55 mm，塑件壁厚為3 mm。該塑件為殼體件，其內(nèi)表面精度要求一般，外表面的精度要求較高，要求外觀表面光澤，不允許存在飛邊、凹陷流痕等注射缺陷，在模具設(shè)計(jì)中要求有良好的加工工藝。ABS 材料的成型工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 汽車水箱蓋塑件

表1 ABS成型工藝參數(shù)設(shè)置

2 Moldflow模流分析

2.1 網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行模流分析前，首先將UG軟件中創(chuàng)建的三維實(shí)體模型導(dǎo)出為.igs 格式的文件，然后導(dǎo)入到Moldflow軟件，再進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后通過(guò)網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)進(jìn)行網(wǎng)格缺陷修改[8]，網(wǎng)格修改后如圖2所示，網(wǎng)格劃分的作用是便于對(duì)注射模具進(jìn)行CAE仿真分析、并兼顧分析求解的準(zhǔn)確性和效率。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.2 最佳澆口位置分析

澆口位置的合理選擇很重要，關(guān)系到熔體充填模具是否流動(dòng)平衡，是否能同時(shí)充滿型腔，關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件部位是否會(huì)出現(xiàn)熔接線，因此合理選擇澆口位置是提高制品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。Moldflow軟件可以根據(jù)模型形狀及相關(guān)工藝參數(shù)、材料參數(shù)，得到最佳澆口位置區(qū)域，根據(jù)分析結(jié)果設(shè)置澆口位置，可避免由澆口位置設(shè)計(jì)不當(dāng)可能引起的各種制品缺陷，提高制品成型質(zhì)量[9]。

從圖3可看出，圈選區(qū)域是最佳澆口位置，此位置可作為澆口位置選擇的重要參考信息。

圖3 最佳澆口位置

2.3 澆口設(shè)置

根據(jù)塑件的最佳澆口位置區(qū)域，考慮到熔體的流動(dòng)、注射塑件的外觀質(zhì)量、成型塑件的力學(xué)性能和模具設(shè)計(jì)制造等方面的因素，設(shè)置2種澆口方案，方案1 如圖4a所示，采用冷流道，2個(gè)點(diǎn)澆口，主流道為圓錐形，上端直徑為4mm，錐度為1∶1.5，長(zhǎng)度為60 mm，橫流道采用圓形，直徑為6 mm。點(diǎn)澆口采用圓錐形，大端直徑為5 mm，小端直徑為2 mm，長(zhǎng)度為4 mm。方案2 如圖4b所示，采用冷流道，一個(gè)點(diǎn)澆口，主流道為圓錐形，上端直徑為4 mm，下端直徑為8 mm，長(zhǎng)度為60 mm，點(diǎn)澆口采用圓錐形，下端直徑為2.5mm。

圖4 澆注系統(tǒng)及填充時(shí)間

2.4 模擬結(jié)果分析

2.4.1 填充結(jié)果分析

填充分析是對(duì)塑料熔體從開始進(jìn)入型腔直至充滿型腔的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬，其結(jié)果可用于查看塑件的充填行為是否合理，充填是否平衡，能否完成對(duì)塑件的完全填充等，由塑料熔體在型腔中的充填行為來(lái)獲得最佳澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如圖4a所示的方案1的填充時(shí)間為0.7519s，填充完全，型腔填充的時(shí)間差為0.2066s，填充不平衡，會(huì)造成局部過(guò)飽壓而翹曲變形。如圖4b所示的方案2的填充時(shí)間為0.5931 s，充模完全，各方向的料流流程差較小，型腔填充的時(shí)間差為0.0643s，料流平衡。

