CAD/CAE技術(shù)在某電器蓋注塑模設(shè)計上的應(yīng)用

趙會娟，高清冉

(濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，河南 濟源 459000)

外殼或蓋類塑件既具有外觀裝飾功能，又要便于裝拆和使用，尤其是形狀不規(guī)則的塑件，需要反復(fù)修改設(shè)計與試模，過程較復(fù)雜，周期長，成本高.運用CAD/CAE技術(shù)，根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)特征組成三維建模，再初定模具的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)方案和成型工藝參數(shù)，對塑料在模具中成型行為進行模擬，“未注先知”查找潛在的質(zhì)量問題，對癥下藥進行優(yōu)化，因可提高模具設(shè)計及試模的成功率，避免盲目設(shè)計造成的成本浪費[1-4].以某電器蓋為例，運用Moldflow軟件分析確定合理的成型工藝參數(shù)，采用NX軟件完成模具設(shè)計.

1 塑件結(jié)構(gòu)工藝性與原料特性

1.1 塑件結(jié)構(gòu)工藝性

該電器蓋外形尺寸見圖1，總體尺寸為269.3 mm×268.3 mm×46.1 mm，Z向投影面積566.43 cm2，體積149.52 cm3；塑件左右(X方向)對稱，表面多為曲面造型，外表面正中是一個160.1 mm×22.4 mm的長方形壁框，壁厚1 mm；內(nèi)有兩個中心距為114.08 mm的直徑3 mm固定孔；內(nèi)表面上方有兩個間距34.26 mm的裝配用側(cè)凹，深2.4 mm，下方兩側(cè)有兩個間距為216.40 mm的直徑5.8 mm的裝配側(cè)孔，深度3.0 mm.側(cè)凹和直徑5.8 mm側(cè)孔處脫模需要借助側(cè)向抽芯機構(gòu).上述有定位或裝配要求的位置處尺寸精度均為MT2(GB/T 14486—2008)[5].塑件壁厚分布見圖2，平均壁厚1.84 mm，最大壁厚5.47 mm，主體曲面厚度2 mm左右，上下兩端厚度增加.

(a) 外表面

(b) 內(nèi)表面圖1 塑件圖

圖2 塑件壁厚分布

該塑件批量生產(chǎn)，表面光潔度要求高，不允許出現(xiàn)光澤不均、不正常的紋路、灰黑斑、氣泡、熔接痕、縮痕等缺陷，有裝配要求的部位要具備一定的強度[6].

1.2 原料

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)綜合性能良好，價格便宜，3種單體相對含量可任意變化，制成各種樹脂,廣泛用于機械、汽車、電子電器、儀器儀表等工業(yè)領(lǐng)域.本塑件所選原料為CMOLD Generic Estimates公司生產(chǎn)的ABS Generic Estimates.

2 CAE模型準(zhǔn)備

因塑件模型曲面較多，必須先在CAD Doctor中對NX中導(dǎo)出的IGES文件進行修復(fù)，再導(dǎo)入到Moldflow Synergy中劃分雙層面網(wǎng)格[7].診斷并修復(fù)后，三角形單元數(shù)12 920個，網(wǎng)格縱橫比最大9.9，平均2.07，最小1.16；匹配百分比90.8%，相互百分比87.8%，滿足分析要求.

3 主分型面的設(shè)計

主分型面是將模具型腔分開以便取出塑件的分離面，也是注射時參與封膠的所有曲面[8],同時可滿足排氣或安放嵌件的需要.有多個分型面時，將開模時取出塑件的那個面稱為主分型面.分型面類型、形狀和位置的選擇不僅直接影響到模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，還會影響塑件質(zhì)量和生產(chǎn)操作.根據(jù)分型面選擇原則，結(jié)合本塑件的外形結(jié)構(gòu)特征，考慮到模具加工的方便性，在塑件外形最大輪廓處，借助NX MoldWizard中的分型工具，通過拉伸、補孔和縫合曲面等操作，設(shè)計出主分型面[9]，見圖3.

圖3 主分型面

4 澆注系統(tǒng)和冷卻水路的設(shè)計

由于塑件尺寸較大，主體壁厚較薄，且分型面非平直面，為保證塑件成型質(zhì)量，決定采用單型腔模具.

4.1 澆口形式的選擇

直接澆口流程短、壓力損失小、補縮效果好，利于排氣和消除熔接痕，但澆口截面大，冷卻時間長，殘余應(yīng)力易使塑件產(chǎn)生較大的翹曲變形，且成型后要多加一道去除澆口工序，留下明顯的澆口痕跡；環(huán)形澆口、輪輻式澆口、側(cè)澆口和潛伏式澆口等都需要在主分型面上設(shè)置分流道，本模具無法采用，決定選擇冷流道系統(tǒng)點澆口.

