基于CAE技術(shù)的雙澆口高精度儀器擋罩注塑模具設(shè)計(jì)

林　權(quán)

(武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300)

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基于CAE技術(shù)的雙澆口高精度儀器擋罩注塑模具設(shè)計(jì)

林權(quán)

(武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300)

摘要：注射成型中細(xì)長(zhǎng)的邊框易產(chǎn)生的熔接線、翹曲變形等問(wèn)題一直是該類塑件常見缺陷，在此以儀器擋罩為例，利用Pro/E軟件對(duì)塑件進(jìn)行三維建模，應(yīng)用Moldflow對(duì)塑件進(jìn)行注塑成型過(guò)程模擬分析，確立了雙澆口澆注系統(tǒng)，優(yōu)化了冷卻系統(tǒng)和成型方案，獲取擋罩塑件流動(dòng)充型特性，繼而進(jìn)行注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成了模具型腔、型芯、推出復(fù)位等機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)踐證明，儀器擋罩注塑模具運(yùn)動(dòng)可靠，產(chǎn)品合格，為其他類似模具設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：儀器擋罩；注塑缺陷；數(shù)值模擬；注塑模具；Moldflow

注塑成型是目前塑料產(chǎn)品生產(chǎn)中最重要的成型工藝之一，隨著CAD/CAE技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的塑膠企業(yè)逐步開始將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、模流分析結(jié)合起來(lái)，共同完成注塑模具制造[1-3]。本研究以長(zhǎng)條框面塑件儀器擋罩為例，基于CAD/CAE技術(shù)探討注塑成型過(guò)程模擬分析對(duì)注塑模具設(shè)計(jì)的作用，以及模流分析對(duì)注塑產(chǎn)品缺陷預(yù)測(cè)的可行性，為其他類似模具設(shè)計(jì)提供參考。

1儀器擋罩塑件結(jié)構(gòu)分析

圖1　儀器擋罩零件三維模型

圖1為PROE構(gòu)建的儀器擋罩零件三維模型，從圖1中易知該塑件結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，呈長(zhǎng)方體框架對(duì)稱結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)是塑件4個(gè)角落分別有4個(gè)安裝固定面，安裝面上布置有肋板和安裝孔，塑件4條邊為外凸弧線狀，對(duì)模具型芯型腔的加工存在一定的困難，但塑件外形尺寸不大，塑料熔體流程不是太長(zhǎng)，適合注塑成型，依據(jù)塑件結(jié)構(gòu)與形狀，注射成型過(guò)程中要注意熔接線與翹曲變形對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。通過(guò)查閱塑件生產(chǎn)技術(shù)要求，獲知該塑件為大批量生產(chǎn)，要求塑件外觀不能有缺陷，尺寸精度等級(jí)為MT4，總體尺寸為 142 mm×95 mm×20 mm，注塑原料為聚丙烯。

2創(chuàng)建儀器擋罩有限元模型

2.1模型導(dǎo)入與網(wǎng)格劃分

在導(dǎo)入模型時(shí)，值得注意的是，同個(gè)模型文件，即使選取一樣的參數(shù)，只要文件格式不同，劃分的網(wǎng)格質(zhì)量就有差異[4]。在有限元分析模型中，能較好地保持原有結(jié)構(gòu)特征的文件格式有STL、IGS和STP，其中IGS格式文件在劃分網(wǎng)格后的匹配率往往較高，但對(duì)于一些塑膠產(chǎn)品而言，IGS格式的文件會(huì)出現(xiàn)很多重疊或缺失的曲面，這一點(diǎn)會(huì)使網(wǎng)格的缺陷增多，增加了不少網(wǎng)格修復(fù)與調(diào)整的工作量[5]。本塑件使用IGS和STP格式時(shí)分別出現(xiàn)曲面重疊和缺失，所以選取STL格式。另外，在導(dǎo)入Moldflow 2012時(shí)，應(yīng)將塑件網(wǎng)格類型設(shè)置成“雙層面”，單位設(shè)置成“毫米”，然后經(jīng)過(guò)整理修復(fù)后的網(wǎng)格參數(shù)如下：全局網(wǎng)格邊長(zhǎng)為1mm，沒(méi)有自由邊、多重邊，沒(méi)有定向的單元，也不存在單元交叉，最大縱橫比為6，網(wǎng)格的匹配率為92.5%，大于85%，匹配率符合要求。

