大型注塑模具設(shè)計及應(yīng)用技術(shù)研究

胡昌芳

【摘 要】 隨著塑料工業(yè)與汽車、航天航空及家用電器行業(yè)的不斷發(fā)展，使得大型塑件也受到越來越廣泛的重視和應(yīng)用，相應(yīng)地對大型注塑模具的設(shè)計也提出了更高的要求。本文以大型塑件某工程機械儀表板為對象，主要應(yīng)用了熱流道技術(shù)、注塑模CAE技術(shù)、注塑成型工藝優(yōu)化技術(shù)，重點對其模具關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及注塑成型工藝兩個方面進(jìn)行了設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】 大型注塑模具 設(shè)計應(yīng)用

1 大型注塑模具應(yīng)用技術(shù)

1.1 注塑成型技術(shù)

熱流道技術(shù)及氣輔成型技術(shù)是大型注塑模具中最常用的注塑成型方法。熱流道技術(shù)是指在注塑模澆注系統(tǒng)的附近或中心設(shè)有加熱棒和加熱圈，通過加熱系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)精確控制塑料的溫度，使從注塑機噴嘴送往澆口的這一段熱流道中的塑料始終保持熔融狀態(tài)，開模時不需要將熱流道中的凝料隨制品一同取出，而使其滯留在澆注系統(tǒng)中保持熔融，在下一次注塑成型時即可再次被注入型腔中。

1.2 注塑模CAE技術(shù)

注塑模CAE技術(shù)即注塑成型數(shù)值模擬技術(shù)，它根據(jù)塑料加工流變學(xué)和傳熱學(xué)等基本理論建立起塑料焰體在成型過程中的流動、傳熱等的物理數(shù)學(xué)模型，并以此進(jìn)行求解，利用計算機的可視化技術(shù)，形象、直觀地模擬出實際成型中流體的流動、冷卻等過程，并定量描述成型過程中的速度、壓力和溫度等狀態(tài)參數(shù)，以使設(shè)計人員在試模之前就可以對注塑成型過程進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)可能的缺陷以便及時作出調(diào)整。因此，注塑模CAE技術(shù)的運用帶來的直接好處是省時省力，減少試模、修模次數(shù)和模具報廢率，縮短模具設(shè)計制造周期，降低成本，提高制品質(zhì)量。特別是對于設(shè)計制造周期長、成本高、成型過程問題多的大型、精密、復(fù)雜中高檔模具來說，注塑模CAE技術(shù)的優(yōu)越性更是不言而喻的（如圖1）。

