高铁接触网塑料管帽成型工艺与模具设计

　　塑料管帽是接触网腕臂系统的主要组成部件，安装于腕臂端部，起到保护腕臂不被腐蚀的重要作用。新型的轻量化腕臂需要新型的管帽产品与之匹配，开展管帽成型工艺与模具设计研究，对提高管帽产品质量，进而保护腕臂系统有着重要意义。本文以新型塑料管帽为研宄对象，采用仿真与实验相结合的方法，基于注塑模流分析软件Ｍｏｌｄｆｌｏｗ，开展了新型塑料管帽的成型工艺与模具设计研究。
�崳姳疚牡闹饕�研究内容和结论如下：
�崳姡ǎ保┮谰莶�品图纸，采用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件建立了新型管帽塑件的三维模型，并考虑其结构特征，构建了塑料管帽模流分析的仿真模型。
�崳姡ǎ玻┗�于管帽塑件注塑工艺方案的模流分析，设计出了合理的浇注系统和冷却系统方案。管帽塑件充型合理、散热均匀、冷却时短、生产效率高。
�崳姡ǎ常┩ü�虚拟正交试验并基于注塑模拟技术，应用Ｍｏｌｄｆｌｏｗ软件对试验方案进行注塑模流仿真分析，优选了注塑工艺参数，并针对显著影响产品质量的熔体温度和保压压力等工艺参数进行了深入分析，确定了最终的工艺方案。
�崳姡ǎ矗┮谰菟芰瞎苊钡哪Ｄ夥治鼋峁�，应用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件完成了塑料管帽模具的结构设计，并针对模具的各组成零件制定了相应的加工工艺，完成了管帽模具的制造加工。
�崳姡ǎ担├�用优选的注塑工艺参数，完成了新型塑料管帽的样品试制，样品的尺寸检测结果表明，样品的尺寸满足图纸要求，与腕臂型材装配良好。本文所采用的研宄方法对开展塑料件成型工艺研宄与塑料模具开发具有一定的指导意义，所取得的成果具有重要的工程应用价值。�崳�

关键词：塑料管帽,注塑成型,Ｍｏｌｄｆｌｏｗ,工艺参数,模具设计�崳� 　　Ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｃａｐ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｗｒｉｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ，　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ�崳椋睿螅簦幔欤欤澹洹。幔簟。簦瑁濉。澹睿洹。铮妗。簦瑁濉。鳎颍椋螅簟。幔颍怼。幔睿洹。穑欤幔�ｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗｒｉｓｔ�崳姡幔颍怼。妫颍铮怼。悖铮颍颍铮螅椋铮睿�　Ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ　ｗｒｉｓｔ　ｎｅｅｄｓ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆｃａｐ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｔｏ�崳姡恚幔簦悖瑁�　Ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｃａｐ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｍｏｌｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，　ｗｉｌｌ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ�崳姡瘢酰幔欤椋簦�　ｏｆ　ｃａｐ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ，　ａｎｄ　ｔｈｕｓ　ｐｒｏｔｅｃｔ　ｔｈｅ　ｗｒｉｓｔａｒｍ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｏｆ　ｇｒｅａｔ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．　