近年来，随着模具工业的飞速发展，CAD/CAE/CAM技术逐渐应用于模具工业，效果良好，受到企业的青睐。为满足模具工业的专业性要求，软件厂商针对各类模具的特点推出功能完善，操作简便的CAD/CAE/CAM专用系统。而Moldflow软件的应用是注塑模具CAE分析最具代表性的软件，它不仅能够模拟分析热塑性塑料熔体进入模具的流动过程，而且可以对塑料的浇口位置、压力分布、冷却过程以及注射工艺条件等进行模拟分析。找出可能出现的缺陷，提高一次试模成功率，降低生产成本，缩短生产周期。
1 塑件结构分析
该产品为吹风机的外壳，总体长度为180mm，宽度为90mm，高度为25mm。采用台湾奇美公司生产的ABS塑料（丙烯腈．丁二烯一苯乙烯共聚物），成型收缩率为0.4%～0.7%，其综合性能较好、冲击强度较高、化学稳定性、电性能良好。并可表面镀铬，喷漆处理，有高抗冲、高耐热、阻燃性能，柔韧性好。适用于制作一般机械零件，减磨耐磨零件，传动零件和电讯零件。其体积为29.519cm3，壁厚为2mm，其质量为30.995g，在NX软件中将吹风机的外壳三维模型转换成STL格式文件再导人Moldflow软件，采用表面网格类型划分网格，网格边长设为4mm，网格诊断后，修改网格纵横比使其纵横比均在10以内，网格数为6078个，如图1所示。网格划分之后，对其进行浇口位置分析，其最佳浇口位置如图2框出的位置，其最大注塑压力为144MPa。
图1 模型网格
图2 浇口位置分析
2 模具结构设计
2.1注塑模具总体结构的确定
塑件体积V=29.519cm3，密度p=1.05g/cm3，其质量为m=30.995g，塑件的总体尺寸为小型，尺寸精度不高。为了提高生产效率，简化模具结构，降低模具生产成本，采用一模两腔，成中心对称的排列方式。
2.2注塑机选择及参数确定
根据塑件体积和分析得到最大注塑压力，初选海天注塑机SZI000/ZH，其理论注射量为145cm3，注塑压力为176MPa，锁模力为1000kN，移模行程为310mm，喷嘴球半径为12mm，喷嘴半径为4mm，拉杆内间距为365mmx365mm。
模具型腔数校核：
n=(0.6G-C)/V
=(0.6×146-0.6x29.519)/29.519=2.35>2 (1)
其中，G-注塑机公称注塑量，C-浇口和流道的总体积，V-单个制品体积。
锁模力校核：
F=p(nA+B)=34.2×(2×10740+0.35×10740)
=863kN<900kN (2)
其中，F-分型面上的涨开力，p-型腔内熔体的平均压力，A-每个制品在分型面上的投影面积，B-流道和浇口在分型面上的投影面积。
根据计算结果，实际所需锁模力小于注射机的名义锁模力，符合实际要求。
2.3浇注系统设计
1)主流道尺寸，根据所选注塑机，其喷嘴半径为4mm，则主流道最小端尺寸为：
d=注射机喷嘴直径+(0.5～1)-5mm
为了便于将凝料从主流道中取出，将主流道设计成圆锥形，起斜度为1°，经换算得主流道大端直径Φ=7.8mm，根据模架定模固定板和型腔固定板的厚度，确定主流道总长为82mm。
2)分流道和浇口的设计，根据Moldflow的分析结果得浇口最佳位置，由于产品属于壳类塑件，开模时需自动拉断，所以选择点浇口，直径为2mm，斜度为15°。由于塑件表面需要光滑，所以浇口位置应设在塑件的背面。而分流道选用圆形截面，直径D=8cm，见图3。
图3 浇注系统
2.4冷却系统设计
冷却水道采用直流式，其加工简单，成本低。冷却水道分为上下两层，每层到塑件的距离为30mm。由于在注塑过程中壳体半圆球部分和浇注流道部分温度较高，需使水管靠近这些部分，提高冷却效果。根据塑件尺寸，设定每层冷却水管4根，每根管间距为45mm，从图4的冷却分析看进水管和出水管温差为1.03℃，在2℃以内，不会造成冷却不均的情况。
