塑料齿轮注塑成形分析

材料成型CAE课程专业论文

河南工程学院《材料成型CAE（焊接）》

考查课专业论文

塑料齿轮注塑成形分析

2015 年 11 月 8 日

材料成型CAE课程专业论文

1 塑料齿轮注塑成形分析

概述：塑料齿轮在过去的 50年里经历了从新型材料到重要工业材料的一个变化历程, 今天它们已经深入应用到许多不同的领域中,如汽车、仪器仪表、家用电器、建筑控制和导弹等。这是因为塑料齿轮与金属齿轮相比较,具有重量轻、噪声低、振动小、耐高温、耐腐蚀、自润滑、价廉物美，可以开模加工、生产效率高等特点。但是,目前国内塑料齿轮模具还处于初级阶段,因为塑料齿轮加工过程中会出现收缩与变形,而收缩之后的精度变化规律,目前国内研究不多。本文采用模具 CAE技术,模拟塑料齿轮注射成型过程，对其注塑成型进行分析。

1.注塑成型的工作原理

注塑成型又称注射模塑成型，它是一种注射兼模塑的成型方法。在一定温度下，通过螺杆搅拌完全熔融的塑料材料，用高压射入模腔，经冷却固化后，得到成型品。注塑成型方法的优点是生产速度快、效率高，操作可实现自动化，花色品种多，形状可以由简到繁，尺寸可以由大到小，而且制品尺寸精确，产品易更新换代，能成形状复杂的制件，注塑成型适用于大量生产与形状复杂产品等成型加工领域。工作流程一般分为加料、注塑、保压、冷却、开模五个阶段[1]，原理如图1所示。

图1.注射成型原理图

2.塑料齿轮的静力学分析

2.1模型的建立

有限元分析的第一步是模型的生成，反映实体形状的几何模型的生成及其精度对有限元模型的生成及其计算精度有着至关重要的作用。首先用PRO/E建立塑料齿轮3D模型，如图2所示。该塑料齿轮为某公司复印机上用齿轮，是标准渐开线圆柱直齿轮。基本参数为：模数m=

0. 8mm，齿数 z=58, 分度圆压力角 α=20°，齿厚b=5mm，腹板2mm，齿顶高系数ha =1，顶材料成型CAE课程专业论文

2 隙系数c =0. 35。

图2.塑料齿轮3D模型

2.2单元类型选择

确定有限元单元类型对有限元分析来说非常重要，单元类型的选择不仅影响到网格的合理划分，而且关键是对求解的精度影响很大。考虑到齿轮齿型的复杂程度、精度要求以及计算求解时间等实际因素，采用Solid95是空间实体单元，适用于曲线边界的建模，具有塑性、蠕变、应力强化、大变形和大应变功能[2]。该单元有 20个节点，每个节点有X, Y和Z方向3个平动自由度。

2.3材料的选择

聚碳酸酯(简称PC)是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，无色透明，耐热，抗冲击，阻燃BI级，在普通使用温度内都有良好的机械性能。由于其结构上的特殊性，以及高强度及弹性系数、高冲击强度、使用温度范围广、成形收缩率低、尺寸安定性良好，耐疲劳性佳等诸多优点，现已成为五大工程塑料中增长速度最快的通用工程塑料，尤其在仪器仪表等精密塑料齿轮中应用广泛。因此本文选用GEPlastics(USA)公司生产的LexanPPC4501(属于PC料)做塑料齿轮材料。LexanPPC4501的物理属性见表 1。

表1.LexanPPC4501的物理属性

比热容

/J·kg-1·℃ -1

玻璃化温度/℃ 弹性模量/MPa 泊松比 导热系数/W·m-1·℃-1 最大剪切应力/MPa 最大剪切速率/s-1

2100 190 2280 0.417 0.22 0.4 40000

2.4网格划分

网格的粗密度设为6，最终得网格节点为263107个，单元为165950个。网格模型如图3所示。 材料成型CAE课程专业论文

3

图3.塑料齿轮网络模型

2.5添加边界约束条件

施加边界约束条件是有限元分析过程中的重要一环[3]。边界条件是根据物理模型的实际工况在有限元分析模型边界节点上施加的必要约束。边界约束条件的准确度直接影响有限元分析的结果。在有限元分析中确定边界条件一般应做到以下几条:要施加足够的约束，保证模型不产生刚体位移；施加的边界条件必须符合物理模型的实际工况；力求简单直观，便于计算分析。

(1)施加位移约束

分别对X, Y, Z三个方向上的平动和转动进行约束。

(2)施加约束载荷

轮齿在受载时，齿根所受的弯矩最大。根据分析，齿根所受的最大弯矩发生

在轮齿啮合点位于单对啮合区最高点。因此，齿根弯曲强度也应该按载荷作用于

单对啮合区最高点来计算。载荷大小可根据设计承载的扭矩按公式（1）求得。

d/2TFt

（1）

tantrFF

塑料齿轮被广泛的用来传递运动，目前还不能传递太大的力。因此本文塑料齿轮设计承载扭矩T=0.2N/m，计算得F=8.3N，F=3.8N。

经计算后得，齿根部位的的最大应力为10.305MPa，查阅相关机械设计手册得PC料LexanPPC4501的屈服极限为67MPa，可以看出设计合理，该齿轮结构满足强度要求。

