一種連接器異型絕緣體的注塑成型仿真設(shè)計

謝光榮

(上海雷迪埃電子有限公司，上海，200072)

1 引言

普通射頻同軸連接器，其殼體內(nèi)孔和中心導體外表面都是圓柱形，介于殼體內(nèi)孔和中心導體之間的絕緣體，結(jié)構(gòu)上大多是圓筒型回轉(zhuǎn)體，材料多為耐高溫、電氣性能穩(wěn)定的聚四氟乙烯PTFE，適宜于車削加工。但在很多特殊場合，比如彎式連接器的轉(zhuǎn)彎部分，為了使阻抗匹配更精準，會將轉(zhuǎn)彎處的絕緣體設(shè)計成異型。表面貼裝SMT連接器中心導體成90度彎角焊在電路板上時，為防止中心導體從連接器軸線方向轉(zhuǎn)彎后與殼體距離太近引起阻抗變化、絕緣耐壓性能降低，也必須將中心導體彎曲處的絕緣體設(shè)計成異型結(jié)構(gòu)，填充于殼體焊接面的凹槽與中心導體之間，支撐殼體與中心導體，讓兩者保持合適距離。在其他特殊情況下，也需要設(shè)計出異型的絕緣體。非回轉(zhuǎn)體的異型絕緣體，不能用車床加工，用銑削加工效率非常低，產(chǎn)能小，成本高。而解決這個問題的方法是把材料換成易于注塑的工程塑料材料，比如低端廉價的聚乙烯PE，能經(jīng)受SMT或者波峰焊高溫的尼龍PA66，液晶聚合物LCP［1］等材料，將絕緣體結(jié)構(gòu)設(shè)計成適于注塑的結(jié)構(gòu)。本文介紹了一種采用注塑的工藝生產(chǎn)的異型絕緣體的塑料注塑成型仿真設(shè)計，文中的異型結(jié)構(gòu)是指這種不適于車削加工的非回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)。

2 異型絕緣體的設(shè)計

異型絕緣體的設(shè)計，除了像常規(guī)的絕緣體設(shè)計那樣需對阻抗匹配進行計算仿真以及滿足機械保持力等設(shè)計要求外，主要考慮所設(shè)計的絕緣體在注塑生產(chǎn)時易于分型脫模，模具上不要或者少用抽芯機構(gòu)，盡量減少絕緣體的壁厚差別，絕緣體不同部位注塑生產(chǎn)時冷卻速度一致，收縮均勻，零件翹曲、扭曲等質(zhì)量問題少，縮水、缺料和空泡少，內(nèi)部組織致密，生產(chǎn)工藝性好。

圖1 常見的異型絕緣體

3 一種異型絕緣體的注塑成型仿真設(shè)計

3.1 仿真軟件介紹［2］

歐特克公司是一家專業(yè)從事塑料件產(chǎn)品計算機輔助工程分析(CAE)軟件Moldflow開發(fā)的公司。該公司的Moldflow仿真軟件為優(yōu)化產(chǎn)品和模具設(shè)計的整個過程提供了一個整體解決方案。Moldflow軟硬件技術(shù)為產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計、注塑生產(chǎn)等整個過程提供了非常有價值的信息和建議。Moldflow系列產(chǎn)品包括MPA和MPI。MPA為Moldflow Plastic Advisers(塑料件顧問系列)，適用于設(shè)計前期快速試模分析。MPI為Moldflow Plastic Insight(高級成型分析)，適用于設(shè)計后期的產(chǎn)品、模具及工藝參數(shù)的詳細設(shè)計。

MPA使產(chǎn)品設(shè)計工程師在產(chǎn)品初始設(shè)計階段就注意到產(chǎn)品的工藝性，并指出容易發(fā)生的問題，適用于產(chǎn)品設(shè)計工程師在塑料件設(shè)計的前期使用。MPA能準確的預測熔接線和困氣的位置，以及在模穴中壓力和溫度的分布，在產(chǎn)品的概念設(shè)計階段就可以進行分析，并且對潛在的設(shè)計問題提供有實踐意義的建議。產(chǎn)品設(shè)計工程師可以據(jù)此對產(chǎn)品壁厚、澆口位置和其它的問題迅速做出反應，從而使產(chǎn)品更利于制造。