2 大型注塑模具的設(shè)計

注塑模具可分為動模和定模兩大部分，動模安裝在注塑機的移動模板上，定模安裝在注塑機的固定板上，通過注塑機的開模閉模完成注塑過程。按功能劃分，注塑模具通常由成型部分、澆注系統(tǒng)、導(dǎo)向機構(gòu)、側(cè)向分型與抽芯機構(gòu)、推出機構(gòu)、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、支撐零部件等結(jié)構(gòu)組成，現(xiàn)分別介紹如下：（1）成型部分。它由凸模（型芯）、四模（型腔）以及嵌件和鑲塊等成型部分是指與塑件直接接觸、成型塑件內(nèi)表面和外表面的模具部分，它由凸模（型芯）、四模（型腔）以及嵌件和鑲塊等組成組成。圖示模具中，模腔由動模板1、定模板2等組成。大型注塑模具常采用組合式的型腔和型芯結(jié)構(gòu)，某些結(jié)構(gòu)還可以做成局部鑲嵌式，以便加工。（2）澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)通常包括主分流道、澆口及冷料穴等。澆注系統(tǒng)對塑料熔體充模情況、排氣溢流、模具的壓力傳遞等起到重要作用。大型注塑模因其塑件外形尺寸大、塑料熔體充填流程長等特點，大多采用1模1腔、多點進(jìn)澆方式。（3）導(dǎo)向機構(gòu)。注塑模的導(dǎo)向機構(gòu)主要作用是確保動、定模之間的正確導(dǎo)向和定位。導(dǎo)向機構(gòu)包括導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向機構(gòu)與內(nèi)外錐面定位導(dǎo)向機構(gòu)兩種形式。圖示導(dǎo)向機構(gòu)由導(dǎo)柱8和導(dǎo)套9組成。大中型模具由于在注塑過程中成型壓力大，常在動、定模板外側(cè)開設(shè)錐面定位結(jié)構(gòu)，而且推出機構(gòu)也設(shè)置導(dǎo)向機構(gòu)。（4）抽芯機構(gòu)。側(cè)向具有四凸形狀孔或凸臺的塑件在脫模之前，必須先抽出側(cè)向型芯或側(cè)向成型塊，然后才能被完全推出，脫離模具。帶動側(cè)向型芯或側(cè)向成型塊移動的機構(gòu)即為抽芯機構(gòu)，常用的有斜導(dǎo)柱、斜滑塊、彎銷等抽芯機構(gòu)，大型注塑模具由于塑件需要的抽拔力較大常采用液壓抽芯機構(gòu)。（5）推出機構(gòu)。推出機構(gòu)是將成型后的塑件從模具中推出的裝置，主要由推桿、復(fù)位桿、推桿固定板、推板、墊塊、主流道拉料桿等構(gòu)成。圖中的推出機構(gòu)由推板13，推桿固定板14、拉料桿15、推板導(dǎo)柱16、推板導(dǎo)套17、推桿18和復(fù)位桿19等零件組成。在設(shè)計大型注塑模的推出機構(gòu)時，除滿足中小型模具的一般準(zhǔn)則外，還必須保證推出機構(gòu)中設(shè)有使推出板運動靈活、剛度足夠的導(dǎo)向柱。（6）溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。注塑模具通常只需用冷卻系統(tǒng)維持模具溫度為某一適當(dāng)值，但對大型注塑模具來說，為提高塑件的質(zhì)量，注塑前需對模具預(yù)熱。因此，大型注塑模具一般既要有冷卻系統(tǒng)（例圖中的冷卻水路3），又要有加熱裝置對模具預(yù)熱。（7）排氣系統(tǒng)。通?？梢栽诜中兔嫔祥_設(shè)排氣溝槽或利用模具推奸、活動型芯與模板之間的配合間隙進(jìn)行排氣。小型塑件的排氣量不大，可直接通過上述方式排氣。而大型注塑模具澆注系統(tǒng)和型腔體積很大，積存的氣體也多，危害性更大，所以大型注塑模具的排氣要求較高，除了利用常規(guī)方法排氣外，還要設(shè)置專用的排氣槽。（8）支撐零部件。圖中的支撐零部件有定模座板4、動模座板10、支撐塊11和墊塊20等。大型注塑模具要承受較大壓力，易產(chǎn)生彈 性變形，因此支撐零部件不僅要進(jìn)行強度校核，還得滿足剛度要求。

總之，大型注塑模具往往帶有多個抽芯機構(gòu)、鑲塊等結(jié)構(gòu)，復(fù)雜的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、制造要求高，難度大。

3 注塑模具設(shè)計在儀表板中的應(yīng)用

本文的研究對象是某工程機械儀表板，由于儀表板原料及制品結(jié)構(gòu)已經(jīng)設(shè)定，所以本文重點從模具設(shè)計及注塑工藝兩個方面展開對大型注塑模具的設(shè)計研究，設(shè)計的儀表板模具應(yīng)盡量避免或減少上述問題的產(chǎn)生。

3.1 模具主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案

整個注塑成型過程包括充填、保壓、冷卻和幵模四個階段，其中，充填和冷卻這兩個環(huán)節(jié)主要是以模具中的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)為載體來進(jìn)行的，它們對塑件的成型質(zhì)量、成型周期以及使用設(shè)備的要求等都有最重要的影響。因此，澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計是模具設(shè)計中最重要的環(huán)節(jié)，也是衡量模具設(shè)計成功與否的兩個關(guān)鍵因素。對于價格昂貴、試模成本高、生產(chǎn)周期長、注塑過程問題多的大型注塑模具來說，澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計更具有現(xiàn)實意義，需要考慮的問題也更多。

