孙丽红

摘要：利用CAE技术仿真装备制造过程中的模具成型工艺，对TK-3型操作台面板配件的注塑模具生产进行研究，模拟和分析不同的浇注方案，根据仿真结果分析对比各方案的参数。进一步优化成型模具，调整工艺参数，为模具制造企业提供技术支持和设计方案。

关键词：CAE 技术;注塑浇注模具;优化设计

1  绪论

塑料模具被广泛应用于装备制造业各种配件的成型生产中。注塑是塑料模具的重要组成技术，但其成型过程相对复杂。设计者依靠经验或简单公式制订的成型工艺，只能通过试模来检验工艺的合理性。多次试模，影响经济效益，造成浪费。因此CAE的注塑成型仿真技术，被趋势性的应用于现代模具的设计与制造。本文使用的HsCAE软件，属于注塑CAE系列，由华中科技大学模具技术研究中心研发。能三维仿真传统的注塑工艺，对预采用的注塑方案进行模拟设计和显示。设计者可根据仿真调整预案的模具结构和工艺参数，形成最佳注塑模具方案并投入生产。本文分析对象为潍坊某模具公司设计的TK-3型操作台面板配件的注塑模具，面板配件的产品规格（498×190×8）mm，重量240g，为典型的薄壳类产品。

2  浇注仿真的前期准备

2.1 建立有限元模型和网格划分的修复

利用UG三维软件完成了面板配件有限元模型的建立，并进行了网格划分。为了有效划分网格，对模型中的小几何特征如倒角、倒圆等进行删除。对网格单元出现的错误诸如网络重叠、自由边、相交等问题进行查找;并进一步进行修复，修复包括消除长高比偏大的单元，同一平面相交的单元，零厚度或错误厚度的单元等等。修复后软件网格统计：三角形面片数41223个，顶点数20579个，无孤立节点、自由边界、相交错误、零厚度单元等问题，保证了后续流动、冷却与翘曲模拟结果的精确性。

2.2 选择注塑机

考虑到面板配件壳壁平衡式的布置设计，并综合考虑理论注塑容量和锁模力，拟采用Generic 400 ton型注塑机，以其各项性能均可达到面板配件注塑充模的需要，其最大注塑容积，可以容纳两个面板配件的体积，所以注塑时采用一个模具中两个填充腔的设计。

2.3 选择制件和模具材料

根据厂家生产的要求，因属于中小型塑料制件，故选择面板配件成型材料为ABS 780。材料参数为：LG公司生产，象牙色不透明颗粒，密度 1.05g/cm3， 0.4～0.7%的收缩率，材料在200℃到260℃的温度下可成型 ，在 80℃到90℃的温度下干燥2小时可完成预处理。此热塑性树脂产品材料具有良好的综合性能，优点多，耐化学性和电性性能好，受温度、湿度的影响小，应用环境广泛，成型和机械加工容易。

面板配件模具材料选用ToolSteel P20 品牌模具鋼，考虑其可切削性和镜面研磨性能好，且氮化处理可得到高硬度的表面结构。

3  浇注方案的仿真分析及确定

3.1 浇注建模方案

在选择浇注浇口方案时，综合考虑面板配件的成型外观质量，配件的结构，生产工期的快慢，确定方案A和B采用扇形浇口，方案C采用点浇口;考虑面板配件的浇口数量对外观的影响，减少浇口数量，使用一模两腔。并对面板配件进行多浇注方案的CAE建模分析。浇注的建模方案如表1所示。

3.2 填充各因素的分析比较

3.2.1 填充时间  从分析仿真结果观察到，三方案均填充平衡，无短射，注塑材料均能充满腔模，所需时间依次为是2.32s、2.13s、3.11s。三方案的填充效果依次为均匀、较为均匀、较不均匀。分析可知，方案C的充模时间相对最长，均匀性相对差，有产生翘曲变形的隐患;以填充情况考虑，方案B浇注效果相对理想，充模最快。

3.2.2 气穴位置  面板配件对外观表面质量要求较高，所以在熔体填充过程中，需要将腔体内的气体（包括腔体内原存气体，熔体蒸发时产生的水蒸气，过热分解时挥发性气体）排出腔模外，否则便导致形成气穴，影响到生产质量。从分析仿真结果可知，方案A气穴较少，且大多数分布在面板配件的侧面和背面;方案B和方案C同位置加强筋处气穴相对多于方案A，所以A方案较好。

3.2.3 熔接痕  熔体从分流到合流时易出现熔接痕，会造成面板配件的局部应力相对集中，影响导成件的强度，并且会对面板配件的外观质量产生影响。

在建模图片中可以观察到，熔接痕存在面板配件肋和角部等交叉处，这些位置多为面板配件的薄弱区域，会对外观和力学性能产生不良影响。三方案对比观察可知，仿真后熔接痕的存在位置（配件加强筋和拐角处）几乎相同。

