排水系統(tǒng)沖水面板模流分析及模具設(shè)計

摘 要：本文闡述沖水面板塑料件的模具設(shè)計過程，對沖水面板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行了說明.重點通過CAE軟件模擬分析優(yōu)化了最佳澆口位置、注塑工藝參數(shù)，同時對斜頂抽芯結(jié)構(gòu)進行詳細(xì)的設(shè)計計算與合理布局。該模具利用比較合理的結(jié)構(gòu)，降低加工制造成本，適合大批量生產(chǎn)，已在生產(chǎn)中得到了良好的應(yīng)用。通過該設(shè)計過程介紹了沖水面板類零件注塑模具設(shè)計的基本知識。

關(guān)鍵詞：面板本體；模具設(shè)計；CAE；斜頂組件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.105

為了適應(yīng)市場競爭對塑料模具的交期短、質(zhì)量好、價格低的要求，模具制造業(yè)須以最短的周期、最低的成本、最優(yōu)的質(zhì)量設(shè)計制造出塑料模具來。本文通過沖水面板的形狀結(jié)構(gòu)以及材料分析，設(shè)計出低成本、高質(zhì)量、高效率的模具結(jié)構(gòu)。

1 產(chǎn)品分析

產(chǎn)品為排水系統(tǒng)沖水面板，即圖1-1、圖1-2所示，產(chǎn)品材料是ABS，其收縮率0.4%～0.6%。產(chǎn)品有外觀要求，需電鍍，塑料電鍍件相比金屬件來說，重量更輕，也有極佳的金屬質(zhì)感，還可以有效的美化塑料制品的外觀和裝飾。該產(chǎn)品為殼類零件，如下圖1-1所示，長度為445mm，寬度為150mm，壁厚為3mm。外表面光滑，內(nèi)表面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要多組斜頂抽芯結(jié)構(gòu)。

2 產(chǎn)品CAE分析

通過Moldfolw軟件對產(chǎn)品模流分析，對比出最佳澆口位置，優(yōu)化注塑工藝參數(shù)，對于有熔接痕或是變形較大位置設(shè)計預(yù)留加熱棒或排氣等等。極大的節(jié)省模具成本、降低生產(chǎn)周期并提高生產(chǎn)效率。

（1）最佳澆口示意圖2-1。

根據(jù)上面模擬分析結(jié)果，并用Moldflow中的“快速填充”進行分析，判斷，篩選出最好的澆口位置。分析結(jié)果如下圖：

圖2-2充填時間2.0S，圖2-3充填時間2.5S，選擇方案一充填時間較短，對產(chǎn)品性能較好，可縮短成型周期。

（2）注射位置處的壓力示意圖。

圖2-4為產(chǎn)品在注射過程中的每個注塑位置壓力示意圖，保壓階段和填充階段過程中每個的時間點注射壓力可以從圖中讀取。該圖表明，在注射成型過程中，此產(chǎn)品的澆口位置處壓力正常。

（3）流動前沿溫度。此分析過程可以讓工程師清晰了解在注射過程中熔融狀態(tài)下的塑料原材最前沿的溫度，最前沿的溫度體現(xiàn)了該模具是否可以注塑生產(chǎn)，如果溫度波動范圍大，產(chǎn)品注塑過程問題會很多。從2-5圖中我們可以觀察出在面板的溫度分布，此圖的相鄰的最前沿溫度相差不到5度，所以體現(xiàn)了該注塑過程中，流動性好，也就體現(xiàn)了流道的設(shè)計的合理性。

（4）密度圖。從圖2-6中我們可以看出在注塑過程后，每個位置的密度基本差不多，就體現(xiàn)了此產(chǎn)品的保壓壓力合理且比較均勻，澆口位置合理、注塑工藝合理、流道設(shè)計合理、產(chǎn)品壁厚均勻，注塑填充效果好。

（5）收縮估算。

產(chǎn)品在注塑生產(chǎn)中，都會有一定收縮，尤其是在產(chǎn)品冷卻的時間段內(nèi)，如果冷卻不合理，或者工藝安排不恰當(dāng)就會導(dǎo)致產(chǎn)品收縮不均勻，產(chǎn)品會發(fā)生翹曲變形，而不同的塑料產(chǎn)品的收縮率都有所不同，所以由圖2-7可以看出在注射過程中，收縮比較均勻且收縮很小，驗證了我們的注射工藝，澆注系統(tǒng)的設(shè)計和模具的設(shè)計都是比較合理。

