計算機輔助工程技術在塑料注射成型中的應用

楊進釗，吳 濤（.唐山工業職業技術學院，河北省唐山市 06300；.華北理工大學，河北省唐山市 063009）

計算機輔助工程技術在塑料注射成型中的應用

楊進釗1，吳 濤2
（1.唐山工業職業技術學院，河北省唐山市 063020；2.華北理工大學，河北省唐山市 063009）

利用計算機輔助工程技術對塑料注射成型工藝及其模具結構設計進行了探討。計算機輔助工程技術能夠在模具設計階段開展模擬工作，一旦發現問題，則會及時解決，同時也能運用計算機模擬并確定注射成型所需的工藝參數。通過選擇塑料注射成型工藝參數，力圖將工藝參數與模具結構緊密融合。最后，用實例驗證了運用計算機輔助工程技術模擬注射成型工藝及模具結構設計的過程，達到了提高注射成型制品質量的目的。

塑料 注射成型 計算機輔助工程技術 模具 工藝參數

近年來，我國塑料注射成型工藝發展迅速，在儀器儀表、家用電器、摩托車、汽車等行業應用廣泛，并且在針對塑料注射成型工藝參數優化配置以及注射成型過程中的規律方面取得了優異成績［1］。計算機輔助工程（CAE）技術可以模擬實際成型過程，預測模具設計和注射成型條件對產品質量的影響，發現可能出現的缺陷，以便對設計方案進行修改，避免在制作過程中出現問題［2］。本工作利用CAE技術探討了塑料注射成型工藝及其模具結構設計。

1 CAE技術的作用

塑料注射成型除了受設計方案的影響以外，最大的影響因素就是制作過程的工藝條件（包括注射速率、注射壓力、注射溫度、注射量等）［3］。當注射溫度過高時，模具型腔中的塑料會發生化學反應，有化學分解的風險；而當注射溫度過低時，不利于塑料更好地填滿型腔，在具體操作過程中需要極大的壓力來輔助完成。當注射壓力過高時，在具體的操作過程中容易出現飛邊；而注射壓力過低會導致模具的填充出現問題，無法更好地填充模具［4］。合理設置注射成型工藝參數是關系注射成型制品質量的重要因素，除了考慮注射壓力、注射溫度、注射量等因素外，還必須重視模具結構及所用的樹脂原料［5］。在實際的模具制作過程中，很多廠家采用經驗加試模的方法，存在嚴重缺陷，廢品率非常高；而且，此方法不適用于數量較多及對質量要求較高的模具生產。采用CAE技術可以在模具的設計階段進行模擬，發現問題并及時修改，同時也可以通過計算機模擬確定具體的工藝參數，對模具制作及注射成型工藝參數的選擇具有重要的實際指導作用［6］。

2 注射成型工藝參數選擇及模具結構設計

2.1 注射溫度

注射溫度過高，易導致樹脂在模具型腔內分解，尤其是聚甲醛類樹脂，這類樹脂對溫度有較強的敏感性，溫度過高會導致樹脂分解；注射溫度過低，會導致樹脂因熔化不完全而使流動性降低。通常情況下，冷卻介質溫度要低于型腔表面溫度，這個溫度差一般為10～20 ℃，如果溫度差高于20 ℃，就需要加裝隔熱裝置，以保證制作工藝的穩定性［7］。

2.2 注射壓力

注射壓力是指在注射過程中，塑料為注射機螺軒所帶來的壓力。在指定注射溫度下，注射壓力受多種因素的影響（如澆口尺寸、注射零件厚度、制作復雜程度、填充時間等）。通常來講，零件厚度越小、澆口截面越窄、流動長度越長、表面越復雜，所需的注射壓力就越大［8］；但填充時間與注射壓力之間的關系過于復雜，注射時間太短或者太長，都會對注射壓力產生很大影響，在生產過程中，需要多次試模才能獲得最佳的注射時間。

2.3 轉變開關位置

螺桿行程轉換開關位置就是螺桿所在的位置剛好處在注射向保壓過程轉換的一個特定位置，而緩沖距離是從轉換開關位置到螺桿行程終點的這段距離［9］。在緩沖距離內必須保證含有足夠多的塑料，這樣才能確保在后期注射時不會有太多的塑料進入型腔，可以彌補因為熔體冷卻而出現的冷縮現象。如果缺少補償量，那么制品表面很容易出現縮痕。對于一些容易產生收縮的部位，可以通過增加澆口數量的方法解決，通?？梢栽黾?～6個澆口，不僅提高了充模速率，還可以減少收縮［10］。

2.4 注射速率及排氣孔設置

提高注射速率有助于降低流動阻力，也利于增強熔接痕處的強度，但在加大注射速率之前，一定要設置排氣孔［11］。如果沒有設置排氣孔，會導致型腔內出現氣穴現象，若型腔內壓力及溫度較高，易出現燒痕現象，甚至會出現聚合物分解或者填充不足的情況。許多注射成型模擬軟件能夠準確地預測熔接痕和氣穴產生位置，在進行設計時可作為參考［12］。此外，需要定期清洗型腔內排氣系統和模具型芯，尤其是對于聚氯乙烯類注射成型用原料要保證其清潔。

