垫圈簧片的CAE分析与注塑模设计

邹光明，张宝祥，丁 博，邓如应，王兴东

（武汉科技大学 机械自动化学院，武汉 430081）

垫圈簧片的CAE分析与注塑模设计

邹光明，张宝祥，丁 博，邓如应，王兴东

（武汉科技大学 机械自动化学院，武汉 430081）

对垫圈簧片的结构工艺进行了分析，选择了塑件分型面，完成了模具的浇注系统、成型零部件、结构零部件和脱模机构的设计。针对两种可能的浇口位置布置方案，利用CAE软件对两种设计方案从熔合纹、温度场、压力场和剪切力场等方面进行了对比分析，确定了浇口的较佳布置方案。该模具结构紧凑，功能结构完善，能满足生产需要。

注塑模；垫圈簧片；CAE分析；浇口布置

0 引言

注塑成型是塑料加工的重要成型方法之一，但是在注塑生产过程中塑料产品经常会出现一些缺陷，因此，注射成型CAE分析对优化产品结构、模具结构及注射成型工艺具有非常重要的指导作用[1,2]。通过CAE模拟分析，可以预测不同的分流道形状及浇口形状、位置和数目对塑件成型质量的影响[3]，因此改变了依靠直觉和经验反复试模、修模的传统设计方法，提高塑件成型质量，缩短模具开发周期。本文通过CAE模拟分析垫圈簧片的成型过程，指导浇口位置及布置形式的设计，并在此基础上设计模具结构，该模具可用于完成垫圈簧片的生产，并提高劳动生产率。

1 塑件结构及工艺性分析

垫圈簧片的材料为聚甲醛（POM），外观是不透明或半透明的粉料或粒料。POM流动性中等，且有较高的收缩率，可达2%～3.5%[4]。塑件的主要结构和尺寸如图1所示。

此塑件选未注公差尺寸MT6级精度，查文献[5]得各主要尺寸及其公差（单位mm）如下：

该塑件要求表面无凹坑、分型面处无毛刺缺陷和孔处不出现锐边，故比较容易实现。塑件的壁厚为1mm，塑件整体尺寸较小，可不必设计脱模斜度。在塑件所有孔的转角处都应采用圆弧过渡，避免塑件在加工与使用过程中发生应力集中。计算得塑件的体积V1为1.19cm3，浇注系统的凝料根据经验按照塑件体积的0.3倍来估算，查文献[4]初步选定注射机型号SZ-25/20卧式注射机。

图1 垫圈簧片结构图

2 分型面的选择和浇注系统的设计

2.1 型腔数目及分型面的确定

根据塑件质量要求，复杂塑件一般都采用单型腔注射模，生产中如果交货期允许，单型腔模是最经济的方案，本模具确定使用一模一腔的设计方案。分型面位置应开设在塑件截面尺寸最大的部位，便于脱模和加工型腔，本塑件分型面如图2中A-A面。

图2 塑件分型面

2.2 浇注系统的设计

主流道一般单独设计成可拆卸更换的浇口套。分流道开设在模板上，考虑到加工工艺性，选择分流道截面形状为梯形，梯形上底为B，高为H。由文献[5]得梯形截面的当量直径D=3.2～9.5mm，这里取D=8mm，则B=1.307.D=5.23mm，H=0.817.D=3.48mm，侧面斜度α=5º～10º，这里α 取6º。

本模具采用单型腔多限制性浇口的设计方案，浇口位置和数目的确定详见下一节。本模具采用倒锥形冷料穴，并采用带球形头拉料杆。

3 塑件成型CAE分析

通过分析塑件的结构形式，成型本塑件浇口位置的布置拟通过分析图3所示的方案一与方案二两种形式来确定浇口的布置位置。这两种方案的浇口形式均为4个点浇口，除浇口位置不同外，其余参数均相同。运用华塑CAE软件对浇口布置的两种方案从熔合纹、温度场、压力场和剪切力场等方面进行分析，通过比较两方案来确定较佳的浇口位置。