3.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計方案

澆注系統(tǒng)在注塑模中起著傳質(zhì)與傳熱雙重作用。澆注系統(tǒng)設(shè)計合理與否直接影響著熔體充模的難易程度、充模時的流動狀態(tài)、塑件的成型質(zhì)量以及能否順利開模等。儀表板外形尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熔體充填流程長，注塑過程中容易出現(xiàn)充填困難，充填不均的現(xiàn)象，直接影響了塑件的成型質(zhì)量?？紤]到熱流道技術(shù)可以很好地改善熔體的充填情況，因此，為了保證塑件質(zhì)量，模具一次設(shè)計、試模成功，本文的大型注塑模具澆注系統(tǒng)擬采用多點進(jìn)澆、冷熱流道結(jié)合的方式，并借助業(yè)內(nèi)廣為采用的注塑模CAE軟件Moldflow進(jìn)行輔助設(shè)計，確定各部分尺寸參數(shù)。

3.3 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計方案

整個注塑成型過程中，除了注塑開始時可能的預(yù)熱需要，模具溫度主要是由冷卻系統(tǒng)控制的，塑料制品在型腔中的冷卻時間要占整個成型周期的70%—80%，模具型腔溫度的高低及溫度的均勻性也對塑件質(zhì)量有重要影響。因此，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計合理與否直接影響著塑件質(zhì)量以及生產(chǎn)效率。為了保證制品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，本文根據(jù)大型注塑模具冷卻系統(tǒng)的冷卻需要，模具型芯采用隔板式冷卻方式，型腔采用直通式冷卻方式，借助Moldflow進(jìn)行輔助設(shè)計，確定各部分尺寸參數(shù)。

3.4 注塑成型工藝的設(shè)計方案

由前所述，注塑成型工藝也對成型過程有重要影響，因此，通過調(diào)整注塑工藝來改善塑件質(zhì)量的方法對價格昂貴的大型注塑模具非常經(jīng)濟方便。可是注塑成型的非線性、多變量等特性使得其成型工藝的設(shè)置非常困難，靠試湊法調(diào)整工藝參數(shù)的傳統(tǒng)優(yōu)化方法的優(yōu)化效率、優(yōu)化程度都不高，因此非常有必要采用先進(jìn)的設(shè)計方法對注塑工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

本文將優(yōu)化技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合對注塑成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，擬采用Taguchi實驗設(shè)計方法對工藝參數(shù)進(jìn)行了初步優(yōu)化，然后以Taguchi正交試驗矩陣為樣本數(shù)據(jù)，應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立工藝參數(shù)和質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)系模型，并用遺傳算法對該關(guān)系模型進(jìn)行優(yōu)化，以得到工藝參數(shù)的全局最優(yōu)解。

參考文獻(xiàn)：

[1]花杏華.大型塑件注射模結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個要點[J].模具制造，2004（4）：37-38.

[2]錢宇強，肖小亭等.大型注塑模具的設(shè)計[J].塑料工業(yè)，2007（11）：43-45.

[3]張惠敏，陳連帥.大型薄壁塑件翹曲變形分析及工藝參數(shù)優(yōu)化[J].機械，2011（2）：73-76.

[4]嚴(yán)志云，謝鵬程.注射成型典型缺陷形成的原因及解決措施[J].模具制造，010（3）：60-69.endprint

【摘 要】 隨著塑料工業(yè)與汽車、航天航空及家用電器行業(yè)的不斷發(fā)展，使得大型塑件也受到越來越廣泛的重視和應(yīng)用，相應(yīng)地對大型注塑模具的設(shè)計也提出了更高的要求。本文以大型塑件某工程機械儀表板為對象，主要應(yīng)用了熱流道技術(shù)、注塑模CAE技術(shù)、注塑成型工藝優(yōu)化技術(shù)，重點對其模具關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及注塑成型工藝兩個方面進(jìn)行了設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】 大型注塑模具 設(shè)計應(yīng)用

1 大型注塑模具應(yīng)用技術(shù)

1.1 注塑成型技術(shù)

熱流道技術(shù)及氣輔成型技術(shù)是大型注塑模具中最常用的注塑成型方法。熱流道技術(shù)是指在注塑模澆注系統(tǒng)的附近或中心設(shè)有加熱棒和加熱圈，通過加熱系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)精確控制塑料的溫度，使從注塑機噴嘴送往澆口的這一段熱流道中的塑料始終保持熔融狀態(tài)，開模時不需要將熱流道中的凝料隨制品一同取出，而使其滯留在澆注系統(tǒng)中保持熔融，在下一次注塑成型時即可再次被注入型腔中。

1.2 注塑模CAE技術(shù)

