計(jì)算機(jī)輔助塑料模具設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)

摘 要：塑料模具是生產(chǎn)塑料制品的關(guān)鍵工具，塑料模具的品質(zhì)直接關(guān)系到塑料制品的質(zhì)量。因此本文提出了基于計(jì)算機(jī)輔助的塑料模具如何在設(shè)計(jì)中得到改進(jìn)，并進(jìn)一步探討了工藝層面的改進(jìn)思路和方法。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)輔助；模具設(shè)計(jì)；模具工藝

隨著社會(huì)生產(chǎn)力的不斷提升，我國(guó)的塑料模具的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)已經(jīng)得到了長(zhǎng)足進(jìn)步。但是在新的消費(fèi)社會(huì)背景下，我們的消費(fèi)市場(chǎng)又對(duì)塑料制品提出了新要求。這就需要對(duì)塑料模具生產(chǎn)和設(shè)計(jì)工藝做出更符合市場(chǎng)需求的改進(jìn)，筆者將就這一問(wèn)題展開探討。

一、主要工藝參數(shù)及選用原則

模具溫度模具溫度實(shí)際上同一類聚合物的不同牌號(hào)其熔融溫度和對(duì)應(yīng)模具溫度也稍有不同，對(duì)于精密塑料件注射成型，應(yīng)選用供應(yīng)商提供的推薦值。模具溫度可以通過(guò)溫度計(jì)測(cè)得，生產(chǎn)過(guò)程中，型腔表面溫度一般高于冷卻介質(zhì)的溫度。因而，冷卻介質(zhì)的溫度一般比相應(yīng)模具溫度低1°～2°C，.如果模具溫度是40～50°C或者更高，則應(yīng)考慮在模具固定板和模具之間增加隔熱裝置，以節(jié)省能源并增強(qiáng)工藝的穩(wěn)定性。對(duì)于零件表面質(zhì)量要求較高的，模具溫度應(yīng)相應(yīng)提高一些。

注射壓力注射壓力是注射成型過(guò)程中又一個(gè)重要的工藝參數(shù)。注射壓力指注射過(guò)程中，注射機(jī)螺桿對(duì)塑料施加的壓力，用以克服流道系統(tǒng)和型腔等處產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。在一定注射溫度下，注射壓力的大小受注射零件的厚度、澆口尺寸、流動(dòng)長(zhǎng)度、制件表面復(fù)雜程度及注射填充時(shí)間影響。一般的講，零件厚度越小、澆口截面狹窄、流動(dòng)長(zhǎng)度越長(zhǎng)、表面越復(fù)雜所需的注射壓力越大。而注射填充的時(shí)間對(duì)注射壓力的影響比較復(fù)雜，相對(duì)太短或太長(zhǎng)的注射時(shí)間都將加大對(duì)注射壓力的需求，選擇合理的注射時(shí)間對(duì)注射成型的質(zhì)量影響較大。通常在生產(chǎn)中，需反復(fù)試模獲得。目前可以采用CAE軟件系統(tǒng)計(jì)算獲得。

設(shè)置螺桿行程轉(zhuǎn)換開關(guān)位置螺桿行程轉(zhuǎn)換開關(guān)位置是指螺桿的位置處于注射向保壓過(guò)程轉(zhuǎn)換的位置，緩沖距離指從轉(zhuǎn)換開關(guān)位置到螺桿行程的終點(diǎn)，緩沖距離內(nèi)應(yīng)包含足量的塑料以保證后注射階段的少量的塑料進(jìn)入型腔，以補(bǔ)償由于熔體冷卻而引起的收縮，否則補(bǔ)償量不足，則制品表面易產(chǎn)生縮痕。

二、塑料模具設(shè)計(jì)技術(shù)路線

現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的通用的參數(shù)化CAD軟件，基本都具有基于特征、尺寸驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)全相關(guān)等特點(diǎn)，許多CAD軟件（如：Pro/ENGINEER、UG、AutoCAD等）之間已經(jīng)可以通過(guò)IGES格式輕松的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。因此，應(yīng)用CAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)塑料模具設(shè)計(jì)已經(jīng)十分方便與便捷。塑料模具CAD設(shè)計(jì)主要是指塑料制件和模具標(biāo)準(zhǔn)件三維參數(shù)化模型建立。塑料制件設(shè)計(jì)即利用通用的參數(shù)化軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行三維造型，用于進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與CAE分析計(jì)算；標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)主要指模架設(shè)計(jì)（包括定模板、動(dòng)模板、定模固定板、動(dòng)模固定板、推件板、導(dǎo)柱、導(dǎo)套、復(fù)位桿、墊板、支承板等）和螺釘、銷釘?shù)瘸Ｓ媚＞邩?biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。塑料模具CAE分析包括對(duì)流道、澆口、模具型腔進(jìn)行充模流動(dòng)分析、保壓分析、收縮分析、冷卻分析、翹曲變形分析等。三維參數(shù)化模型建立后，就需要應(yīng)用CAE技術(shù)建立有限元分析模型。