图3 浇口位置方案

1）熔合纹分析

熔合纹分析结果如图4所示，从图中分析可知，方案一和方案二中熔合纹的位置基本上处于塑件的对称轴线上，整个熔合纹分布比较平衡，对塑件的使用性能影响不是很大。所以，方案一与方案二分析结果相近，均能满足要求。

2）温度场分析

温度场分析结果如图5所示，从图中分析可知，方案二塑件的温度分布明显比方案一均匀，而且温差不大，不会出现因温差大而产生翘曲变形的现象。所以，从温度场分析结果可知方案二的浇口设计要优于方案一的设计。

图4 熔合纹计算结果

图5 温度场计算结果

3）压力场分析

压力场分析结果图6所示，从图中分析可知，在方案二中，塑件的压力差接近相等，压力分布比方案一均衡，减小了塑件产生翘曲变形的可能性。所以，从压力场分析结果可知方案二的浇口设计要优于方案一的设计。

图6 压力场计算结果

4）剪切力场分析

剪切力场分析结果如图7所示，从图中分析可知，方案二剪切力场的分布比方案一剪切力场的分布要均衡。所以，方案二中的剪切力场分布优于方案一中的剪切力场分布。

通过以上对两种浇口位置布置形式的分析，综合评价得到浇口位置的设计采用方案二更为合理。

4 模具结构设计

4.1 成型零部件工作尺寸计算

凸模、凹模组成的模腔工作尺寸计算方法有平均收缩率法和公差带法两种。本设计采用平均收缩率法进行模腔工作尺寸的计算。POM的平均收缩率Scp为2.75%，通过平均收缩率计算方法得成型零部件各主要工作尺寸，其计算结果如表1所示。

4.2 结构零部件的设计

考虑模具型腔布局及相互位置尺寸，再根据成型零件尺寸结合标准模架，选用结构形式为A1型的模架，查文献[6]选取模架尺寸规格为125mm×160mm×172mm的标准模架。

图7 剪切力场计算结果

表1 成型零部件各主要工作尺寸

支承与固定零件主要用来安装固定或支承成型零部件及其他结构的零部件，包括动模座板、定模座板、固定板和支承板等，其中动模板三维图如图8所示。

图8 动模板

导向机构采用直导柱和直导套的形式。

4.3 模具结构

对模具各部分结构设计后，又对注射机相关工艺参数如最大注射量、锁模力、模具厚度和开模行程进行了校核，均符合注射机的要求。通过以上设计得到模具结构，其三维图如图9所示。

图9 模具三维图

5 结论

本文完成了垫圈簧片的工艺性分析、注射机的选型、分型面的选择、浇注系统设计和模具零部件等设计工作。特别运用CAE软件对浇注系统进行了分析，分析结果可以有效地判断浇口位置的布置是否合理，并预测填充过程中可能产生的缺陷。通过对浇口位置两种不同设计方案的比较分析，确定了浇口布置的较佳设计方案。该模具结构紧凑，能满足生产要求。

[1] Lei Xie,Gerhard Ziegmann.Effect of gate dimension on micro injection molded weld line strength with polypropylene (PP) and high-density polyethylene(HDPE).The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2010,48：71-81.

[2] 周建华,赵亦兵,袁根福.基于数值模拟的光盘片架注塑成型浇口位置优化与模具设计[J].塑料工业,2012,40(10)：62-65.

[3] 吴梦陵,孙迪,张珑.注射模浇注系统对成型工艺和塑件质量影响研究[J].塑料工业,2011,39(8)：65-68.

[4] 邓明.实用模具设计简明手册[M].机械工业出版社,2006.

[5] 俞芙芳.塑料成型工艺与模具设计[M].清华大学出版社,2011.

[6] 李德群,唐志玉.中国模具工程大典（第3卷）：塑料与橡胶模具设计[M].电子工业出版社,2007.

The CAE analysis of spring washer and the design of injection mould

ZOU Guang-ming, ZHANG Bao-xiang, DING Bo, DENG Ru-ying, WANG Xing-dong

TQ320.66

A

1009-0134(2014)05(下)-0104-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).29

2013-12-10

邹光明（1970 -），男，湖北仙桃人，博士，副教授，主要研究方向为计算机辅助工程、模具设计和概念设计等。