基于數(shù)值模擬的IC卡卡套飛邊研究*

許江偉，楊順星，李海梅，2（.鄭州大學材料科學與工程學院，鄭州 450002； 2.大連理工大學工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧大連 6024）

?

基于數(shù)值模擬的IC卡卡套飛邊研究*

許江偉1，楊順星1，李海梅1，2
（1.鄭州大學材料科學與工程學院，鄭州 450002； 2.大連理工大學工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧大連 116024）

摘要：針對IC卡卡套注塑件的飛邊，用數(shù)值模擬方法從鎖模力、壓差及型腔板變形等方面分析了產(chǎn)生飛邊的原因，并預測了飛邊可能產(chǎn)生的區(qū)域；通過與實際成型塑件比較，驗證了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：飛邊；數(shù)值模擬；鎖模力；型腔變形

注射成型中，由于不合理的模具設(shè)計或工藝設(shè)置可能會在模具的分合位置上（如分型面、鑲件與型腔的間隙、頂桿與模板的空隙等）產(chǎn)生飛邊。飛邊與塑料制品連接在一起，影響制品的外觀、尺寸精度，甚至會使制品報廢［1-3］。

飛邊是注射成型制品的缺陷之一，如何在成型中減少或消除飛邊以提高塑件質(zhì)量是塑料成型加工領(lǐng)域里的重要研究課題［4-7］。筆者針對IC卡卡套注射成型制品的飛邊缺陷，用數(shù)值模擬的方法從鎖模力、壓差及型腔變形進行分析，預測了可能出現(xiàn)飛邊的區(qū)域，與實際制品對比驗證了研究方法的可行性，并提出了減少該制品飛邊的方法。

1 數(shù)值模擬預測飛邊的流程

使用建模軟件完成塑件建模及型腔建模后，通過以下兩種思路來完成飛邊模擬：（1）使用Moldflow進行充填和保壓分析，判斷鎖模力是否過大，如果鎖模力過大，則進行壓差分析進而判斷飛邊的出現(xiàn)區(qū)域；（2）提取型腔節(jié)點壓力數(shù)據(jù)導入Ansys中進行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，判斷模具變形量是否超過許用變形量，如果超過許用變形量則進行型腔變形量分析進而確定飛邊出現(xiàn)區(qū)域［8］。

2 制品分析與模具結(jié)構(gòu)

IC卡卡套注塑件結(jié)構(gòu)如圖1所示。要求制品外表面光滑平整，內(nèi)側(cè)肋部及裝配定位孔不影響裝配，制品周邊光滑無明顯結(jié)合線及毛刺。

圖1 IC卡卡套結(jié)構(gòu)圖

如圖1，由于制件側(cè)面無側(cè)孔、凸臺，內(nèi)部也無卡扣等結(jié)構(gòu)，所以無需側(cè)向抽芯；由于對制件表面粗糙度有要求，模具選用潛伏澆口，從動模側(cè)進膠（如圖2所示）；模具結(jié)構(gòu)為單分型面兩板模一模四腔結(jié)構(gòu)，型腔和型芯采用整體鑲拼結(jié)構(gòu)，使用頂桿間隙及分型面間隙排氣，圖3為模具結(jié)構(gòu)圖。

圖2 制品澆注系統(tǒng)及一模四腔排布圖

圖3 制品模具設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

3 飛邊分析

成型IC卡卡套材料選用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS），牌號為Techno ABS 560。采用震德CJ80E型螺桿式注塑機生產(chǎn)，其最大鎖模力為800 kN。表1是注射成型工藝參數(shù)。

表1 IC卡卡套的成型工藝參數(shù)

3.1 鎖模力與壓力差分析

為得到高質(zhì)量的有限元網(wǎng)格，使用hypermesh對模型劃分網(wǎng)格，設(shè)置3 mm的網(wǎng)格邊長。為得到大小相同的邊緣網(wǎng)格以方便分析計算，修整了模型的邊緣網(wǎng)格，使用Moldflow進行充填加保壓分析。圖4是分析得到的鎖模力隨時間變化圖，鎖模力在0.57 s時達到最大值并且超過了800 kN，也就是超過了注塑機的最大鎖模力，此時有可能會產(chǎn)生飛邊。

圖5是不同型腔節(jié)點的壓力值。由于進行數(shù)值模擬時劃分的制品邊緣網(wǎng)格大小相同，所以邊緣處的節(jié)點壓力越大，其所在的單元處的型腔壓力越大，則越容易產(chǎn)生飛邊。由圖5可知，塑件邊緣的五個節(jié)點中，近澆口位置的N1節(jié)點壓力最大，產(chǎn)生飛邊的概率也最高。

