饮水机水位监测盖板的结构工艺及CAE分析

林伟健 张可

摘 要：本文以饮水机水位监测盖板为例，在分析产品塑件结构工艺、塑料性能的基础上，运用Moldflow软件对其进行模流分析，主要是对产品的填充、流动的过程和塑件在成型过程中存在的表面缺陷和变形情况进行了分析。通过分析，可以预知在成型过程中潜在的问题和产品可能产生的缺陷，为模具设计和成型过程提供最佳的工艺参数。采用该方法可以实现模具的优化设计，提高生产效率和产品质量。

关键词：CAE软件分析;水位监测;优化设计

塑料在模具内的流动过程是注塑成型工艺过程的重要环节，利用CAE软件可以模拟塑料熔体在模具里的流动状态，合理利用CAE软件对塑料制品进行前期模拟分析，可以分析出塑件的最佳浇口位置、塑料熔体流动过程中的温度计压力变化，可以有效预见塑料成型过程中可能产生的气穴、熔接痕等缺陷。目前，国内外应用最多的是Moldflow软件，该软件可以对注射成型过程中的模流进行分析，从而能够迅速修改设计方案，有效降低成本和縮短生产周期[1-2]。

本文以饮水机水位监测盖板为例，利用Moldflow软件对其进行模流分析，重点对充填、流动的过程和塑件在成型过程中存在的积风和变形情况进行了分析。根据分析结果，从而为模具设计和成型过程提供最佳的工艺参数。

1 产品的结构工艺分析

如图1所示为饮水机水位监测盖板三维数模，该产品位于饮水机的机器内部，在外观方面要求不高，塑件的最大轮廓为：67.7㎜×26.9㎜×16㎜，从产品模型图可以看出，塑件四周有4个方孔，方孔深度1.8㎜，使用强制脱模是行不通的，故采用侧向分型与抽芯机构来成型四周的方孔，此外，塑件中间有小凸台，可考虑采用小型芯成型的方法来完成，可以降低下模仁的加工难度和增加下模仁的使用寿命，一旦小型芯损坏，可以随时更换，并且能降低模仁的加工难度。

在脱模斜度方面，脱模斜度包括模具成型部分的型腔斜度和型芯的斜度。本产品的深度（塑件包裹型芯的长度）为6㎜，最长处有16㎜，为方便塑件脱模顺利，型腔的脱模斜度为1°;型芯的脱模斜度为30'。此外，产品壁厚均匀，其中，最小壁厚出为1mm。

2 产品的模流分析

2.1 产品数模网格划分及修复

通常，对产品网格划分的匹配率高于80%，甚至高于85%，模流分析的结果才够准确。本产品塑件在划分时给定系统的全局网格边长是0.7，合并公差0.1，并勾选了匹配网格，启用弦高控制等选项。此外，本产品网格划分完成进行网格统计后发现，纵横比部分区域高于7，匹配百分比为94.7%，相互百分比为96.8%，这两项指标不仅合格了，而且还达到了翘曲分析标准。

产品数模经修复后的网格质量良好，满足后续分析的要求。其中，最大纵横比达到了7，平均1.37，最小1.16。没有自由边、多重边、配向不正确单元、相交单元和完全重叠单元。且匹配百分比和相互百分比分别高达94.8%和96.9%。产品经网格修复后的有限元模型如图2所示。

2.2 产品浇注系统的分析

浇注系统作为模具设计中的一个重要的环节，对其进行分析是非常必要的，其设计的合理性将会直接影响塑件的整个质量。浇注系统的设计应考虑包括型腔中气体的排出、熔接痕的降低、短的浇注系统行程以较少废料和较少注射压力的压降以保证有足够的保压压力，然后还要考虑到流动比。如图3所示为产品在成型过程中的流动分析图，由图可知，在塑件的顶部最上方中间位置进料时流动阻力最小，也就是进料口放在这个位置熔融塑料可以更快的充满型腔。其次设计在塑件的中间两侧进料的流动阻力较小。

在此基础上对塑件进行浇口位置的匹配度分析，其结果如图4所示，在塑件的上表面和两侧面的中间一带的浇口匹配性最好，同时在塑件的反面中间位置的浇口匹配性也较好。如果把浇口位置放在塑件上表面的中间位置或是放在下表面的中间一带，将导致浇注系统很难布置，或者需要结构更复杂的双分型面模具才能取出凝料，所以不考虑把浇口位置放在塑件上表面的中间位置的这种方案。经综合考虑流动阻力分析结果和浇口匹配性分析结果，确定浇口位置放置在塑件的中间两旁的平面蓝色区域范围内。如此，浇注系统好布置，凝料容易脱出，再配合潜伏浇口，不会在产品上留下大的浇口痕迹。

