邹光明， 张宝祥， 丁博， 邓如应， 王兴东

（武汉科技大学机械自动化学院，武汉430081）

0 引言

当前，塑料产品的功能日趋多元化，其结构也越来越多样化和复杂化，因此，对塑件的注射成型过程进行CAE模拟分析对优化产品结构、模具结构和注射成型工艺具有非常重要的指导作用［1］。另外，利用CAE模拟分析，可以有效地预测不同的流道形状及浇口形状、位置和数目对塑件成型质量的影响［2-4］。针对垫圈簧片，利用CAE软件对浇口位置和数目进行分析，预测充模过程中的熔合纹和气穴位置，并对温度场、剪切力场和密度场等进行分析计算，优化浇口的位置和数量，缩短设计周期，提高和改善产品质量，从而达到降低生产成本的目的。

1 塑件的工艺性分析

图1 垫圈簧片

垫圈簧片的结构如图1所示，该塑件的材料是 聚 甲 醛（POM），POM外观为不透明或半透明的粉料或粒料，硬而质密，制品表面光滑并有光泽；收缩率较大，达2%～3.5%；强度、刚度高，弹性好，减磨耐磨性好；熔融范围窄，熔融和凝固快，料温稍低于熔融温度即发生结晶；流动性中等，吸湿小，可不经干燥处理。该塑件的外壁厚为1 mm，塑件整体尺寸较小，由于壁薄可不用设计脱模斜度。

2 基于CAE的浇口位置设计及数目确定

本模具使用一模一腔的设计方案。主流道单独设计成可拆卸更换的浇口套，分流道开设在模板上，选择分流道截面形状为梯形。本塑件投影面积较大且容易变形，应采用多点浇口，以减少翘曲变形。浇口的数量和开设位置对塑件的成型性能、成型质量及模具结构影响均很大。下面通过数值模拟分析浇口开设位置和数目的几种方案，确定出最佳的浇口布置形式。

2.1 不同浇口位置方案分析

根据浇口位置选择所需遵循的原则［5］，塑件单型腔多点浇口的初步位置设计如图2所示的两种方案，此两种方案均为4个浇口，两方案除浇口位置不同，其余参数均相同。运用CAE软件对成型塑件浇口位置的两方案从熔合纹、气穴、温度场和密度场等方面进行了分析，通过比较来确定较佳的浇口布置。

图24个浇口位置方案

1）熔合纹分析。熔合纹分析结果如图3所示，方案一和方案二中熔合纹的位置基本上处于塑件的对称轴线上，整个熔合纹分布比较平衡，对塑件的使用性能影响不是很大。所以，方案一与方案二分析结果相近，均能满足要求。

图34个浇口熔合纹计算结果

图44个浇口气穴计算结果

2）气穴分析。气穴为熔体流动推动空气最后聚集的部位，如果该部位排气不畅，就会引起局部过热、气泡，甚至填充不足等缺陷。图4为两方案气穴分析结果，从图4可知，塑件气穴的主要位置分布在成型边界处，可以利用模具间隙排气。方案一气穴的数目明显比方案二中的要多，而且与方案二比较，方案一中有些气穴分布在塑件厚度薄弱的地方，这样会减弱塑件的强度。所以，由塑件气穴分析可知，方案二中浇口的设计要优于方案一浇口的设计。

3）温度场分析。图5所示为温度场计算结果，从图5中可知，方案二塑件的温度分布明显比方案一均匀，而且温差不大，不会出现因温差大而产生翘曲变形的现象。所以，方案二的浇口设计要优于方案一的设计。

图54个浇口温度场计算结果

4）密度场分析。密度场显示了在保压过程中，塑件上材料密度的分布。在保压过程中，材料由于塑件上密度分布不均匀而流动，塑件上材料从密度高的地方向密度低的地方流动并最终达到平衡。密度场的计算结果如图6所示。图6（a）方案一中，塑件中间部分的密度比四周高，在保压过程中会产生缩痕，从而降低塑件的使用强度。而图6（b）方案二中，塑件的密度分布整体比较均匀，只是在塑件的两边产生局部高密度，最可能在两边产生缩痕，但对塑件的整体性能影响不大。所以，由塑件密度场分析可知，方案二的设计优于方案一的设计。