Ｉｎ�崳姡簦瑁椋蟆。穑幔穑澹颍�　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｃａｐｉｓ　ｔａｋｅｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ．　Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ�崳姡螅椋恚酰欤幔簦椋铮睢。幔睿洹。澹�ｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅｍｏｌｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｍｏｌｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｃａｐ�崳姡幔颍濉。悖幔颍颍椋澹洹。铮酰簟。猓幔螅澹洹。铮睢。停铮欤洌妫欤铮鳌。幔睿幔欤�ｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．�崳�
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ＫＥＹＷＯＲＤＳ：　ｐｌａｓｔｉｃ　ｃａｐ,ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｌｄｉｎｇ,Ｍｏｌｄｆｌｏｗ,ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ,ｍｏｌｄ�崳洌澹螅椋纾睿�

　　近年来，塑料产品以其质量轻、耐腐蚀等优良的性能在各行各业中广泛应用，市场上对于塑料产品的需求量几乎成倍增长。塑料产品的广泛应用也使塑料机械和塑料模具行业呈现高速成长的发展态势。如何提高塑料制品的质量、缩短开发周期、提高生产效率成为该领域的重要研究内容。
　　塑料注射成型是制造业中的重要组成部分，采用有限元注塑模拟手段研究塑料成型对提高塑料产品质量具有重要意义。应用注塑模拟手段可以帮助设计人员优化成型工艺，改进模具结构，指导设计人员从产品结构、成型工艺、生产材料和模具结构等方面分析出现的问题，从而达到提升产品质量、降低生产成本、缩短模具开发周期的目的。
　　我国高速铁路正处于一个快速发展的时期，高速铁路里程正在不断增加。接触网系统是铁路牵引供电系统的主体和关键，接触网系统零部件的质量直接关系着行车的稳定与安全。管帽是接触网腕臂系统的主要组成部件，起到保护腕臂不被腐蚀的重要作用，随着高铁接触网系统的轻量化改造，腕臂系统进行了轻量化设计，采用了型材结构，既保证其使用强度，又减轻重量节省材料。
　　新型接触网塑料管帽采用注塑成型的加工方式进行生产。为了获得期望的注塑制品质量，大量学者和科技人员进行了深入的研究，有人试图改进注塑机的控制系统，经过改造的控制系统可以精确控制注射速度、注射量、保压压力、塑化量、螺杆转速、背压、机筒温度、喷嘴温度和锁模压力等重要工艺变量。有人试图改进注塑成型的成型工艺，有人在成型的材料上进行了深入研宄，提高原材料性能，但不论是哪种思路来提高注塑制品的成型质量，都需要有大量的试验数据来支撑验证。庞大的试验过程，既浪费时间，又消耗成本，而采用计算机模拟仿真技术，利用先进的模拟软件来模拟仿真整个注塑分析的过程，可以降低研究成本，缩短研究时间，是近阶段国内外材料加工行业普遍重视的研究手段，模拟仿真技术的应用具有重要的工程意义。
　　由于新型塑料管帽本身的结构较为复杂、材料本身的成型性能差，使管帽的生产制造存在较多困难，如材料流动性能差、表面熔接痕多、翘曲变形大、关键尺寸不好保证等问题。运用注塑模拟技术是解决其上述问题的有效手段，采用有限元模拟可以提前预测产品的成型质量、制定研究工艺方案，并依据模拟结果指导模具结构设计与制造。