图4 冷却系统
3 注塑分析
3.1流动分析
图5 注塑过程分析及排气孔设计
从流动分析来看(图5(a)、(b)画圈部分），在注塑过程中图存在气穴和熔接痕，其主要原因是ABS材料吸湿较强，材料塑化时含有较多水分，导致成型时存在气孔和熔接痕。其解决方法是材料在塑化之前需进行一定的干燥处理4h，使水分含量在0.2%以内。同时在模具设计时增加排气系统设计，如图7所示，减少气孔和熔接痕。由图可以看出气穴和熔接痕出现的位置很接近，所以可在此位置设计顶出装置，便于排气。
3.2翘曲变形分析
翘曲是由收缩变化过大引起的制件缺陷，一般情况下，导致收缩变化过大的原因有3条：不同区域的收缩不均匀、冷却不均匀和分子不均匀，如图6所示。从分析结果看，其翘曲变形的最大值为0.17mm，其中由于冷却引起的变形很小为3x10-4mm，由于收缩产生的变形为0.17mm．因此是收缩时引起翘曲的主要原因。对于该塑件公差等级为3级，其X方向尺寸公差为0.3mm，Y方向尺寸公差为0.5mm，从分析结果看，设计满足要求。
图6 翘曲变形
3.3收缩分析
从模具温度图可以看出，注塑过程中模具温度分布较为均匀，主要在40～60℃之间，满足材料对模具温度的要求。从其体积收缩率来看，收缩率在-1.505%～1.882%之间，超出了材料允许的最大收缩率0.7%，收缩率较大的地方集中在浇口周围和塑件末端区域，如图7所示。
塑件的收缩率在很大程度上取决于熔体的补偿能力，而熔体的补偿能力取决于保压压力的大小，以及在该压力下将熔体继续向模内传递的保压时间，这一过程要持续到浇口凝固并封闭为止。保压压力大，保压时间长，则塑件的收缩率就小。因此保压压力与保压时间对塑件的收缩率起着非常重要的作用。
图7 体积收缩率
图8 保压压力与保压时间曲线图
保压压力与保压时间对塑件收缩率的影响如图8所示。按照收缩部位调整保压压力和保压时间，可分为3种情况。
1)如果调整塑件末端区域收缩量，压力可作如图8(a)所示的变化。缩短恒定压力作用的时间，塑件末端收缩量增大；加长恒定压力作用的时间，塑料件末端收缩量减小。
2)如果调整浇口附近的收缩量，对压力可作如图8(b)所示的调整。压力衰减速度变慢，降低浇口附近的收缩量；衰减速度变快，增大浇口附近的收缩量。
3)如果调整塑件中间区域的收缩量，压力调整如图8(c)所示。把压力的衰减过程分为两段，如果调整压力为图中增加位置，则降低塑件中间区域的收缩量；如果调整压力为图中减少位置，则增加塑件中间区域的收缩量。
实际上，每一次调整工艺参数都会影响其它还未冷凝的区域，只是影响程度相对小一些。一般应先调整塑料件末端区域的收缩量，如果有必要，再调整浇口附近区域，最后调整中间区域。
文中收缩率较大的地方在浇口周围和塑件末端，塑件末端收缩率需要调小，而浇口附近的收缩率需要调大，经过数次模拟仿真之后，得出其保压曲线如图9，其体积收缩率为0.048%～0.6986%。如图10所示，符合塑件要求。
图9 改进后的保压曲线
图10 优化后的体积收缩率
4 结束语
利用各种成熟CAD、CAE软件的优势，在设计前把产品设计、模具设计、试验综合全面考虑，大大减少因设计不合理而造成的时间延误，增加设计的可信度，达到避免设计缺陷，缩短开发周期的目的。这里注射成型工艺分析过程和应用研究是一个涉及较多工艺参数的应用性科研课题，其中对某些参数的研究和认识难免存在一定的误区和不足，对许多工艺相关性方面还有待于做进一步的研究和探索。
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