某手柄CAE氣輔成型模擬分析

王明哲，喬女

(陜西國防工業職業技術學院，陜西西安710302)

氣體輔助成型的基本過程是先向模具型腔中注入塑料熔體，再向塑料熔體中注入壓縮氣體(氮氣)，借助氣體的作用推動塑料熔體充填到型腔的各個部位，最后形成有中空斷面而外形完整的塑件。氣體輔助注塑的基本技術在注塑企業的應用始于20世紀80年代中期，系FRIEDRICH擁有的美國專利，它描述了高壓氣體從射嘴注入塑料內部的技術，它于1976年1月9日申請。這一專利的保護曾經限制了氣體輔助注塑技術的推廣應用。到1996年，這項專利超出其保護期限，基本的氣體輔助注塑技術自1997年起已成為自由公知技術。隨著我國塑料工業迅速發展，塑料制品的應用范圍也越來越廣，塑料制品的需求量也越來越大。因此氣輔技術也就具有了巨大的應用市場。

模具是生產各種工業產品的重要工藝裝備，隨著塑料工業的迅速發展和塑料制品應用范圍的不斷擴大，對模具的要求越來越高，傳統的模具設計與制造方法己無法適應產品更新換代和提高質量的要求。同傳統模具設計相比，CAE技術無論在提高生產率、保證產品品質，還是在降低成本，減輕勞動強度方面，都具有很大的優越性。

1 塑件結構分析

產品為塑料手柄，材料為PP，總長為330.2mm，截面呈為U圓形直徑，兩端有凹坑，平均厚度60mm，結構中等復雜，零件尺寸較大，需要大批量生產，零件必須平正，需要較小殘余應力；要求外觀美觀圓潤，具體尺寸如圖1所示。

圖1 塑件圖

2 CAE模擬計算

CAE軟件運用三維有限元迭代法預測熔體流動的路線，模擬熔體的流動過程。塑件圓潤，要求表面光滑無痕，因此澆口必須設計為點澆口且在塑件側面，澆口位置在側端面有兩個位置可以選擇，選擇了其中一端，模具真實加工時另一端一定要在模具中設計溢流槽，儲存混有氣體的余料殘渣，與排氣槽配合排除型腔中的氣體。模擬過程采用熱流道系統，便于節省塑膠材料，控制塑件質量。傳統注射成型分析的模擬，充填結束時間=9.1 245s；總質量(零件+流道)=1 184.939 3g；總體積=1 497.784 2cm3；要充填的體積=1 497.784 2cm3；要充填的零件體積=1 482.323 3cm3；要充填的主流道/流道/澆口體積 =15.460 9cm3；總投影面積=248.686 2cm2，在充填期間最大鎖模力 =2.058 3t。可以看出塑件質量過重，鎖模力較大，填充時間和成型周期太長等，傳統注射不適應塑料手柄的成型。

本文采用氣輔成型模擬，圖2為塑件3D網格圖和注射機參數和模具溫度控制值。

圖2 塑件3D網格圖

由于氣體輔助注射成型比普通注射成型增加了成型工藝參數及模具結構設計復雜性，正確設計塑料熔體和氣體的最佳切換時間，以及控制塑料熔體的氣體注入量和氣壓大小，以達到在保證品質的前提下最節省材料成為了設計的難點，運用計算機CAE模擬技術可以高效的解決問題。圖3為氣輔成型模擬的填充時間色階圖，圖4樹脂填充區域圖；圖5速度壓力切換時的壓力圖；圖6氣體填充區域圖。

圖3 填充時間

由圖3可以看出樹脂填充滿型腔用了8.437s，在3.50s時注射機停止注射，6.0s后代之由氣體作用推動塑料熔體充填到型腔的各個部位，完成手柄成型。

圖4 樹脂填充區域

經過CAE模擬技術多次調試壓力和時間，圖4為氣體作用推動塑料熔體充填到型腔的各個部位，完成手柄成型圖，氣體延遲時間=6s，延遲氣體填充時間為了保證成型過程中樹脂產生一定的外凝結層，防止氣體沖破樹脂在保證品質的前提下最節省材料。

圖5 速度壓力切換時的壓力

多次調試壓力和時間得出工藝參數:速度/壓力切換控制:速度/壓力切換控制類型=由%充填體積；零件體積百分比=60.00%；保壓控制:保壓控制類型=%充填壓力與時間；速度/壓力切換的時間=2.196 5s；速度/壓力切換時的注射壓力=18.232 0MPa；速度/壓力切換時充填的體積=60.1319%。

圖6 氣體填充區域

由氣輔成型CAE模擬結果得出氣輔成型的優點:1)減少產品變形，低的注射壓力使內應力降低，使翹曲變形降到最低；2)減少鎖模壓力，低的注射壓力使合模力降低，可以使用小噸位機臺；3)提高產品精度，低的殘余應力同樣提高了尺寸公差和產品的穩定性；4)減少塑膠原料，成品的肉厚部分是中空的，減少塑料可達40%；5)縮短成型周期，實心制品相比成型周期縮短，不到傳統注射成型一半；6)提高模具壽命，降低模腔內壓力，使模具損耗減少，提高工作壽命。

4 結語

模具是生產各種工業產品的重要工藝裝備，隨著塑料工業的迅速發展和塑料制品應用范圍的不斷擴大，對模具的要求越來越高，傳統的模具設計方法己無法適應產品更新換代和提高品質的要求。通過應用CAE軟件對產品氣輔成型模擬分析，確定塑料熔體和氣體的最佳切換時間，以及控制塑料熔體的氣體注入量和氣壓大小，以達到在保證品質的前提下最節省材料，得到了高品質的產品。為滿足客戶需求提供有力的技術支持，同傳統模具設計相比，CAE技術無論在提高生產率、保證產品品質，還是在降低成本，減輕勞動強度方面，都具有很大的優越性。

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