（6）水路設(shè)計。模具的水路也叫溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在注射成型生產(chǎn)中有著非常重要的地位，通過控制模具溫度，使注塑模具有良好的產(chǎn)品質(zhì)量和較高的生產(chǎn)力[1]。本設(shè)計采用的是循環(huán)水冷卻水路。

此圖是分析在注塑過程中，零件的溫度示意圖，此圖的水路都是隨形水路，上下的水路各兩層，總4層水路，非常充分的進行對產(chǎn)品零件的冷卻。從圖2-10我們可以看出，此產(chǎn)品的溫度非常均勻，且溫度較低，所以驗證了水路的合理性和分布位置的設(shè)計合理。

由圖2-11圖可看出模具的溫度基本上相差不大，通過隨形水路分析有效的解決了注塑成型中最難控制的因素；冷卻和翹曲，同時也驗證了水路的設(shè)計合理性。在注射生產(chǎn)中，產(chǎn)品的溫度和模具的溫度都很均勻，塑料產(chǎn)品的質(zhì)量都很高。

圖2-12變形示意圖是通過兩個方案進行對比結(jié)果分析，左圖是加了水路分析出的變形，而右圖是沒有加水路的變形。通過上圖的結(jié)果我們可以看出沒有加水路的變形問題很大，且分布不均勻，而左圖在變形過程中比較合理，分布較均勻。

3 成型零件的設(shè)計

3.1 分型面的選擇

依據(jù)產(chǎn)品形狀特點選用一模一腔的單型腔模具結(jié)構(gòu)，主分型面選在產(chǎn)品的最大輪廓面。而該產(chǎn)品外表面的要求高且需要電鍍，又因為產(chǎn)品下的結(jié)構(gòu)多較復(fù)雜，如果選取上表面為分型面就會導(dǎo)致產(chǎn)品難以推出，且很容易使產(chǎn)品留在前模上，不利于分模，所以優(yōu)先考慮分型面在面板的下表面為分型面。

依據(jù)創(chuàng)建的分型面，拆除凸凹模零件如圖3-1、3-2所示。模具中最重要的兩個部分就是型芯和型腔，也叫凸模和凹模。這兩部分直接決定了生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。在本次設(shè)計中，型芯（凸模）設(shè)計了鑲件嵌入式，這樣有利于于產(chǎn)品的質(zhì)量，也有利于在后面的維護和修改模具，定模仁（型腔）設(shè)計的尺寸為299.5*209.5*48單位都是mm，動模仁（型芯）的尺寸為299.5*209.5*56.633。由于產(chǎn)品要求高，外觀面還需要電鍍，所以這兩部分的模具鋼材料選擇進口S136（HRC48?-52?），S136具有優(yōu)良的高拋光性，耐磨耐腐蝕[1]。

3.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

澆注系統(tǒng)是由主流道、分流道、澆口和冷料穴4部分組成[2]。本設(shè)計的澆注系統(tǒng)如圖3-3所示。

（1）主流道設(shè)計。為便于流道凝料從主流道襯套中拔出，主流道設(shè)計成圓錐形，錐角=5°，內(nèi)部粗糙度小于0.8。主流道長度應(yīng)盡可能短，否則會使凝料增多，壓力損失加大，溶料冷卻時太多影響注塑成型。主流道形式有整體主流道、組合主流道、襯套主流道[2]。本次選用襯套式主流道，便于制造、更換和后期處理。

（2）分流道及澆口的設(shè)計。一般分流道剖面形態(tài)有圓形、U形、梯形、方形等[2]。在選擇截面形狀時，根據(jù)熱量散失、流通阻力、加工難以程度等。在此采用平衡式半圓形分流道，分流道剖面越小。熱損失越小，流動阻力越大。

（3）澆口是澆注系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，通過分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，結(jié)合CAE模流分析結(jié)果，故選擇搭接澆口做為該模具的澆口。圖3-3

（4）冷料穴位于主流道下端，是讓先行的料存儲位置，防止冷料進入型腔[2]。分型時，在拉料桿的作用下，拉住凝料，使之留在動模一側(cè)，在用頂針頂出。同時在分流道上制作冷料穴，進一步減少冷料進入型腔的可能性。