　�姡停铮欤洌妫欤铮魅砑�是在注塑模拟仿真过程中应用范围最广泛的软件之一，软件具有完备的注塑成型仿真功能。这些功能使客户可以对产品的成型过程进行深入的分析和优化。Ｍｏｌｄｆｌｏｗ使用户可以对制件的几何形状、材料的选择、模具设计及加工参数设置进行优化以获得高质量的产品，可以预测并消除潜在的加工问题，并优化产品设计、模具结构和注射成型过程本身。Ｍｏｌｄｆｌｏｗ产品全面涉及塑料成型过程有关的加工问题和制品的几何形状设计。其主要功能可以在制作模具之前，有效地预测产品的各种缺陷，分析其最佳的成型工艺参数，而且在设计模具的方案上，可以通过模拟仿真计算，优化浇注系统和冷却系统，使这两种系统可达到最佳效率。在模具设计方面，目前主流的设计软件有ＵＧ、Ｐｒｏ／Ｅ、ＳｏｌｉｄＷｒｏｋｓ，借助计算机辅助设计软件可以提高模具结构合理性、充分发挥设计人员的主观能动性，进而提高产品质量、降低生产成本。
　�姳究翁饫丛吹际Τ械５幕�于模流分析的注塑件成型工艺优化和模具开发研究课题，以高铁接触网塑料管帽为研究对象，开展注塑工艺方案模拟和模具开发工作。本论文主要包含以下研宄内容：
�崳姡ǎ保├�用Ｍｏｌｄｆｌｏｗ注塑成型模拟软件，对产品进行充填、保压、冷却、翘曲模拟，设计合理的浇注系统和冷却系统。
　　（２）分析对比模拟结果，确定合理的成型工艺。
　　（３）利用软件试验设计模块，设计正交试验，进一步优化成型工艺参数。
　�姡ǎ矗┥杓颇＞呓峁梗�并制定加工方案。
�崳姡ǎ担┮谰萃萍龅墓ひ詹问�，完成样品试制。
�崳姷苯袷澜纾�塑料越来越多成为金属的替代品，成为工业原料的重要支柱。注塑加工成型是塑料加工的一种重要手段。按重量比计算，大约３２％的塑料产品是注塑成型加工出来的。注塑成型需要模具和注塑机两个设备来配合完成，是一种注射兼模塑的成型方法，常用方法是将高分子粒料或粉料放入进注塑机的料筒内，通过机筒的加热和螺杆的压缩、剪切，使物料转化成熔融态，然后在注塑螺杆的推动下，将高温的熔料经喷嘴和浇道系统注入闭合的模腔中，经保压、冷却定型后，开启模具，取出制品，得到具有设定几何形状和尺寸的塑料制品，注塑成型。
�崳娮⑺艹尚偷挠诺闶强梢跃�济地制造数量无限但却只须作少量或完全无需修整的成型件。由于在机器、模具和辅助设备上的投资费用较高，它更适用于大批量的生产过程。注塑过程由注射、保压、塑化和冷却等阶段组成，而每个阶段的各种参数变量和过程变量的综合作用决定了最终的制品质量。不同模具、不同注射速度曲线和不同材料对注塑产品的质量都起很大的影响。因此，要获得期望的制品质量，必须对整个注塑过程进行深入细致的研究。一个完整的注塑过程是由合模、注射座前进、注射、保压、塑化、冷却、开模、顶出制品等程序组成的。
　　模具行业是制造业的重要组成部分，具有广阔的市场前景。模具行业在我国的经济发展中占有重要地位，工业先进的发达国家均集中资源大力发展模具行业。普遍认为：“模具工业是现代工业发展的基石”。模具的种类有很多，按用途和功能的不同可以分为冲压模具、锻压模具、铸造模具和塑料模具等。其中塑料模具根据其成型方法的不同又可细分为注塑模具、压塑模具、挤塑模具和吹塑模具等，注塑成型在塑料制品成型中占有很大比重，世界上塑料成型模具的产量半数以上是注塑模具。注射模具由动模和定模两大�崳姴糠肿槌伞６�模安装在注射机的移动模板上，在注塑机的锁模机构的驱动下可往复运动，定模安装在注射机的固定模板上固定不动。
　　根据模具中各个零件的不同功能，注塑模具可以由以下七个部分组成：
　　（１）成型零部件注塑模具的成型零部件是指构成模具型腔的零件，通常包括型腔（凹模）、型芯（凸模），以及其中的成型杆和成型镶块。按功能划分，成型零部件可分为安装部分和工作部分。安装部分起安装和固定成型零件的作用；工作部分与塑料直接接触，用来成型塑件。成型零部件工作部分的形状和尺寸决定塑件的形状和尺寸。
　　（２）浇注系统浇注系统是将熔融塑料引向闭合型腔的通道。浇注系统分为普通流道浇注系统和无流道浇注系统两大类。普通流道浇注系统即为平常所说的冷流道浇注系统，无流道浇注系统即为热流道系统。
　　１）冷流道系统
　�娎淞鞯老低秤芍髁鞯馈⒎至鞯馈⒔娇凇⒗淞涎ㄗ槌伞Ｖ髁鞯朗撬芰先厶褰�入模具型腔最先经过的流道，其形状为圆锥形，便于充型和取件，注塑机打出的熔料沿主流道进入至分流道。分流道的界面形状有多种形状，合适的分流流道形状可以降低流道阻力，减少热量损失。浇口也称进料口，是高温熔料进入模腔的最后一段通道。浇口是浇注系统的重要组成部分，形式主要有直浇口、侧浇口、护耳浇口、潜伏式浇口以及点浇口等等。冷料穴是捕集料流前方的“冷料”，防止其进入型腔影响产品质量。
