结构尺寸对精密塑件成型精度影响规律的数值模拟

王 鑫，武 燕，杜林芳

（1.河南工程学院机械工程学院，河南 郑州451191；2.河南机电职业学院机械工程系，河南 郑州451191）

0 前言

如今在仪器仪表、电子电气、航空航天、通讯、计算机、汽车、录像机、手表等工业产品中大量应用精密塑料件。与常规注射成型制品相比，精密塑料件在尺寸精度、工作稳定性等方面有更高的要求[1-2]。精密注射成型一个很重要的内容就是制品的尺寸精度，然而型芯偏移现象同样也存在于精密注射模具中，使塑件产生偏心和尺寸偏差，严重影响精密塑料件的尺寸精度[3]。因此要提高精密塑件的尺寸精度，必须合理减少型芯偏移对塑件尺寸的影响。

减少型芯偏移除了正确选用型芯材料和注射成型工艺外[4]，对塑件的结构尺寸设计也有严格的要求，因此对于精密塑件来说，设计合理的的结构尺寸十分重要。本文借助计算机辅助工程（CAE）手段，重点研究结构尺寸对塑件尺寸精度的影响，优化精密塑件的结构设计，使其满足精密塑件的要求。

1 案例分析模型

塑件选择为矩形塑件，塑件结构尺寸分析的对象选择为长度A，截面长宽比B，截面长度C和塑件厚度D 4个因素，B为截面长度与宽度的比值，如图1所示。型芯材料采用模具钢P20，对应的型芯模型如图2所示。

图1 塑件模型Fig.1 Plastic parts model

图2 型芯模型Fig.2 The core model

将两模型导入到Moldflow软件中，对其进行充填分析。为了单纯考察塑件结构尺寸因素，根据有关文献[4]，尽量使所有模型塑件在最佳的同一工艺条件下进行分析，工艺条件如表1所示。分析时采用3D网格模型，为了提高分析的精度，在塑件和型芯模型交接面处使塑件和型芯共用节点，实现了网格的精确匹配[5-6]，如图3所示。选择在塑件长度侧面的顶部、中部和底部3个位置分别进胶，分3种情况进行分析。

表1 工艺条件Tab.1 Process conditions

图3 3D分析模型Fig.3 3D analysis model

2 模拟实验方法

采用聚丙烯（PP）作为塑料成型材料，采用正交实验设计分析。以塑件的壁厚不均匀程度最为研究目标，4个因素分别选取5水平的正交实验，选用L25（56）正交表安排实验[7]，模拟实验设计如表2所示。

表2 正交试验设计Fig.2 Orthogonal test design

塑件壁厚不均匀程度表征以型芯偏移量和原始壁厚的比值S来衡量，S值越大，说明型芯偏移量越大，塑件两侧的壁厚不均匀程度就越大，塑件的精度就越差。

3 结果与讨论

3.1 极差分析

根据正交试验的设计标准，极差的大小可以反映出各个因素的对结果的影响程度，极差越大，表明该因素对结果的影响程度越大。如表3所示为该正交实验极差结果。从表中可看出，顶部进胶情况下，影响程度从大到小依次是壁厚、截面长宽比、截面长度和高度；中部进胶时，影响程度从大到小依次是截面长宽比、壁厚、截面长度和高度；底部进胶时，影响程度从大到小顺序与顶部进胶相同，但与前两种情况相比，截面长度的极差只有0.189，对壁厚不均匀S的影响程度相当小。从表中可看出，无论从那个位置进胶，截面长宽比和壁厚对壁厚不均匀程度S的影响程度都比较大，而高度的影响程度最小，因此在设计精密塑件时，应重视塑件截面长宽比和壁厚的控制，防止截面长宽比和壁厚发生大的变化。

