儀表面殼注塑模具設計與CAE分析

王明明

（長安大學工程機械學院，陜西西安710064）

制造工藝

儀表面殼注塑模具設計與CAE分析

王明明

（長安大學工程機械學院，陜西西安710064）

根據(jù)儀表面殼塑件成型的特點，從各個方面對模具的工藝參數(shù)進行了分析，從而設計了一副一模一腔，單分型面的，帶有一次推出機構的側澆口注塑模具。選用Moldflow軟件對產(chǎn)品不同方案的模具設計進行CAE模擬分析，確定了模具的最佳澆口位置。模具結構簡單，效率高。

儀表面殼；注塑模具；側抽芯機構；模流分析

模具技術作為衡量國家制造業(yè)水平的重要標志。對工業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展和產(chǎn)品質量的提高，模具技術起著不可替代的作用，用模具生產(chǎn)產(chǎn)品往往可以降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)效率。隨著各國工業(yè)的不斷發(fā)展，模具技術在汽車、飛機等大型零部件和手機、儀表等精密零件的領域都有越來越廣泛的應用。

我國是第三大模具生產(chǎn)國家，僅次于美國以及日本，汽車制造、機械電子、石油化工和建筑業(yè)等我國的支柱型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都離不開模具，都需要大量的模具，在汽車、電器、電子和通信等類產(chǎn)品中超過一半的零部件都是依靠模具成型的。所以模具技術也相應地得到快速發(fā)展。本文儀表面殼注塑模具就是模具技術在加工精密零件儀表中的應用。本文以儀表面殼注塑成型工藝分析及模具設計為主，從模具的加工工藝的角度出發(fā)，分析并設計了一種便于加工的模具結構，使模具的設計和加工更緊密的結合在一塊，并使用了計算機輔助設計來繪制三維與二維圖相結合達到優(yōu)化設計的目的。

1 塑件的工藝性分析

1.1 塑件的分析

①外形尺寸。如圖1所示，該塑件壁厚為2 mm ~3 mm，塑件外形尺寸約136 mm×106 mm×15 mm，塑料熔體流程不太長，塑件材料為熱塑性塑料，流動性較好，適合于注射成型。

圖1 塑件外形尺寸圖

②精度等級。塑件每個尺寸的公差不一樣，任務書中給出配合部分公差按MT3，未注公差按MT5.

（1）結構分析

塑件為儀表面殼，應有一定的結構強度，由于塑件后部的倒扣與儀表蓋需要相互連接，所以倒扣有一定的配合精度是必須的；由于該塑件是儀表的面殼，所以內(nèi)表面的粗糙度要求并不高。

（2）工藝性分析

精度等級：配合處需要采用的是MT3精度，其他處采用MT5精度。

（3）成型分析

該儀表面殼結構長度方向基本對稱，但是內(nèi)部比較復雜，不宜采用小型芯結構，而是直接成型，關鍵是用來與儀表后蓋連接的那八個倒扣，它們的抽芯距不大，從模具結構簡盡量單化的角度，可以采用斜頂機構來成型側凹部分。利用模具推出機構的推出力驅動斜頂針作斜向運動，在塑件被推出脫模的同時，由斜導桿完成側向分型與抽芯的動作[1]。

2 模具結構初步確定

2.1 確定型腔的數(shù)量以及型腔的排列方式

通常來說，對形狀簡單，并且精度要求不太高的小型注塑件，很多時候都采用的是多型腔的模具[2]。而對于精度要求較高的小型塑件（即有配合精度要求的塑件）一般需要采用一模一腔的模具結構；型腔數(shù)目多少是可以根據(jù)模型大小情況來確定的。由于儀表塑件對精度的要求較高，是高精度的塑件，可根據(jù)塑件的大小形狀（小型塑件）設計，本文設計的是一模一腔模具結構。

2.2 模具的結構形式確定

（1）單型腔單分型面的模具設計：對塑件外表質量要求高，而對尺寸精度要求一般的中小型塑件，應該采用這種結構。

（2）單型腔多分型面的模具設計：對塑件外表質量要求高，并且對尺寸精度要求也非常高的中小型塑件，應該采用這種結構。

儀表塑件是外觀質量要求高而尺寸精度要求不高的小型注塑件，因此采用的是單型腔單分型面的模具設計。

對于模具分型面的位置以及推出機構的設計，從該注塑件就可以明顯的看出來，并用moldflow分析得出了最佳澆口位置，見圖2.

