模流分析CAE技术在检测仪壳体模具设计中的应用

刘国良 张景黎

【摘 要】文章以检测仪壳体零件模具设计及注射成型工艺实践加工过程为例，对模流分析CAE技术在该制品的注射成型加工工艺方法、工艺参数及模具结构优化等方面进行了分析研究。模流分析CAE技术在塑料注射成型工艺分析中发挥着重要的作用，能解决各种塑料产品设计与加工问题，缩短产品的上市周期。

【关键词】模流分析CAE;模具结构优化;侧向分型模具;塑料注射成形加工工艺

【中图分类号】TP391.7;TQ320.52【文献标识码】A【文章编号】1674-0688（2022）02-0099-03

模流分析CAE技术在模具工业产品设计、加工制造及生产中具有重要的应用价值，它能以先进的真实三维模拟分析技术帮助企业解决各种塑料产品设计与加工问题，缩短产品的上市周期。

1 检测仪壳体的模流分析

CAE模流分析软件在塑料注射模具型腔结构分析中发挥了重要作用，本研究对检测仪壳体塑件进行了全面分析，包括填充分析、模具保压分析、制件翘曲分析、浇口充填结果包封位置比较、浇口充填结果缝合线比较、浇口保压结果熔融区域比较等因素[1]。

1.1 检测仪壳体产品說明

图1为某公司检测仪壳体塑件，分为上下两块材料，对外观光洁度要求很高，不能有明显的变形、毛边，同时对平面度有很高的要求。塑件尺寸为101.05 mm（长）×196.35 mm（宽）×42.75 mm（高）。设计壁厚尺寸为1～2.5 mm。使用材料：实验使用ABS、PC两种材料，需比较两种材料的注射工艺过程。

问题分析关键点：检测仪壳体采用一模两穴两点直接中间连浇方式与一模两穴四点直接中间连浇方式并进行模流分析，对相关参数进行比较。要求对模具流道设计与浇口位置进行评估，模拟型腔内充填的平顺性，防止短距离注射发生与过度充填现象。对保压是否充分传递及预防制件翘曲等因素进行CAE模流分析。

1.2 检测仪壳体零件的模流分析

实验中对检测仪壳体零件进行了如下几个方面的模流分析[2]，实验分析结果如下。

（1）填充分析。波前流动分布（A型80%型腔充满时间为3.946×10-1sec，98%型腔充满时间为4.883×10-1 sec;B型80%型腔充满时间为3.992x10-1sec，98%型腔充满时间为4.929×10-1sec）。压力分布（A型型腔充满时压力窜升252.48 MPa，模具流道压力损耗约90 MPa，压力有窜升现象;B型型腔充满时压力窜升167.1 MPa，模具流道压力损耗约60 MPa，压力有窜升现象）。温度分布（A型220 ℃占48%，180 ℃占22%;B型220 ℃占38%，135 ℃占12%）;剪切应力分析（A型模具锁模力在型腔充满时有压力蹿升至0.285×10-1 MPa;B型模具锁模力在型腔充满时有压力蹿升至0.205×10-1 MPa）。锁模力分析（A型模具锁模力在型腔充满时压力为210.61 MPa;B型模具锁模力在型腔充满时压力为178.67 MPa）。

（2）模具保压分析。零件的体积收缩率（A型体积收缩率为0.325～0.835 mm，B型体积收缩率为0.279～0.545 mm）。

（3）零件的翘曲分析。X方向位移变化（A型位移2.188×10-1～2.204×10-1 mm;B型位移2.767×10-1～2.637×10-1 mm）。Y方向位移变化（A型位移1.012 ×10-1～1.213 ×10-1 mm;B型位移1.800×10-1～1.527 ×10-1 mm）。Z方向位移变化（A型位移6.743×10-1～6.127 ×10-1 mm;B型位移6.943 x10-1～5.780 ×10-1 mm）。总位移变化（A型位移6.980×10-1～0 mm;B型位移7.640×10-1～0 mm）。

（4）一模两穴两点、四点直接中间连浇方式浇口充填结果。包封位置比较：A型包封位置比较均匀;B型包封位置比较分散。

（5）一模两穴两点、四点直接中间连浇方式浇口充填结果。缝合线比较：A型缝合线比较明显;在中间位置;B型缝合线比较均匀、分散。

（6）一模两穴两点、四点直接中间连浇方式浇口保压结果。熔融区域比较：A型熔融区域比较均匀;B型熔融区域稍微分散[1]。

通过以上工艺参数比较可以看出，采用一模两穴四点直接中间连浇（A型）与一模两穴两点直接中间连浇（B型），以上几组参数相差不大，不同的是排气位置、包封位置、缝合线位置有所不同，锁模力差别比较大，分别为210.61 MPa、178.67 MPa。因为一模两穴两点直接中间连浇（B型）锁模力较小，所以根据现场设备情况，方案定为一模两穴两点直接中间连浇（B型）进行模具设计与制造，最后完成检测仪壳体塑料零件的塑料注射成型加工。