注塑模CAE技術(shù)即注塑成型數(shù)值模擬技術(shù)，它根據(jù)塑料加工流變學(xué)和傳熱學(xué)等基本理論建立起塑料焰體在成型過程中的流動、傳熱等的物理數(shù)學(xué)模型，并以此進(jìn)行求解，利用計算機的可視化技術(shù)，形象、直觀地模擬出實際成型中流體的流動、冷卻等過程，并定量描述成型過程中的速度、壓力和溫度等狀態(tài)參數(shù)，以使設(shè)計人員在試模之前就可以對注塑成型過程進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)可能的缺陷以便及時作出調(diào)整。因此，注塑模CAE技術(shù)的運用帶來的直接好處是省時省力，減少試模、修模次數(shù)和模具報廢率，縮短模具設(shè)計制造周期，降低成本，提高制品質(zhì)量。特別是對于設(shè)計制造周期長、成本高、成型過程問題多的大型、精密、復(fù)雜中高檔模具來說，注塑模CAE技術(shù)的優(yōu)越性更是不言而喻的（如圖1）。

2 大型注塑模具的設(shè)計

注塑模具可分為動模和定模兩大部分，動模安裝在注塑機的移動模板上，定模安裝在注塑機的固定板上，通過注塑機的開模閉模完成注塑過程。按功能劃分，注塑模具通常由成型部分、澆注系統(tǒng)、導(dǎo)向機構(gòu)、側(cè)向分型與抽芯機構(gòu)、推出機構(gòu)、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、支撐零部件等結(jié)構(gòu)組成，現(xiàn)分別介紹如下：（1）成型部分。它由凸模（型芯）、四模（型腔）以及嵌件和鑲塊等成型部分是指與塑件直接接觸、成型塑件內(nèi)表面和外表面的模具部分，它由凸模（型芯）、四模（型腔）以及嵌件和鑲塊等組成組成。圖示模具中，模腔由動模板1、定模板2等組成。大型注塑模具常采用組合式的型腔和型芯結(jié)構(gòu)，某些結(jié)構(gòu)還可以做成局部鑲嵌式，以便加工。（2）澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)通常包括主分流道、澆口及冷料穴等。澆注系統(tǒng)對塑料熔體充模情況、排氣溢流、模具的壓力傳遞等起到重要作用。大型注塑模因其塑件外形尺寸大、塑料熔體充填流程長等特點，大多采用1模1腔、多點進(jìn)澆方式。（3）導(dǎo)向機構(gòu)。注塑模的導(dǎo)向機構(gòu)主要作用是確保動、定模之間的正確導(dǎo)向和定位。導(dǎo)向機構(gòu)包括導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向機構(gòu)與內(nèi)外錐面定位導(dǎo)向機構(gòu)兩種形式。圖示導(dǎo)向機構(gòu)由導(dǎo)柱8和導(dǎo)套9組成。大中型模具由于在注塑過程中成型壓力大，常在動、定模板外側(cè)開設(shè)錐面定位結(jié)構(gòu)，而且推出機構(gòu)也設(shè)置導(dǎo)向機構(gòu)。（4）抽芯機構(gòu)。側(cè)向具有四凸形狀孔或凸臺的塑件在脫模之前，必須先抽出側(cè)向型芯或側(cè)向成型塊，然后才能被完全推出，脫離模具。帶動側(cè)向型芯或側(cè)向成型塊移動的機構(gòu)即為抽芯機構(gòu)，常用的有斜導(dǎo)柱、斜滑塊、彎銷等抽芯機構(gòu)，大型注塑模具由于塑件需要的抽拔力較大常采用液壓抽芯機構(gòu)。（5）推出機構(gòu)。推出機構(gòu)是將成型后的塑件從模具中推出的裝置，主要由推桿、復(fù)位桿、推桿固定板、推板、墊塊、主流道拉料桿等構(gòu)成。圖中的推出機構(gòu)由推板13，推桿固定板14、拉料桿15、推板導(dǎo)柱16、推板導(dǎo)套17、推桿18和復(fù)位桿19等零件組成。在設(shè)計大型注塑模的推出機構(gòu)時，除滿足中小型模具的一般準(zhǔn)則外，還必須保證推出機構(gòu)中設(shè)有使推出板運動靈活、剛度足夠的導(dǎo)向柱。（6）溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。注塑模具通常只需用冷卻系統(tǒng)維持模具溫度為某一適當(dāng)值，但對大型注塑模具來說，為提高塑件的質(zhì)量，注塑前需對模具預(yù)熱。因此，大型注塑模具一般既要有冷卻系統(tǒng)（例圖中的冷卻水路3），又要有加熱裝置對模具預(yù)熱。（7）排氣系統(tǒng)。通?？梢栽诜中兔嫔祥_設(shè)排氣溝槽或利用模具推奸、活動型芯與模板之間的配合間隙進(jìn)行排氣。小型塑件的排氣量不大，可直接通過上述方式排氣。而大型注塑模具澆注系統(tǒng)和型腔體積很大，積存的氣體也多，危害性更大，所以大型注塑模具的排氣要求較高，除了利用常規(guī)方法排氣外，還要設(shè)置專用的排氣槽。（8）支撐零部件。圖中的支撐零部件有定模座板4、動模座板10、支撐塊11和墊塊20等。大型注塑模具要承受較大壓力，易產(chǎn)生彈 性變形，因此支撐零部件不僅要進(jìn)行強度校核，還得滿足剛度要求。

