基于UG前蓋注塑模設計及模流分析

段亮亮，黨新安，楊立軍，杜二超

（陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021）

0 前言

隨著塑料工業的飛速發展，塑料制品廣泛應用于人們的日常生活中，也應用于航空航天、醫療器械、機械制造等［1］。注射成型是成型塑料制品的一種重要方法。其基本過程是塑料原料經注塑機熔融塑化并注入模具，在模具中固化后脫模成為制品［2］。注射成型能一次成型形狀復雜、尺寸精確的制品，適合高效率、大批量的生產方式，已發展成為熱塑性塑料和部分熱固性塑料的主要成型加工方法。

本文利用三維CAD軟件UG對前蓋制件及模具結構進行設計，減少了設計時間，提高了精準性［3］，本文根據塑件的工藝性，將前蓋注塑模設計為1模2腔結構，并用側澆口進料，采用單分型面實現塑件和流道凝料的分離及塑件的順利脫模，并且用Moldflow模具仿真軟件對前蓋的整個注射成型過程進行了分析與模擬，得到了制件的最佳澆口、熔接痕和氣穴位置，縮短了生產周期，降低了生產成本，提高了生產效率［4］。

1 塑件工藝分析

塑料件材料為聚碳酸酯（PC），收縮率為0.5%～0.8%。塑件尺寸較小，要求精度低，生產批量大，采用1模2件結構。PC的流動性差，采用短流程澆口，同時為了滿足制品的要求采用側澆口。同時塑件形狀較為復雜，為了方便加工和熱處理，型腔與型芯采用鑲拼式結構。

圖1是用三維CAD軟件UG設計的前蓋塑件，該塑件為殼體件，要求表面光澤，且內部結構復雜，在模具設計中要求有較高的精度和良好的加工工藝，以保證該塑件的精度和模具的充型能力。

圖1 前蓋塑件Fig.1 Front plastic parts

2 模具結構設計

2.1 成型零件的設計

型腔零件是成形塑料件外表面的主要零件，按結構不同可分為整體式和組合式兩類。為了保證其精度，此型腔采用整體式。材料通常選用優質碳素結構工具鋼T10A，淬火處理，硬度為HRC50～55。

成型塑件內表面的零件稱型芯，主要有主型芯、小型芯。型芯按其結構類型可分為整體式和組合式兩類。本文設計的主型芯用于成型塑件內壁，小型芯是用于成型塑件上的孔，故選組合式結構。

2.2 澆注系統的設計

2.2.1 確定分型面的位置

定模和動模相接觸的面稱為分型面。此塑料件尺寸小，內部結構簡單，無需側抽結構，因而采用直接分型。通過對塑件的分析，且根據分型面的選擇原則，分型面的位置確定在最大輪廓處即最大截面處。

2.2.2 流道的設計

主流道是連接注塑機的噴嘴與分流道的一段通道，主流道設計成圓錐型，目的是便于冷料的脫模，同時也改善料流的速度。

分流道截面形狀一般為圓形、梯形、半圓形及矩形等。本文的設計中采用梯形截面，其加工工藝性好，且塑料熔體的熱量散失流動阻力均不大。該模具采用1模2腔結構形式，澆口采用側澆口，如圖2所示。

2.3 選用標準模架

根據型腔尺寸、位置尺寸及型腔壁厚，可確定模架的結構形式和規格，選用A4－200250－51－Z2GB／T12556.1－1990，模具外形尺寸為250mm×230mm×195mm。

2.4 推出機構及導向定位機構的設計

圖2 澆注系統Fig.2 Design of the runner system

在注射成型的每一次循環中，都必須使制品從模具型腔和型芯上脫出，這種脫出制品的機構稱為推出機構或脫模機構。根據制品結構特點、脫模機構設計的要求及推出力的大小，可確定推出機構選用Φ3mm推桿。導向定位機構采用導柱和導套，根據模架的選用，導柱選用Φ20mm，導套選用Φ28mm。

2.5 溫度調節系統及排氣系統的設計

在注射成型過程中，模具的溫度會影響到塑件成型的品質和生產效率。由于各種塑料的性能和成型工藝要求不同，模具的溫度要求也不同。PC流動性差，要求模具溫度高。根據材料的工藝參數，可知模具溫度為90～110℃。故選擇以Φ13mm加熱棒加熱。塑件的冷卻采用隨模冷卻。

