基于NX與Moldflow的電源開關(guān)元器件注塑模設(shè)計(jì)

劉　鋒，陶來(lái)華

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州　310018)

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基于NX與Moldflow的電源開關(guān)元器件注塑模設(shè)計(jì)

劉鋒，陶來(lái)華

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州310018)

摘要：以電源開關(guān)元器件為例，根據(jù)先進(jìn)模具設(shè)計(jì)方法，綜合應(yīng)用模流分析軟件Moldflow進(jìn)行塑料冷卻填充保壓翹曲分析和NX軟件進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，獲得優(yōu)化的注塑工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu).通過(guò)綜合運(yùn)用模具CAD/CAE技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模具優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短了模具的開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率，降低了開發(fā)成本.

關(guān)鍵詞：電源開關(guān)元器件；模流分析；NX模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；CAD/CAE

0引言

塑料的機(jī)械性能和加工性能優(yōu)良，擁有重量輕、耐腐蝕電絕緣性能良好、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、交通運(yùn)輸、家電、儀器儀表、建筑裝飾等行業(yè)到了廣泛的應(yīng)用，有以塑帶鋼、以塑代木的趨勢(shì).注塑成型在整個(gè)塑料制品行業(yè)占有非常重要的地位，據(jù)統(tǒng)計(jì)注塑制品約占整個(gè)塑料制品行業(yè)總產(chǎn)量的30%，是三維塑料制品的主要成型方法，全世界每年生產(chǎn)的注塑模數(shù)量約占所有塑料成型模具數(shù)量的50%[1].作為塑料成型的重要工藝裝備，模具在注塑成型過(guò)程中處于核心地位，其設(shè)計(jì)制造水平?jīng)Q定了產(chǎn)品的質(zhì)量、品種和生產(chǎn)周期.傳統(tǒng)的注塑模設(shè)計(jì)主要依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，本質(zhì)上仍靠嘗試法完成，模具生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高，越來(lái)越不適應(yīng)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境.先進(jìn)的CAD/CAE相結(jié)合的注塑模具優(yōu)化設(shè)計(jì)方法受到了普遍的重視，CAD/CAE技術(shù)已成為塑料模具開發(fā)的最有效的方法[2-4].

本文以某款電器開關(guān)元器件為例，綜合應(yīng)用模流分析CAE軟件Moldflow和CAD軟件NX的功能，給出了注塑模優(yōu)化設(shè)計(jì)流程.

1塑料件結(jié)構(gòu)分析

開關(guān)元器件屬于薄壁功能件(非外飾件)，要求耐磨、尺寸穩(wěn)定，無(wú)毒無(wú)味，無(wú)非邊，無(wú)凹痕、翹曲等缺陷.塑件尺寸(見圖1)，總體尺寸為40.7 mm×21 mm×6.5 mm，選用ABS材料，塑件最大壁厚尺寸為6.5 mm，最小壁厚尺寸為1 mm，沒(méi)有特別的表面質(zhì)量要求，塑件有一側(cè)孔，需要側(cè)抽芯.

2注塑模流Moldflow分析

2.1分析前處理

根據(jù)塑件零件圖紙，在NX中建立零件三維實(shí)體模型[5]，去除對(duì)后續(xù)模流分析結(jié)果影響較小的小圓角特征(圓角半徑R<1 mm)，將處理好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為STL文件格式并導(dǎo)入Moldflow，并劃分表面模型網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長(zhǎng)取1.5 mm，為最小壁厚1.5倍，合并誤差設(shè)置為0.1 mm，劃分網(wǎng)格同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格匹配運(yùn)算.網(wǎng)格劃分完成后，對(duì)劃分網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行診斷，發(fā)現(xiàn)最大縱橫比為32.6，通過(guò)網(wǎng)格修復(fù)命令：網(wǎng)格自動(dòng)修復(fù)向?qū)А⒉迦虢Y(jié)點(diǎn)、合并結(jié)點(diǎn)、交換邊、移動(dòng)結(jié)點(diǎn)、平滑結(jié)點(diǎn)、重新劃分等工具降低網(wǎng)格縱橫比，由于要進(jìn)行冷卻翹屈分析，所以要求通過(guò)網(wǎng)格診斷、修復(fù)，模型網(wǎng)格質(zhì)量最終達(dá)到縱橫比小于10，網(wǎng)格匹配率大于85%，網(wǎng)格劃分結(jié)果統(tǒng)計(jì)(見圖2).

