馬常亮，陸廣華，姜恒鑫，張憲政

1.南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院（江蘇泰州 225300）

2.中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司（江西南昌 330024）

1 引言

數(shù)值仿真分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可以提前預(yù)測(cè)注射成型中可能出現(xiàn)的問題，從而能較好地提高模具研發(fā)效率，降低研發(fā)成本。蔡厚道等人以車載導(dǎo)航面板為研究對(duì)象[1]，設(shè)計(jì)了一副一模一腔的高精度注射模，并通過模流仿真分析確定了模具澆注系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。方明月等人設(shè)計(jì)了3 種不同的汽車手柄澆口位置方案[2]，并通過對(duì)比分析確定了汽車手柄的最佳澆口位置。陳颯颯等人通過優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]，解決了細(xì)長(zhǎng)型芯偏移引起的成型塑件翹曲變形的問題。張鳳梅等人基于模流仿真分析技術(shù)制定了汽車內(nèi)飾儲(chǔ)物箱箱體的模具設(shè)計(jì)方案[4]。陸廣華通過數(shù)值仿真分析研究了不同工藝參數(shù)組合對(duì)電連接器孔蓋板翹曲變形量的影響[5]。綜上所述，借助數(shù)值仿真分析技術(shù)，研究人員能夠獲得較好的模具設(shè)計(jì)方案。

本文以風(fēng)扇葉片為研究對(duì)象，進(jìn)行了工藝性分析，確定了分型面，基于模流分析技術(shù)設(shè)計(jì)了澆口位置，并對(duì)壓力、充型時(shí)間、流動(dòng)前沿溫度、氣穴、熔接線、溫度、翹曲變形等參數(shù)進(jìn)行了仿真分析。根據(jù)分析結(jié)果，選取模具溫度、熔體溫度、保壓壓力和保壓時(shí)間等參數(shù)，開展正交優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了使翹曲變形達(dá)到最小的工藝參數(shù)組合。

2 成型工藝分析與模具設(shè)計(jì)

2.1 成型工藝分析

風(fēng)扇葉片中心有一個(gè)通孔，壁厚比較均勻，適合大批量生產(chǎn)，如圖1所示。塑件材料為ABS，屬于熱塑性材料，材料的收縮率約為0.005，密度為1.05g/cm3，流動(dòng)性較好，綜合性能優(yōu)良。因?yàn)樗芗]有嚴(yán)格的公差要求，故選擇采用一般精度5級(jí)來設(shè)計(jì)，可以降低成本和簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)。

圖1 風(fēng)扇葉片

2.2 模具設(shè)計(jì)

分型面是塑件開模的部位[6]，在模具設(shè)計(jì)時(shí)，選擇一個(gè)合適的分型面，可以使模具更容易分離。對(duì)于風(fēng)扇葉片，采用塑件外形最大輪廓處原則設(shè)計(jì)分型面，如圖2所示。確定好分型面后，需選擇合適的型腔布局。本文采用1 模4 腔的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)為單分型面的模具結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。

圖2 模具分型面的選擇

圖3 型腔布局圖

依次完成澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)（主流道、分流道、澆口和冷料穴等）、推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、排氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合模導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等，最后得到了初步的模具，如圖4、圖5所示。

圖4 風(fēng)扇葉片模具三維裝配圖

圖5 風(fēng)扇葉片模具二維剖視圖

注射模工作過程：動(dòng)定模分別安裝在注塑機(jī)的模板上，模具動(dòng)模在注塑機(jī)拉桿帶動(dòng)逐漸前進(jìn)，完成合模過程。模具閉模后噴嘴進(jìn)行注射，熔體充滿型腔，塑料件經(jīng)過保壓、冷卻后完成注射過程。然后開模，使模具動(dòng)模后退，動(dòng)、定模分開，完全開模后，推出機(jī)構(gòu)頂出塑件從而完成塑件脫模。取出塑件后，注塑機(jī)推桿推動(dòng)模具動(dòng)模向定模閉合，通過導(dǎo)柱導(dǎo)套系統(tǒng)定位，推出機(jī)構(gòu)通過彈簧和復(fù)位桿復(fù)位，模具合模后進(jìn)行下一輪生產(chǎn)。

