劉 祺

（吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025）

隨著我國(guó)裝備制造業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、成型、加工等提出了更高的要求.而塑料工業(yè)在機(jī)械、電子、航空航天、家用電器、通信等許多領(lǐng)域的需求量也在逐年增加，[1]并且受到越來越廣泛的重視和應(yīng)用.模具成型在塑料制品行業(yè)中占據(jù)較大比重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，[2]60%～80%的塑料制品都要依靠模具成型，因?yàn)椴捎媚＞呱a(chǎn)具有高生產(chǎn)率、高精度、高一致性、高復(fù)雜程度和低消耗等優(yōu)點(diǎn)，因此，優(yōu)化塑料模具成型對(duì)工業(yè)合理設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造具有重要的理論指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值.

塑料制品工序主要包括塑料制品設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具加工制造和模塑生產(chǎn)等幾個(gè)方面，在實(shí)際生產(chǎn)中需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)師、模具設(shè)計(jì)師、模具加工工藝師及熟練操作工人協(xié)同努力來完成，同時(shí)，也是一個(gè)設(shè)計(jì)、修改、再設(shè)計(jì)的反復(fù)優(yōu)化的過程.目前大多數(shù)設(shè)計(jì)人員主要是依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模具設(shè)計(jì).但由于塑料制品的多樣性、復(fù)雜性和設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)的局限性，[4]長(zhǎng)期以來，工程技術(shù)人員很難精確地設(shè)計(jì)出一套可以減少成本、節(jié)省時(shí)間、提高產(chǎn)品質(zhì)量及合格率的最佳工藝方案.

專業(yè)模具軟件的應(yīng)用使模具設(shè)計(jì)、制造精度、制品成型水平得到了很大提高，主要包括模具三維設(shè)計(jì)、注塑成形模擬、抽芯脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).[4]國(guó)外注塑模具制造業(yè)具有高度集成化、智能化、柔性化和網(wǎng)絡(luò)化特征，大大提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，模具標(biāo)準(zhǔn)化程度達(dá)到70%～80%，[5-6]大大縮短塑料模具設(shè)計(jì)、塑料產(chǎn)品制造周期，降低生產(chǎn)成本，最大限度地提高模具制造業(yè)的應(yīng)變能力滿足用戶需求.

而塑料注塑成型中的缺陷常有溢料、欠注、熔接痕、凹陷及縮痕、氣穴、翹曲及扭曲、裂紋等.[7]我國(guó)傳統(tǒng)的注塑模具設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和直覺，缺乏科學(xué)依據(jù)，很難保證模具設(shè)計(jì)的科學(xué)性，且生產(chǎn)周期較長(zhǎng)成本也較高.

本文針對(duì)塑料注塑成型過程中的關(guān)鍵問題，以計(jì)算機(jī)鍵盤作為研究對(duì)象，基于具有單一數(shù)據(jù)庫(kù)功能Pro/Engineer專業(yè)工程軟件，利用流變學(xué)理論對(duì)塑料裝飾件進(jìn)行科學(xué)的分析，對(duì)鍵盤進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品造型系統(tǒng)化、參數(shù)化，從而得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，為工業(yè)應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ).

1 塑料件的結(jié)構(gòu)及工藝分析

1.1 塑料成型件結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為筆記本鍵盤的結(jié)構(gòu)示意圖，該塑件具有平薄、多孔特征，塑件最大厚度為10mm，平均厚度為5.5mm，每個(gè)排鍵與鍵的間距相等，鍵與鍵的間距也相等.成型零件要求尺寸穩(wěn)定性好，具有一定的耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性好、外形美觀、規(guī)整，能達(dá)到整機(jī)裝配的要求，成型零件的表面無明顯流紋、凹陷、氣泡等不良現(xiàn)象.該塑料件裝配在筆記本電腦的表面，對(duì)表面美觀有很高的要求，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對(duì)外邊面的處理，這些要求給模具的分析、設(shè)計(jì)及制造帶來了一定的難度.