該模具屬于中小型模具，排氣量并不大，而且塑件在分型面的投影面積較大，因此不單獨開設排氣槽，利用分型面和頂桿與孔的配合間隙排氣。

3 模具整體結構及工作過程

該模具的整體結構如圖3所示，其工作過程為：注塑機鎖模之后，由導柱、導套進行合模，動定模閉合。注塑機注射時，塑料熔體經過澆注系統進入型腔，待充滿型腔并經過保壓、補塑和冷卻后開模。開模時，模具從分型面分開，塑件包在型芯上隨動模一起后移。同時，拉料桿將澆注系統的主流道凝料從澆口套中拉出。當移動到一定距離后，推出機構將塑件及澆注系統凝料從型芯和冷料穴中推出，塑件與澆注系統凝料一起從模具中落下。合模時，推出機構使復位桿復位。

4 Moldflow模流分析

塑料注射成型CAE軟件的發展十分迅速，其全面提升模具設計水準的顯著效果正逐漸為模具界所認識［5］。利用Moldflow對塑件注射成型過程進行模擬，對最佳澆口、填充、溫度、氣穴和熔接痕等進行分析，這樣避免了可能出現的缺陷，縮短了設計周期，降低了生產成本，提高了生產效率。

4.1 網格劃分

圖3 模具裝配圖Fig.3 Schematic of the mold assembly

在進行分析之前，首先將UG中創建的三維實體模型導出為.igs格式的文件，然后用Moldflow軟件導入該模型文件，再進行網格劃分，網格劃分的結果會影響到最終分析結果數據的準確性。網格劃分結果如圖4所示。

圖4 網格劃分Fig.4 Mesh generation

4.2 最佳澆口位置分布

合理選擇澆口位置關系到模具進料平衡、充模時間、熔接痕位置等方面的因素，因此合理選擇澆口位置是提高塑件成型品質的重要環節。Moldflow軟件可以根據模型幾何形狀及相關材料參數、工藝參數分析出澆口最佳位置，根據分析結果設置澆口位置，可避免由于澆口位置不當可能引起的制件缺陷［6］。

從圖5可看出，藍色區域是最佳澆口位置。為了保證制件外表的美觀，進料的平衡性及成型速度快的情況下，把澆口位置設置在制件藍色區域即左側中間。

圖5 最佳澆口位置Fig.5 Best gate location

4.3 流動分析結果

流動分析結果包括充模時間、壓力、溫度、氣穴和熔接痕等。對前蓋的流動分析結果為：填充分析結果主要用于查看制件的填充是否平衡，是否完全填充等。可以根據動態的填充時間結果分析填充階段的熔體流動是否合理。填充分析的最終目的是為了獲得最佳澆注系統的設計［6］。

從圖6可以看出，在澆口位置處（即藍色區域）最早填充，遠離澆口位置的制件（即紅色區域）在0.5335s時被填充，總填充時間為0.5335s。被填充的塑件沒有顏色缺陷部分，塑料完全充滿了型腔，表明澆口位置設計合理。

圖6 填充時間Fig.6 Filling time

圖7顯示了填充結束時的型腔及流道內的壓力分布，此時進料口處的最大壓力為69.34MPa，腔內最大壓力為17.33MPa。型腔處較進料口處壓力低，型腔處壓力梯度分布比較均勻，沒有出現滯流、溢料等品質缺陷。

圖7 填充結束時的壓力Fig.7 At the end of the filling pressure

熔體溫度分布是分析熔體流動情況的重要指標，在熔體流動好的地方，溫度一直保持在較高的水平，否則溫度下降很快［7］。圖8中料流前沿的最高溫度為301.3℃，最低溫度為196.2℃，最低溫度大于凍結溫度，所以制件可以充滿。圖中流體溫度分布均勻，能保證制件各處都較均衡。

為了避免產生氣穴，設計模具時，在容易產生氣穴的位置開設專用的排氣槽，保證排氣良好［4］。如圖9所示，制件可能產生氣穴的地方都在制件的邊緣，中間表面無任何缺陷，空氣可以從分型面排出，可避免產生氣穴，所以不需設計排氣槽。

圖8 料流前沿的溫度Fig.8 The temperature of the flow front

圖9 氣穴Fig.9 Cavitation

在模具注塑時，制品經常有熔接痕，不僅影響產品外表的美觀，而且產品的強度降低。經過Moldflow優化分析，熔接痕的出現就會減少，也會避免造成結構上的缺陷，降低了廢品率，提高了制件的品質。從圖10分析結果可看出制件沒有大面積的熔接痕，所以表面品質不會受到影響。

圖10 熔接痕Fig.10 Weld mark

5 結論

（1）運用UG對塑件及模具結構進行設計，使塑件的造型簡單、建模過程更直觀，加快了整個注塑模具的設計過程，縮短了設計周期；

（2）利用Moldflow對塑件的澆口位置、溫度、氣穴和熔接痕進行了模流分析，結果表明，前面的設計和計算結果是可行的，是符合設計要求，滿足注塑模具的性能要的；

（3）根據模流分析結果可對前蓋注塑模具的結構進行優化設計，大大縮短了模具的設計周期、降低了成本，并提高了設計質量。

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