注塑模具標準化環(huán)境下的機械自動化軟件技術與應用

王 濤

（山東商業(yè)職業(yè)技術學院，山東省濟南市 250103）

我國在醫(yī)療制品、食品包裝、日常消費品方面消耗巨大，因而，對注塑模具產(chǎn)品需求很大［1］。注塑模具自動化、標準化設計是通過模具和注塑模具設計構(gòu)架相結(jié)合完成，從而快速對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模型進行設計，滿足市場多樣化需求［1］。在設計塑件結(jié)構(gòu)比較特殊的注塑模具時，需從多方面考慮。根據(jù)塑件成型及結(jié)構(gòu)布局要求進行設置，確保澆注的優(yōu)良性、可行性，從而使塑件最終成型質(zhì)量得到保證。在設計澆注系統(tǒng)澆口位置時，要同時兼顧特殊脫模機結(jié)構(gòu)形式及設置方位，結(jié)合機械自動化軟件技術進行仿真分析，避免盲目設計造成修模、改模風險［2-3］。本工作基于注塑模具標準化環(huán)境，以某手機保護殼為例研究了機械自動化軟件——UG NX6.0軟件及Moldflow軟件在塑料模具設計中的應用。

1 注塑模具標準化

注塑模具標準化指模具設計標準化、模具生產(chǎn)標準化、模具管理標準化［4］。進行注塑模具標準化設計，可有效降低工裝零件和夾具的使用頻率。在生產(chǎn)注塑模具產(chǎn)品時，需要加強標準化規(guī)范流程，按照具體情況選取合適的零件和流程來生產(chǎn)塑件，盡可能減少工裝零件及夾具的使用，確保各生產(chǎn)工序順利進行。通過注塑模具設計、生產(chǎn)、管理的標準化，有效協(xié)調(diào)并管理生產(chǎn)工序，落實科學配置生產(chǎn)內(nèi)容以及生產(chǎn)內(nèi)容之間的關系，加快改革生產(chǎn)技術的進程。對不同生產(chǎn)項目制定相應的工作流程，通過標準化加工技術指導產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。

1.1 注塑模具設計與制造標準化體系

標準化規(guī)范流程是制造注塑模具的關鍵內(nèi)容，只有嚴格遵循相關規(guī)范，才能盡快落實模具生產(chǎn)的規(guī)范化和標準化［5］。經(jīng)營管理標準化、制造標準化、設計標準化是模具標準化的三個核心內(nèi)容，三者相互關聯(lián)且牽制。隨著注塑模具標準化流程的不斷發(fā)展完善，數(shù)據(jù)庫成為非常核心的內(nèi)容，能夠?qū)⒂嬎銠C輔助設計（CAD）、計算機輔助工藝過程設計、計算機輔助制造等技術有效落實［6］。同時還包括結(jié)構(gòu)設計、工藝設計，這兩個環(huán)節(jié)相互借鑒、連通、調(diào)用。信息技術發(fā)展進程的不斷推進，CAD/計算機輔助工程（CAE）技術在開發(fā)設計模具技術方面發(fā)揮了巨大的作用，能夠顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本［7-9］。

1.2 以成組技術為基礎的參數(shù)化圖庫

在建立相關零部件圖庫的過程中，采用參數(shù)化設計方法，從而實現(xiàn)機械自動化軟件技術的最大功能。利用機械自動化軟件，可減少廢棄零部件產(chǎn)生，提升設計效率。結(jié)合企業(yè)的實際發(fā)展情況，在機械自動化軟件技術基礎上與UG NX6.0軟件相結(jié)合，建立注塑模具零件庫。對于相關的零部件，將零件尺寸作為參數(shù)，當參數(shù)發(fā)生改變時，零件屬性、形狀也將發(fā)生變化。