3.塑料齿轮注塑成型过程模拟

利用Moldflwo软件对塑料制件注射成型过程进行模拟分析是基于以下假设：

(1)因为产品形状各异，所以忽略模具和产品几何形状的影响；

(2)只讨论注射、保压和冷却过程中的影响；

(3)假设型芯和型腔有相同的温度，假设冷却水路的分布维持模具各处温度均 材料成型CAE课程专业论文

4 匀一直；

(4)环境温度为250C；

(5)冷却水为纯水。

3.1模型前置处理

将建立好的塑料齿轮3D模型转化为STL格式，输入MoldflowPlasticsInsight软件中，进行划分网格，得到塑料齿轮的网格模型，如图 3所示。这是进行CAE模拟分析的前提。再进行选择注射材料和成型设备、浇注系统设计、冷却系统设计等前置处理，浇口选用三点均匀分布的点浇口，建立浇注系统和冷却，系统如图4、图5所示。

图4.浇筑系统 图5.冷却系统

按表2给定的工艺参数模拟塑料齿轮的注射成型过程，多模拟结果进行分析。

表2.模拟工艺参数

注射时间/s 模具温度/℃ 熔体温度/℃ 保压压力/% 保压时间/s 冷却时间/s

2 100 320 80 5 12

3.2模拟结果分析

3.2.1缺陷分析

翘曲变形是指塑料制品的形状偏离了模具型腔的形状，是塑料制品常见的缺陷之一，影响塑料制品的外观质量及其力学性能，甚至会造成产品报废。翘曲变形大小作为评定产品质量的重要指标之一，越来越多地受到模具设计者重视。

影响翘曲变形的主要因素：（1）冷却不均，是制品沿厚度方向收缩不均的结果。其主要有模腔表面温度不均、温度沿厚度方向变化和模具的热性质。（2）收缩不均（又称区域性收缩），是整个塑件收缩分布不均的结果。其主要影响因素有厚度不均、浇口位置、冷却系统的设计或冷却参数、成型条件。（3）分子方向性效应，是熔体流动沿平行及垂直方向收缩量不同的结果。其主要有分子方向性、玻纤配向、浇口位置、冷却系统的设计或冷却参数、成型条件[4]。 材料成型CAE课程专业论文

5 3.2.2结果分析

流动模拟分析结果可供评价和提取的信息很多，设计参考时可根据不同需要

来取舍。进行模具设计时，参考的主要技术指标是以下几点[5]：

(1)流动充填情况，型腔能否填满、流动场是否均匀；

(2)型腔压力场和温度场的分布情况；

(3)流动过程中的剪切应力和剪切速率是否超过材料许用值；

(4)熔接线的位置和数量；

(5)气穴位置，即排气槽位置的设置；

(6)冷却是否均匀，冷却时间是否足够短等。

图6从蓝色到红色表示充填的先后次序。评估充填情况质量的标准主要有两个:一是流动是否平衡，二是各个参数是否超过材料的许可值[6]。本方案的充填均匀。考察熔体前沿温度是检查熔体流动情况的方法之一，在熔体流动好的地方，前沿温度一直保持在较高的水平。图7中最大温度降为380℃，温度分布均匀。

图6.注射时间 图7.熔体前沿温度

图8表示型腔压力分布图，从图中可以看出所需注射压力为60.8MPa，压力分布均匀。图9所示为制件剪切速率分布情况，可以看出最大剪切速率为153491/s，没有超过材料的许可剪切应力。

图8.压力分布 图9.剪切速率 材料成型CAE课程专业论文

6 从图10中可以看出，绝大部分部位的剪切应力没有超过材料许可值0.5MPa，最大剪切应力为2.604MPa，出现在充填过程中的浇口位置。图11中黑色线条表示熔接线，图示大部分熔接线由于形成时温差小，该处温度接近注射温度，熔接线质量较好。图12中红色表示塑料制件上的气穴位置，位于型芯和分型面位置，容易排除，不会产生困气。

图10.剪切应力

图11.熔接线位置 图12.气穴位置

4.结论

经过分析，采用此次研究所用模拟参数：注射时间(2s)、模具温度(100C) ,熔体温度(320℃)、保压压力(80%)、保压时间(5s)、冷却时间(12s)即可得到满足工艺要求的塑料齿轮。

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参考文献：

[1]柯翼，金敬明.注塑成型中的工艺控制[J].橡塑技术与装备，2015，（14）：18-30.

[2]曹雄刚.基于模具CAE技术的塑料齿轮注射成型工艺参数的优化研究[D].兰州：兰州理工大学出版社，2008，1-68.

[3]曹雄刚,靳伍银,韩炎娜.塑料齿轮结构静力学的分析及成型工艺参数优化[J].机械制造，2008，（03）：124-130.

[4}阮跃.塑料齿轮的成型缺陷分析与对策[J].模具制造，2004，（03）：35-50.

[5]郑亮.高精度塑料齿轮项目中的工艺参数优化研究[D].上海：上海交通大学出版社，2008，1-56.

[6]郝一舒，倪贝多.基于Moldflow的精密塑料斜齿轮填充过程的研究[J].机械工程师，2008，（12）：45-53.