MPI是產(chǎn)品設(shè)計工程師和工藝工程師決定產(chǎn)品幾何造型及注塑成形條件最佳化的高階模流分析軟件。從材料的選擇、模具的設(shè)計到成形條件參數(shù)設(shè)定，以確保在注塑成型過程中塑料在模具內(nèi)的充填行為模式，以獲得高質(zhì)量產(chǎn)品。MPI能分析模擬塑料流動形態(tài)、產(chǎn)品體積收縮、冷卻時間、纖維配向性、產(chǎn)品翹曲等等，并且加強了對塑料材料的選擇使用功能。此外，MPI還能分析模擬氣體輔助射出及熱固性成型。工程前期通過MPI模擬分析可以縮短產(chǎn)品生產(chǎn)的周期，通過電腦模擬分析能發(fā)現(xiàn)確認和解決潛在問題，并幫助模具設(shè)計人員預測經(jīng)常碰到的問題并加以設(shè)計修正，還可以改變模具材料材質(zhì)以節(jié)省材料費用及設(shè)定復雜的注塑成形條件，以達到降低成本的目的。

3.2 異型絕緣體的注塑成型仿真

我公司根據(jù)客戶的需求設(shè)計了一款表面貼裝用直式SMP－MAX插針連接器。一般的直式中心導體端面在表面貼裝焊接于電路板的時候，由于端面面積小，焊接不牢固。本設(shè)計為了解決這個問題，將中心導體設(shè)計成90度彎式結(jié)構(gòu)，中心導體側(cè)焊于電路板上。為了控制中心導體彎曲部分與殼體焊接面的凹槽之間的精確位置，將絕緣體設(shè)計成帶凸耳的異型結(jié)構(gòu)，凸耳填充于殼體與中心導體之間。

3.2.1 產(chǎn)品基本信息

絕緣體材料 LCP，牌號 E130i［1］，絕緣體平均材料厚度:1.1MM;模具模穴數(shù)4，模具流道類型:冷流道，模具滑塊:無，模具斜頂:無，模具結(jié)構(gòu):兩板模;注塑機器型號:Sumitomo 50T。

3.2.2 產(chǎn)品三維模型網(wǎng)格劃分

圖2 產(chǎn)品三維模型網(wǎng)格圖

3.2.3 分模線及飛邊

圖3 產(chǎn)品分模線及飛邊示意圖

仿真結(jié)果分模線處上下模具之間的最大錯位斷差為0.05mm，在圖紙公差范圍以內(nèi)，可以接受。

3.2.4 仿真最佳澆口位置，為實際澆口的設(shè)置提供參考依據(jù)。

圖4 產(chǎn)品不同部位設(shè)置澆口位置好壞示意圖

最佳澆口位置仿真用來為設(shè)計分析過程找到一個初步的最佳的澆口位置。分析主要基于以下一些因素:流動的平衡性;型腔內(nèi)的流動阻力;產(chǎn)品的形狀和壁厚;注塑成型中澆口位置的可行性等。

3.2.5 結(jié)合最佳澆口位置仿真，并考慮模具的結(jié)構(gòu)選擇實際澆口位置

圖5 實際選定澆口設(shè)置圖

仿真結(jié)果，澆口痕跡將高出產(chǎn)品表面約0.1mm。由于澆口殘留物較小，澆口處無需設(shè)計凹槽來隱藏澆口殘留物。

3.2.6 拔模斜度設(shè)定

圖6 拔模斜度設(shè)置圖

產(chǎn)品整體高度都比較小，拔模斜度可以設(shè)定得較大。高度相對較高的面，拔模斜度設(shè)定為5°;高度相對很小的面，拔模斜度設(shè)定為10°。

3.2.7 頂針設(shè)置

圖7 頂針設(shè)置圖

所有頂針直徑0.5MM，將凹進產(chǎn)品0.03MM，對產(chǎn)品的使用無影響。

3.2.8 模穴號布置

圖8 模穴號位置圖

模穴號為1～4，為了簡化模具加工，模具型腔通過刻印形成凹模，注塑生產(chǎn)出的產(chǎn)品，刻字將如圖所示凸出產(chǎn)品0.05mm，圖中數(shù)字處為模穴號在產(chǎn)品上位置，對產(chǎn)品使用基本無影響。

3.2.9 模流分析

3.2.9.1 填充時間分析

充填分析為動態(tài)結(jié)果，它可以顯示從進料開始到充模完成整個注塑過程中，任一時刻流動前鋒的位置。充填時間是0.0504s，效果好。

圖9 模流分析充填時間圖

3.2.9.2 充填壓力

圖10 模流分析充填壓力圖

充填壓力分析顯示了填充結(jié)束時的型腔內(nèi)及流道內(nèi)的壓力分布，由于壓力會影響到產(chǎn)品的體積收縮，因此要求壓力分布要盡可能的均勻，從本顯示結(jié)果圖上看顏色變化均勻，等值線分布均勻，壓力分布均勻。