1.3 建立參數(shù)化圖庫

在進行機械自動化軟件技術系統(tǒng)的二次開發(fā)時，必須充分重視圖庫的建立，機械自動化軟件的智能優(yōu)勢十分顯著，直接影響零部件的生產(chǎn)和修改［9］。基于尺寸和結(jié)構(gòu)等參數(shù)進行參數(shù)化圖庫的構(gòu)建，結(jié)合參數(shù)化的手段進一步落實標準化體系的確立，在繪圖過程中，用戶利用模具采納數(shù)可實現(xiàn)圖形繪制。基于機械自動化軟件系統(tǒng)中的計算機語言，可編制相應結(jié)構(gòu)的圖形。并結(jié)合數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)多元化的傳送和查詢功能，最終確定圖形。該方法的針對性和可靠性優(yōu)勢較強，可以處理的圖像對象更多。由于圖形局部的修改能力較差，所以必須要重新啟動原有程序才能進行改動，工作量較大。根據(jù)機械自動化軟件系統(tǒng)提供的參數(shù)化功能及造型功能，在原有圖形的基礎上對參數(shù)化模型進行構(gòu)建。對參數(shù)和圖形參數(shù)化過程進行詳細的記錄，從而實現(xiàn)參數(shù)圖形的建立。同時需要通過相關約束自行記錄作圖進程，確保為新一組參數(shù)提供新圖形［10］。利用作圖法建立圖形，通過編程法對圖形進行約束。

2 注塑模具標準化環(huán)境下某手機保護殼自動化軟件技術與應用

2.1 用UG NX6.0軟件建模

在零件圖紙要求的基礎上，采用UG NX6.0軟件建立某手機保護殼模型。

2.1.1 塑件結(jié)構(gòu)與模型前處理

某手機保護殼的精度要求是不允許存在質(zhì)量缺陷；整體上塑件沒有拔模角，最大結(jié)構(gòu)尺寸為145.5 mm×74.6 mm×10.5 mm，塑件為薄壁件，平均壁厚為1.050 mm，最小壁厚為0.756 mm，要求尺寸公差為±0.05 mm，塑件和手機組配良好。采用UG NX6.0軟件的CAD建立手機保護殼模型，通過轉(zhuǎn)換生成STL文件，然后將該文件導入到Moldflow軟件中進行模擬分析。對該手機保護殼進行有限元網(wǎng)格劃分，經(jīng)過檢查和修復，使單元的縱橫比達到流變計算要求，最終確定網(wǎng)格單元為26 285個，匹配率達97.5%，滿足要求，單元無相交、無自由邊。某手機保護殼三維實體模型見圖1。

圖1 手機保護殼三維實體模型Fig.1 3D model of mobile phone protective case

2.1.2 材料選擇與成型工藝參數(shù)設定

該手機保護殼采用的原料為東莞市廣業(yè)塑膠原料有限公司的注塑級改性聚碳酸酯（PC），牌號為GH119FPC，填充玻璃纖維的質(zhì)量分數(shù)為10%。PC屬于一種具有優(yōu)良性能的熱塑性工程塑料，添加炭黑、碳纖維、玻璃纖維、永久性抗靜電母粒、金屬粉等，具有靜電消散導電、抗靜電、抗電磁波干擾屏蔽等功能，且具有良好的抗沖擊性能和力學性能，尺寸穩(wěn)定性良好，同時具有優(yōu)良的耐熱、耐寒、抗蠕變性，長期使用溫度為10～120℃。該產(chǎn)品透明度為91.5%，收縮率較低，通常為0.1%～0.3%，且具有較高的彈性模量。該手機保護殼的注塑成型工藝參數(shù)為：模具溫度85.5 ℃，熔體溫度301.2 ℃，注射時間1.29 s，保壓時間9.9 s，冷卻溫度25.5 ℃，冷卻時間18.5 s。

2.2 模具及其系統(tǒng)設計

通過分析注塑成型的結(jié)構(gòu)特點和工藝要求，采用一模兩腔結(jié)構(gòu)，使工藝流程可行且結(jié)構(gòu)塑件質(zhì)量得到保證。

2.2.1 澆口設計

手機保護殼塑件的澆口也就是進料口或內(nèi)流道，可使熔融塑料對型腔進行快速填充，此外還要封閉型腔，從根本上防止出現(xiàn)倒流的現(xiàn)象，有利于產(chǎn)品的分離成型。注塑模具的設計過程中，首先需要考慮澆口位置的設計，因為這與塑件的性能以及質(zhì)量有直接關聯(lián)［11］?；贑AE技術，能夠仿真模擬冷卻并填充塑料熔體的過程，有效預測塑件成型后可能存在的缺陷，及時針對其中存在的問題進行糾正整改，降低模具的制造成本和周期。采用Moldflow軟件分析澆口位置的流程為：導入模型—劃分網(wǎng)格—修復網(wǎng)格—統(tǒng)計網(wǎng)格—分析最佳澆口位置。

