近年來，隨著模具工業(yè)的飛速發(fā)展，CAD/CAE/CAM技術(shù)逐漸應(yīng)用于模具工業(yè)，效果良好，受到企業(yè)的青睞。為滿足模具工業(yè)的專業(yè)性要求，軟件廠商針對各類模具的特點(diǎn)推出功能完善，操作簡便的CAD/CAE/CAM專用系統(tǒng)。而Moldflow軟件的應(yīng)用是注塑模具CAE分析最具代表性的軟件，它不僅能夠模擬分析熱塑性塑料熔體進(jìn)入模具的流動過程，而且可以對塑料的澆口位置、壓力分布、冷卻過程以及注射工藝條件等進(jìn)行模擬分析。找出可能出現(xiàn)的缺陷，提高一次試模成功率，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期。
1 塑件結(jié)構(gòu)分析
該產(chǎn)品為吹風(fēng)機(jī)的外殼，總體長度為180mm，寬度為90mm，高度為25mm。采用臺灣奇美公司生產(chǎn)的ABS塑料（丙烯腈．丁二烯一苯乙烯共聚物），成型收縮率為0.4%～0.7%，其綜合性能較好、沖擊強(qiáng)度較高、化學(xué)穩(wěn)定性、電性能良好。并可表面鍍鉻，噴漆處理，有高抗沖、高耐熱、阻燃性能，柔韌性好。適用于制作一般機(jī)械零件，減磨耐磨零件，傳動零件和電訊零件。其體積為29.519cm3，壁厚為2mm，其質(zhì)量為30.995g，在NX軟件中將吹風(fēng)機(jī)的外殼三維模型轉(zhuǎn)換成STL格式文件再導(dǎo)人Moldflow軟件，采用表面網(wǎng)格類型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長設(shè)為4mm，網(wǎng)格診斷后，修改網(wǎng)格縱橫比使其縱橫比均在10以內(nèi)，網(wǎng)格數(shù)為6078個，如圖1所示。網(wǎng)格劃分之后，對其進(jìn)行澆口位置分析，其最佳澆口位置如圖2框出的位置，其最大注塑壓力為144MPa。
圖1 模型網(wǎng)格
圖2 澆口位置分析
2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1注塑模具總體結(jié)構(gòu)的確定
塑件體積V=29.519cm3，密度p=1.05g/cm3，其質(zhì)量為m=30.995g，塑件的總體尺寸為小型，尺寸精度不高。為了提高生產(chǎn)效率，簡化模具結(jié)構(gòu)，降低模具生產(chǎn)成本，采用一模兩腔，成中心對稱的排列方式。
2.2注塑機(jī)選擇及參數(shù)確定
根據(jù)塑件體積和分析得到最大注塑壓力，初選海天注塑機(jī)SZI000/ZH，其理論注射量為145cm3，注塑壓力為176MPa，鎖模力為1000kN，移模行程為310mm，噴嘴球半徑為12mm，噴嘴半徑為4mm，拉桿內(nèi)間距為365mmx365mm。
模具型腔數(shù)校核：
n=(0.6G-C)/V
=(0.6×146-0.6x29.519)/29.519=2.35>2 (1)
其中，G-注塑機(jī)公稱注塑量，C-澆口和流道的總體積，V-單個制品體積。
鎖模力校核：
F=p(nA+B)=34.2×(2×10740+0.35×10740)
=863kN<900kN (2)
其中，F(xiàn)-分型面上的漲開力，p-型腔內(nèi)熔體的平均壓力，A-每個制品在分型面上的投影面積，B-流道和澆口在分型面上的投影面積。
根據(jù)計算結(jié)果，實(shí)際所需鎖模力小于注射機(jī)的名義鎖模力，符合實(shí)際要求。
2.3澆注系統(tǒng)設(shè)計
1)主流道尺寸，根據(jù)所選注塑機(jī)，其噴嘴半徑為4mm，則主流道最小端尺寸為：
d=注射機(jī)噴嘴直徑+(0.5～1)-5mm
為了便于將凝料從主流道中取出，將主流道設(shè)計成圓錐形，起斜度為1°，經(jīng)換算得主流道大端直徑Φ=7.8mm，根據(jù)模架定模固定板和型腔固定板的厚度，確定主流道總長為82mm。
2)分流道和澆口的設(shè)計，根據(jù)Moldflow的分析結(jié)果得澆口最佳位置，由于產(chǎn)品屬于殼類塑件，開模時需自動拉斷，所以選擇點(diǎn)澆口，直徑為2mm，斜度為15°。由于塑件表面需要光滑，所以澆口位置應(yīng)設(shè)在塑件的背面。而分流道選用圓形截面，直徑D=8cm，見圖3。
圖3 澆注系統(tǒng)
2.4冷卻系統(tǒng)設(shè)計
冷卻水道采用直流式，其加工簡單，成本低。冷卻水道分為上下兩層，每層到塑件的距離為30mm。由于在注塑過程中殼體半圓球部分和澆注流道部分溫度較高，需使水管靠近這些部分，提高冷卻效果。根據(jù)塑件尺寸，設(shè)定每層冷卻水管4根，每根管間距為45mm，從圖4的冷卻分析看進(jìn)水管和出水管溫差為1.03℃，在2℃以內(nèi)，不會造成冷卻不均的情況。
