我国国土辽阔,地形复杂多样,在修建高速公路和高速铁路的过程中会遇到丘陵、山地和山丘等地貌。为节约时间和减小成本,需要在山体中间开辟隧道,在隧道施工建设的过程中,经常会发生地表或地下水严重涌出的现象,为确保工程进度的正常进行和后续路线的正常运营,需要及时将隧道内部的积水排出并做防护和排水处理[1]。抽水泵是处理隧道涌水问题时常用的设备,主要由外部的壳体和端盖、内部的叶轮、泵壳、密封环、泵轴和填料函等构成[2],其端盖一般通过注塑加工而成,成型质量影响着抽水泵的工作性能。本实验以某型号抽水泵为实例,分析了其外形结构,确定了加工方式,设计了其浇注系统及冷却系统,根据注塑分析的结果对其端盖进行了注塑加工参数优化。1前处理分析1.1零件结构分析图1为抽水泵的三维及端盖模型。端盖的外形尺寸为275.78 mm×38.23 mm×226.92 mm,平均壁厚3.54 mm。由于端盖装配,需进行精密注塑加工成型处理。从零件的外形尺寸及结构角度出发,考虑降低加工成本和提高生产效率的需求,本实验拟采用单型腔注塑成型[3]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F001图1抽水泵及端盖的三维模型Fig.1Three-dimensional model of pump and end cover1.2网格划分Moldflow是注塑成型设计中常用的仿真软件,通过模拟注塑加工的过程,能够为设计师提供详尽的数据,进而提高模具设计的效率和降低生产加工的成本[4]。Moldflow分析通过单元网格进行计算分析,因此需要对塑件进行网格划分。图2为网格划分结果。共有19 672个三角形单元,纵横比最大20.58,最小1.16,平均3.54,匹配百分比90.2%,相互百分比90.1%,适合双层面分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F002图2网格划分结果Fig.2Meshing results1.3材料选择及工艺参数确定端盖的外壳材料为Generic Default公司牌号为Generic PP的塑料,熔体密度0.74 g/cm3,具有良好的力学性能、较高表面硬度和较低的成型收缩率,是目前常用的塑料之一[5]。表1为此塑料推荐的工艺参数[6]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.T001表1推荐的工艺参数Tab.1Recommended process parameters项目数值模具表面温度/oC50熔体温度/oC220模具温度最大值/oC80模具温度最小值/oC20熔体温度最大值/oC260熔体温度最小值/oC180绝对最大熔体温度/oC300顶出温度/oC124最大剪切应力/MPa0.25熔体温度最大值/oC100 000以表1推荐的工艺参数为参考,考虑端盖的实际使用环境,选择初始工艺参数为:模具表面温度50 oC,熔体温度220 oC,保压压力80%,注射、冷却时间20 s,流动速率12 cm3/s,并在工艺设置中选择分离翘曲因素,其余保持默认设置。2浇注及冷却系统设计2.1浇口位置的设计由于零件结构尺寸较大,为保证塑件各个部分的填充率,综合浇口位置分析结果,选择双浇口进行分析,图3为浇口位置分析结果及流道设计[7-8]。顶部流道平面选择在距离分型面350 mm处,为便于熔体流动,浇口设计为圆锥形,入口直径7 mm,底部直径1 mm,长度1 mm;主流道直径3.5 mm,拔模角3°,长度70 mm;分流道直径为7 mm,竖直流道底部直径7 mm,拔模角3。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F003图3浇口位置分析结果及流道设计Fig.3Gate position analysis results and runner design2.2冷却系统设计合理设置模具的冷却系统能够使模具保持适宜温度,降低塑件的变形量,增强塑件的力学性能,改善表面成型质量,提高塑件的尺寸精度[9-10]。冷却管道在设计时应沿塑件方向对称布置,且应尽可能覆盖整个模具表面[11]。设计冷却管道的直径10 mm,管道与零件间的距离为25 mm,模具分型面上下各7条管道,每条管道中心的距离为30 mm,零件外的距离为135 mm,图4为最终设计的冷却系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F004图4冷却系统Fig.4Cooling system3零件翘曲及填充分析3.1填充分析图5为填充结果分析。从图5可以看出,塑件的填充完成时间为5.646 s,填充过程中未出现充填不足、缺胶和短射等现象,填充效果良好;塑件的体积收缩率最大为12.81%,由端盖两边逐渐向中间减小;少量气穴主要分布在端盖边缘;塑件缩痕指数最大为2.596%,仅少量存在于塑件边缘;熔接线主要存在于塑件中间和边缘,对注塑成型影响不大;速度/压力切换时的压力最大为19.67 MPa,存在于浇口入口处,整个塑件表面压力变化较为均匀,无过保压现象。