模流分析CAE技術(shù)在檢測儀殼體模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉國良 張景黎

【摘 要】文章以檢測儀殼體零件模具設(shè)計(jì)及注射成型工藝實(shí)踐加工過程為例，對(duì)模流分析CAE技術(shù)在該制品的注射成型加工工藝方法、工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行了分析研究。模流分析CAE技術(shù)在塑料注射成型工藝分析中發(fā)揮著重要的作用，能解決各種塑料產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工問題，縮短產(chǎn)品的上市周期。

【關(guān)鍵詞】模流分析CAE;模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化;側(cè)向分型模具;塑料注射成形加工工藝

【中圖分類號(hào)】TP391.7;TQ320.52【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1674-0688（2022）02-0099-03

模流分析CAE技術(shù)在模具工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造及生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，它能以先進(jìn)的真實(shí)三維模擬分析技術(shù)幫助企業(yè)解決各種塑料產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工問題，縮短產(chǎn)品的上市周期。

1 檢測儀殼體的模流分析

CAE模流分析軟件在塑料注射模具型腔結(jié)構(gòu)分析中發(fā)揮了重要作用，本研究對(duì)檢測儀殼體塑件進(jìn)行了全面分析，包括填充分析、模具保壓分析、制件翹曲分析、澆口充填結(jié)果包封位置比較、澆口充填結(jié)果縫合線比較、澆口保壓結(jié)果熔融區(qū)域比較等因素[1]。

1.1 檢測儀殼體產(chǎn)品說明

圖1為某公司檢測儀殼體塑件，分為上下兩塊材料，對(duì)外觀光潔度要求很高，不能有明顯的變形、毛邊，同時(shí)對(duì)平面度有很高的要求。塑件尺寸為101.05 mm（長）×196.35 mm（寬）×42.75 mm（高）。設(shè)計(jì)壁厚尺寸為1～2.5 mm。使用材料：實(shí)驗(yàn)使用ABS、PC兩種材料，需比較兩種材料的注射工藝過程。

問題分析關(guān)鍵點(diǎn)：檢測儀殼體采用一模兩穴兩點(diǎn)直接中間連澆方式與一模兩穴四點(diǎn)直接中間連澆方式并進(jìn)行模流分析，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行比較。要求對(duì)模具流道設(shè)計(jì)與澆口位置進(jìn)行評(píng)估，模擬型腔內(nèi)充填的平順性，防止短距離注射發(fā)生與過度充填現(xiàn)象。對(duì)保壓是否充分傳遞及預(yù)防制件翹曲等因素進(jìn)行CAE模流分析。

1.2 檢測儀殼體零件的模流分析

實(shí)驗(yàn)中對(duì)檢測儀殼體零件進(jìn)行了如下幾個(gè)方面的模流分析[2]，實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果如下。

（1）填充分析。波前流動(dòng)分布（A型80%型腔充滿時(shí)間為3.946×10-1sec，98%型腔充滿時(shí)間為4.883×10-1 sec;B型80%型腔充滿時(shí)間為3.992x10-1sec，98%型腔充滿時(shí)間為4.929×10-1sec）。壓力分布（A型型腔充滿時(shí)壓力竄升252.48 MPa，模具流道壓力損耗約90 MPa，壓力有竄升現(xiàn)象;B型型腔充滿時(shí)壓力竄升167.1 MPa，模具流道壓力損耗約60 MPa，壓力有竄升現(xiàn)象）。溫度分布（A型220 ℃占48%，180 ℃占22%;B型220 ℃占38%，135 ℃占12%）;剪切應(yīng)力分析（A型模具鎖模力在型腔充滿時(shí)有壓力躥升至0.285×10-1 MPa;B型模具鎖模力在型腔充滿時(shí)有壓力躥升至0.205×10-1 MPa）。鎖模力分析（A型模具鎖模力在型腔充滿時(shí)壓力為210.61 MPa;B型模具鎖模力在型腔充滿時(shí)壓力為178.67 MPa）。

（2）模具保壓分析。零件的體積收縮率（A型體積收縮率為0.325～0.835 mm，B型體積收縮率為0.279～0.545 mm）。

（3）零件的翹曲分析。X方向位移變化（A型位移2.188×10-1～2.204×10-1 mm;B型位移2.767×10-1～2.637×10-1 mm）。Y方向位移變化（A型位移1.012 ×10-1～1.213 ×10-1 mm;B型位移1.800×10-1～1.527 ×10-1 mm）。Z方向位移變化（A型位移6.743×10-1～6.127 ×10-1 mm;B型位移6.943 x10-1～5.780 ×10-1 mm）?？偽灰谱兓ˋ型位移6.980×10-1～0 mm;B型位移7.640×10-1～0 mm）。

