基于CAD和CAE技術(shù)的LED燈燈罩注塑模具設(shè)計(jì)*

薛子闖

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

0 引 言

隨著中國由制造大國向制造強(qiáng)國的邁進(jìn)，帶來了模具產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步，利用三維軟件進(jìn)行數(shù)字化注塑模具設(shè)計(jì)和模流分析軟件進(jìn)行塑料的流動(dòng)分析技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛[1]。筆者應(yīng)用國內(nèi)外比較廣泛的UG和moldflow軟件對(duì)LED燈罩進(jìn)行注塑模具優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，表明moldflow和UG軟件在注塑模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要參考價(jià)值。

1 燈罩結(jié)構(gòu)工藝分析及設(shè)計(jì)方案確定

燈罩的材料為聚碳酸酯(PC)是一種性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料，密度為1.2 g/cm3，該材料具有良好的韌性和剛性，成型收縮為0.5%～0.8%，抗沖擊性極好，能在很寬的溫度變化范圍內(nèi)保持其尺寸穩(wěn)定性，具有良好的抗蠕變，耐熱、耐磨、耐寒性和良好的耐候性[2]。燈罩外形整體為圓柱形如圖1所示。

圖1 燈罩產(chǎn)品圖(單位：mm)

燈罩對(duì)稱兩側(cè)有2個(gè)側(cè)孔需要側(cè)向型芯來成型，1 mm深的內(nèi)扣不能強(qiáng)制脫模需要成型頂桿來成型，客戶指定了進(jìn)膠點(diǎn)的位置，結(jié)合燈罩的結(jié)構(gòu)和要求，擬定該注塑模具為有側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)的三板模。

根據(jù)燈罩的結(jié)構(gòu)和要求決定采用三板模具結(jié)構(gòu)，進(jìn)膠口為指定點(diǎn)，側(cè)孔采用斜導(dǎo)柱與滑塊組合形式的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)側(cè)孔的成型與抽芯，內(nèi)扣部位采用斜頂結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)成型與抽芯，頂出機(jī)構(gòu)采用絲筒頂出，冷卻水路為兩層水路分別對(duì)型腔和型芯進(jìn)行冷卻，模具采用一模兩腔設(shè)計(jì)。

2 模具結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)

2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

注射模具的澆注系統(tǒng)是指模具中從注射模具主流道始端到澆口末端即型腔入口的塑料熔體流動(dòng)的通道，其作用是讓高溫熔體在高壓下高速進(jìn)入模具型腔，實(shí)現(xiàn)型腔填充和塑料成型[3]。該注射模具采用指定點(diǎn)澆口進(jìn)膠，澆口的位置選擇燈罩的上表面中心位置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 澆注系統(tǒng)

2.2 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模具的溫控系統(tǒng)作用是將模具中的熱量源源不斷的傳遞出去，或者將模具加熱到模具正常的注射溫度，將模具溫度控制在合理的范圍內(nèi)，溫控系統(tǒng)的是否合理，將對(duì)模具的生產(chǎn)效率起關(guān)鍵作用。該注射模具的溫控系統(tǒng)初步按三種方案設(shè)計(jì)冷卻水路布置，分別對(duì)模具的型芯和腔進(jìn)行冷卻，選取冷卻效果最好的方案為最終方案，水路的直徑均為8 mm，其主要零部件有水嘴、水路、密封圈和水堵組成。

2.3 模具結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

為了提高該注塑模具的結(jié)構(gòu)合理性，縮短模具的開發(fā)周期，減少模具制造成本，利用注塑模具行業(yè)應(yīng)用比較廣泛的mlodflow軟件對(duì)該三種水路布置方案進(jìn)行塑料熔體流動(dòng)分析，通過產(chǎn)品的網(wǎng)格化處理，建立相應(yīng)的澆注系統(tǒng)，溫控系統(tǒng)和設(shè)置工藝參數(shù)(熔體溫度190 ℃，成型周期30 s，注射壓力150 MPa)得到三種水路布置方案的分析結(jié)果如圖3～5所示。

方案一：平行排列水路見圖3。

圖3 方案一分析結(jié)果

分析結(jié)果表明：該方案的冷卻水路進(jìn)出口溫差為0.89 ℃，回路熱去除效率0.4，產(chǎn)品達(dá)到頂出溫度所需時(shí)間為5.997 s，產(chǎn)品的所有變形比例因子最大為0.669 8 mm。

方案二：整體環(huán)形水路見圖4。

圖4 方案二分析結(jié)果

分析結(jié)果表明：該方案的冷卻水路進(jìn)出口溫差為1.21 ℃，回路熱去除效率0.8，產(chǎn)品達(dá)到頂出溫度所需時(shí)間為6.147 s，產(chǎn)品所有的變形比例因子最大為0.381 6 mm。