图64个浇口密度场计算结果

2.2 不同浇口数目方案分析

为了进一步分析浇口数目对成型质量的影响，针对垫圈簧片取不同浇口数目来予以分析。上节已经对浇口数目为4的两种方案进行了分析，另外再取浇口数目为6和8的两种方案进行分析。方案二为前述图2（b）所示的方案二；方案三为6个浇口，如图7（a）所示；方案四为8个浇口，如图7（b）所示。运用CAE软件对不同浇口数目成型塑件的几个重要物理量进行分析，如熔合纹、气穴、温度场和剪切力场，并确定较佳浇口数目的设计方案。

1）熔合纹和气穴分析。熔合纹计算结果如图8所示，图8（a）方案三和图8（b）方案四的熔合纹显然多于图3（b）方案二的熔合纹，并且方案三和方案四的气穴数目也多于方案二的气穴数目。所以，方案二的浇口数目设计优于方案三和方案四的浇口数目设计。

2）温度场分析。温度场计算结果如图9所示，从图9中可知，方案三和方案四温度的分布不均匀且温差较大，而图5（b）方案二中塑件的温度分布比较对称均匀，温差不大。因此，相比方案二来说，方案三和方案四增加了塑件产生翘曲变形的可能性，所以，方案二的设计优于方案三和方案四的设计。

图7 不同浇口数目方案

图8 不同浇口数目熔合纹计算结果

图9 不同浇口数目温度场计算结果

图10 不同浇口数目剪切力场计算结果

3）剪切力场分析。剪切力场计算结果如图10所示，从图10中可知，图10（a）方案二中剪切力的分布比较均匀，熔体承受的剪切力小于0.45 MPa，符合设计要求。但是，在图10（b）方案三和图10（c）方案四中，塑件左边的剪切力高于熔体承受的最大剪切力0.45 MPa，不满足设计要求。所以，方案二的设计优于方案三和方案四的设计。

2.3 分析结果

运用CAE软件对浇口位置和数目不同的几种方案进行了分析。通过对不同浇口位置的方案一和方案二从熔合纹、气穴、温度场和密度场方面分析比较，确定方案二为较佳的浇口位置方案；通过对浇口数目3个不同方案从熔合纹、温度场和剪切力场等方面进行分析，根据计算结果可知，浇口的数目设计采用方案二比较合理。因此，确定方案二为本模具浇口最优设计方案。

图11 模具三维爆炸图

3 模具工作原理

在浇注系统设计基础上，计算了成型零部件的结构尺寸，设计了脱模机构和导向机构，选取了模架结构形式［6］，最终确定了模具的具体结构，其三维爆炸图如图11所示。

该模具的基本工作原理为：开模时，首先定模座板与定模固定板之间分开，利用拉料钩将冷凝料在浇口处拉断，动模部分继续后退，卸料弹簧顶动卸料块和垫板，将浇道凝料从拉料钩上刮落。随后抓钩打开，动模板与定模固定板第二次分型。动模部分再继续后退，推出机构推出塑件，在复位弹簧的作用下，推杆先行退回，然后合模，继续下一循环动作。

4 结论

本文对垫圈簧片的工艺性进行了分析，运用CAE软件对浇口位置与数目进行了研究，并预测填充过程中可能产生的缺陷。通过对浇口位置和数目四个不同设计方案的整体性比较，确定了浇口布置的最佳设计方案。设计的模具结构紧凑，能满足生产要求。

［1］ 林志宏.注射模 CAE 技术的应用研究［J］．模具制造，2004，4（1）：1-4.

［2］ 吴梦陵，孙迪，张珑.注射模浇注系统对成型工艺和塑件质量影响研究［J］.塑料工业，2011，39（8）：65-68.

［3］ Lee B H，Kim B H.Automated selection of gate location based on desired quality of injection-molded part ［J］.Polym Plast Technol Eng，1996，35（2）：253.

［4］ 周建华，赵亦兵，袁根福.基于数值模拟的光盘片架注塑成型浇口位置优化与模具设计［J］.塑料工业，2012，40（10）：62-65.

［5］ 俞芙芳.塑料成型工艺与模具设计［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［6］ 李德群，唐志玉.中国模具工程大典：第3卷：塑料与橡胶模具设计［M］.北京：电子工业出版社，2007.