電飯煲提手的模具設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化范文

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摘要：通過分析一種電飯煲提手塑料零件的結(jié)構(gòu)工藝性，利用NX12.0軟件設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，并根據(jù)HsCAE3D對模具澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的分析結(jié)果改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了注塑工藝的優(yōu)化，控制塑件的翹曲變形量絕大部分在0.1mm之內(nèi)，局部為0.16mm。

關(guān)鍵詞：模具設(shè)計(jì)；澆注系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)；翹曲變形

1引言

隨著CAD/CAE技術(shù)的發(fā)展，模具設(shè)計(jì)流程發(fā)生了很大的變化，從依靠設(shè)計(jì)者的主觀經(jīng)驗(yàn)分析轉(zhuǎn)變?yōu)榻柚鶦AD/CAE軟件進(jìn)行系統(tǒng)分析。在模具設(shè)計(jì)過程中，可以分析澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、脫模機(jī)構(gòu)、頂出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)干涉；在塑料注射工藝參數(shù)選擇過程中，可以對充模、冷卻、保壓進(jìn)行分析從而優(yōu)化注塑工藝[1]。許多大型CAD軟件都提供了模具設(shè)計(jì)模塊，如Siemens公司的NX12.0的MouldWaids；在注塑工藝分析過中，Autodesk公司的Moldflow被廣泛的應(yīng)用；華塑軟件研究中心的HsCAE3D軟件逐漸成熟[2]。通過CAE分析可以提高模具的設(shè)計(jì)、制造效率，提高設(shè)計(jì)制造質(zhì)量，減少試模修模時(shí)間，從而縮短從塑料產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、模具制造及產(chǎn)品注塑生產(chǎn)的整個周期。本文利用NX12.0的模具設(shè)計(jì)模塊MoldWizard和HsCAE3D完成一種電飯煲提手的模具設(shè)計(jì)，同時(shí)優(yōu)化了注塑成型工藝。

2塑料件的結(jié)構(gòu)工藝分析

圖1為一種電飯煲提手塑件的塑件產(chǎn)品圖。該塑件材料為聚丙烯，收縮率為1.5%。設(shè)計(jì)的原始數(shù)模為STP的格式的文件，可以導(dǎo)入NX，另存為STL格式的文件；把文件為STL格式的文件導(dǎo)入HsCAE3D軟件，利用其快速分析功能獲得如表1所示的塑件基本信息。尺寸精度為一般精度要求MT5級，故對應(yīng)模具相關(guān)零件的尺寸加工精度容易保證。塑件壁厚較均勻，2mm左右，最小壁厚0.4mm，符合最小壁厚原則[3]，塑件均為圓角過渡，結(jié)構(gòu)工藝性良好。表1中節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)為CAE網(wǎng)格文件的參數(shù)，滿足分析要求，如果不滿足可通過華塑網(wǎng)格管理器進(jìn)行修復(fù)。

3模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1成型零件的設(shè)計(jì)

塑件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。1是提手的開口位置，不可以直接脫模，需要向外的側(cè)向分型抽芯，選用斜導(dǎo)柱側(cè)向分型抽芯結(jié)構(gòu)；2和9為內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，同樣不可以直接脫模，需要向內(nèi)的滑塊結(jié)構(gòu)，選用方形彎銷抽芯機(jī)構(gòu)；3~5、7和8有多個靠破孔，直接通過前、后模具合模后成型；6為擦穿位，通過前后模具的側(cè)面合模后側(cè)面相靠成型。考慮模具加工的工藝性，圓孔位置都通過鑲件完成。圖3為模具成型零件的爆炸圖。

3.2澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

內(nèi)外四個滑塊四個方向抽芯，模具結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，同時(shí)根據(jù)用戶的注塑機(jī)注塑量，鎖模力的要求，選用1模1件，直澆口的形式。保證注射的相對平衡，主澆道偏離中心10mm。充型性可以通過HsCAE3D進(jìn)行分析，通過充型分析，可以得到如圖4所示（見封三）的模具前端填充零件的時(shí)間云圖，從圖中可以看出模具全部充滿需要1.22s，HsCAE3D可以動態(tài)仿真模具填充的全過程。圖5為填充過程中可能產(chǎn)生氣穴和熔接痕的位置，1為熔接痕的位置，2為可能產(chǎn)生氣穴的位置，為設(shè)計(jì)模具的排氣槽和溢流槽的位置提供了參考。

3.3模具的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從圖3可以看出參與直接成型的零件有6個，模具的前后模4個滑塊都需要設(shè)計(jì)冷卻水路，模具前模鑲件中也要布置冷卻水路。模具圓型鑲件的冷卻水路可以采用隔水板的形式。圖6中1、2為后模冷卻水路，3、6為外側(cè)滑塊冷卻水路，4、5為前模鑲中的冷卻水路（見封三）。冷卻水路的設(shè)計(jì)直接影響塑料零件的生產(chǎn)效率，同時(shí)冷卻水路布置的不合理，會對塑料充模過程有較大的影響，造成填充不滿，澆不足、溶接痕等缺陷。HsCAE3D可以分析冷卻介質(zhì)的溫度場變化如圖7（見封三），設(shè)計(jì)者根據(jù)冷卻介質(zhì)溫度場的變化，來修改冷卻水路的結(jié)構(gòu)及介質(zhì)的熱平衡參數(shù)。同時(shí)可以分析冷卻穩(wěn)態(tài)后的溫度場圖8（見封三），供設(shè)計(jì)頂出機(jī)構(gòu)作為參考。

