CAD/CAE技術(shù)在手機保護殼注塑模具設(shè)計中的應(yīng)用

董　坤，余小魯

安徽工程大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖，241000

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CAD/CAE技術(shù)在手機保護殼注塑模具設(shè)計中的應(yīng)用

董坤，余小魯

安徽工程大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖，241000

摘要：以手機保護殼為例，研究了不同的澆注系統(tǒng)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，論證了將合理的方案應(yīng)用于注塑模具設(shè)計的可行性。運用CAE技術(shù)的模流分析軟件Moldflow，模擬不同澆口位置設(shè)計的制品成型過程。通過分析3種方案在充填時間、熔接痕、翹曲變形上對制品質(zhì)量產(chǎn)生的不同影響，確定方案三作為注塑模具澆注系統(tǒng)最為合理。最后，應(yīng)用CAD軟件UG,完成注塑模的澆注系統(tǒng)設(shè)計、側(cè)向抽芯機構(gòu)設(shè)計、斜頂脫模機構(gòu)設(shè)計和注塑模具三維結(jié)構(gòu)設(shè)計。整套技術(shù)縮短了研發(fā)周期，提高了塑件的成型質(zhì)量和生產(chǎn)率。

關(guān)鍵詞：手機保護殼；澆口位置；澆注系統(tǒng)；Moldflow；UG；注射模

在注塑模具設(shè)計過程中，澆注系統(tǒng)的設(shè)計尤為重要，它直接決定了制品成型結(jié)果的好壞，而在澆注系統(tǒng)設(shè)計中又以澆口位置的設(shè)置最為重要。目前，借助CAE技術(shù)針對這個問題可以有效地進行預(yù)測和分析[1-3]。Moldflow是目前最成熟的注塑模CAE軟件，在借助計算機技術(shù)模擬注塑成型全過程中，可以預(yù)測制品可能出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，并分析其產(chǎn)生的原因。通過這項技術(shù)可以在模具加工之前獲得優(yōu)化后的制品結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具設(shè)計方案和成型工藝條件，保證高效率的生產(chǎn)，提高市場競爭能力[4-5]。本文先對成型工藝參數(shù)進行控制，然后借助Moldflow軟件對手機保護殼澆注系統(tǒng)進行設(shè)計，合理確定澆注系統(tǒng)方案，并采用UG軟件成功地應(yīng)用到注塑模設(shè)計中。

1　塑件成型工藝分析

1.1塑件結(jié)構(gòu)與模型前處理

手機保護殼的三維實體模型如圖1所示。塑件是外觀件具有裝配要求，側(cè)面和背面是外觀面，精度要求一般，但不允許有毛邊等質(zhì)量缺陷；塑件整體無拔模角，最大結(jié)構(gòu)尺寸為146 mm×75.25 mm×10 mm，平均壁厚為1 mm，屬于薄壁件且最小壁厚為0.756 mm，尺寸公差要求±0.05 mm，以保證與手機實體可進行良好的組配。

手機保護殼的CAD模型由UG軟件建立，并轉(zhuǎn)換生成STL文件，然后導(dǎo)入到Moldflow軟件中進行模擬分析。針對這種薄壁件可以采用表面網(wǎng)格來對模型進行有限元網(wǎng)格劃分，經(jīng)過檢查、修復(fù)，使單元縱橫比符合流變計算要求，最終網(wǎng)格單元為26300，匹配率為94.2%，符合要求，無自由邊、無相交單元等問題。

圖1 手機保護殼

1.2材料選擇與成型工藝參數(shù)設(shè)定

手機保護殼所用材料為Mitsubishi Group公司的改性聚碳酸酯(PC)，牌號為GS2010MPH，填充10%的玻璃纖維。聚碳酸酯是一種性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料，透明度可達到90%，剛硬且具沖擊韌性，并且收縮率很低，一般在0.1%～0.3%之間，彈性模量較高。表1為注塑成型工藝參數(shù)。

表1　注塑成型工藝參數(shù)

2　澆注系統(tǒng)設(shè)計

運用Moldflow軟件，對制品的澆口位置進行分析，獲取澆口的位置。從圖2中可以看出制品的中心位置流動阻力最小，圖3所示為最佳澆口位置范圍。

考慮到模具設(shè)計、制造的經(jīng)濟性，采用一模兩腔結(jié)構(gòu)，普通冷流道注射成型。在結(jié)合CAE分析報告并參考注塑成型設(shè)計準(zhǔn)則[6]，設(shè)計出3種澆注系統(tǒng)方案,如圖4所示。方案一、方案二是根據(jù)平衡流動的原則，可以使塑件得到均勻的壓實和收縮，避免產(chǎn)生翹曲變形，并降低應(yīng)力水平，同時也可以避免物料的浪費。而方案三是根據(jù)單向流動的原則，可以減少塑件翹曲變形，避免在制品表面留在較大的澆口殘留痕跡，降低對制品表面質(zhì)量的影響。

方案一：塑件間距48 mm，如圖4(a)所示。制品表面選擇在流動阻力最小的區(qū)域，創(chuàng)建單點澆口澆注系統(tǒng)，主流道根據(jù)澆注系統(tǒng)及其設(shè)計原則[7]，主流道設(shè)計成圓錐形，其錐角取2°，直徑為4 mm，長度35 mm；分流道截面尺寸，選擇內(nèi)徑6 mm梯形截面，傾角為15°；澆口為直徑4 mm，錐度10°的點澆口。