（4）一模兩穴兩點(diǎn)、四點(diǎn)直接中間連澆方式澆口充填結(jié)果。包封位置比較：A型包封位置比較均勻;B型包封位置比較分散。

（5）一模兩穴兩點(diǎn)、四點(diǎn)直接中間連澆方式澆口充填結(jié)果?？p合線比較：A型縫合線比較明顯;在中間位置;B型縫合線比較均勻、分散。

（6）一模兩穴兩點(diǎn)、四點(diǎn)直接中間連澆方式澆口保壓結(jié)果。熔融區(qū)域比較：A型熔融區(qū)域比較均勻;B型熔融區(qū)域稍微分散[1]。

通過以上工藝參數(shù)比較可以看出，采用一模兩穴四點(diǎn)直接中間連澆（A型）與一模兩穴兩點(diǎn)直接中間連澆（B型），以上幾組參數(shù)相差不大，不同的是排氣位置、包封位置、縫合線位置有所不同，鎖模力差別比較大，分別為210.61 MPa、178.67 MPa。因?yàn)橐荒裳▋牲c(diǎn)直接中間連澆（B型）鎖模力較小，所以根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備情況，方案定為一模兩穴兩點(diǎn)直接中間連澆（B型）進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與制造，最后完成檢測儀殼體塑料零件的塑料注射成型加工。

2 模具結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)檢測儀殼體側(cè)向分型模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[3]。檢測儀殼體側(cè)向分型模具上下模優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1 裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢測儀殼體塑料注塑成型模具裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析如圖3所示。

（1）檢測儀殼體是中小型塑件，必須采用較大的側(cè)向成型結(jié)構(gòu)，根據(jù)模流分析結(jié)果，采用一模兩穴兩點(diǎn)直接中間連澆（A型）進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與制造。

（2）工作零件部分采用整體式型腔和整體型芯鑲塊，以避免出現(xiàn)拼接痕跡。

（3）分型面選在最大外形尺寸位置，澆口采用扇形側(cè)向澆口，從非裝配面位置進(jìn)澆。

（4）由于背面帶有倒向扣，因此為確保產(chǎn)品順利脫模，需采用斜頂機(jī)構(gòu)和側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)成型。

（5）結(jié)合斜頂?shù)奈恢茫O(shè)計(jì)頂塊在塑件邊緣位置頂出，可避免出現(xiàn)頂桿頂出痕跡。

（6）斜頂桿由斜頂“T”形塊固定在推桿固定板上，斜頂導(dǎo)向板起導(dǎo)向作用。

2.2 脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

塑件的壁和加強(qiáng)筋都很薄，容易損壞且收縮很小，因此使加強(qiáng)筋和其他小結(jié)構(gòu)很容易黏合，同時(shí)高保壓使收縮更小。為避免頂穿和黏模，薄壁注塑成型應(yīng)使用比常規(guī)數(shù)量更多、尺寸更大的頂出銷。根據(jù)檢測儀殼體注零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式，我們采用圓頂桿及扁頂桿相結(jié)合的原則，合理進(jìn)行位置布置。脫模機(jī)構(gòu)應(yīng)確保注塑件在頂出時(shí)能夠運(yùn)行平穩(wěn)。塑件背面有6個(gè)卡勾，為了便于脫模，決定采用6個(gè)斜頂進(jìn)行側(cè)抽芯。斜頂分兩種，一種傾斜角度為6°，另一種傾斜角度為8°，由于中間加強(qiáng)筋處容易黏模，所以在加強(qiáng)筋處特別設(shè)置φ3 mm的細(xì)頂桿進(jìn)行頂出[4]。

2.3 模具的安裝與調(diào)試

（1）為確保塑件分型面無飛邊、毛刺，要求動(dòng)模型腔、定模型腔加工制造時(shí)采用統(tǒng)一基準(zhǔn)進(jìn)行加工，其加工精度要求在0.01 mm范圍內(nèi)。

（2）為確保側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，要求型芯與型腔滑道配合間隙小于0.003 mm。

