TK-3型操作臺面板配件模具的澆注設計優化

孫麗紅

摘要：利用CAE技術仿真裝備制造過程中的模具成型工藝，對TK-3型操作臺面板配件的注塑模具生產進行研究，模擬和分析不同的澆注方案，根據仿真結果分析對比各方案的參數。進一步優化成型模具，調整工藝參數，為模具制造企業提供技術支持和設計方案。

關鍵詞：CAE 技術;注塑澆注模具;優化設計

1 ?緒論

塑料模具被廣泛應用于裝備制造業各種配件的成型生產中。注塑是塑料模具的重要組成技術，但其成型過程相對復雜。設計者依靠經驗或簡單公式制訂的成型工藝，只能通過試模來檢驗工藝的合理性。多次試模，影響經濟效益，造成浪費。因此CAE的注塑成型仿真技術，被趨勢性的應用于現代模具的設計與制造。本文使用的HsCAE軟件，屬于注塑CAE系列，由華中科技大學模具技術研究中心研發。能三維仿真傳統的注塑工藝，對預采用的注塑方案進行模擬設計和顯示。設計者可根據仿真調整預案的模具結構和工藝參數，形成最佳注塑模具方案并投入生產。本文分析對象為濰坊某模具公司設計的TK-3型操作臺面板配件的注塑模具，面板配件的產品規格（498×190×8）mm，重量240g，為典型的薄殼類產品。

2 ?澆注仿真的前期準備

2.1 建立有限元模型和網格劃分的修復

利用UG三維軟件完成了面板配件有限元模型的建立，并進行了網格劃分。為了有效劃分網格，對模型中的小幾何特征如倒角、倒圓等進行刪除。對網格單元出現的錯誤諸如網絡重疊、自由邊、相交等問題進行查找;并進一步進行修復，修復包括消除長高比偏大的單元，同一平面相交的單元，零厚度或錯誤厚度的單元等等。修復后軟件網格統計：三角形面片數41223個，頂點數20579個，無孤立節點、自由邊界、相交錯誤、零厚度單元等問題，保證了后續流動、冷卻與翹曲模擬結果的精確性。

2.2 選擇注塑機

考慮到面板配件殼壁平衡式的布置設計，并綜合考慮理論注塑容量和鎖模力，擬采用Generic 400 ton型注塑機，以其各項性能均可達到面板配件注塑充模的需要，其最大注塑容積，可以容納兩個面板配件的體積，所以注塑時采用一個模具中兩個填充腔的設計。

2.3 選擇制件和模具材料

根據廠家生產的要求，因屬于中小型塑料制件，故選擇面板配件成型材料為ABS 780。材料參數為：LG公司生產，象牙色不透明顆粒，密度 1.05g/cm3， 0.4～0.7%的收縮率，材料在200℃到260℃的溫度下可成型 ，在 80℃到90℃的溫度下干燥2小時可完成預處理。此熱塑性樹脂產品材料具有良好的綜合性能，優點多，耐化學性和電性性能好，受溫度、濕度的影響小，應用環境廣泛，成型和機械加工容易。

面板配件模具材料選用ToolSteel P20 品牌模具鋼，考慮其可切削性和鏡面研磨性能好，且氮化處理可得到高硬度的表面結構。

3 ?澆注方案的仿真分析及確定

3.1 澆注建模方案

在選擇澆注澆口方案時，綜合考慮面板配件的成型外觀質量，配件的結構，生產工期的快慢，確定方案A和B采用扇形澆口，方案C采用點澆口;考慮面板配件的澆口數量對外觀的影響，減少澆口數量，使用一模兩腔。并對面板配件進行多澆注方案的CAE建模分析。澆注的建模方案如表1所示。

3.2 填充各因素的分析比較

3.2.1 填充時間 ?從分析仿真結果觀察到，三方案均填充平衡，無短射，注塑材料均能充滿腔模，所需時間依次為是2.32s、2.13s、3.11s。三方案的填充效果依次為均勻、較為均勻、較不均勻。分析可知，方案C的充模時間相對最長，均勻性相對差，有產生翹曲變形的隱患;以填充情況考慮，方案B澆注效果相對理想，充模最快。

3.2.2 氣穴位置 ?面板配件對外觀表面質量要求較高，所以在熔體填充過程中，需要將腔體內的氣體（包括腔體內原存氣體，熔體蒸發時產生的水蒸氣，過熱分解時揮發性氣體）排出腔模外，否則便導致形成氣穴，影響到生產質量。從分析仿真結果可知，方案A氣穴較少，且大多數分布在面板配件的側面和背面;方案B和方案C同位置加強筋處氣穴相對多于方案A，所以A方案較好。

3.2.3 熔接痕 ?熔體從分流到合流時易出現熔接痕，會造成面板配件的局部應力相對集中，影響導成件的強度，并且會對面板配件的外觀質量產生影響。

在建模圖片中可以觀察到，熔接痕存在面板配件肋和角部等交叉處，這些位置多為面板配件的薄弱區域，會對外觀和力學性能產生不良影響。三方案對比觀察可知，仿真后熔接痕的存在位置（配件加強筋和拐角處）幾乎相同。