圖4　澆注系統(tǒng)設(shè)計

方案二：考慮到熔體的黏度較大，流動性差的特點，在最佳匹配澆口位置附近區(qū)域，選擇兩個澆口位置創(chuàng)建澆注系統(tǒng)。采取方案一的流道設(shè)計，澆口選擇匹配性最好的中間兩個對稱點，如圖4(b)所示。

方案三：澆口長度取2 mm，寬度2 mm，厚度0.5 mm；主流道始端直徑4.5 mm，錐度2°；采用U型分流道，底部半徑6 mm，高度6 mm，如圖4(c)、(d)所示。

3　注塑成型CAE分析結(jié)果與比較

3.1充填時間

如圖5所示，方案一耗時1.143 s，方案二耗時1.073 s，方案三整個充填過程完成耗時1.537s 。

圖5　充填時間

3.2熔接痕

熔接痕是充填過程中兩股相向或平行的熔體前沿相遇形成的缺陷，它不僅影響制品的外觀質(zhì)量，而且導(dǎo)致表面裂紋、力學(xué)性能下降等[8]。制品上應(yīng)該避免或減少熔接痕的存在。

由圖6中熔接痕分布的位置，可以看出熔接痕多出現(xiàn)在制品型腔的孔周邊以及壁厚較厚的位置。方案一中熔接痕共有18處；方案二中共有16處熔接痕，最大兩處出現(xiàn)在塑件中心；方案三中大小熔接痕共有14處，最大的兩處出現(xiàn)在兩個澆口之間的中心附近。

圖6　熔接痕分布

3.3翹曲分析

注塑制品翹曲變形是指注塑制品的形狀偏離了模具型腔的形狀，它是塑料制品常見的缺陷之一。如圖7所示，方案一中變形范圍為0.000 5 mm～0.352 0 mm；方案二中最大翹曲量為0.293 3 mm；最小翹曲量為0.004 1 mm；方案三中翹曲變化量范圍為0.007 3～0.267 6 mm。比較三個方案發(fā)現(xiàn)，方案一中塑件整體平面度高，局部出現(xiàn)較大翹曲變形；方案二在方案一的基礎(chǔ)上，最大翹曲量有所降低；方案三中發(fā)生翹曲的區(qū)域相比較于方案一和方案二都有所減少，最大翹曲量最小。

綜上所述，方案一和方案二的成型周期相較于方案三縮短了大約26%、30%的時間，但是在熔接痕、翹曲分析中表現(xiàn)不太理想；方案三中設(shè)計的澆口是注射模經(jīng)常采用的澆口形式，其優(yōu)點是便于加工、便于調(diào)整尺寸，以達到最佳的注射效果。最終，確定方案三作為注射模的澆注系統(tǒng)更為合理。

圖7　翹曲變形

4　模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1澆注系統(tǒng)方案與模具結(jié)構(gòu)

將最終確定的澆注系統(tǒng)方案，通過UG軟件進行具體設(shè)計并應(yīng)用于注塑模中，如圖8、9所示。澆注系統(tǒng)的開口設(shè)置在定模板上，而澆口的開口設(shè)置在動模板上，方便在塑件注塑成型過程完畢之后頂出。

圖8　動模板及澆注系統(tǒng)開口放大圖

圖9 澆注系統(tǒng)整體圖

4.2重要成型零部件

如圖10所示，型腔部分采用側(cè)向抽芯進行分型，因滑塊長度較長，故采用斜拔塊的方式進行側(cè)向抽芯機構(gòu)的設(shè)計。在模具開模中，借助斜拔塊作為側(cè)向抽芯的動力，在導(dǎo)滑槽導(dǎo)向下，帶動滑塊向外側(cè)移動，以實現(xiàn)退出倒勾的目的。

如圖11所示，推桿與斜滑塊連接成一體，安裝在型芯和動模板的斜方孔內(nèi)，其另一端通過螺釘與滑座固定，推桿可以在推桿固定板限制下于滑座槽內(nèi)滑動。開模時，推桿在滑座槽內(nèi)滑動，迫使斜滑塊沿導(dǎo)滑槽進行斜向運動，從而完成側(cè)向抽芯動作，并輔助推出制品。

4.3模具裝配

最后將零部件進行裝配，如圖12所示。

圖12　模具定模與動模裝配圖

5　結(jié)束語

在對手機保護殼注塑模進行設(shè)計之前，運用Moldflow軟件對設(shè)計出的3種不同澆注系統(tǒng)方案進行了注塑成型過程模擬。在經(jīng)過冷卻、充填、保壓、翹曲分析之后，獲得了CAE分析結(jié)果，并對比3種澆注系統(tǒng)方案在充填時間、熔接痕、翹曲變形上的優(yōu)劣。結(jié)果發(fā)現(xiàn)方案一、方案二成型周期更短，但是在熔接痕、翹曲變形分析中表現(xiàn)不太理想；方案三熔接痕數(shù)量少且翹曲變形量最小，對比之下更能滿足制品要求。因此，將方案三設(shè)計的澆注系統(tǒng)應(yīng)用于注射模設(shè)計中更為合理，既提高了一次試模成功率，又節(jié)省了澆注時間。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

作者簡介：董坤(1990-)，江蘇淮安人，碩士研究生，主要研究方向：注塑模具CAD/CAE、材料成型裝備設(shè)計。

基金項目：國家特色專業(yè)建設(shè)點“機械設(shè)計制造及其自動化”(TS10310)。

收稿日期：2015-07-10

中圖分類號：TG320.662

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-2006(2015)10-0096-04

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2015.10.026