（3）安裝時(shí)盡量采用整體吊裝，將模具吊入注塑機(jī)拉桿與模板之間后，調(diào)整位置使定模上的方位環(huán)進(jìn)入固定板上的定位孔并放正，慢速閉合動(dòng)模板，用壓板或螺釘壓緊定模板，并初步固定動(dòng)模，再慢速微量開啟動(dòng)模4～5次，檢查模具在啟閉過程中是否靈活、有無卡頓現(xiàn)象，最后固定動(dòng)模座板。

實(shí)踐證明：模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前用CAE軟件進(jìn)行試模、用于快速制模的模流分析，使塑料制品實(shí)際試模時(shí)減少了問題點(diǎn)，為產(chǎn)品的批量生產(chǎn)做足了準(zhǔn)備。

3 檢測儀殼體模具注射成型工藝分析

3.1 檢測儀殼體ABS與PC材料塑件注射成型參數(shù)調(diào)整對(duì)比分析

表1、表2分別為ABS及PC兩種材料在“震雄”JM268MKⅢ-C注塑機(jī)上注射成品時(shí)試驗(yàn)的4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)調(diào)整范圍。通過進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的正交實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行極差與方差的驗(yàn)算，測量塑件重量比例的變化，可以間接了解塑件的密度變化與4個(gè)因素之間的影響關(guān)系[5]。

3.2 檢測儀殼體ABS、PC兩種材料的正交實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

（1）將ABS材料由熔化溫度170 ℃升至230 ℃時(shí)，零件重量由46.5g增至56.5 g，即增長32%。對(duì)PC材料，當(dāng)將熔化溫度由300 ℃升至350 ℃時(shí)，零件重量由3.5 g增至4.5 g，即增長了20%。

（2）當(dāng)模具溫度從70 ℃升至80 ℃時(shí)，PC和ABS兩種材料的零件重量都有增長，ABS零件重量由46.5 g增至47.5 g，增長了2.0%。PC材料更加敏感，零件重量從3.6 g增至4.0 g，增長了5.0%。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PC材料熔化溫度、模具溫度、冷卻時(shí)間和注射速度都是影響零件重量的關(guān)鍵參數(shù)。ABS材料熔化溫度和模具溫度影響零件的重量。

（4）模具溫度升高，可減少融膠在型腔里的冷凝，使熔融化材料在型腔內(nèi)更易于流動(dòng)，從而獲得更大的零件重量和更好的表面質(zhì)量。

（5）熔化溫度、模具溫度的變化都會(huì)導(dǎo)致零件強(qiáng)度的改變。熔化溫度的升高會(huì)使強(qiáng)度下降，模具溫度的升高會(huì)使強(qiáng)度增加。熔化溫度的升高，會(huì)使材料有更高的熱量，導(dǎo)致熔融黏度降低，使得熔融材料更容易流動(dòng)，形成更長的流動(dòng)長度，讓型腔更加順暢地填滿融膠;但熔化溫度過高，將促使塑料材質(zhì)功能的退化和降級(jí)。

（6）塑料注射成型機(jī)的注射量要盡可能達(dá)到最大值，這樣可以幫助融膠在型腔中停留時(shí)間盡可能地減少。

（7）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，縮短冷卻時(shí)間與提高塑料注射成型機(jī)的注射速度都將使PC材料的零件重量得以增加，而ABS材料則不受這兩個(gè)參數(shù)的影響。原因是提高塑料注射成型機(jī)的注射速度能使熔融的塑料相對(duì)黏度下降。受剪切力的影響，塑料性能明顯退化。

檢測儀殼體的試模產(chǎn)品如圖4所示。實(shí)踐證明，在塑料注射成型模具領(lǐng)域應(yīng)用模流分析CAE技術(shù)，能幫助研究人員解決各種塑料產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)與制造、模具加工及試模修模的有關(guān)前期問題，顯著縮短產(chǎn)品投放市場的周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)的競爭力。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]周慧蘭，韓耀鵬.基于CAD/CAE汽車座椅儲(chǔ)物盒熱流道注塑模設(shè)計(jì)[J].工程塑料應(yīng)用，2020，48（12）：77-80.

[2]黃繼戰(zhàn)，范玉，侯世赟，等.基于CAD/CAE的音響面板雙腔熱流道注射模設(shè)計(jì)[J].工程塑料應(yīng)用，2018，46（12）：96-100.

[3]胡清根，白文，龔姝婷.基于UG的相機(jī)面殼注塑模具設(shè)計(jì)[J].塑料科技，2017，45（1）：78-80.

[4]劉國良.模具制造技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[5]劉國良.簡明模具工手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.