电饭煲提手的模具设计与工艺优化

电饭煲提手的模具设计与工艺优化电饭煲提手的模具设计与工艺优化 2019/08/12 摘要：通过分析一种电饭煲提手塑料零件的结构工艺性，利用NX12.0软件设计模具结构，并根据HsCAE3D对模具浇注系统和冷却系统的分析结果改进模具结构，实现了注塑工艺的优化，控制塑件的翘曲变形量绝大部分在0.1mm之内，局部为0.16mm。关键词：模具设计；浇注系统；冷却系统；翘曲变形1引言随着CAD/CAE技术的发展，模具设计流程发生了很大的变化，从依靠设计者的主观经验分析转变为借助CAD/CAE软件进行系统分析。在模具设计过程中，可以分析浇注系统、冷却系统、脱模机构、顶出系统的结构干涉；在塑料注射工艺参数选择过程中，可以对充模、冷却、保压进行分析从而优化注塑工艺1。许多大型CAD软件都提供了模具设计模块，如Siemens公司的NX12.0的MouldWaids；在注塑工艺分析过中，Autodesk公司的Moldflow被广泛的应用；华塑软件研究中心的HsCAE3D软件逐渐成熟2。通过CAE分析可以提高模具的设计、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、模具制造及产品注塑生产的整个周期。本文利用NX12.0的模具设计模块MoldWizard和HsCAE3D完成一种电饭煲提手的模具设计，同时优化了注塑成型工艺。2塑料件的结构工艺分析图1为一种电饭煲提手塑件的塑件产品图。该塑件材料为聚丙烯，收缩率为1.5%。设计的原始数模为STP的格式的文件，可以导入NX，另存为STL格式的文件；把文件为STL格式的文件导入HsCAE3D软件，利用其快速分析功能获得如表1所示的塑件基本信息。尺寸精度为一般精度要求MT5级，故对应模具相关零件的尺寸加工精度容易保证。塑件壁厚较均匀，2mm左右，最小壁厚0.4mm，符合最小壁厚原则3，塑件均为圆角过渡，结构工艺性良好。表1中节点数和单元数为CAE网格文件的参数，满足分析要求，如果不满足可通过华塑网格管理器进行修复。3模具结构的设计3.1成型零件的设计塑件的结构如图2所示。1是提手的开口位置，不可以直接脱模，需要向外的侧向分型抽芯，选用斜导柱侧向分型抽芯结构；2和9为内凹结构，同样不可以直接脱模，需要向内的滑块结构，选用方形弯销抽芯机构；35、7和8有多个靠破孔，直接通过前、后模具合模后成型；6为擦穿位，通过前后模具的侧面合模后侧面相靠成型。考虑模具加工的工艺性，圆孔位置都通过镶件完成。图3为模具成型零件的爆炸图。3.2浇注系统的设计内外四个滑块四个方向抽芯，模具结构相对复杂，同时根据用户的注塑机注塑量，锁模力的要求，选用1模1件，直浇口的形式。保证注射的相对平衡，主浇道偏离中心10mm。充型性可以通过HsCAE3D进行分析，通过充型分析，可以得到如图4所示（见封三）的模具前端填充零件的时间云图，从图中可以看出模具全部充满需要1.22s，HsCAE3D可以动态仿真模具填充的全过程。图5为填充过程中可能产生气穴和熔接痕的位置，1为熔接痕的位置，2为可能产生气穴的位置，为设计模具的排气槽和溢流槽的位置提供了参考。3.3模具的冷却系统设计从图3可以看出参与直接成型的零件有6个，模具的前后模4个滑块都需要设计冷却水路，模具前模镶件中也要布置冷却水路。模具圆型镶件的冷却水路可以采用隔水板的形式。图6中1、2为后模冷却水路，3、6为外侧滑块冷却水路，4、5为前模镶中的冷却水路（见封三）。