2.2分型面位置確定

分型面的選擇設(shè)計(jì)有許多原則，但都必須與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，圖2為塑件兩種不同的分型面選擇位置。圖2a分型面設(shè)計(jì)，定模部分簡(jiǎn)單，但是由于儀器擋罩4個(gè)安裝面的關(guān)系，在推出的時(shí)候需要加上側(cè)抽機(jī)構(gòu)才能順利脫模，且給動(dòng)模板的加工增加了一定的難度。在圖2b分型面的設(shè)計(jì)中，很明顯是增加了定模板的加工難度，而動(dòng)模板的加工就簡(jiǎn)單了許多，并且該方案可以避免設(shè)置側(cè)抽機(jī)構(gòu)，使模具結(jié)構(gòu)變得更簡(jiǎn)單些，另外塑件脫模也比較容易，因此選取圖2b分型面設(shè)計(jì)方案。

圖2　塑件分型面的位置選擇

2.3最佳澆注位置確定

澆口位置的確定至關(guān)重要，它是流道和塑件相連接的部分，大小與位置會(huì)影響整個(gè)模具系統(tǒng)的建立[6]。一般不在有表面粗糙度要求與外觀要求的地方設(shè)置澆口，在此運(yùn)用Moldflow最佳澆口位置分析模塊，初步設(shè)置模具表面溫度55℃，熔體溫度255℃，儀器擋罩塑件最佳澆口位置分析結(jié)果如圖3所示。

圖3　澆口最佳位置

圖4　塑件有限元分析模型

圖3中顯示塑件最佳澆口位置位于4條邊框中心處，很明顯，2條長(zhǎng)邊框作為澆口位置使得熔體流程更短，壓力與溫度損失更少，因此更適合作為澆口。由于儀器擋罩為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以在兩對(duì)稱的長(zhǎng)邊框上分別設(shè)置澆口也是不錯(cuò)的方案，有利于塑料填充，同時(shí)還能降低充填壓力，唯一的缺點(diǎn)是會(huì)有熔接痕產(chǎn)生，但此為小塑件，只要填充時(shí)間短，模具溫度壓力損失小，熔接痕應(yīng)該不是問(wèn)題。另外，圖3中長(zhǎng)邊框內(nèi)側(cè)顏色比外側(cè)淺，說(shuō)明外側(cè)作為入料點(diǎn)的澆口位置匹配性更高，但是根據(jù)實(shí)際情況，外側(cè)入料點(diǎn)容易引起塑件外觀質(zhì)量問(wèn)題，不符合產(chǎn)品的技術(shù)要求。綜上所述，設(shè)置澆口位置在塑件的長(zhǎng)邊框內(nèi)側(cè)，且對(duì)稱布置2個(gè)澆口，如圖3中箭頭所示雙澆口進(jìn)料。

2.4其他參數(shù)確定

為了提高生產(chǎn)效率，宜采用一模多腔的生產(chǎn)方式，但是該塑件為雙澆口模式，若采用多腔必然會(huì)使?jié)沧⑾到y(tǒng)產(chǎn)生多級(jí)的分流道，熔體在充填過(guò)程中經(jīng)分流道時(shí)，在每個(gè)拐角處的壓力損失就會(huì)特別嚴(yán)重，注塑壓力也會(huì)隨之提高，就容易造成短射填不滿等缺陷，因此采用一模一腔結(jié)構(gòu)，雖然生產(chǎn)速度不是很快，但是能保證塑件成型的高精度，以及節(jié)省模具制造成本。另外，選取澆口形式為側(cè)澆口，矩形截面，可以很好地調(diào)整充模時(shí)的剪切速率和澆口封閉時(shí)間，加工修整也比較簡(jiǎn)單，根據(jù)文獻(xiàn)[7]，選取澆口尺寸為：深度h=1.4 mm，寬度w=2 mm，長(zhǎng)度l=1 mm，選擇注塑機(jī)型號(hào)為XS-ZY-500，冷卻系統(tǒng)采用水冷方式，管道布置沿塑件框架方向，型芯型腔分別設(shè)置冷卻水道，管道直徑為6 mm。最后建立的塑件有限元分析模型如圖4所示。

