大型注塑模具设计及应用技术研究

【摘 要】 随着塑料工业与汽车、航天航空及家用电器行业的不断发展，使得大型塑件也受到越来越广泛的重视和应用，相应地对大型注塑模具的设计也提出了更高的要求。本文以大型塑件某工程机械仪表板为对象，主要应用了热流道技术、注塑模CAE技术、注塑成型工艺优化技术，重点对其模具关键结构及注塑成型工艺两个方面进行了设计。

【关键词】 大型注塑模具 设计应用

1 大型注塑模具应用技术

1.1 注塑成型技术

热流道技术及气辅成型技术是大型注塑模具中最常用的注塑成型方法。热流道技术是指在注塑模浇注系统的附近或中心设有加热棒和加热圈，通过加热系统和温度控制系统精确控制塑料的温度，使从注塑机喷嘴送往浇口的这一段热流道中的塑料始终保持熔融状态，开模时不需要将热流道中的凝料随制品一同取出，而使其滞留在浇注系统中保持熔融，在下一次注塑成型时即可再次被注入型腔中。

1.2 注塑模CAE技术

注塑模CAE技术即注塑成型数值模拟技术，它根据塑料加工流变学和传热学等基本理论建立起塑料焰体在成型过程中的流动、传热等的物理数学模型，并以此进行求解，利用计算机的可视化技术，形象、直观地模拟出实际成型中流体的流动、冷却等过程，并定量描述成型过程中的速度、压力和温度等状态参数，以使设计人员在试模之前就可以对注塑成型过程进行预测，发现可能的缺陷以便及时作出调整。因此，注塑模CAE技术的运用带来的直接好处是省时省力，减少试模、修模次数和模具报废率，缩短模具设计制造周期，降低成本，提高制品质量。特别是对于设计制造周期长、成本高、成型过程问题多的大型、精密、复杂中高档模具来说，注塑模CAE技术的优越性更是不言而喻的（如图1）。

2 大型注塑模具的设计

注塑模具可分为动模和定模两大部分，动模安装在注塑机的移动模板上，定模安装在注塑机的固定板上，通过注塑机的开模闭模完成注塑过程。按功能划分，注塑模具通常由成型部分、浇注系统、导向机构、侧向分型与抽芯机构、推出机构、温度调节系统、排气系统、支撑零部件等结构组成，现分别介绍如下：（1）成型部分。它由凸模（型芯）、四模（型腔）以及嵌件和镶块等成型部分是指与塑件直接接触、成型塑件内表面和外表面的模具部分，它由凸模（型芯）、四模（型腔）以及嵌件和镶块等组成组成。图示模具中，模腔由动模板1、定模板2等组成。大型注塑模具常采用组合式的型腔和型芯结构，某些结构还可以做成局部镶嵌式，以便加工。（2）浇注系统。浇注系统通常包括主分流道、浇口及冷料穴等。浇注系统对塑料熔体充模情况、排气溢流、模具的压力传递等起到重要作用。大型注塑模因其塑件外形尺寸大、塑料熔体充填流程长等特点，大多采用1模1腔、多点进浇方式。（3）导向机构。注塑模的导向机构主要作用是确保动、定模之间的正确导向和定位。导向机构包括导柱导套导向机构与内外锥面定位导向机构两种形式。图示导向机构由导柱8和导套9组成。大中型模具由于在注塑过程中成型压力大，常在动、定模板外侧开设锥面定位结构，而且推出机构也设置导向机构。（4）抽芯机构。侧向具有四凸形状孔或凸台的塑件在脱模之前，必须先抽出侧向型芯或侧向成型块，然后才能被完全推出，脱离模具。带动侧向型芯或侧向成型块移动的机构即为抽芯机构，常用的有斜导柱、斜滑块、弯销等抽芯机构，大型注塑模具由于塑件需要的抽拔力较大常采用液压抽芯机构。（5）推出机构。推出机构是将成型后的塑件从模具中推出的装置，主要由推杆、复位杆、推杆固定板、推板、垫块、主流道拉料杆等构成。图中的推出机构由推板13，推杆固定板14、拉料杆15、推板导柱16、推板导套17、推杆18和复位杆19等零件组成。在设计大型注塑模的推出机构时，除满足中小型模具的一般准则外，还必须保证推出机构中设有使推出板运动灵活、刚度足够的导向柱。（6）温度调节系统。注塑模具通常只需用冷却系统维持模具温度为某一适当值，但对大型注塑模具来说，为提高塑件的质量，注塑前需对模具预热。因此，大型注塑模具一般既要有冷却系统（例图中的冷却水路3），又要有加热装置对模具预热。（7）排气系统。通常可以在分型面上开设排气沟槽或利用模具推奸、活动型芯与模板之间的配合间隙进行排气。小型塑件的排气量不大，可直接通过上述方式排气。而大型注塑模具浇注系统和型腔体积很大，积存的气体也多，危害性更大，所以大型注塑模具的排气要求较高，除了利用常规方法排气外，还要设置专用的排气槽。（8）支撑零部件。图中的支撑零部件有定模座板4、动模座板10、支撑块11和垫块20等。大型注塑模具要承受较大压力，易产生弹 性变形，因此支撑零部件不仅要进行强度校核，还得满足刚度要求。