設計手機保護殼時要遵循美觀光滑的原則，因此，本次設計的模具采用側(cè)澆口，短流程，方便脫模及分離，這樣對型腔內(nèi)的氣體排出有利，此外還能確保熔融塑料注入型腔時的速度均勻，減少內(nèi)應力的產(chǎn)生。塑件的最佳澆口位置見圖2。

圖2 塑件的最佳澆口位置Fig.2 Optimum gate position for plastic part

2.2.2 成型零件設計

鑲塊、型腔及型芯等均屬于成型零件，能夠通過設計構(gòu)成整體式或者組合式的成型零件。在結(jié)構(gòu)較為簡單的模具中，一般會使用整體式結(jié)構(gòu)。本設計中的側(cè)向抽芯機構(gòu)，復雜程度較高，所以通過整體鑲嵌式結(jié)構(gòu)來處理型芯和型腔，并對其進行固定處理。從而便于加工，簡化模具流程，在工件表面可避免鑲塊留有印痕，同時可避免凹模剛性不足。

采用UG NX6.0軟件，按以下環(huán)節(jié)展開分模設計流程：初始化項目、設置模具坐標系、設置收縮率、創(chuàng)建注塑模向?qū)＞吖ぜ?、設置型腔布局、模具分型。可快捷、方便、準確對型芯、型腔進行創(chuàng)建。型芯結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖3 型芯的結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural schematic diagram of core

2.2.3 側(cè)向抽芯機構(gòu)設計

由于一個長圓孔存在于手機保護殼塑件側(cè)面，會直接影響模具的開模，所以在設計模具的過程中，需要使用側(cè)向抽芯。斜導柱傾斜角（αX）是開展側(cè)向抽芯機構(gòu)行程的重點計算依據(jù)，并且會在很大程度上直接影響有效工作長度、斜導柱的抽芯距、受力狀況等。一般來說，手機保護殼模具斜導柱的αX為12.50°≤αX≤22.05°；本工作中，行程取中間值，αX=15.00°，則（αX+2°）～（αX+3°）為楔緊塊楔緊角度。通常抽芯距較塑件側(cè)孔大2.05～3.05 mm，抽芯距S=H+2.05，其中，H為塑件側(cè)孔深度，由于塑件平均壁厚1.5 mm，故取H=1.5 mm，S=1.5+2.05=3.55 mm。Fc=AbpμcosαX-sinαX=0.018 2 N，其中，F(xiàn)c為抽芯力，N；Ab為塑件包絡型芯面積，mm2；p為塑件對型芯單位面積上的包緊力，取（0.8～1.2）×107Pa；μ為塑件對鋼的摩擦因數(shù)，通常為0.12～0.32。按照斜導柱的αX，S，F(xiàn)c，進一步確定斜導柱直徑，其數(shù)值為12.05 mm。

2.2.4 冷卻系統(tǒng)設計

大批量生產(chǎn)的塑件需要確保表面不出現(xiàn)顯著的缺陷（如氣泡、熔接痕跡等），要盡可能保證外表光滑美觀，所以需要基于冷卻系統(tǒng)來設計模具，從而保證塑件成型的質(zhì)量。塑件平均厚度為1.52 mm，根據(jù)模具結(jié)構(gòu)，在定模、動模上分別進行循環(huán)水路孔徑的設計。冷卻水管的布局見圖4。

2.2.5 其他機構(gòu)設計

圖4 冷卻水管的布局Fig.4 Layout of cooling pipe

在合模模具的過程中，本工作在機構(gòu)導向的過程中選擇了導柱與導套，通常情況下導柱與導套采用間隙進行配合。設計了推桿推出機構(gòu)，避免塑件變形，且可順利脫模，設置八根φ6.05 mm×148.50 mm的圓柱型推桿于塑件最大包絡面上。推桿長度=L型芯板+L推桿固定板+20.05=120.05 mm，其中，L推桿固定板表示推桿固定板厚度，mm；L型芯板表示分型芯固定板厚度，mm。推件力（Ft）按式（1）計算。

