電視USB 支架的模流分析及模具設(shè)計(jì)

李 波，林榮川，王云超，胡志超

（集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

1 引言

塑料模具用于成形塑料產(chǎn)品的模具。目前，塑料產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了所有工業(yè)部門以及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域，隨著工業(yè)塑料產(chǎn)品和日用塑料產(chǎn)品的種類和需求日益增加，塑料產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來越短，這就要求塑料模具的開發(fā)，設(shè)計(jì)制造水平越來越高。因此，在現(xiàn)代模具工業(yè)快速發(fā)展中，縮短模具的開發(fā)周期至關(guān)重要。模具設(shè)計(jì)成為模具工業(yè)中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法主要是靠工人的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)與模具參數(shù)的選取，往往需要經(jīng)過反復(fù)的試模和修改模具參數(shù)，導(dǎo)致模具設(shè)計(jì)的周期變長和增加模具投資風(fēng)險(xiǎn)。已無法響應(yīng)產(chǎn)品的快速更新和適應(yīng)當(dāng)今現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的要求。因此，利用CAE 分析軟件Moldflow 進(jìn)行模具開發(fā)是非常必要的，利用分析的結(jié)果使用三維軟件對(duì)模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣可以縮短模具設(shè)計(jì)周期，提高塑料產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)塑料模技術(shù)的發(fā)展具有重要意義[1-5]。

以電視USB 支架為例，先對(duì)塑件的結(jié)構(gòu)與成形工藝分析，然后利用moldflow 軟件進(jìn)行塑件的模流分析，主要從充填時(shí)間，流動(dòng)前沿溫度和翹曲變形三個(gè)方面分析，確定合理的澆口數(shù)量與位置，最后使用UG 軟件開發(fā)該塑件的模具結(jié)構(gòu)?？s短模具開發(fā)周期和確保塑件的質(zhì)量，為類似的塑件的模具開發(fā)提供了一定的理論指導(dǎo)。

2 電視USB 支架成形工藝分析

電視USB 支架屬于家電用品的注塑件，顏色為黑色，平均壁厚為1mm，屬于薄壁零件。制品的三維圖，如圖1 所示。該制品的截面為L 型的長條狀零件，長度為180mm，在制品底部帶有多孔，加強(qiáng)筋和多個(gè)狹長凸臺(tái)，凸臺(tái)長度為10mm 左右。在制件的兩端和狹長凸臺(tái)的末端可能存在充填不滿的現(xiàn)象。在這些狹長凸臺(tái)中，有兩處帶有卡扣，如圖1 中的A 處，一處帶有側(cè)孔，如圖1 中的B 處，需要設(shè)置抽芯機(jī)構(gòu)進(jìn)行成形。

圖1 塑件三維圖Fig.1 3d Drawing of Plastic Part

3 模流分析及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 塑件前處理

將三維模型導(dǎo)入Moldflow 中，指定網(wǎng)格類型為雙層面，設(shè)置全局網(wǎng)絡(luò)邊長為3mm，合并公差為0.1mm。通過合并節(jié)點(diǎn)、交換邊、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、插入節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行網(wǎng)格修復(fù)，以保證模流分析的可行性及分析結(jié)果的可靠性，并完成網(wǎng)格劃分。通過網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)得到三角形單元數(shù)為26164，最大縱橫比為5.9，最小縱橫比為1.16，平均縱橫比為1.81，連通區(qū)域?yàn)?，沒有配向不正確和相交單元，網(wǎng)格匹配率高達(dá)94.4%，網(wǎng)格縱橫比、連通性、匹配率等各項(xiàng)信息全都符合要求，因此該塑件滿足模流分析條件。

3.2 材料特性

根據(jù)電視USB 支架的技術(shù)要求，模擬分析選擇ABS+PC 材料，結(jié)合了ABS 材料的成型性和PC 的機(jī)械性和沖擊強(qiáng)度，可廣泛使用在汽車內(nèi)部零件、通信器材、家電用品及照明設(shè)備上[5]。其成形收縮率為0.35%，固體密度為1.2g/cm3。其主要成型工藝參數(shù)[6]，如表1 所示。

表1 PC+ABS 推薦工藝參數(shù)Tab.1 Recommended Process Parameters of PC+ABS

3.3 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得合理與否，對(duì)塑件的性能、尺寸、表面精度及模具結(jié)構(gòu)、塑料的利用率等都有較大的影響[5]。

針對(duì)電視USB 支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及產(chǎn)品的功能方面，從澆口的數(shù)量和位置的不同，確定了三種澆注系統(tǒng)方案，第一種方案和第二種方案澆注的位置都在工件豎立面的背面，采用潛伏式澆口，第一種方案采用一個(gè)潛伏式澆口，如圖2（a）所示，第二種方案采用三個(gè)側(cè)澆口，在工件的底部側(cè)面進(jìn)行澆注，如圖2（b）所示，第三種方案采用三個(gè)潛伏式澆口，如圖2（c）所示。