圖2 最佳澆口位置圖

最常用的澆口形式有：第一種是點澆口形式。塑料在注射時，在點澆口位置以高速注射入型腔內(nèi)部，一部分的動能轉化成為熱能，所以塑料在會合時候熱量損耗比側澆口的要少，因此會合處的熔合是比較好的，熔接痕跡也不太明顯。這種澆口形式形成的注塑件的缺點是在塑件的正面位置會有燒口痕跡，從而影響塑件美觀，而且為取出點澆口的澆道剩余物料，型腔必須進行移動。而型腔重量卻比較大，不方便移動。第二種是側澆口形式。這種形式在加工制造上比較方便，可對澆口尺寸進行精密加工，其次澆口的位置和數(shù)量選擇靈活，以便改善充模狀況，不必從注塑機上卸載就能進行修正。再者去除澆口也比較方便，并且痕跡較小。因此本文選用的是這種澆口形式。

3 成型零部件的設計

3.1 成型零部件結構設計

注塑零件幾何形狀以及尺寸是由成型零部件來決定的，成型零部件是注塑模具的主要部分，其主要包括有：凹模、凸模和鑲嵌件、成型桿以及成型環(huán)等。由于塑膠的特點，塑料成型零部件的設計與冷沖模的設計是有所不同的。

3.1.1 型腔和型芯的結構設計。

因為模具是小型模具，所以本文應用的是組合式的凹、凸模結構（組合式凹模、凸模是由兩個或者多個零件組合行成的凹?；蛘咄鼓＝Y構）。組合式凹凸模又可以分為以下三種形式：整體嵌入式、局部鑲嵌式及四壁拼合式。本設計采用整體嵌入式結構，型腔和型芯都單獨加工（即機械加工、電加工、冷擠壓等）制成，再采用H7/m6這種過渡配合的方式壓入模板之中，這種結構方式加工效率高而且裝拆方便，可以很好地保證形狀以及尺寸精度的要求。

3.1.2 注射模強度要求

由于注射模工作時需承受多種作用力，因而要求注射模的各個零件必須具有足夠的強度以及剛度，在設計過程中也應該要對注射模主要零部件進行相應的強度及剛度計算校核。即使這樣，在成型壓力作用之下注射模型腔還是易發(fā)生形變，其變形量必須要保證在允許范圍內(nèi)。如果變形量過大，將會引起型腔變大從而出現(xiàn)毛邊，進一步導致塑件的尺寸增大，后果嚴重會導致型腔破裂，還有塑件成型后壓力就會消失，這時型腔又會隨著彈性應力作用恢復而收縮，又會使型腔緊緊包住塑件而造成開模困難，甚至損壞塑件或使制件質量下降[3]。

3.2 成型零部件尺寸計算

由于是依據(jù)注塑件的形狀和它的尺寸大小確定塑料模具的型腔和型芯的成型尺寸的，因此塑模型腔和型芯的成型尺寸大小與塑件形狀、塑料收縮率、以及尺寸公差，收縮誤差、模具磨損量和模具制造公差等因素有關。

聚碳酸酯塑料的平均收縮率。

3.2.1 定模型腔尺寸計算

定模型腔尺寸如圖3所示。

圖3 定模型腔尺寸圖

（1）徑向尺寸計算

式中，LM為模具型腔徑向基本尺寸；scp為塑料的平均收縮率；ls為塑件外表面徑向基本尺寸；x為修正系數(shù)，x＝1/2~3/4，塑件尺寸較大、精度級別較低時，取小值；當尺寸較小、精度級別較高，取大值，這里取0.5；△為塑件外表面徑向的基本尺寸公差；δz為模具制造公差，小型塑件一般取公差為的1/6.

