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摘要：通過分析一種電飯煲提手塑料零件的結構工藝性，利用NX12.0軟件設計模具結構，并根據HsCAE3D對模具澆注系統和冷卻系統的分析結果改進模具結構，實現了注塑工藝的優化，控制塑件的翹曲變形量絕大部分在0.1mm之內，局部為0.16mm。

關鍵詞：模具設計；澆注系統；冷卻系統；翹曲變形

1引言

隨著CAD/CAE技術的發展，模具設計流程發生了很大的變化，從依靠設計者的主觀經驗分析轉變為借助CAD/CAE軟件進行系統分析。在模具設計過程中，可以分析澆注系統、冷卻系統、脫模機構、頂出系統的結構干涉；在塑料注射工藝參數選擇過程中，可以對充模、冷卻、保壓進行分析從而優化注塑工藝[1]。許多大型CAD軟件都提供了模具設計模塊，如Siemens公司的NX12.0的MouldWaids；在注塑工藝分析過中，Autodesk公司的Moldflow被廣泛的應用；華塑軟件研究中心的HsCAE3D軟件逐漸成熟[2]。通過CAE分析可以提高模具的設計、制造效率，提高設計制造質量，減少試模修模時間，從而縮短從塑料產品設計、模具設計、模具制造及產品注塑生產的整個周期。本文利用NX12.0的模具設計模塊MoldWizard和HsCAE3D完成一種電飯煲提手的模具設計，同時優化了注塑成型工藝。

2塑料件的結構工藝分析

圖1為一種電飯煲提手塑件的塑件產品圖。該塑件材料為聚丙烯，收縮率為1.5%。設計的原始數模為STP的格式的文件，可以導入NX，另存為STL格式的文件；把文件為STL格式的文件導入HsCAE3D軟件，利用其快速分析功能獲得如表1所示的塑件基本信息。尺寸精度為一般精度要求MT5級，故對應模具相關零件的尺寸加工精度容易保證。塑件壁厚較均勻，2mm左右，最小壁厚0.4mm，符合最小壁厚原則[3]，塑件均為圓角過渡，結構工藝性良好。表1中節點數和單元數為CAE網格文件的參數，滿足分析要求，如果不滿足可通過華塑網格管理器進行修復。

3模具結構的設計

3.1成型零件的設計

塑件的結構如圖2所示。1是提手的開口位置，不可以直接脫模，需要向外的側向分型抽芯，選用斜導柱側向分型抽芯結構；2和9為內凹結構，同樣不可以直接脫模，需要向內的滑塊結構，選用方形彎銷抽芯機構；3~5、7和8有多個靠破孔，直接通過前、后模具合模后成型；6為擦穿位，通過前后模具的側面合模后側面相靠成型。考慮模具加工的工藝性，圓孔位置都通過鑲件完成。圖3為模具成型零件的爆炸圖。

3.2澆注系統的設計

內外四個滑塊四個方向抽芯，模具結構相對復雜，同時根據用戶的注塑機注塑量，鎖模力的要求，選用1模1件，直澆口的形式。保證注射的相對平衡，主澆道偏離中心10mm。充型性可以通過HsCAE3D進行分析，通過充型分析，可以得到如圖4所示（見封三）的模具前端填充零件的時間云圖，從圖中可以看出模具全部充滿需要1.22s，HsCAE3D可以動態仿真模具填充的全過程。圖5為填充過程中可能產生氣穴和熔接痕的位置，1為熔接痕的位置，2為可能產生氣穴的位置，為設計模具的排氣槽和溢流槽的位置提供了參考。

3.3模具的冷卻系統設計

從圖3可以看出參與直接成型的零件有6個，模具的前后模4個滑塊都需要設計冷卻水路，模具前模鑲件中也要布置冷卻水路。模具圓型鑲件的冷卻水路可以采用隔水板的形式。圖6中1、2為后模冷卻水路，3、6為外側滑塊冷卻水路，4、5為前模鑲中的冷卻水路（見封三）。冷卻水路的設計直接影響塑料零件的生產效率，同時冷卻水路布置的不合理，會對塑料充模過程有較大的影響，造成填充不滿，澆不足、溶接痕等缺陷。HsCAE3D可以分析冷卻介質的溫度場變化如圖7（見封三），設計者根據冷卻介質溫度場的變化，來修改冷卻水路的結構及介質的熱平衡參數。同時可以分析冷卻穩態后的溫度場圖8（見封三），供設計頂出機構作為參考。

