基于Moldflow设计塑料齿轮注射模浇注系统

设计塑料齿轮注射模浇注系统严志云，谢鹏程，丁玉梅，杨卫民北京化工大学机电工程学院，北京（100029）Email:[e-mail]摘要：由于塑料齿轮具有运行平稳、噪声低、惯性小、自润滑、抗腐蚀和成本低等优点，已在电子、仪器仪表、精密机械、办公自动化等设备上得到了广泛应用。在塑料齿轮注射成型过程中，选取合适的浇口位置和浇口形式和适当的成形工艺，可以使塑料齿轮收缩均匀，减少翘曲变形，从而提高塑料齿轮的精度和质量。本文针对标准渐开线直齿塑料齿轮注射成型设计了10种浇注系统方案，并通过Moldflow模拟分析，根据分析结果对不同浇注系统方案进行比较，从而得出最优浇注系统方案。通过本文实例也证明采用CAE软件Moldflow可以优化塑料模具设计，减少实际试模次数，提高设计和生产效率，降低成本并能提高塑料制品质量。关键词：注射成型；Moldflow；MPI；塑料齿轮；浇注系统中图分类号：TQ32文献标识码：B1.引言由于塑料齿轮具有运行平稳、噪声低、惯性小、自润滑、抗腐蚀和成本低等优点，已在电子、仪器仪表、精密机械、办公自动化等设备上得到了广泛应用。塑料齿轮根据加工工艺分为切削加工和非切削加工两类，非切削加工又包括注射成型、压缩成型等，精密塑料齿轮主要是采用注射成型工艺[1]。塑料齿轮注射成型过程中，选取合适的浇口位置和浇口形式和适当的成形工艺，可以使塑料齿轮收缩均匀，减少翘曲变形，从而提高塑料齿轮的精度和质量。本文采用Moldflow模拟塑料齿轮注射成型过程，比较不同浇注系统设计方案下的分析结果，为塑料齿轮注射模浇注系统的设计将会提供一定参考。2.塑料齿轮模型本文选取应用最为广泛的标准渐开线直齿圆柱齿轮，模数为2mm，齿数为17，齿顶高系数为1，顶隙系数为0.25，齿宽为6mm，中心孔直径为φ15mm。通过Pro/E对齿轮进行建模，以STL格式导入到MoldflowMPI6.1中，采用3D网格对齿轮模型进行网格划分，划分节点（Nodes）数为5507，四面体（Tetras）个数为28596。塑料齿轮网格模型如图1所示。塑料齿轮材料选用聚甲醛（POM），该材料具有优异的综合性能，强度、刚性高，抗冲击，疲劳、蠕变性能较好，自润滑性能优良，摩擦系数小且耐摩擦性好，吸水小，产品尺寸稳定，适用于制造各种齿轮、传动零件或减摩零件等[2]。本文中选取Moldflow材料库中牌号为CelconM750:Ticona的POM进行分析，其推荐模具温度为70℃，推荐熔体温度为225℃，允许最大剪切应力为0.45MPa，允许最大剪切速率为40000/s。3.不同浇注系统设计本文中针对塑料齿轮浇注系统设计了10种方案，如图2中所示。方案1~5均为点浇口，布置在齿轮端面上，浇口数目依次从2到6，点浇口直径均为φ1mm，分流道截面为圆形，直径为均φ5mm。考虑塑料齿轮有中心孔，因此设计方案6~9将浇注系统布置在齿轮中心孔内，方案6为双浇口，浇口为矩形侧浇口，宽1.5mm，厚1mm，分流道截面为圆形，直径φ3mm。方案7在方案6的基础上浇口数目增加到4个。方案8采用S形流道和扇形浇口，S形流道截面为圆形，直径为φ3mm，扇形浇口与型腔相连端宽3mm，与流道相连端宽1.5mm，厚1mm。方案9为盘形浇口，为了建模方便，将盘形浇口和盘形流道与齿轮模型同时通过Pro/E建模，盘形浇口宽1mm，厚1mm，盘形流道厚3mm。方案10将侧浇口布置在齿侧，浇口宽1.5mm，厚1.5mm，分流道截面为梯形，上端宽5mm，下端宽3mm，高3mm。方案1~10中的主流道尺寸一致，小端直径均为φ4mm，锥度为2°，高为30mm，冷料井高为5mm。分析结果比较采用默认工艺参数，对塑料齿轮10种浇注系统方案进行Flow+Warp分析，得出分析结果进行比较。填充时间（Filltime）结果如图3所示，流动前沿温度（Temperatureatflowfront）结果如图4所示，翘曲（Deflection,alleffects:Deflection）结果如图5所示。图3填充时间结果Fig3Filltimeresults根据最大剪切速率结果(Shearrate,maximum)得到不同方案下的最大剪切速率，根据体积收缩率结果(Volumetricshrinkage(3D))得到不同方案下的体积收缩率范围，根据注射点压力结果(Pressureatinjectionlocation:XYPlot)得到最大注射压力。不同方案下的分析结果比较如表1所示。