鄒光明， 張寶祥， 丁博， 鄧如應(yīng)， 王興東

（武漢科技大學(xué)機械自動化學(xué)院，武漢430081）

0 引言

當(dāng)前，塑料產(chǎn)品的功能日趨多元化，其結(jié)構(gòu)也越來越多樣化和復(fù)雜化，因此，對塑件的注射成型過程進(jìn)行CAE模擬分析對優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模具結(jié)構(gòu)和注射成型工藝具有非常重要的指導(dǎo)作用［1］。另外，利用CAE模擬分析，可以有效地預(yù)測不同的流道形狀及澆口形狀、位置和數(shù)目對塑件成型質(zhì)量的影響［2-4］。針對墊圈簧片，利用CAE軟件對澆口位置和數(shù)目進(jìn)行分析，預(yù)測充模過程中的熔合紋和氣穴位置，并對溫度場、剪切力場和密度場等進(jìn)行分析計算，優(yōu)化澆口的位置和數(shù)量，縮短設(shè)計周期，提高和改善產(chǎn)品質(zhì)量，從而達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。

1 塑件的工藝性分析

圖1 墊圈簧片

墊圈簧片的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該塑件的材料是 聚 甲 醛（POM），POM外觀為不透明或半透明的粉料或粒料，硬而質(zhì)密，制品表面光滑并有光澤；收縮率較大，達(dá)2%～3.5%；強度、剛度高，彈性好，減磨耐磨性好；熔融范圍窄，熔融和凝固快，料溫稍低于熔融溫度即發(fā)生結(jié)晶；流動性中等，吸濕小，可不經(jīng)干燥處理。該塑件的外壁厚為1 mm，塑件整體尺寸較小，由于壁薄可不用設(shè)計脫模斜度。

2 基于CAE的澆口位置設(shè)計及數(shù)目確定

本模具使用一模一腔的設(shè)計方案。主流道單獨設(shè)計成可拆卸更換的澆口套，分流道開設(shè)在模板上，選擇分流道截面形狀為梯形。本塑件投影面積較大且容易變形，應(yīng)采用多點澆口，以減少翹曲變形。澆口的數(shù)量和開設(shè)位置對塑件的成型性能、成型質(zhì)量及模具結(jié)構(gòu)影響均很大。下面通過數(shù)值模擬分析澆口開設(shè)位置和數(shù)目的幾種方案，確定出最佳的澆口布置形式。

2.1 不同澆口位置方案分析

根據(jù)澆口位置選擇所需遵循的原則［5］，塑件單型腔多點澆口的初步位置設(shè)計如圖2所示的兩種方案，此兩種方案均為4個澆口，兩方案除澆口位置不同，其余參數(shù)均相同。運用CAE軟件對成型塑件澆口位置的兩方案從熔合紋、氣穴、溫度場和密度場等方面進(jìn)行了分析，通過比較來確定較佳的澆口布置。

圖24個澆口位置方案

1）熔合紋分析。熔合紋分析結(jié)果如圖3所示，方案一和方案二中熔合紋的位置基本上處于塑件的對稱軸線上，整個熔合紋分布比較平衡，對塑件的使用性能影響不是很大。所以，方案一與方案二分析結(jié)果相近，均能滿足要求。

圖34個澆口熔合紋計算結(jié)果

圖44個澆口氣穴計算結(jié)果

2）氣穴分析。氣穴為熔體流動推動空氣最后聚集的部位，如果該部位排氣不暢，就會引起局部過熱、氣泡，甚至填充不足等缺陷。圖4為兩方案氣穴分析結(jié)果，從圖4可知，塑件氣穴的主要位置分布在成型邊界處，可以利用模具間隙排氣。方案一氣穴的數(shù)目明顯比方案二中的要多，而且與方案二比較，方案一中有些氣穴分布在塑件厚度薄弱的地方，這樣會減弱塑件的強度。所以，由塑件氣穴分析可知，方案二中澆口的設(shè)計要優(yōu)于方案一澆口的設(shè)計。

3）溫度場分析。圖5所示為溫度場計算結(jié)果，從圖5中可知，方案二塑件的溫度分布明顯比方案一均勻，而且溫差不大，不會出現(xiàn)因溫差大而產(chǎn)生翹曲變形的現(xiàn)象。所以，方案二的澆口設(shè)計要優(yōu)于方案一的設(shè)計。

圖54個澆口溫度場計算結(jié)果

4）密度場分析。密度場顯示了在保壓過程中，塑件上材料密度的分布。在保壓過程中，材料由于塑件上密度分布不均勻而流動，塑件上材料從密度高的地方向密度低的地方流動并最終達(dá)到平衡。密度場的計算結(jié)果如圖6所示。圖6（a）方案一中，塑件中間部分的密度比四周高，在保壓過程中會產(chǎn)生縮痕，從而降低塑件的使用強度。而圖6（b）方案二中，塑件的密度分布整體比較均勻，只是在塑件的兩邊產(chǎn)生局部高密度，最可能在兩邊產(chǎn)生縮痕，但對塑件的整體性能影響不大。所以，由塑件密度場分析可知，方案二的設(shè)計優(yōu)于方案一的設(shè)計。

