一種集成電路包裝管的有限元分析及模具優(yōu)化

石國軍，張德龍，曾 碩

（1.甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水；2.天水華天集成電路包裝材料有限公司，甘肅 天水）

1 研究背景及現(xiàn)有技術(shù)

1.1 研究背景

本項目是由天水華天集成電路包裝材料有限公司提出對一種集成電路元件包裝管的生產(chǎn)模具需要進(jìn)行優(yōu)化，從而可以提高零件生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，而且可以降低生產(chǎn)成本的集成電路元件包裝管擠出模具設(shè)計。

1.2 現(xiàn)有模具技術(shù)

集成電路元件包裝管壁厚一般取0.5～0.8 mm 之間，且具有高的抗沖擊、抗彎強(qiáng)度、有高的透明度以及環(huán)保等方面的因素影響。目前使用的生產(chǎn)原料大多選取物美價廉的改性PVC 塑料粉末，而純聚氯乙烯是非結(jié)晶熱敏性塑料,它沒有明顯的熔點，在80～85 ℃就要開始軟化，130 ℃時變可呈塑狀，180 ℃時就開始具有一定的流動性能，塑料長時間受熱都會發(fā)生降解甚至脫出氯化氫等現(xiàn)象，制品顏色一般會從淺紅色- 淺黃色- 紅色-褐色- 黑色（炭化）發(fā)生變化，擠出成型溫度應(yīng)按制在玻璃化溫度到熔融溫度之間，熔融溫度與分解的溫度特別接近，加工工藝溫度必須按制得很嚴(yán)格；黏度大，流動性差，成型難度很大；硬質(zhì)聚氯乙烯制品的抗沖擊性能較差，有較大的缺口敏感性。因此聚氯乙烯在一般成型加工中必須加入足量的穩(wěn)定劑、潤滑劑以及沖擊改性劑等加工助劑來改良特性[1]。現(xiàn)在國內(nèi)生產(chǎn)這一類產(chǎn)品依然處于較低水平，使用的模具采用的大多都是傳統(tǒng)的組合式結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 組合式模具結(jié)構(gòu)

2 有限元建模與分析

2.1 PVC 異型材塑件厚度分布不均

大部分區(qū)域的厚度介于0.75～0.77 mm，但是凹字型部分區(qū)域的厚度過薄，如圖2 所示。根據(jù)異型材結(jié)構(gòu)和PVC 材料特性設(shè)計的擠出模具流道流道包括入口部分、喉頸、擴(kuò)張段、連接段、壓縮段和成型段，根據(jù)流道結(jié)構(gòu)，取其不同截面的切片為研究對象，如圖3所示。

圖2 異型材塑件

圖3 擠出模具流道模擬

2.2 模擬分析

2.2.1 流速分布

我們通過對流道建模發(fā)現(xiàn)各區(qū)段的截面速度分布不均勻，如圖4 所示。切片③處可以明顯見到截面積較大的區(qū)域。切片④處流速快慢差距變得明顯。切片⑤處流速快慢差距變小，幾乎是均勻分布。模頭的藍(lán)區(qū)處彎道結(jié)構(gòu)的面積過大，引入了過多熔膠，導(dǎo)致平面④速度分布不均。平面⑤處(出口平面)顯示流率相對均勻，如圖5 所示。

圖4 各區(qū)段的截面速度

圖5 平面5 流速分段

2.2.2 流動及速率分布

彎道結(jié)構(gòu)的入口空間較大，大量的熔膠往此流動。進(jìn)入到切片④之后，由于速度分布不均，熔膠稍微橫向流動，以達(dá)到切片⑤均勻流速的狀態(tài)。但是在彎道結(jié)構(gòu)的末端，由于截面積的縮減，導(dǎo)致剪切速率過高。

2.2.3 溫度分布

彎道結(jié)構(gòu)的截面積太大，流率過高，導(dǎo)致剪切生熱，因此溫度也較高，PVC 材料如果溫度過高，會釋放對人體有害的氣體，應(yīng)避免溫度過高，此結(jié)果與剪切速率可相互印證。

通過分析各區(qū)域的平均溫度并無太大的變化，不至于影響冷卻不均、收縮變形。

2.3 分析結(jié)果

2.3.1 流率與溫度分布

從流率分布、溫度分布未看出太明顯的缺陷，模頭出口的流率均勻，無明顯的快慢差異。模頭出口的平均溫度均勻，無明顯特別高溫的區(qū)域。模頭出口的模壁溫度分布，在凹字型區(qū)域雖有較明顯的高溫，但溫度差異不超過5 ℃，理論上不會對冷卻收縮造成太大的影響。

2.3.2 產(chǎn)品翹曲變形的主要原因

應(yīng)該和模頭本身的關(guān)系不大，與冷卻階段有較大的關(guān)系，需要更進(jìn)一步得知冷卻水路的排列、分布情形，我們推測，凹字型區(qū)域沒有被適當(dāng)?shù)慕禍兀虼嗽诶鋮s階段，此區(qū)域是最慢被冷卻固化的，造成凹字型區(qū)域收縮變形以及厚度變薄。

3 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

該包裝管擠出模具優(yōu)化不僅可以提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，而且可以降低生產(chǎn)成本，降低工人的工作量。優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，如圖6（a）所示。

