基于UG與MOLDFLOW雙分型小水口注塑模設(shè)計①

盧帥龍， 黃聰明， 黎懿維， 黃金培， 林 立， 林 權(quán)

(武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300)

0 引 言

由于過去的塑料制品大多是以功能導(dǎo)向為主，對于熔接痕、翹曲變形等注塑缺陷不夠重視，尤其是小塑件，在成型上常通過設(shè)計者或工程人員多年的經(jīng)驗來解決大部分的問題，但發(fā)現(xiàn)問題時多半是在模具制造完成之后[1～3]。如何能有效的預(yù)測出設(shè)計結(jié)果是否有缺陷，而且也可以重復(fù)執(zhí)行多次的分析也不會造成任何工藝設(shè)備損耗，在此以按鍵板為例，利用計算機(jī)輔助設(shè)計與工程分析軟件，結(jié)合材料商提供的詳細(xì)塑料材質(zhì)特性，探討成型方案、模具結(jié)構(gòu)等因素對注塑成型質(zhì)量的影響，分析可能出現(xiàn)的注塑缺陷，配合豐富的現(xiàn)場實踐經(jīng)驗加以設(shè)計優(yōu)化，將能大幅減少因為多次試模所造成的資源浪費，并可以有效控制產(chǎn)品質(zhì)量和加速產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)。

1 塑件工藝分析

模具行業(yè)三維設(shè)計的主流軟件Unigraphics NX，它不僅能為用戶產(chǎn)品設(shè)計及加工過程提供數(shù)字化造型和驗證手段，而且可以輕松實現(xiàn)各種復(fù)雜實體及造型的建構(gòu)，功能強(qiáng)大[4]。在此應(yīng)用UGNX8.0創(chuàng)建的按鍵板的三維模型如圖1所示，圖中ABCD四塊按鍵板同模成型，塑件厚度統(tǒng)一為3mm，A面板外形尺寸為32mm×44mm，B面板外形尺寸為37mm×42mm，C面板外形尺寸為36mm×22mm，D面板外形尺寸為42mm×62mm，塑件結(jié)構(gòu)相對簡單，生產(chǎn)批量大，精度等級為MT5，注塑原料為改性聚丙烯(PP-TD20)，要求模具型芯脫模斜度不大于30′，型腔脫模斜度不大于40′，表面粗糙度為Ra0.8μm。改性聚丙烯PP-T20，材料性質(zhì)如表1所示，該料加入20%滑石粉，目的是為了增加產(chǎn)品的剛性和提高尺寸穩(wěn)定性，減小收縮變形量。

表1 改性聚丙烯PP-TD20材料性質(zhì)

圖1 面板按鍵三維模型

圖2 模流分析系統(tǒng)

圖3 充填時間分析結(jié)果

圖4 熔接痕與流動前沿溫度分析結(jié)果

2 注塑成型模擬分析

2.1 創(chuàng)建模流分析模型

按鍵板為平板類零件，分型面的選取滿足使制件在開模后盡可能留在動模一側(cè)，因此分型面設(shè)計在塑件上表面，定模做成凹形，有助于后模設(shè)置的推出機(jī)構(gòu)動作。注射模的澆注系統(tǒng)構(gòu)成主要包括由主流道、分流道、澆口和冷料穴等，塑件采用小水口四點澆口澆注系統(tǒng)，模具采用雙分型面，選取HTF(80×A)型注射機(jī)噴嘴，噴嘴前段孔徑為3mm，圓弧半徑為11mm，噴嘴直徑取4mm，主流道采用圓錐形，錐角選用1°，主流道球面半徑為13mm，長度取45mm，分流道是卸料板下水平的流道，為了便于加工及凝料脫模，分流道優(yōu)先設(shè)置在分型面上，采用U型分流道，為了降低壓力損失和溫度損失，分流道的截面尺寸要稍大，為了滿足少彎折的要求，分流道采用由主流道底部為中心向四周展開直通點澆口的方式，按鍵板的澆注系統(tǒng)如圖2所示，設(shè)計分流道為上寬為7mm，下寬為5mm，小水口采用錐形，兩頭尺寸分別為4mm與1mm。冷卻水路根據(jù)塑件型腔布局以及模具加工的便捷性，采用直流循環(huán)模式，沿著ABCD四塊按鍵板外輪廓布置。各工藝參數(shù)采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)推薦參數(shù)：干燥：80℃-90℃ /3-4H，塑料溫度260℃，模具溫度60℃，保壓壓力56MPA，保壓時間10.0s，開合模時間3.0s，冷卻時間20.0s。

圖5 改進(jìn)后模流分析系統(tǒng)

