基于CAD/CAE技术辅助塑胶产品模具优化设计①

何 靓，林 权，陈 杰，吴雄飞，邓小明，陈桂梅

(1.武夷学院机电工程学院;2.武夷学院生态与资源工程学院，福建 武夷山 354300)

近年来随着计算机技术的不断发展壮大，许多国家在塑胶模具设计与制造生产上开始重视CAD/CAE技术，而我国在该领域应用还缺乏广度。塑胶产品在现代生活中应用越来越多，但是在实际工业注塑生产中，塑胶产品常出现很多问题，如熔接线、体积收缩、翘曲变形、空穴等。虽然注射成型缺陷可以通过注塑工艺参数在试模时略为调整，但消除这些缺陷有一定的难度，且影响注塑参数的因素很多，且它们之间没有特定的关联性，有的是相依存在，有的是互相冲突，以往仅通过试模和调机是很难保证质量，无法顺利确定设计参数到最佳状况。［1－3］为了降低模具制造成本，节省修模及试模的时间，也能够更精确的掌握产品的开发时程，在此以鼠标塑胶产品注塑模为例，提出基于CAD/CAE技术，结合正交实验法利用Moldflow软件的模流分析能力，进行成型工艺参数优化设计，使各成型参数彼此之间的交换、妥协得到最优解，获取产品成型特性再进行模具结构优化设计，不仅可以给企业生产带来效率，还可降低成本，提高产品质量及竞争力。

1 产品造型和材料分析

基于人体工程学，利用Pro/E绘制塑胶鼠标产品实体三维图，如图1所示，一模两穴，一底一面。

图1 塑件Pro/E模型

为了让实体图能导入模流分析软件MOLDFLOW中，将通过运用CAD强大的模型转化功能，把实体图转化为STL文件格式，再进入模流分析软件进行网格实体化。［4］鼠标产品整体尺寸为104*60*32mm(长*宽*高)，外壳厚度为1.5mm，肋板平均厚度为0.8－1mm，底盖厚度为1.5mm，肋的平均厚度为0.8－1mm。根据鼠标产品整体的外观需要，外壳面轮廓由三个曲面构成，各个表面为流线形弧面，造型简约大方，各表面之间采用曲面过渡，且表面要求光滑精致，无任何熔痕，无顶出痕迹。此外为了安装需要，内部设有安装卡扣和装配孔，分别与底盖作用配合，此装配面无特殊质量要求，另为了改善成型流动性和脱模需要，还在产品的拐角处设置了圆角。产品使用的塑料为Dow Chemicals USA公司生产Styron686 E的PS，此材料经加热后，因黏度适中，不需要高温高压才能成形，其特色为容易加工、可利用混练增进耐冲击强度、抗磿蚀性佳、亮丽的外观，材料性质安定，其物理特性如表1所示。

表1 Styron686 E PS材料性质

2 流动成型数值模拟分析

由于塑料材质本身会产生收缩、翘曲，在使用CAD(Pro/E)软件绘制成外型后，若能继续以CAE软件 (Moldflow)分析，便能实时发现错误并回至CAD做修正，而且CAE模流分析结果具有相当高的准确性，［5］再联系实际生产经验，将大幅提高模流分析的可信度，因此结合CAD与CAE技术就显得尤为重要。在此把鼠标产品PROE三维模型导入Moldflow6.1中，通过网格建立与修改、最佳浇注口位置分析、浇注系统设计、冷却系统设计等，最后创建的数值分析模型如图2所示。

图2 数值模拟分析

Moldflow在注射成型分析的形式有Fill、Flow 、Cool、Warp、Stress等，可依实际需求选取不同的分析组合，对于注塑工艺参数的设定，有模具温度、熔体温度、注射速度、冷却时间、保压压力及保压时间等。［5］通过模流分析可获得各种分析结果，如流动情形、速度场、温度场、压力场、壁面剪应力、剪切率、气孔位置、体积收缩率等，如再利用这些信息结合田口正交优化算法，可减少实际试模的成本与时间的浪费。由于本产品的翘曲对使用性能影响尤为重要，因此选取充填、保压、冷却和翘曲分析进行数值模拟，并选定产品的整体方向的翘曲量为质量特性指标，越小代表质量越好，望小特性作为此质量的计量法。由于影响塑料产品翘曲量的成型参数众多而且复杂，主要有模具温度、熔胶温度、冷却时间、充填压力、保压时间以及保压压力，为了寻求一组可使质量达到最佳的成型参数，本研究采用Moldflow软件内建数据库与Dow Chemicals USA公司所提供的建议值来选取，如模具温度(℃)50，60，70，熔胶温度 (℃)255，260，265，冷却时间 (sec)20，21，22，充填压力 (Mpa)40，50，60，保压时间 (sec)7，8，9，保压压力(Mpa)30，35，40。因为本研究选择的控制因子有六个，为六因素三水平试验，因此最合适的正交表为 L18(21×37)，［6］通过 Moldflow 模拟分析后所得数据如表2所示。

表2 翘曲变形直观分析表

从表2中可知，当模具温度60℃，熔胶温度260℃，冷却时间22sec，充填压力60Mpa，保压时间7sec，保压压力30Mpa时，鼠标产品的翘曲量最大，整体翘曲量分布最大为0.2780mm。而L14为最佳参数组合，当模具温度60℃，熔胶温度265℃，冷却时间20 sec，充填压力50Mpa，保压时间7sec，保压压力40Mpa时，鼠标产品的翘曲量最小，整体翘曲量分布最大为0.2540mm，跟其他的参数相比整体翘曲量有着明显减少。图3为综合因素影响下的鼠标产品翘曲总变形量，从图中可知红色部分为整体翘曲量最高地方，蓝色部分为整体翘曲量最低地方，产品整体翘曲量最高皆集中在鼠标后端边缘位置，所占比例很小，大部分的翘起量不超过0.1mm，符合产品质量要求。

