王明哲，喬女

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710302)

氣體輔助成型的基本過程是先向模具型腔中注入塑料熔體，再向塑料熔體中注入壓縮氣體(氮?dú)?，借助氣體的作用推動(dòng)塑料熔體充填到型腔的各個(gè)部位，最后形成有中空斷面而外形完整的塑件。氣體輔助注塑的基本技術(shù)在注塑企業(yè)的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代中期，系FRIEDRICH擁有的美國(guó)專利，它描述了高壓氣體從射嘴注入塑料內(nèi)部的技術(shù)，它于1976年1月9日申請(qǐng)。這一專利的保護(hù)曾經(jīng)限制了氣體輔助注塑技術(shù)的推廣應(yīng)用。到1996年，這項(xiàng)專利超出其保護(hù)期限，基本的氣體輔助注塑技術(shù)自1997年起已成為自由公知技術(shù)。隨著我國(guó)塑料工業(yè)迅速發(fā)展，塑料制品的應(yīng)用范圍也越來越廣，塑料制品的需求量也越來越大。因此氣輔技術(shù)也就具有了巨大的應(yīng)用市場(chǎng)。

模具是生產(chǎn)各種工業(yè)產(chǎn)品的重要工藝裝備，隨著塑料工業(yè)的迅速發(fā)展和塑料制品應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)模具的要求越來越高，傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)與制造方法己無法適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代和提高質(zhì)量的要求。同傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)相比，CAE技術(shù)無論在提高生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品品質(zhì)，還是在降低成本，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度方面，都具有很大的優(yōu)越性。

1 塑件結(jié)構(gòu)分析

產(chǎn)品為塑料手柄，材料為PP，總長(zhǎng)為330.2mm，截面呈為U圓形直徑，兩端有凹坑，平均厚度60mm，結(jié)構(gòu)中等復(fù)雜，零件尺寸較大，需要大批量生產(chǎn)，零件必須平正，需要較小殘余應(yīng)力；要求外觀美觀圓潤(rùn)，具體尺寸如圖1所示。

圖1 塑件圖

2 CAE模擬計(jì)算

CAE軟件運(yùn)用三維有限元迭代法預(yù)測(cè)熔體流動(dòng)的路線，模擬熔體的流動(dòng)過程。塑件圓潤(rùn)，要求表面光滑無痕，因此澆口必須設(shè)計(jì)為點(diǎn)澆口且在塑件側(cè)面，澆口位置在側(cè)端面有兩個(gè)位置可以選擇，選擇了其中一端，模具真實(shí)加工時(shí)另一端一定要在模具中設(shè)計(jì)溢流槽，儲(chǔ)存混有氣體的余料殘?jiān)?，與排氣槽配合排除型腔中的氣體。模擬過程采用熱流道系統(tǒng)，便于節(jié)省塑膠材料，控制塑件質(zhì)量。傳統(tǒng)注射成型分析的模擬，充填結(jié)束時(shí)間=9.1 245s；總質(zhì)量(零件+流道)=1 184.939 3g；總體積=1 497.784 2cm3；要充填的體積=1 497.784 2cm3；要充填的零件體積=1 482.323 3cm3；要充填的主流道/流道/澆口體積 =15.460 9cm3；總投影面積=248.686 2cm2，在充填期間最大鎖模力 =2.058 3t?？梢钥闯鏊芗|(zhì)量過重，鎖模力較大，填充時(shí)間和成型周期太長(zhǎng)等，傳統(tǒng)注射不適應(yīng)塑料手柄的成型。

本文采用氣輔成型模擬，圖2為塑件3D網(wǎng)格圖和注射機(jī)參數(shù)和模具溫度控制值。

圖2 塑件3D網(wǎng)格圖

由于氣體輔助注射成型比普通注射成型增加了成型工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜性，正確設(shè)計(jì)塑料熔體和氣體的最佳切換時(shí)間，以及控制塑料熔體的氣體注入量和氣壓大小，以達(dá)到在保證品質(zhì)的前提下最節(jié)省材料成為了設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)CAE模擬技術(shù)可以高效的解決問題。圖3為氣輔成型模擬的填充時(shí)間色階圖，圖4樹脂填充區(qū)域圖；圖5速度壓力切換時(shí)的壓力圖；圖6氣體填充區(qū)域圖。

圖3 填充時(shí)間

由圖3可以看出樹脂填充滿型腔用了8.437s，在3.50s時(shí)注射機(jī)停止注射，6.0s后代之由氣體作用推動(dòng)塑料熔體充填到型腔的各個(gè)部位，完成手柄成型。

圖4 樹脂填充區(qū)域

經(jīng)過CAE模擬技術(shù)多次調(diào)試壓力和時(shí)間，圖4為氣體作用推動(dòng)塑料熔體充填到型腔的各個(gè)部位，完成手柄成型圖，氣體延遲時(shí)間=6s，延遲氣體填充時(shí)間為了保證成型過程中樹脂產(chǎn)生一定的外凝結(jié)層，防止氣體沖破樹脂在保證品質(zhì)的前提下最節(jié)省材料。

圖5 速度壓力切換時(shí)的壓力

多次調(diào)試壓力和時(shí)間得出工藝參數(shù):速度/壓力切換控制:速度/壓力切換控制類型=由%充填體積；零件體積百分比=60.00%；保壓控制:保壓控制類型=%充填壓力與時(shí)間；速度/壓力切換的時(shí)間=2.196 5s；速度/壓力切換時(shí)的注射壓力=18.232 0MPa；速度/壓力切換時(shí)充填的體積=60.1319%。

圖6 氣體填充區(qū)域

由氣輔成型CAE模擬結(jié)果得出氣輔成型的優(yōu)點(diǎn):1)減少產(chǎn)品變形，低的注射壓力使內(nèi)應(yīng)力降低，使翹曲變形降到最低；2)減少鎖模壓力，低的注射壓力使合模力降低，可以使用小噸位機(jī)臺(tái)；3)提高產(chǎn)品精度，低的殘余應(yīng)力同樣提高了尺寸公差和產(chǎn)品的穩(wěn)定性；4)減少塑膠原料，成品的肉厚部分是中空的，減少塑料可達(dá)40%；5)縮短成型周期，實(shí)心制品相比成型周期縮短，不到傳統(tǒng)注射成型一半；6)提高模具壽命，降低模腔內(nèi)壓力，使模具損耗減少，提高工作壽命。

4 結(jié)語

模具是生產(chǎn)各種工業(yè)產(chǎn)品的重要工藝裝備，隨著塑料工業(yè)的迅速發(fā)展和塑料制品應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)模具的要求越來越高，傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法己無法適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代和提高品質(zhì)的要求。通過應(yīng)用CAE軟件對(duì)產(chǎn)品氣輔成型模擬分析，確定塑料熔體和氣體的最佳切換時(shí)間，以及控制塑料熔體的氣體注入量和氣壓大小，以達(dá)到在保證品質(zhì)的前提下最節(jié)省材料，得到了高品質(zhì)的產(chǎn)品。為滿足客戶需求提供有力的技術(shù)支持，同傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)相比，CAE技術(shù)無論在提高生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品品質(zhì)，還是在降低成本，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度方面，都具有很大的優(yōu)越性。

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