基于UG前盖注塑模设计及模流分析

段亮亮，党新安，杨立军，杜二超

（陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021）

0 前言

随着塑料工业的飞速发展，塑料制品广泛应用于人们的日常生活中，也应用于航空航天、医疗器械、机械制造等［1］。注射成型是成型塑料制品的一种重要方法。其基本过程是塑料原料经注塑机熔融塑化并注入模具，在模具中固化后脱模成为制品［2］。注射成型能一次成型形状复杂、尺寸精确的制品，适合高效率、大批量的生产方式，已发展成为热塑性塑料和部分热固性塑料的主要成型加工方法。

本文利用三维CAD软件UG对前盖制件及模具结构进行设计，减少了设计时间，提高了精准性［3］，本文根据塑件的工艺性，将前盖注塑模设计为1模2腔结构，并用侧浇口进料，采用单分型面实现塑件和流道凝料的分离及塑件的顺利脱模，并且用Moldflow模具仿真软件对前盖的整个注射成型过程进行了分析与模拟，得到了制件的最佳浇口、熔接痕和气穴位置，缩短了生产周期，降低了生产成本，提高了生产效率［4］。

1 塑件工艺分析

塑料件材料为聚碳酸酯（PC），收缩率为0.5%～0.8%。塑件尺寸较小，要求精度低，生产批量大，采用1模2件结构。PC的流动性差，采用短流程浇口，同时为了满足制品的要求采用侧浇口。同时塑件形状较为复杂，为了方便加工和热处理，型腔与型芯采用镶拼式结构。

图1是用三维CAD软件UG设计的前盖塑件，该塑件为壳体件，要求表面光泽，且内部结构复杂，在模具设计中要求有较高的精度和良好的加工工艺，以保证该塑件的精度和模具的充型能力。

图1 前盖塑件Fig.1 Front plastic parts

2 模具结构设计

2.1 成型零件的设计

型腔零件是成形塑料件外表面的主要零件，按结构不同可分为整体式和组合式两类。为了保证其精度，此型腔采用整体式。材料通常选用优质碳素结构工具钢T10A，淬火处理，硬度为HRC50～55。

成型塑件内表面的零件称型芯，主要有主型芯、小型芯。型芯按其结构类型可分为整体式和组合式两类。本文设计的主型芯用于成型塑件内壁，小型芯是用于成型塑件上的孔，故选组合式结构。

2.2 浇注系统的设计

2.2.1 确定分型面的位置

定模和动模相接触的面称为分型面。此塑料件尺寸小，内部结构简单，无需侧抽结构，因而采用直接分型。通过对塑件的分析，且根据分型面的选择原则，分型面的位置确定在最大轮廓处即最大截面处。

2.2.2 流道的设计

主流道是连接注塑机的喷嘴与分流道的一段通道，主流道设计成圆锥型，目的是便于冷料的脱模，同时也改善料流的速度。

分流道截面形状一般为圆形、梯形、半圆形及矩形等。本文的设计中采用梯形截面，其加工工艺性好，且塑料熔体的热量散失流动阻力均不大。该模具采用1模2腔结构形式，浇口采用侧浇口，如图2所示。

2.3 选用标准模架

根据型腔尺寸、位置尺寸及型腔壁厚，可确定模架的结构形式和规格，选用A4－200250－51－Z2GB／T12556.1－1990，模具外形尺寸为250mm×230mm×195mm。

2.4 推出机构及导向定位机构的设计

图2 浇注系统Fig.2 Design of the runner system

在注射成型的每一次循环中，都必须使制品从模具型腔和型芯上脱出，这种脱出制品的机构称为推出机构或脱模机构。根据制品结构特点、脱模机构设计的要求及推出力的大小，可确定推出机构选用Φ3mm推杆。导向定位机构采用导柱和导套，根据模架的选用，导柱选用Φ20mm，导套选用Φ28mm。

2.5 温度调节系统及排气系统的设计

在注射成型过程中，模具的温度会影响到塑件成型的品质和生产效率。由于各种塑料的性能和成型工艺要求不同，模具的温度要求也不同。PC流动性差，要求模具温度高。根据材料的工艺参数，可知模具温度为90～110℃。故选择以Φ13mm加热棒加热。塑件的冷却采用随模冷却。

