陳曉勇 王謙

(杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州,311402)

機(jī)械與模具

基于ANSYS的碟片盒注塑模優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳曉勇 王謙

(杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州,311402)

為合理設(shè)置碟片盒注塑模具的支撐柱，以塑件溢料間隙值不大于0.030 mm為優(yōu)化目標(biāo)，借助ANSYS軟件的結(jié)構(gòu)分析功能，得到了模具動(dòng)模部分的變形結(jié)果和優(yōu)化的支撐柱布置方案。結(jié)果表明，模具結(jié)構(gòu)合理，將ANSYS軟件應(yīng)用于注塑模結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以定量地顯示模具的變形情況，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)效率。

支撐柱 注塑模 變形 優(yōu)化設(shè)計(jì) 碟片盒

為確保塑件成型時(shí)的表面質(zhì)量，防止分型面處溢料導(dǎo)致飛邊，在加厚型腔壁厚和動(dòng)模板厚度的同時(shí)，需要在推出機(jī)構(gòu)處設(shè)置合適的支撐柱(撐頭)。生產(chǎn)中，常采用經(jīng)驗(yàn)法來(lái)設(shè)計(jì)支撐柱[1]。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要保證模具受力均衡。一般先根據(jù)空間的大小恰當(dāng)布置，再結(jié)合試模情況進(jìn)行完善。但碟片盒模具的推出機(jī)構(gòu)不對(duì)稱，兩盒蓋鑲件中心處存在多根小頂桿，無(wú)法采用經(jīng)驗(yàn)法來(lái)直接進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，為保證支撐柱布置合理，使模具受力均勻，同時(shí)也為了提高設(shè)計(jì)效率，降低生產(chǎn)成本，決定采用ANSYS軟件對(duì)注塑模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，以期為該領(lǐng)域的研究提供參考。

1 塑件結(jié)構(gòu)分析

碟片盒，尺寸為142.20 mm×124.60 mm×10.00 mm，主體壁厚僅為1.2 mm。兩塑件連接部位存在用于相互配合的凸臺(tái)和溝槽。盒底的中心部位分布有不規(guī)則的通孔和狹槽(僅0.6 mm寬)，用于裝夾碟片。該塑件為透明外觀件，采用通用聚苯乙烯(GPPS)塑料生產(chǎn)。產(chǎn)品外觀不允許出現(xiàn)飛邊、毛刺、熔接痕等缺陷。

2 模具設(shè)計(jì)方案

為保證產(chǎn)品成型質(zhì)量，采用盒底和盒蓋同時(shí)成型的方法，即一模四腔(兩底兩蓋)。由塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，兩塑件連接部位存在凸起和溝槽，需要設(shè)置側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)。盒底中心部位的通孔和狹槽較復(fù)雜，較難成型，需要從定、動(dòng)模方向分別設(shè)置成型型芯。兩塑件的側(cè)壁和盒底的中心會(huì)產(chǎn)生較大脫模阻力，需要沿塑件的周邊及盒底中心設(shè)置多根推桿。最終確定的模具總體結(jié)構(gòu)為對(duì)向側(cè)抽、點(diǎn)澆口、推桿推出。設(shè)計(jì)完成的模具CAD模型的外形參數(shù)為700 mm×550 mm×499 mm，其中動(dòng)(定)模板尺寸為600 mm×550 mm。

3 模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

塑件成型過(guò)程中，模具是在熔體壓力、熱應(yīng)力、鎖模力以及重力等多種因素的共同作用下工作的。因此，模擬分析時(shí)應(yīng)綜合考慮以上多種影響因素?？紤]到本塑件為薄壁大型塑件，模具的冷卻效果較好，模具熱載荷對(duì)模具變形的影響可以忽略不計(jì)。下面著重探討模具在熔體壓力和鎖模力作用下的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)變形。塑料的溢料間隙值取決于材料的流動(dòng)性、成型壓力、模具結(jié)構(gòu)等多種因素的影響。GPPS的溢料間隙值為0.03 mm[2]。因此，模擬分析時(shí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：模具分型面處沿開(kāi)模方向(Z向)的最大變形值小于0.030 mm。即動(dòng)模鑲件及動(dòng)模板沿Z向的最大變形量小于0.030 mm。

3.1 支撐柱布置方案的初定

圖1為模具推出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意，左側(cè)為盒底鑲件2，5，右側(cè)為盒蓋鑲件1，4，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱。左側(cè)的盒底部分，其中心布置了10根小推桿6，周邊則布置了15根扁推桿(7或8)。右側(cè)的兩盒蓋部分則沿周邊布置了13根扁推桿。