表1不同浇注系统方案下的分析结果比较Tab.1Comparisonbetweendifferentgatingsystem填充时间(s)前沿温度范围(℃)最大射压(MPa)体积收缩率范围(%)最大剪切速率(1/s)翘曲量(mm)方案12.23819.6(205.7-225.3)11.4723.17(1.68-24.86)660090.7836方案22.45036.2(189.2-225.4)12.7623.21(1.67-24.88)958010.7572方案32.65933.2(192.1-225.3)15.3323.21(1.65-24.86)971330.7544方案43.44810.1(215.6-225.7)5.86823.45(1.76-25.21)103160.8347方案53.08432.1(193.9-226.0)13.3323.25(1.68-24.93)733150.7647方案61.69515.6(209.8-225.4)3.54523.13(1.82-24.95)9583.10.6300(219.7-225.3)2.81323.16(1.84-25.00)4945.70.6545方案81.70511.9(213.5-225.4)3.85023.13(1.82-24.95)8219.70.6774方案91.5318.3(216.8-225.1)1.11323.01(1.84-24.85)813.80.6836方案101.9519.7(216.3-226.0)5.31523.14(1.80-24.94)9978.70.6543先比较齿轮端面上浇口方案1~5，随着浇口数目增加，填充时间、前沿温度范围、最大注射压力、体积收缩率范围、最大剪切速率和翘曲量不是线性变化，说明浇口数目不是越多越好，从表1中可以看出，方案1、2、3、5最大剪切速率超出材料允许最大剪切速率。方案4前沿温度范围最小，温度分布较均匀，最大注射压力最小，填充时间较大，体积收缩率范围与方案1、2、3、5相当，翘曲量较大，综合考虑，在齿轮端面浇口方案中方案4较优，即采用5浇口较优。在中心孔处浇口方案中，方案7和9，即双浇口方案和盘形浇口方案较优。方案10浇口在齿侧，填充时间、前沿温度范围、最大注射压力、体积收缩率范围、最大剪切速率和翘曲量六项指标在10种方案中为中等，考虑塑料齿轮成型时，靠近浇口处轮齿温度比远离浇口处轮齿高，各个轮齿保压路径不均匀，可能会造成轮齿性能不一致，因此在常规塑料齿轮注射成型中较少应用，而常用在微型塑料齿轮注射成型中[3]。综合比较10种浇注系统方案，选择最优方案为方案9，即盘形浇口方案。使用盘形浇口，齿轮各轮齿温度分布、体积收缩率较均匀，各个轮齿保压路径一样，轮齿性能较均匀。5.结论本文针对塑料齿轮注射成型设计了10种浇注系统方案，并通过Moldflow模拟分析对不同浇注系统方案进行分析比较，得到了最优方案为盘形浇口方案。若齿轮中心孔不方便设置浇口和流道，可采用在齿轮端面5浇口的方案。在齿侧布置浇口的方案可用于微型塑料齿轮注射成型。合理的浇注系统可以使塑料齿轮收缩均匀，翘曲变形减小，轮齿性能均匀，因而可以提高齿轮精度和质量。参考文献：[1]李健心.精密塑料齿轮注射模型腔设计及制造工艺[J].模具工业,2000,7(233):30-31.[2]阮跃.塑料齿轮的成型缺陷分析与对策[J].模具制造,2004,(3):39-40.[3]王勇.微型齿轮注塑成型工艺实验研究[D].大连:大连理工大学,2006.DesigngatingsystemofplasticgearbasedonMoldflowYanZhiyun,XiePengcheng,DingYumei,YangWeiminInstituteofMechanicalandElectrical,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing,PRC,(10029)AbstractAstheplasticgearshaveverygoodperformancesuchassmoothrunning、lownoise、smallinertia、self-lubricating、anti-corrosionandlowcost,plasticgearshavebeenusedinmanyfields.Intheinjectionmoldingofplasticgear,suitablegatelocationandgateformandreasonableprocessparameterscanreducewarpageofplasticgear,therebytheaccuracyofplasticgearcanbe:injectionmolding;Moldflow;MPI;plasticgear;gatingsystem第一作者简介：严志云，男，1984年生,硕士研究生，主要研究方向为高分子材料成型加工原理与设备、注射成型CAD/CAE/CAM。