3.2.9.3 速度/壓力切換時的壓力

圖11 模流分析速度/壓力切換時的壓力圖

V/P(速度/壓力)轉(zhuǎn)換點壓力是指注塑過程由速度控制向壓力控制轉(zhuǎn)換時模具型腔內(nèi)熔體的壓力，轉(zhuǎn)換點的控制對注塑過程有很大的影響。本例V/P轉(zhuǎn)換點的設(shè)置采用系統(tǒng)自動計算的方式，MPI系統(tǒng)通過計算得到填充比例為97.37%時發(fā)生V/P轉(zhuǎn)換，澆口位置的壓力在通過轉(zhuǎn)換點后在1.478Mpa時降為保壓壓力。在壓力控制下熔體繼續(xù)充滿整個型腔。

3.2.9.4 注塑溫度

圖12 模流分析溫度分布圖

該分析結(jié)果是沿產(chǎn)品壁厚方向上以熔體流速為權(quán)值的平均溫度，它表示產(chǎn)品上某一位置的能量傳遞值。通過溫度分布的顯示結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在注塑過程中溫度較高的區(qū)域，如果最高平均溫度接近或超過材料的降解溫度，或者是出現(xiàn)局部過熱，都需要重新設(shè)計澆注、冷卻系統(tǒng)，或者是改變工藝參數(shù)。本結(jié)果最高平均溫度小于材料的降解溫度，無局部過熱現(xiàn)象。

3.2.9.5 模具壁上的剪切力

圖13 模流分析模具壁上的剪切力分布圖

3.2.9.6 材料最后相匯合處的熔接線/熔接痕

圖14 模流分析匯合角分布圖

注塑時，材料熔體匯合時形成的接縫分熔合線(meld line)和熔接痕(weld line)，熔合線的性能明顯優(yōu)于熔接痕。一般而言，匯合角大于135°時形成熔合線，小于135°時形成熔接痕。匯合角對熔接縫的性能有重要影響，因為它影響了熔接后分子鏈熔合、纏結(jié)、擴散的充分程度，匯合角越大，熔接縫性能越好。圖中內(nèi)孔處匯合角均小于135°，形成熔接痕，但絕緣體此處受力不大，對熔接痕強度要求不高，可以接受。

3.2.9.7 產(chǎn)品注塑后殘留的氣穴

圖15 模流分析殘留的氣穴分布圖

分析結(jié)果顯示，產(chǎn)品部分位置有殘留氣穴，模具設(shè)計時必須在模具中相應位置增加排氣，解決這些產(chǎn)品氣穴缺陷。

3.2.9.8 產(chǎn)品注塑成型后的體積收縮

圖16 模流分析體積收縮分布圖

針對體積收縮進行產(chǎn)品對應部位的三維模型尺寸的放大，以抵消注塑時體積收縮引起的尺寸縮小。

以上模流分析結(jié)果顯示，本產(chǎn)品的設(shè)計和注塑工藝參數(shù)的設(shè)定，產(chǎn)品注塑工藝性符合預期要求。

3.2.9.9 產(chǎn)品注塑成型后的翹曲變形

模流分析顯示所有方向的最大變形量是0.014mm，X方向最大變形量是0.0082mm，Y方向最大變形量是0.013mm，Z方向最大變形量是0.023mm。對圖紙中公差要求嚴格的尺寸進行分析對比，以上最大變形量滿足圖紙中相關(guān)尺寸公差的要求。

圖17 模流分析不同方向的翹曲變形圖

4 樣品試生產(chǎn)

絕緣體注塑成型仿真結(jié)果符合要求后，我們就開始投資注塑模具，進行樣品的試生產(chǎn)。生產(chǎn)的樣品各尺寸符合圖紙要求，翹曲、扭曲、縮水、飛邊等常見的注塑缺陷符合公司質(zhì)量標準的規(guī)定。絕緣體已經(jīng)具備大批量生產(chǎn)的條件。

圖18 試生產(chǎn)的樣品圖

5 總結(jié)

通過設(shè)計前期的絕緣體注塑成型仿真，使連接器設(shè)計工程師能夠設(shè)計出既符合連接器性能要求，注塑工藝性能又優(yōu)良的絕緣體結(jié)構(gòu)，模具工程師可以選擇最佳的模具類型、結(jié)構(gòu)和材料，注塑工藝工程師可以快速設(shè)定最佳的注塑成形工藝參數(shù)。通過仿真設(shè)計，提高了一次試模的成功率，而且可以使絕緣體設(shè)計、模具設(shè)計和模具制造在質(zhì)量、性能、成本上都有很大程度上的提升，以最快速、最經(jīng)濟、高質(zhì)量的方式將連接器產(chǎn)品推向市場。

［1］ 寶理塑料株式會社材料樣本［Z］.Vectra LCP catalogue CHS.

［2］ 歐特克公司的Moldflow仿真軟件介紹［DB/OL］.