圖64個澆口密度場計算結(jié)果

2.2 不同澆口數(shù)目方案分析

為了進(jìn)一步分析澆口數(shù)目對成型質(zhì)量的影響，針對墊圈簧片取不同澆口數(shù)目來予以分析。上節(jié)已經(jīng)對澆口數(shù)目為4的兩種方案進(jìn)行了分析，另外再取澆口數(shù)目為6和8的兩種方案進(jìn)行分析。方案二為前述圖2（b）所示的方案二；方案三為6個澆口，如圖7（a）所示；方案四為8個澆口，如圖7（b）所示。運用CAE軟件對不同澆口數(shù)目成型塑件的幾個重要物理量進(jìn)行分析，如熔合紋、氣穴、溫度場和剪切力場，并確定較佳澆口數(shù)目的設(shè)計方案。

1）熔合紋和氣穴分析。熔合紋計算結(jié)果如圖8所示，圖8（a）方案三和圖8（b）方案四的熔合紋顯然多于圖3（b）方案二的熔合紋，并且方案三和方案四的氣穴數(shù)目也多于方案二的氣穴數(shù)目。所以，方案二的澆口數(shù)目設(shè)計優(yōu)于方案三和方案四的澆口數(shù)目設(shè)計。

2）溫度場分析。溫度場計算結(jié)果如圖9所示，從圖9中可知，方案三和方案四溫度的分布不均勻且溫差較大，而圖5（b）方案二中塑件的溫度分布比較對稱均勻，溫差不大。因此，相比方案二來說，方案三和方案四增加了塑件產(chǎn)生翹曲變形的可能性，所以，方案二的設(shè)計優(yōu)于方案三和方案四的設(shè)計。

圖7 不同澆口數(shù)目方案

圖8 不同澆口數(shù)目熔合紋計算結(jié)果

圖9 不同澆口數(shù)目溫度場計算結(jié)果

圖10 不同澆口數(shù)目剪切力場計算結(jié)果

3）剪切力場分析。剪切力場計算結(jié)果如圖10所示，從圖10中可知，圖10（a）方案二中剪切力的分布比較均勻，熔體承受的剪切力小于0.45 MPa，符合設(shè)計要求。但是，在圖10（b）方案三和圖10（c）方案四中，塑件左邊的剪切力高于熔體承受的最大剪切力0.45 MPa，不滿足設(shè)計要求。所以，方案二的設(shè)計優(yōu)于方案三和方案四的設(shè)計。

2.3 分析結(jié)果

運用CAE軟件對澆口位置和數(shù)目不同的幾種方案進(jìn)行了分析。通過對不同澆口位置的方案一和方案二從熔合紋、氣穴、溫度場和密度場方面分析比較，確定方案二為較佳的澆口位置方案；通過對澆口數(shù)目3個不同方案從熔合紋、溫度場和剪切力場等方面進(jìn)行分析，根據(jù)計算結(jié)果可知，澆口的數(shù)目設(shè)計采用方案二比較合理。因此，確定方案二為本模具澆口最優(yōu)設(shè)計方案。

圖11 模具三維爆炸圖

3 模具工作原理

在澆注系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上，計算了成型零部件的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計了脫模機構(gòu)和導(dǎo)向機構(gòu)，選取了模架結(jié)構(gòu)形式［6］，最終確定了模具的具體結(jié)構(gòu)，其三維爆炸圖如圖11所示。

該模具的基本工作原理為：開模時，首先定模座板與定模固定板之間分開，利用拉料鉤將冷凝料在澆口處拉斷，動模部分繼續(xù)后退，卸料彈簧頂動卸料塊和墊板，將澆道凝料從拉料鉤上刮落。隨后抓鉤打開，動模板與定模固定板第二次分型。動模部分再繼續(xù)后退，推出機構(gòu)推出塑件，在復(fù)位彈簧的作用下，推桿先行退回，然后合模，繼續(xù)下一循環(huán)動作。

4 結(jié)論

本文對墊圈簧片的工藝性進(jìn)行了分析，運用CAE軟件對澆口位置與數(shù)目進(jìn)行了研究，并預(yù)測填充過程中可能產(chǎn)生的缺陷。通過對澆口位置和數(shù)目四個不同設(shè)計方案的整體性比較，確定了澆口布置的最佳設(shè)計方案。設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)緊湊，能滿足生產(chǎn)要求。

［1］ 林志宏.注射模 CAE 技術(shù)的應(yīng)用研究［J］．模具制造，2004，4（1）：1-4.

［2］ 吳夢陵，孫迪，張瓏.注射模澆注系統(tǒng)對成型工藝和塑件質(zhì)量影響研究［J］.塑料工業(yè)，2011，39（8）：65-68.

［3］ Lee B H，Kim B H.Automated selection of gate location based on desired quality of injection-molded part ［J］.Polym Plast Technol Eng，1996，35（2）：253.

［4］ 周建華，趙亦兵，袁根福.基于數(shù)值模擬的光盤片架注塑成型澆口位置優(yōu)化與模具設(shè)計［J］.塑料工業(yè)，2012，40（10）：62-65.

［5］ 俞芙芳.塑料成型工藝與模具設(shè)計［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［6］ 李德群，唐志玉.中國模具工程大典：第3卷：塑料與橡膠模具設(shè)計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.