3.2.4 鎖模力 ?溶體被鎖閉在模具型腔中，注射成型的過程所需的力稱為鎖模力。充填過程中鎖模力在不同階段會產生相應的變化，其分析結果為二維坐標系。坐標系生動準確的反映了整個注射成型的過程，隨著時間的變化所需鎖模力隨之變化。在分析時，要注意考慮鎖模力的數值，其值太大，容易使所用注塑模具夾緊力太大而造成磨損;其值太低，易造成面板配件的飛邊現象，一般來說，選擇的最大鎖模力應小于所用注塑機最大鎖模力的五分之四。由仿真分析可知，三方案的最大鎖模力數值依次為2710、3052、3784，數值單位為KN。我們選用的注塑機滿足三方案所要求達到的鎖模力。考慮到延長注塑磨具使用壽命的問題，A方案所需鎖模力相對更小，對注塑磨具磨損會最小，故A方案較好。

3.2.5 熔體流動前沿溫度 ?在注塑型腔內的熔體實時流動時，當前某一節點處的溫度，稱為流動前沿溫度。若此溫度值太低，流動時易造成滯流或短射;若此溫度值太高，塑料聚合物會出現劣化并在表面出現缺陷。在填充過程中，應充分考慮前沿溫度值的范圍是否合理，防止因溫度的不合理而使塑料聚合物降解。由仿真分析可知，塑料熔體流動前沿溫度的范圍如下：方案A前沿溫度在209.6℃和242.96℃之間;方案B前沿溫度在207.70℃和242.05℃之間;方案C前沿溫度在204.07℃和234.15℃之間。對比面板配件選用注塑材料為200℃到260℃的成型溫度，三方案均達到了熔體在成型中所需的溫度，且各方案的前沿溫度值范圍符合要求。

3.3 保壓結果分析比較

體積收縮率，是指塑料聚合物從熔化逐漸冷卻，溫度變化過程產生的體積收縮。注塑時保壓時間的長短和熔體注塑溫度影響體積收縮的情況。注塑時，制件太厚，保壓時間太短，產生的體積收縮會較大，翹曲或縮痕等缺陷出情況現的概率就大。保壓結束后，觀察三種方案的仿真效果，A方案體積收縮指數相對最小，其實施后配件的面表收縮均勻;C方案體積收縮指數相對最大，其實施后配件的面表收縮最為嚴重;B方案體積收縮指數位于A方案和C方案之間，綜合而言A方案較好。

3.4 方案的綜合分析與選擇

將三種澆注方案所得的各項數據進行綜合列表，直觀明確，如表2所示。

通過對三方案各結果參數的比較可知，所設計仿真的模具成型方案，A方案和B方案的模擬結果優于C方案，相對填充的情況更加均勻，獲得的氣穴和溶接痕位置更加合理。B方案設計時采用了熱流道，溶體的體積收縮指數較A方案要大，實際的生產成本會較A方案高，雖然成型填充時間相對最短，但考慮生產成本這一重要因素。綜合開看，我們利用CAE的注塑成型仿真的三個澆注方案中，澆注方案A最為合理。

4 ?實際生產的澆注優化

三種澆注方案的仿真比較，方案A優于方案B和方案C。隨后生產面板配件的濰坊某模具企業，對澆注方案A進行了實際注塑成型應用。應用反饋，采用注塑澆注方案A生產的面板配件殼整體效果成功，但美中不足，在殼的邊角和強筋處仍出現部分氣穴和熔接痕，廠家為了產品質量的考慮，要求進一步優化方案A。因此，我們進一步結合CAE的注塑成型仿真進行了優化。

4.1 注塑模具結構的優化

在注模過程中，針對方案A仍然出現的氣穴及熔接痕等缺陷，考慮從如何解決排氣不良的情況進行優化，以期使手寫板的廢品率降低，生產效益提高，保證生產企業的質量信譽。對于面板配件邊緣處所存在的氣穴，在型面位置可設計排氣槽來避免其產生。經充分考慮決定，針對面板配件這種薄壁制件，離澆口越遠的地方，越應該開設排氣槽。開設排氣槽的部位應在熔體最后填充處的型腔周圍，且避免正對著操作工人。最終確定開設排氣槽的長度（L）*寬度（b）為9mm*5mm，在其尾部，設置排氣溝，可以把氣體引出模腔外。對于面板配件反面出現的氣穴，在模腔中設計輔助頂出機構，機構中增加的推桿、頂桿等部件，會使頂出機構和型芯模板間產生間隙，模腔內氣體通過間隙排出，從而減少氣穴的產生。

4.2 注塑工藝參數的優化

在注塑成型的過程中，遵守注塑工藝參數的調整原則，為了保證塑件質量的穩定，不可同時調整兩個以上的參數。針對方案A中扔有的熔接痕缺陷，采用增大澆口尺寸和提高注射速度的措施解決這一問題：（一）調制澆口的寬度，由54mm調整到57mm;（二）注射速度由98.54 cm3/s調整到到105cm3/s。

通過對TK-3型操作臺面板配件注塑模具結構的CAE設計仿真和進一步的優化，為模具制造企業提供技術支持和設計方案。A方案確定的注塑模具被投入生產，通過此模具澆注系統注塑成型的面板配件產品，在成型過程中充模時間進一步縮短，氣穴和熔接痕的數量得到了減少，生產實際效果顯著。

參考文獻：

[1]王春華.塑料模具設計過程中常見問題探討[J].塑料包裝， 2016，26（1）.

[2]趙妙君.CAD/CAE 技術在膨脹水箱模具設計中的應用研究[D].廣西科技大學，2013.

[3]梅明亮，王翠鳳.CAE 技術在改善手機中框翹曲中的應用[J].模具制造，2010（12）.