3模流分析

3.1充填分析

充填分析是對(duì)熔體充模過(guò)程的分析，首先經(jīng)模流分析獲知塑件1.2 Sec就完成全部填充，充填時(shí)間以塑件澆口為中心對(duì)稱散布，未發(fā)現(xiàn)任何短射缺料現(xiàn)象。再觀察速度/壓力切換選項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)在塑件填充的末端有一小塊灰色的區(qū)域，表明在速度/壓力切換時(shí)該區(qū)域還未填充，與填充98%后再進(jìn)行速度/壓力切換的成型工藝條件設(shè)置一致。流動(dòng)前沿溫度與熔接線分布狀況是本塑件充填分析的重點(diǎn)，熔接線是造成產(chǎn)品強(qiáng)度降低的主要缺陷之一[8]，流動(dòng)前沿溫度對(duì)熔接線的熔合性影響顯著，所以熔接線需要和塑料流動(dòng)前沿溫度疊加一起進(jìn)行分析。圖5為儀器擋罩熔接線疊加熔體流動(dòng)前沿溫度分布云圖，圖5中顯示熔接線主要分布在2條短邊框中間與4個(gè)角，由于四角安裝面存在安裝孔的原因，使得4個(gè)角都有少許熔接線，但從圖中可以獲知，4個(gè)角的熔接線溫度并不低，熔合溫度都在255℃左右，熔接線為熱熔接，其熔合性好，外表面痕跡不易察覺；2條短邊框中間的熔接線比較長(zhǎng)，且為最后填充部位，但是仔細(xì)分析可知，該處的熔接線溫度也較高，熔合溫度都在250℃以上，也屬于熱熔接，兩股料流相接觸時(shí)仍保持在熔融狀態(tài)，保證了產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度和表觀質(zhì)量。

圖5　塑件熔接線與前沿溫度分布

3.2冷卻分析

衡量模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)好壞的標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)：一是使成型冷卻時(shí)間最短；二是使塑件表面溫度均勻，減少形變[9]。圖6為塑件冷卻回路溫度分布圖，圖6中顯示冷卻回路中入口的溫度為25℃，出口處溫度為25.3℃，回路最大溫升為0.3℃，完全符合設(shè)計(jì)要求，為了簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)也可以將動(dòng)定模的直流水路改為直流循環(huán)水路。另獲悉模具溫度分布也較均勻，模具型芯型腔溫差最大不超過(guò)12℃，且模具最高溫度為

41.42℃，符合成型工藝要求。

圖6　回路冷卻液溫度分布

3.3翹曲分析

翹曲變形是塑件最常見的缺陷，也是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，在此通過(guò)對(duì)塑件進(jìn)行翹曲變形分析，預(yù)測(cè)其變形特性，可以減少工藝設(shè)置與模具設(shè)計(jì)的失誤，從而提高生產(chǎn)率節(jié)約成本。圖7是儀器擋罩翹曲變形分布云圖，圖7中放大系數(shù)為10，從圖7中可以看出，翹曲變形最大的位置為澆口處，變形量為0.29 mm，翹曲變形最小區(qū)域?yàn)樗倪吙蚣艿撞浚蠹s為0.09 mm左右。變形量大小只是翹曲分析的一部分，更重要的是變形量的分布均勻性，從圖7分布云圖可以看出，變形量是以雙澆口連線為中心，呈對(duì)稱分布形式。另外，從塑件實(shí)際輪廓線與變形輪廓線也可以看出，塑件整體變形均勻，符合產(chǎn)品技術(shù)要求。

綜上所述，基于PROE與Moldflow建立的有限元分析系統(tǒng)，模流分析結(jié)果滿意，尤其是熔接線與翹曲變形都符合設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)一步進(jìn)行注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖7　塑件翹曲變形分布(放大10倍)

4模具結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

基于以上注塑成型數(shù)值模擬分析，在AUTOCAD 2014平臺(tái)上構(gòu)建儀器擋罩模具結(jié)構(gòu)如圖8所示。在此根據(jù)塑件雙澆口高精度大批量生產(chǎn)的特性，本模具采用一模一腔布置形式，模具工作過(guò)程為：當(dāng)注塑機(jī)開模液壓系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，鎖模機(jī)構(gòu)松開，注塑機(jī)連桿機(jī)構(gòu)拉動(dòng)移動(dòng)模板向后運(yùn)動(dòng)，固定在移動(dòng)模板上的動(dòng)模座板22拉動(dòng)注塑模動(dòng)模部分整體開始移動(dòng)，隨之動(dòng)模板3和定模板10之間的主分型面打開，由于拉料桿25的作用，主流道從澆口套12中脫出，使流道系統(tǒng)與塑件9都留在動(dòng)模部分，包圍在動(dòng)模型腔板5上，隨著動(dòng)模繼續(xù)向后移動(dòng)，注塑機(jī)頂桿在液壓缸的作用下，穿入定模座板22中心圓孔，作用于推板20上，推動(dòng)推板固定板19上的頂針將塑件推出動(dòng)模型腔板5，塑件脫模完成。合模時(shí)，注塑機(jī)頂桿退回，復(fù)位桿24在復(fù)位彈簧1的作用下，將推板20和推桿固定板19恢復(fù)原位，使推出系統(tǒng)歸位，注塑機(jī)移動(dòng)模板帶動(dòng)動(dòng)模部分向定模運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)柱28進(jìn)入導(dǎo)套7內(nèi)，完成整個(gè)過(guò)程的導(dǎo)向定位作用，在鎖模液壓缸動(dòng)作下模具完全閉合，準(zhǔn)備進(jìn)入下一周期。

