CAE技術在電熱水壺外殼注塑模設計中的應用

匡唐清

(華東交通大學載運工具與裝備省部共建教育部重點實驗室,江西南昌330013)

0 前言

隨著技術的成熟及競爭的日益激烈,CAE技術在材料加工中的應用越來越廣泛。在注射成型中,借助CAE技術,可實現制品結構、成型材料、模具結構(流道系統和冷卻系統)、工藝參數等方面的優化,由此降低模具和產品的開發成本、縮短其開發周期、提高其質量,從而提高企業的競爭力。

本文以電熱水壺外殼為例,介紹CAE技術在注塑模設計中澆注系統和冷卻系統的設置、工藝參數的設置、注塑機的選擇等諸多方面的應用。

1 塑件工藝分析及結構分析

圖1所示為某公司的電熱水壺外殼,主體呈圓錐形,上小下大,帶把手及V形出水口,對稱結構。主要尺寸為底端直徑160 mm,頂端直徑100 mm,制品高140 mm,壁厚2 mm。制品結構簡單,壁厚均勻,無尖角特征,易于注射成型。該制件強度要求不高,滿足日常使用即可,但外觀要求較高。聚丙烯的注射成型制品表面光潔,具有較高的表面硬度和剛性、耐應力開裂、耐熱,常用于成型殼、罩類零件。因而該制件選用聚丙烯材料注塑而成。

圖1 電熱水壺外殼模型Fig.1 The model of the cover of electric water heater

該制件尺寸規格屬中等,由于帶把手,因此模具需采用哈夫結構。而把手外側呈內凹形狀,不能由哈夫模直接成型,為簡化模具結構,把手外側的內凹特征分為上下兩部分,由分別鑲嵌在動定模板內的鑲塊組合成型。

2 CAE分析

通過Pro/E造型出的工件以igs面格式輸出;利用MoldflowCAD Doctor預先對產品CAD模型修復簡化處理。再導入MoldflowMPI進行網格劃分,檢驗以及修改。網格劃分后的模型如圖2所示。

圖3為Moldflow分析出的最佳澆口位置,藍色區域為最佳澆口位置。制件頂部與腰部存在藍色區域,而腰部顯然不適合作為澆口,既使模具結構復雜,又影響制品外觀。所以,綜合分析外觀及模具結構要求,確定從制件頂部進膠,兩點進膠,澆口位于制件對稱面,如圖4所示。

圖2 網格模型Fig.2 The mesh model

圖3 最佳澆口位置Fig.3 The best gate location

圖4 兩澆口進膠的澆口位置Fig.4 Location of the two gates

確定澆口位置后進行成型工藝窗口分析。材料為Generic Default生產的牌號為 Generic PP的聚丙烯,該材料最大許用剪應力0.25 MPa,最大許用剪切速率105s-1,模溫范圍為 20～60 ℃、料溫范圍為220～260℃。成型窗口分析結果所推薦的工藝參數為:模溫60℃,料溫256℃,注射時間0.56 s,接近該材料所推薦的成型模溫和料溫范圍的邊緣值,不合適[1]。調整模溫、熔體溫度,查看質量圖,如圖5(a),并結合成型窗口區域切片圖[圖5(b)]及其他結果,確定獲得最佳品質的工藝參數組合為:模溫45℃,料溫235℃,注射時間1 s。對應的其他結果是:注射壓力19.3 MPa,熔體流前溫降 7 ℃,最大剪應力0.11 MPa,最大剪切速率3095 s-1,最長冷卻時間11 s,均較小且滿足要求。

圖5 質量 X Y圖及成型窗口切片圖Fig.5 Quality result and zone result

根據確定的澆口位置建立流道系統:主流道位于制件主體的軸線上;分流道截面為梯形,上下底邊分別為7 mm和5.5 mm,高為5 mm;澆口截面為矩形,寬5 mm,高1.2 mm。流道系統如圖6所示。