3 注射成型過程初步分析

建立電機(jī)風(fēng)扇葉片三維有限元模型，并通過澆口分析獲取最佳澆口位置，分別如圖6、圖7所示。從圖7可知，推薦的最佳澆注口位置位于在中間小孔處，應(yīng)選擇直澆口。但是，綜合考慮型腔布局、外觀加工質(zhì)量，最終選擇側(cè)澆口進(jìn)行澆注。

圖6 電機(jī)風(fēng)扇葉片三維有限元模型

圖7 最佳澆口位置

基于MoldFlow 軟件對(duì)壓力、充型時(shí)間、流動(dòng)前沿溫度、氣穴、熔接線、溫度、翹曲變形等參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，得出電機(jī)風(fēng)扇葉片的成型工藝參數(shù)：模具溫度（A）25℃～45℃、熔體溫度（B）200℃～220℃、保壓壓力（C）50～70MPa、保壓時(shí)間（D）5～15s。

4 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

模流仿真分析技術(shù)與正交實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合能顯著減少注射次數(shù)，降低研發(fā)成本。其工作原理是在多因素、多級(jí)別注射試驗(yàn)中選取具有代表性的工藝因素項(xiàng)目組合來進(jìn)行仿真模擬分析，然后通過對(duì)仿真分析結(jié)果做極差和方差分析找出規(guī)律，找到對(duì)研究目標(biāo)敏感性最高的工藝參數(shù)和最佳的工藝參數(shù)組合。這種方法被廣泛應(yīng)用到薄壁件[7]、汽車檔位桿[8]、收納盒[9]、塑料蓋等工藝參數(shù)優(yōu)化及注塑方案優(yōu)選[10]。在對(duì)風(fēng)扇葉片進(jìn)行正交設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)初步分析結(jié)果和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并忽略各因素間的交互作用，選擇模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間等因素研究對(duì)塑件翹曲變形程度的影響，最終確定三水平四因素正交實(shí)驗(yàn)，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)因素和水平設(shè)置

采用L9（43）正交表設(shè)計(jì)出9 組實(shí)驗(yàn)方案，并通過MoldFlow 軟件進(jìn)行模擬，選取翹曲變形量為研究目標(biāo)，仿真分析出的各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

表3 翹曲變形量的極差分析結(jié)果

從表3 可以看出：影響電機(jī)風(fēng)扇葉片塑件翹曲變形因素為保壓壓力（C）＞熔體溫度（B）＞模具溫度（A）＞保壓時(shí)間（D）。最佳組合參數(shù)為：模具溫度25℃，熔體溫度220℃，保壓壓力70MPa，保壓時(shí)間15s。在最佳組合參數(shù)下對(duì)電機(jī)風(fēng)扇葉片注射成型過程仿真分析，得到的翹曲變形云圖如圖8所示。根據(jù)優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)制得的電機(jī)風(fēng)扇葉片樣件實(shí)物如圖9所示。

圖8 最佳組合參數(shù)下的注射成型仿真分析結(jié)果

圖9 電機(jī)風(fēng)扇葉片塑件

由圖9可知，塑件質(zhì)量良好，沒有明顯翹曲變形等成型缺陷。

5 結(jié)論

（1）通過成型窗口分析，選擇模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間等因素作為后續(xù)工藝分析的基本參數(shù)。

（2）模流仿真分析技術(shù)與正交實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合能有效確定各工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形量影響的敏感性。分析結(jié)果表明保壓壓力對(duì)翹曲變形量的影響最大，而保壓時(shí)間的影響最小。

（3）根據(jù)最佳工藝參數(shù)組合注塑得到的電機(jī)風(fēng)扇葉片質(zhì)量良好，滿足設(shè)計(jì)要求。