華塑CAE在塑料殼體模具設(shè)計中的應(yīng)用與研究

王敬艷

（長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 吉林長春，130033）

1 前言

塑料作為高分子化學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展的重要成果，早已為人們熟悉，塑料產(chǎn)品已經(jīng)成為人類生產(chǎn)和生活中不可缺少的重要組成部分。隨著塑料產(chǎn)品在家電、電子等產(chǎn)品和日常用品中的越來越廣泛應(yīng)用，對塑料模具的設(shè)計和制造的要求也越來越高。傳統(tǒng)的手工設(shè)計與制造方式早已滿足不了生產(chǎn)發(fā)展的需要。華塑CAE的產(chǎn)生與發(fā)展正適應(yīng)了這種客觀實際要求。應(yīng)用華塑CAE設(shè)計與分析可以顯著提高塑料產(chǎn)品和塑料模具的設(shè)計制造效率，提高設(shè)計制造質(zhì)量，減少試模修模時間，從而縮短從塑料產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計、模具制造到進行產(chǎn)品模塑生產(chǎn)的整個周期。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝性分析

對產(chǎn)品設(shè)計進行工藝性分析指的是從工藝角度檢查產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性、可加工性，以便使所設(shè)計的產(chǎn)品符合本企業(yè)的制造條件，并力求達到最好的經(jīng)濟效益。

如圖1所示，該產(chǎn)品材料為ABS，ABS學(xué)名苯乙烯—丁二烯—苯烯腈共聚物，比重為1.05g/cm3，產(chǎn)品體積為16.1cm3，質(zhì)量為16.9g，熔點為170℃，分解溫度為260℃，使用溫度為180℃-240℃，生產(chǎn)時需用80-90℃烘箱烘干1-2h即可。該產(chǎn)品側(cè)面有一處破孔，需要設(shè)計斜頂機構(gòu)，中間有六個螺絲孔，需設(shè)計推管機構(gòu)，產(chǎn)品分型線部分有凹槽，分型面不是平面結(jié)構(gòu)，成型收縮率0.5%，該塑件脫模斜度周圈均勻都為3°。經(jīng)以上分析ABS滿足注射成型要求，可以使用注射成型方法進行生產(chǎn)。

圖1 產(chǎn)品零件圖

3 澆注系統(tǒng)設(shè)計

澆注系統(tǒng)的設(shè)計是一項重要而復(fù)雜的工作，根據(jù)制件的幾何形狀不同應(yīng)采用不同類型。華塑CAE可以根據(jù)該零件幾何形狀、相關(guān)材料參數(shù)及工藝參數(shù)分析出塑件的澆注系統(tǒng)。

3.1 澆口的設(shè)計

該零件壁厚為1mm時，ABS最大流程為100mm、要設(shè)計一個澆口，該產(chǎn)品外表面不允許有澆口痕跡，為尊重產(chǎn)品原有外觀，澆口形式選用頂桿潛伏澆口，選用兩板式模具結(jié)構(gòu)，中心距為130mm。兩模澆口流長和填充體積要遵循相等的原則，目的是可以避免由于澆口位置不當(dāng)而引起產(chǎn)品缺陷。如圖2所示。

圖2 澆口位置

3.2 流道的設(shè)計

流道的設(shè)計包括主流道設(shè)計和分流道設(shè)計兩部分。

主流道通常位于模具中心塑料熔體的入口處，它將注射機噴嘴注射出的熔體導(dǎo)入分流道或型腔中。主流道的形狀為圓錐形，以便熔體的流動和開模時主流道凝料的順利拔出。主流道的尺寸直接影響到熔體的流動速度和充模時間。另外，由于其與高溫塑料熔體及注射機噴嘴反復(fù)接觸，因此設(shè)計中常設(shè)計成可拆卸更換的澆口套。還有主流道要盡可能短，減少熔料在主流道中的熱量和壓力損耗。

由于采用潛伏式澆口，模具的分流道設(shè)計在定模板的分型面處，加工比較方便。由于該塑件尺寸較小，精度較高，因此分流道采用平衡式排布，有利于熔料平衡流動，保證各型腔產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性，因此，該產(chǎn)品尺寸設(shè)計如下：

主流道小端直徑d選用4.5mm：根據(jù)注射機噴嘴直徑+（0.5-1）mm。

主流道球面半徑SR選用11mm：根據(jù)注射機噴嘴直徑+（1-2）mm。

主流道長度L選用36mm：合理設(shè)計尺寸≤60mm。

主流道錐度選用3°：合理設(shè)計2°到6°。

分流道設(shè)計直徑為5mm流動性較好的圓形截面流道，澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 澆注系統(tǒng)

3.3 分型面的設(shè)計

塑料模具的分型面就是動模與定模之間的分界面，是取出塑件或澆注系統(tǒng)凝料的面。它的選擇是否合理直接關(guān)系到塑件是否能完好成型的必要條件之一，不僅關(guān)系到塑件的脫模，而且涉及模具結(jié)構(gòu)及制造成本和塑件的外觀質(zhì)量等，根據(jù)選取最大橫截面處選擇分型面原則選取如圖4所示主分型面，且根據(jù)脫模方向產(chǎn)品朝下放置。

