杨进钊，吴 涛（.唐山工业职业技术学院，河北省唐山市 06300；.华北理工大学，河北省唐山市 063009）

计算机辅助工程技术在塑料注射成型中的应用

杨进钊1，吴 涛2
（1.唐山工业职业技术学院，河北省唐山市 063020；2.华北理工大学，河北省唐山市 063009）

利用计算机辅助工程技术对塑料注射成型工艺及其模具结构设计进行了探讨。计算机辅助工程技术能够在模具设计阶段开展模拟工作，一旦发现问题，则会及时解决，同时也能运用计算机模拟并确定注射成型所需的工艺参数。通过选择塑料注射成型工艺参数，力图将工艺参数与模具结构紧密融合。最后，用实例验证了运用计算机辅助工程技术模拟注射成型工艺及模具结构设计的过程，达到了提高注射成型制品质量的目的。

塑料 注射成型 计算机辅助工程技术 模具 工艺参数

近年来，我国塑料注射成型工艺发展迅速，在仪器仪表、家用电器、摩托车、汽车等行业应用广泛，并且在针对塑料注射成型工艺参数优化配置以及注射成型过程中的规律方面取得了优异成绩［1］。计算机辅助工程（CAE）技术可以模拟实际成型过程，预测模具设计和注射成型条件对产品质量的影响，发现可能出现的缺陷，以便对设计方案进行修改，避免在制作过程中出现问题［2］。本工作利用CAE技术探讨了塑料注射成型工艺及其模具结构设计。

1 CAE技术的作用

塑料注射成型除了受设计方案的影响以外，最大的影响因素就是制作过程的工艺条件（包括注射速率、注射压力、注射温度、注射量等）［3］。当注射温度过高时，模具型腔中的塑料会发生化学反应，有化学分解的风险；而当注射温度过低时，不利于塑料更好地填满型腔，在具体操作过程中需要极大的压力来辅助完成。当注射压力过高时，在具体的操作过程中容易出现飞边；而注射压力过低会导致模具的填充出现问题，无法更好地填充模具［4］。合理设置注射成型工艺参数是关系注射成型制品质量的重要因素，除了考虑注射压力、注射温度、注射量等因素外，还必须重视模具结构及所用的树脂原料［5］。在实际的模具制作过程中，很多厂家采用经验加试模的方法，存在严重缺陷，废品率非常高；而且，此方法不适用于数量较多及对质量要求较高的模具生产。采用CAE技术可以在模具的设计阶段进行模拟，发现问题并及时修改，同时也可以通过计算机模拟确定具体的工艺参数，对模具制作及注射成型工艺参数的选择具有重要的实际指导作用［6］。

2 注射成型工艺参数选择及模具结构设计

2.1 注射温度

注射温度过高，易导致树脂在模具型腔内分解，尤其是聚甲醛类树脂，这类树脂对温度有较强的敏感性，温度过高会导致树脂分解；注射温度过低，会导致树脂因熔化不完全而使流动性降低。通常情况下，冷却介质温度要低于型腔表面温度，这个温度差一般为10～20 ℃，如果温度差高于20 ℃，就需要加装隔热装置，以保证制作工艺的稳定性［7］。

2.2 注射压力

注射压力是指在注射过程中，塑料为注射机螺轩所带来的压力。在指定注射温度下，注射压力受多种因素的影响（如浇口尺寸、注射零件厚度、制作复杂程度、填充时间等）。通常来讲，零件厚度越小、浇口截面越窄、流动长度越长、表面越复杂，所需的注射压力就越大［8］；但填充时间与注射压力之间的关系过于复杂，注射时间太短或者太长，都会对注射压力产生很大影响，在生产过程中，需要多次试模才能获得最佳的注射时间。

2.3 转变开关位置

螺杆行程转换开关位置就是螺杆所在的位置刚好处在注射向保压过程转换的一个特定位置，而缓冲距离是从转换开关位置到螺杆行程终点的这段距离［9］。在缓冲距离内必须保证含有足够多的塑料，这样才能确保在后期注射时不会有太多的塑料进入型腔，可以弥补因为熔体冷却而出现的冷缩现象。如果缺少补偿量，那么制品表面很容易出现缩痕。对于一些容易产生收缩的部位，可以通过增加浇口数量的方法解决，通常可以增加4～6个浇口，不仅提高了充模速率，还可以减少收缩［10］。

2.4 注射速率及排气孔设置

提高注射速率有助于降低流动阻力，也利于增强熔接痕处的强度，但在加大注射速率之前，一定要设置排气孔［11］。如果没有设置排气孔，会导致型腔内出现气穴现象，若型腔内压力及温度较高，易出现烧痕现象，甚至会出现聚合物分解或者填充不足的情况。许多注射成型模拟软件能够准确地预测熔接痕和气穴产生位置，在进行设计时可作为参考［12］。此外，需要定期清洗型腔内排气系统和模具型芯，尤其是对于聚氯乙烯类注射成型用原料要保证其清洁。

