計算機輔助塑料模具設(shè)計和工藝改進

摘 要：塑料模具是生產(chǎn)塑料制品的關(guān)鍵工具，塑料模具的品質(zhì)直接關(guān)系到塑料制品的質(zhì)量。因此本文提出了基于計算機輔助的塑料模具如何在設(shè)計中得到改進，并進一步探討了工藝層面的改進思路和方法。

關(guān)鍵詞：計算機輔助；模具設(shè)計；模具工藝

隨著社會生產(chǎn)力的不斷提升，我國的塑料模具的設(shè)計和生產(chǎn)已經(jīng)得到了長足進步。但是在新的消費社會背景下，我們的消費市場又對塑料制品提出了新要求。這就需要對塑料模具生產(chǎn)和設(shè)計工藝做出更符合市場需求的改進，筆者將就這一問題展開探討。

一、主要工藝參數(shù)及選用原則

模具溫度模具溫度實際上同一類聚合物的不同牌號其熔融溫度和對應(yīng)模具溫度也稍有不同，對于精密塑料件注射成型，應(yīng)選用供應(yīng)商提供的推薦值。模具溫度可以通過溫度計測得，生產(chǎn)過程中，型腔表面溫度一般高于冷卻介質(zhì)的溫度。因而，冷卻介質(zhì)的溫度一般比相應(yīng)模具溫度低1°～2°C，.如果模具溫度是40～50°C或者更高，則應(yīng)考慮在模具固定板和模具之間增加隔熱裝置，以節(jié)省能源并增強工藝的穩(wěn)定性。對于零件表面質(zhì)量要求較高的，模具溫度應(yīng)相應(yīng)提高一些。

注射壓力注射壓力是注射成型過程中又一個重要的工藝參數(shù)。注射壓力指注射過程中，注射機螺桿對塑料施加的壓力，用以克服流道系統(tǒng)和型腔等處產(chǎn)生的流動阻力。在一定注射溫度下，注射壓力的大小受注射零件的厚度、澆口尺寸、流動長度、制件表面復(fù)雜程度及注射填充時間影響。一般的講，零件厚度越小、澆口截面狹窄、流動長度越長、表面越復(fù)雜所需的注射壓力越大。而注射填充的時間對注射壓力的影響比較復(fù)雜，相對太短或太長的注射時間都將加大對注射壓力的需求，選擇合理的注射時間對注射成型的質(zhì)量影響較大。通常在生產(chǎn)中，需反復(fù)試模獲得。目前可以采用CAE軟件系統(tǒng)計算獲得。

設(shè)置螺桿行程轉(zhuǎn)換開關(guān)位置螺桿行程轉(zhuǎn)換開關(guān)位置是指螺桿的位置處于注射向保壓過程轉(zhuǎn)換的位置，緩沖距離指從轉(zhuǎn)換開關(guān)位置到螺桿行程的終點，緩沖距離內(nèi)應(yīng)包含足量的塑料以保證后注射階段的少量的塑料進入型腔，以補償由于熔體冷卻而引起的收縮，否則補償量不足，則制品表面易產(chǎn)生縮痕。

二、塑料模具設(shè)計技術(shù)路線

現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的通用的參數(shù)化CAD軟件，基本都具有基于特征、尺寸驅(qū)動、數(shù)據(jù)全相關(guān)等特點，許多CAD軟件（如：Pro/ENGINEER、UG、AutoCAD等）之間已經(jīng)可以通過IGES格式輕松的實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。因此，應(yīng)用CAD技術(shù)實現(xiàn)塑料模具設(shè)計已經(jīng)十分方便與便捷。塑料模具CAD設(shè)計主要是指塑料制件和模具標(biāo)準(zhǔn)件三維參數(shù)化模型建立。塑料制件設(shè)計即利用通用的參數(shù)化軟件對產(chǎn)品進行三維造型，用于進行模具設(shè)計與CAE分析計算；標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計主要指模架設(shè)計（包括定模板、動模板、定模固定板、動模固定板、推件板、導(dǎo)柱、導(dǎo)套、復(fù)位桿、墊板、支承板等）和螺釘、銷釘?shù)瘸Ｓ媚＞邩?biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)化設(shè)計。塑料模具CAE分析包括對流道、澆口、模具型腔進行充模流動分析、保壓分析、收縮分析、冷卻分析、翹曲變形分析等。三維參數(shù)化模型建立后，就需要應(yīng)用CAE技術(shù)建立有限元分析模型。

