基于CAE技術(shù)的尼龍管路支架注塑模設(shè)計(jì)分析

王昌龍，成　波，邊義祥，孔有田

(1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州　225127; 2.江蘇奧力威傳感高科股份有限公司,江蘇 揚(yáng)州　225127)

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基于CAE技術(shù)的尼龍管路支架注塑模設(shè)計(jì)分析

王昌龍1，成波1，邊義祥1，孔有田2

(1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州225127; 2.江蘇奧力威傳感高科股份有限公司,江蘇 揚(yáng)州225127)

摘要：以尼龍管路支架為例，根據(jù)其使用要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了 Pro/E 及 Moldflow 軟件在注塑模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.利用 Pro/E 完成了模具的三維造型，整個(gè)過程中分別對分型面、型腔布置、澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等進(jìn)行了詳細(xì)的討論與設(shè)計(jì).利用 Moldflow 對設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬分析，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際中注射壓力、鎖模力、注射溫度等工藝參數(shù)的設(shè)置，發(fā)現(xiàn)并解決可能出現(xiàn)的成型缺陷問題.試模后模具能夠滿足批量生產(chǎn)的要求，制品也達(dá)到了精度要求.

關(guān)鍵詞：注塑模；CAE； Moldflow；Pro/E

傳統(tǒng)的注塑模具設(shè)計(jì)，主要依據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)加上不斷的試模修模來保證注塑模具的批量生產(chǎn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力[1].現(xiàn)代注塑模具設(shè)計(jì)則主要依靠 CAD/CAE 技術(shù).目前，國內(nèi)外已有不少學(xué)者嘗試著將該技術(shù)用于生產(chǎn)實(shí)際[2].本文利用 Pro/E 軟件設(shè)計(jì)了管路支架三維模型和模具結(jié)構(gòu)，利用 Moldflow 分析軟件對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，及時(shí)避免注射成型中可能出現(xiàn)的缺陷，優(yōu)化了制件成型的工藝參數(shù)[3-4].CAD/CAE技術(shù)的融合可促進(jìn)模具的設(shè)計(jì)、試模及批量生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了無紙化設(shè)計(jì)[5].

1注塑支架結(jié)構(gòu)

注塑支架的部分尺寸及三維模型見圖1.尼龍注塑支架的主要作用在于與管路本體焊接后，能夠起到固定支撐的作用，因此在焊接部位設(shè)計(jì)有焊接筋以便后續(xù)整體的熱板焊接工藝.焊接面與支撐面呈115°，支撐時(shí)可能導(dǎo)致支架斷裂，因此設(shè)計(jì)有2 mm的加強(qiáng)筋.根據(jù)注塑件設(shè)計(jì)的一些基本原則，整體設(shè)計(jì)沒有尖角等缺陷.

2注塑模具設(shè)計(jì)

圖1　支架的部分尺寸及三維模型

支架的注塑模具主要由動模和定模所組成，動模安裝在動模板上，定模安裝在注射機(jī)的定模板上.注射之前，動、定模在注射機(jī)的驅(qū)動下閉合形成型腔和澆注系統(tǒng)，注射機(jī)將熔融的塑料通過澆注系統(tǒng)注入模具內(nèi)，冷卻并凝固后，動定模分離，脫模機(jī)構(gòu)推出注塑支架.

應(yīng)用 Pro/E 4.0 軟件完成注塑模具的整體設(shè)計(jì).注塑模具需要考慮其澆注系統(tǒng)、導(dǎo)向與定位機(jī)構(gòu)、脫模機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)以及相關(guān)的成型零部件等.在設(shè)計(jì)過程中，考慮到是一大一小兩個(gè)支架，如果分開制模，從成本和周期考慮都不理想.因此，我們采用一模兩腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模具，兩腔中的支架一大一小，形狀以及體積都不太一樣，需要合理考慮進(jìn)膠口的位置.注塑支架模具整體的結(jié)構(gòu)及三維造型如圖2 所示.

2.1注塑模具材料及分型面的選擇

圖2　注塑支架模具整體的結(jié)構(gòu)及三維造型

注塑模具的材料可分為供外部結(jié)構(gòu)采用的模座以及內(nèi)部實(shí)體采用的型芯.不同部位采用不同材料對模具的質(zhì)量及成本有較大影響.作為模具材料的基本要求是容易取得、加工性良好、耐磨、耐腐蝕、整體內(nèi)部均勻、不易變形、可焊接等[6].為了滿足以上的要求，注塑支架模具的模座采用S50C，型芯、型腔以及滑塊等采用H13.