圖6 改進(jìn)后熔接痕與流動前沿溫度分析結(jié)果

圖7 改進(jìn)后的塑件流動變形分析結(jié)果

圖8 模具裝配圖

2.2 模流結(jié)果分析

流動分析要檢視兩個結(jié)果，首先是塑料熔體是否能完整充滿型腔，第二是各型腔流動成型特性是否合理[5～6]，圖3為按鍵板充填時間分析結(jié)果，從圖中可以獲知，ABCD四塊按鍵板充填時間有差異，較小的按鍵板C充填完成時間約為0.23s，而較大的按鍵板D充填完成時間約為0.31s，尤其是外圍部分。圖4為按鍵板熔接痕與流動前沿溫度分析結(jié)果，從圖中可以看出，塑件充填前沿溫度為225℃至240℃，按鍵板不同位置的熔接溫度差達(dá)到15℃，尤其是圖4中圓圈標(biāo)注部分，普遍熔接溫度處于230℃以下，容易造成熔合印跡，甚至影響塑件的外觀質(zhì)量及力學(xué)性能。由參考文獻(xiàn)[7～8]獲知，不合理的澆注系統(tǒng)極易引起填充不足、縮痕、熔接痕等質(zhì)量缺陷，對于圖3和圖4模流分析出現(xiàn)的現(xiàn)象，可以從流道和澆口位置、數(shù)目、大小等方面提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計方案來提高注塑制品的表觀質(zhì)量。

2.3 成型方案優(yōu)化及分析

注塑成型加工及模具設(shè)計時，不僅需要保證熔體充滿型腔，又要減少流道系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng)給塑件帶來的成型缺陷[9～10]，在此根據(jù)本塑件的結(jié)構(gòu)特征，可知熔體流動產(chǎn)生分支料流幾乎是不可能避免的，所以只能從流道設(shè)計上進(jìn)行優(yōu)化。主流道尺寸形狀主要依據(jù)澆口套，主流道尺寸過大，不僅影響澆口套尺寸，還影響模架型號，如果設(shè)計太小，由于塑料熔體外層與模具接觸，冷凝速度快，會造成實際流通截面積的縮小，從模流流動分析結(jié)果獲知，主流道尺寸符合要求。分流道設(shè)計除了要求盡量保證平衡填充和補(bǔ)料之外，還需要注意流道系統(tǒng)的投影作用重心與鎖模力的中心接近，分流道的位置、大小及程度與澆口位置及數(shù)量密切相關(guān)，對于多澆口模具應(yīng)合理布置澆口位置與數(shù)量[11]。對于塑件需要添加分流道，增加澆口數(shù)量優(yōu)化熔接痕，應(yīng)該在原有的平衡的流道布局上進(jìn)行改進(jìn)，為了避免太大的流道截面徒增澆注系統(tǒng)凝料的重量，所以不改變分流道的截面尺寸，但根據(jù)ABCD四塊按鍵板不同型腔面積以及充填時間，需要增配二次分流道與小水口。在此應(yīng)用Moldflow最佳澆口分析設(shè)計模塊，分別對四塊按鍵板運行澆口位置分析，使用高級澆口定位器算法，并根據(jù)圖3充填時間分析結(jié)果，定義限制性澆口節(jié)點以指定不想放置澆口的區(qū)域，對不宜布置澆口位置的節(jié)點設(shè)置約束，對于D按鍵板使用該算法還可利用一次分析指定多個澆口位置，最后獲得最優(yōu)的流道與澆口布置系統(tǒng)如圖5所示。從圖5可以看出，AB兩塊按鍵板分別設(shè)置兩個點澆口，按鍵板C由于由于成型面積小，繼續(xù)保留一個點澆口，按鍵板D面積較大，增加到四個點澆口，其中一個澆口與按鍵板C共用一個二次分流道，最終按鍵板澆注系統(tǒng)由一個主流道，四個一次U型分流道，五個二次U型分流道，點澆口形狀尺寸保持不變。

圖6為改進(jìn)后熔接痕與流動前沿溫度分析結(jié)果，從圖中可以看出，塑件充填前沿溫度為239℃至240℃，按鍵板不同位置的熔接溫度差不到1℃，而且圖6中僅有個別幾處圓圈標(biāo)注部分，熔接溫度略低，ABCD四個按鍵板的熔接溫度幾乎相同，都達(dá)到了較高的溫度240℃，保證了熔接痕的熔接的強(qiáng)度。圖7改進(jìn)后流動變形分析結(jié)果，可以看到優(yōu)化后各個型腔的變形量分布均勻，塑件大部分區(qū)域的變形量處于0.06mm以下，而且ABD三個按鍵板的最大翹曲變形量都沒有超過0.1mm，僅有按鍵板C的框架部分外緣略有達(dá)到0.1mm的變形量，總體上變形總量小，達(dá)到了很好的平整度。

3 注塑模結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過應(yīng)用模流分析軟件對按鍵板進(jìn)行了注塑過程模擬，預(yù)測了成型系統(tǒng)的可行性與合理性，在此基于模流分析結(jié)果進(jìn)行注塑模具結(jié)構(gòu)總體設(shè)計，如圖8所示。