冷却水路的设计直接影响塑料零件的生产效率，同时冷却水路布置的不合理，会对塑料充模过程有较大的影响，造成填充不满，浇不足、溶接痕等缺陷。HsCAE3D可以分析冷却介质的温度场变化如图7（见封三），设计者根据冷却介质温度场的变化，来修改冷却水路的结构及介质的热平衡参数。同时可以分析冷却稳态后的温度场图8（见封三），供设计顶出机构作为参考。4塑料零件翘曲变形分析和工艺优化塑料制品注塑成型过程中，塑料由粘流态、高弹态到玻璃态。这个过程粘流态的塑料必须高效的填充型腔。影响填充效果的工艺因素主要有温度、压力、剪切速度。塑料制品的材料一旦定，其注塑温度和注塑压力范围可用通过查阅手册确定范围，如本塑件的材料为聚丙烯，手册上推荐的最低温度为220，最高温度为250。注塑温度影响塑料粘度变化，进而影响塑料的填充能力。注射温度低会造成填充不足，出现熔接痕，浇不足的缺陷。温度过高则会出现飞边、熔体破裂的缺陷。在没有CAE软件参与设计的情况下，工艺调整都是在模具加工后试模过程中完成的，而CAE软件可以仿真不同时间塑料的流动状态。通过模拟软件调整相应的工艺参数，软件可以动态生成不同时间的温度场、压力场和剪切力场。根据剪切速度场的变化动态图选择温度、压力和剪切力。剪切速度相对变化范围小的工艺参数作为优化的推荐参数，并通过试验验证。图9为填充0.14s后的工艺参数云图（见封三）。塑料的注塑压力、保压时间、冷却温度场的分布都会影响塑料产品的变形程度，使塑料制品产生翘曲。生产实践表明：适当的降低顶出温度，可以降低产生翘曲的几率，但是冷却时间过长会降低生产效率，同时也会产生脱模困难等问题。通过CAE软件的仿真可以有效地解决这个问题。图10为推出温度和翘曲变形的关系，是在相同的浇注系统和冷却系统的情况下，通过改变真仿软件中推出温度参数获得翘曲变化趋势曲线。图11为优化后推出温度为40，翘曲最大翘曲控制0.16mm。根据用户对产品精度的要求可以平衡进度和效率的关系。5模具的动作过程NX12.0的模具MouldWaids模块，既可以高效的完成模具分模到结构设计的全过程，又可以完成标准件的调用，还可以实现高效的出图。图12为最终模具设计结果，采用两板模大水口方式，其动作过程为前模2和后模11分开，在斜导柱22、18的带动下两个外滑块19、21向外运动。由于塑料件的壁厚比较薄，结构向导复杂，为了防止开模过程中撕裂塑件，采用顺序脱模结构，方形弯销在两个外滑块脱模后再动作。即方形弯销4、12带动内滑块5、11实现内滑块脱模具。然后推出行程由推出限位块20控制，这样可以防止推杆组和外滑块相撞；在复位杆上附加弹簧起到推出机构先行复位的作用。本套模具的特点是：典型的哈夫模具结构；带有内滑块抽芯；顺序脱模；冷却水路复杂。通过加工试模具，本套模具开模顺利、合模准确，其结构设计合理，有较高的设计参考价值。6结语以一种电饭煲的提手零件为例，进行了完整的模具结构设计。在设计过程中充分地利用HsCAE软件进行充模分析、冷却分析和翘曲分析，同时通过CAE软件仿真顶出温度对翘曲变形和冷却时间的影响，同时给出了电饭煲提手模具完整的结构设计解决方案，对采用内外同时抽芯脱模的哈夫模具结构有一定的借鉴意义。参考文献1关兴举，张海波.模具结构对塑料制品翘曲变形影响的研究进展J.合成树脂及塑料，2018（02）：94-97.2华塑软件研究中心.塑料注射模CAE教程M.武汉：华中科技大学，2008：1-503王敬艳.华塑CAE在塑料壳体模具设计中的应用与研究J.塑料制造，2015（Z1）：71-76.