CAD軟件輸出到CAE軟件中，設(shè)定有限元網(wǎng)格形狀、密度、邊界條件等相關(guān)信息后，將模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理，建立起可用于分析的有限元模型。塑料模具CAE軟件在對(duì)應(yīng)用CAD拄術(shù)建立的幾何模型有限元網(wǎng)格化處理后，輸入塑料名稱、牌號(hào)和成型過(guò)程中所需要的工藝參數(shù)（溫度，壓力、時(shí)間等）后，對(duì)塑料模具進(jìn)行流動(dòng)、保壓、翹曲變形等模擬。CAE分析軟件就能給出塑料熔體流動(dòng)的動(dòng)態(tài)圖（顯示不同時(shí)間間隔塑料熔體在各個(gè)部位的溫度、壓力、流動(dòng)速度等分布情況）、塑料制件翹曲變形的位移變化圖等信息。根據(jù)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)汁中存在的缺陷與不足，如：個(gè)別部位有氣孔、充模不完全、塑料制件有熔接痕等，對(duì)原有澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改后，再應(yīng)用塑料模具CAE技術(shù)重新進(jìn)行分析.并最終優(yōu)化設(shè)計(jì)出合適的流道、澆口、冷卻水道等設(shè)汁方案。

三、運(yùn)用模擬技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)例

本文采用流動(dòng)模擬軟件系統(tǒng)對(duì)某家電產(chǎn)品的過(guò)濾網(wǎng)架的注射成型過(guò)程進(jìn)行了充模過(guò)程流動(dòng)模擬，得出了一組優(yōu)化的工藝參數(shù)，依據(jù)此結(jié)果對(duì)模具澆口和流道系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并將分析推薦的工藝參數(shù)如注射壓力、注射溫度和螺桿運(yùn)動(dòng)速度用于注射過(guò)程，得到了滿意的效果。過(guò)濾網(wǎng)架采用聚丙烯樹脂，采用注射成型，由于零件過(guò)濾孔多，所以注射成型時(shí)容易產(chǎn)生短射、縮痕等缺陷，采用流動(dòng)模擬技術(shù)，可以獲得理想的設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得均勻一致的流動(dòng)場(chǎng)，從而避免了上述缺陷的發(fā)生，提高一次試模成功率，提高了成品質(zhì)量。塑料過(guò)濾網(wǎng)架是對(duì)外表面質(zhì)量要求不高的零件，零件中分布著十多個(gè)方形通孔，壁厚較均勻，為2mm，采用進(jìn)口PP聚丙稀材料注射成型，易發(fā)生的缺陷主要是孔間薄壁填充量不足，出現(xiàn)短射現(xiàn)象，另外應(yīng)合理的設(shè)備排氣，以免出現(xiàn)因排氣不合理引起的氣穴和焦化痕。解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵有兩點(diǎn)，一是合理的選擇流道和澆口的尺寸及位置，二是根據(jù)模擬結(jié)果得到合理的注射參數(shù)，如注射溫度，注射時(shí)間、注射壓力和優(yōu)化的螺桿運(yùn)動(dòng)曲線等。判斷流場(chǎng)合理與否的依據(jù)可以流場(chǎng)的均勻性上得出。所謂流場(chǎng)均勻，即流動(dòng)前沿速度MFV在注射過(guò)程不同時(shí)刻，流經(jīng)不同截面時(shí)流動(dòng)速度保持均勻，這樣制品質(zhì)量好，不易出現(xiàn)縮痕等缺陷，不能產(chǎn)生短射充不足現(xiàn)象，同時(shí)熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)場(chǎng)均勻，保證了聚合物纖維趨向的均勻，可獲得較高的表面質(zhì)量。該零件機(jī)構(gòu)對(duì)稱，長(zhǎng)度較長(zhǎng)而寬度較小，為減少注射壓力，采用雙點(diǎn)側(cè)澆口對(duì)稱分布，為保證零件質(zhì)量。

分析前，先在CAD系統(tǒng)中構(gòu)造零件中面的三維模型，然后進(jìn)行有限元網(wǎng)格部分，指定注射澆口的位置，并確保澆口點(diǎn)在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上。本分析中，該零件共劃分為2504個(gè)節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)澆口，4138個(gè)三角形單元。可以通過(guò)改變澆口的位置，反復(fù)運(yùn)行模擬軟件，直到獲得滿意的結(jié)果為止。從分析結(jié)果可以看出，零件成型時(shí)，聚合物流動(dòng)場(chǎng)是均勻的。經(jīng)流動(dòng)模擬后推薦的螺桿運(yùn)動(dòng)速度曲線，注射成型時(shí)按照提供的運(yùn)動(dòng)曲線，取幾個(gè)離散點(diǎn)的值，調(diào)整螺桿運(yùn)動(dòng)速度，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明制品質(zhì)量比螺桿恒定運(yùn)動(dòng)速度時(shí)有明顯地提高。保證了制品分子纖維取向的合理，避免了縮痕等缺陷。模具下腔內(nèi)空氣可能匯集產(chǎn)生氣穴的位置，模具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮在這些位置增設(shè)排氣槽，避免出現(xiàn)缺陷，保證制件質(zhì)量。

四、小結(jié)

在注塑模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)，在模具設(shè)計(jì)構(gòu)思階段，進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)和缺陷預(yù)測(cè)，獲得可行的模具結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)是提高模具設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低成本、縮短開發(fā)周期的有效途徑。用定量分析替代傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)類比，減少了對(duì)設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的依賴，對(duì)于模具設(shè)計(jì)水平的提高具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：

婁美，女，漢族，本科，學(xué)士學(xué)位，衡陽(yáng)技師學(xué)院模具系，主要從事模具專業(yè)相關(guān)課程教學(xué)與科研工作。