式中：q表示塑件對脫模施加的壓力，為0.095 MPa；A1為塑件垂直于脫模方向的投影面積，mm2；α為脫模的斜度，PC作原料時，α為40°。由于本工作只需設計較小的模具，所以使用排氣槽的形式設計排氣系統(tǒng)，對于分型面設置過程來說，需要使用推桿或活動型芯配合間隙，配合間隙為0.03～0.05 mm。

2.3 模具裝配

手機保護殼的模具裝配圖見圖5。在模具運行時，打開方向為主分型面，并借助輸送裝置以及壓桿機構(gòu)與動模板型腔相關聯(lián)，并輸送圖案，模具合模，利用壓桿機構(gòu)準確定位圖案。在注塑機注射時，通過澆注系統(tǒng)將模具型腔充滿，當冷卻后，融合圖案以及塑件。打開模具并使用撥塊機構(gòu)完成保護殼按鍵孔的抽拔動作，通過系統(tǒng)凝料的澆注，將潛伏式澆口凝料與產(chǎn)品進行分離，并被頂針頂出。在凝料及產(chǎn)品取出后，對圖案重新進行輸送，繼續(xù)注塑成型。

2.4 注塑成型工藝分析

圖5 模具裝配圖Fig.5 Assembly drawing of mold

注塑成型每次成型的塑件數(shù)量對注塑模具的型腔數(shù)量有關鍵的影響，對其進行劃分主要包括單型腔模具和多型腔模具。其中，前者的特點為不需花費較長的生產(chǎn)周期，并且可以節(jié)約生產(chǎn)成本，一般來說其塑件成型都表現(xiàn)出較好的一致性，但生產(chǎn)效率不高；后者的特點是生產(chǎn)效率非常高，且成本控制在較低水平，適用于大批量長期生產(chǎn)過程。通過Moldflow軟件對塑件填充過程進行模擬，對模具結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，確定最大鎖模力、最佳注射時間，使生產(chǎn)的塑件性能最佳。熔體充滿型腔需要0.972 6 s，在熔體最后到達處，充填飽滿，基本沒有出現(xiàn)短射現(xiàn)象。在完成充填后，體積溫度反映的是充模時，溫度的變化情況。在完成充填后，體積溫度具有較窄的分布范圍，由于制品交叉口多，壁厚較薄，在幾處小孔周圍，溫度較低。如在壁厚低于1.48 mm處會有這種情況出現(xiàn)，因而注射速率不能過高。在開孔邊緣處分布有氣穴，但氣穴在型芯、型腔配合處產(chǎn)生，可利用配合處間隙排氣，可忽略。

從圖6可以看出：在注射時間為0.96 s時，鎖模力最大，為29.5 t，沒有超出注塑機額定值90.0 t，隨著注射時間的進一步延長，塑件綜合變形程度隨之增大，翹曲程度非常小，未發(fā)生短射現(xiàn)象，注塑工藝與實際生產(chǎn)條件相符合。

圖6 鎖模力隨注射時間變化的情況Fig.6 Clamping force as a function of injection time

3 結(jié)論

a）基于注塑模具標準化環(huán)境，采用UG NX6.0軟件研究了某手機保護殼自動化軟件技術的應用。

b）在設計某手機保護殼注塑模具的過程中，可以使用UG NX6.0軟件及Moldflow軟件。通過全面分析塑件成型的結(jié)構(gòu)特點和工藝要求，最終設計采用一模兩腔結(jié)構(gòu)，使工藝流程可行且結(jié)構(gòu)塑件質(zhì)量得到保證。

c）通過Moldflow軟件對塑件填充過程進行模擬，對模具結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，確定塑件最佳注射時間為0.96 s，最大鎖模力為29.5 t，隨著鎖模力的增加，塑件綜合變形程度增大，翹曲程度非常小，未發(fā)生短射現(xiàn)象，符合實際生產(chǎn)條件。