模流分析CAE技術在檢測儀殼體模具設計中的應用

劉國良 張景黎

【摘 要】文章以檢測儀殼體零件模具設計及注射成型工藝實踐加工過程為例，對模流分析CAE技術在該制品的注射成型加工工藝方法、工藝參數(shù)及模具結構優(yōu)化等方面進行了分析研究。模流分析CAE技術在塑料注射成型工藝分析中發(fā)揮著重要的作用，能解決各種塑料產品設計與加工問題，縮短產品的上市周期。

【關鍵詞】模流分析CAE;模具結構優(yōu)化;側向分型模具;塑料注射成形加工工藝

【中圖分類號】TP391.7;TQ320.52【文獻標識碼】A【文章編號】1674-0688（2022）02-0099-03

模流分析CAE技術在模具工業(yè)產品設計、加工制造及生產中具有重要的應用價值，它能以先進的真實三維模擬分析技術幫助企業(yè)解決各種塑料產品設計與加工問題，縮短產品的上市周期。

1 檢測儀殼體的模流分析

CAE模流分析軟件在塑料注射模具型腔結構分析中發(fā)揮了重要作用，本研究對檢測儀殼體塑件進行了全面分析，包括填充分析、模具保壓分析、制件翹曲分析、澆口充填結果包封位置比較、澆口充填結果縫合線比較、澆口保壓結果熔融區(qū)域比較等因素[1]。

1.1 檢測儀殼體產品說明

圖1為某公司檢測儀殼體塑件，分為上下兩塊材料，對外觀光潔度要求很高，不能有明顯的變形、毛邊，同時對平面度有很高的要求。塑件尺寸為101.05 mm（長）×196.35 mm（寬）×42.75 mm（高）。設計壁厚尺寸為1～2.5 mm。使用材料：實驗使用ABS、PC兩種材料，需比較兩種材料的注射工藝過程。

問題分析關鍵點：檢測儀殼體采用一模兩穴兩點直接中間連澆方式與一模兩穴四點直接中間連澆方式并進行模流分析，對相關參數(shù)進行比較。要求對模具流道設計與澆口位置進行評估，模擬型腔內充填的平順性，防止短距離注射發(fā)生與過度充填現(xiàn)象。對保壓是否充分傳遞及預防制件翹曲等因素進行CAE模流分析。

1.2 檢測儀殼體零件的模流分析

實驗中對檢測儀殼體零件進行了如下幾個方面的模流分析[2]，實驗分析結果如下。

（1）填充分析。波前流動分布（A型80%型腔充滿時間為3.946×10-1sec，98%型腔充滿時間為4.883×10-1 sec;B型80%型腔充滿時間為3.992x10-1sec，98%型腔充滿時間為4.929×10-1sec）。壓力分布（A型型腔充滿時壓力竄升252.48 MPa，模具流道壓力損耗約90 MPa，壓力有竄升現(xiàn)象;B型型腔充滿時壓力竄升167.1 MPa，模具流道壓力損耗約60 MPa，壓力有竄升現(xiàn)象）。溫度分布（A型220 ℃占48%，180 ℃占22%;B型220 ℃占38%，135 ℃占12%）;剪切應力分析（A型模具鎖模力在型腔充滿時有壓力躥升至0.285×10-1 MPa;B型模具鎖模力在型腔充滿時有壓力躥升至0.205×10-1 MPa）。鎖模力分析（A型模具鎖模力在型腔充滿時壓力為210.61 MPa;B型模具鎖模力在型腔充滿時壓力為178.67 MPa）。

（2）模具保壓分析。零件的體積收縮率（A型體積收縮率為0.325～0.835 mm，B型體積收縮率為0.279～0.545 mm）。

（3）零件的翹曲分析。X方向位移變化（A型位移2.188×10-1～2.204×10-1 mm;B型位移2.767×10-1～2.637×10-1 mm）。Y方向位移變化（A型位移1.012 ×10-1～1.213 ×10-1 mm;B型位移1.800×10-1～1.527 ×10-1 mm）。Z方向位移變化（A型位移6.743×10-1～6.127 ×10-1 mm;B型位移6.943 x10-1～5.780 ×10-1 mm）?？偽灰谱兓ˋ型位移6.980×10-1～0 mm;B型位移7.640×10-1～0 mm）。

