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气辅注塑CAE技术在彩电前壳模具设计中的应用
气体辅助注射成型( GAIM)技术是20世纪80年代中后期发展起来的一种新型注射成型技术。其成型原理是在注塑件内部注入高压气体以产生中空截面，由气体注入保压代替熔体注射保压，从而完成注射成型过程。GAIM工艺过程可分为塑料填充、气体注射、保压、气体释放和顶出制品5个阶段。根据塑料填充量的多少又分为“满射”和“短射”两种方式。GAIM工艺具有生产周期短、模腔压力低、锁模力小等优点，且其材料适用性好，产品轻量化、质量高，现已广泛用于各种塑料制品的生产。
与传统的注射成型工艺相比， GAIM中熔体流动状态复杂，工艺参数多，对注塑件设计、模具设计和成型过程控制都有特殊要求。为此，设计、制造GAIM模具时广泛应用了计算机模拟技术，并取得良好效果。笔者现以740mm彩电前壳GAIM模具设计为例，应用MoldFlow公司的MPI软件，对GAIM模具设计进行模拟分析。
GAIM工艺的关键是要处理好进气时间、射料时间和进气压力这几个要素之间的关系。因此，模拟分析的主要内容有确定熔体和气体的佳注射量、注射压力和填充时间，确定注入熔体和气体的切换时间，分析浇口布置及熔接痕位置是否合理，确定气体压力、进气方式和气道布置，以及模拟填充过程等。
一、 注塑件工艺分析
740mm彩电前壳注塑件如图1所示。该注塑件表面质量要求较高，且壁厚不均匀，基本壁厚3mm。由于彩电前壳为薄壁框形件，易出现开裂、收缩或强度不足等缺陷，特别是屏幕较大时更易出现各种注塑缺陷。另外，为避免注塑件在生产、运输和使用过程中受到内、外载荷作用而损坏，该注塑件要具有一定的强度。如按一般注塑模设计，很难达到使用要求，因此选用GAIM模具。
图1 740 mm彩电前壳注塑件
二、 CAE模拟分析条件
（一） 原料
模拟分析所用的原料为BASF公司产聚苯乙烯(牌号为466I) ，采用“短射”GAIM，主要成型工艺参数如表1所示。
表1 主要成型工艺参数
（二） 设备
CAE模拟分析采用的设备是宁波海天公司生产的HTF 1250型卧式注塑机，主要参数见表2。
表2 HTF1250型卧式注塑机主要参数
（三） 确定浇口位置
浇口位置决定熔体在型腔中的流动状态、填充情况及熔接痕位置。该模具采用潜伏式四点进浇。
图2为浇口位置模拟图。从图2可以看出每个浇口所成型的注塑件部位，各浇口的熔体注入量大致相同，充模平衡，说明浇口位置设置合理。
（四） 预测熔接痕位置
多点进浇及不均匀壁厚不可避免地会在注塑件上产生熔接痕。通常，熔接痕的强度只有基体材料的60%～90%。利用注塑模CAE技术能够预测制件的熔接痕位置，以便调整浇口形式及进料点，减少注塑件表面的熔接痕数量，确保注塑件满足使用要求。图3所示为预测的注塑件熔接痕位置。试验表明预测结果与实际相符。由于熔接痕所在处受力较小，注塑件能够满足使用要求。
（五）确定进气方式和气道布置
GAIM的进气方式分为喷嘴进气和模具进气两种。进气方式的选用往往要根据注塑件的具体情况而定。采用喷嘴进气时，需改造注塑机的喷嘴，使熔体与气体通过同一流道，具有相同的流动方向和压力梯度;而采用模具进气，有时会出现气体的流动方向与熔体流动方向相反的情况。由于该模具采用冷流道和潜伏式浇口进料，以喷嘴进气更为适合。
模具的基本主气道应布置在需加强的注塑件前沿四周，在上下底面和两侧面上的固定柱和加强筋等应根据熔体流动情况加设不同的分气道，气道均衡地布置在整个注塑件上，转角处采用较大的半径。
气道产生的中空截面能够改善注塑件的刚度和强度，增加注塑件的承载力，使其整体强度得到提高，以满足大屏幕彩电的使用要求。经模拟分析，气体在注塑件中的穿透情况如图4所示。
（六）模拟填充过程
由于GA IM工艺参数要求比较严格，可利用注塑模CAE技术模拟注塑件的填充过程及熔体在模具中的流动状态，由此可预测注塑件哪些部位易出现填充不足、凹陷及熔接痕，以便及时调整注塑工艺参数和修改模具结构。熔体的填充状态如图5所示。
a—填充1. 398 s; b—填充2. 516 s;c—填充3. 075 s; d—填充3. 214 s
图5 不同填充时间下熔体的填充状态
由图4、图5可知，在“短射”状态下该模具所选用的进气方式、气道布置及GAIM工艺参数合理。
在整个注塑件内气道沿着熔体流动方向配置均衡，气体的走向与熔体的流动方向一致，并有效地穿透到气道末端，保压作用充分，且熔体流动均衡，填充效果良好。
三、结语
在GAIM模具设计中运用注塑模CAE技术对设计方案进行模拟和优化，能够显著提高GA IM技术应用的成功率和可靠性，减少试模次数，缩短模具开发周期，节省模具设计和制造成本。但目前CAE技术只能作为一种辅助工具判断设计是否合理，难以提供明确的改进方案。随着塑料工业和CAE技术的深入发展，优化技术与注塑CAE技术将会得到有机结合，形成注塑模设计专家系统，实现模具的自动、优化设计。