圖2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.2 Design Scheme of Pouring System

3.4 短射分析

短射是指塑料熔體不能完全充滿型腔，導(dǎo)致出現(xiàn)廢品的現(xiàn)象[7]。電視USB 支架屬于長條狀，帶有多個(gè)狹長凸臺(tái)的塑料制件，在澆注時(shí)，在塑料制件的兩端以及狹長凸臺(tái)的末端很容易出現(xiàn)短射現(xiàn)象，短射現(xiàn)象跟澆口位置及數(shù)量有關(guān)，所以先對(duì)上述三種澆口設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析是否存在短射現(xiàn)象是很有必要的。對(duì)上述三種方案設(shè)置相同的注塑工藝參數(shù)，用moldflow 軟件進(jìn)行充填分析，發(fā)現(xiàn)第一種方案存在短射現(xiàn)象，該現(xiàn)象主要是存在狹長的凸臺(tái)末端，如圖3 所示。方案二和方案三充填情況良好。短射現(xiàn)象在注塑過程中是不允許出現(xiàn)的，故只能采用方案二或方案三。

圖3 短射分析Fig.3 Short Shoting Analysis

3.5 方案分析比較

方案二和方案三都采用三個(gè)澆口，只是注射位置不同。從充填時(shí)間，流動(dòng)前沿溫度以及制件的翹曲變形量三個(gè)方面對(duì)方案二和方案三進(jìn)行對(duì)比分析，從而確定最終的澆注系統(tǒng)方案。針對(duì)薄壁、長條狀和帶有狹長凸臺(tái)的塑料零件，在成形過程中主要是翹曲變形，其分析的序列為“冷卻+填充+保壓+翹曲”進(jìn)行分析[4]。三種方案的冷卻水路的設(shè)計(jì)大致相同，如圖4 所示。

圖4 冷卻水路設(shè)計(jì)Fig.4 Cooling Waterway Design

3.5.1 充填時(shí)間分析

充填時(shí)間是指熔體充滿整個(gè)型腔所需要的時(shí)間，充填時(shí)間會(huì)影響塑件的成形周期和產(chǎn)品的質(zhì)量[4]。方案二充填時(shí)間需要0.7310s 充滿型腔，如圖5（a）所示。方案三充填時(shí)間需要0.5652s，如圖5（b）所示。由于方案二中的熔體在型腔流動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)爬升現(xiàn)象，增加熔體流動(dòng)的阻力，所以方案二的充填時(shí)間大于方案三。故從充填時(shí)間來看，方案三優(yōu)于方案二。

圖5 充填時(shí)間分析Fig.5 Filling Time Analysis

3.5.2 流動(dòng)前沿溫度分析

在注塑過程中，熔體在模具型腔內(nèi)的流動(dòng)前沿溫度差不能太大，否則熔體的流動(dòng)性會(huì)降低，容易出現(xiàn)滯留和短射。合理的溫度分布應(yīng)該是均勻的，整個(gè)注塑過程中，流動(dòng)前沿溫度差應(yīng)控制在20℃以內(nèi)[1]。方案二與方案三的溫度分布都較均勻。方案二的溫度差為49.2℃，如圖6（a）所示，方案三的溫度差為19.1℃，如圖6（b）所示。因此從流動(dòng)前沿溫度差來看，方案三優(yōu)于方案二。

圖6 流動(dòng)前沿溫度分析Fig.6 Temperature at Flow Front Analysis

3.5.3 翹曲變形分析

從翹曲變形量來看，塑件在成形過程中由于冷卻不均，收縮不均和分子取向不均導(dǎo)致零件產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象，在成形過程中，希望塑件的翹曲變形量越小越好[4，6]。兩種方案的翹曲變形量都集中在塑件的兩端和部分狹長凸臺(tái)的末端，因?yàn)閺某涮顣r(shí)間分析可以看出，這些區(qū)域是熔體最后到達(dá)的區(qū)域，所以該區(qū)域的變形量最大。

由圖7（a）和圖7（b）可以得到，方案二的整體變形量為1.064mm，方案三的整體變形量為0.5054mm，故方案三優(yōu)于方案二。通過分析，選擇方案三作為最終的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，分析結(jié)果，如表2 所示。

圖7 翹曲變形分析Fig.7 Warping Deformation Analysis

表2 兩種類型澆口分析結(jié)果Tab.2 Analysis Results of Two Types of Gates

4 模具關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)

4.1 抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

4.1.1 斜導(dǎo)柱側(cè)滑塊抽芯機(jī)構(gòu)