4 推出抽芯機構(gòu)的設(shè)計

產(chǎn)品脫模是注塑成型過程中最后一個環(huán)節(jié)，脫模質(zhì)量好壞影響產(chǎn)品的質(zhì)量。本設(shè)計采用頂針和斜頂共同作用頂出產(chǎn)品。在這里側(cè)重介紹關(guān)于斜頂?shù)脑O(shè)計。

由于產(chǎn)品內(nèi)有倒扣需要斜頂頂出，斜頂在注射模具中運通非常廣泛，很多產(chǎn)品都需要斜頂作為頂出方式，尤其是在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中有倒扣的時候，基本都是運用斜頂。該產(chǎn)品需要內(nèi)抽部件較多，內(nèi)抽部件為組合式，其缺點是剛度和強度不好，但是對于抽芯部件可單獨進行熱處理等加工強化[3]。抽芯距離應(yīng)在抽出產(chǎn)品外，加2～3mm安全距離，確保不干涉產(chǎn)品的脫模。

斜頂公式為：

tanα=脫模行程S/定出行程L

α為斜頂角度；

脫模行程S為產(chǎn)品的倒扣在開模時所需要頂出的最短距離；

頂出行程L為整個產(chǎn)品在頂出時所需要的最短距離。

如圖4-1所示：

一般斜頂?shù)慕嵌热?～8°最合適，先取6°計算：

tanα=脫模行程S/定出行程L

tan6°=6.726/L

L=6.953/tan6°

L=63.9962

所以斜頂行程最低需要預(yù)留64mm位置。

有上圖4-2可知頂出高度有70.5滿足斜頂頂出行程要求。斜頂膠位設(shè)計過程也得考慮斜頂?shù)膹姸纫约傲慵庸すに嚒?/p>

5 排氣系統(tǒng)的設(shè)計

生產(chǎn)過程中，型腔內(nèi)的氣體或者塑料在成型過程中產(chǎn)生的低分子揮發(fā)氣體如果不能被排除干凈，產(chǎn)品就會形成氣泡、凹陷、表面輪廓不清晰等缺陷，因此設(shè)計模具時必須考慮型腔的排氣問題[2]。在本設(shè)計中，頂桿排布的很均勻，數(shù)量也很多，并且設(shè)置了排氣槽，因此采用配合間隙排氣及排氣槽就可以完成排氣，使產(chǎn)品能順利生產(chǎn)出來。

6 整體模具設(shè)計

模具的型腔和型芯都做成整體式，其中型芯深腔筋條處可以設(shè)計嵌入式鑲拼，如若損壞，小鑲件后續(xù)修改及更換較便利，大大節(jié)省成本。設(shè)計20個內(nèi)抽芯斜頂結(jié)構(gòu)保證產(chǎn)品的卡扣可以順利脫模。添加澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和成型標(biāo)準(zhǔn)件以后整個模具的二維裝配設(shè)計如圖6-1所示。

7 結(jié)論

本文討論了沖水面板本體的形狀，分析了該產(chǎn)品的工藝結(jié)構(gòu)，采用CAE技術(shù)，模擬確定最佳進澆口的數(shù)量和位置，模具首次試模所涉及的斜頂組件頂出順暢無卡澀，產(chǎn)品可機械手取出。產(chǎn)品外觀在模流分析優(yōu)選澆口后無困氣包膠縮水等不良現(xiàn)象。且在模流分析顯示的熔接線處直接設(shè)計加熱棒去除產(chǎn)品外觀熔接痕。試模完成只對產(chǎn)品外形尺寸加膠，減少試模次數(shù)，縮短開模周期。設(shè)計效率和效果都有了相應(yīng)的提高。

參考文獻：

[1]許紅斌，文琍.模具制造技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]劉昌棋.塑料模具設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[3]洪慎章.精密注塑成型與模具設(shè)計的因素[J].模具技術(shù)，2005.

[4]尹紅靈.基于CAE技術(shù)的汽車前面板注塑成型工藝優(yōu)化[J].模具技術(shù)，2015.

作者簡介：張遠(yuǎn)懷（1976-），男，工程碩士，工程師，副總經(jīng)理，主要研究方向：注射模具設(shè)計及制造、阻尼器設(shè)計及制造。