圖4 冷卻系統(tǒng)
3 注塑分析
3.1流動分析
圖5 注塑過程分析及排氣孔設(shè)計
從流動分析來看(圖5(a)、(b)畫圈部分），在注塑過程中圖存在氣穴和熔接痕，其主要原因是ABS材料吸濕較強(qiáng)，材料塑化時含有較多水分，導(dǎo)致成型時存在氣孔和熔接痕。其解決方法是材料在塑化之前需進(jìn)行一定的干燥處理4h，使水分含量在0.2%以內(nèi)。同時在模具設(shè)計時增加排氣系統(tǒng)設(shè)計，如圖7所示，減少氣孔和熔接痕。由圖可以看出氣穴和熔接痕出現(xiàn)的位置很接近，所以可在此位置設(shè)計頂出裝置，便于排氣。
3.2翹曲變形分析
翹曲是由收縮變化過大引起的制件缺陷，一般情況下，導(dǎo)致收縮變化過大的原因有3條：不同區(qū)域的收縮不均勻、冷卻不均勻和分子不均勻，如圖6所示。從分析結(jié)果看，其翹曲變形的最大值為0.17mm，其中由于冷卻引起的變形很小為3x10-4mm，由于收縮產(chǎn)生的變形為0.17mm．因此是收縮時引起翹曲的主要原因。對于該塑件公差等級為3級，其X方向尺寸公差為0.3mm，Y方向尺寸公差為0.5mm，從分析結(jié)果看，設(shè)計滿足要求。
圖6 翹曲變形
3.3收縮分析
從模具溫度圖可以看出，注塑過程中模具溫度分布較為均勻，主要在40～60℃之間，滿足材料對模具溫度的要求。從其體積收縮率來看，收縮率在-1.505%～1.882%之間，超出了材料允許的最大收縮率0.7%，收縮率較大的地方集中在澆口周圍和塑件末端區(qū)域，如圖7所示。
塑件的收縮率在很大程度上取決于熔體的補(bǔ)償能力，而熔體的補(bǔ)償能力取決于保壓壓力的大小，以及在該壓力下將熔體繼續(xù)向模內(nèi)傳遞的保壓時間，這一過程要持續(xù)到澆口凝固并封閉為止。保壓壓力大，保壓時間長，則塑件的收縮率就小。因此保壓壓力與保壓時間對塑件的收縮率起著非常重要的作用。
圖7 體積收縮率
圖8 保壓壓力與保壓時間曲線圖
保壓壓力與保壓時間對塑件收縮率的影響如圖8所示。按照收縮部位調(diào)整保壓壓力和保壓時間，可分為3種情況。
1)如果調(diào)整塑件末端區(qū)域收縮量，壓力可作如圖8(a)所示的變化。縮短恒定壓力作用的時間，塑件末端收縮量增大；加長恒定壓力作用的時間，塑料件末端收縮量減小。
2)如果調(diào)整澆口附近的收縮量，對壓力可作如圖8(b)所示的調(diào)整。壓力衰減速度變慢，降低澆口附近的收縮量；衰減速度變快，增大澆口附近的收縮量。
3)如果調(diào)整塑件中間區(qū)域的收縮量，壓力調(diào)整如圖8(c)所示。把壓力的衰減過程分為兩段，如果調(diào)整壓力為圖中增加位置，則降低塑件中間區(qū)域的收縮量；如果調(diào)整壓力為圖中減少位置，則增加塑件中間區(qū)域的收縮量。
實(shí)際上，每一次調(diào)整工藝參數(shù)都會影響其它還未冷凝的區(qū)域，只是影響程度相對小一些。一般應(yīng)先調(diào)整塑料件末端區(qū)域的收縮量，如果有必要，再調(diào)整澆口附近區(qū)域，最后調(diào)整中間區(qū)域。
文中收縮率較大的地方在澆口周圍和塑件末端，塑件末端收縮率需要調(diào)小，而澆口附近的收縮率需要調(diào)大，經(jīng)過數(shù)次模擬仿真之后，得出其保壓曲線如圖9，其體積收縮率為0.048%～0.6986%。如圖10所示，符合塑件要求。
圖9 改進(jìn)后的保壓曲線
圖10 優(yōu)化后的體積收縮率
4 結(jié)束語
利用各種成熟CAD、CAE軟件的優(yōu)勢，在設(shè)計前把產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計、試驗(yàn)綜合全面考慮，大大減少因設(shè)計不合理而造成的時間延誤，增加設(shè)計的可信度，達(dá)到避免設(shè)計缺陷，縮短開發(fā)周期的目的。這里注射成型工藝分析過程和應(yīng)用研究是一個涉及較多工藝參數(shù)的應(yīng)用性科研課題，其中對某些參數(shù)的研究和認(rèn)識難免存在一定的誤區(qū)和不足，對許多工藝相關(guān)性方面還有待于做進(jìn)一步的研究和探索。
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本文標(biāo)題：基于NX和Master CAM的LCD盒注塑模具設(shè)計與加工
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