注塑模具分型面的設(shè)計(jì)主要依據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、精度的要求、澆注系統(tǒng)的形式、排氣方式、脫模形式及模具的制造工藝等因素.分型面設(shè)計(jì)的好壞影響整個(gè)注塑件的質(zhì)量、模具的整體結(jié)構(gòu)和可靠性以及使用壽命.分型面的選擇見圖2.

2.2注塑模型腔布置

注塑模具型腔的布置主要有模具型腔的數(shù)目以及各型腔在模具中排列.確定型腔數(shù)目理論上有4種方法：1)按照注射機(jī)的最大注射量確定；2)按照注塑機(jī)額定鎖模力來確定；3)按制品的精度要求來確定；4)按經(jīng)濟(jì)性確定[7].型腔的布置也有很多的形式，布置型腔的主要要求是熔融塑料能夠通過分流道同時(shí)到達(dá)澆口進(jìn)入型腔.按照分流道的布置形狀分為O形、I形、H形、X形以及混合形排列等多種形式.其中I形和H形排列在多型腔的模具中，由于轉(zhuǎn)彎較多，流道較長，熱量損失多，壓力損失較大，因此比較適合流動性較好的塑料，如PE、PP、PA等.本支架注塑模具有兩個(gè)型腔分別成型一大一小兩個(gè)支架.這樣布置既滿足了經(jīng)濟(jì)性的要求，模具也不至于太復(fù)雜，同時(shí)也保證了塑件的質(zhì)量和外觀，并且在普通注塑機(jī)上也能成型.由于只有兩個(gè)型腔，因此分流道采用I形排列，屬于平衡式布置.圖3所示是型腔及分流道的分布.

2.3澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3　型腔及分流道的分布

流道是指熔融塑料從注塑機(jī)噴嘴到塑件的通道，它的大小主要由塑料的流動性與成型品的大小來決定，斷面形狀有圓形、半圓形與梯形等.本支架注塑模澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主流道采用圓錐形，垂直于分型面，錐角為3°(PA的流動性較好，流動性較差的可以為4°~6°).主流道的出口端直徑為10 mm，大端直徑為12 mm.采用I形分流道，截面采用圓形，直徑為5 mm，長度一般為主流道大端直徑的1~3倍，因此其長度取30 mm.

冷料穴是位于主流道正對面的動模上，其作用是收集冷料，防止進(jìn)入型腔而影響塑件的質(zhì)量.冷料穴一般分為專門用于收集冷料的和存儲冷料又帶有拉出主流道冷料功能的兩種.支架模具采用帶尖錐頭拉料桿的冷料穴，尖錐頭分流作用較好，為提高其可靠性，一般采用小錐度或增大錐面的摩擦度來加大摩擦力.

在澆口設(shè)計(jì)中，因注塑支架在澆口部位是平面，因此選擇扇形澆口比較合適.這種澆口的深度不斷減小，使得塑料熔體流動時(shí)在橫向得到更均勻的分配，從而減少流紋及定向效應(yīng).

熱流道是指熔料所經(jīng)過的通道都被加熱設(shè)備包圍，以防熔料冷卻的通道，也稱為無流道系統(tǒng).單獨(dú)的熱流道系統(tǒng)采用點(diǎn)澆口，塑件成型之后將制件取出，沒有冷料余料的產(chǎn)生，但其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，成本也相對較高.因此，可以采用熱流道與冷流道結(jié)合的方式設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng).熱流道對材料的要求較高，而PA符合熱流道對塑件的要求(黏度對壓力敏感且變化小，熱穩(wěn)定好，比熱容低，熱塑性變形溫度高).本模具整體的澆注系統(tǒng)為熔料從噴嘴出來后，經(jīng)過熱流道，然后到分流道、澆口、型腔.