總之，大型注塑模具往往帶有多個抽芯機構(gòu)、鑲塊等結(jié)構(gòu)，復(fù)雜的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、制造要求高，難度大。

3 注塑模具設(shè)計在儀表板中的應(yīng)用

本文的研究對象是某工程機械儀表板，由于儀表板原料及制品結(jié)構(gòu)已經(jīng)設(shè)定，所以本文重點從模具設(shè)計及注塑工藝兩個方面展開對大型注塑模具的設(shè)計研究，設(shè)計的儀表板模具應(yīng)盡量避免或減少上述問題的產(chǎn)生。

3.1 模具主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案

整個注塑成型過程包括充填、保壓、冷卻和幵模四個階段，其中，充填和冷卻這兩個環(huán)節(jié)主要是以模具中的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)為載體來進(jìn)行的，它們對塑件的成型質(zhì)量、成型周期以及使用設(shè)備的要求等都有最重要的影響。因此，澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計是模具設(shè)計中最重要的環(huán)節(jié)，也是衡量模具設(shè)計成功與否的兩個關(guān)鍵因素。對于價格昂貴、試模成本高、生產(chǎn)周期長、注塑過程問題多的大型注塑模具來說，澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計更具有現(xiàn)實意義，需要考慮的問題也更多。

3.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計方案

澆注系統(tǒng)在注塑模中起著傳質(zhì)與傳熱雙重作用。澆注系統(tǒng)設(shè)計合理與否直接影響著熔體充模的難易程度、充模時的流動狀態(tài)、塑件的成型質(zhì)量以及能否順利開模等。儀表板外形尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熔體充填流程長，注塑過程中容易出現(xiàn)充填困難，充填不均的現(xiàn)象，直接影響了塑件的成型質(zhì)量?？紤]到熱流道技術(shù)可以很好地改善熔體的充填情況，因此，為了保證塑件質(zhì)量，模具一次設(shè)計、試模成功，本文的大型注塑模具澆注系統(tǒng)擬采用多點進(jìn)澆、冷熱流道結(jié)合的方式，并借助業(yè)內(nèi)廣為采用的注塑模CAE軟件Moldflow進(jìn)行輔助設(shè)計，確定各部分尺寸參數(shù)。

3.3 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計方案

整個注塑成型過程中，除了注塑開始時可能的預(yù)熱需要，模具溫度主要是由冷卻系統(tǒng)控制的，塑料制品在型腔中的冷卻時間要占整個成型周期的70%—80%，模具型腔溫度的高低及溫度的均勻性也對塑件質(zhì)量有重要影響。因此，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計合理與否直接影響著塑件質(zhì)量以及生產(chǎn)效率。為了保證制品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，本文根據(jù)大型注塑模具冷卻系統(tǒng)的冷卻需要，模具型芯采用隔板式冷卻方式，型腔采用直通式冷卻方式，借助Moldflow進(jìn)行輔助設(shè)計，確定各部分尺寸參數(shù)。