圖1　開關(guān)元器件造型

圖2　網(wǎng)格劃分結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.2最佳澆口位置分析

良好的澆口位置將決定成型過(guò)程中熔融塑料是否流動(dòng)平衡、壓力降梯度是否均勻、有否造成滯流、潛流等問(wèn)題，從而導(dǎo)致冷卻固化成型后的塑件是否產(chǎn)生翹曲變形，是否有熔接痕、熔合線等缺陷.Moldflow對(duì)塑件最佳理想澆口位置分析結(jié)果(見圖3)，并結(jié)合實(shí)際塑件尺寸大小和所選注塑機(jī)型號(hào)XY-ZY-250，由鎖模具力校核、注塑量校核、裝?？臻g校核，采用一模四腔布局，經(jīng)過(guò)優(yōu)化并結(jié)合實(shí)際工作條件，得到實(shí)際可行的最佳澆口位置結(jié)點(diǎn)N556位置，并采用潛伏式澆口，一模四腔布局及初步充填分析(見圖4)，流動(dòng)充填基本平衡.

圖3　塑件最佳理想澆口位置分析結(jié)果和實(shí)際可行的最佳澆口位置

圖4　潛伏式澆口、一模四腔布局效果圖和初步充填分析結(jié)果

2.3冷卻、填充保壓分析

冷卻效果對(duì)塑件制品的質(zhì)量有很大的影響，如制品的表面質(zhì)量，機(jī)械性能，結(jié)晶度等，冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短決定了塑件的成型周期，直接影響產(chǎn)品開發(fā)成本，通過(guò)冷卻分析得到最優(yōu)的冷卻效果，降低冷卻時(shí)間縮短塑件成型周期；填充保壓分析模擬塑料從注塑機(jī)噴嘴注塑開始，經(jīng)流道系統(tǒng)直到整個(gè)型腔被填滿的整個(gè)過(guò)程，預(yù)測(cè)熔融塑料在模具中的充填行為，通過(guò)預(yù)測(cè)提前獲知可能存在的缺陷，從而獲得最優(yōu)的保壓曲線，降低保壓引起的制品收縮，翹曲等缺陷.冷卻分析結(jié)果和塑件頂出溫度時(shí)間分析結(jié)果(見圖5)，回路冷卻液溫度出口和入口溫度差沒(méi)有超過(guò)3℃，冷卻效果良好，達(dá)到塑件頂出溫度時(shí)間為45.25 s.

圖5　冷卻分析結(jié)果和塑件頂出溫度時(shí)間分析結(jié)果

充填結(jié)束氣穴分布和熔接痕分布(見圖6)，器穴基本分布開關(guān)元器件的棱角位置即塑料流動(dòng)末端，通過(guò)分型面、合理的布置頂桿，嵌件來(lái)排器，以及在進(jìn)膠前對(duì)整個(gè)型腔抽真空處理.熔接痕分布(見圖6)，從圖中可以看到大部分熔合線波前匯合溫度都在230℃以上，熔合線不明顯，少量熔合線位置也不在外觀和受力位置，所以熔合線位置滿足要求.

圖6　氣穴分布圖及熔接痕分布圖

2.4收縮翹曲分析

收縮是由于高溫熔融塑料遇到低溫模壁后，高分子塑料冷卻密度變大，體積縮小的一種現(xiàn)象，決定產(chǎn)品尺寸是否滿足要求；翹曲變形是因?yàn)樗芰现破酚捎谧陨淼牟牧闲再|(zhì)、塑件的幾何形狀而對(duì)外界條件如冷卻、分子取向等表現(xiàn)出的各向收縮不均勻性，即塑料產(chǎn)品表現(xiàn)出的各項(xiàng)異性，決定了產(chǎn)品的位置公差是否滿足要求.電源開關(guān)元器件的總體翹曲分析和最大翹曲方向(見圖7)，總體翹曲量為+0.081 6，-0.081 4滿足塑件尺寸精度要求，且最大翹曲方向發(fā)生在Z向.

圖7　總體翹曲分析和最大翹曲方向

3基于NX Moldwizard模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1模具分型面設(shè)計(jì)

應(yīng)用NX Moldwizard至頂向下的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)前面模流分析的結(jié)果，結(jié)合塑件具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分型面的設(shè)計(jì)[6-7]，該開關(guān)元器件有兩分型面，主分型面和側(cè)分型面，分型后的型芯、型腔(見圖8).

