王敬艳
（长春职业技术学院，吉林长春，130033）
摘 要：本文主要研究在注射成型过程利用华塑CAE软件进行设计分析，通过典型案例的应用，尝试找出塑料模具设计和分析的最佳方案。
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关键词 ：华塑CAE，模具设计，注射成型，壳体
1 前言
塑料作为高分子化学和材料科学发展的重要成果，早已为人们熟悉，塑料产品已经成为人类生产和生活中不可缺少的重要组成部分。随着塑料产品在家电、电子等产品和日常用品中的越来越广泛应用，对塑料模具的设计和制造的要求也越来越高。传统的手工设计与制造方式早已满足不了生产发展的需要。华塑CAE的产生与发展正适应了这种客观实际要求。应用华塑CAE设计与分析可以显著提高塑料产品和塑料模具的设计制造效率，提高设计制造质量，减少试模修模时间，从而缩短从塑料产品设计、模具设计、模具制造到进行产品模塑生产的整个周期。
2 产品结构工艺性分析
对产品设计进行工艺性分析指的是从工艺角度检查产品结构的合理性、可加工性，以便使所设计的产品符合本企业的制造条件，并力求达到最好的经济效益。
如图1所示，该产品材料为ABS，ABS学名苯乙烯—丁二烯—苯烯腈共聚物，比重为1.05g/cm3，产品体积为16.1cm3，质量为16.9g，熔点为170℃，分解温度为260℃，使用温度为180℃-240℃，生产时需用80-90℃烘箱烘干1-2h即可。该产品侧面有一处破孔，需要设计斜顶机构，中间有六个螺丝孔，需设计推管机构，产品分型线部分有凹槽，分型面不是平面结构，成型收缩率0.5%，该塑件脱模斜度周圈均匀都为3o。经以上分析ABS满足注射成型要求，可以使用注射成型方法进行生产。
3 浇注系统设计
浇注系统的设计是一项重要而复杂的工作，根据制件的几何形状不同应采用不同类型。华塑CAE可以根据该零件几何形状、相关材料参数及工艺参数分析出塑件的浇注系统。
3.1 浇口的设计
该零件壁厚为1mm时，ABS最大流程为100mm、要设计一个浇口，该产品外表面不允许有浇口痕迹，为尊重产品原有外观，浇口形式选用顶杆潜伏浇口，选用两板式模具结构，中心距为130mm。两模浇口流长和填充体积要遵循相等的原则，目的是可以避免由于浇口位置不当而引起产品缺陷。如图2所示。
3.2 流道的设计
流道的设计包括主流道设计和分流道设计两部分。
主流道通常位于模具中心塑料熔体的入口处，它将注射机喷嘴注射出的熔体导入分流道或型腔中。主流道的形状为圆锥形，以便熔体的流动和开模时主流道凝料的顺利拔出。主流道的尺寸直接影响到熔体的流动速度和充模时间。另外，由于其与高温塑料熔体及注射机喷嘴反复接触，因此设计中常设计成可拆卸更换的浇口套。还有主流道要尽可能短，减少熔料在主流道中的热量和压力损耗。
由于采用潜伏式浇口，模具的分流道设计在定模板的分型面处，加工比较方便。由于该塑件尺寸较小，精度较高，因此分流道采用平衡式排布，有利于熔料平衡流动，保证各型腔产品的尺寸稳定性，因此，该产品尺寸设计如下：
主流道小端直径d选用4.5mm：根据注射机喷嘴直径+（0.5-1）mm。
主流道球面半径SR选用11mm：根据注射机喷嘴直径+（1-2）mm。
主流道长度L选用36mm：合理设计尺寸≤60mm。
主流道锥度选用3°：合理设计2°到6°。
分流道设计直径为5mm流动性较好的圆形截面流道，浇注系统结构如图3所示。
3.3 分型面的设计
塑料模具的分型面就是动模与定模之间的分界面，是取出塑件或浇注系统凝料的面。它的选择是否合理直接关系到塑件是否能完好成型的必要条件之一，不仅关系到塑件的脱模，而且涉及模具结构及制造成本和塑件的外观质量等，根据选取最大横截面处选择分型面原则选取如图4所示主分型面，且根据脱模方向产品朝下放置。
4 模具结构的设计
4.1 型腔数量的确定
该塑件外形尺寸不大，考虑到客户指定一模两腔关系，以及制造费用和各种成本费等因素，所以定为一模二腔的平衡布局结构形式结果如图5所示。
4.2 模架形式的确定
从上面的分析可知，本模具设计为一模二腔。塑件内部中间有六个螺丝孔，而且顶出阻力主要集中于塑件四周侧壁，因此可以推管顶出等常规的顶出结构。
由于该塑件浇口不允许设在产品外表面，浇口考虑设计在产品内表面潜伏式浇口。
模架方面，根据整体嵌入式的外形尺寸，塑件进浇方式为潜伏式进浇，又考虑导柱、导套的布置等，再同时参考注射模架的选择方法，可确定选用如图6所示大水口CI3040型(即宽×长=300mm×400mm)模架结构。
4.3 注射机的选择
4.3.1 注射量的计算
通过三维软件建模设计分析计算得
4.3.2 浇注系统凝料体积的初步估算
浇注系统的凝料在设计之前是不能确定准确的数值，但是可以根据经验按照塑件体积的0.2～1倍来计算。由于本次采用的是两点进浇，分流道简单并且较短，因此浇注系统的凝料按塑件体积的0.2倍来估算，估算一次注入模具型腔塑料的总体积（即浇注系统的凝料+塑件体积之和）为：