2 模具结构分析

根据试验结果对检测仪壳体侧向分型模具的结构进行分析[3]。检测仪壳体侧向分型模具上下模优化设计如图2所示。

2.1 装配结构设计

检测仪壳体塑料注塑成型模具装配结构设计分析如图3所示。

（1）检测仪壳体是中小型塑件，必须采用较大的侧向成型结构，根据模流分析结果，采用一模两穴两点直接中间连浇（A型）进行模具设计与制造。

（2）工作零件部分采用整体式型腔和整体型芯镶块，以避免出现拼接痕迹。

（3）分型面选在最大外形尺寸位置，浇口采用扇形侧向浇口，从非装配面位置进浇。

（4）由于背面带有倒向扣，因此为确保产品顺利脱模，需采用斜顶机构和侧向抽芯机构成型。

（5）结合斜顶的位置，设计顶块在塑件边缘位置顶出，可避免出现顶杆顶出痕迹。

（6）斜顶杆由斜顶“T”形块固定在推杆固定板上，斜顶导向板起导向作用。

2.2 脱模机构设计

塑件的壁和加强筋都很薄，容易损坏且收缩很小，因此使加強筋和其他小结构很容易黏合，同时高保压使收缩更小。为避免顶穿和黏模，薄壁注塑成型应使用比常规数量更多、尺寸更大的顶出销。根据检测仪壳体注零件结构特点和模具结构的设计方式，我们采用圆顶杆及扁顶杆相结合的原则，合理进行位置布置。脱模机构应确保注塑件在顶出时能够运行平稳。塑件背面有6个卡勾，为了便于脱模，决定采用6个斜顶进行侧抽芯。斜顶分两种，一种倾斜角度为6°，另一种倾斜角度为8°，由于中间加强筋处容易黏模，所以在加强筋处特别设置φ3 mm的细顶杆进行顶出[4]。

2.3 模具的安装与调试

（1）为确保塑件分型面无飞边、毛刺，要求动模型腔、定模型腔加工制造时采用统一基准进行加工，其加工精度要求在0.01 mm范围内。

（2）为确保侧抽芯机构运行平稳，要求型芯与型腔滑道配合间隙小于0.003 mm。

（3）安装时尽量采用整体吊装，将模具吊入注塑机拉杆与模板之间后，调整位置使定模上的方位环进入固定板上的定位孔并放正，慢速闭合动模板，用压板或螺钉压紧定模板，并初步固定动模，再慢速微量开启动模4～5次，检查模具在启闭过程中是否灵活、有无卡顿现象，最后固定动模座板。

实践证明：模具结构设计前用CAE软件进行试模、用于快速制模的模流分析，使塑料制品实际试模时减少了问题点，为产品的批量生产做足了准备。

3 检测仪壳体模具注射成型工艺分析

3.1 检测仪壳体ABS与PC材料塑件注射成型参数调整对比分析

表1、表2分别为ABS及PC两种材料在“震雄”JM268MKⅢ-C注塑机上注射成品时试验的4个关键参数调整范围。通过进行参数调整的正交实验，进行极差与方差的验算，测量塑件重量比例的变化，可以间接了解塑件的密度变化与4个因素之间的影响关系[5]。

3.2 检测仪壳体ABS、PC两种材料的正交实验对比分析

（1）将ABS材料由熔化温度170 ℃升至230 ℃时，零件重量由46.5g增至56.5 g，即增长32%。对PC材料，当将熔化温度由300 ℃升至350 ℃时，零件重量由3.5 g增至4.5 g，即增长了20%。

（2）当模具温度从70 ℃升至80 ℃时，PC和ABS两种材料的零件重量都有增长，ABS零件重量由46.5 g增至47.5 g，增长了2.0%。PC材料更加敏感，零件重量从3.6 g增至4.0 g，增长了5.0%。

（3）实验结果表明，PC材料熔化温度、模具温度、冷却时间和注射速度都是影响零件重量的关键参数。ABS材料熔化温度和模具温度影响零件的重量。

（4）模具温度升高，可减少融胶在型腔里的冷凝，使熔融化材料在型腔内更易于流动，从而获得更大的零件重量和更好的表面质量。

（5）熔化温度、模具温度的变化都会导致零件强度的改变。熔化温度的升高会使强度下降，模具温度的升高会使强度增加。熔化温度的升高，会使材料有更高的热量，导致熔融黏度降低，使得熔融材料更容易流动，形成更长的流动长度，让型腔更加顺畅地填满融胶;但熔化温度过高，将促使塑料材质功能的退化和降级。

（6）塑料注射成型机的注射量要尽可能达到最大值，这样可以帮助融胶在型腔中停留时间尽可能地减少。

（7）实验数据分析可知，缩短冷却时间与提高塑料注射成型机的注射速度都将使PC材料的零件重量得以增加，而ABS材料则不受这两个参数的影响。原因是提高塑料注射成型机的注射速度能使熔融的塑料相对黏度下降。受剪切力的影响，塑料性能明显退化。

检测仪壳体的试模产品如图4所示。实践证明，在塑料注射成型模具领域应用模流分析CAE技术，能帮助研究人员解决各种塑料产品模具设计与制造、模具加工及试模修模的有关前期问题，显著缩短产品投放市场的周期，降低成本，提高产品质量，增强企业的竞争力。

参 考 文 献

[1]周慧兰，韩耀鹏.基于CAD/CAE汽车座椅储物盒热流道注塑模设计[J].工程塑料应用，2020，48（12）：77-80.

[2]黄继战，范玉，侯世赟，等.基于CAD/CAE的音响面板双腔热流道注射模设计[J].工程塑料应用，2018，46（12）：96-100.

[3]胡清根，白文，龚姝婷.基于UG的相机面壳注塑模具设计[J].塑料科技，2017，45（1）：78-80.

[4]刘国良.模具制造技术[M].北京：化学工业出版社，2010.

[5]刘国良.简明模具工手册[M].北京：机械工业出版社，2013.