墊圈簧片的CAE分析與注塑模設(shè)計(jì)

鄒光明，張寶祥，丁 博，鄧如應(yīng)，王興東

（武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院，武漢 430081）

墊圈簧片的CAE分析與注塑模設(shè)計(jì)

鄒光明，張寶祥，丁 博，鄧如應(yīng)，王興東

（武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院，武漢 430081）

對墊圈簧片的結(jié)構(gòu)工藝進(jìn)行了分析，選擇了塑件分型面，完成了模具的澆注系統(tǒng)、成型零部件、結(jié)構(gòu)零部件和脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。針對兩種可能的澆口位置布置方案，利用CAE軟件對兩種設(shè)計(jì)方案從熔合紋、溫度場、壓力場和剪切力場等方面進(jìn)行了對比分析，確定了澆口的較佳布置方案。該模具結(jié)構(gòu)緊湊，功能結(jié)構(gòu)完善，能滿足生產(chǎn)需要。

注塑模；墊圈簧片；CAE分析；澆口布置

0 引言

注塑成型是塑料加工的重要成型方法之一，但是在注塑生產(chǎn)過程中塑料產(chǎn)品經(jīng)常會出現(xiàn)一些缺陷，因此，注射成型CAE分析對優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模具結(jié)構(gòu)及注射成型工藝具有非常重要的指導(dǎo)作用[1,2]。通過CAE模擬分析，可以預(yù)測不同的分流道形狀及澆口形狀、位置和數(shù)目對塑件成型質(zhì)量的影響[3]，因此改變了依靠直覺和經(jīng)驗(yàn)反復(fù)試模、修模的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，提高塑件成型質(zhì)量，縮短模具開發(fā)周期。本文通過CAE模擬分析墊圈簧片的成型過程，指導(dǎo)澆口位置及布置形式的設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，該模具可用于完成墊圈簧片的生產(chǎn)，并提高勞動生產(chǎn)率。

1 塑件結(jié)構(gòu)及工藝性分析

墊圈簧片的材料為聚甲醛（POM），外觀是不透明或半透明的粉料或粒料。POM流動性中等，且有較高的收縮率，可達(dá)2%～3.5%[4]。塑件的主要結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示。

此塑件選未注公差尺寸MT6級精度，查文獻(xiàn)[5]得各主要尺寸及其公差（單位mm）如下：

該塑件要求表面無凹坑、分型面處無毛刺缺陷和孔處不出現(xiàn)銳邊，故比較容易實(shí)現(xiàn)。塑件的壁厚為1mm，塑件整體尺寸較小，可不必設(shè)計(jì)脫模斜度。在塑件所有孔的轉(zhuǎn)角處都應(yīng)采用圓弧過渡，避免塑件在加工與使用過程中發(fā)生應(yīng)力集中。計(jì)算得塑件的體積V1為1.19cm3，澆注系統(tǒng)的凝料根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按照塑件體積的0.3倍來估算，查文獻(xiàn)[4]初步選定注射機(jī)型號SZ-25/20臥式注射機(jī)。

圖1 墊圈簧片結(jié)構(gòu)圖

2 分型面的選擇和澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 型腔數(shù)目及分型面的確定

根據(jù)塑件質(zhì)量要求，復(fù)雜塑件一般都采用單型腔注射模，生產(chǎn)中如果交貨期允許，單型腔模是最經(jīng)濟(jì)的方案，本模具確定使用一模一腔的設(shè)計(jì)方案。分型面位置應(yīng)開設(shè)在塑件截面尺寸最大的部位，便于脫模和加工型腔，本塑件分型面如圖2中A-A面。

圖2 塑件分型面

2.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主流道一般單獨(dú)設(shè)計(jì)成可拆卸更換的澆口套。分流道開設(shè)在模板上，考慮到加工工藝性，選擇分流道截面形狀為梯形，梯形上底為B，高為H。由文獻(xiàn)[5]得梯形截面的當(dāng)量直徑D=3.2～9.5mm，這里取D=8mm，則B=1.307.D=5.23mm，H=0.817.D=3.48mm，側(cè)面斜度α=5o～10o，這里α 取6o。

本模具采用單型腔多限制性澆口的設(shè)計(jì)方案，澆口位置和數(shù)目的確定詳見下一節(jié)。本模具采用倒錐形冷料穴，并采用帶球形頭拉料桿。

3 塑件成型CAE分析

通過分析塑件的結(jié)構(gòu)形式，成型本塑件澆口位置的布置擬通過分析圖3所示的方案一與方案二兩種形式來確定澆口的布置位置。這兩種方案的澆口形式均為4個(gè)點(diǎn)澆口，除澆口位置不同外，其余參數(shù)均相同。運(yùn)用華塑CAE軟件對澆口布置的兩種方案從熔合紋、溫度場、壓力場和剪切力場等方面進(jìn)行分析，通過比較兩方案來確定較佳的澆口位置。