3 实例设计

3.1 改进方案设计

针对某家电子产品的聚丙烯过滤网架在生产过程中存在的一系列问题，运用注塑模计算机辅助分析系统（C-MOLD）软件模拟该产品的充模过程，深入分析并研究主要原因，提出了几点改进措施：1）预测可能出现的气穴现象和气穴位置，确定最佳排气位置；2）明确浇口位置及数目；3）预测制品中纤维取向或分子流动状况［13］。

过滤网架采用聚丙稀注射成型，尺寸为200 mm×40 mm×25 mm，表面分布很多方形通孔，利用双点浇口，分布形式为对称型。成型过程中的具体工艺参数：最大锁模力为150 t，最大注射量为286 cm3，最大注射速率为7 100 cm3/s，环境温度为24.5 ℃，注射温度为230.0 ℃，注射时间为1.6 s［14］。

3.2 注射成型过程中的问题

在实际运用中，过滤网架上有许多对表面质量要求不高的零件，这些零件表面有许多方形通孔，存在的主要问题是孔间薄壁填充量较少，如果零件表面出现明显缩痕，则零件边缘会出现焦痕。这主要有两方面原因：一是保压阶段没有足够补缩量；二是注射时，在流经型腔不同截面过程中，聚丙烯熔体的流速不均匀［15］。

3.3 利用CAE技术改进注射成型工艺参数及模具结构

聚丙烯过滤网架整体呈现出较为对称的结构，外表面为许多方形通孔且壁厚均匀。通常情况下采用进口的牌号为7728的聚丙烯制备，这种材料的制件主要存在两个缺点：一是方形通孔间的薄壁填充量不够，二是容易产生缩痕［16］。在解决填充量不足以及表面缩痕时，需从两方面着手：一是依据CAE技术的模拟结果，选择合理科学的注射参数（如注射温度、注射时间等），在判别流动场是否符合使用规定要求时，需要根据流动场的合理性和均匀性进行判断；二是合理选择流动位置、浇口位置。在实际注射过程中，需要使聚丙烯熔体保持均匀的流速流经每个截面，以保证制品的质量，同时也能减少缩痕［17］。另外，在型腔内，聚丙烯熔体始终保持均匀的流动，既能保证聚丙烯分子纤维合理取向，也能保证零件表面质量。

在判断流动场是否合理之前，需要对塑料过滤网架零件表面三维模型进行构造，构造中面模型可以采用两种方法：一是运用计算机辅助软件设计零件，提取零件中面模型，选用最佳的数据接口，转换成可以接受的数据模型；二是运用C-MOLD软件中的MODE-LER模型直接构造零件表面模型［18］。提取中面模型之后，进行有限元网格分析，在指定的注射浇口位置，保证浇口位于指定网格节点之上。实验发现，熔体流经零件不同位置的流速比较稳定，而且在注射成型过程中，流经不同截面的流速也比较均匀；但因为制件形状不统一，与熔体前沿位置相对截面大小不均，想要获取相同的流速，只有改变注射量才能实现。若想在填充中使注射量随着流动前沿截面变动而进行相应的调整，必须调整注射机螺杆推进速度，即在注射时，螺旋运动速率需要随着截面变化而变化，截面面积增大，螺杆运动速率应相应加快［19］。

在注射成型过程中，模具型腔内的空气可能会出现汇集现象，在外缘位置上可能会出现焦化痕迹（见图1），但也能达到模拟预测结果的目的。在模具设计过程中，在经常出现焦化痕迹的位置（尤其是边缘位置）增加深为0.02 mm、宽为3.00 mm的排气槽，以保证型腔排气畅通，保证制品质量［19］。

图1 气穴（焦化痕迹）位置预测Fig.1 Location prediction for cavitation（scorch marks）

综上所述，在改进注射工艺参数和模具结构后，可进一步提高制品质量，降低废品率［20］。

4 结语

注射成型塑料制品的结构具有一定的复杂性，在设计塑料注射成型模具时，应充分对模具结构以及注射成型工艺参数进行综合考虑。通过优化注射成型工艺参数，才能有效提高塑料注射成型模具的设计水平。利用CAE技术，既能对塑料模具的各参数进行定性分析，又能够提高塑料注射成型模具设计的精密度，有效缩短设计周期及生产周期，使塑料模具设计效果理想。此外，在生产过程中，模具型腔表面的温度应比冷却介质的温度高，通常情况下，冷却介质应低于型腔表面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。

杨进钊，男，1972年生，高级讲师，2002年毕业于北京理工大学计算机科学与技术专业，研究方向为计算机科学与技术。联系电话：18633199016；E-mail：wumaitiapds@foxmail.com。