某手柄CAE气辅成型模拟分析

王明哲，乔女

(陕西国防工业职业技术学院，陕西西安710302)

气体辅助成型的基本过程是先向模具型腔中注入塑料熔体，再向塑料熔体中注入压缩气体(氮气)，借助气体的作用推动塑料熔体充填到型腔的各个部位，最后形成有中空断面而外形完整的塑件。气体辅助注塑的基本技术在注塑企业的应用始于20世纪80年代中期，系FRIEDRICH拥有的美国专利，它描述了高压气体从射嘴注入塑料内部的技术，它于1976年1月9日申请。这一专利的保护曾经限制了气体辅助注塑技术的推广应用。到1996年，这项专利超出其保护期限，基本的气体辅助注塑技术自1997年起已成为自由公知技术。随着我国塑料工业迅速发展，塑料制品的应用范围也越来越广，塑料制品的需求量也越来越大。因此气辅技术也就具有了巨大的应用市场。

模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，随着塑料工业的迅速发展和塑料制品应用范围的不断扩大，对模具的要求越来越高，传统的模具设计与制造方法己无法适应产品更新换代和提高质量的要求。同传统模具设计相比，CAE技术无论在提高生产率、保证产品品质，还是在降低成本，减轻劳动强度方面，都具有很大的优越性。

1 塑件结构分析

产品为塑料手柄，材料为PP，总长为330.2mm，截面呈为U圆形直径，两端有凹坑，平均厚度60mm，结构中等复杂，零件尺寸较大，需要大批量生产，零件必须平正，需要较小残余应力；要求外观美观圆润，具体尺寸如图1所示。

图1 塑件图

2 CAE模拟计算

CAE软件运用三维有限元迭代法预测熔体流动的路线，模拟熔体的流动过程。塑件圆润，要求表面光滑无痕，因此浇口必须设计为点浇口且在塑件侧面，浇口位置在侧端面有两个位置可以选择，选择了其中一端，模具真实加工时另一端一定要在模具中设计溢流槽，储存混有气体的余料残渣，与排气槽配合排除型腔中的气体。模拟过程采用热流道系统，便于节省塑胶材料，控制塑件质量。传统注射成型分析的模拟，充填结束时间=9.1 245s；总质量(零件+流道)=1 184.939 3g；总体积=1 497.784 2cm3；要充填的体积=1 497.784 2cm3；要充填的零件体积=1 482.323 3cm3；要充填的主流道/流道/浇口体积 =15.460 9cm3；总投影面积=248.686 2cm2，在充填期间最大锁模力 =2.058 3t。可以看出塑件质量过重，锁模力较大，填充时间和成型周期太长等，传统注射不适应塑料手柄的成型。

本文采用气辅成型模拟，图2为塑件3D网格图和注射机参数和模具温度控制值。

图2 塑件3D网格图

由于气体辅助注射成型比普通注射成型增加了成型工艺参数及模具结构设计复杂性，正确设计塑料熔体和气体的最佳切换时间，以及控制塑料熔体的气体注入量和气压大小，以达到在保证品质的前提下最节省材料成为了设计的难点，运用计算机CAE模拟技术可以高效的解决问题。图3为气辅成型模拟的填充时间色阶图，图4树脂填充区域图；图5速度压力切换时的压力图；图6气体填充区域图。

图3 填充时间

由图3可以看出树脂填充满型腔用了8.437s，在3.50s时注射机停止注射，6.0s后代之由气体作用推动塑料熔体充填到型腔的各个部位，完成手柄成型。

图4 树脂填充区域

经过CAE模拟技术多次调试压力和时间，图4为气体作用推动塑料熔体充填到型腔的各个部位，完成手柄成型图，气体延迟时间=6s，延迟气体填充时间为了保证成型过程中树脂产生一定的外凝结层，防止气体冲破树脂在保证品质的前提下最节省材料。

图5 速度压力切换时的压力

多次调试压力和时间得出工艺参数:速度/压力切换控制:速度/压力切换控制类型=由%充填体积；零件体积百分比=60.00%；保压控制:保压控制类型=%充填压力与时间；速度/压力切换的时间=2.196 5s；速度/压力切换时的注射压力=18.232 0MPa；速度/压力切换时充填的体积=60.1319%。

图6 气体填充区域

由气辅成型CAE模拟结果得出气辅成型的优点:1)减少产品变形，低的注射压力使内应力降低，使翘曲变形降到最低；2)减少锁模压力，低的注射压力使合模力降低，可以使用小吨位机台；3)提高产品精度，低的残余应力同样提高了尺寸公差和产品的稳定性；4)减少塑胶原料，成品的肉厚部分是中空的，减少塑料可达40%；5)缩短成型周期，实心制品相比成型周期缩短，不到传统注射成型一半；6)提高模具寿命，降低模腔内压力，使模具损耗减少，提高工作寿命。

4 结语

模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，随着塑料工业的迅速发展和塑料制品应用范围的不断扩大，对模具的要求越来越高，传统的模具设计方法己无法适应产品更新换代和提高品质的要求。通过应用CAE软件对产品气辅成型模拟分析，确定塑料熔体和气体的最佳切换时间，以及控制塑料熔体的气体注入量和气压大小，以达到在保证品质的前提下最节省材料，得到了高品质的产品。为满足客户需求提供有力的技术支持，同传统模具设计相比，CAE技术无论在提高生产率、保证产品品质，还是在降低成本，减轻劳动强度方面，都具有很大的优越性。

［1］《塑料模具技术手册》编委会编.塑料模具技术手册［M］.北京:机械工业出版社，2005 311-313.

［2］程军.《通用塑料手册》［M］.北京:国防工业出版社2007.5:610-619.

［3］田福祥.《先进注射模设计评注》［M］.北京:塑料科技，2007，6(6):80-82.

［4］乔女.《人字齿注射模设计》［J］.轻工机械:2013.4:68-70.

［5］乔女.《瓶胚注射成型模拟及模具设计》［J］.模具技术，2012.680-685.

［6］AVERYJack.杨卫民，丁玉梅，等.气体辅助注射成型原理及应用［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［7］梁继才，李义，李笑明，等.气体辅助注塑制品滞留痕缺陷的形成及防治［J］.吉林大学学报:工学版，32(1):83-86.

［8］余卫东，陈建.Moldflow技术在注塑成型过程中的应用［J］.软件世界，2001(6):59-61.

［9］王东燕，屈小中，梁瑞凤.气辅注塑在彩电外壳中的应用［J］.工程塑料应用，1999，27(2):12-15.

［10］吴博达，梁继才，李义，等.气辅成型延迟时间与气指关系的研究［J］.吉林大学学报:工学版，2004，34(2):268-271.

［11］ZHOU Huamin，LI Dequn.Filling simulation and gas penetration modeling for gas—assisted injection molding［J］.Applied Mathematical Model ling，2003，27:849-860.