考慮到盒底中心小推桿的存在，支撐柱決定采用圖1所示的十字形排列方式。即沿縱向?qū)ΨQ布置5個(gè)Ф90 mm的支撐柱，間距分別為115，105 mm。沿橫向?qū)ΨQ布置2個(gè)Ф70 mm的支撐柱，間距為120 mm。此種布置方式較簡(jiǎn)單，既避開(kāi)了鑲件中心部位，降低了加工與裝配難度；又保證了支撐柱位置的相對(duì)平衡。經(jīng)ANSYS軟件分析后再進(jìn)行適當(dāng)處理。

圖1 支撐柱初步布置方案

3.2 分析模型的確定與簡(jiǎn)化

注塑模具一般由定模和動(dòng)模兩大部分組成。動(dòng)模中，由于推出機(jī)構(gòu)處移動(dòng)空間的存在導(dǎo)致動(dòng)模板易產(chǎn)生較大變形。因此，應(yīng)對(duì)動(dòng)模部分進(jìn)行剛度分析。

動(dòng)模部分作為一個(gè)整體被安裝在注塑機(jī)上，動(dòng)模座板受固定約束，其上受到來(lái)自注塑機(jī)拉桿的鎖模力(F1)的作用。分型面處的型芯(鑲件)表面則受到型腔內(nèi)熔體的壓力(F2)，分型面處的其它表面則受到接觸壓力(F3)作用。塑件成型時(shí)，三者達(dá)到動(dòng)平衡，即F1為F2與F3之和。這些壓力均為面載荷，是作用在一定表面上的分布載荷。

為便于ANSYS軟件的分析，對(duì)模具動(dòng)模部分的分析模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。保留了主體結(jié)構(gòu)，去除了螺栓、導(dǎo)柱、滑塊、澆注系統(tǒng)、冷卻水道、推桿等細(xì)節(jié)特征。最終的分析模型如圖2所示，頂部中間的4個(gè)方塊為4個(gè)型芯鑲件，外形尺寸為185 mm×155 mm×40 mm。

本模具動(dòng)模部分的重要零件采用了多種材質(zhì)，如S50C、HPM38等合金結(jié)構(gòu)鋼。查相關(guān)技術(shù)資料可知其彈性模量為2.06×e5MPa，泊松比為0.3[3]。在ANSYS軟件中選取單元類(lèi)型為solid187，完成材料屬性設(shè)置后，對(duì)分析模型進(jìn)行網(wǎng)格化分。

圖2 動(dòng)模簡(jiǎn)化模型

3.3 邊界條件的確定

3.3.1 動(dòng)模座板上的鎖模壓力

根據(jù)企業(yè)條件，選取日鋼牌中型全電動(dòng)注塑機(jī)J280ELⅢ進(jìn)行生產(chǎn)，其最大鎖模力為2 750 kN。故動(dòng)模座板上的最大鎖模壓力為7.14 MPa。

3.3.2 型芯(鑲件)表面的壓力

塑件的材料GPPS，是容易成型塑料，其注射成型壓力一般為60～100 MPa，而具體的型芯(鑲件)表面的壓力則需要采用經(jīng)驗(yàn)法來(lái)確定。查閱資料可知其型腔壓力經(jīng)驗(yàn)數(shù)值為24.5 MPa[4]。于是確定4個(gè)型芯鑲件表面所受的壓力均為24.5 MPa。

3.3.3 分型面處其它表面的接觸壓力

由UG NX軟件可知，4個(gè)塑件的投影面積約為70 872.48 mm2。而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，多型腔模具中，澆口和流道在分型面上的投影面積約為塑件投影面積的25%～50%，通?？扇?5%[5]。于是，總的投影面積約為95 677.85 mm2，型腔中壓力熔體的作用力則為2 344.11 kN，而分型面上其它表面的接觸力約為406.00 kN。

另外，分型面上其它表面的實(shí)際接觸面積約為234 322.45 mm2，其所受面載荷約為1.73 MPa。

因此，該模型的邊界條件為：動(dòng)模座板的底面受到固定約束且承受鎖模壓力7.14 MPa，4個(gè)型芯鑲件表面承受型腔壓力24.50 MPa，分型面處其它表面的接觸壓力為1.73 MPa。