圖4 成型所需鎖模力隨時間變化圖

圖5 型腔邊緣節(jié)點位置及其壓力隨時間變化圖

從注射成型過程考慮，熔體充填結(jié)束后尚未完全凝固，進入保壓階段后，由于保壓壓力作用，易在壓力大的邊緣位置處產(chǎn)生飛邊。由數(shù)值模擬得到的溫度場等數(shù)據(jù)可知，在0.57 s時，制品邊緣的熔體還沒有凝固，計算此時制品邊緣位置的壓力差，如圖6所示。從澆口位置開始沿順時針方向選取節(jié)點進行編號，每隔4個節(jié)點計算壓差，并且定義邊緣外側(cè)節(jié)點為PⅠ，緊靠外側(cè)節(jié)點的內(nèi)側(cè)節(jié)點為PⅡ，壓差即為（PⅠ-PⅡ）。

圖6 制品邊緣節(jié)點位置及排序編號

表2是不同邊緣位置處的壓差統(tǒng)計結(jié)果，由表2結(jié)果可知，壓力計算在近澆口位置處壓差變化明顯，且壓力較大，遠離澆口壓差變小，故飛邊最可能出現(xiàn)在澆口附近。

表2 節(jié)點位置壓差統(tǒng)計結(jié)果 MPa

3.2 型腔板變形分析

剛度條件δ是塑件成型受壓的最大允許變形量，塑件成型的受力變形量要低于δ，否則塑件的尺寸精度不能滿足要求，或者模板變形使型芯與型腔板配合過緊不能開模［9-11］，還有可能產(chǎn)生溢料。剛度條件δ取塑件公差的20%左右可保證制品尺寸精度［12］，本模擬中剛度條件δ取0.04 mm。

使用Ansys有限元軟件進行模具型腔靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析研究模板變形產(chǎn)生的飛邊。由于IC卡卡套外邊緣分型面在模具定模側(cè)，故只分析定模型腔變形即可。由于模具為一模四穴，且對稱平衡分布，故選用模板的1/4分析模具型腔的變形。

模型導入Ansys后，選擇單元類型為10節(jié)點四面體單元Tet 10 Node 92，模具材料為P20鋼。給定模板側(cè)面和底部設(shè)定位移約束，再將Moldflow中0.57 s時的壓力值作為表面載荷輸入Ansys中，最后開始分析求解。圖7是型腔變形量分析結(jié)果，由于型腔底部不會產(chǎn)生飛邊，所以只研究側(cè)壁變形量即可，由圖可知側(cè)壁的最大變形量約為0.004 mm，遠小于剛度條件0.04 mm，所以該制品不會由于型腔變形而產(chǎn)生飛邊。

3.3 飛邊預測及實驗對比

由鎖模力、壓差及型腔模板變形分析結(jié)果可知，該IC卡套產(chǎn)生飛邊的主要原因是注塑機提供的鎖模力不夠，由模擬結(jié)果可知，飛邊最可能出現(xiàn)在如圖8所示的澆口位置附近。

圖7 型腔受力變形圖

圖8 飛邊可能出現(xiàn)區(qū)域

實際加工的樣品如圖9所示。由圖9知，IC卡卡套在澆口附近位置處產(chǎn)生飛邊，與模擬的結(jié)果相吻合，說明模擬方法可行，模擬的結(jié)果可靠。

圖9 試驗樣品

3.4 改進措施

（1）成型工藝參數(shù)優(yōu)化。

由CAE分析結(jié)果可知，IC卡卡套澆口附近位置處產(chǎn)生飛邊的主要原因是注塑機提供的鎖模力不夠，所以要使用鎖模力大于1 000 kN的注塑機；也可在滿足正常的生產(chǎn)條件下，適當降低熔體注射溫度，降低模具溫度，降低注射/保壓壓力，進而降低型腔壓力，從而減小成型所需的鎖模力。

（2）改進模具結(jié)構(gòu)。

在實際成型中，由于成型孔的模具型芯磨損，導致產(chǎn)品卡槽位置處有不明顯飛邊產(chǎn)生，如圖10所示，此處的飛邊可以通過改進模具結(jié)構(gòu)，將卡槽配合處的結(jié)構(gòu)由對靠改變?yōu)樾辈暹M行改善，如圖11所示。

圖10 IC卡卡套卡孔位置飛邊示意圖

圖11 模具結(jié)構(gòu)改進示意圖

4 結(jié)語

對成型IC卡套產(chǎn)生的飛邊，從型腔壓力切入，使用數(shù)值方法找出并驗證了產(chǎn)生飛邊的原因，預測了可能產(chǎn)生飛邊的區(qū)域。通過對IC卡卡套注塑件的飛邊模擬，為飛邊缺陷的研究提供了一種新的方法，對飛邊的減少及消除具有一定的意義。

參 考 文 獻

［1］ Chen Zhongbao，Giacomin J A，Turng L S.Flash［J］.Polymer Engineering and Science，2006，46（2）:241-247.