最后，儀器擋罩注塑模在XS-ZY-500注射機(jī)上進(jìn)行實(shí)際試模生產(chǎn)時(shí)，模具閉合后分型面均勻密合，導(dǎo)柱導(dǎo)套滑動(dòng)靈活，產(chǎn)品脫模推出時(shí)推桿和卸料始終保持同步，脫模順利未發(fā)生變形，模具整體冷卻效果好，水道接頭均無(wú)泄漏，通過(guò)連續(xù)樣品測(cè)量，每模樣品尺寸合格，尺寸變動(dòng)都在公差范圍之內(nèi)，產(chǎn)品最大翹曲變形量出現(xiàn)在澆口處，與數(shù)值模擬結(jié)果一致，外觀無(wú)明顯缺陷，表面質(zhì)量符合要求，邊框熔接線位置無(wú)熔接痕跡，力學(xué)指標(biāo)正常。實(shí)踐證明，該模具滿足了雙澆口高精度儀器擋罩生產(chǎn)需求。

(a)

(b)

1-復(fù)位彈簧;2-墊塊;3-動(dòng)模板;4-動(dòng)模型芯水路;5-動(dòng)模型芯;6-定模型腔板;7-導(dǎo)套;8-動(dòng)模座板;9-塑件;10-定模板;11-定位圈;12-澆口套;13-定位銷;14-M6螺釘;15-密封圈;16-定模板螺釘;17-型芯固定螺釘;18-推板導(dǎo)柱;19-推桿固定板;20-推板;21-推板螺釘;22-動(dòng)模座板;23-限位釘;24-復(fù)位桿;25-拉料桿; 26-水路接口;27-動(dòng)模固定螺釘;28-動(dòng)模導(dǎo)柱

圖8儀器擋罩注塑模具結(jié)構(gòu)圖

5結(jié)語(yǔ)

儀器擋罩為長(zhǎng)條框面塑件，熔接線與翹曲變形等注塑缺陷一直困擾著該類塑件的成型，在此利用Pro/E軟件對(duì)塑件進(jìn)行三維建模，應(yīng)用Moldflow對(duì)塑件進(jìn)行注塑成型過(guò)程模擬分析，采用了雙澆口澆注系統(tǒng)，優(yōu)化了冷卻系統(tǒng)和成型方案，預(yù)測(cè)并校驗(yàn)了儀器擋罩流動(dòng)成型熔接線位置與翹曲變形大小，繼而進(jìn)行儀器擋罩注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模具采用一模一腔長(zhǎng)框邊雙側(cè)進(jìn)料組合型芯型腔自動(dòng)推出復(fù)位的形式，生產(chǎn)實(shí)踐證明該模具運(yùn)動(dòng)可靠，脫模產(chǎn)品質(zhì)量合格。本課題不但減少了模具設(shè)計(jì)與制造成本，還縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，為其他類似模具研發(fā)提供了理論參考。

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【責(zé)任編輯牛懷崗】

Design of Instruction Cover Stopper Injection Mold of Double Gate High Precision for CAE Technology

LIN Quan

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Wuyishan 354300, China)

Abstract:The welding wiring and warping deformation of the frame in the injection molding are common for this kind of plastic parts. Taking this in the instruction cover stopper for example, using Pro/E software to model 3D of plastic parts, applying moldflow to mocks, the injection molding process is analyzed, and then the double spruce injection system is established, which optimizes the cooling system and forming method and obtains the flow and filling characteristics of plastic parts. Then the design of injection mold structure is made, and the design of mold cavity, newel and launch reset are completed. The practice indicates that instruction cover stopper model has reliability and qualified, which provides the reference for other similar model design.

Key words:instruction cover stopper; injection molding defects; numerical simulation; injection molding

作者簡(jiǎn)介：林權(quán)(1980—)，男，福建福州人，武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院講師，工學(xué)碩士，主要從事塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)研究。

基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金指導(dǎo)性項(xiàng)目：齒輪傳動(dòng)多目標(biāo)優(yōu)化決策研究(2012D128)；福建省教育廳A類科技項(xiàng)目：注射成型動(dòng)態(tài)模溫分布數(shù)值模擬研究(JA13323)；福建省教育廳A類科技項(xiàng)目：電機(jī)換向器擠壓成形工藝方案研究(JA15516)

收稿日期：2016-01-31

中圖分類號(hào)：TQ320.66

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-5128(2016)08-0036-05

【現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)研究】