表3 极差结果Tab.3rangeresults

3.2 各因素影响结果

如图4所示为各个因素水平的影响趋势图。从图中可看出，无论在那个位置进胶，各个因素对壁厚不均匀程度S的影响趋势基本相同。随着塑件长度的增大，壁厚不均匀程度S值呈现增大趋势，但是整体曲线区域平缓，增大程度不多；而S随着截面长宽比的增大，呈现大幅增加；随着壁厚的增加，S逐渐减少，且减少幅度明显。S随截面长度的变化规律不明显，但都在截面宽度为50 mm时，达到最小值。

图4 各因素的影响趋势Fig.4 Theinfluence of various factors

型芯发生偏移，主要是型芯两侧压力分布不均匀。本塑件型芯可简化为悬臂梁，其挠度，即型芯偏移量，与长度呈正比关系，与型芯惯性矩呈反比。所以随着型芯长度的增加，型芯偏移程度越来越大，导致壁厚不均匀程度S也增大；型芯截面长宽比越大，导致型芯的惯性矩越小，即型芯变形量越来越大，故导致壁厚不均匀程度S也增大，且增大幅度明显。

随着塑件厚度的增加，模具型腔体积越来越宽，塑料熔体的流动阻力越来越小，型芯两侧的压力差分布越来越均匀，导致型芯偏移量越来越小，壁厚不均匀程度S值越来越小。

另外从图4中还可看出，在同样条件下，3个进胶位置相比，中部进胶S值最大，其次是顶部进胶，底部进胶时S值最小。说明对于本塑件来说，底部作为注射位置更加适合，更能提高塑件的成型精度。

3.3 优化结果

依据图4中的数据，S值最小时对应的各个因素的水平值即为最佳结构参数。因此从使壁厚不均匀程度最小角度出发，得出最佳的结构尺寸参数为A1B1C3D5。按照优化后的结构尺寸重新建模和分析，得出了S在3种进胶位置下的优化结果，如表4所示。从表中可看出，优化后的结果与优化前的最大S值相差较多，最大相差0.6924，优化效果很明显。参照德国DIN16901精密塑料件尺寸公差标准[2]，优化后的塑件符合精密塑件的公差要求。

表4 优化结果Tab.4 The optimizationresults

4 结论

（1）塑件的截面长宽比和厚度对塑件的成型尺寸精度有较大影响，而塑件的长度影响较小，并找出了适合塑件的浇口位置；

（2）经过正交试验的分析，优化了塑件的结构尺寸，并使塑件的尺寸精度得到大大提高；在精密塑件设计之前，可以借助CAE分析手段，找出影响塑件尺寸精度的主要结构因素，为精密塑件的优化结构设计提供了理论指导。

[1]严志云.精密注射成型工艺优化CAE及实验研究[D].北京：北京化工大学机电工程学院，2010.

[2]谢鹏程.精密注射成型若干关键问题的研究[D].北京：北京化工大学机电工程学院，2007.

[3]钱应平，刘小鹏.注射模具中矩形截面型芯偏移的分析计算[J].塑料工业.2003（09）.26-28.Qian Yingping，Liu Xiaopeng.Analysis and Calculation of Offsetinrectangle Section ofinjection Mould Core[J].Plasticalindustry，2003，（9）：26-28.

[4]张 宇，刘 恩，陈 弦，等.型芯偏移分析在注塑制品开发中的应用[J].塑料.2011（5）：19-22.Zhang Yu，Liu En，Chen Xuan.Application of Core Shiftin the Development ofinjection Molding Products[J].Plastic，2011，（5）：19-22.

[5]李雯雯，卢 军，刘 洋.Moldflow软件在注塑模具CAE中的应用[J].工程塑料应用，2009（09）：80-82.Li Wenwen，Lu Jun，Liu Yang.Application of Moldflowin CAE Technology ofinjection Mould[J].Engineering Plastics Applications，2009，（9）：80-82.

[6]王 刚，单 岩.Moldflow模具分析应用实例[M].北京：清华大学出版社，2005：20-30.

[7]鄢 灿.精密塑料件注塑成型工艺数值分析及优化[D].武汉：武汉理工大学材料科学与工程学院，2012.