4塑料零件翹曲變形分析和工藝優(yōu)化

塑料制品注塑成型過程中，塑料由粘流態(tài)、高彈態(tài)到玻璃態(tài)。這個過程粘流態(tài)的塑料必須高效的填充型腔。影響填充效果的工藝因素主要有溫度、壓力、剪切速度。塑料制品的材料一旦定，其注塑溫度和注塑壓力范圍可用通過查閱手冊確定范圍，如本塑件的材料為聚丙烯，手冊上推薦的最低溫度為220℃，最高溫度為250℃。注塑溫度影響塑料粘度變化，進(jìn)而影響塑料的填充能力。注射溫度低會造成填充不足，出現(xiàn)熔接痕，澆不足的缺陷。溫度過高則會出現(xiàn)飛邊、熔體破裂的缺陷。在沒有CAE軟件參與設(shè)計(jì)的情況下，工藝調(diào)整都是在模具加工后試模過程中完成的，而CAE軟件可以仿真不同時(shí)間塑料的流動狀態(tài)。通過模擬軟件調(diào)整相應(yīng)的工藝參數(shù)，軟件可以動態(tài)生成不同時(shí)間的溫度場、壓力場和剪切力場。根據(jù)剪切速度場的變化動態(tài)圖選擇溫度、壓力和剪切力。剪切速度相對變化范圍小的工藝參數(shù)作為優(yōu)化的推薦參數(shù)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證。圖9為填充0.14s后的工藝參數(shù)云圖（見封三）。塑料的注塑壓力、保壓時(shí)間、冷卻溫度場的分布都會影響塑料產(chǎn)品的變形程度，使塑料制品產(chǎn)生翹曲。生產(chǎn)實(shí)踐表明：適當(dāng)?shù)慕档晚敵鰷囟龋梢越档彤a(chǎn)生翹曲的幾率，但是冷卻時(shí)間過長會降低生產(chǎn)效率，同時(shí)也會產(chǎn)生脫模困難等問題。通過CAE軟件的仿真可以有效地解決這個問題。圖10為推出溫度和翹曲變形的關(guān)系，是在相同的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的情況下，通過改變真仿軟件中推出溫度參數(shù)獲得翹曲變化趨勢曲線。圖11為優(yōu)化后推出溫度為40℃，翹曲最大翹曲控制0.16mm。根據(jù)用戶對產(chǎn)品精度的要求可以平衡進(jìn)度和效率的關(guān)系。

5模具的動作過程

NX12.0的模具M(jìn)ouldWaids模塊，既可以高效的完成模具分模到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過程，又可以完成標(biāo)準(zhǔn)件的調(diào)用，還可以實(shí)現(xiàn)高效的出圖。圖12為最終模具設(shè)計(jì)結(jié)果，采用兩板模大水口方式，其動作過程為前模2和后模11分開，在斜導(dǎo)柱22、18的帶動下兩個外滑塊19、21向外運(yùn)動。由于塑料件的壁厚比較薄，結(jié)構(gòu)向?qū)?fù)雜，為了防止開模過程中撕裂塑件，采用順序脫模結(jié)構(gòu)，方形彎銷在兩個外滑塊脫模后再動作。即方形彎銷4、12帶動內(nèi)滑塊5、11實(shí)現(xiàn)內(nèi)滑塊脫模具。然后推出行程由推出限位塊20控制，這樣可以防止推桿組和外滑塊相撞；在復(fù)位桿上附加彈簧起到推出機(jī)構(gòu)先行復(fù)位的作用。本套模具的特點(diǎn)是：典型的哈夫模具結(jié)構(gòu)；帶有內(nèi)滑塊抽芯；順序脫模；冷卻水路復(fù)雜。通過加工試模具，本套模具開模順利、合模準(zhǔn)確，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，有較高的設(shè)計(jì)參考價(jià)值。

6結(jié)語

以一種電飯煲的提手零件為例，進(jìn)行了完整的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中充分地利用HsCAE軟件進(jìn)行充模分析、冷卻分析和翹曲分析，同時(shí)通過CAE軟件仿真頂出溫度對翹曲變形和冷卻時(shí)間的影響，同時(shí)給出了電飯煲提手模具完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決方案，對采用內(nèi)外同時(shí)抽芯脫模的哈夫模具結(jié)構(gòu)有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]關(guān)興舉，張海波.模具結(jié)構(gòu)對塑料制品翹曲變形影響的研究進(jìn)展[J].合成樹脂及塑料，2018（02）：94-97.

[2]華塑軟件研究中心.塑料注射模CAE教程[M].武漢：華中科技大學(xué)，2008：1-50．

[3]王敬艷.華塑CAE在塑料殼體模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與研究[J].塑料制造，2015（Z1）：71-76.

作者：關(guān)興舉 單位：吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與汽車技術(shù)學(xué)院