3 實例設計

3.1 改進方案設計

針對某家電子產品的聚丙烯過濾網架在生產過程中存在的一系列問題，運用注塑模計算機輔助分析系統（C-MOLD）軟件模擬該產品的充模過程，深入分析并研究主要原因，提出了幾點改進措施：1）預測可能出現的氣穴現象和氣穴位置，確定最佳排氣位置；2）明確澆口位置及數目；3）預測制品中纖維取向或分子流動狀況［13］。

過濾網架采用聚丙稀注射成型，尺寸為200 mm×40 mm×25 mm，表面分布很多方形通孔，利用雙點澆口，分布形式為對稱型。成型過程中的具體工藝參數：最大鎖模力為150 t，最大注射量為286 cm3，最大注射速率為7 100 cm3/s，環境溫度為24.5 ℃，注射溫度為230.0 ℃，注射時間為1.6 s［14］。

3.2 注射成型過程中的問題

在實際運用中，過濾網架上有許多對表面質量要求不高的零件，這些零件表面有許多方形通孔，存在的主要問題是孔間薄壁填充量較少，如果零件表面出現明顯縮痕，則零件邊緣會出現焦痕。這主要有兩方面原因：一是保壓階段沒有足夠補縮量；二是注射時，在流經型腔不同截面過程中，聚丙烯熔體的流速不均勻［15］。

3.3 利用CAE技術改進注射成型工藝參數及模具結構

聚丙烯過濾網架整體呈現出較為對稱的結構，外表面為許多方形通孔且壁厚均勻。通常情況下采用進口的牌號為7728的聚丙烯制備，這種材料的制件主要存在兩個缺點：一是方形通孔間的薄壁填充量不夠，二是容易產生縮痕［16］。在解決填充量不足以及表面縮痕時，需從兩方面著手：一是依據CAE技術的模擬結果，選擇合理科學的注射參數（如注射溫度、注射時間等），在判別流動場是否符合使用規定要求時，需要根據流動場的合理性和均勻性進行判斷；二是合理選擇流動位置、澆口位置。在實際注射過程中，需要使聚丙烯熔體保持均勻的流速流經每個截面，以保證制品的質量，同時也能減少縮痕［17］。另外，在型腔內，聚丙烯熔體始終保持均勻的流動，既能保證聚丙烯分子纖維合理取向，也能保證零件表面質量。

在判斷流動場是否合理之前，需要對塑料過濾網架零件表面三維模型進行構造，構造中面模型可以采用兩種方法：一是運用計算機輔助軟件設計零件，提取零件中面模型，選用最佳的數據接口，轉換成可以接受的數據模型；二是運用C-MOLD軟件中的MODE-LER模型直接構造零件表面模型［18］。提取中面模型之后，進行有限元網格分析，在指定的注射澆口位置，保證澆口位于指定網格節點之上。實驗發現，熔體流經零件不同位置的流速比較穩定，而且在注射成型過程中，流經不同截面的流速也比較均勻；但因為制件形狀不統一，與熔體前沿位置相對截面大小不均，想要獲取相同的流速，只有改變注射量才能實現。若想在填充中使注射量隨著流動前沿截面變動而進行相應的調整，必須調整注射機螺桿推進速度，即在注射時，螺旋運動速率需要隨著截面變化而變化，截面面積增大，螺桿運動速率應相應加快［19］。

在注射成型過程中，模具型腔內的空氣可能會出現匯集現象，在外緣位置上可能會出現焦化痕跡（見圖1），但也能達到模擬預測結果的目的。在模具設計過程中，在經常出現焦化痕跡的位置（尤其是邊緣位置）增加深為0.02 mm、寬為3.00 mm的排氣槽，以保證型腔排氣暢通，保證制品質量［19］。

圖1 氣穴（焦化痕跡）位置預測Fig.1 Location prediction for cavitation（scorch marks）

綜上所述，在改進注射工藝參數和模具結構后，可進一步提高制品質量，降低廢品率［20］。

4 結語

注射成型塑料制品的結構具有一定的復雜性，在設計塑料注射成型模具時，應充分對模具結構以及注射成型工藝參數進行綜合考慮。通過優化注射成型工藝參數，才能有效提高塑料注射成型模具的設計水平。利用CAE技術，既能對塑料模具的各參數進行定性分析，又能夠提高塑料注射成型模具設計的精密度，有效縮短設計周期及生產周期，使塑料模具設計效果理想。此外，在生產過程中，模具型腔表面的溫度應比冷卻介質的溫度高，通常情況下，冷卻介質應低于型腔表面10～20℃。

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Application of CAE in plastic injection molding process

Yang Jinzhao1，Wu Tao2
（1.Tangshan Polytechnic College， Tangshan 063020， China； 2.North China University of Science and Technology， Tangshan 063009， China）

This paper explores the plastic molding process and mold structure design by means of computer-aided engineering（CAE）， which can be used for problem-resolving during simulation in mold design， and determines the required process parameters with the help of computer simulation. Process parameters of plastic injection mold are chosen to integrate with mold structure. Case studies show the application of CAE in simulation of plastic molding and mold structure design， which proves to be successful in modifying the quality of products.

plastics； injection molding； computer-aided engineering； mold； process parameter

TP 391.72

B

1002-1396（2016）04-0064-03

2016-03-25；

2016-05-26。

楊進釗，男，1972年生，高級講師，2002年畢業于北京理工大學計算機科學與技術專業，研究方向為計算機科學與技術。聯系電話：18633199016；E-mail：wumaitiapds@foxmail.com。