按成型窗口分析確定的最佳工藝條件進行充填分析,充填流率為153.5 cm3/s。圖7為充填時間圖,制件經過1.115 s充滿,制件下端及把手下部最后充填。圖8為熔接痕分布圖,主要出現在上端及把手下部,熔接痕處熔體前沿溫度基本都在進料溫度235℃±0.2℃以內,熔接痕結合強度較高,不影響制件的品質。圖9為氣穴分布圖,氣穴主要分布在充填的末端及手柄下部熔接痕位置處,可利用分型面及型芯與其固定板間的配合間隙將氣體排出,不必在模具中添加排氣槽。圖10為進膠口壓力X Y圖,由圖可知,最大注射壓力為37.32 MPa。圖11為鎖模力X Y圖,由圖可知,鎖模力最大值為286 kN。

圖6 流道系統Fig.6 The runner system

圖7 充填時間Fig.7 Filling time

圖8 熔接痕Fig.8 Weld lines

圖9 氣穴分布Fig.9 Air traps

圖10 注射位置壓力XY圖Fig.10 Pressure at injection location

圖11 鎖模力 X Y圖Fig.11 Clamp force

建立冷卻系統并進行冷卻分析。結合成型窗口分析結果,確定其工藝設置為:料溫235℃,模溫45℃,注射-保壓-冷卻時間為20 s,冷卻水溫25℃。考慮模具為哈夫模結構,型腔部分采用“幾”字形水路冷卻,型芯部分采用螺旋槽嵌件水路冷卻[2],經多次分析調整,確定水路布置如圖12所示。由模具表面溫度分布(圖13)可知,型腔主體溫度分布較均勻,絕大部分在40℃左右,接近設定的模溫;而把手凹槽內側及靠把手位置的主體所對應的模壁處溫度較高,在60℃以上。由制件多個位置在厚度方向的溫度曲線(圖14)可知,制件主體的(代表單元為 T4003、T4070、T7728)內外溫差在10℃以內,冷卻效果較好;而把手處(代表單元為 T6717、T6193)內外溫差較大,近30℃。由此可見,該冷卻系統布局能滿足制件主體冷卻的要求,但在把手部位因難以布置水路而冷卻不足,為此可采用熱導率較高的銅合金鑲塊來成型把手凹槽,從而達到冷卻均勻,減小翹曲,便于后續的裝配。

圖12 冷卻水路布局Fig.12 Layout of cooling circuits

3 模具總體結構

圖13 模具表面溫度Fig.13 Temperature of mold surface

圖14 制品不同位置在厚度方向的溫度曲線Fig.14 Temperature in different position of the part

圖15 模具結構圖Fig.15 Structure of the mold

根據注射量并結合CAE分析結果選擇螺桿式注塑機SZ-320/1250,該注塑機的額定注射量225 cm3,注射壓力為178 MPa,鎖模力1500 kN,滿足成型要求(制件體積153.5 cm3,要求最大注射壓力37.32 MPa,最大鎖模力286 kN)。模具的總體結構如圖15所示。哈夫塊靠液壓缸作用實現開與合;制件采用推板推出;頂出系統靠彈簧先復位。

4 結論

(1)借助CAE技術確定了制件從小端兩澆口進膠較為合適;最佳成型工藝參數組合為模溫45℃、料溫235℃、注射時間1 s;通過充填分析發現制件充填的氣穴分布、熔接痕質量均較理想,所需最大注射壓力37.32 MPa、最大鎖模力286 kN;通過冷卻優化確定了冷卻水路的布置,在手柄處采用采用熱導系數較高的銅合金鑲塊來成型?；贑AE分析結果進行了注塑機的選擇、模具的設計及工藝參數的設置;

(2)實踐表明,該模具設計合理,產品質量穩定。由此也表明采用CAE技術能極大地提高模具設計的科學性、合理性及設計效率,產品質量較高。

[1] MoldflowCorporation.Simulation Fundamentals-An Introduction for MPI 6.0[M].Boston.America:MoldflowCorporation,2006:482-483.

[2] 陳世煌,陳可娟.塑料注射成型模具設計[M].北京:國防工業出版社,2007:9.