总之，大型注塑模具往往带有多个抽芯机构、镶块等结构，复杂的浇注系统、冷却系统等，结构复杂，设计、制造要求高，难度大。

3 注塑模具设计在仪表板中的应用

本文的研究对象是某工程机械仪表板，由于仪表板原料及制品结构已经设定，所以本文重点从模具设计及注塑工艺两个方面展开对大型注塑模具的设计研究，设计的仪表板模具应尽量避免或减少上述问题的产生。

3.1 模具主要结构的设计方案

整个注塑成型过程包括充填、保压、冷却和幵模四个阶段，其中，充填和冷却这两个环节主要是以模具中的浇注系统和冷却系统为载体来进行的，它们对塑件的成型质量、成型周期以及使用设备的要求等都有最重要的影响。因此，浇注系统和冷却系统的设计是模具设计中最重要的环节，也是衡量模具设计成功与否的两个关键因素。对于价格昂贵、试模成本高、生产周期长、注塑过程问题多的大型注塑模具来说，浇注系统和冷却系统的合理设计更具有现实意义，需要考虑的问题也更多。

3.2 浇注系统的设计方案

浇注系统在注塑模中起着传质与传热双重作用。浇注系统设计合理与否直接影响着熔体充模的难易程度、充模时的流动状态、塑件的成型质量以及能否顺利开模等。仪表板外形尺寸大、结构复杂，熔体充填流程长，注塑过程中容易出现充填困难，充填不均的现象，直接影响了塑件的成型质量。考虑到热流道技术可以很好地改善熔体的充填情况，因此，为了保证塑件质量，模具一次设计、试模成功，本文的大型注塑模具浇注系统拟采用多点进浇、冷热流道结合的方式，并借助业内广为采用的注塑模CAE软件Moldflow进行辅助设计，确定各部分尺寸参数。

3.3 冷却系统的设计方案

整个注塑成型过程中，除了注塑开始时可能的预热需要，模具温度主要是由冷却系统控制的，塑料制品在型腔中的冷却时间要占整个成型周期的70%—80%，模具型腔温度的高低及温度的均勻性也对塑件质量有重要影响。因此，冷却系统的设计合理与否直接影响着塑件质量以及生产效率。为了保证制品质量，提高生产效率，本文根据大型注塑模具冷却系统的冷却需要，模具型芯采用隔板式冷却方式，型腔采用直通式冷却方式，借助Moldflow进行辅助设计，确定各部分尺寸参数。

3.4 注塑成型工艺的设计方案

由前所述，注塑成型工艺也对成型过程有重要影响，因此，通过调整注塑工艺来改善塑件质量的方法对价格昂贵的大型注塑模具非常经济方便。可是注塑成型的非线性、多变量等特性使得其成型工艺的设置非常困难，靠试凑法调整工艺参数的传统优化方法的优化效率、优化程度都不高，因此非常有必要采用先进的设计方法对注塑工艺进行优化设计。

本文将优化技术和数值模拟技术相结合对注塑成型工艺参数进行优化，拟采用Taguchi实验设计方法对工艺参数进行了初步优化，然后以Taguchi正交试验矩阵为样本数据，应用BP神经网络建立工艺参数和质量指标的关系模型，并用遗传算法对该关系模型进行优化，以得到工艺参数的全局最优解。

参考文献：

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