圖4 主分型面

4 模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計

4.1 型腔數(shù)量的確定

該塑件外形尺寸不大，考慮到客戶指定一模兩腔關(guān)系，以及制造費用和各種成本費等因素，所以定為一模二腔的平衡布局結(jié)構(gòu)形式結(jié)果如圖5所示。

圖5 型腔布局

4.2 模架形式的確定

圖6 模架結(jié)構(gòu)圖

從上面的分析可知，本模具設(shè)計為一模二腔。塑件內(nèi)部中間有六個螺絲孔，而且頂出阻力主要集中于塑件四周側(cè)壁，因此可以推管頂出等常規(guī)的頂出結(jié)構(gòu)。

由于該塑件澆口不允許設(shè)在產(chǎn)品外表面，澆口考慮設(shè)計在產(chǎn)品內(nèi)表面潛伏式澆口。

模架方面，根據(jù)整體嵌入式的外形尺寸，塑件進澆方式為潛伏式進澆，又考慮導(dǎo)柱、導(dǎo)套的布置等，再同時參考注射模架的選擇方法，可確定選用如圖6所示大水口CI3040型(即寬×長=300mm×400mm)模架結(jié)構(gòu)。

4.3 注射機的選擇

4.3.1 注射量的計算

通過三維軟件建模設(shè)計分析計算得

4.3.2 澆注系統(tǒng)凝料體積的初步估算

澆注系統(tǒng)的凝料在設(shè)計之前是不能確定準(zhǔn)確的數(shù)值，但是可以根據(jù)經(jīng)驗按照塑件體積的0.2～1倍來計算。由于本次采用的是兩點進澆，分流道簡單并且較短，因此澆注系統(tǒng)的凝料按塑件體積的0.2倍來估算，估算一次注入模具型腔塑料的總體積（即澆注系統(tǒng)的凝料+塑件體積之和）為：

4.3.3 選擇注射機

根據(jù)第二步計算得出一次注入模具型腔的塑料總質(zhì)量 要與注塑機

理論注射量的0.8倍相比配，這樣才能滿足實際注塑的需要。注塑機的理論注射量為：

因此初步選定注射機理論注射容量為220cm3，注射機型號為XS-ZY-125A臥式注射機，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 注射機技術(shù)參數(shù)

4.4 注射機的相關(guān)參數(shù)的校核

4.4.1 注射壓力校核

ABS所需的注射壓力為80～110MPa，這里取＝100MPa，該注射機的公稱注射壓力K公＝150MPa，注射壓力安全系數(shù)K1＝1.25～1.4，這里取K1＝1.4，則：

所以，注射機注射壓力合格。

4.4.2 鎖模力校核

塑件在分型面上的投影面積A塑，通過3D軟件計算出投影面積為：

澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積，因為該塑件分流道面積小，投影面積不是很大，所以可以不計。

塑件和澆注系統(tǒng)在分型面上總的投影面積A總，由于A澆不計，則

4.4.3 模具型腔內(nèi)的熔料壓力F脹，則

式中，P模是型腔的平均計算壓力值。P模通常取注射壓力的20%～40%，大致范圍為37～74MPa。對于粘度較大、精度較高的塑件應(yīng)取較大值。ABS屬于中等粘度塑料及有精度要求的塑件，P模取40 MPa。

查表1可得該注射機的公稱鎖模力P模＝900KN，鎖模力安全系數(shù)為K2=1.1～1.2 , 這里取K2＝1.2，側(cè)所以，注射機鎖模力合格。

4.5 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)塑料熔體充填型腔時，必須有序地排出型腔內(nèi)的空氣及塑料受熱產(chǎn)生的氣體。如果氣體不能被順利地排出，塑件會由于充填不足而出現(xiàn)氣泡、接縫或表面輪廓不清等缺點；甚至因氣體受壓而產(chǎn)生高溫，使塑料焦化。該模具利用配合間隙排氣的方法，即利用分型面之間的間隙進行排氣，并利用鑲塊、推管與型芯之間的配合間隙進行排氣。

使用華塑CAE軟件分析得知在主流道分流道末端設(shè)計長度為主流道分流道直徑1.5倍的冷料井進行冷料；采用鑲件排氣、分型面、推桿間隙排氣，且在產(chǎn)品流動前沿莫末端設(shè)計氣穴需要進行排氣，如圖7所示黃色球狀體即為氣穴。

圖7 氣穴

為保證定位環(huán)和主流道襯套保證H9/f9配合，定位環(huán)軸線要與主流道軸線重合，主流道襯套及定位環(huán)設(shè)計尺寸分別如圖8、圖9所示。

圖8 主流道襯套

圖9 定位環(huán)

5 推出系統(tǒng)設(shè)計

5.1 抽芯機構(gòu)設(shè)計

在該制品側(cè)面設(shè)計有一處破孔，影響了塑件脫模，而且也無法與動模形成靠破，由于該制品外觀表面要求不允許有結(jié)合線，因此必須在動模側(cè)設(shè)計如圖10所示斜頂抽芯機構(gòu)。