3.2.4 锁模力  溶体被锁闭在模具型腔中，注射成型的过程所需的力称为锁模力。充填过程中锁模力在不同阶段会产生相应的变化，其分析结果为二维坐标系。坐标系生动准确的反映了整个注射成型的过程，随着时间的变化所需锁模力随之变化。在分析时，要注意考虑锁模力的数值，其值太大，容易使所用注塑模具夹紧力太大而造成磨损;其值太低，易造成面板配件的飞边现象，一般来说，选择的最大锁模力应小于所用注塑机最大锁模力的五分之四。由仿真分析可知，三方案的最大锁模力数值依次为2710、3052、3784，数值单位为KN。我们选用的注塑机满足三方案所要求达到的锁模力。考虑到延长注塑磨具使用寿命的问题，A方案所需锁模力相对更小，对注塑磨具磨损会最小，故A方案较好。

3.2.5 熔体流动前沿温度  在注塑型腔内的熔体实时流动时，当前某一节点处的温度，称为流动前沿温度。若此温度值太低，流动时易造成滞流或短射;若此温度值太高，塑料聚合物会出现劣化并在表面出现缺陷。在填充过程中，应充分考虑前沿温度值的范围是否合理，防止因温度的不合理而使塑料聚合物降解。由仿真分析可知，塑料熔体流动前沿温度的范围如下：方案A前沿温度在209.6℃和242.96℃之间;方案B前沿温度在207.70℃和242.05℃之间;方案C前沿温度在204.07℃和234.15℃之间。对比面板配件选用注塑材料为200℃到260℃的成型温度，三方案均达到了熔体在成型中所需的温度，且各方案的前沿温度值范围符合要求。

3.3 保压结果分析比较

体积收缩率，是指塑料聚合物从熔化逐渐冷却，温度变化过程产生的体积收缩。注塑时保压时间的长短和熔体注塑温度影响体积收缩的情况。注塑时，制件太厚，保压时间太短，产生的体积收缩会较大，翘曲或缩痕等缺陷出情况现的概率就大。保压结束后，观察三种方案的仿真效果，A方案体积收缩指数相对最小，其实施后配件的面表收缩均匀;C方案体积收缩指数相对最大，其实施后配件的面表收缩最为严重;B方案体积收缩指数位于A方案和C方案之间，综合而言A方案较好。

3.4 方案的综合分析与选择

将三种浇注方案所得的各项数据进行综合列表，直观明确，如表2所示。

通过对三方案各结果参数的比较可知，所设计仿真的模具成型方案，A方案和B方案的模拟结果优于C方案，相对填充的情况更加均匀，获得的气穴和溶接痕位置更加合理。B方案设计时采用了热流道，溶体的体积收缩指数较A方案要大，实际的生产成本会较A方案高，虽然成型填充时间相对最短，但考虑生产成本这一重要因素。综合开看，我们利用CAE的注塑成型仿真的三个浇注方案中，浇注方案A最为合理。

4  实际生产的浇注优化

三种浇注方案的仿真比较，方案A优于方案B和方案C。随后生产面板配件的潍坊某模具企业，对浇注方案A进行了实际注塑成型应用。应用反馈，采用注塑浇注方案A生产的面板配件壳整体效果成功，但美中不足，在壳的边角和强筋处仍出现部分气穴和熔接痕，厂家为了产品质量的考虑，要求进一步优化方案A。因此，我们进一步结合CAE的注塑成型仿真进行了优化。

4.1 注塑模具结构的优化

在注模过程中，针对方案A仍然出现的气穴及熔接痕等缺陷，考虑从如何解决排气不良的情况进行优化，以期使手写板的废品率降低，生产效益提高，保证生产企业的质量信誉。对于面板配件边缘处所存在的气穴，在型面位置可设计排气槽来避免其产生。经充分考虑决定，针对面板配件这种薄壁制件，离浇口越远的地方，越应该开设排气槽。开设排气槽的部位应在熔体最后填充处的型腔周围，且避免正对着操作工人。最终确定开设排气槽的长度（L）*宽度（b）为9mm*5mm，在其尾部，设置排气沟，可以把气体引出模腔外。对于面板配件反面出现的气穴，在模腔中设计辅助顶出机构，机构中增加的推杆、顶杆等部件，会使顶出机构和型芯模板间产生间隙，模腔内气体通过间隙排出，从而减少气穴的产生。

4.2 注塑工艺参数的优化

在注塑成型的过程中，遵守注塑工艺参数的调整原则，为了保证塑件质量的稳定，不可同时调整两个以上的参数。针对方案A中扔有的熔接痕缺陷，采用增大浇口尺寸和提高注射速度的措施解决这一问题：（一）调制浇口的宽度，由54mm调整到57mm;（二）注射速度由98.54 cm3/s调整到到105cm3/s。

通过对TK-3型操作台面板配件注塑模具结构的CAE设計仿真和进一步的优化，为模具制造企业提供技术支持和设计方案。A方案确定的注塑模具被投入生产，通过此模具浇注系统注塑成型的面板配件产品，在成型过程中充模时间进一步缩短，气穴和熔接痕的数量得到了减少，生产实际效果显著。

参考文献：

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[3]梅明亮，王翠凤.CAE 技术在改善手机中框翘曲中的应用[J].模具制造，2010（12）.