计算机辅助塑料模具设计和工艺改进

摘 要：塑料模具是生产塑料制品的关键工具，塑料模具的品质直接关系到塑料制品的质量。因此本文提出了基于计算机辅助的塑料模具如何在设计中得到改进，并进一步探讨了工艺层面的改进思路和方法。

关键词：计算机辅助；模具设计；模具工艺

随着社会生产力的不断提升，我国的塑料模具的设计和生产已经得到了长足进步。但是在新的消费社会背景下，我们的消费市场又对塑料制品提出了新要求。这就需要对塑料模具生产和设计工艺做出更符合市场需求的改进，笔者将就这一问题展开探讨。

一、主要工艺参数及选用原则

模具温度模具温度实际上同一类聚合物的不同牌号其熔融温度和对应模具温度也稍有不同，对于精密塑料件注射成型，应选用供应商提供的推荐值。模具温度可以通过温度计测得，生产过程中，型腔表面温度一般高于冷却介质的温度。因而，冷却介质的温度一般比相应模具温度低1°～2°C，.如果模具温度是40～50°C或者更高，则应考虑在模具固定板和模具之间增加隔热装置，以节省能源并增强工艺的稳定性。对于零件表面质量要求较高的，模具温度应相应提高一些。

注射压力注射压力是注射成型过程中又一个重要的工艺参数。注射压力指注射过程中，注射机螺杆对塑料施加的压力，用以克服流道系统和型腔等处产生的流动阻力。在一定注射温度下，注射压力的大小受注射零件的厚度、浇口尺寸、流动长度、制件表面复杂程度及注射填充时间影响。一般的讲，零件厚度越小、浇口截面狭窄、流动长度越长、表面越复杂所需的注射压力越大。而注射填充的时间对注射压力的影响比较复杂，相对太短或太长的注射时间都将加大对注射压力的需求，选择合理的注射时间对注射成型的质量影响较大。通常在生产中，需反复试模获得。目前可以采用CAE软件系统计算获得。

设置螺杆行程转换开关位置螺杆行程转换开关位置是指螺杆的位置处于注射向保压过程转换的位置，缓冲距离指从转换开关位置到螺杆行程的终点，缓冲距离内应包含足量的塑料以保证后注射阶段的少量的塑料进入型腔，以补偿由于熔体冷却而引起的收缩，否则补偿量不足，则制品表面易产生缩痕。

二、塑料模具设计技术路线

现在广泛应用的通用的参数化CAD软件，基本都具有基于特征、尺寸驱动、数据全相关等特点，许多CAD软件（如：Pro/ENGINEER、UG、AutoCAD等）之间已经可以通过IGES格式轻松的实现数据转换。因此，应用CAD技术实现塑料模具设计已经十分方便与便捷。塑料模具CAD设计主要是指塑料制件和模具标准件三维参数化模型建立。塑料制件设计即利用通用的参数化软件对产品进行三维造型，用于进行模具设计与CAE分析计算；标准件设计主要指模架设计（包括定模板、动模板、定模固定板、动模固定板、推件板、导柱、导套、复位杆、垫板、支承板等）和螺钉、销钉等常用模具标准件的参数化设计。塑料模具CAE分析包括对流道、浇口、模具型腔进行充模流动分析、保压分析、收缩分析、冷却分析、翘曲变形分析等。三维参数化模型建立后，就需要应用CAE技术建立有限元分析模型。