2.4排氣系統(tǒng)及滑塊設(shè)計(jì)

排氣系統(tǒng)是為了防止在注射的過程中，因?yàn)樾颓恢械臍怏w沒有被排出而導(dǎo)致熔料流動阻力過大，影響注射速度，導(dǎo)致熔接痕、流動痕等缺陷.因此在制作模具時(shí)會在分型面上銑一層或一小縫的排氣孔，這種方法的排氣效果與分型面的接觸精度有關(guān)，也是最簡單可行的辦法.其次是采用各個(gè)部件之間的配合間隙排氣.當(dāng)然，在以上措施都不能達(dá)到排氣效果時(shí)，也可以增設(shè)排氣槽或者排氣孔.由于PA的流動性較好，排氣槽或者排氣孔太大會導(dǎo)致成型產(chǎn)生細(xì)微的毛刺，因此排氣孔的高度一般為0.01~0.02 mm.

由于支架模具有側(cè)凹的部位，比較常見的解決方法是利用滑塊側(cè)移脫離側(cè)凹的偏移量.滑塊的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)側(cè)凹部位的尺寸，也就是側(cè)凹的位置做出側(cè)向的型體.基本的側(cè)向型體有3種形式：自然雕刻式，嵌入式以及滑動軌組裝式.注塑支架的部位是在支架側(cè)向面上，因此采用滑動軌組裝式，見圖2.這種方式在成型側(cè)凹部位的同時(shí)還有利于注射過程中型腔內(nèi)部氣體的排出.

2.5冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熔融塑料進(jìn)入模具型腔之后，為了能夠冷卻得到最后的制件，需要對模具進(jìn)行冷卻.從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，冷卻時(shí)間越短越好，但是有的制品冷卻太快會導(dǎo)致后面熔料無法流動出現(xiàn)充填不足的現(xiàn)象[8].因此，模具溫度也是模具設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容.在實(shí)際注塑或者吹塑生產(chǎn)中，一般成型機(jī)旁邊都配有模溫機(jī)(水溫或油溫機(jī))，主要通過控制模具溫度來實(shí)現(xiàn)模具以及制品的冷卻.型腔周圍冷卻管路的直徑通常根據(jù)模具的大小、配合水流量以及熱傳導(dǎo)率來確定，支架注塑模具中，動模型腔上的冷卻水路直徑為6 mm，間隔35 mm，與制件距離20 mm.定模型腔上冷卻水路直徑為8 mm，間隔40 mm，與制件距離12 mm.具體的冷卻水路見圖4.

3模擬分析

圖4　冷卻水路系統(tǒng)

針對設(shè)計(jì)的支架以及注塑模具，導(dǎo)入到Moldflow中進(jìn)行模擬分析.選擇杜邦公司的PA原料，使用其推薦的工藝進(jìn)行冷卻+流動+翹曲分析.以此來分析注射成型過程中的注射壓力、注射時(shí)間、冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行情況以及相關(guān)的成型問題.

根據(jù)模具冷卻水路的分布，在Moldflow中重新建模，制品的總質(zhì)量為16.5361 g，對流道及冷卻水路重新建立并采用雙層面劃分網(wǎng)格，對自由邊、交叉邊以及重疊單元進(jìn)行修繕，使模型網(wǎng)格的匹配率在85%以上，最后支架劃分網(wǎng)格數(shù)為6955個(gè)，見圖5(a).之后指定進(jìn)澆口并開始模擬分析，結(jié)果顯示，注塑充填時(shí)間為2.09 s，整個(gè)循環(huán)時(shí)間為35 s，其中保壓時(shí)間為10 s，充填最大注射壓力為23.8974 MPa，最大鎖模力為2.7601 t，鎖模力隨時(shí)間變化曲線見圖5(b).冷卻后整個(gè)制件的收縮率范圍在2.557%~9.731%, 各個(gè)部位的收縮情況見圖5(c).分析結(jié)果還顯示了熔接痕可能出現(xiàn)的位置，在大支架的焊接筋部位，可以采取稍微提高模具溫度的方法來矯正.空穴主要出現(xiàn)在焊接筋以及支撐面配合出處，原因是由于排氣不良造成熔體中水分被封閉在成型材料內(nèi)，以及產(chǎn)品的壁厚不均勻所導(dǎo)致, 可通過對原料進(jìn)行干燥處理，以及利用配合間隙排氣來解決.

