基于Pro/Engineer的模具澆注成型系統(tǒng)的仿真分析與優(yōu)化

劉 祺

（吉林大學 機械科學與工程學院，吉林 長春 130025）

隨著我國裝備制造業(yè)的高速發(fā)展，對工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、成型、加工等提出了更高的要求.而塑料工業(yè)在機械、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，[2]60%～80%的塑料制品都要依靠模具成型，因為采用模具生產(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，因此，優(yōu)化塑料模具成型對工業(yè)合理設(shè)計、生產(chǎn)制造具有重要的理論指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值.

塑料制品工序主要包括塑料制品設(shè)計、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具加工制造和模塑生產(chǎn)等幾個方面，在實際生產(chǎn)中需要產(chǎn)品設(shè)計師、模具設(shè)計師、模具加工工藝師及熟練操作工人協(xié)同努力來完成，同時，也是一個設(shè)計、修改、再設(shè)計的反復(fù)優(yōu)化的過程.目前大多數(shù)設(shè)計人員主要是依據(jù)自己的經(jīng)驗進行模具設(shè)計.但由于塑料制品的多樣性、復(fù)雜性和設(shè)計人員經(jīng)驗的局限性，[4]長期以來，工程技術(shù)人員很難精確地設(shè)計出一套可以減少成本、節(jié)省時間、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、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、注塑成形模擬、抽芯脫模機構(gòu)設(shè)計.[4]國外注塑模具制造業(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，模具標準化程度達到70%～80%，[5-6]大大縮短塑料模具設(shè)計、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]我國傳統(tǒng)的注塑模具設(shè)計主要依靠設(shè)計者的經(jīng)驗和直覺，缺乏科學依據(jù)，很難保證模具設(shè)計的科學性，且生產(chǎn)周期較長成本也較高.

本文針對塑料注塑成型過程中的關(guān)鍵問題，以計算機鍵盤作為研究對象，基于具有單一數(shù)據(jù)庫功能Pro/Engineer專業(yè)工程軟件，利用流變學理論對塑料裝飾件進行科學的分析，對鍵盤進行設(shè)計、分析，實現(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、化學穩(wěn)定性好、外形美觀、規(guī)整，能達到整機裝配的要求，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，對表面美觀有很高的要求，設(shè)計時應(yīng)注意對外邊面的處理，這些要求給模具的分析、設(shè)計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)進行充分的干燥，干燥至水分含量小于0.2%.沖擊強度：186～330J/m，拉伸強度：34～49MPa，洛氏硬度：62～118HRC，伸長率 20%～40%，彎曲強度：59～78MPa.

2 塑料熔體流動機理理論

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

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]

塑料熔體的流動過程，除了粘性流動外，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)某個點上瞬時密度的改變.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)計分析

3.1 主流道的設(shè)計

主流道通常位于模具中心塑料熔體的入口處，它將注射機噴嘴射出的熔體導(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，澆口的位置對塑件的質(zhì)量具有很大的影響.澆口的形狀、位置和尺寸對塑料件的質(zhì)量影響較大.澆口太大，造成注射速度損傷嚴重，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，成型后澆口痕會影響外觀，澆口凝固時間也會延長，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)計環(huán)節(jié)，一般要根據(jù)經(jīng)驗來選擇，并且通過樣機不斷調(diào)試和修正，這樣大大增加設(shè)計成本和生產(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，分別對注塑可信度、產(chǎn)生氣泡、沉痕、裂痕和填充速度進行仿真分析研究.

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 物料填充時間分析對比圖

圖2是不同澆注口位置成型件的可信度分析對比圖，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.從圖3中的成型件所產(chǎn)生氣泡數(shù)量對比分析圖可以看出，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)計時，要盡量消除熔接痕，從圖中可以進一步看出，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，注射完成進行保壓冷卻，但是在塑件成型以后，會產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致塑件在冷卻過程中出現(xiàn)嚴重的裂痕，嚴重影響成型件的質(zhì)量，圖5分析了三種澆口時成型件產(chǎn)生裂痕情況，由圖中對比可以看出，全局澆口方案的澆注使得成型件產(chǎn)生的裂痕最少，但是為了進一步提高成型件的質(zhì)量，需要對澆注壓力、澆注溫度等參數(shù)進一步優(yōu)化.

在注塑的填充階段，必須控制好對融料的注射速度以使注塑件達到產(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)品會出現(xiàn)填充不滿等缺陷.圖6分析了不同進澆口的填充時間，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，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，各個方面參數(shù)表現(xiàn)最優(yōu)，所以選擇全局澆口方案進行塑件的成型澆注.

4 結(jié) 論

我國的注塑模具設(shè)計與制造技術(shù)正朝著數(shù)字化方向發(fā)展，國內(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)為分析對象，通過運用PRO/Engineer專業(yè)軟件對成型件不同澆口位置的可信度、產(chǎn)生氣泡、沉痕、裂痕和填充速度進行仿真分析研究，進一步優(yōu)化了模具設(shè)計，指出了在塑件成型過程中出現(xiàn)的可能缺陷，為模具設(shè)計提供有力的理論指導(dǎo)，具有一定的工程應(yīng)用價值.

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

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

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

[4]周應(yīng)國.工藝參數(shù)對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，劉柱.超薄塑件注塑成型特性的試驗研究與數(shù)值模擬[J].機械工程學報，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)計研究[D].重慶：重慶理工大學，2011.

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

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