CAD軟件輸出到CAE軟件中，設(shè)定有限元網(wǎng)格形狀、密度、邊界條件等相關(guān)信息后，將模型進行網(wǎng)格化處理，建立起可用于分析的有限元模型。塑料模具CAE軟件在對應(yīng)用CAD拄術(shù)建立的幾何模型有限元網(wǎng)格化處理后，輸入塑料名稱、牌號和成型過程中所需要的工藝參數(shù)（溫度，壓力、時間等）后，對塑料模具進行流動、保壓、翹曲變形等模擬。CAE分析軟件就能給出塑料熔體流動的動態(tài)圖（顯示不同時間間隔塑料熔體在各個部位的溫度、壓力、流動速度等分布情況）、塑料制件翹曲變形的位移變化圖等信息。根據(jù)CAE軟件的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)塑料制件、塑料模具澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等設(shè)汁中存在的缺陷與不足，如：個別部位有氣孔、充模不完全、塑料制件有熔接痕等，對原有澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案進行修改后，再應(yīng)用塑料模具CAE技術(shù)重新進行分析.并最終優(yōu)化設(shè)計出合適的流道、澆口、冷卻水道等設(shè)汁方案。

三、運用模擬技術(shù)的設(shè)計實例

本文采用流動模擬軟件系統(tǒng)對某家電產(chǎn)品的過濾網(wǎng)架的注射成型過程進行了充模過程流動模擬，得出了一組優(yōu)化的工藝參數(shù)，依據(jù)此結(jié)果對模具澆口和流道系統(tǒng)進行了設(shè)計，并將分析推薦的工藝參數(shù)如注射壓力、注射溫度和螺桿運動速度用于注射過程，得到了滿意的效果。過濾網(wǎng)架采用聚丙烯樹脂，采用注射成型，由于零件過濾孔多，所以注射成型時容易產(chǎn)生短射、縮痕等缺陷，采用流動模擬技術(shù)，可以獲得理想的設(shè)計參數(shù)，獲得均勻一致的流動場，從而避免了上述缺陷的發(fā)生，提高一次試模成功率，提高了成品質(zhì)量。塑料過濾網(wǎng)架是對外表面質(zhì)量要求不高的零件，零件中分布著十多個方形通孔，壁厚較均勻，為2mm，采用進口PP聚丙稀材料注射成型，易發(fā)生的缺陷主要是孔間薄壁填充量不足，出現(xiàn)短射現(xiàn)象，另外應(yīng)合理的設(shè)備排氣，以免出現(xiàn)因排氣不合理引起的氣穴和焦化痕。解決這些問題的關(guān)鍵有兩點，一是合理的選擇流道和澆口的尺寸及位置，二是根據(jù)模擬結(jié)果得到合理的注射參數(shù)，如注射溫度，注射時間、注射壓力和優(yōu)化的螺桿運動曲線等。判斷流場合理與否的依據(jù)可以流場的均勻性上得出。所謂流場均勻，即流動前沿速度MFV在注射過程不同時刻，流經(jīng)不同截面時流動速度保持均勻，這樣制品質(zhì)量好，不易出現(xiàn)縮痕等缺陷，不能產(chǎn)生短射充不足現(xiàn)象，同時熔體在型腔內(nèi)的流動場均勻，保證了聚合物纖維趨向的均勻，可獲得較高的表面質(zhì)量。該零件機構(gòu)對稱，長度較長而寬度較小，為減少注射壓力，采用雙點側(cè)澆口對稱分布，為保證零件質(zhì)量。

分析前，先在CAD系統(tǒng)中構(gòu)造零件中面的三維模型，然后進行有限元網(wǎng)格部分，指定注射澆口的位置，并確保澆口點在網(wǎng)格節(jié)點上。本分析中，該零件共劃分為2504個節(jié)點，兩個澆口，4138個三角形單元。可以通過改變澆口的位置，反復(fù)運行模擬軟件，直到獲得滿意的結(jié)果為止。從分析結(jié)果可以看出，零件成型時，聚合物流動場是均勻的。經(jīng)流動模擬后推薦的螺桿運動速度曲線，注射成型時按照提供的運動曲線，取幾個離散點的值，調(diào)整螺桿運動速度，經(jīng)實驗表明制品質(zhì)量比螺桿恒定運動速度時有明顯地提高。保證了制品分子纖維取向的合理，避免了縮痕等缺陷。模具下腔內(nèi)空氣可能匯集產(chǎn)生氣穴的位置，模具設(shè)計時，應(yīng)考慮在這些位置增設(shè)排氣槽，避免出現(xiàn)缺陷，保證制件質(zhì)量。

四、小結(jié)

在注塑模具設(shè)計過程中，采用計算機輔助分析技術(shù)，在模具設(shè)計構(gòu)思階段，進行設(shè)計評價和缺陷預(yù)測，獲得可行的模具結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)是提高模具設(shè)計質(zhì)量、降低成本、縮短開發(fā)周期的有效途徑。用定量分析替代傳統(tǒng)的經(jīng)驗類比，減少了對設(shè)計者經(jīng)驗的依賴，對于模具設(shè)計水平的提高具有重要意義。

參考文獻：

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[2]李凱. 塑料模具設(shè)計研究[J]. 速讀旬刊， 2016（7）.

作者簡介：

婁美，女，漢族，本科，學(xué)士學(xué)位，衡陽技師學(xué)院模具系，主要從事模具專業(yè)相關(guān)課程教學(xué)與科研工作。