（4）一模兩穴兩點、四點直接中間連澆方式澆口充填結果。包封位置比較：A型包封位置比較均勻;B型包封位置比較分散。

（5）一模兩穴兩點、四點直接中間連澆方式澆口充填結果。縫合線比較：A型縫合線比較明顯;在中間位置;B型縫合線比較均勻、分散。

（6）一模兩穴兩點、四點直接中間連澆方式澆口保壓結果。熔融區(qū)域比較：A型熔融區(qū)域比較均勻;B型熔融區(qū)域稍微分散[1]。

通過以上工藝參數(shù)比較可以看出，采用一模兩穴四點直接中間連澆（A型）與一模兩穴兩點直接中間連澆（B型），以上幾組參數(shù)相差不大，不同的是排氣位置、包封位置、縫合線位置有所不同，鎖模力差別比較大，分別為210.61 MPa、178.67 MPa。因為一模兩穴兩點直接中間連澆（B型）鎖模力較小，所以根據(jù)現(xiàn)場設備情況，方案定為一模兩穴兩點直接中間連澆（B型）進行模具設計與制造，最后完成檢測儀殼體塑料零件的塑料注射成型加工。

2 模具結構分析

根據(jù)試驗結果對檢測儀殼體側向分型模具的結構進行分析[3]。檢測儀殼體側向分型模具上下模優(yōu)化設計如圖2所示。

2.1 裝配結構設計

檢測儀殼體塑料注塑成型模具裝配結構設計分析如圖3所示。

（1）檢測儀殼體是中小型塑件，必須采用較大的側向成型結構，根據(jù)模流分析結果，采用一模兩穴兩點直接中間連澆（A型）進行模具設計與制造。

（2）工作零件部分采用整體式型腔和整體型芯鑲塊，以避免出現(xiàn)拼接痕跡。

（3）分型面選在最大外形尺寸位置，澆口采用扇形側向澆口，從非裝配面位置進澆。

（4）由于背面帶有倒向扣，因此為確保產品順利脫模，需采用斜頂機構和側向抽芯機構成型。

（5）結合斜頂?shù)奈恢?，設計頂塊在塑件邊緣位置頂出，可避免出現(xiàn)頂桿頂出痕跡。

（6）斜頂桿由斜頂“T”形塊固定在推桿固定板上，斜頂導向板起導向作用。

2.2 脫模機構設計

塑件的壁和加強筋都很薄，容易損壞且收縮很小，因此使加強筋和其他小結構很容易黏合，同時高保壓使收縮更小。為避免頂穿和黏模，薄壁注塑成型應使用比常規(guī)數(shù)量更多、尺寸更大的頂出銷。根據(jù)檢測儀殼體注零件結構特點和模具結構的設計方式，我們采用圓頂桿及扁頂桿相結合的原則，合理進行位置布置。脫模機構應確保注塑件在頂出時能夠運行平穩(wěn)。塑件背面有6個卡勾，為了便于脫模，決定采用6個斜頂進行側抽芯。斜頂分兩種，一種傾斜角度為6°，另一種傾斜角度為8°，由于中間加強筋處容易黏模，所以在加強筋處特別設置φ3 mm的細頂桿進行頂出[4]。

2.3 模具的安裝與調試

（1）為確保塑件分型面無飛邊、毛刺，要求動模型腔、定模型腔加工制造時采用統(tǒng)一基準進行加工，其加工精度要求在0.01 mm范圍內。

（2）為確保側抽芯機構運行平穩(wěn)，要求型芯與型腔滑道配合間隙小于0.003 mm。

（3）安裝時盡量采用整體吊裝，將模具吊入注塑機拉桿與模板之間后，調整位置使定模上的方位環(huán)進入固定板上的定位孔并放正，慢速閉合動模板，用壓板或螺釘壓緊定模板，并初步固定動模，再慢速微量開啟動模4～5次，檢查模具在啟閉過程中是否靈活、有無卡頓現(xiàn)象，最后固定動模座板。