由圖1 中A 處凸臺(tái)帶有外側(cè)通孔和盲孔，需要進(jìn)行外側(cè)抽芯，由于孔的深度較小且位于零件的外側(cè)，故采用斜導(dǎo)柱側(cè)滑塊的抽芯機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要是由斜導(dǎo)柱，側(cè)滑塊，楔緊塊和側(cè)型芯構(gòu)成，如圖8 所示。斜導(dǎo)柱固定在定模，側(cè)滑塊安裝在動(dòng)模，設(shè)計(jì)T型槽確保滑塊在導(dǎo)滑槽中平穩(wěn)導(dǎo)滑。開模時(shí)斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)側(cè)滑塊完成側(cè)孔的抽芯，抽芯與開模同步進(jìn)行[4-5]。抽芯距為5.3mm，由文獻(xiàn)[5]可知，斜導(dǎo)柱的傾斜角α 一般為（12～22）°，該斜導(dǎo)柱傾斜角取18°，斜導(dǎo)柱的工作長度設(shè)計(jì)為47.3mm，足以滿足塑件抽芯距的要求。由于在注射成型時(shí)，滑塊在成形壓力作用下側(cè)型芯會(huì)向后移動(dòng)，采用楔緊塊來鎖緊滑塊，從而保證成型過程中零件的精度。

圖8 抽芯機(jī)構(gòu)Fig.8 Core-Pulling Mechanism

4.1.2 斜頂桿抽芯機(jī)構(gòu)

由圖1 中B 處的兩個(gè)凸臺(tái)帶有卡勾，這兩處本身屬于外側(cè)凸，常見的抽芯方式應(yīng)是斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，但是由于型腔與澆注系統(tǒng)的布局，如果采用外側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，將與澆注系統(tǒng)發(fā)生干涉，故只能用內(nèi)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，所以該套模具采用常見的斜頂桿內(nèi)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要是由斜頂桿、斜頂桿導(dǎo)向塊和斜頂桿座構(gòu)成，如圖8 所示。其抽芯距為1.4mm，這里的斜頂桿角度設(shè)計(jì)為6°，制件卡勾的寬度為3.6mm，斜頂桿的寬度取為8mm，確保卡勾的成形。斜頂桿通過斜頂桿支座安裝在推桿固定板上，頂出制件與內(nèi)抽芯同時(shí)進(jìn)行，從而達(dá)到順利脫模的目的[4-5]。

4.2 排氣裝置的設(shè)計(jì)

在注塑成型過程中，不可避免會(huì)在塑件上產(chǎn)生氣穴，氣穴應(yīng)該位于分型面上或者在頂桿處，這樣氣體就容易從分型面的間隙以及頂桿與頂桿孔的間隙將氣體排出[8]，通過moldflow 軟件分析該塑件的氣穴分布情況，發(fā)現(xiàn)大部分的氣穴位于分型面上，如圖9 的A處所示，這些氣穴在模具結(jié)構(gòu)上可以不考慮，利用分型面的間隙或在有氣穴的地方開設(shè)頂針孔進(jìn)行排氣。但在眾多狹長凸臺(tái)的末端，圖9 中的B 處氣穴就沒辦法通過間隙將氣體排出模具之外。

圖9 氣穴分布Fig.9 Cavitation Distribution

針對(duì)狹長凸臺(tái)末端的氣穴，在模具結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，采用成形鑲塊來成形這些狹長的凸臺(tái)，利用成形鑲塊間的間隙進(jìn)行排氣，如圖10 所示。帶有側(cè)孔和卡勾的凸臺(tái)利用抽芯機(jī)構(gòu)零件之間的間隙進(jìn)行排氣，不需要設(shè)置成形鑲塊。

圖10 凸臺(tái)成形鑲塊Fig.10 Forming Inserts of Bosses

5 模具結(jié)構(gòu)及塑料制件

電視USB 支架注塑模具的最終設(shè)計(jì)結(jié)果，注塑模具結(jié)構(gòu)圖，如圖11 所示。最終成形的產(chǎn)品，如圖12 所示。

圖11 模具結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Mold Structure Drawing

圖12 塑料制件Fig.12 Plastic Parts

6 結(jié)論

（1）根據(jù)電視USB 支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與成形工藝性，提出了三種澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。首先，利用moldflow 軟件對(duì)三種方案進(jìn)行短射分析，發(fā)現(xiàn)第一種方案存在短射現(xiàn)象；然后，從充填時(shí)間，流動(dòng)前沿溫度和翹曲變形三個(gè)方面對(duì)方案二和方案三進(jìn)行分析，方案三優(yōu)于方案二；最后選擇方案三作為最終澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

（2）結(jié)合分析的結(jié)果，設(shè)計(jì)了一套一模兩腔，帶有斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)和斜頂桿抽芯機(jī)構(gòu)的注塑模具。為了減少氣穴，利用成形鑲塊成形狹長凸臺(tái)，確保成形質(zhì)量。利用UG 軟件設(shè)計(jì)了該制件的塑料模具的各個(gè)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)合理，工作可靠，為類似塑件提供了一定的理論指導(dǎo)。