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电饭煲提手的模具设计与工艺优化

2019/08/12 阅读:

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;3~5、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,2008:1-50.

[3]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.

作者:关兴举 单位:吉林工业职业技术学院机械与汽车技术学院

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