2.3 冷却系统分析

冷却水路的水孔直径一般是根据所生产塑件的平均的壁厚值大小来确定的。水路直径的一般取值范围是8-14毫米直径的圆形管路，因为圆形管路对水流动的阻力值最小，但是考虑到直径越大，水形成湍流的可能性就越大，从而会降低水路中水与模仁之间的热交换。

考虑到冷却的均匀性以及塑件存在侧孔，方便了推出机构的设计，因此在塑件排位的最大轮廓处设计了2层直径为8循环式冷却水路，如图5所示。

由图6可知，回路的冷却液温度最高25.8℃，最低25℃，温差值在1℃内，冷却效果均匀。由上图7可知，单对于塑件来说，四个塑件达到顶出温度的时间几乎无差别，说明冷却均匀，并且就单对于塑件来说，达到顶出条件的时间仅为15.28 秒，符合ABS塑料制件的推件冷却时间15-30秒范围，冷却效果良好。

2.4 产品缺陷模拟分析

充填、流动分析为模拟塑料注射的全过程，预测塑件在模具型腔中的充填流动行为，通过充填、流动分析结果可以查看塑件的充填、流动行为是否合理。分析结果主要包括充填时间、温度等[3-4]，为模具设计中可能出现的变形、翘曲、熔接痕和气穴等取消进行分析，为后续的模具结构设计提供有价值的参考依据。

如图8所示，流动前沿温度的最低温度在所选塑料的熔融状态200-280℃温度范围内，因此熔融塑料可顺利充满整个型腔，不存在浇不足的情况，符合要求。由图9分析结果知，位于交口处的剪切速率大于允许最大的剪切速率120001/S，但浇口处塑料会在开模时被拉断，属于凝料范畴，不影响塑件本体质量，塑件本体的剪切速率均低于允许最大的剪切速率值，符合塑件质量要求。

如图10所示，顶出时的塑件最大收缩率为5.039%，收缩率大部分在2%，成型质量良好。符合ABS的收缩率，也符合塑件成型要求。在成型过程中有少量气穴。但在塑件的正面较少。多存在于塑件的底部突出部位。要选择在易产生气穴区域设排气槽或设置组合镶块来进行排气，防止在此区域产生气泡。

塑件上存在熔接线，熔接线的出现是不可避免的，并且溶接线还会在一定程度上影响塑件的外观，从图11可以看出，塑件局部产生熔接痕不是很严重，对于熔接线较为严重的区域，可以通过后续的工艺调整进行优化以尽量减少熔接线的出现。

3 小结

基于上述对产品的结构工艺性分析及末流分析，我们可以得出以下结论，供后续模具结构设计时提供参考：

（1）模具的浇口采用潜伏浇口，这样保证了本塑件的美观性，从模流分析的结果来说也是可行的。

（2）对于塑料制品在模具中的位置：产品的成型位置放在分型面上，在成型冷却后产品包紧在动模一侧的型芯上，开模时随着动模一起后退，当液压机的顶杆碰到推件板后，由模具的推出机构推出制件。

（3）冷却系统采用循环式，环绕塑料制品一周，看模流分析的结果，冷却效果符合实际要求。

（4）基于上述模流分析结果，为模具结构设计中的温度调节系统方案、浇注系统方案、为排气系统指提供了参考，模拟验证了各个方案设想的可行性，为后面注塑模结构优化设计打下了坚实的基础。

参考文献：

[1]傅建钢.基于Moldflow的车灯面罩成型过程模[J].汽车零部件，

2008（05）：77-79.

[2]王敬艳.基于Moldflow电器面壳注射成型设计与分析[J].CAD/CAM与制造业信息化，2012（12）：54-56.

[3]刘丹，钱应平，易国锋等.基于Moldflow的汽车后视镜座注塑模具优化设计[J].塑料，2014，43（05）：95-97.

[4]沈立.Moldflow在某塑件浇口设计中的应用[J].新技术新工艺，

2013（09）：23-25

作者简介：林伟健（1982-），男，广西藤县人，硕士，讲师，研究方向：模具技术。