3.4 注塑成型工藝的設(shè)計方案

由前所述，注塑成型工藝也對成型過程有重要影響，因此，通過調(diào)整注塑工藝來改善塑件質(zhì)量的方法對價格昂貴的大型注塑模具非常經(jīng)濟方便?？墒亲⑺艹尚偷姆蔷€性、多變量等特性使得其成型工藝的設(shè)置非常困難，靠試湊法調(diào)整工藝參數(shù)的傳統(tǒng)優(yōu)化方法的優(yōu)化效率、優(yōu)化程度都不高，因此非常有必要采用先進(jìn)的設(shè)計方法對注塑工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

本文將優(yōu)化技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合對注塑成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，擬采用Taguchi實驗設(shè)計方法對工藝參數(shù)進(jìn)行了初步優(yōu)化，然后以Taguchi正交試驗矩陣為樣本數(shù)據(jù)，應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立工藝參數(shù)和質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)系模型，并用遺傳算法對該關(guān)系模型進(jìn)行優(yōu)化，以得到工藝參數(shù)的全局最優(yōu)解。

參考文獻(xiàn)：

[1]花杏華.大型塑件注射模結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個要點[J].模具制造，2004（4）：37-38.

[2]錢宇強，肖小亭等.大型注塑模具的設(shè)計[J].塑料工業(yè)，2007（11）：43-45.

[3]張惠敏，陳連帥.大型薄壁塑件翹曲變形分析及工藝參數(shù)優(yōu)化[J].機械，2011（2）：73-76.

[4]嚴(yán)志云，謝鵬程.注射成型典型缺陷形成的原因及解決措施[J].模具制造，010（3）：60-69.endprint

【摘 要】 隨著塑料工業(yè)與汽車、航天航空及家用電器行業(yè)的不斷發(fā)展，使得大型塑件也受到越來越廣泛的重視和應(yīng)用，相應(yīng)地對大型注塑模具的設(shè)計也提出了更高的要求。本文以大型塑件某工程機械儀表板為對象，主要應(yīng)用了熱流道技術(shù)、注塑模CAE技術(shù)、注塑成型工藝優(yōu)化技術(shù)，重點對其模具關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及注塑成型工藝兩個方面進(jìn)行了設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】 大型注塑模具 設(shè)計應(yīng)用

1 大型注塑模具應(yīng)用技術(shù)

1.1 注塑成型技術(shù)

熱流道技術(shù)及氣輔成型技術(shù)是大型注塑模具中最常用的注塑成型方法。熱流道技術(shù)是指在注塑模澆注系統(tǒng)的附近或中心設(shè)有加熱棒和加熱圈，通過加熱系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)精確控制塑料的溫度，使從注塑機噴嘴送往澆口的這一段熱流道中的塑料始終保持熔融狀態(tài)，開模時不需要將熱流道中的凝料隨制品一同取出，而使其滯留在澆注系統(tǒng)中保持熔融，在下一次注塑成型時即可再次被注入型腔中。

1.2 注塑模CAE技術(shù)

注塑模CAE技術(shù)即注塑成型數(shù)值模擬技術(shù)，它根據(jù)塑料加工流變學(xué)和傳熱學(xué)等基本理論建立起塑料焰體在成型過程中的流動、傳熱等的物理數(shù)學(xué)模型，并以此進(jìn)行求解，利用計算機的可視化技術(shù)，形象、直觀地模擬出實際成型中流體的流動、冷卻等過程，并定量描述成型過程中的速度、壓力和溫度等狀態(tài)參數(shù)，以使設(shè)計人員在試模之前就可以對注塑成型過程進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)可能的缺陷以便及時作出調(diào)整。因此，注塑模CAE技術(shù)的運用帶來的直接好處是省時省力，減少試模、修模次數(shù)和模具報廢率，縮短模具設(shè)計制造周期，降低成本，提高制品質(zhì)量。特別是對于設(shè)計制造周期長、成本高、成型過程問題多的大型、精密、復(fù)雜中高檔模具來說，注塑模CAE技術(shù)的優(yōu)越性更是不言而喻的（如圖1）。

