香皂盒模具設計與開模溫度的數值模擬分析

王萬哲

(沈陽格勞博鋰電設備技術有限公司，遼寧 沈陽 110004)

0 引 言

模具設計與注塑成型生產是一個復雜的過程[1]，模具設計中的澆注系統、脫模結構、冷卻系統、脫模結構等是整個模具設計的要點，如果設計不當會導致生產的不順暢或者停產，所以模具設計必須合理。注塑工藝中的開模溫度是重要的工藝環節，開模時間短，易造成產品的尺寸缺陷或者不成型，如果開模時間過長則影響生產效率，進行了瞬態溫度場的模擬計算，得到了合理的開模時間，為模具設計與注塑實際生產提供了理論基礎。

1 皂盒模具設計要求

皂盒模具裝配圖如圖1所示。本模具為兩板式結構，一模四腔，分流道形狀如圖，流動比、流動面積比均為最佳狀態。圓形分流道分布在分型面兩側，使流道截面積與周長的比值達0.25D形狀效率最高，側澆口在定模側，澆口套流道錐度為4°，以防止注射溶體倒流。由于制品有缺口設計，所以分型面為空間曲面，采用刮料板脫模。動定模均采用水冷卻，保障工作時模具溫度適中，從而保障生產效率，定模采用直通式水冷卻，動模采用型芯冷卻，用隔板形成水道。拉料桿為球形拉料桿，可以保障分型時制品留在動模上，以便于刮料板將制品和流道凝料脫出。推件板6為共用導柱導套導向，推桿固定板不設導向以簡化模具結構。

圖1 皂盒模具裝配圖1.定位圈 2.澆口套 3.定模固定板 4.定模 5.型芯 6.推件板 7.型芯固定板 8.拉料桿 9.隔板 10.限位拉桿 11.底板12.O型圈 13.螺紋彎通14.螺紋直通 15.軟管 16.內六角圓柱頭螺釘 17.標準型彈簧墊圈 18.內六角圓柱頭螺釘

2 溫度場的模擬計算

開模溫度是皂盒生產的重要工藝指標，如果開模時候溫度過高，開模后皂盒容易翹曲變形，如果溫度過低，就說明冷卻時間過長，降低了生產效率[2]。通過有限元分析，得到合理的冷卻時間，使得皂盒開模溫度適當。

2.1 幾何模型

如圖1所示，皂盒模具是軸對稱結構，為了增加計算速度，取1/4模型為研究對象，在邊界上施加對稱約束即可。采用國際長度單位制“m”建立皂盒模具的1/4幾何模型，幾何模型如圖2所示，對模型進行了一定量的簡化，比如用于連接的螺栓等將其省略，在不會影響整個溫度場計算的同時，還可以增快計算速度。

圖2 皂盒模具的幾何模型

2.2 材料特性

溫度場計算中模具鋼和聚丙烯材料的參數有：比熱c、材料密度ρ、導熱系數k，具體數據見表1。

表1 溫度場模擬計算的材料物理特性數據

2.3 網格處理

選用熱分析單元PLANE55用于模型的網格劃分，選取對應的材料特性組編號進行網格劃分，網格劃分如圖3所示。

圖3 網格劃分圖 圖4 整體溫度云圖

2.4 施加約束和計算

(1) 根據多年的生產經驗可以知道，注射模具在有循環水冷卻的情況下工作，正常的工作溫度是80 ℃，對模具加第一類邊界條件為0 ℃。

(2) 根據聚丙烯材料性質可以知道，聚丙烯熔化注射最佳溫度為230 ℃，所以對皂盒模型加載230 ℃。

打開自動時間步長，采用瞬態分析，時間為40 s。

2.5 查看結果

在通用后處理器POST1中[3-4]，可以得的整體溫度場和皂盒溫度場云圖，見圖4和圖5，230 ℃的聚丙烯與皂盒模具經過40 s的熱傳遞后，皂盒的大部分面積冷卻到80 ℃，而最高溫度113.163 ℃的面積很小，不影響開模，并且最高溫度在圓弧處，這符合傳熱學規律。

圖5 皂盒溫度云圖

3 結 語

詳細講解了皂盒模具結構設計要點，又利用有限元分析軟件對皂盒的開模溫度進行了數值模擬分析，在軟件中進行了建模、網格劃分、施加載荷和求解，得到了皂盒的溫度云圖，并對所得的云圖進行了分析，確定了40 s的冷卻時間設置是合理的。設計與溫度場的分析，對實際生產具有極其重要的意義。