圖1 筆記本電腦鍵盤示意圖

1.2 塑料成型件工藝分析

塑件材料采用ABS樹脂，大批量生產(chǎn).ABS塑料一般不透明還具有一定的耐磨性、耐寒性和耐水性以及化學(xué)穩(wěn)定性.其密度為1.06g/cm3，收縮率：0.4～0.7，預(yù)熱溫度：80～85℃，預(yù)熱時(shí)間：2～3h，料筒溫度：后段150～170℃，中段180～190℃，前段 200～210℃，噴嘴溫度：180～190℃，模具溫度：50～70℃，注射壓力：60～100MPa，吸水率：0.2%～0.8%，容易吸濕，成型前應(yīng)進(jìn)行充分的干燥，干燥至水分含量小于0.2%.沖擊強(qiáng)度：186～330J/m，拉伸強(qiáng)度：34～49MPa，洛氏硬度：62～118HRC，伸長(zhǎng)率 20%～40%，彎曲強(qiáng)度：59～78MPa.

2 塑料熔體流動(dòng)機(jī)理理論

流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，呈現(xiàn)出層流和湍流兩種不同的流動(dòng)狀態(tài).層流特征是流體的質(zhì)點(diǎn)沿著平行于流道軸向的方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，與邊壁等距的液層以同一速度向前移動(dòng)，所有質(zhì)點(diǎn)的流線均相互平行.湍流特征是流體的質(zhì)點(diǎn)除向前運(yùn)動(dòng)外，還在主流道的橫向上作不規(guī)則的任意運(yùn)動(dòng).

在注塑成型中，塑料由固態(tài)經(jīng)加熱變?yōu)橐簯B(tài)，又從液態(tài)經(jīng)過冷卻變?yōu)楣虘B(tài)，這個(gè)過程始終伴隨著能量的交換，能量守恒方程為：[8-9]

塑料熔體的流動(dòng)過程，除了粘性流動(dòng)外，還伴隨著彈性變形及一系列松弛現(xiàn)象，僅用以上的守恒定律不足以確定其流動(dòng)和變形，還必須找出應(yīng)力和應(yīng)變的本構(gòu)方程.

流體的一些性質(zhì)是位置和時(shí)間的函數(shù).連續(xù)性方程用來表示因流量的變化引起的流體內(nèi)某個(gè)點(diǎn)上瞬時(shí)密度的改變.其形式如下：

為模擬注射成型過程，要建立材料的狀態(tài)方程，其形式如下：

式中：R為氣體常數(shù)，T為流體溫度，W為流體壓力，p*為Cohesion壓力，b*為分子的固有體積.

3 澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

3.1 主流道的設(shè)計(jì)

主流道通常位于模具中心塑料熔體的入口處，它將注射機(jī)噴嘴射出的熔體導(dǎo)入型腔中.其主要的形狀為圓錐形，以便于熔體的流動(dòng)和開模使主流道凝料順利拔出.

3.2 最佳澆口分析

澆口是連接流道與型腔之間的一段通道，它是澆注系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，澆口的位置對(duì)塑件的質(zhì)量具有很大的影響.澆口的形狀、位置和尺寸對(duì)塑料件的質(zhì)量影響較大.澆口太大，造成注射速度損傷嚴(yán)重，熔體溫度下降，制品可能產(chǎn)生明顯的熔接痕和表面云集現(xiàn)象，成型后澆口痕會(huì)影響外觀，澆口凝固時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)，且不易除去.為了避免這些缺陷，選擇直接澆口，澆口截面取為圓形.

澆口位置是注塑模具的最重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，一般要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來選擇，并且通過樣機(jī)不斷調(diào)試和修正，這樣大大增加設(shè)計(jì)成本和生產(chǎn)周期.本文以澆口成型試件在中心位置、左側(cè)位置和全局位置作為研究點(diǎn)，分別對(duì)注塑可信度、產(chǎn)生氣泡、沉痕、裂痕和填充速度進(jìn)行仿真分析研究.

圖2 注塑成型中可信度分析

圖3 汽泡數(shù)量分析比較圖

圖4 沉痕比較分析圖

圖5 裂痕分析比較圖

圖6 物料填充時(shí)間分析對(duì)比圖

圖2是不同澆注口位置成型件的可信度分析對(duì)比圖，從圖中可以看出，改變澆注口的位置，成型件的可信度都比較高，所以無法優(yōu)化注塑成型設(shè)計(jì).從圖3中的成型件所產(chǎn)生氣泡數(shù)量對(duì)比分析圖可以看出，左側(cè)澆口產(chǎn)生的氣泡少，而中心澆口和全局澆口所產(chǎn)生的氣泡數(shù)量相差不大.圖4給出了不同澆口沉痕分析比較圖，并且得到熔接痕的具體位置，這將引導(dǎo)在模具設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量消除熔接痕，從圖中可以進(jìn)一步看出，中心澆口與左側(cè)澆口在四周產(chǎn)生的沉痕量比較多，而全局澆口產(chǎn)生的沉痕最少.