2 大型注塑模具的設(shè)計

注塑模具可分為動模和定模兩大部分，動模安裝在注塑機的移動模板上，定模安裝在注塑機的固定板上，通過注塑機的開模閉模完成注塑過程。按功能劃分，注塑模具通常由成型部分、澆注系統(tǒng)、導(dǎo)向機構(gòu)、側(cè)向分型與抽芯機構(gòu)、推出機構(gòu)、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、支撐零部件等結(jié)構(gòu)組成，現(xiàn)分別介紹如下：（1）成型部分。它由凸模（型芯）、四模（型腔）以及嵌件和鑲塊等成型部分是指與塑件直接接觸、成型塑件內(nèi)表面和外表面的模具部分，它由凸模（型芯）、四模（型腔）以及嵌件和鑲塊等組成組成。圖示模具中，模腔由動模板1、定模板2等組成。大型注塑模具常采用組合式的型腔和型芯結(jié)構(gòu)，某些結(jié)構(gòu)還可以做成局部鑲嵌式，以便加工。（2）澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)通常包括主分流道、澆口及冷料穴等。澆注系統(tǒng)對塑料熔體充模情況、排氣溢流、模具的壓力傳遞等起到重要作用。大型注塑模因其塑件外形尺寸大、塑料熔體充填流程長等特點，大多采用1模1腔、多點進(jìn)澆方式。（3）導(dǎo)向機構(gòu)。注塑模的導(dǎo)向機構(gòu)主要作用是確保動、定模之間的正確導(dǎo)向和定位。導(dǎo)向機構(gòu)包括導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向機構(gòu)與內(nèi)外錐面定位導(dǎo)向機構(gòu)兩種形式。圖示導(dǎo)向機構(gòu)由導(dǎo)柱8和導(dǎo)套9組成。大中型模具由于在注塑過程中成型壓力大，常在動、定模板外側(cè)開設(shè)錐面定位結(jié)構(gòu)，而且推出機構(gòu)也設(shè)置導(dǎo)向機構(gòu)。（4）抽芯機構(gòu)。側(cè)向具有四凸形狀孔或凸臺的塑件在脫模之前，必須先抽出側(cè)向型芯或側(cè)向成型塊，然后才能被完全推出，脫離模具。帶動側(cè)向型芯或側(cè)向成型塊移動的機構(gòu)即為抽芯機構(gòu)，常用的有斜導(dǎo)柱、斜滑塊、彎銷等抽芯機構(gòu)，大型注塑模具由于塑件需要的抽拔力較大常采用液壓抽芯機構(gòu)。（5）推出機構(gòu)。推出機構(gòu)是將成型后的塑件從模具中推出的裝置，主要由推桿、復(fù)位桿、推桿固定板、推板、墊塊、主流道拉料桿等構(gòu)成。圖中的推出機構(gòu)由推板13，推桿固定板14、拉料桿15、推板導(dǎo)柱16、推板導(dǎo)套17、推桿18和復(fù)位桿19等零件組成。在設(shè)計大型注塑模的推出機構(gòu)時，除滿足中小型模具的一般準(zhǔn)則外，還必須保證推出機構(gòu)中設(shè)有使推出板運動靈活、剛度足夠的導(dǎo)向柱。（6）溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。注塑模具通常只需用冷卻系統(tǒng)維持模具溫度為某一適當(dāng)值，但對大型注塑模具來說，為提高塑件的質(zhì)量，注塑前需對模具預(yù)熱。因此，大型注塑模具一般既要有冷卻系統(tǒng)（例圖中的冷卻水路3），又要有加熱裝置對模具預(yù)熱。（7）排氣系統(tǒng)。通?？梢栽诜中兔嫔祥_設(shè)排氣溝槽或利用模具推奸、活動型芯與模板之間的配合間隙進(jìn)行排氣。小型塑件的排氣量不大，可直接通過上述方式排氣。而大型注塑模具澆注系統(tǒng)和型腔體積很大，積存的氣體也多，危害性更大，所以大型注塑模具的排氣要求較高，除了利用常規(guī)方法排氣外，還要設(shè)置專用的排氣槽。（8）支撐零部件。圖中的支撐零部件有定模座板4、動模座板10、支撐塊11和墊塊20等。大型注塑模具要承受較大壓力，易產(chǎn)生彈 性變形，因此支撐零部件不僅要進(jìn)行強度校核，還得滿足剛度要求。

總之，大型注塑模具往往帶有多個抽芯機構(gòu)、鑲塊等結(jié)構(gòu)，復(fù)雜的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、制造要求高，難度大。

