墊圈簧片的CAE分析與注塑模設計

鄒光明，張寶祥，丁 博，鄧如應，王興東

（武漢科技大學 機械自動化學院，武漢 430081）

墊圈簧片的CAE分析與注塑模設計

鄒光明，張寶祥，丁 博，鄧如應，王興東

（武漢科技大學 機械自動化學院，武漢 430081）

對墊圈簧片的結構工藝進行了分析，選擇了塑件分型面，完成了模具的澆注系統、成型零部件、結構零部件和脫模機構的設計。針對兩種可能的澆口位置布置方案，利用CAE軟件對兩種設計方案從熔合紋、溫度場、壓力場和剪切力場等方面進行了對比分析，確定了澆口的較佳布置方案。該模具結構緊湊，功能結構完善，能滿足生產需要。

注塑模；墊圈簧片；CAE分析；澆口布置

0 引言

注塑成型是塑料加工的重要成型方法之一，但是在注塑生產過程中塑料產品經常會出現一些缺陷，因此，注射成型CAE分析對優化產品結構、模具結構及注射成型工藝具有非常重要的指導作用[1,2]。通過CAE模擬分析，可以預測不同的分流道形狀及澆口形狀、位置和數目對塑件成型質量的影響[3]，因此改變了依靠直覺和經驗反復試模、修模的傳統設計方法，提高塑件成型質量，縮短模具開發周期。本文通過CAE模擬分析墊圈簧片的成型過程，指導澆口位置及布置形式的設計，并在此基礎上設計模具結構，該模具可用于完成墊圈簧片的生產，并提高勞動生產率。

1 塑件結構及工藝性分析

墊圈簧片的材料為聚甲醛（POM），外觀是不透明或半透明的粉料或粒料。POM流動性中等，且有較高的收縮率，可達2%～3.5%[4]。塑件的主要結構和尺寸如圖1所示。

此塑件選未注公差尺寸MT6級精度，查文獻[5]得各主要尺寸及其公差（單位mm）如下：

該塑件要求表面無凹坑、分型面處無毛刺缺陷和孔處不出現銳邊，故比較容易實現。塑件的壁厚為1mm，塑件整體尺寸較小，可不必設計脫模斜度。在塑件所有孔的轉角處都應采用圓弧過渡，避免塑件在加工與使用過程中發生應力集中。計算得塑件的體積V1為1.19cm3，澆注系統的凝料根據經驗按照塑件體積的0.3倍來估算，查文獻[4]初步選定注射機型號SZ-25/20臥式注射機。

圖1 墊圈簧片結構圖

2 分型面的選擇和澆注系統的設計

2.1 型腔數目及分型面的確定

根據塑件質量要求，復雜塑件一般都采用單型腔注射模，生產中如果交貨期允許，單型腔模是最經濟的方案，本模具確定使用一模一腔的設計方案。分型面位置應開設在塑件截面尺寸最大的部位，便于脫模和加工型腔，本塑件分型面如圖2中A-A面。

圖2 塑件分型面

2.2 澆注系統的設計

主流道一般單獨設計成可拆卸更換的澆口套。分流道開設在模板上，考慮到加工工藝性，選擇分流道截面形狀為梯形，梯形上底為B，高為H。由文獻[5]得梯形截面的當量直徑D=3.2～9.5mm，這里取D=8mm，則B=1.307.D=5.23mm，H=0.817.D=3.48mm，側面斜度α=5o～10o，這里α 取6o。

本模具采用單型腔多限制性澆口的設計方案，澆口位置和數目的確定詳見下一節。本模具采用倒錐形冷料穴，并采用帶球形頭拉料桿。

3 塑件成型CAE分析

通過分析塑件的結構形式，成型本塑件澆口位置的布置擬通過分析圖3所示的方案一與方案二兩種形式來確定澆口的布置位置。這兩種方案的澆口形式均為4個點澆口，除澆口位置不同外，其余參數均相同。運用華塑CAE軟件對澆口布置的兩種方案從熔合紋、溫度場、壓力場和剪切力場等方面進行分析，通過比較兩方案來確定較佳的澆口位置。