（2）高度尺寸計算

式中，HM為模具型腔深度基本尺寸；scp為塑料的平均收縮率；Hs為塑件凸部高度的基礎尺寸；x為模具修正系數(shù)，x＝1/3~1/2，當塑件尺寸較大、而精度比較低時，取小值；當尺寸較小、精度高時，取大值[4]，這里取0.5；△為塑件凸部高度基本尺寸公差；δz為模具的制造公差，小型塑件一般取公差△的1/6.+δ

3.2.2 動模型芯的確定

動模型芯尺寸如圖4所示。

圖4 動模型芯尺寸圖

動模型腔又稱凸模，主要成形塑件的內(nèi)部形狀。型芯一般固定在動模上，是成形型孔及特殊形狀的凹、凸類塑件。

4 確定模具使用過程中的其他零件

4.1 模座

模座是連接注射機的模具底板，是支承所有零件的底板，需要承受多種作用力，所以底座需要一定的剛度以及強度而且厚度不能太薄。本套模具的底座厚度為30 mm，模座材料采用Q235鋼。

4.2 墊塊

墊塊對固定板上模具的各零件起著支承的用途，由于注射機規(guī)格不同的原因，所以應該需要用墊塊來調(diào)整模具的高度以與其相適應，墊塊也應該具有一定的剛度以及強度，防止墊塊發(fā)生變形，從而引起制造的塑件有所偏差，因此選擇用六角螺釘將墊塊與模具基座固定在一起。支承板采用的是45#鋼，墊塊采用Q235鋼。

4.3 固定板

需要用固定板固定成型的零部件，其中有：動模固定板、定模固定板、推出固定板等。依據(jù)塑件的注射成型工藝和模具的結構形式設計相應的固定板，用以適應相應的工作條件。本文的動模和定模固定板都采用的是45#鋼，而推出固定板采用的是Q235鋼[5]。

5 模具使用方法

模具需要有推出系統(tǒng)（即推出機構），當塑件在模具中冷卻后，需要推出機構將其推頂出來，在推頂過程中，塑件不能發(fā)生變形，以及卡滯現(xiàn)象。還有，推出系統(tǒng)必須要保證在復原時不會與其他零件碰撞，以防止其他零件改變位置，方便進行下一個塑件的加工制造[6]。

推出機構的設計原則：

（1）設計推出機構時應盡量時塑件留于定模一側；

（2）塑件在推出過程中不發(fā)生變形和破壞；

（3）不損壞塑件的外觀質量；

（4）合模時應時推出機構正確復位；

（5）推出機構應動作可靠。

根據(jù)儀表面殼注塑件的結構設計了一種一次推出機構，如圖5所示。

圖5 推出機構裝置圖

6 結束語

本文所成型的塑件儀表面殼成型的關鍵是用來與儀表后蓋聯(lián)接的那八個倒扣，兩側有兩個倒扣，采用斜導柱滑塊，尾部還有兩個，抽芯距較大，采用平移式推桿內(nèi)抽芯，內(nèi)部還有四個，由于所需抽芯距不大，所以采用斜導桿推出的形式，比起側抽芯，結構簡單，易于制造，且能保證所需的精度。該模具可大大提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)效益。

[1]屈華昌.塑料成型工藝與模具設計[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]張榮清.模具制造工藝[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]譚雪松，林曉新，溫麗.新編塑料模具設計手冊[M].北京：人民郵電出版社2007.

[4]陳錫棟，周小玉.實用模具技術手冊[M].北京：機械制造出版社，2002.

[5]許德珠.機械工程材料[M].北京：高等教育出版社，2001.

[6]黃虹.塑料成型加工與磨具[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.

Instrument Shell of Plastic Injection Mold Design and CAE Analysis

WANG Ming-ming
（College of Engineering Mechanics，Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064，China）

According to the instrument shell plastic molding features，all aspects of the mold process parameters were analyzed，thus designed a mold a cavity，single sub-surface，with a launch mechanism of the side gate injection mold.Moldflow software was used to simulate the mold design of the different products.The optimal gate location of the mold is determined.Mold structure is simple，high efficiency.

instrument shell；injection mold；side core pulling mechanism；mold flow analysis

TG76

：A

：1672-545X（2017）01-0100-04

2016-10-16

王明明（1991-），陜西乾縣人，碩士，研究方向：機械制造及其自動化。