圖8　主分型面、側(cè)分型面、型芯、型腔

3.2模具詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)Moldeflow分析模擬結(jié)果，在NX Moldwizard獲得的模具澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、側(cè)向分型和頂出機(jī)構(gòu)(見圖9).

圖9　澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、側(cè)向分型和頂出機(jī)構(gòu)

3.3模具總體結(jié)構(gòu)圖及工作過(guò)程說(shuō)明

模具二維總裝剖面圖(見圖10)，塑件注塑工作過(guò)程如下：在導(dǎo)向系統(tǒng)導(dǎo)柱和導(dǎo)套的定位導(dǎo)向下，動(dòng)模和定模閉合，并由注塑機(jī)合模系統(tǒng)提供的鎖模力鎖緊；真空吸器裝置完成排器；注塑機(jī)噴嘴開始注塑，熔融塑料經(jīng)定模側(cè)澆注系統(tǒng)進(jìn)入型腔；待熔體充滿型腔并經(jīng)過(guò)保壓、補(bǔ)縮和冷卻固化定型后開模；開模時(shí)，注塑機(jī)合模系統(tǒng)帶動(dòng)動(dòng)模后退，模具從動(dòng)模和定模分型面分開，側(cè)向分型機(jī)構(gòu)：側(cè)型芯滑快沿斜導(dǎo)柱完成側(cè)向抽芯動(dòng)作，塑件由于冷卻收縮包裹在動(dòng)模型芯上隨動(dòng)模一起后退；當(dāng)動(dòng)模移動(dòng)一定距離后，注塑機(jī)的推出機(jī)構(gòu)開始工作，推桿推出塑件；合模時(shí)，推出機(jī)構(gòu)靠復(fù)位彈簧復(fù)位，并準(zhǔn)備下一次注塑.模具的三維裝配圖(見圖11).

圖10　模具二維總裝圖①—定位圈；②—澆口套；③—定模座板；④—定模固定板；⑤—定模模仁；⑥—契緊塊；⑦—側(cè)抽芯型芯；⑧—滑塊；⑨—壓條；⑩—限位塊；—斜導(dǎo)柱；—?jiǎng)幽ＤＨ剩弧獎(jiǎng)幽０?；—支撐板；—墊塊；—推桿固定板；—墊板；—頂針；—?jiǎng)幽Ｗ澹弧獙?dǎo)柱；—導(dǎo)套

圖11　模具的三維裝配圖及塑件注塑制品

4結(jié)論

綜合應(yīng)用CAD/CAE相結(jié)合的先進(jìn)注塑模設(shè)計(jì)方法，首先通過(guò)NX CAD模塊建立塑膠產(chǎn)品三維幾何模型；然后利用模流分析CAE軟件Moldflow進(jìn)行塑料成型模擬，從而獲得最優(yōu)的模具結(jié)構(gòu)和成型工藝條件；最后應(yīng)用NX Moldwizard模塊快速完成塑料模具的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).經(jīng)實(shí)踐生產(chǎn)檢驗(yàn)，實(shí)際生產(chǎn)塑件制口尺寸穩(wěn)定，質(zhì)量良好，且該方法可以大大縮短塑料模具的開發(fā)、試模時(shí)間，提高模具開發(fā)效率，節(jié)約成本.

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Design of Injection Mold for Power Switch Component Based on NX and Moldflow

LIU Feng, TAO Lai-hua

(College of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Abstract:Taking power switch component as an example, the advanced mold design method was realized by combining application of mold flow CAE analysis software Moldflow and product design CAD software NX. The molten plastic cooling, filling, holding pressure and warping process were analyzed, reasonable injection mold parameters, optimized mold structure, two-dimensional drawing of mo1d structure were got. Through the integrated use of mold CAD/CAE technology, the mold design was optimized by shortening the mold development cycle, improving the development efficiency and reducing the development cost.

Key words:power switch component; Moldflow analyze; NX mold structure design; CAD/CAE

收稿日期：2015-12-01

作者簡(jiǎn)介：劉鋒(1978-)，男，湖北荊門人，在讀博士，講師，研究方向?yàn)槟＞呒夹g(shù)、逆向工程.

中圖分類號(hào)：TN713

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-536X(2016)04-0073-05