基于CAE技术的转盘架注塑模具优化设计

2016-11-19张春鹏王锡明张远斌王雪冰

赤峰学院学报·自然科学版 2016年17期

关键词：气穴塑件型腔

张春鹏，王锡明，张远斌，王雪冰

（合肥学院　机械工程系，安徽　合肥　230601）

基于CAE技术的转盘架注塑模具优化设计

张春鹏，王锡明，张远斌，王雪冰

（合肥学院机械工程系，安徽合肥230601）

以优化浇注系统为目的，首先采用CAE技术，利用Moldflow软件对充填、冷却过程进行模拟，根据模拟结果选择合理浇注系统.其次，通过优化成型工艺参数提高转盘架成型质量.最后，根据CAE优化结果，通过三维软件UG完成模具的结构设计.

注塑模；最佳浇口位置；CAE；优化设计

塑料模具的浇口位置及浇口形式将直接影响成型塑件的质量，浇口的数目和位置的选择对产品的外观和质量有很大的影响，如影响到气穴、熔接痕、浇口痕迹的数目以及它们出现的位置；另外，对生产条件和工艺要求也有很大区别，像注射压力、锁模压力、螺杆速度等都与浇口的设计有很大关系[1]，因此合理设计浇注系统是塑料模具设计的关键.实践证明，利用CAE技术，借助Moldflow软件模拟塑件的充填、冷却等过程，优化模具结构设计，可有效实现浇注最佳质量[2].这样不仅大大减少试模、修模的盲目性，缩短开发周期，而且提高模具的一次性试模成功率.

1　注塑过程的数字描述

注塑过程的数字描述是基于CAE技术进行注塑成型分析和优化设计的理论基础.塑料熔体填充过程被认为是粘性非等温不可压缩流动与传热过程，可采用粘性不可压缩流动的基本方程来描述[3].由于大部分塑料产品都是薄壁件，故认为塑料熔体是在扁平型腔内流动，并据此引入一些假设和简化，从而根据连续介质力学和热力学理论，得到充填过程的数学模型.

1.1连续性方程

1.2动量方程

式中P为熔体的压力.

1.3能量方程

式中，ρ为密度，cp为比热容，k为传热系数，T为熔体的温度.

2　设计方案的选取

2.1产品要求

图1　转盘架模型

某大批量生产的转盘架塑件，如图1所示.最高只有40mm，厚度只有2mm，同时塑件上还有尺寸较小的螺钉固定部分，具有薄壁、深肋位等特点，材质为ABS.塑件精度等级定为IT5，要求在能保证基本精度的前提下，塑件的表面质量和美观度应尽量达到一个较高的水平，即尽量减少气穴、熔接痕等现象.

根据塑件的结构特点，拟采用一模两腔侧浇口进料和一模两腔点浇口进料的模具结构形式，分别为方案一和方案二，如图2所示.

图2　浇口方案

2.2初始设计及分析

首先根据传统的经验公式对浇注系统进行初始设计，并通过Moldflow模流分析进行仿真模拟.通过模拟结果，发现设计中存在的问题，选择合适的浇注结构，并对所选设计方案进行调整和改进，以达到优化模具结构.两种设计方案的分析比较结果如表1所示.

分析结果表明，方案一在气穴、熔接痕等方面有较明显的改善，故采用该方案.图3为两种方案的成型塑件的气穴比较.图4为两种方案的成型塑件的熔接痕比较.

表1　两种方案CAE分析因素比较

图3　气穴比较

图4　熔接痕比较

2.3浇口方案优化设计

在方案一的基础上，进一步优化工艺参数，提高成型塑件表面质量.

（1）锁模力的优化.保压切换点改至填满模腔97%时开始保压.采用两段保压，第一段保压时间为4s，保压压力为最大注射压力的90%；第二段保压时间为2s，保压压力为最大注射压力的60%.优化前锁模力的最大值为45MPa；优化后锁模力的最大值为35MPa.优化后最大锁模力比优化前最大锁模力降低28.6%，达到优化目的.见图5.

图5　锁模力优化

（2）气穴的优化.在易形成气穴的部位适当添加排气槽，注射时间改为0.6s，同时提高注射速度，注射压力提高至200MPa，温度提高至300℃.优化后的气穴明显比优化前的气穴减少，特别是塑件表面的气穴得到了很好的消除.见图6.

图6　气穴优化

（3）熔接痕的优化.适当提高流道及型腔表面质量，减小熔体流动阻力；料温提高至300℃；在模具合适部位增开排气槽.成型时产生的大量热气可以通过这些间隙被迅速带走，使产品表面的熔接痕不再明显.[4]优化后的熔接痕明显较优化前的熔接痕少，优化效果达到50%以上.见图7.

图7　熔接痕优化

3　转盘架模具开模设计

对优化后的方案一，运用UG软件解决模具结构设计问题.运用UG软件可以有效防止结构设计过程中各种零件的干涉，使得模具的型芯、型腔、型腔布局以及整个模具的设计实现模型实体化、标准化[5].用UG分析塑件尺寸，添加材料ABS收缩率[6]，对不规则体积进行分析直接得出塑件质量的准确结果为：m=37.1g，V=36.334cm3.最终设计的模具三维爆炸图，如图8所示.根据三维图转化的二维装配图，如图9所示.