基于MOLDFLOW分析的手套箱注塑模具設(shè)計(jì)

劉 會(huì)，陳澤中，張夢(mèng)夢(mèng)

（1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海200093；2.上海理工大學(xué)材料學(xué)院，上海200093）

0 前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和設(shè)備的普及，塑料模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）/計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。利用模具CAD/CAE技術(shù)可以對(duì)塑料產(chǎn)品的成型過程進(jìn)行模擬，對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和檢測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題，省卻了實(shí)際試模的時(shí)間和成本，提高生產(chǎn)效率，降低成本[1]。本文利用CAE軟件Moldflow對(duì)汽車手套箱進(jìn)行了模流分析，確定了成型工藝參數(shù)，利用CAD軟件UG進(jìn)行了模具詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 塑件結(jié)構(gòu)與工藝分析

該塑件尺寸為長285.8 mm，寬464.7 mm，高249.5 mm，主壁厚2.5 mm，最小壁厚0.5 mm。材料采用聚丙烯（PP）/（聚乙烯＋16%滑石粉），在保證PP材料基本性能的前提下，大幅度提高了抗沖擊性能。塑件結(jié)構(gòu)如圖1所示，手套箱內(nèi)部空腔為外觀面，要求表面光潔，不得有滲化線、縮孔、裂紋以及其他類似的缺陷，可采用一個(gè)液壓抽芯機(jī)構(gòu)成型，左右兩側(cè)的小孔和后部筋位需要采用斜導(dǎo)柱滑塊成型。為保證塑件精度和生產(chǎn)效率，采用1模1腔，熱流道注塑。

圖1 塑件三維模型Fig.1 Three-dimensional model of the workpiece

2 基于Moldflow的模流分析

2.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是Moldflow分析最基礎(chǔ)的一步，選取合適的長寬比和網(wǎng)格匹配比，對(duì)于保證分析結(jié)果準(zhǔn)確性，得到更加接近于實(shí)際生產(chǎn)的模擬數(shù)據(jù)來說，都具有重要的意義[2]。針對(duì)手套箱塑件，先使用Moldflow CAD Doctor 2012導(dǎo)入使用UG創(chuàng)建的三維模型，去除對(duì)分析結(jié)果沒有影響的小的圓角、倒角、臺(tái)階等結(jié)構(gòu)，有利于提高后續(xù)網(wǎng)格劃分的品質(zhì)和效率。然后將修復(fù)完成后的塑件模型導(dǎo)入Moldflow 2012中，采用雙層面網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格邊長取5 mm，劃分后的網(wǎng)格匹配百分比和相互百分比達(dá)到92.7%和91.4%，品質(zhì)較好。最后再修復(fù)自由邊、相交單元、縱橫比等缺陷，完成對(duì)塑件模型的網(wǎng)格劃分。

2.2 澆口位置的選擇

根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，預(yù)設(shè)了2澆口和4澆口2種不同的澆口位置方案，如圖2所示。

圖2 澆口布置方案Fig.2 Design plans of gate location

通過對(duì)2種方案不添加澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的填充分析，得到如表1所示的結(jié)果。可以看出，無論是充填時(shí)間、達(dá)到頂出溫度時(shí)間、注射壓力和鎖模力，方案二的結(jié)果都優(yōu)于方案一，因此本文選擇方案二的澆口布置方式進(jìn)行下一步的深入模擬分析。

為進(jìn)一步模擬分析，為方案二添加澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。參考實(shí)際生產(chǎn)情況，確定采用點(diǎn)澆口熱流道注塑，點(diǎn)澆口直徑為0.8 mm，分流道直徑尺寸為5 mm，主流道頂端直徑為3 mm，角度為1.5°，冷卻管道直徑為10 mm，如圖3所示。在Moldflow中選擇分析類型為冷卻—填充—保壓—翹曲分析，工藝參數(shù)設(shè)置為：模具溫度40℃，注射溫度220℃，其他參數(shù)按照默認(rèn)。

表1 2種方案參數(shù)分析結(jié)果比較Tab.1results comparison of the two plans

圖3 添加澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的方案二Fig.3 The second plan with gating system and cooling system

2.3 充填時(shí)間

方案二的充填時(shí)間如圖4所示，充填時(shí)間為2.014 s，澆口附近最先填充完成，塑件兩側(cè)充填均衡，填充迅速，沒有短射現(xiàn)象。

圖4 充填時(shí)間Fig.4 Filling time

2.4 熔接線與氣穴分析

由于采用了多個(gè)澆口，不可避免地產(chǎn)生了熔接線，如圖5（a）所示。但參考流動(dòng)前沿溫度參數(shù)，流動(dòng)前沿溫度在注射溫度（220℃）左右，使熔接線的強(qiáng)度較好，而且熔接線的產(chǎn)生位置位于塑件的非外觀面，對(duì)塑件的表面品質(zhì)影響較小。氣穴分析如圖5（b）所示，氣穴多產(chǎn)生于料流交匯處，特別應(yīng)注意與熔接線重合處產(chǎn)生的氣穴，如有必要，可以開設(shè)排氣槽，以免因氣穴產(chǎn)生填充不滿或燒傷塑件的情況。