圖3 澆口位置方案

1）熔合紋分析

熔合紋分析結(jié)果如圖4所示，從圖中分析可知，方案一和方案二中熔合紋的位置基本上處于塑件的對稱軸線上，整個(gè)熔合紋分布比較平衡，對塑件的使用性能影響不是很大。所以，方案一與方案二分析結(jié)果相近，均能滿足要求。

2）溫度場分析

溫度場分析結(jié)果如圖5所示，從圖中分析可知，方案二塑件的溫度分布明顯比方案一均勻，而且溫差不大，不會出現(xiàn)因溫差大而產(chǎn)生翹曲變形的現(xiàn)象。所以，從溫度場分析結(jié)果可知方案二的澆口設(shè)計(jì)要優(yōu)于方案一的設(shè)計(jì)。

圖4 熔合紋計(jì)算結(jié)果

圖5 溫度場計(jì)算結(jié)果

3）壓力場分析

壓力場分析結(jié)果圖6所示，從圖中分析可知，在方案二中，塑件的壓力差接近相等，壓力分布比方案一均衡，減小了塑件產(chǎn)生翹曲變形的可能性。所以，從壓力場分析結(jié)果可知方案二的澆口設(shè)計(jì)要優(yōu)于方案一的設(shè)計(jì)。

圖6 壓力場計(jì)算結(jié)果

4）剪切力場分析

剪切力場分析結(jié)果如圖7所示，從圖中分析可知，方案二剪切力場的分布比方案一剪切力場的分布要均衡。所以，方案二中的剪切力場分布優(yōu)于方案一中的剪切力場分布。

通過以上對兩種澆口位置布置形式的分析，綜合評價(jià)得到澆口位置的設(shè)計(jì)采用方案二更為合理。

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 成型零部件工作尺寸計(jì)算

凸模、凹模組成的模腔工作尺寸計(jì)算方法有平均收縮率法和公差帶法兩種。本設(shè)計(jì)采用平均收縮率法進(jìn)行模腔工作尺寸的計(jì)算。POM的平均收縮率Scp為2.75%，通過平均收縮率計(jì)算方法得成型零部件各主要工作尺寸，其計(jì)算結(jié)果如表1所示。

4.2 結(jié)構(gòu)零部件的設(shè)計(jì)

考慮模具型腔布局及相互位置尺寸，再根據(jù)成型零件尺寸結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)模架，選用結(jié)構(gòu)形式為A1型的模架，查文獻(xiàn)[6]選取模架尺寸規(guī)格為125mm×160mm×172mm的標(biāo)準(zhǔn)模架。

圖7 剪切力場計(jì)算結(jié)果

表1 成型零部件各主要工作尺寸

支承與固定零件主要用來安裝固定或支承成型零部件及其他結(jié)構(gòu)的零部件，包括動模座板、定模座板、固定板和支承板等，其中動模板三維圖如圖8所示。

圖8 動模板

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用直導(dǎo)柱和直導(dǎo)套的形式。

4.3 模具結(jié)構(gòu)

對模具各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，又對注射機(jī)相關(guān)工藝參數(shù)如最大注射量、鎖模力、模具厚度和開模行程進(jìn)行了校核，均符合注射機(jī)的要求。通過以上設(shè)計(jì)得到模具結(jié)構(gòu)，其三維圖如圖9所示。

圖9 模具三維圖

5 結(jié)論

本文完成了墊圈簧片的工藝性分析、注射機(jī)的選型、分型面的選擇、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模具零部件等設(shè)計(jì)工作。特別運(yùn)用CAE軟件對澆注系統(tǒng)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果可以有效地判斷澆口位置的布置是否合理，并預(yù)測填充過程中可能產(chǎn)生的缺陷。通過對澆口位置兩種不同設(shè)計(jì)方案的比較分析，確定了澆口布置的較佳設(shè)計(jì)方案。該模具結(jié)構(gòu)緊湊，能滿足生產(chǎn)要求。

[1] Lei Xie,Gerhard Ziegmann.Effect of gate dimension on micro injection molded weld line strength with polypropylene (PP) and high-density polyethylene(HDPE).The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2010,48：71-81.

[2] 周建華,趙亦兵,袁根福.基于數(shù)值模擬的光盤片架注塑成型澆口位置優(yōu)化與模具設(shè)計(jì)[J].塑料工業(yè),2012,40(10)：62-65.

[3] 吳夢陵,孫迪,張瓏.注射模澆注系統(tǒng)對成型工藝和塑件質(zhì)量影響研究[J].塑料工業(yè),2011,39(8)：65-68.

[4] 鄧明.實(shí)用模具設(shè)計(jì)簡明手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[5] 俞芙芳.塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社,2011.

[6] 李德群,唐志玉.中國模具工程大典（第3卷）：塑料與橡膠模具設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社,2007.

The CAE analysis of spring washer and the design of injection mould

ZOU Guang-ming, ZHANG Bao-xiang, DING Bo, DENG Ru-ying, WANG Xing-dong

TQ320.66

A

1009-0134(2014)05(下)-0104-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).29

2013-12-10

鄒光明（1970 -），男，湖北仙桃人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助工程、模具設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)等。