基于Pro/Engineer的模具浇注成型系统的仿真分析与优化

刘 祺

（吉林大学 机械科学与工程学院，吉林 长春 130025）

随着我国装备制造业的高速发展，对工业产品设计、成型、加工等提出了更高的要求.而塑料工业在机械、电子、航空航天、家用电器、通信等许多领域的需求量也在逐年增加，[1]并且受到越来越广泛的重视和应用.模具成型在塑料制品行业中占据较大比重，据统计，[2]60%～80%的塑料制品都要依靠模具成型，因为采用模具生产具有高生产率、高精度、高一致性、高复杂程度和低消耗等优点，因此，优化塑料模具成型对工业合理设计、生产制造具有重要的理论指导意义和应用价值.

塑料制品工序主要包括塑料制品设计、模具结构设计、模具加工制造和模塑生产等几个方面，在实际生产中需要产品设计师、模具设计师、模具加工工艺师及熟练操作工人协同努力来完成，同时，也是一个设计、修改、再设计的反复优化的过程.目前大多数设计人员主要是依据自己的经验进行模具设计.但由于塑料制品的多样性、复杂性和设计人员经验的局限性，[4]长期以来，工程技术人员很难精确地设计出一套可以减少成本、节省时间、提高产品质量及合格率的最佳工艺方案.

专业模具软件的应用使模具设计、制造精度、制品成型水平得到了很大提高，主要包括模具三维设计、注塑成形模拟、抽芯脱模机构设计.[4]国外注塑模具制造业具有高度集成化、智能化、柔性化和网络化特征，大大提高产品质量及生产效率，模具标准化程度达到70%～80%，[5-6]大大缩短塑料模具设计、塑料产品制造周期，降低生产成本，最大限度地提高模具制造业的应变能力满足用户需求.

而塑料注塑成型中的缺陷常有溢料、欠注、熔接痕、凹陷及缩痕、气穴、翘曲及扭曲、裂纹等.[7]我国传统的注塑模具设计主要依靠设计者的经验和直觉，缺乏科学依据，很难保证模具设计的科学性，且生产周期较长成本也较高.

本文针对塑料注塑成型过程中的关键问题，以计算机键盘作为研究对象，基于具有单一数据库功能Pro/Engineer专业工程软件，利用流变学理论对塑料装饰件进行科学的分析，对键盘进行设计、分析，实现了产品造型系统化、参数化，从而得到最优的设计方案，为工业应用提供一定的理论基础.

1 塑料件的结构及工艺分析

1.1 塑料成型件结构分析

图1所示为笔记本键盘的结构示意图，该塑件具有平薄、多孔特征，塑件最大厚度为10mm，平均厚度为5.5mm，每个排键与键的间距相等，键与键的间距也相等.成型零件要求尺寸稳定性好，具有一定的耐磨性、化学稳定性好、外形美观、规整，能达到整机装配的要求，成型零件的表面无明显流纹、凹陷、气泡等不良现象.该塑料件装配在笔记本电脑的表面，对表面美观有很高的要求，设计时应注意对外边面的处理，这些要求给模具的分析、设计及制造带来了一定的难度.

图1 笔记本电脑键盘示意图

1.2 塑料成型件工艺分析

塑件材料采用ABS树脂，大批量生产.ABS塑料一般不透明还具有一定的耐磨性、耐寒性和耐水性以及化学稳定性.其密度为1.06g/cm3，收缩率：0.4～0.7，预热温度：80～85℃，预热时间：2～3h，料筒温度：后段150～170℃，中段180～190℃，前段 200～210℃，喷嘴温度：180～190℃，模具温度：50～70℃，注射压力：60～100MPa，吸水率：0.2%～0.8%，容易吸湿，成型前应进行充分的干燥，干燥至水分含量小于0.2%.冲击强度：186～330J/m，拉伸强度：34～49MPa，洛氏硬度：62～118HRC，伸长率 20%～40%，弯曲强度：59～78MPa.

2 塑料熔体流动机理理论

流体在管道内流动时，呈现出层流和湍流两种不同的流动状态.层流特征是流体的质点沿着平行于流道轴向的方向相对运动，与边壁等距的液层以同一速度向前移动，所有质点的流线均相互平行.湍流特征是流体的质点除向前运动外，还在主流道的横向上作不规则的任意运动.