该模具属于中小型模具，排气量并不大，而且塑件在分型面的投影面积较大，因此不单独开设排气槽，利用分型面和顶杆与孔的配合间隙排气。

3 模具整体结构及工作过程

该模具的整体结构如图3所示，其工作过程为：注塑机锁模之后，由导柱、导套进行合模，动定模闭合。注塑机注射时，塑料熔体经过浇注系统进入型腔，待充满型腔并经过保压、补塑和冷却后开模。开模时，模具从分型面分开，塑件包在型芯上随动模一起后移。同时，拉料杆将浇注系统的主流道凝料从浇口套中拉出。当移动到一定距离后，推出机构将塑件及浇注系统凝料从型芯和冷料穴中推出，塑件与浇注系统凝料一起从模具中落下。合模时，推出机构使复位杆复位。

4 Moldflow模流分析

塑料注射成型CAE软件的发展十分迅速，其全面提升模具设计水准的显著效果正逐渐为模具界所认识［5］。利用Moldflow对塑件注射成型过程进行模拟，对最佳浇口、填充、温度、气穴和熔接痕等进行分析，这样避免了可能出现的缺陷，缩短了设计周期，降低了生产成本，提高了生产效率。

4.1 网格划分

图3 模具装配图Fig.3 Schematic of the mold assembly

在进行分析之前，首先将UG中创建的三维实体模型导出为.igs格式的文件，然后用Moldflow软件导入该模型文件，再进行网格划分，网格划分的结果会影响到最终分析结果数据的准确性。网格划分结果如图4所示。

图4 网格划分Fig.4 Mesh generation

4.2 最佳浇口位置分布

合理选择浇口位置关系到模具进料平衡、充模时间、熔接痕位置等方面的因素，因此合理选择浇口位置是提高塑件成型品质的重要环节。Moldflow软件可以根据模型几何形状及相关材料参数、工艺参数分析出浇口最佳位置，根据分析结果设置浇口位置，可避免由于浇口位置不当可能引起的制件缺陷［6］。

从图5可看出，蓝色区域是最佳浇口位置。为了保证制件外表的美观，进料的平衡性及成型速度快的情况下，把浇口位置设置在制件蓝色区域即左侧中间。

图5 最佳浇口位置Fig.5 Best gate location

4.3 流动分析结果

流动分析结果包括充模时间、压力、温度、气穴和熔接痕等。对前盖的流动分析结果为：填充分析结果主要用于查看制件的填充是否平衡，是否完全填充等。可以根据动态的填充时间结果分析填充阶段的熔体流动是否合理。填充分析的最终目的是为了获得最佳浇注系统的设计［6］。

从图6可以看出，在浇口位置处（即蓝色区域）最早填充，远离浇口位置的制件（即红色区域）在0.5335s时被填充，总填充时间为0.5335s。被填充的塑件没有颜色缺陷部分，塑料完全充满了型腔，表明浇口位置设计合理。

图6 填充时间Fig.6 Filling time

图7显示了填充结束时的型腔及流道内的压力分布，此时进料口处的最大压力为69.34MPa，腔内最大压力为17.33MPa。型腔处较进料口处压力低，型腔处压力梯度分布比较均匀，没有出现滞流、溢料等品质缺陷。

图7 填充结束时的压力Fig.7 At the end of the filling pressure

熔体温度分布是分析熔体流动情况的重要指标，在熔体流动好的地方，温度一直保持在较高的水平，否则温度下降很快［7］。图8中料流前沿的最高温度为301.3℃，最低温度为196.2℃，最低温度大于冻结温度，所以制件可以充满。图中流体温度分布均匀，能保证制件各处都较均衡。

为了避免产生气穴，设计模具时，在容易产生气穴的位置开设专用的排气槽，保证排气良好［4］。如图9所示，制件可能产生气穴的地方都在制件的边缘，中间表面无任何缺陷，空气可以从分型面排出，可避免产生气穴，所以不需设计排气槽。

图8 料流前沿的温度Fig.8 The temperature of the flow front

图9 气穴Fig.9 Cavitation

在模具注塑时，制品经常有熔接痕，不仅影响产品外表的美观，而且产品的强度降低。经过Moldflow优化分析，熔接痕的出现就会减少，也会避免造成结构上的缺陷，降低了废品率，提高了制件的品质。从图10分析结果可看出制件没有大面积的熔接痕，所以表面品质不会受到影响。

图10 熔接痕Fig.10 Weld mark

5 结论

（1）运用UG对塑件及模具结构进行设计，使塑件的造型简单、建模过程更直观，加快了整个注塑模具的设计过程，缩短了设计周期；

（2）利用Moldflow对塑件的浇口位置、温度、气穴和熔接痕进行了模流分析，结果表明，前面的设计和计算结果是可行的，是符合设计要求，满足注塑模具的性能要的；

（3）根据模流分析结果可对前盖注塑模具的结构进行优化设计，大大缩短了模具的设计周期、降低了成本，并提高了设计质量。

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