2.5 注射壓力和鎖模力分析

塑件的注射壓力和鎖模力分別如圖6（a）、（b）所示。最大注射壓力為43.97 MPa，最大鎖模力為446.7 t，據(jù)此可以選擇800 t的注塑機(jī)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。

2.6 翹曲分析

塑件的總體翹曲情況如圖7所示，最大翹曲量為4.624 mm，進(jìn)一步分離翹曲原因，可以得知，收縮不均達(dá)到3.52 mm，是導(dǎo)致翹曲的主要因素。引起收縮的主要原因是保壓壓力過低，因此可對(duì)保壓壓力的設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化[3]。

圖5 熔接線與氣穴分析Fig.5 Analysis of weld bond and cavitation

圖6 注射壓力和鎖模力分析Fig.6 Analysis ofinjection pressure and clamping force

圖7 翹曲分析Fig.7 Analysis of warping

3 模具結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)和Moldflow的模流分析結(jié)果，利用UG設(shè)計(jì)出模具的詳細(xì)三維結(jié)構(gòu)，整體尺寸為長×寬×高＝1000 mm×800 mm×911 mm。模具的結(jié)構(gòu)和開模圖如圖8所示。

圖8 模具三維模型Fig.8 Three-dimensional model of mold

3.1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理與否，將對(duì)塑件的性能、尺寸、內(nèi)外部品質(zhì)、模具的結(jié)構(gòu)和塑料的利用率等都有較大的影響[4]。由于塑件結(jié)構(gòu)原因，進(jìn)澆處無外觀要求，所以澆注系統(tǒng)采用熱流道點(diǎn)澆口4點(diǎn)進(jìn)澆，澆口位置、流道尺寸和澆口尺寸同模流分析的相同。帶熱流道板的澆注系統(tǒng)如圖9所示，熔料在進(jìn)入主流道后，在熱流道板中繼續(xù)加熱保溫，然后通過熱流道到達(dá)4個(gè)澆口，進(jìn)行注塑。

圖9 澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.9 The structure of gating system

3.2 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為縮短注塑工藝成型周期，必須設(shè)計(jì)模具冷卻系統(tǒng)。因塑件高度較大，為保證冷卻液流速均勻，傳熱迅速，分別在上下模采用一組串聯(lián)的冷卻水井，以達(dá)到良好的冷卻效果，其中冷卻水路的直徑為10 mm，冷卻水井的直徑為20 mm，如圖10所示。

圖10 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.10 The structure of cooling system

3.3 滑塊機(jī)構(gòu)

該模具應(yīng)用了3個(gè)斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)，1個(gè)液壓抽芯機(jī)構(gòu)，分別用斜導(dǎo)柱、鎖緊塊固定在定模上。塑件中間空腔部分，因滑塊行程較大，若采用斜導(dǎo)柱抽芯，因斜導(dǎo)柱受力狀況較差，容易損壞，且使模具體積增大，成本增加，因此采用液壓抽芯機(jī)構(gòu)代替，不僅簡化了模具結(jié)構(gòu)，降低了成本，也改善了受力狀況，確保抽芯動(dòng)作平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)。

3.4 工作原理

模具結(jié)構(gòu)如圖11所示（冷卻水路未畫出），模具合模后，熔融的塑料經(jīng)過噴嘴注入模具型腔，注射成型完畢，保壓冷卻后，注塑機(jī)帶動(dòng)塑件、動(dòng)模板5以下部位向下移動(dòng)。隨著動(dòng)模板5往下移動(dòng)，由斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)的側(cè)滑塊30側(cè)向抽芯。油缸7工作，將滑塊9抽出至固定位置。動(dòng)模移動(dòng)至足夠產(chǎn)品順利脫落的位置，注塑機(jī)和動(dòng)模停止向下運(yùn)動(dòng)，注塑機(jī)中的推桿推動(dòng)推板25向上運(yùn)動(dòng)，使頂桿27向上運(yùn)動(dòng)，將產(chǎn)品從動(dòng)模中頂出。產(chǎn)品取出后，模具合模，推桿復(fù)位，在復(fù)位桿和復(fù)位彈簧的作用下推板復(fù)位，滑塊通過斜導(dǎo)柱復(fù)位，油缸復(fù)位，合模完成，開始下一個(gè)注射成型周期。

圖11 模具裝配圖Fig.11 Assembly drawing of the mold

4 結(jié)論

（1）確定了汽車手套箱詳細(xì)的成型工藝，包括澆口的數(shù)量為4個(gè)，形式為點(diǎn)澆口熱流道注塑，位置位于手套箱的后側(cè)，注射時(shí)間為2.014 s，最大注射壓力為43.97 MPa、鎖模力為446.7 t；

（2）使用UG軟件設(shè)計(jì)出手套箱的整個(gè)注塑模具的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，包括4個(gè)點(diǎn)澆口形式的熱流道澆注系統(tǒng)，管道直徑為10 mm并包含冷卻水井的冷卻系統(tǒng)，分別由斜導(dǎo)柱和液壓驅(qū)動(dòng)的4個(gè)抽芯機(jī)構(gòu)等。

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