圖3 澆口位置方案

1）熔合紋分析

熔合紋分析結果如圖4所示，從圖中分析可知，方案一和方案二中熔合紋的位置基本上處于塑件的對稱軸線上，整個熔合紋分布比較平衡，對塑件的使用性能影響不是很大。所以，方案一與方案二分析結果相近，均能滿足要求。

2）溫度場分析

溫度場分析結果如圖5所示，從圖中分析可知，方案二塑件的溫度分布明顯比方案一均勻，而且溫差不大，不會出現因溫差大而產生翹曲變形的現象。所以，從溫度場分析結果可知方案二的澆口設計要優于方案一的設計。

圖4 熔合紋計算結果

圖5 溫度場計算結果

3）壓力場分析

壓力場分析結果圖6所示，從圖中分析可知，在方案二中，塑件的壓力差接近相等，壓力分布比方案一均衡，減小了塑件產生翹曲變形的可能性。所以，從壓力場分析結果可知方案二的澆口設計要優于方案一的設計。

圖6 壓力場計算結果

4）剪切力場分析

剪切力場分析結果如圖7所示，從圖中分析可知，方案二剪切力場的分布比方案一剪切力場的分布要均衡。所以，方案二中的剪切力場分布優于方案一中的剪切力場分布。

通過以上對兩種澆口位置布置形式的分析，綜合評價得到澆口位置的設計采用方案二更為合理。

4 模具結構設計

4.1 成型零部件工作尺寸計算

凸模、凹模組成的模腔工作尺寸計算方法有平均收縮率法和公差帶法兩種。本設計采用平均收縮率法進行模腔工作尺寸的計算。POM的平均收縮率Scp為2.75%，通過平均收縮率計算方法得成型零部件各主要工作尺寸，其計算結果如表1所示。

4.2 結構零部件的設計

考慮模具型腔布局及相互位置尺寸，再根據成型零件尺寸結合標準模架，選用結構形式為A1型的模架，查文獻[6]選取模架尺寸規格為125mm×160mm×172mm的標準模架。

圖7 剪切力場計算結果

表1 成型零部件各主要工作尺寸

支承與固定零件主要用來安裝固定或支承成型零部件及其他結構的零部件，包括動模座板、定模座板、固定板和支承板等，其中動模板三維圖如圖8所示。

圖8 動模板

導向機構采用直導柱和直導套的形式。

4.3 模具結構

對模具各部分結構設計后，又對注射機相關工藝參數如最大注射量、鎖模力、模具厚度和開模行程進行了校核，均符合注射機的要求。通過以上設計得到模具結構，其三維圖如圖9所示。

圖9 模具三維圖

5 結論

本文完成了墊圈簧片的工藝性分析、注射機的選型、分型面的選擇、澆注系統設計和模具零部件等設計工作。特別運用CAE軟件對澆注系統進行了分析，分析結果可以有效地判斷澆口位置的布置是否合理，并預測填充過程中可能產生的缺陷。通過對澆口位置兩種不同設計方案的比較分析，確定了澆口布置的較佳設計方案。該模具結構緊湊，能滿足生產要求。

[1] Lei Xie,Gerhard Ziegmann.Effect of gate dimension on micro injection molded weld line strength with polypropylene (PP) and high-density polyethylene(HDPE).The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2010,48：71-81.

[2] 周建華,趙亦兵,袁根福.基于數值模擬的光盤片架注塑成型澆口位置優化與模具設計[J].塑料工業,2012,40(10)：62-65.

[3] 吳夢陵,孫迪,張瓏.注射模澆注系統對成型工藝和塑件質量影響研究[J].塑料工業,2011,39(8)：65-68.

[4] 鄧明.實用模具設計簡明手冊[M].機械工業出版社,2006.

[5] 俞芙芳.塑料成型工藝與模具設計[M].清華大學出版社,2011.

[6] 李德群,唐志玉.中國模具工程大典（第3卷）：塑料與橡膠模具設計[M].電子工業出版社,2007.

The CAE analysis of spring washer and the design of injection mould

ZOU Guang-ming, ZHANG Bao-xiang, DING Bo, DENG Ru-ying, WANG Xing-dong

TQ320.66

A

1009-0134(2014)05(下)-0104-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).29

2013-12-10

鄒光明（1970 -），男，湖北仙桃人，博士，副教授，主要研究方向為計算機輔助工程、模具設計和概念設計等。