在注塑成型中，塑料由固态经加热变为液态，又从液态经过冷却变为固态，这个过程始终伴随着能量的交换，能量守恒方程为：[8-9]

塑料熔体的流动过程，除了粘性流动外，还伴随着弹性变形及一系列松弛现象，仅用以上的守恒定律不足以确定其流动和变形，还必须找出应力和应变的本构方程.

流体的一些性质是位置和时间的函数.连续性方程用来表示因流量的变化引起的流体内某个点上瞬时密度的改变.其形式如下：

为模拟注射成型过程，要建立材料的状态方程，其形式如下：

式中：R为气体常数，T为流体温度，W为流体压力，p*为Cohesion压力，b*为分子的固有体积.

3 浇注系统优化设计分析

3.1 主流道的设计

主流道通常位于模具中心塑料熔体的入口处，它将注射机喷嘴射出的熔体导入型腔中.其主要的形状为圆锥形，以便于熔体的流动和开模使主流道凝料顺利拔出.

3.2 最佳浇口分析

浇口是连接流道与型腔之间的一段通道，它是浇注系统的关键部位，浇口的位置对塑件的质量具有很大的影响.浇口的形状、位置和尺寸对塑料件的质量影响较大.浇口太大，造成注射速度损伤严重，熔体温度下降，制品可能产生明显的熔接痕和表面云集现象，成型后浇口痕会影响外观，浇口凝固时间也会延长，且不易除去.为了避免这些缺陷，选择直接浇口，浇口截面取为圆形.

浇口位置是注塑模具的最重要的设计环节，一般要根据经验来选择，并且通过样机不断调试和修正，这样大大增加设计成本和生产周期.本文以浇口成型试件在中心位置、左侧位置和全局位置作为研究点，分别对注塑可信度、产生气泡、沉痕、裂痕和填充速度进行仿真分析研究.

图2 注塑成型中可信度分析

图3 汽泡数量分析比较图

图4 沉痕比较分析图

图5 裂痕分析比较图

图6 物料填充时间分析对比图

图2是不同浇注口位置成型件的可信度分析对比图，从图中可以看出，改变浇注口的位置，成型件的可信度都比较高，所以无法优化注塑成型设计.从图3中的成型件所产生气泡数量对比分析图可以看出，左侧浇口产生的气泡少，而中心浇口和全局浇口所产生的气泡数量相差不大.图4给出了不同浇口沉痕分析比较图，并且得到熔接痕的具体位置，这将引导在模具设计时，要尽量消除熔接痕，从图中可以进一步看出，中心浇口与左侧浇口在四周产生的沉痕量比较多，而全局浇口产生的沉痕最少.

塑料成型件经过高压注射，使得物料向模具型腔流动，注射完成进行保压冷却，但是在塑件成型以后，会产生应力集中，从而导致塑件在冷却过程中出现严重的裂痕，严重影响成型件的质量，图5分析了三种浇口时成型件产生裂痕情况，由图中对比可以看出，全局浇口方案的浇注使得成型件产生的裂痕最少，但是为了进一步提高成型件的质量，需要对浇注压力、浇注温度等参数进一步优化.

在注塑的填充阶段，必须控制好对融料的注射速度以使注塑件达到产品的最佳性能.在产品壁厚和塑料特性允许的情况下，应用较快的注射速度.通常来说薄壁注塑件需要快的速度以确保填充饱满，而厚壁件则需要慢的注塑速度以防止空穴的形成，但是过快的注射速度易使原料过热，融料在流动的过程内产生很大的剪切应力，融料结合型腔难排除空气，甚至产生燃烧而碳化变黑，而注射速度过低产品会出现填充不满等缺陷.图6分析了不同进浇口的填充时间，由图中可以看出，选择左侧浇口使得右侧大面积无法浇注成型，中心浇口和全局浇口所用浇注时间较短，并且全局浇注质量较好.

综上所述，左侧浇口在控制气泡上比较有优势，但在沉痕和裂痕方面有很大的缺陷，将影响塑料件的表面美观.采用全局浇口时，各个方面参数表现最优，所以选择全局浇口方案进行塑件的成型浇注.

4 结 论

我国的注塑模具设计与制造技术正朝着数字化方向发展，国内外一些通用或专用软件特别是模具成型零件方面的软件都得到了比较普遍的应用.本文以笔记本键盘的成型浇注系统为分析对象，通过运用PRO/Engineer专业软件对成型件不同浇口位置的可信度、产生气泡、沉痕、裂痕和填充速度进行仿真分析研究，进一步优化了模具设计，指出了在塑件成型过程中出现的可能缺陷，为模具设计提供有力的理论指导，具有一定的工程应用价值.

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