方 軍 ，李 兵，龔燕萍，魏斯亮

（1.南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南京211106；2.華東交通大學(xué)理工學(xué)院機(jī)電工程分院，江西南昌330100）

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的迅猛發(fā)展，模具CAD/CAE/CAM技術(shù)已經(jīng)在眾多模具企業(yè)得到推廣和應(yīng)用，然而很多模具企業(yè)僅停留在CAD/CAM的簡(jiǎn)單結(jié)合階段，即用三維軟件將客戶提供的產(chǎn)品零件圖進(jìn)行三維建模，并自動(dòng)轉(zhuǎn)換成模具型芯、型腔，以及對(duì)模具零件進(jìn)行數(shù)控編程加工[1-5]。而利用CAE技術(shù)進(jìn)行模流分析來(lái)輔助模具設(shè)計(jì)的較少，還是沿襲傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)手段，十分依賴技術(shù)員的豐富經(jīng)驗(yàn)，模具通常經(jīng)過(guò)反復(fù)的試模和修正才能投入生產(chǎn)，模具的設(shè)計(jì)水平低，周期長(zhǎng)，產(chǎn)品更新?lián)Q代慢以及成型工藝參數(shù)不穩(wěn)定等制約著模具工業(yè)的發(fā)展。

以塑料盒蓋為例，采用Pro/E軟件自帶的塑料顧問(wèn)（Plastic Advisor）模流分析模塊對(duì)盒蓋零件進(jìn)行模流分析，并利用塑料顧問(wèn)提供的分析結(jié)果來(lái)指導(dǎo)Pro/E的模具設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，該模具設(shè)計(jì)方案體現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)越性、可操作性，縮短了模具設(shè)計(jì)與制造的周期，提高了塑料產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了成本，從而提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 塑件結(jié)構(gòu)特性分析

塑料盒蓋的外形如圖1所示，其尺寸為160 mm×100 mm×25 mm，塑件含有4個(gè)側(cè)凹，4個(gè)定位鎖緊螺釘柱，螺釘柱上均布著厚度為1 mm的4個(gè)加強(qiáng)筋。塑件配合處有精度要求，表面要求光潔平整，無(wú)縮孔、飛邊及毛刺。材料為丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物（ABS），其流動(dòng)性好、強(qiáng)度高，易于成型。采用注射成型工藝，收縮率取0.5﹪。塑件的最大壁厚為3 mm，最小壁厚為1 mm。

圖1 塑料盒蓋塑件Fig.1 Plastic lid parts

2 用塑料顧問(wèn)進(jìn)行模流分析

塑料顧問(wèn)是Pro/E中自帶的一種模流分析模塊，它具有強(qiáng)大的分析、計(jì)算和動(dòng)態(tài)模擬功能。利用塑料顧問(wèn)可以直觀地觀測(cè)到塑料熔體的流動(dòng)情況、塑件的填充狀態(tài)、注射壓力變化情況、溫度變化情況等，可隨時(shí)選擇、設(shè)定及修改工藝參數(shù)、材料型號(hào)和澆口位置，自動(dòng)選擇注射機(jī)相關(guān)參數(shù)，使設(shè)計(jì)者創(chuàng)造性理念得到快速驗(yàn)證，將問(wèn)題消滅在設(shè)計(jì)初始階段，提高了一次試模的成功率，其結(jié)果對(duì)優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和注塑工藝參數(shù)的選擇有著重要意義[6]。

2.1 澆口位置分析

澆口位置直接影響塑件熔體在模具型腔內(nèi)的流動(dòng)，選擇合理的澆口位置在注射模具設(shè)計(jì)中十分重要，注塑制品質(zhì)量可通過(guò)澆口位置的優(yōu)化而得到顯著提高。最佳澆口位置（Gate Location）是塑料顧問(wèn)中用于分析最佳澆口位置區(qū)域的分析選項(xiàng)，可為設(shè)計(jì)分析過(guò)程找到一個(gè)初步的最佳澆口位置，即Gate Location的分析結(jié)果可為進(jìn)一步進(jìn)行完整的流動(dòng)分析提供一個(gè)參考的澆口位置，該澆口位置可能不是最終設(shè)計(jì)結(jié)果，但對(duì)模具設(shè)計(jì)卻有很好的參考價(jià)值。