方案三：獨(dú)立環(huán)形水路見圖5。

圖5 方案三分析結(jié)果

分析結(jié)果表明：該方案的冷卻水路進(jìn)出口溫差為0.24 ℃，回路熱去除效率0.95，產(chǎn)品達(dá)到頂出溫度所需時(shí)間為5.240 s，產(chǎn)品所有的變形比例因子最大為0.141 5 mm。

表1為三種方案對(duì)比結(jié)果。綜合上述分析結(jié)果，方案三獨(dú)立環(huán)繞水路的冷卻效果較好，產(chǎn)品的變形量最小。另外在分析過程中還發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品上表面R3圓弧處有大量氣穴產(chǎn)生，為模具的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

表1 三種方案對(duì)比結(jié)果

3 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與工作原理

根據(jù)moldflow分析結(jié)果，為優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，利用UG(Unigraphics NX)軟件完成該模具的澆注系統(tǒng)、頂出系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的3D設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 模具3D圖

為加快模具的開發(fā)速度選用龍記標(biāo)準(zhǔn)模架其型號(hào)為TPFA3023-A60-B50-C100 ，并進(jìn)一步完善模具各關(guān)鍵部件和其它輔助零件的設(shè)計(jì)，最終完成燈罩注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 燈罩模具結(jié)構(gòu)圖1.定位圈 2.澆口套 3.緊盯螺釘A 4.拉料桿 5.限位螺釘A 6.鎖模器 7.起吊環(huán) 8.水嘴 9.彈簧 10.斜頂 11.圓柱銷 12.司筒 13.絲針 14.緊盯螺釘A 15.模具底板 16.頂針面板 17.頂針固定板 18.中托司 19.限位螺釘B 20.B板 21.型芯 22.型腔 23.A板 24.脫料板 25.面板 26.內(nèi)六角螺釘A 27.導(dǎo)柱 28.導(dǎo)套A 29.導(dǎo)套B 30.導(dǎo)套C 31.內(nèi)六角螺釘B 32.內(nèi)六角螺釘C 33.復(fù)位桿 34.滑塊 36.彈簧 37.斜導(dǎo)柱 38.側(cè)型芯 39.內(nèi)六角螺釘D 40.N內(nèi)六角螺釘D 41.斜緊塊

模具的工作過程：開模時(shí)，A板23與脫料板24在Ι處打開，澆注系統(tǒng)點(diǎn)澆口的凝料被定模中拉料桿拉出與產(chǎn)品分離，模具完成第1次開模。動(dòng)模繼續(xù)后移，凝料完全從型腔中拉出固定于定模拉料桿4上，當(dāng)限位螺釘19的螺頭與A板23接觸受力時(shí)，脫料板24與面板25在Ⅱ處分離，澆注系統(tǒng)凝料被脫料板24從定模具拉料桿4上強(qiáng)制脫出，并從脫料板24和A板23之間掉落，模具完成第2次開模具。動(dòng)模繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)，限位螺釘19迫使A板23在Ⅲ處與B板20分離，彈性鎖模器6從A板23中拔出，這時(shí)斜導(dǎo)柱37從滑塊34中抽出，迫使滑塊34帶動(dòng)側(cè)型芯后移39從產(chǎn)品中抽出，模具完成第3次開模具。當(dāng)司筒12頂出產(chǎn)品時(shí)，斜頂10向上和向后移動(dòng)從產(chǎn)品內(nèi)扣中抽出，產(chǎn)品此時(shí)完全脫扣被頂出，模具進(jìn)入下一個(gè)工作周期。

4 模具零件制造與裝配試模

根據(jù)優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)，完成模具零件的加工和裝配，最后安裝在注塑機(jī)上進(jìn)行試模，得到產(chǎn)品如下圖8所示，經(jīng)測量制件實(shí)際最大變形量為0.24 mm，符合塑件的質(zhì)量要求。

圖8 燈罩實(shí)物圖

5 結(jié) 論

(1) 通過moldflow軟件分析三種水路布置方案得到獨(dú)立環(huán)繞的水路布置冷卻效果最好，表明模流分析軟件在注塑模具設(shè)計(jì)過程中能提供重要參考數(shù)據(jù)，提高模具結(jié)構(gòu)合理性。

(2) 通過設(shè)計(jì)斜頂和斜導(dǎo)柱與滑塊抽芯結(jié)構(gòu)解決了產(chǎn)品的內(nèi)扣和側(cè)孔脫模問題。

(3) 經(jīng)模具裝配調(diào)試，制品質(zhì)量合格，表明moldflow軟件在注塑模具開發(fā)過程中能提高生產(chǎn)效率，減低生產(chǎn)成本。