圖10 斜頂抽芯機構(gòu)

該斜頂抽芯的設(shè)計細(xì)節(jié)為：

1.結(jié)構(gòu)參數(shù)

斜頂斜角為8°，抽芯距為4mm，需要的頂出行程為4/tg8°=28.5mm。而模架所能提供的頂出行程為40，因此完全能夠滿足斜頂?shù)某樾拘谐獭?/p>

2.斜頂固定形式

由于斜頂?shù)慕嵌燃澳０宕笮∠拗疲虼斯潭ǚ绞讲捎霉ぷ植坭傇谕瓢宓幕?，另外為了提高斜頂桿的強度，在模具中把斜頂桿縮短，相應(yīng)地提高了滑座的高度，滑座至產(chǎn)品高度最小為86mm，也滿足抽芯距所需的頂出行程。

3.模板工藝處理

為了減少斜頂與模板之間的配合面，在動模板底部設(shè)置有擴孔，這樣可以減少重復(fù)配合，使斜頂?shù)幕瑒痈禹槙?，如圖11所示。

圖11 內(nèi)滑塊尺寸

圖12 頂出機構(gòu)

4.頂出機構(gòu)設(shè)計

本塑件采用頂桿+ 推管頂出，均勻分布在塑件的各個包緊力較大的位置。推桿推管位置如圖12所示。

5.五冷卻系統(tǒng)設(shè)計

塑料制品設(shè)計方面，主要是塑料制品壁厚，制品厚度越大，冷卻時間越長。一般而言，冷卻時間約與塑料制品厚度的平方成正比，或是與最大流道直徑的1.6次方成正比。即塑料制品厚度加倍，冷卻時間增加4倍。

模具材料及其冷卻方式。模具材料，包括模具型芯、型腔材料以及模架材料對冷卻速度的影響很大。模具材料熱傳導(dǎo)系數(shù)越高，單位時間內(nèi)將熱量從塑料傳遞而出的效果越佳，冷卻時間也越短。

冷卻水管配置方式。冷卻水管越靠近模腔，管徑越大，數(shù)目越多，冷卻效果越佳，冷卻時間越短。ABS屬于中等粘度材料，其成型溫度及模具溫度分別為200°C和50～80°C。所以，模具溫度初步選定為50°C，用常溫水對模具進行冷卻。冷卻系統(tǒng)設(shè)計時忽略模具因空氣對流、輻射以及與注射機接觸所散發(fā)的熱量，按單位時間內(nèi)塑料熔體凝固時所放出的熱量應(yīng)等于冷卻水所帶走的熱量。

型腔的成型面積比較平坦，比較適合直通式冷卻回路，如圖13所示。而動模部分的鑲塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適合環(huán)繞式水路，如圖14所示，并在冷卻水槽周圍設(shè)計上密封圈，對水路的運行進行有效地密封。經(jīng)過CAE分析得到最終水路如圖15所示

圖13 型腔冷卻回路截面圖

圖14 型芯冷卻回路截面圖

圖15 最終水路圖

6 導(dǎo)向與定位設(shè)計

注射模的導(dǎo)向定位機構(gòu)用于動、定模之間的開合模導(dǎo)向定位和脫模機構(gòu)的運動導(dǎo)向定位。按作用分為模外定位和模內(nèi)定位。模外定位是通過定位圈使模具的澆口套能與注射機噴嘴精確定位；而模內(nèi)定位機構(gòu)則通過導(dǎo)柱導(dǎo)套進行合模定位。精定位則用于動、定模之間的精密定位。

本模具所成型的塑件存在對插面，為了確保產(chǎn)品成型的精度，除了采用模架本身所帶的導(dǎo)向定位結(jié)構(gòu)，還采用四組精定位組件保證定模板與動模板之間進行定位，另外內(nèi)模管位對型芯與型腔進行定位，如圖16所示。至此，整個模具設(shè)計與分析基本完成。模具總裝圖如圖17所示。

圖16 定模側(cè)定位機構(gòu)圖

7 結(jié)束語

數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計的概念逐漸深入人心，國內(nèi)高校技術(shù)研究和應(yīng)用水平不斷提高，有限元技術(shù)已經(jīng)為廣大師生所認(rèn)可，在模具教學(xué)中，運用華塑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)計中存在的缺陷與不足，對原有設(shè)計方案再重新進行分析，并最終優(yōu)化設(shè)計出最佳設(shè)計方案，正確指導(dǎo)成型工藝、優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、縮短試模和修模時間、顯著提高塑料品質(zhì)量，其重要性正逐漸被模具界所認(rèn)識。

圖17 模具總裝

[1]王正才.注塑模具CAD/CAE/CAM綜合實訓(xùn)[M].沈陽:大連理工大學(xué)出社,2014:87-95.

[2]王國中.注塑模具CAD/CAE/CAM技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出社,1998:125-145.