在Pro/E Wildfire 4.0中打開(kāi)要分析的零件，選擇“應(yīng)用程序”菜單，單擊“Plastic Advisor”，進(jìn)入塑料顧問(wèn)操作界面，進(jìn)入“Analysis Wizard”（分析向?qū)В┖筮x擇分析類型為“Gate Location”。選用材料為ABS，設(shè)置充模流動(dòng)分析的成型條件為：模具溫度為60℃，熔體溫度為230℃，最大注射壓力為180 MPa，其他工藝參數(shù)接受系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置。完成分析前處理后，計(jì)算機(jī)開(kāi)始對(duì)塑件進(jìn)行合適澆口位置計(jì)算分析，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯瑵部谠O(shè)置在塑件的中心位置。

圖2 最佳澆口位置Fig.2 Best gate location

2.2 塑料熔體填充分析

塑料填充（Plastic Filling）是塑料顧問(wèn)中用于分析塑料在模腔中流動(dòng)，優(yōu)化模腔布局，材料選擇和填充保壓工藝參數(shù)的分析選項(xiàng)。在Gate Location分析基礎(chǔ)上，選擇Plastic Filling進(jìn)行塑料熔體填充分析。即采用Gate Location分析結(jié)果來(lái)設(shè)定澆口位置，從而分析產(chǎn)品注射過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題和質(zhì)量缺陷。

1）填充時(shí)間。填充時(shí)間是預(yù)示塑件充型各階段時(shí)間，通過(guò)圖形及模擬動(dòng)畫(huà)可查看模流的竟流效應(yīng)、遲滯、潛流現(xiàn)象、失衡流動(dòng)及過(guò)保壓，并提供相應(yīng)解決方案。填充時(shí)間分析結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，塑件在1.07 s內(nèi)完成熔體填充，其過(guò)程是：塑件中心部位首先填充滿，最后是塑件的轉(zhuǎn)角部分，時(shí)間相差1 s左右。整個(gè)塑件基本能在同一時(shí)間內(nèi)充滿，流動(dòng)平衡性較好。

2）填充可行性分析。用于綜合評(píng)價(jià)填充性能的優(yōu)劣，圖4為填充可行性分析結(jié)果，從圖4可以看出盒蓋塑件沒(méi)有塑料填充的缺陷，填充狀況良好。其指標(biāo)由壓降和波前溫度綜合而來(lái)，出現(xiàn)問(wèn)題系統(tǒng)會(huì)提示產(chǎn)生原因。

圖3 填充時(shí)間分析 Fig.3 Filling time analysis

圖4 填充可行性分析Fig.4 Filling feasibility analysis

2.3 冷卻質(zhì)量分析

冷卻質(zhì)量分析用于預(yù)測(cè)因冷卻速度不同而產(chǎn)生缺陷的位置，冷卻質(zhì)量分析結(jié)果如圖5所示，從圖5可以看出塑料盒蓋大部分冷卻質(zhì)量最好，內(nèi)凹槽附近及螺釘柱加強(qiáng)筋呈現(xiàn)過(guò)熱，說(shuō)明整個(gè)塑件的大部分冷卻質(zhì)量較高，局部有過(guò)熱現(xiàn)象。需要在模具設(shè)計(jì)中考慮在以上位置加上適當(dāng)?shù)睦鋮s水道，幫助塑件進(jìn)行冷卻[7]。

2.4 縮痕分析

用于分析查看縮痕及空隙，分析結(jié)果如圖6所示，可以看出，在盒蓋頂部圓角和螺釘柱底部等部位會(huì)產(chǎn)生縮痕，由此可以在模具設(shè)計(jì)時(shí)在此部位進(jìn)行局部減膠處理，或在塑料生產(chǎn)時(shí)設(shè)定足夠的保壓時(shí)間等進(jìn)行充分補(bǔ)縮處理[8]。