3 注塑模具設(shè)計在儀表板中的應(yīng)用

本文的研究對象是某工程機械儀表板，由于儀表板原料及制品結(jié)構(gòu)已經(jīng)設(shè)定，所以本文重點從模具設(shè)計及注塑工藝兩個方面展開對大型注塑模具的設(shè)計研究，設(shè)計的儀表板模具應(yīng)盡量避免或減少上述問題的產(chǎn)生。

3.1 模具主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案

整個注塑成型過程包括充填、保壓、冷卻和幵模四個階段，其中，充填和冷卻這兩個環(huán)節(jié)主要是以模具中的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)為載體來進(jìn)行的，它們對塑件的成型質(zhì)量、成型周期以及使用設(shè)備的要求等都有最重要的影響。因此，澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計是模具設(shè)計中最重要的環(huán)節(jié)，也是衡量模具設(shè)計成功與否的兩個關(guān)鍵因素。對于價格昂貴、試模成本高、生產(chǎn)周期長、注塑過程問題多的大型注塑模具來說，澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計更具有現(xiàn)實意義，需要考慮的問題也更多。

3.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計方案

澆注系統(tǒng)在注塑模中起著傳質(zhì)與傳熱雙重作用。澆注系統(tǒng)設(shè)計合理與否直接影響著熔體充模的難易程度、充模時的流動狀態(tài)、塑件的成型質(zhì)量以及能否順利開模等。儀表板外形尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熔體充填流程長，注塑過程中容易出現(xiàn)充填困難，充填不均的現(xiàn)象，直接影響了塑件的成型質(zhì)量。考慮到熱流道技術(shù)可以很好地改善熔體的充填情況，因此，為了保證塑件質(zhì)量，模具一次設(shè)計、試模成功，本文的大型注塑模具澆注系統(tǒng)擬采用多點進(jìn)澆、冷熱流道結(jié)合的方式，并借助業(yè)內(nèi)廣為采用的注塑模CAE軟件Moldflow進(jìn)行輔助設(shè)計，確定各部分尺寸參數(shù)。

3.3 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計方案

整個注塑成型過程中，除了注塑開始時可能的預(yù)熱需要，模具溫度主要是由冷卻系統(tǒng)控制的，塑料制品在型腔中的冷卻時間要占整個成型周期的70%—80%，模具型腔溫度的高低及溫度的均勻性也對塑件質(zhì)量有重要影響。因此，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計合理與否直接影響著塑件質(zhì)量以及生產(chǎn)效率。為了保證制品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，本文根據(jù)大型注塑模具冷卻系統(tǒng)的冷卻需要，模具型芯采用隔板式冷卻方式，型腔采用直通式冷卻方式，借助Moldflow進(jìn)行輔助設(shè)計，確定各部分尺寸參數(shù)。

3.4 注塑成型工藝的設(shè)計方案

由前所述，注塑成型工藝也對成型過程有重要影響，因此，通過調(diào)整注塑工藝來改善塑件質(zhì)量的方法對價格昂貴的大型注塑模具非常經(jīng)濟方便?？墒亲⑺艹尚偷姆蔷€性、多變量等特性使得其成型工藝的設(shè)置非常困難，靠試湊法調(diào)整工藝參數(shù)的傳統(tǒng)優(yōu)化方法的優(yōu)化效率、優(yōu)化程度都不高，因此非常有必要采用先進(jìn)的設(shè)計方法對注塑工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

本文將優(yōu)化技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合對注塑成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，擬采用Taguchi實驗設(shè)計方法對工藝參數(shù)進(jìn)行了初步優(yōu)化，然后以Taguchi正交試驗矩陣為樣本數(shù)據(jù)，應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立工藝參數(shù)和質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)系模型，并用遺傳算法對該關(guān)系模型進(jìn)行優(yōu)化，以得到工藝參數(shù)的全局最優(yōu)解。

參考文獻(xiàn)：

[1]花杏華.大型塑件注射模結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個要點[J].模具制造，2004（4）：37-38.

[2]錢宇強，肖小亭等.大型注塑模具的設(shè)計[J].塑料工業(yè)，2007（11）：43-45.

[3]張惠敏，陳連帥.大型薄壁塑件翹曲變形分析及工藝參數(shù)優(yōu)化[J].機械，2011（2）：73-76.

[4]嚴(yán)志云，謝鵬程.注射成型典型缺陷形成的原因及解決措施[J].模具制造，010（3）：60-69.endprint