3.4 初始方案的變形情況

圖3為支撐柱初始方案的Z向受力變形情況。

圖3 初始方案的分析結(jié)果

從圖3可以看出，動(dòng)模部分的最大變形區(qū)域處于4個(gè)鑲件的中心區(qū)域，范圍較大。Z向最大變形量約為0.043 mm，已顯著超出允許的極限值0.030 mm。過(guò)大的變形量肯定會(huì)影響塑件的成型質(zhì)量，該方案不合理。

3.5 方案優(yōu)化

鑒于圖2中4個(gè)鑲件中心處的變形量過(guò)大，而其余空間又無(wú)法安放支撐柱，故必須在鑲件的中心部位增設(shè)支撐柱(見(jiàn)圖4)?？紤]到布局平衡，在每個(gè)盒蓋鑲件中心設(shè)置1個(gè)直徑為100 mm的大支撐柱5，而在每個(gè)盒底鑲件處設(shè)置2個(gè)直徑為30 mm的小支撐柱3和1個(gè)直徑為50 mm的小支撐柱2。再沿垂直中心軸線布置3個(gè)直徑為80 mm的支撐柱1，沿水平中心軸線布置2個(gè)直徑為70 mm的支撐柱4。這樣，在原始方案的基礎(chǔ)上增設(shè)了6個(gè)支撐柱并適當(dāng)減小了縱向3個(gè)支撐柱的尺寸。

圖4 優(yōu)化的支撐柱布置方案

3.6 優(yōu)化后的變形分析

圖5為優(yōu)化后的支撐柱布置方案的Z向受力變形分析結(jié)果。

圖5 優(yōu)化后的模具變形結(jié)果

從圖5可以看出，模具最大變形區(qū)域仍處于鑲件的中心部位，但范圍和尺寸均明顯變小。此時(shí)的Z向最大變形量約為0.027 mm，符合塑件成型的極限值要求?？梢?jiàn)，優(yōu)化后的方案合理。生產(chǎn)實(shí)踐表明：該模具結(jié)構(gòu)合理，動(dòng)作可靠，塑件質(zhì)量穩(wěn)定。

4 結(jié)論

以ANSYS軟件為分析工具，得到了碟片盒模

具合理的支撐柱布置方案。該模具結(jié)構(gòu)合理，動(dòng)作可靠。

采用ANSYS軟件，可以定量地顯示模具變形的具體結(jié)果及其變化趨勢(shì)，從而幫助工程技術(shù)人員提高設(shè)計(jì)效率。當(dāng)然，任何分析軟件都是建立在一定的理論假設(shè)上的，其模擬結(jié)果均存在一定的局限性。為提高ANSYS軟件的分析效率，設(shè)計(jì)碟片盒模具時(shí)去除了許多細(xì)小結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致最終的分析模型與實(shí)際模型的結(jié)構(gòu)相差較多，影響了分析結(jié)果的精確度。因此，今后還需開(kāi)展提高分析模型與實(shí)際模型的吻合度的研究。

[1] 袁麗軍,杜群貴,謝葉青,等.注塑模模架剛度分析及撐頭擺放位置研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化, 2011.33(10)：103-106.

[2] 許江偉.基于數(shù)值模擬的平板類(lèi)注塑件飛邊研究[D].鄭州：鄭州大學(xué),2014：16-17.

[3] 秦大同,謝里陽(yáng).現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2011：1.

[4] 翁其金.塑料模塑成型技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2011：6.

[5] 陳國(guó)靖.基于ANSYS/FE-SAFE的注塑模具型腔疲勞壽命分析[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2013：9-11.

Optimized Design of Injection Mold for Disc Box Based on ANSYS

Chen Xiaoyong Wang Qian

(Hangzhou Polytechnic,Hangzhou，Zhejieng,311402)

In order to get the rational design of pillars of the injection mold for and disc box, the overflow gap of not more than 0.030 mm was set as the optimization goal, deformation of the movable mold part and optimized layout plan of support pillars were obtained based on the structural analysis function of ANSYS software. The research results showed that the injection mold was reasonable and mold deformation could be quantitatively displayed by using ANSYS software in optimization design of the injection mold structure，and design efficiency would be improved finally.

support pillar; injection mold; deformation; optimal design; disc box

2016-08-03；修改謝收到日期：2016-09-12。

陳曉勇，男，副教授。研究方向?yàn)樽⑺苣AD/CAE/CAM。E-mail：chenxy0088@126.com。

10.3969/j.issn.1004-3055.2016.06.013