實踐證明：模具結構設計前用CAE軟件進行試模、用于快速制模的模流分析，使塑料制品實際試模時減少了問題點，為產品的批量生產做足了準備。

3 檢測儀殼體模具注射成型工藝分析

3.1 檢測儀殼體ABS與PC材料塑件注射成型參數(shù)調整對比分析

表1、表2分別為ABS及PC兩種材料在“震雄”JM268MKⅢ-C注塑機上注射成品時試驗的4個關鍵參數(shù)調整范圍。通過進行參數(shù)調整的正交實驗，進行極差與方差的驗算，測量塑件重量比例的變化，可以間接了解塑件的密度變化與4個因素之間的影響關系[5]。

3.2 檢測儀殼體ABS、PC兩種材料的正交實驗對比分析

（1）將ABS材料由熔化溫度170 ℃升至230 ℃時，零件重量由46.5g增至56.5 g，即增長32%。對PC材料，當將熔化溫度由300 ℃升至350 ℃時，零件重量由3.5 g增至4.5 g，即增長了20%。

（2）當模具溫度從70 ℃升至80 ℃時，PC和ABS兩種材料的零件重量都有增長，ABS零件重量由46.5 g增至47.5 g，增長了2.0%。PC材料更加敏感，零件重量從3.6 g增至4.0 g，增長了5.0%。

（3）實驗結果表明，PC材料熔化溫度、模具溫度、冷卻時間和注射速度都是影響零件重量的關鍵參數(shù)。ABS材料熔化溫度和模具溫度影響零件的重量。

（4）模具溫度升高，可減少融膠在型腔里的冷凝，使熔融化材料在型腔內更易于流動，從而獲得更大的零件重量和更好的表面質量。

（5）熔化溫度、模具溫度的變化都會導致零件強度的改變。熔化溫度的升高會使強度下降，模具溫度的升高會使強度增加。熔化溫度的升高，會使材料有更高的熱量，導致熔融黏度降低，使得熔融材料更容易流動，形成更長的流動長度，讓型腔更加順暢地填滿融膠;但熔化溫度過高，將促使塑料材質功能的退化和降級。

（6）塑料注射成型機的注射量要盡可能達到最大值，這樣可以幫助融膠在型腔中停留時間盡可能地減少。

（7）實驗數(shù)據(jù)分析可知，縮短冷卻時間與提高塑料注射成型機的注射速度都將使PC材料的零件重量得以增加，而ABS材料則不受這兩個參數(shù)的影響。原因是提高塑料注射成型機的注射速度能使熔融的塑料相對黏度下降。受剪切力的影響，塑料性能明顯退化。

檢測儀殼體的試模產品如圖4所示。實踐證明，在塑料注射成型模具領域應用模流分析CAE技術，能幫助研究人員解決各種塑料產品模具設計與制造、模具加工及試模修模的有關前期問題，顯著縮短產品投放市場的周期，降低成本，提高產品質量，增強企業(yè)的競爭力。

參 考 文 獻

[1]周慧蘭，韓耀鵬.基于CAD/CAE汽車座椅儲物盒熱流道注塑模設計[J].工程塑料應用，2020，48（12）：77-80.

[2]黃繼戰(zhàn)，范玉，侯世赟，等.基于CAD/CAE的音響面板雙腔熱流道注射模設計[J].工程塑料應用，2018，46（12）：96-100.

[3]胡清根，白文，龔姝婷.基于UG的相機面殼注塑模具設計[J].塑料科技，2017，45（1）：78-80.

[4]劉國良.模具制造技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[5]劉國良.簡明模具工手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.