塑料成型件經(jīng)過高壓注射，使得物料向模具型腔流動(dòng)，注射完成進(jìn)行保壓冷卻，但是在塑件成型以后，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致塑件在冷卻過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的裂痕，嚴(yán)重影響成型件的質(zhì)量，圖5分析了三種澆口時(shí)成型件產(chǎn)生裂痕情況，由圖中對(duì)比可以看出，全局澆口方案的澆注使得成型件產(chǎn)生的裂痕最少，但是為了進(jìn)一步提高成型件的質(zhì)量，需要對(duì)澆注壓力、澆注溫度等參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化.

在注塑的填充階段，必須控制好對(duì)融料的注射速度以使注塑件達(dá)到產(chǎn)品的最佳性能.在產(chǎn)品壁厚和塑料特性允許的情況下，應(yīng)用較快的注射速度.通常來說薄壁注塑件需要快的速度以確保填充飽滿，而厚壁件則需要慢的注塑速度以防止空穴的形成，但是過快的注射速度易使原料過熱，融料在流動(dòng)的過程內(nèi)產(chǎn)生很大的剪切應(yīng)力，融料結(jié)合型腔難排除空氣，甚至產(chǎn)生燃燒而碳化變黑，而注射速度過低產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)填充不滿等缺陷.圖6分析了不同進(jìn)澆口的填充時(shí)間，由圖中可以看出，選擇左側(cè)澆口使得右側(cè)大面積無法澆注成型，中心澆口和全局澆口所用澆注時(shí)間較短，并且全局澆注質(zhì)量較好.

綜上所述，左側(cè)澆口在控制氣泡上比較有優(yōu)勢(shì)，但在沉痕和裂痕方面有很大的缺陷，將影響塑料件的表面美觀.采用全局澆口時(shí)，各個(gè)方面參數(shù)表現(xiàn)最優(yōu)，所以選擇全局澆口方案進(jìn)行塑件的成型澆注.

4 結(jié) 論

我國(guó)的注塑模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)正朝著數(shù)字化方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)外一些通用或?qū)Ｓ密浖貏e是模具成型零件方面的軟件都得到了比較普遍的應(yīng)用.本文以筆記本鍵盤的成型澆注系統(tǒng)為分析對(duì)象，通過運(yùn)用PRO/Engineer專業(yè)軟件對(duì)成型件不同澆口位置的可信度、產(chǎn)生氣泡、沉痕、裂痕和填充速度進(jìn)行仿真分析研究，進(jìn)一步優(yōu)化了模具設(shè)計(jì)，指出了在塑件成型過程中出現(xiàn)的可能缺陷，為模具設(shè)計(jì)提供有力的理論指導(dǎo)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值.

[1]李和平，肖根福.模具技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)綜迷[J].井岡山學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，27(2)：46-49.

[2] 鄭涌.模具行業(yè)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].科技信息，2007，(4)：64-64.

[3]劉昌祺，主編.塑料模具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[4]周應(yīng)國(guó).工藝參數(shù)對(duì)注塑制品翹曲影響的CAE分析[J].工程塑料應(yīng)用，2006，34(11)：28-31.

[5]NAGAOKA S C，HIROTA T，TOGAWA Y.New method of designing runner system for injection mold using CAO technique[J].Annual Technical Conference ANTEC，Conference Proceedings，2004：3438-3442.

[6]HASAN K，TTMCAY E.Efficient warpage optimization of t hin shell plastic parts using response surface methodofogy and genetic algorithm[J].Advanced Manufacturing Technology，2006，27(1)：5-6.

[7]宋滿倉(cāng)，劉柱.超薄塑件注塑成型特性的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44(8)：148-151.

[8]尚欣.薄壁塑件的注射成型數(shù)值模擬及模具優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].重慶：重慶理工大學(xué)，2011.

[9]王利霞，劉春太，劉曉峰，等.注塑模流動(dòng)分析[J].鄭州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，16(2)：101-103.

[10]黃虹，塑料成型加工與模具[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.