图3 综合因素影响下的翘曲总变形

图4 为充填时间对产品的影响分布，从图中可知PS塑料材料在最佳成型参数下充填时间为0.793秒。充填先后顺序用颜色表示，颜色范围是由蓝到红，蓝色区域表明注射开始，红色区域表明充填已经填满状态，如果注射材料未充填完全的状况下，产品显现颜色的部份，将出现半透明颜色状态。一般情况下，为了能够批量生产产品，希望填充时间越短越好，但相对而言填充压力也会提高，容易造成压力分布不均，以及产生翘曲变形，甚至产生熔接线、产品不扎实、密度差等问题，反之填充时间过长就会有迟滞现象发生。从产品模流分析结果来看，大半部以上的区域在0.6秒充填完成，只有边缘地带需要近0.8秒才能顺利充填完成，与多数小塑胶产品生产时间分布规律类似，可见模流分析结果可信度高。

图4 注射充填时间分布

图5 为产品注塑成型过程中气穴分布，由于塑料材料充填型腔时，原本存在模腔里的空气受到排挤压缩，若没有即时地排除，会造成压力集中导致表面凹陷或者气穴形成。由以往成型经验告诉得知，在模具结构中是可以采用设计排气零件、配合间隙以及排气孔等措施进行排气，进而优化气穴分布。针对本产品，从图5可以看出，在最佳注射成型参数控制下，产品的气穴数量并不多，主要分布在最后的填充部位，大致集中在产品内衬柱脚处以及产品毛边处，而这些地方恰好是配合件所在，如型腔型芯配合处、斜顶与型芯配合处、顶杆推出机构处，有足够的配合间隙可以让多余的压缩气体顺利排出，另外再加强对塑料原料颗粒生产前干燥除湿处理，亦能帮助减少气穴产生，提升了开模后产品的美观。

图5 调试后气穴分布

3 基于CAD/CAE技术进行模具结构设计

注塑模具设计分模面的选取是非常重要的，设计分模面时除了要考虑模具结构外，还必须考虑模具的安装与修配需求，如果分模面位置选取不当，有时候造成的成型问题是无法解决的。产品鼠标是封闭的壳体塑件，其尺寸比较小，采用一模两腔布局，在其内部两侧分布着装配用的卡扣，且卡扣朝向不同，为了能卡扣能顺利脱模，就需要设计内侧抽芯机构来完成卡扣分型，一般设计者都会优先采用行程较短的侧滑块抽芯分型机构，但对于本产品，鼠标外壳和底盖都有装配卡扣，若采用侧滑块抽芯机构无疑增加了模具的复杂程度，且侧型芯侧移联动机构不好设计，在此为了降低模具制造成本，避免复杂结构，采用斜顶抽芯分型机构，如图6所示。斜顶顶出是通过沿开模方向垂直顶出产生斜向运动的顶块，在顶出过程中倒扣部分让位松开，从而实现塑件从模具上脱离取出。斜顶顶出方案对塑件卡扣无损伤，当顶出足够距离后，塑件实现没有阻力状态的顺利脱模，对卡扣组装性能不会有任何影响，斜顶顶出后主要靠斜顶加弹簧进行先复位，此设计方案使模具结构简单，加工方便。

但该结构也有缺点，首先斜顶与公模仁之间的间隙配合在注塑成型压力作用下有可能产生飞边，但是这飞边不影响卡扣的使用，且在制品内部也不影响美观;其次产品在成型过程中定动模板主要靠四支导柱的定位，当模座较大时，导柱的公差也会随之增大，定位的效果也会较差，如果注射压力较大，稍微一点偏移就会造成壁厚不均，且公母模仁配合间隙会产品产生飞边，从而影响产品质量，增加去除飞边的工序和劳动力成本，因此增加一段斜角面 (约5度)，如图6中方框标记处所示，为本产品模具的特色之处，让公母模仁闭合时可以借着这个斜面靠紧，以抵抗侧向力，保证产品的质量。最后基于CAD/CAE分析基础上，模具选择模架为二板式，图7为总体模具结构。

图6 分型面与成型结构

图7 模具总体结构

4 结束语

根据前面的分析结果，对鼠标注塑模进行加工制造，并采用正交试验法获取的最佳工艺参数:模具温度60℃，熔胶温度265℃，冷却时间20sec，充填压力50Mpa，保压时间7sec，保压压力40Mpa进行试模，试制产品如图8所示。

图8 试制鼠标产品

通过对产品实验结果进行检验，表明塑件成型质量满足要求，且生产中模具动作灵活可靠。现代注塑模具设计技术正朝着数字化方向发展，在此通过运用CAD/CAE技术，对鼠标产品的设计制造成型生产，深刻体验到了CAD/CAE技术对优化注塑成型工艺条件、注塑模具的结构优化设计、保证成型质量起到了不可替代的重要作用，且通过实践证明该方案可行，而且缩短了产品的开发周期，大大降低了模具的设计和制造成本。

［1］杨军，张汝英，景晓阳，等.开酒器透明支架注塑成型工艺及模具设计［J］.塑料科技，2014，(1):110－112

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