圖5 冷卻質(zhì)量分析Fig.5 Cooling quality analysis

圖6 縮痕分析Fig.6 Sink marks analysis

2.5 熔接痕分析

熔接痕是塑件表面的一種線狀痕跡，是由若干膠熔體在型腔中匯合在一起時(shí)，在其交匯處未完全熔合在一起，彼此不能熔合為一個(gè)而形成熔合印痕，其影響塑件的外觀質(zhì)量及力學(xué)性能。因此應(yīng)盡量避免塑件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱處出現(xiàn)熔接痕。

圖7為熔接痕位置圖，從圖7中可以看出，熔接痕位于盒蓋頂部螺釘柱附近；結(jié)合料流前段溫度分析結(jié)果（如圖8）可知，熔接痕處的料流溫度無(wú)明顯降低，溫差均不超過(guò)2℃。熔接痕熔合良好，保證了塑件機(jī)械強(qiáng)度及表觀質(zhì)量。

圖7 熔接痕位置Fig.7 Weld line location

圖8 料流前段溫度分析Fig.8 Flow front temperature analysis

2.6 氣泡分析

圖9為氣泡位置分析圖，從圖9可以看出料流前沿匯聚在塑件內(nèi)部或模腔表層的氣泡，基本都位于螺釘柱加強(qiáng)筋附件和塑件頂部圓角處。對(duì)于塑件產(chǎn)生的氣泡，可提高注射成型及冷卻過(guò)程中注射的速度、延長(zhǎng)保壓時(shí)間，也可以在產(chǎn)生氣泡的位置開(kāi)設(shè)排氣槽，利用模具分型面、鑲件間隙及排氣槽來(lái)排氣，讓熔體釋放出的空氣順利散開(kāi)，有效的排氣，從而防止因氣泡形成的塑件表面瑕疵及焦痕等缺陷。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合模流分析結(jié)果，使用Pro/E完成模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。此模具采用一模一腔結(jié)構(gòu)。型腔做成整體式，根據(jù)前述模流分析結(jié)果，塑件配合處及螺釘柱上端將有大量氣泡產(chǎn)生，為避免困氣現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)考慮加工方便，型芯采用鑲拼式結(jié)構(gòu)。

對(duì)于塑件的內(nèi)凹部分，采用斜銷結(jié)構(gòu)。開(kāi)模后注塑機(jī)的頂出機(jī)構(gòu)推動(dòng)模具的頂板往脫模方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，斜銷慢慢脫出塑件的內(nèi)凹部分，使塑件順利脫模。需要注意的是，為使斜銷在頂出后合模時(shí)能夠順利復(fù)位，防止注射模在臥式注射機(jī)上使用時(shí)斜銷脫離模具，斜銷要有足夠的高度；同時(shí)為了減少斜銷在脫模時(shí)的側(cè)向力，其與開(kāi)模方向的傾斜角要小，通常傾斜角控制在5°～8°的范圍內(nèi)；裝配時(shí)要求斜銷滑動(dòng)順暢自如，摩擦阻力要小。模具的開(kāi)模過(guò)程如圖10所示，當(dāng)然要完成一整套模具設(shè)計(jì)，還要加上澆注系統(tǒng)、頂出系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和一些其他部件，如模架，滑塊等[9]。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，只表示出模具的開(kāi)模過(guò)程（如圖10）。

圖9 氣泡位置圖Fig.9 Air trap locations

圖10 模具開(kāi)模Fig.10 Mold opening

4 結(jié)語(yǔ)

利用Pro/E軟件中的塑料顧問(wèn)模塊的模流分析技術(shù)可以優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，能夠把制造中將會(huì)產(chǎn)生的問(wèn)題在設(shè)計(jì)階段就得到有效解決，為模具設(shè)計(jì)及成型工藝提供合理的參考，最終縮短塑料模具設(shè)計(jì)制造的周期，提高塑料產(chǎn)品的質(zhì)量，降低成本，從而增加企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。實(shí)踐證明，該模具結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行可靠。經(jīng)一次試模后，塑件質(zhì)量?jī)?yōu)良。

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