注塑模成型零部件主要包括凹模(型腔)和凸模(型芯)，考慮到設(shè)計冷卻水路布置要求，型腔采用嵌入式結(jié)構(gòu)，選取配合H7/m6，保證型腔的定位需求，根據(jù)塑件的尺寸形狀，確定型腔長×寬×厚=140mm×130mm×25mm，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖8中型腔8所示，型腔板通過四角的螺釘孔鎖附在定模板上，并在型腔板四周設(shè)置倒角。型芯9同型腔8亦采用嵌入式結(jié)構(gòu)，兩成型零件都設(shè)計有一條直流循環(huán)式水路環(huán)繞一周，為避免注塑生產(chǎn)過程中發(fā)生滲水等現(xiàn)象，在水路邊緣采用堵頭螺牙密封。類似于型腔板，型芯板也通過四角的螺釘孔鎖在動模板上，型芯9的四周也設(shè)有倒角，但不同的是型芯9上的通孔為頂針25的頂出孔，為了便于在成型脫模時頂出產(chǎn)品。注塑模具各模板的厚度是標(biāo)準(zhǔn)化的，需要合理選擇，特別有兩個尺寸需要注意，首先是型腔與型芯底板厚度要大于11 mm，在此選取型腔底板厚度為36.5mm，型芯底板厚度為50.5mm，其次是頂針推出距離要符合推出距離要求，在此選取15 mm，所以確定注塑模架的長×寬= 230mm×250mm，如圖8中所示，其中定模板7厚度可取為60mm，動模板10按模架標(biāo)準(zhǔn)板厚取80mm，動定模板縫隙取1mm，墊塊14取尺寸為65mm，然后即可確定推板16尺寸為250mm×140mm×15mm，頂針固定板15尺寸為250mm×140 mm×20 mm，定模座板5取尺寸為280mm×250 mm×30 mm，動模座板18取尺寸為280mm×250 mm×25 mm，最后確定模架型號為FCI-2325-A60-B80-C80-L230。由于按鍵板塑件為小塑件，而且成型截面小推出力需求不大，脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計時優(yōu)先考慮推桿(頂針)推出方式，另外設(shè)置頂針的自由度大，而且頂針截面為圓形，制造更換也方便，容易達(dá)到頂針與模板或型芯型腔上頂針孔的配合精度，圖8中頂針25主要布局在塑件成型截面較大部位，拉料桿20主要設(shè)計在塑件點澆口上方，是為了使得模具開模時，澆注系統(tǒng)凝料能遵從澆口處斷開，并將澆注系統(tǒng)冷料拽留在推料板6上，實現(xiàn)第一次分型的目的分離澆注系統(tǒng)，當(dāng)推料板6運行至行程拉桿3長度，行程拉桿3通過螺栓2固定在定模座板5上，第一分型面則停止打開，繼而主分型面在定模板7與動模板10之間打開，通過固定在頂針固定板10上的頂針25將產(chǎn)品推出模外，完成脫模。脫模完畢后，在安裝在復(fù)位桿12上彈簧13的作用下，推板16與頂針固定板15返回原位，頂針25隨之復(fù)位，準(zhǔn)備合模進(jìn)行下一次注塑。

4 結(jié) 語

傳統(tǒng)注塑模具設(shè)計主要依靠經(jīng)驗傳承及試模的設(shè)計方式，常出現(xiàn)模具制作完成才發(fā)現(xiàn)問題的困惱，造成成本的消耗與效益的降低。以按鍵板塑件為例，通過UG建模與MOLDFLOW模流預(yù)測分析，獲知由于各型腔塑件成型面積不同，采用雙分型小水口四點澆口澆注系統(tǒng)，極易造成塑件充填時間差異，或出現(xiàn)各型腔熔接處溫度差別大的現(xiàn)象，最大溫差達(dá)15℃，對塑件的外觀質(zhì)量及力學(xué)性能影響顯著，在此通過對流道位置、澆口數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過增配二次分流道與小水口，增加澆口數(shù)量優(yōu)化熔接痕，使得不同位置的熔接溫差不到1℃，保證了熔接痕的熔接的強(qiáng)度。同時采用直流循環(huán)模式冷卻水路，既簡化了模具，又滿足了成型冷卻需求，通過模流分析獲知改進(jìn)后的雙分型小水口九點澆口澆注系統(tǒng)可行，產(chǎn)品的翹曲變形量最大僅有0.1mm，變形總量很小，達(dá)到了很好的平整度。通過運用計算機(jī)輔助設(shè)計與工程分析進(jìn)行按鍵板注塑模結(jié)構(gòu)設(shè)計，實踐證明該模具結(jié)構(gòu)符合生產(chǎn)要求，產(chǎn)品質(zhì)量合格。

通過計算機(jī)輔助設(shè)計與工程分析，準(zhǔn)確的預(yù)測了塑件成型特性，使設(shè)計者能在設(shè)計階段即發(fā)現(xiàn)問題點與發(fā)生原因，再配合豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗加以進(jìn)行設(shè)計變更，有效率的預(yù)先知道問題并解決問題，減少試模的次數(shù)與修模的費用，也縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間，有效的降低成本與增加利潤，該方法可為相關(guān)模具設(shè)計從業(yè)者提供理論參考。

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