基于Moldflow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:yangwm@https://www.360docs.net/doc/f09218183.html,

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：B

1.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Moldflow MPI6.1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。

图1 塑料齿轮模型

Fig1 Plastic gear model

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Celcon M750: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。

图2 塑料齿轮不同浇注系统设计方案

Fig2 Different gating systems of plastic gear

4.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（Fill time）结果如图3所示，流动前沿温度（Temperature at flow front）结果如图4所示，翘曲（Deflection, all effects: Deflection）结果如图5所示。

图3 填充时间结果

Fig3 Fill time results

图4 流动前沿温度结果

Fig4 Temperature at flow front results

图5 翘曲结果

Fig5 Deflection results

根据最大剪切速率结果(Shear rate, maximum)得到不同方案下的最大剪切速率，根据体积收缩率结果(V olumetric shrinkage (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(Pressure at injection location: XY Plot)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.1 Comparison between different gating system

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1 2.238 19.6(205.7-225.3)11.47 23.17(1.68-24.86)66009 0.7836 方案2 2.450 36.2(189.2-225.4)12.76 23.21(1.67-24.88)95801 0.7572 方案3 2.659 33.2(192.1-225.3)15.33 23.21(1.65-24.86)97133 0.7544 方案4 3.448 10.1(215.6-225.7) 5.868 23.45(1.76-25.21)10316 0.8347 方案5 3.084 32.1(193.9-226.0)13.33 23.25(1.68-24.93)73315 0.7647 方案6 1.695 15.6(209.8-225.4) 3.545 23.13(1.82-24.95)9583.1 0.6300

方案7 1.723 5.6(219.7-225.3) 2.813 23.16(1.84-25.00)4945.7 0.6545 方案8 1.705 11.9(213.5-225.4) 3.850 23.13(1.82-24.95)8219.7 0.6774 方案9 1.531 8.3(216.8-225.1) 1.113 23.01(1.84-24.85)813.8 0.6836 方案10 1.951 9.7(216.3-226.0) 5.315 23.14(1.80-24.94)9978.7 0.6543 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.

Design gating system of plastic gear based on Moldflow

Yan Zhiyun, Xie Pengcheng, Ding Yumei, Yang Weimin

Institute of Mechanical and Electrical, Beijing University of Chemical Technology, Beijing, PRC,

(10029)

Abstract

As the plastic gears have very good performance such as smooth running、low noise、small inertia、self-lubricating、anti-corrosion and low cost, plastic gears have been used in many fields. In the injection molding of plastic gear, suitable gate location and gate form and reasonable process parameters can reduce warpage of plastic gear, thereby the accuracy of plastic gear can be

improved. In this paper, ten kinds of gating systems for injection molding of standard involute spur plastic gear were designed and then the injection molding process of plastic gear with different gating system was simulated and analyzed by Moldflow. The best gating system was finally chosen by comparison of analysis results. This article also proves that the mold structure include gating system can be optimized by CAE software Moldflow. So the efficiency of mold designing and the quality of plastic products improve greatly.

Keywords: injection molding; Moldflow; MPI; plastic gear; gating system

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。