基于CAE分析塑料筆架和肥皂盒的模具設(shè)計

王 鑫 ，杜林芳，王 靜

(1.河南工程學(xué)院 機(jī)械工程系,河南 鄭州 451191；2.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，河南 鄭州 451191)

近年來，模具設(shè)計與制造的手段不斷改進(jìn)，企業(yè)不僅廣泛采用了CAD/CAM 技術(shù)，也越來越多地采用了CAE技術(shù)[1].CAE軟件Moldflow提供了從制品設(shè)計到生產(chǎn)的完整解決方案，在模具設(shè)計與制造前，利用有限元原理為模具的澆口位置和流道平衡設(shè)計提供了依據(jù)，以便設(shè)計者能盡早發(fā)現(xiàn)問題并及時進(jìn)行修改[2].本研究針對塑料筆架和肥皂盒的模具設(shè)計，利用Moldflow軟件確定了合理的澆口位置和流道設(shè)計方案，按照模具的設(shè)計原則和制造要求，成功地設(shè)計了該模具.

1 塑件結(jié)構(gòu)和CAE建模

2個塑件使用PRO/E軟件建模后，結(jié)構(gòu)如圖1所示.測量出肥皂盒的外形尺寸為177 mm×90 mm×61 mm，筆架的外形尺寸為140 mm×100 mm×26 mm，塑件壁厚為2.5 mm，有一定的脫模斜度.設(shè)計要求為一模成型，材料為ABS，密度為1.05 g/cm3.為了滿足模具設(shè)計和CAE分析并行的設(shè)計要求，接受產(chǎn)品后，在Moldflow中分別建立產(chǎn)品的有限元模型，如圖2所示.產(chǎn)品模型采用雙層網(wǎng)格，網(wǎng)格匹配率都達(dá)到95%以上.

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)Fig.1 Product structure

圖2 產(chǎn)品有限元模型Fig.2 Finite element of product

2 確定收縮率、澆口位置和型腔布局

為了優(yōu)化模具型腔的尺寸，利用塑件的有限元模型，運(yùn)用Moldflow收縮分析，確定合適的收縮率.經(jīng)分析得到2個塑件各個方向的收縮率,如表1所示.參照上述各方向的收縮率，最終設(shè)計了模具的型腔尺寸.

表1 收縮率分布Tab.1 Shrinkage distribution

為了找到合適的澆口位置，利用Moldflow軟件分別對2個塑件進(jìn)行澆口位置的分析，分析結(jié)果如圖3所示.但考慮到2個塑件要一模成型，為了便于加工和布局，最終決定筆架的澆口位置選擇在長度方向中點處，該處的最佳澆口位置值為0.59左右；肥皂盒選擇在長度中點處，該處的最佳澆口位置值為0.44左右.澆口位置值雖較低，但從模具設(shè)計的整體布局來看是可以接受的，具體位置如圖3所示.最終確定的型腔布局如圖4所示，2個塑件的寬度方向留有間距30 mm，便于加工流道.

圖3 最佳澆口分析Fig.3 Best gate analysis

3 建立合適的流道平衡尺寸

經(jīng)測量，肥皂盒的體積為53 490.2 mm3，筆架的體積為125 171 mm3，兩者相差較多.為了防止過保壓，成型出性能一致的產(chǎn)品，需建立合適的流道平衡尺寸，使兩塑件盡量充填一致.根據(jù)型腔布局，決定設(shè)計為結(jié)構(gòu)對稱的澆注系統(tǒng).根據(jù)模仁和模架高度，設(shè)計主流道長度為101 mm，小端尺寸根據(jù)注塑機(jī)噴嘴尺寸設(shè)計為3.5 mm，大端尺寸設(shè)計為7 mm，澆口設(shè)計為半圓形側(cè)澆口，長度為1.5 mm，直徑為3 mm，高度為1.5 mm.分流道設(shè)計為半圓形，長度均為13.5 mm.利用Moldflow進(jìn)行充填分析，通過反復(fù)改變分流道的直徑和高度來達(dá)到充填平衡.經(jīng)過分析，當(dāng)通往肥皂盒的分流道直徑為4 mm、高度為2 mm，通往筆架的分流道直徑為12 mm、高度為6 mm時，兩塑件的充填結(jié)果如圖5所示.從圖5中看出，肥皂盒的最后充填時間為2.169 s，筆架的最后充填時間為2.082 s，兩者相差 0.087 s，充填基本平衡，滿足要求.

圖4 型腔布局Fig.4 Mold form layout

圖5 充填結(jié)果Fig.5 Fill result

4 鑲件和模仁設(shè)計

分析2個塑件的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)2個塑件都有通孔，肥皂盒在盒底有3個橢圓通孔且該處處于型腔深處，容易困氣[3].故在模具上該通孔處設(shè)置鑲件1，便于排氣，如圖6所示.筆架在最高處留有4個筆孔，為了便于加工，該處分型面選擇在筆孔下端面，使4個筆孔在定模中成型.而且,為了定模仁便于加工，將成型這4個筆孔的定模仁部分做成4個鑲件，如圖7所示.另外，沿筆架四周，塑件有階梯孔特征，為了減少加工，在定模仁設(shè)計成5處較短的枕位.在確定分型面后，最終確定模具的動定模仁,如圖8所示.

圖6 鑲件1 圖7 鑲件2Fig.6 Insert 1 Fig.7 Insert 2

圖8 動定模仁結(jié)構(gòu)Fig.8 The structure of moving and fixing die croe

5 模具裝配圖

該模具采用大水口兩板式模具結(jié)構(gòu)，由于尺寸較大，不再采用標(biāo)準(zhǔn)模架.動定模仁結(jié)構(gòu)都使用整體式，尺寸為300 mm×280 mm，動模仁厚度為40 mm，定模仁厚度為60 mm.產(chǎn)品采用頂針頂出，頂針規(guī)格有Ф6和Ф3兩種，頂針分布在產(chǎn)品四周.為了防止與頂針碰撞，冷卻系統(tǒng)采用直通式水路，沿模仁寬度方向在動定模板上布置，具體布置形式如圖9所示.

最終模具的裝配圖如圖10所示.在注射完成后，模具首先沿分型面I-I打開，主流道、分流道和澆口凝料在塑件收縮力的作用下從定模板5中被拉出.當(dāng)注塑機(jī)頂棍孔接觸下頂針板10時，模具頂出系統(tǒng)開始工作，肥皂盒和筆架塑件在頂針21的作用下將塑件頂出.取出塑件后，在注射機(jī)合模裝置的作用下閉合模具，開始又一次的工作流程.

6 結(jié)論

(1) 在設(shè)計模具的同時，利用CAE分析確定了準(zhǔn)確的模具型腔尺寸，平衡了流道尺寸，實現(xiàn)了模具和CAE分析的并行設(shè)計.

(2) 從加工角度考慮，設(shè)計了模具的模架和鑲件結(jié)構(gòu)，最終成功地實現(xiàn)了模具裝配.該模具的結(jié)構(gòu)簡單可靠，經(jīng)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)驗證，產(chǎn)品質(zhì)量完全符合要求.

參考文獻(xiàn)：

[1] 錢萍,朱紅建.CAE技術(shù)在注塑成型澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程師，2010(4)：84-86.

[2] 王剛,單巖.Moldflow模具分析技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:1-20.

[3] 申開智.塑料成型模具[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2009:99-101.