2.4.2 注射位置處壓力

根據(jù)2種方案設(shè)置澆口的注射位置處壓力圖（圖5）可知，最大注射壓力在60 MPa 內(nèi)，注射處位置壓力相差不大。

圖5 注射位置處壓力圖

2.4.3 氣穴

氣穴指塑料熔體填充型腔時(shí)多股熔體前沿包裹形成的空腔致氣體無(wú)法排出，或熔料填充末端時(shí)因氣體無(wú)法從分型面、排氣槽或鑲件間隙排出而導(dǎo)致填充不足的現(xiàn)象。如圖6所示方案1的氣穴位置大部分處于位于制件的邊緣處，可以從分型面排出，小部分位于制件的內(nèi)表面，較難排出，產(chǎn)生困氣后影響制品質(zhì)量。方案2產(chǎn)生的氣穴位置和方案1大小差不多，基本集中在分型面上，氣體容易通過(guò)分型面的間隙排除，沒(méi)有困氣現(xiàn)象。

圖6 氣穴

綜上分析可知，方案2在塑件表明質(zhì)量、強(qiáng)度、變形等方面都要優(yōu)于方案1，采用方案2作為設(shè)計(jì)方案，其所得塑件質(zhì)量穩(wěn)定、性能均勻、基本滿足塑件成型的工藝要求和使用裝配要求。

2.5 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

冷卻系統(tǒng)直接影響制件的成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率，模溫的波動(dòng)和分布不均勻，或者是模溫的不適合都會(huì)嚴(yán)重影響塑料產(chǎn)品的質(zhì)量。因此設(shè)計(jì)合理的冷卻系統(tǒng)顯得尤為重要。

該制件型腔較深，型芯處需加強(qiáng)冷卻，采用隔板式加強(qiáng)冷卻型芯。型腔的冷卻要考慮側(cè)抽芯及導(dǎo)柱的運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生干涉，在定模上開設(shè)2 道冷卻水路冷卻型腔，冷卻系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 冷卻水路

圖8 產(chǎn)品最高溫度

圖9 冷卻介質(zhì)溫度

進(jìn)行冷卻分析后，如圖8所示，分析結(jié)果顯示產(chǎn)品最高溫度為71.06℃，低于產(chǎn)品的頂出溫度。如圖9所示冷卻介質(zhì)升溫僅有0.20℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于冷卻介質(zhì)溫升應(yīng)小于3℃的要求，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

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10所示，其工作過(guò)程為：開模推出塑件后，動(dòng)模部分由導(dǎo)柱、導(dǎo)套導(dǎo)正、定位后向定模部分閉合，由注射機(jī)鎖緊。注射機(jī)注射時(shí)，塑料熔體經(jīng)過(guò)注射機(jī)噴嘴進(jìn)入澆注系統(tǒng)后充填型腔，待型腔充滿后經(jīng)過(guò)保壓壓力保壓、冷卻后開模。開模時(shí)，模具從分型面打開，圓管由定模角度滑塊實(shí)現(xiàn)管口型芯的抽芯，凹槽由側(cè)耳滑塊實(shí)現(xiàn)側(cè)抽芯，塑件包緊在型芯上隨動(dòng)模部分一起移動(dòng)。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)動(dòng)模部分移動(dòng)到能夠推出塑件時(shí)，推出機(jī)構(gòu)工作將塑件及澆注系統(tǒng)冷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)，復(fù)位桿使推出機(jī)構(gòu)復(fù)位。

圖10 模具裝配圖

4 結(jié)論

根據(jù)汽車水箱蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與使用要求，設(shè)計(jì)采用側(cè)耳滑塊側(cè)抽機(jī)構(gòu)，運(yùn)用UG軟件對(duì)汽車水箱蓋及其模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣可以在設(shè)計(jì)階段將實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題解決，減少試模次數(shù)，縮短了設(shè)計(jì)周期。

利用Moldflow軟件對(duì)汽車水箱蓋塑件的澆口位置的優(yōu)化，可得到流動(dòng)平穩(wěn)，填充時(shí)間較短，氣穴數(shù)目少且易排氣，表面質(zhì)量好的澆注系統(tǒng)方案，合理的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)能大幅減少塑件變形和翹曲現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)模流分析結(jié)果可對(duì)汽車水箱蓋注射模具的結(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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