CAD软件输出到CAE软件中，设定有限元网格形状、密度、边界条件等相关信息后，将模型进行网格化处理，建立起可用于分析的有限元模型。塑料模具CAE软件在对应用CAD拄术建立的几何模型有限元网格化处理后，输入塑料名称、牌号和成型过程中所需要的工艺参数（温度，压力、时间等）后，对塑料模具进行流动、保压、翘曲变形等模拟。CAE分析软件就能给出塑料熔体流动的动态图（显示不同时间间隔塑料熔体在各个部位的温度、压力、流动速度等分布情况）、塑料制件翘曲变形的位移变化图等信息。根据CAE软件的分析结果，发现塑料制件、塑料模具浇注系统、冷却系统等设汁中存在的缺陷与不足，如：个别部位有气孔、充模不完全、塑料制件有熔接痕等，对原有浇注系统、冷却系统设计方案进行修改后，再应用塑料模具CAE技术重新进行分析.并最终优化设计出合适的流道、浇口、冷却水道等设汁方案。

三、运用模拟技术的设计实例

本文采用流动模拟软件系统对某家电产品的过滤网架的注射成型过程进行了充模过程流动模拟，得出了一组优化的工艺参数，依据此结果对模具浇口和流道系统进行了设计，并将分析推荐的工艺参数如注射压力、注射温度和螺杆运动速度用于注射过程，得到了满意的效果。过滤网架采用聚丙烯树脂，采用注射成型，由于零件过滤孔多，所以注射成型时容易产生短射、缩痕等缺陷，采用流动模拟技术，可以获得理想的设计参数，获得均匀一致的流动场，从而避免了上述缺陷的发生，提高一次试模成功率，提高了成品质量。塑料过滤网架是对外表面质量要求不高的零件，零件中分布着十多个方形通孔，壁厚较均匀，为2mm，采用进口PP聚丙稀材料注射成型，易发生的缺陷主要是孔间薄壁填充量不足，出现短射现象，另外应合理的设备排气，以免出现因排气不合理引起的气穴和焦化痕。解决这些问题的关键有两点，一是合理的选择流道和浇口的尺寸及位置，二是根据模拟结果得到合理的注射参数，如注射温度，注射时间、注射压力和优化的螺杆运动曲线等。判断流场合理与否的依据可以流场的均匀性上得出。所谓流场均匀，即流动前沿速度MFV在注射过程不同时刻，流经不同截面时流动速度保持均匀，这样制品质量好，不易出现缩痕等缺陷，不能产生短射充不足现象，同时熔体在型腔内的流动场均匀，保证了聚合物纤维趋向的均匀，可获得较高的表面质量。该零件机构对称，长度较长而宽度较小，为减少注射压力，采用双点侧浇口对称分布，为保证零件质量。

分析前，先在CAD系统中构造零件中面的三维模型，然后进行有限元网格部分，指定注射浇口的位置，并确保浇口点在网格节点上。本分析中，该零件共划分为2504个节点，两个浇口，4138个三角形单元。可以通过改变浇口的位置，反复运行模拟软件，直到获得满意的结果为止。从分析结果可以看出，零件成型时，聚合物流动场是均匀的。经流动模拟后推荐的螺杆运动速度曲线，注射成型时按照提供的运动曲线，取几个离散点的值，调整螺杆运动速度，经实验表明制品质量比螺杆恒定运动速度时有明显地提高。保证了制品分子纤维取向的合理，避免了缩痕等缺陷。模具下腔内空气可能汇集产生气穴的位置，模具设计时，应考虑在这些位置增设排气槽，避免出现缺陷，保证制件质量。

四、小结

在注塑模具设计过程中，采用计算机辅助分析技术，在模具設计构思阶段，进行设计评价和缺陷预测，获得可行的模具结构参数和工艺参数是提高模具设计质量、降低成本、缩短开发周期的有效途径。用定量分析替代传统的经验类比，减少了对设计者经验的依赖，对于模具设计水平的提高具有重要意义。

参考文献：

[1]Milan Brezina， 殷光复. 热塑料塑性齿轮固态成形模具的计算机辅助设计[J]. 锻压技术， 1984（6）：13-18.

[2]李凯. 塑料模具设计研究[J]. 速读旬刊， 2016（7）.

作者简介：

娄美，女，汉族，本科，学士学位，衡阳技师学院模具系，主要从事模具专业相关课程教学与科研工作。