單腔斜頂雙滑塊抽芯成型工藝分析與注塑模具設(shè)計(jì)

董海東

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 引 言

溫度監(jiān)測(cè)器外殼用于保護(hù)溫度監(jiān)測(cè)器內(nèi)部元件,且可以起到散熱、密封和防塵等作用,該塑件結(jié)構(gòu)包括散熱孔、按鍵孔、USB接頭側(cè)孔、連接用螺絲柱、卡扣連接內(nèi)側(cè)凹槽等特征,且外表要求美觀、色澤度好,防止出現(xiàn)氣泡、翹曲變形等缺陷。利用華塑CAE軟件分析,選用高料筒溫度,保持一定的模具溫度、較低的充模壓力、熔接紋較小的方案。采用最佳澆口的位置為制件中心兩點(diǎn)側(cè)澆口進(jìn)料,最優(yōu)的注射成型工藝參數(shù)為：模具預(yù)熱溫度80 ℃,料溫170 ℃,充模壓力為9.47 MPa,保壓壓力為7.37 MPa,充模時(shí)間為0.23 s,保壓時(shí)間為7 s,冷卻時(shí)間為21.80 s,周期為30 s。試模制件滿足使用標(biāo)準(zhǔn),提高了一次試模合格率。本文利用華塑CAE軟件對(duì)充模、保壓、冷卻過程進(jìn)行模擬分析,減少了可能出現(xiàn)的變形、氣泡、拼接線等缺陷,并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了斜頂、雙滑塊抽芯的單腔二板式模具,模具結(jié)構(gòu)具有新穎性,可為殼體類模具設(shè)計(jì)提供參考。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求

圖1 溫度監(jiān)測(cè)器的三維(3D)模型Fig.1 Three-dimensional model of temperature detector

溫度監(jiān)測(cè)器已有的技術(shù)資料為不完整三維模型,需要自主設(shè)計(jì)產(chǎn)品中缺少的部分,如圖1所示。設(shè)計(jì)的產(chǎn)品高度不低于18 mm,產(chǎn)品材料為聚苯乙烯(PS)塑料,材料收縮率為0.5%,要求與已提供的模型相配合,組成一個(gè)完整的產(chǎn)品,滿足實(shí)際使用需要;同時(shí)要求設(shè)計(jì)定位與固定結(jié)構(gòu),與大水口模架相匹配。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

該產(chǎn)品內(nèi)部左右兩側(cè)各有一個(gè)4 mm×8 mm矩形孔,相對(duì)另外一側(cè)內(nèi)部有6 mm×2.1 mm×0.808 mm的凹槽,殼體內(nèi)部有4個(gè)外部直徑5.5 mm、內(nèi)部直徑3 mm、高12.82 mm的支撐柱,如圖2所示。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn),注塑模具結(jié)構(gòu)須采用斜頂、雙滑塊分別成型3處側(cè)向凹槽和側(cè)孔的結(jié)構(gòu),需采用推管推出機(jī)構(gòu)完成支撐柱部分的成型和推出[1]。

圖2 溫度監(jiān)測(cè)器外殼模型

2 注塑模流工藝分析

2.1 網(wǎng)格劃分

圖3 溫度監(jiān)測(cè)器外殼網(wǎng)絡(luò)模型Fig.3 Temperature detector shell network model

根據(jù)CAE分析網(wǎng)格劃分的原則,簡(jiǎn)化掉溫度監(jiān)測(cè)器外殼3D模型中細(xì)小的倒角、圓角;劃分網(wǎng)格模型如圖3所示。三角形網(wǎng)格平均單元面積為2.15 mm2,平均邊長(zhǎng)2.41 mm,平均最小角度為29°,最大形態(tài)比為1,平均形態(tài)比為0.64,節(jié)點(diǎn)配對(duì)百分比為83.11%。從圖3中網(wǎng)格劃分情況可看出,網(wǎng)格劃分較均勻,能滿足準(zhǔn)確分析的要求[2]。

2.2 充模分析

澆口是連接分流道與型腔的熔體通道。不同的澆口形式對(duì)塑料熔體的充填特性、成型質(zhì)量及塑件性能會(huì)產(chǎn)生不同的影響。澆口設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致拼接線、氣泡、變形等缺陷[3]。一般的設(shè)計(jì)理念是先取較小的澆口尺寸,試模時(shí)再進(jìn)行修整。澆口位置主要是設(shè)計(jì)者根據(jù)制品的幾何形狀和技術(shù)要求,并分析熔體在流道和型腔中的流動(dòng)、填充、補(bǔ)縮及排氣情況,主觀判斷澆口的位置,這種方法不能滿足成型高質(zhì)量產(chǎn)品的要求。產(chǎn)品頂部為25.5 mm×34 mm的橢圓形孔,根據(jù)制品內(nèi)部有通孔時(shí),可采用內(nèi)側(cè)進(jìn)澆的原則,圖4為內(nèi)側(cè)兩點(diǎn)進(jìn)澆和內(nèi)側(cè)四點(diǎn)進(jìn)澆兩種方案。