圖6 優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)

3.1 快速拆卸模具零件

件3 芯模（設(shè)有內(nèi)六角孔方便拆裝）、件4 口模、件7 分流錐（芯模支架板）和件9 機(jī)頭過渡體按照單件制作并進(jìn)行螺紋連接。

3.2 形成互換結(jié)構(gòu)

件3 芯模與件4 口模，設(shè)計成可互換結(jié)構(gòu)，只要通過螺紋連接快速更換不同型號的芯模與口模，就可以實現(xiàn)不同型號的產(chǎn)品生產(chǎn)。

3.3 形成氣通路

件3 芯模與件7 分流錐（芯模支架板）上設(shè)計出通氣孔，組成一條氣通路，使管胚內(nèi)外氣壓相當(dāng)，在引管時不用尖針扎管胚的方式來達(dá)到內(nèi)外氣壓一致，就能很快將管胚引入到定型模具里抽真空成型。

3.4 降低調(diào)模強(qiáng)度

件4 口模通過6 個件2 調(diào)節(jié)螺釘連接在件7 分流錐（芯模支架板）上，兩者的接觸部分為球面連接結(jié)構(gòu)5，其中件7 分流錐（芯模支架板）上球形凸臺12，如圖6（c）所示。件4 口模上球凹面15 表面光滑并通過6 顆調(diào)節(jié)螺釘2 緊緊壓住以免熔料漏出，如圖6（d）所示。若件4 口模與件3 芯模之間間隙不均勻時，通過調(diào)節(jié)螺釘2 來進(jìn)行微調(diào)，由于擠出壓力由件9 機(jī)頭過渡體承受，使件4 口模調(diào)節(jié)輕松自如，為了避免件2調(diào)節(jié)螺釘螺頭壓壞件4 口模螺釘口部，加裝墊片1 進(jìn)行處理。另外，擠出機(jī)壓力由件9 機(jī)頭過渡體承受，使件4 口模調(diào)節(jié)輕松自如，降低了工人的調(diào)試調(diào)模強(qiáng)度。

3.5 提高生產(chǎn)率

正常生產(chǎn)過程中，當(dāng)管胚出現(xiàn)變色花紋或黑點時，立即拆卸6 顆件2 調(diào)節(jié)螺釘，取下件4 口模，迅速用2500 目砂紙趁熱對件4 口模內(nèi)腔熔料流道和件3芯模表面進(jìn)行拋光，然后用6 顆件2 調(diào)節(jié)螺釘安裝連接上件4 口模。由于在拆卸模具清理熔料拋光模腔時，不需要關(guān)閉擠出機(jī)的加熱器，保持料筒里熔料處于熔融狀態(tài)，最后開機(jī)快速引管成型，中斷生產(chǎn)到恢復(fù)正常生產(chǎn)只有20 多分鐘，節(jié)省時間約1.5 h，大大提高了生產(chǎn)效率。

4 模具優(yōu)化后的效果

4.1 提高生產(chǎn)效率

完成拆卸模具清理模腔熔料，只需要10～15 min；在件3 芯模與件7 分流錐（芯模支架板）上設(shè)有通氣孔，組成一條氣通路，使管胚內(nèi)外氣壓相當(dāng)，將管胚引入到定型模具里抽真空成型，只需要1 分鐘，節(jié)省時間約1～2 h；將件3 芯模與件4 口模設(shè)計成可互換結(jié)構(gòu)，通過快速更換芯模與口模，實現(xiàn)不用投資整套模具費用就能生產(chǎn)多種型號產(chǎn)品，大大提高生產(chǎn)效率[2]。

4.2 節(jié)能環(huán)保等

在清理模腔熔料時，產(chǎn)生熔料不足0.5 kg 并完全可粉碎回收再用，每次節(jié)省原材料費就高達(dá)20 多元，不但節(jié)省資金做好循環(huán)經(jīng)濟(jì)，同時有利于節(jié)能環(huán)保。

4.3 提高產(chǎn)品質(zhì)量

一條流線型光滑的熔料流道只設(shè)計2 個連筋，降低熔料停滯時間，避免熔料因停滯而發(fā)生熱分解；合適的壓縮比與熔料停留時間，確保熔料在模具內(nèi)停留時間合理，避免熔料受熱時間長發(fā)生熱分解；從而確保產(chǎn)品表觀質(zhì)量與透明度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量[3]。

4.4 降低維修成本

同時減少了拆卸模具清理模腔熔料的次數(shù)，減輕調(diào)試勞動強(qiáng)度。相應(yīng)地，減少了機(jī)械部件的損壞，降低了維修成本。

5 結(jié)論

此次研究團(tuán)隊模擬了PVC 包裝管異型材的擠出成型，通過有限元建模，分析了PVC 熔體在擠出異型材流道中的速率和溫度分布情況。研究表明，在該異型材擠出流道中，PVC 熔體的速度分布與溫度分布情況基本一致，流道能很好地實現(xiàn)PVC 材料的擠出成型。經(jīng)過對模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模具試制，產(chǎn)品上機(jī)驗證，我們認(rèn)為符合設(shè)計要求，也肯定了模具設(shè)計和工藝選擇的合理性。