通過流道分析發(fā)現(xiàn)，整個(gè)模型放置以及流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是符合制件成型要求的.模擬分析冷卻系統(tǒng)時(shí)，設(shè)置環(huán)境溫度以及冷卻水的溫度為25 ℃，雷諾數(shù)為10 000，模具表面溫度為90 ℃.圖6(a)顯示冷卻時(shí)回路冷卻介質(zhì)的溫度，溫差在1 ℃之內(nèi)，表明冷卻效果較好.圖6(b)是回路管壁溫度，最高為26.4 ℃，主要出現(xiàn)在管路的拐彎及折角處，這屬于正常現(xiàn)象且溫度在可接受范圍內(nèi).模具在整個(gè)冷卻過程中最高溫度為64.9 ℃，最低為31.66 ℃，在設(shè)置溫度范圍內(nèi)，不同部位溫度見圖6(c).

圖5　流道分析部分結(jié)果圖

翹曲是脫模后產(chǎn)生的制品變形.一般情況下，導(dǎo)致翹曲變形主要因素為冷卻、收縮以及分子不均勻，所有因素都有x、y、z三個(gè)方向的變形.圖7為各個(gè)方向的翹曲變形圖，從中可以發(fā)現(xiàn)z方向上的變形比x及y方向的變形大，原因是支架z方向上的尺寸偏差較大，在耳部體積小容易發(fā)生變形.y方向上發(fā)現(xiàn)大支架澆口部位變形也比其他部位大，這是由于大小支架不對稱所致，可以考慮采用偏移注射位置，但小支架的變形比較小，根據(jù)設(shè)計(jì)要求可以不做更改.

4注塑加工工藝

圖7　支架所有因素的翹曲變形分析

圖6　冷卻系統(tǒng)分析結(jié)果圖

實(shí)際生產(chǎn)中，選擇100 t的注塑機(jī)對模具進(jìn)行試模.采用半自動式，便于調(diào)試加工參數(shù).注塑加工成型時(shí)將原料在80 ℃下干燥4 h，喂料區(qū)溫度設(shè)定為80 ℃，5段加熱區(qū)溫度分別為280，280，290，290，290 ℃，噴嘴溫度為290 ℃，料筒溫度為240 ℃，模具溫度設(shè)定為80 ℃，設(shè)置保壓壓力為注射壓力的一半.實(shí)際生產(chǎn)中的模具及產(chǎn)品如圖8、圖9所示.

5結(jié)語

圖8　模具實(shí)物圖　　　　　　　　　　圖9　實(shí)際生產(chǎn)的大小支架

設(shè)計(jì)了尼龍管路支架的注塑模具，采用一模兩腔，模具的模座采用S50C材料，型芯、型腔以及滑塊等采用H13材料.使用相關(guān)CAE軟件對成型工藝進(jìn)行了模擬分析，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).按照支架設(shè)計(jì)要求，模具內(nèi)型芯、滑塊、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等在注塑機(jī)上運(yùn)行效果良好，生產(chǎn)出的支架壁厚均勻，表面輪廓清楚、光滑.模具的正常壽命大于30萬模次，預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益良好.

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(編輯武峰)

Design and Analysis of Nylon Tubing Bracket Injection

Mold Based on CAE Technology

WANG Chang-long1,CHENG Bo1, BIAN Yi-xiang1, KONG You-tian2

(1.College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127,China;

2.Jiangsu Olive Sensors High Tech Co.，Ltd，Yangzhou 225127,China)

Abstract:Taking nylon tubing bracket as an example, this paper introduced the application of Pro/E and Moldflow software in injection mold design on the basis of practical requirements and structural features.The Pro/E software was used to complete the 3D modeling process throughout which the sub-surface,cavity layout,gating system, exhaust system and cooling system were discussed in detail.The Moldflow software was used for simulation analysis on the structure of the designed mold to set such parameters as injection pressure,clamping force and injection temperature in guiding the practical production,and to discover and resolve the molding defects which may arise.The test result showed that the mold can meet the accuracy requirements of mass production with anticipated economic profit.

Key words:injection mold; CAE; Moldflow; Pro/E

中圖分類號：TQ320.66

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-358X(2015)01-0014-06

作者簡介：王昌龍(1963-)，男，江蘇江都人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事測控儀表、金屬材料熱處理、模具及機(jī)電設(shè)備等研究.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275447)

收稿日期：2014-09-01 2014-10-29