(a) 方案1

(b) 方案2

2.2.1 充填時(shí)間分析

模擬塑料熔體從開始充模到充滿型腔的整個(gè)過程分析為充填時(shí)間分析,可預(yù)估制件在模腔中的充模成型過程。溫度升高有利于物料的流動(dòng),一般需要降低壓力和速度。反之當(dāng)溫度降低時(shí)需加大壓力速度。低速充?？杀苊獬尚椭萍霈F(xiàn)飛邊,保證制件尺寸穩(wěn)定。為防止發(fā)生噴射紋、夾氣等缺陷,需要降低充模速度,但是會(huì)因此延長(zhǎng)成型周期,導(dǎo)致出現(xiàn)熔接紋,影響外表光澤度,而且會(huì)發(fā)生冷卻變形的情況[4]。反之,加快充模速度可改善制件的光澤度和熔接線的強(qiáng)度,進(jìn)一步避免熔接紋、噴射紋等問題,確保制件光澤度和外表質(zhì)量好,不出現(xiàn)短射缺料,但是會(huì)出現(xiàn)氣泡或者灼燒發(fā)黑、脫模不利等問題[5]。

根據(jù)以上分析,溫度監(jiān)測(cè)器外殼材料為PS,功能上要與溫度監(jiān)測(cè)器底座配合,側(cè)孔與USB插頭留0.3 mm距離,方便使用,且與溫度監(jiān)測(cè)器底座上方按鈕孔配合間隙為0.3 mm,方便按鈕彈出[6]。該制件外表需美觀,色澤度要好,為減小制件內(nèi)應(yīng)力,避免出現(xiàn)縮孔、翹曲變形、灼燒變黑等問題,因此采用低速充模。如圖5所示,方案1及方案2充填時(shí)間分別為0.23 s和0.36 s,由于四點(diǎn)進(jìn)料導(dǎo)致流程加長(zhǎng),因此顯然方案1充模時(shí)間短、速度快,故能確保較好的充模效率和較好的制件外觀質(zhì)量,因此選擇方案1[7]。

(a) 方案1

(b) 方案2

2.2.2 壓力分析

該制件配套模具成型所用MJ55注塑機(jī)的最大射膠壓力為162 MPa,設(shè)置的充模壓力應(yīng)低于該注塑機(jī)的最大射膠壓力,因此設(shè)置的充模壓力為注塑機(jī)最大射膠壓力的70%,約為113 MPa。 如圖6所示,由于兩點(diǎn)進(jìn)料導(dǎo)致壓力損失較大,因此方案1與方案2存在充模壓力差異較大,最大充模壓力分別為9.47 MPa和3.46 MPa,兩方案的充模壓力均低于MJ55注塑機(jī)的最大射膠壓力的50%(81 MPa)。

(a) 方案1

(b) 方案2

對(duì)比方案1、方案2的充模壓力可知,方案2的充模壓力較低。如圖6所示,該溫度監(jiān)測(cè)器外殼的外側(cè)下部分的充模壓力比其他部分低,可能會(huì)發(fā)生制件充填不足;另外,根據(jù)該制件的功能、結(jié)構(gòu)要求,制件頂部有按鍵孔、散熱孔,4個(gè)連接用螺絲柱,一角部有用于裝配定位的枕位缺口,外部?jī)蓚?cè)有用于連接USB插頭的側(cè)向孔,內(nèi)部有用于卡扣連接的U型凹槽,按目前中心進(jìn)料的方式難以實(shí)現(xiàn)壓力均勻分布,因此綜合分析選擇方案1較優(yōu)。

3 模具結(jié)構(gòu)及工作過程

3.1 模具結(jié)構(gòu)

采用大水口2020-A70-B50-C70的注塑模架,由于產(chǎn)品的兩側(cè)有USB接口的插槽,內(nèi)側(cè)有側(cè)凹,且內(nèi)部均布4個(gè)配合螺絲的圓柱,故兩側(cè)有滑塊側(cè)型芯、內(nèi)部有斜頂以成型兩個(gè)插槽和一個(gè)內(nèi)側(cè)凹。為方便加工和保證加工質(zhì)量,采用一模一腔,內(nèi)側(cè)兩點(diǎn)進(jìn)膠的形式,采用司筒成型塑件的4個(gè)固定柱,即司筒(推管)推出制件和凝料,如圖7所示。

(a) 動(dòng)模部分

(b) 定模部分

(c) 頂出機(jī)構(gòu)

3.2 模具工作過程

如圖8所示,模具首先從分型面A打開,斜導(dǎo)柱從滑塊16的斜孔中抽出,滑塊側(cè)型芯在水平向外力的作用下,完成兩側(cè)抽芯,同時(shí)拉料桿5將主流道凝料從澆口套11中拉出。動(dòng)模部分繼續(xù)移動(dòng),當(dāng)注射機(jī)的大頂桿接觸推板2時(shí),模具的推出機(jī)構(gòu)開始工作,推管14和斜頂4將塑件從主型芯13上推出,塑件和凝料在分型面之間自行落下。

4 結(jié) 論

本研究為溫度監(jiān)測(cè)器外殼配套注塑模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),根據(jù)華塑CAE軟件分析結(jié)果,對(duì)澆口參數(shù)、澆口位置、推出元件位置、斜導(dǎo)柱外側(cè)抽芯、斜頂內(nèi)側(cè)抽芯以及成型零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可行性分析,在開模前保證了模具結(jié)構(gòu)合理、易于加工、模具工作合理與零件制造可行,最終保證了制件結(jié)構(gòu)、功能達(dá)到質(zhì)量要求。

1-動(dòng)模座板;2-推板;3-推桿固定板;4-斜頂;5-中心拉料桿;6-水管接頭;7-動(dòng)模固定板;8-定模固定板;9-定模座板;10-定位環(huán);11-澆口套;12-型腔;13-型芯;14-司筒(推管);15-定位釘;16-滑塊圖8 注射模結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of injection mold