　　２）热流道系统
　　热流道系统是通过对模具的浇注系统采用绝热或加热的方法，使流道内的塑料始终保持熔融状态，这样浇注系统将不会存在浇注凝料，避免了原料的浪费，提高了产品的出品率。这样同时避免了浇注系统中热量和压力的损失，有利于提高产品质量，可成型较大尺寸的塑件，还可缩短注射成型周期，容易实现自动化生产，但制造成本较普通模具成本较高。
　　根据热喷嘴的形式不同，通常热流道系统可分为开放式热流道系统和针阀式热流道系统。开放式热流道系统通常是开放式热喷嘴与微型半热流道组合使用，流道系统结构简单，熔体流动性好，避免出现拉丝、漏料、浇口堵塞等问题，实际生产中开放式热流道系统应用较多。针阀式热流道系统通常是针阀式热喷嘴和全热式热流道组合使用，与开放式热流道系统相比，其喷嘴处多了一套可控制喷嘴开闭的针阀装置，通过控制各浇口的开关时间，分别控制和调整各分流道熔体的流动射入状态。针阀式热流道适合大多数塑料，浇口痕迹细微，表面质量易于控制，尤其适合于尺寸相差悬殊的一模多腔模具和形状复杂的多浇口模具使用。
　　（３）导向装置�崳�
　　导向装置是为了保证模具在注塑过程中开模和合模位置准确，进一步保证内腔形状和尺寸的精度。导向装置通常是由导柱和导套组成，对于较高精度要求的产品，导柱和导套需要增设锥面定位装置或增加定位块辅助装置来辅助定位。导向装置通常设置在模具的四角，当注射压力很大的时候，导向装置会承受较大的侧压力从而保证模具不会出现位置错动，保证模具的成型精度。
　　（４）温度调节系统�崳�
　　温度调节系统的设置是为了控制模具温度，使其满足注塑工艺要求。温度调节系统主要包括模具冷却系统和模具加热系统。设置冷却系统设置是为了在注塑后期加快制品冷却，缩短成型周期。冷却系统常见的形式是在保证模具强度的基础上，对模具的凹模和凸模钻设冷却水道，通过冷却水的循环流动带走模具热量；加热系统目的是在制品成型前期提高模具温度，以满足工艺要求。除在水道通热水或热蒸汽外，还可在型芯和型腔周围安装加热元件。
　　（５）顶出机构�崳�
　　注塑过程结束后，需要将有一定收缩量的制品从模具的型芯上顶出，这时在模具中设置顶出机构，包括推板固定板、推板、顶针，通过注塑机推动推板固定板，带动顶针顶出制件。顶出机构往往还包括复位杆，其作用是在合模的过程中带动顶杆恢复原位。�崳姡ǎ叮┎嘞蚍中陀氤樾净�构�崳姷彼芗�上带有侧孔或侧凹结构时，在塑件被脱模之前必须先侧向分型，进行侧向抽芯，完成上述动作的零部件称为侧向分型与抽芯机构。
　　（７）模架�崳�
　　模架是由不同作用的钢板组合而成，是整套模具的骨架。一种是由于需要生产的制品不同，厂家会选择向模架制造商订购模架或自己生产组装模架；另一种是标准模架，模具行业经过长期发展，标准化模架己设计的相当成熟，款式多元化，可以即买即用，缩短开发周期，所以注射模具大多采用标准化模架。模架主要包括：动模座板、定模座板、动模板、定模板、垫块、模底板、导向机构、顶出机构及其他连接配件。
　　注塑模拟技术是通过建立高分子聚物的物理和数学模型，基于有效的数值方法，以计算机为计算工具，模拟塑料注塑成型的一门分析技术。伴随着计算机技术的快速发展，注塑模拟技术的兴起与发展为注塑行业的发展提供了很好的技术辅助手段。随着模拟分析软件的不断更新和改进以及计算机性能的不断提高，注塑模拟技术极大地提高了工程技术人员的工作效率。注塑模拟技术可以辅助工作人员对产品结构和模具结构做出精确的判断，可以优化成型工艺，提高生产效率，降低模具的开发周期和生产成本。
　　从注塑成型模拟技术面世以来，国内外都是通过建立合理的数学模型和优化数值计算方法来进行仿真模拟优化方面的研究。早在２０世纪５０年代，美国学者就对高分子聚合物的数值模拟建模工作进行了一系列的研宄，同一时期，瑞士学者建立了与挤出成型相关的重要的模型。１９５９年，Ｂｅｒｈａｒｄｔ就成型建模过程中存在的诸多问题进行了总结。Ｍｃｋｅｌｖｅｙ首次在书中成功地描述出了一种方法，该方法应用质量守恒原理和及变相原理来描述问题。Ｔａｄｍｏｒ和Ｋｌｅｉｎ首次建立起塑化挤出成型的完整的模型。２０世纪７０年代初期，有关塑化挤出模拟的软件ＥＸＴＲＵＤ已商品化，该软件很大程度上是基于Ｔａｄｍｏｒ和Ｋｌｅｉｎ书中所描述的模型。