因此初步选定注射机理论注射容量为220cm3，注射机型号为XS-ZY-125A卧式注射机，其主要技术参数见表1。
4.4 注射机的相关参数的校核
4.4.1 注射压力校核
ABS所需的注射压力为80～110MPa，这里取ρo＝100MPa，该注射机的公称注射压力K公＝150MPa，注射压力安全系数K1＝1.25～1.4，这里取K1＝1.4，则：
所以，注射机注射压力合格。
4.4.2 锁模力校核
4.5 其他结构设计
当塑料熔体充填型腔时，必须有序地排出型腔内的空气及塑料受热产生的气体。如果气体不能被顺利地排出，塑件会由于充填不足而出现气泡、接缝或表面轮廓不清等缺点；甚至因气体受压而产生高温，使塑料焦化。该模具利用配合间隙排气的方法，即利用分型面之间的间隙进行排气，并利用镶块、推管与型芯之间的配合间隙进行排气。
使用华塑CAE软件分析得知在主流道分流道末端设计长度为主流道分流道直径1.5倍的冷料井进行冷料；采用镶件排气、分型面、推杆间隙排气，且在产品流动前沿莫末端设计气穴需要进行排气，如图7所示黄色球状体即为气穴。
为保证定位环和主流道衬套保证H9/f9配合，定位环轴线要与主流道轴线重合，主流道衬套及定位环设计尺寸分别如图8、图9所示。
5 推出系统设计
5.1 抽芯机构设计
在该制品侧面设计有一处破孔，影响了塑件脱模，而且也无法与动模形成靠破，由于该制品外观表面要求不允许有结合线，因此必须在动模侧设计如图10所示斜顶抽芯机构。
该斜顶抽芯的设计细节为：
1.结构参数
斜顶斜角为8°，抽芯距为4mm，需要的顶出行程为4/tg8°=28.5mm。而模架所能提供的顶出行程为40，因此完全能够满足斜顶的抽芯行程。
2.斜顶固定形式
由于斜顶的角度及模板大小限制，因此固定方式采用工字槽镶在推板的滑座上，另外为了提高斜顶杆的强度，在模具中把斜顶杆缩短，相应地提高了滑座的高度，滑座至产品高度最小为86mm，也满足抽芯距所需的顶出行程。
3.模板工艺处理
为了减少斜顶与模板之间的配合面，在动模板底部设置有扩孔，这样可以减少重复配合，使斜顶的滑动更加顺畅，如图11所示。
4.顶出机构设计
本塑件采用顶杆+ 推管顶出，均匀分布在塑件的各个包紧力较大的位置。推杆推管位置如图12所示。
5.五冷却系统设计
塑料制品设计方面，主要是塑料制品壁厚，制品厚度越大，冷却时间越长。一般而言，冷却时间约与塑料制品厚度的平方成正比，或是与最大流道直径的1.6次方成正比。即塑料制品厚度加倍，冷却时间增加4倍。
模具材料及其冷却方式。模具材料，包括模具型芯、型腔材料以及模架材料对冷却速度的影响很大。模具材料热传导系数越高，单位时间内将热量从塑料传递而出的效果越佳，冷却时间也越短。
冷却水管配置方式。冷却水管越靠近模腔，管径越大，数目越多，冷却效果越佳，冷却时间越短。ABS属于中等粘度材料，其成型温度及模具温度分别为200oC和50～80oC。所以，模具温度初步选定为50oC，用常温水对模具进行冷却。冷却系统设计时忽略模具因空气对流、辐射以及与注射机接触所散发的热量，按单位时间内塑料熔体凝固时所放出的热量应等于冷却水所带走的热量。
型腔的成型面积比较平坦，比较适合直通式冷却回路，如图13所示。而动模部分的镶块内部结构复杂，适合环绕式水路，如图14所示，并在冷却水槽周围设计上密封圈，对水路的运行进行有效地密封。经过CAE分析得到最终水路如图15所示
6 导向与定位设计
注射模的导向定位机构用于动、定模之间的开合模导向定位和脱模机构的运动导向定位。按作用分为模外定位和模内定位。模外定位是通过定位圈使模具的浇口套能与注射机喷嘴精确定位；而模内定位机构则通过导柱导套进行合模定位。精定位则用于动、定模之间的精密定位。
本模具所成型的塑件存在对插面，为了确保产品成型的精度，除了采用模架本身所带的导向定位结构，还采用四组精定位组件保证定模板与动模板之间进行定位，另外内模管位对型芯与型腔进行定位，如图16所示。至此，整个模具设计与分析基本完成。模具总装图如图17所示。
7 结束语
数字化产品设计的概念逐渐深入人心，国内高校技术研究和应用水平不断提高，有限元技术已经为广大师生所认可，在模具教学中，运用华塑CAE软件的分析结果，发现塑料制件、塑料模具浇注系统、冷却系统等设计中存在的缺陷与不足，对原有设计方案再重新进行分析，并最终优化设计出最佳设计方案，正确指导成型工艺、优化模具结构、缩短试模和修模时间、显著提高塑料品质量，其重要性正逐渐被模具界所认识。
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参考文献
[1]王正才.注塑模具CAD/CAE/CAM综合实训[M].沈阳:大连理工大学出社,2014:87-95.
[2]王国中.注塑模具CAD/CAE/CAM技术[M].北京:北京理工大学出社,1998:125-145.