［2］ 張甲敏，王菁，周文娟，等.熱塑性聚氨酯過濾器殼制品常見的缺陷及解決方法［J］.塑料工業(yè)，2011，39（1）:59-64.Zhang Jiamin，Wang Jing，Zhou Wenjuan，et al.The common defects and solutions of TPU filter shell products［J］.China Plastics Industry，2011，39（1）:59-64.

［3］ 黃佳銳.TPU手表帶飛邊問題的分析與模具修復對策［J］.模具工業(yè)，2012，38（12）:47-50.Huang Jiarui.Analysis on flash problems of TPU watchband and mould repair measures［J］.Die & Mould Industry，2012，38（12）:47-50.

［4］ Husun O，Tuncay E，Ibrahin U Z.Application of Taguchi optimization technique in determining plastic injection molding process parameter for a thin-shell part［J］.Materials & Design，2007，28（4）:1 271-1 278.

［5］ Chen Shiachung，Li Haimei，Huang Shihtsun.Effect of decoration film on mold surface temperature during in mold decoration injection molding process［J］.International Communication in Heat and Mass Transfer，2010，37（5）:501-505.

［6］ 張偉國，李世國，酈洪源，等.注塑件缺陷分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計解決方案［J］.工程塑料應(yīng)用，2007，35（1）:73-77.Zhang Weiguo，Li Shiguo，Li Hongyuan，et al.Analysis on defect of injection case and its structural design solution［J］.Engineering Plastics Application，2007，35（1）:73-77.

［7］ 楊亞男.手機外殼注塑成型的數(shù)值模擬及翹曲變形控制［D］.上海:上海交通大學，2010.Yang Yanan.Molding for mobile phone shell and warpage control［D］.Shanghai:Shanghai Jiao Tong University，2010.

［8］ 許江偉，楊順星，李海梅.基于數(shù)值模擬的平板注塑件飛邊研究［J］.模具工業(yè)，2014，40（3）:10-13.Xu Jiangwei，Yang Shunxing，Li Haimei.Research on flash of injection molded plastic flat plate based on numerical simulation［J］.Die & Mould Industry，2014，40（3）:10-13.

［9］ 田學軍.注塑模具鎖模力的影響因素及簡單經(jīng)驗計算方法［J］.機電工程技術(shù)，2008，37（3）:100-102.Tian Xuejun.The influence factors of injection mold clamping force and a simple empirical calculation method［J］.Mechanical & Electrical Engineering Technology，2008，37（3）:100-102.

［10］ 胡占軍，董旭，董麗娜，等.探測器殼體注塑模具型腔壁厚設(shè)計及靜剛度有限元分析［J］.河北工業(yè)大學學報，2009，38（4）:40-43.Hu Zhanjun，Dong Xu，Dong Lina，et al.Transmitter shell design for injection mold wall thickness and static stiffness finite element analysis［J］.Journal of Hebei University of Technology，2009，38（4）:40-43.

［11］ Wissbrun K F.Injection mold flashing of liquid crystalline polymers［J］.Polymer Engineering and Science，1991，31（15）:1 130-1 136.

［12］ 齊曉杰.塑料成型工藝與模具設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006:151-153.Qi Xiaojie.Plastic molding process and mold design［M］.Beijing:China Machine Press，2006:151-153.

聯(lián)系人：李海梅，博士，主要研究方向為高分子材料成型加工

Research on Flash of IC Card Sets Based on Numerical Simulation

Xu Jiangwei1， Yang Shunxing1， Li Haimei1，2
（1.School of Materials Science and Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450002， China；2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment， Dalian University of Technology， Dalian， Liaoning 116024， China）

Abstract：Numerical simulations of IC card sets were performed to predict flash，considering the effects of clamping force，differential processing pressure and cavity deformation，and the possible regions of the flash were detected based on numerical results.This work was verified by a real injection molded specimen.

Keywords：flash；numerical simulation；clamping force；cavity deformation

中圖分類號：TG386.2

文獻標識碼：A

文章編號：1001-3539（2016）01-0058-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.01.013

收稿日期：2015-11-12

*國家自然科學基金項目（11372285，10972201，11272291），高分子材料國家工程重點實驗室（四川大學）項目（KF 201206），工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室（大連理工大學）項目（GZ1203），聚合物成型加工工程教育部重點實驗室（華南理工大學）項目（2012004）