通过以上分析结果可知,所选择的工艺参数和所设计的浇注系统及冷却系统较为合理,零件填充成型后缺陷较少,可满足使用要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F005图5填充结果分析Fig.5Filling result analysis3.2翘曲变形翘曲变形是指塑件尺寸与模具型腔偏离的现象,是注塑成型加工过程中十分常见的现象[12-13]。图6为翘曲变形分析结果。从图6可以看出,塑件的翘曲变形量最大为1.133 7 mm。由于端盖存在装配要求,因此零件的翘曲变形不宜过大。由于塑料熔体在注塑过程中状态经常变化,因此,塑件翘曲变形一般在注塑、保压和冷却等阶段产生,通过对注塑加工工艺参数的优化可降低塑件的翘曲变形量,提升塑件成型的质量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F006图6翘曲变形分析Fig. 6Warpage deformation analysis4保压方案优化分析注塑成型过程中,当模具型腔快要充满时,注射机螺杆的运动从流动速率控制转换到压力控制[14]。在该阶段模腔中的塑胶熔体受到压实,一般而言,模腔填满后有8%~12%的模腔体积的塑胶熔体需要通过保压压实到模腔之中。保压的设置会影响塑件翘曲变形量,因此,保压压力值的设置至关重要。保压优化是指调整保压压力与时间使塑件的质量达到最佳效果[15]。初始选择的工艺参数中,保压压力设置为填充压力的80%,模流分析的结果表明塑件的翘曲变形量和体积收缩率较大,需要进行保压方案的优化,降低塑件的翘曲变形。设置保压压力为填充压力的64%、72%、80%、88%和96%分别进行注塑分析,表2为不同保压压力下的主要参数指标。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.T002表2不同保压压力下的主要参数指标Tab.2Main parameter indexes under different holding pressures保压压力/%体积收缩率/%最大翘曲变形量/mm6412.351.04257212.551.07198012.811.13378813.021.17969613.251.2087图7为不同保压压力下的主要参数指标变化图。从图7可以看出,塑件的收缩率及最大翘曲变形量均随着保压压力的升高而升高。因此,选择保压压力为64%,相比初始方案,塑件收缩率降低了3.59%,最大翘曲变形量降低了8.04%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F007图7不同保压压力下的主要参数指标变化图Fig.7The main parameter indexes change diagram under different holding pressures图8为优化后的模流分析。由于仅改变保压压力,故塑件的填充完成时间和速度压力切换时的压力保持不变,填充过程中未出现充填不足、缺胶和短射等现象,填充效果良好;塑件的体积收缩率最大为12.35%,降低了3.59%;塑件缩痕指数最大为2.586%,与优化前基本一致;熔接线少量存在于中间和边缘,对注塑成型影响不大;塑件翘曲变形最大为1.042 5 mm,相比优化前降低了8.04%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F008图8优化后的模流分析Fig.8Mold flow analysis after optimization将优化后的工艺参数进行试模验证,即保压压力更改为64%,图9为所得的试模样品。从图9可以看出,该塑件表面光滑,光泽度较好,各处细节清晰,无明显体积收缩和翘曲变形,能够满足成型的需求,说明优化的保压压力能够满足使用要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F009图9试模样品Fig.9Trial sample5结论以某型号抽水泵的塑料端盖为实例,分析了其外形尺寸结构,利用Moldflow软件,划分了塑件的网格,选择了合适的材料及加工工艺参数,设计了模具较为合理的浇注系统和冷却系统,对塑件的填充时间、体积收缩率、气穴、缩痕、熔接线、速度/压力切换时压力和翘曲变形进行分析,基于分析结果,对注塑的保压方案进行优化,结果表明:优化后的保压方案使塑件收缩率降低了3.59%,最大翘曲变形量降低了8.04%。采用模流分析的方式模拟注塑过程中可能出现的问题,避免了反复试模造成浪费,降低了研发成本,缩短了研发周期,为类似塑件注塑模具的开发提供了参考和指导。
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