       ２０世纪７０年代以来，很多大学和企业的研究者们都致力于注射、挤出和其他工艺的计算模型的研宄。然而，这些计算模型对加工技术产生的影响并不大，直到１９７８年才产生了第一个注塑成型充填阶段的模拟软件Ｍｏｌｄｆｌｏｗ。随后相继出现了　Ｃ－ＭＯＬＤ、ＰＯＬＵＦＬＯＷ、ＮＥＫＴＯＮ和ＰＯＬＹＣＡＤ等有限元模拟软件，并广泛应用于注塑成型过程中，模具设计逐渐成为依附科学预测的工程科学。
      我国注塑模拟技术研究开始于２０世纪７０年代末，发展也很迅速。早期的开发工作仅限与注塑模具ＣＡＤ系统研宄。到９０年代受国外引进的先进的注塑模具注塑模拟技术的影响，才开始进行较复杂的研宄。由于开发ＣＡＤ／ＣＡＥ系统需要较系统成熟的图形软件支撑，而在８〇年代中期，国内还没有较好的图形软件，当时ＡｕｔｏＣＡＤ系统的引入，使绝大部分二次开发软件都是基于这样一个平台，因此，国内自行开发的注塑模具ＣＡＤ／ＣＡＥ系统大多是在此系统上进行的。
�崳娀�中科技大学系统而深入的开展了塑料注塑成型仿真软件系统的研究和开发。从１９８９年推出的ＨＳＣＡＥ１．０版到２００５年的ＨＳＣＡＥ６．１０版，经历了从２Ｄ到３Ｄ分析，从实用化到商品化，从局部试点到大面积推广应用的进程，成功的研发了具有中国特色、达到当前国际先进水平的商品化塑料注塑成型集成化仿真系统ＨＳＣＡＥ６．１０版。从１９８３年起，上海交通大学针对注塑模具在计算机上的应用开展了全方位、多层次的研究，并首次实现了在注塑模具的ＣＡＤ系统中引入人工智能技术。１９８７年，开发的注塑模具ＣＡＤ在大型塑件的设计上系统取得了实际性的应用。郑州工业大学模具研究所自１９８７年开始投入模塑模具及注塑成型加工技术的研究与开发，经过十余年的努力，终于开了具有我国自主知识产权的注塑模拟成型软件Ｚ－Ｍ〇ＬＤ［２（）］。从１９９４年起，浙江大学针对解决像录像带塑料等精密模具的设计制造问题，开发设计了一套精密注塑模ＣＡＤ／ＣＡＥ系统。该系统是以ＵＧ为图形支持平台，以Ｍｏｌｄｆｌｏｗ实现计算机辅助分析，主要以特征造型来构造产品模型，解决了几何造型系统不能表达工艺信息等问题。各科研院所经过十多年的不懈努力，在注塑模ＣＡＤ／ＣＡＥ领域取得了长足的进步，软件的国有化比重不断增加。
�崳娮⑺埽茫粒欧治鲎魑�一项跨学科的数值模拟分析技术，己经成为现代设计方法的主要手段和工具。注塑模拟技术，以计算机为硬件支持，可以直观形象地把注塑成型中的充填、保压和冷却等直观的呈现在用户面前，定量地给出了成型过程中的状态参数以及缺陷参数。因此，进行注塑成型方面的模拟优化研宄，有利于改善模具结构、优化塑件结构和实际塑件注塑生产都有重要的现实工程意义。
�崳娮⑺艹尚停茫粒偶际跻殉晌�改善塑料产品研发、模具设计制造中存在的薄弱环节的有效途径。与传统的模具设计相比，近几年，塑料注射成型技术在汽车、家电、电子通信、化工和日用品等领域得到了广泛应用。但国内的ＣＡＥ技术同国外相比仍然存在一定的差距，国内需要不断积累建立自己的模拟技术。
�崳娔壳埃�注塑成型模拟技术主要应用于以下几方面：
�崳姡ǎ保┯呕�塑料产品结构。塑件的壁厚、大小、形状、浇口的位置、数量以及流道系统的尺寸等都对塑件的产品质量有着重要影响。利用注塑模拟软件对其模流分析，并综合现场经验，可以有效地降低产品成型缺陷产生的概率和资源浪费，避免造成不必要的损失。
�崳姡ǎ玻┯呕�塑料模具的结构。主要可对塑料件的浇口位置、浇口数量、浇注流道的形状及尺寸以及冷却系统的布置和尺寸等对产品质量影响较大的部位，在模具开发前期进行优化，在计算机上模拟提前预测其可能出现的问题，从而进行避免，最终设计出最佳模具结构。
�崳姡ǎ常┯呕�成型工艺参数。成型工艺是塑件成型的关键所在，大部分成型缺陷可以通过调改工艺参数而进行避免。通过有限元模拟分析，可以提前制定较好的成型工艺参数，减少试模次数，从而提高生产效率，降低原料的浪费率。
�崳娪纱丝杉�，注塑模拟技术无论在保证产品质量、提高生产效率和缩短模具设计制造周期上都具有明显的优势和显著的经济效益。

高铁接触网塑料管帽成型工艺与模具设计研究：