4塑料零件翹曲變形分析和工藝優化

塑料制品注塑成型過程中，塑料由粘流態、高彈態到玻璃態。這個過程粘流態的塑料必須高效的填充型腔。影響填充效果的工藝因素主要有溫度、壓力、剪切速度。塑料制品的材料一旦定，其注塑溫度和注塑壓力范圍可用通過查閱手冊確定范圍，如本塑件的材料為聚丙烯，手冊上推薦的最低溫度為220℃，最高溫度為250℃。注塑溫度影響塑料粘度變化，進而影響塑料的填充能力。注射溫度低會造成填充不足，出現熔接痕，澆不足的缺陷。溫度過高則會出現飛邊、熔體破裂的缺陷。在沒有CAE軟件參與設計的情況下，工藝調整都是在模具加工后試模過程中完成的，而CAE軟件可以仿真不同時間塑料的流動狀態。通過模擬軟件調整相應的工藝參數，軟件可以動態生成不同時間的溫度場、壓力場和剪切力場。根據剪切速度場的變化動態圖選擇溫度、壓力和剪切力。剪切速度相對變化范圍小的工藝參數作為優化的推薦參數，并通過試驗驗證。圖9為填充0.14s后的工藝參數云圖（見封三）。塑料的注塑壓力、保壓時間、冷卻溫度場的分布都會影響塑料產品的變形程度，使塑料制品產生翹曲。生產實踐表明：適當的降低頂出溫度，可以降低產生翹曲的幾率，但是冷卻時間過長會降低生產效率，同時也會產生脫模困難等問題。通過CAE軟件的仿真可以有效地解決這個問題。圖10為推出溫度和翹曲變形的關系，是在相同的澆注系統和冷卻系統的情況下，通過改變真仿軟件中推出溫度參數獲得翹曲變化趨勢曲線。圖11為優化后推出溫度為40℃，翹曲最大翹曲控制0.16mm。根據用戶對產品精度的要求可以平衡進度和效率的關系。

5模具的動作過程

NX12.0的模具MouldWaids模塊，既可以高效的完成模具分模到結構設計的全過程，又可以完成標準件的調用，還可以實現高效的出圖。圖12為最終模具設計結果，采用兩板模大水口方式，其動作過程為前模2和后模11分開，在斜導柱22、18的帶動下兩個外滑塊19、21向外運動。由于塑料件的壁厚比較薄，結構向導復雜，為了防止開模過程中撕裂塑件，采用順序脫模結構，方形彎銷在兩個外滑塊脫模后再動作。即方形彎銷4、12帶動內滑塊5、11實現內滑塊脫模具。然后推出行程由推出限位塊20控制，這樣可以防止推桿組和外滑塊相撞；在復位桿上附加彈簧起到推出機構先行復位的作用。本套模具的特點是：典型的哈夫模具結構；帶有內滑塊抽芯；順序脫模；冷卻水路復雜。通過加工試模具，本套模具開模順利、合模準確，其結構設計合理，有較高的設計參考價值。

6結語

以一種電飯煲的提手零件為例，進行了完整的模具結構設計。在設計過程中充分地利用HsCAE軟件進行充模分析、冷卻分析和翹曲分析，同時通過CAE軟件仿真頂出溫度對翹曲變形和冷卻時間的影響，同時給出了電飯煲提手模具完整的結構設計解決方案，對采用內外同時抽芯脫模的哈夫模具結構有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]關興舉，張海波.模具結構對塑料制品翹曲變形影響的研究進展[J].合成樹脂及塑料，2018（02）：94-97.

[2]華塑軟件研究中心.塑料注射模CAE教程[M].武漢：華中科技大學，2008：1-50．

[3]王敬艷.華塑CAE在塑料殼體模具設計中的應用與研究[J].塑料制造，2015（Z1）：71-76.

作者：關興舉 單位：吉林工業職業技術學院機械與汽車技術學院