香皂盒模具设计与开模温度的数值模拟分析

王万哲

(沈阳格劳博锂电设备技术有限公司，辽宁 沈阳 110004)

0 引 言

模具设计与注塑成型生产是一个复杂的过程[1]，模具设计中的浇注系统、脱模结构、冷却系统、脱模结构等是整个模具设计的要点，如果设计不当会导致生产的不顺畅或者停产，所以模具设计必须合理。注塑工艺中的开模温度是重要的工艺环节，开模时间短，易造成产品的尺寸缺陷或者不成型，如果开模时间过长则影响生产效率，进行了瞬态温度场的模拟计算，得到了合理的开模时间，为模具设计与注塑实际生产提供了理论基础。

1 皂盒模具设计要求

皂盒模具装配图如图1所示。本模具为两板式结构，一模四腔，分流道形状如图，流动比、流动面积比均为最佳状态。圆形分流道分布在分型面两侧，使流道截面积与周长的比值达0.25D形状效率最高，侧浇口在定模侧，浇口套流道锥度为4°，以防止注射溶体倒流。由于制品有缺口设计，所以分型面为空间曲面，采用刮料板脱模。动定模均采用水冷却，保障工作时模具温度适中，从而保障生产效率，定模采用直通式水冷却，动模采用型芯冷却，用隔板形成水道。拉料杆为球形拉料杆，可以保障分型时制品留在动模上，以便于刮料板将制品和流道凝料脱出。推件板6为共用导柱导套导向，推杆固定板不设导向以简化模具结构。

图1 皂盒模具装配图1.定位圈 2.浇口套 3.定模固定板 4.定模 5.型芯 6.推件板 7.型芯固定板 8.拉料杆 9.隔板 10.限位拉杆 11.底板12.O型圈 13.螺纹弯通14.螺纹直通 15.软管 16.内六角圆柱头螺钉 17.标准型弹簧垫圈 18.内六角圆柱头螺钉

2 温度场的模拟计算

开模温度是皂盒生产的重要工艺指标，如果开模时候温度过高，开模后皂盒容易翘曲变形，如果温度过低，就说明冷却时间过长，降低了生产效率[2]。通过有限元分析，得到合理的冷却时间，使得皂盒开模温度适当。

2.1 几何模型

如图1所示，皂盒模具是轴对称结构，为了增加计算速度，取1/4模型为研究对象，在边界上施加对称约束即可。采用国际长度单位制“m”建立皂盒模具的1/4几何模型，几何模型如图2所示，对模型进行了一定量的简化，比如用于连接的螺栓等将其省略，在不会影响整个温度场计算的同时，还可以增快计算速度。

图2 皂盒模具的几何模型

2.2 材料特性

温度场计算中模具钢和聚丙烯材料的参数有：比热c、材料密度ρ、导热系数k，具体数据见表1。

表1 温度场模拟计算的材料物理特性数据

2.3 网格处理

选用热分析单元PLANE55用于模型的网格划分，选取对应的材料特性组编号进行网格划分，网格划分如图3所示。

图3 网格划分图 图4 整体温度云图

2.4 施加约束和计算

(1) 根据多年的生产经验可以知道，注射模具在有循环水冷却的情况下工作，正常的工作温度是80 ℃，对模具加第一类边界条件为0 ℃。

(2) 根据聚丙烯材料性质可以知道，聚丙烯熔化注射最佳温度为230 ℃，所以对皂盒模型加载230 ℃。

打开自动时间步长，采用瞬态分析，时间为40 s。

2.5 查看结果

在通用后处理器POST1中[3-4]，可以得的整体温度场和皂盒温度场云图，见图4和图5，230 ℃的聚丙烯与皂盒模具经过40 s的热传递后，皂盒的大部分面积冷却到80 ℃，而最高温度113.163 ℃的面积很小，不影响开模，并且最高温度在圆弧处，这符合传热学规律。

图5 皂盒温度云图

3 结 语

详细讲解了皂盒模具结构设计要点，又利用有限元分析软件对皂盒的开模温度进行了数值模拟分析，在软件中进行了建模、网格划分、施加载荷和求解，得到了皂盒的温度云图，并对所得的云图进行了分析，确定了40 s的冷却时间设置是合理的。设计与温度场的分析，对实际生产具有极其重要的意义。