4.2 澆注系統(tǒng)的確定

點澆口設(shè)置方案有3種：(1)單個點澆口，在塑件上表面，軸線與主流道軸線重合，長1 mm，始端直徑1.5 mm，末端直徑3 mm；豎直流道圓錐形，從澆口末端至A板上表面，始端直徑4 mm,末端直徑8 mm.(2)兩個點澆口沿X方向布置，通過Moldflow的“澆口位置”分析選在流動阻力最小處；豎直流道圓錐形，始端直徑4 mm，終端直徑6 mm，水平分流道非錐梯形，頂寬8 mm，底寬7 mm，高6 mm.(3)兩個點澆口沿Y方向±25 mm處對稱開設(shè)，分流道與方案(2)相同.3種方案主流道都是圓錐體，始端直徑9 mm，末端直徑3.5 mm.

4.3 冷卻水路的設(shè)計

冷卻水路不僅影響成型周期，還能控制塑件在型腔中的冷卻和收縮，改變塑件外觀和變形量，預(yù)先設(shè)計好冷卻水路完成評估后才能設(shè)計脫模機構(gòu)，以免二者發(fā)生干涉[10].冷卻水路根據(jù)冷卻系統(tǒng)設(shè)計的原則，在Moldflow中用建模工具創(chuàng)建出冷卻水路，管徑直徑6 mm，動模側(cè)采用直孔隔板式冷卻通道，隔水板直徑12 mm，冷卻介質(zhì)為純水，入口溫度25 ℃，設(shè)置分析序列為“冷卻+填充+保壓+翹曲”.工藝參數(shù)采用Moldflow系統(tǒng)默認值，即模溫50 ℃，熔體溫度230 ℃，充填控制用自動方式，保壓10 s,保壓壓力為注射壓力的80%.現(xiàn)將與澆口數(shù)量和位置有關(guān)的幾個分析結(jié)果從以下3方面進行對比.

4.3.1 充填時間和V/P切換時的壓力對比

3種方案的充填時間結(jié)果見圖4.

方案(1)

方案(2)

方案(3)圖4 充填時間分析結(jié)果

速度/壓力切換時的壓力見圖5.

方案(1)

方案(2)

方案(3)圖5 速度/壓力切換時的壓力分析結(jié)果

方案(1)2.364 s,充填最快；(3)2.397 s其次；(2)2.552 s最慢.從等值線可以看出，(1)最先以高壓快速充滿薄壁方框處，周圍壁厚處流動阻力小，因此充填時間最短，噴嘴處最高充填壓力達86.32 MPa；方案(2)最后充填方框，因沿程壓力降和溫度降使熔體在方框薄壁處充填時間較長，噴嘴處最高充填壓力為78.39 MPa.方案(3)各項結(jié)果介于(1)、(2)之間.從流動前沿到達型腔末端的時間來看，3種方案在Y向的充填時間差分別是0.230 s、0.186 s和0.204 s.方案(2)的時間差最小，平衡性最好.

4.3.2 氣穴和熔接線疊加結(jié)果對比

充填型腔時,若多股料流前鋒包裹了氣體形成空穴，表面往往伴隨有銀紋現(xiàn)象，還會降低塑件的強度.若填充末端的氣體無法排出，可能出現(xiàn)燒焦或缺料等缺陷.從圖6可以看出，3種方案的氣穴位置基本都在塑件輪廓邊線和中間方框處，可利用分型面間隙或在氣穴位置處設(shè)推桿或推管等排氣.

方案(1)

方案(2)

方案(3)圖6 氣穴和熔接線

熔接線會影響塑件外觀、力學(xué)性能和后續(xù)的涂裝或電鍍工序.料流的匯合角度影響熔接后分子鏈熔合、纏結(jié)、擴散的充分程度，匯合角越大，熔接縫性能越好，熔接線越不明顯.圖6中，方案(1)只在Y向最上端有兩條很短的熔接線，且匯合角>75°，方案(2)在塑件的Y向中間部位有熔接線長且匯合角小，方案(3)在X向中間凹入處有較短的熔接線，且匯合角小.顯然，方案(1)較方案(2)、(3)更優(yōu).

4.3.3 縮痕指數(shù)對比

若塑件厚度不均，冷卻過程中有些部分會因收縮過大而產(chǎn)生縮痕.利用縮痕指數(shù)可以判斷塑件上產(chǎn)生縮痕的相對可能性，其值越高，出現(xiàn)縮痕的可能性越大.圖7中，方案(1)3.791%，(3)3.830%，二者可能產(chǎn)生縮痕的位置同在Y向右上側(cè)面，方案(2)4.345%，在Y向兩端中間位置.顯然，方案(1)產(chǎn)生縮痕可能性最小，且位置不影響裝配.

方案(1)

方案(2)

方案(3)圖7 縮痕指數(shù)

綜合以上3點分析結(jié)果的比較，決定澆注系統(tǒng)采用方案(1)單個點澆口.

在默認工藝設(shè)置下，方案(1)充填階段最大剪切應(yīng)力1.078 0 MPa，最大剪切速率10 664 /s；保壓階段最大剪切應(yīng)力3.301 MPa，超出應(yīng)力上限值的位置都在厚度變化明顯處，尤其是中間方框薄壁處，說明是由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理引起；澆口處最大剪切速率137 700 /s；塑件達到頂出溫度的時間66 s；回路冷卻液溫度差為2.09 ℃，動模冷卻水入口在左側(cè)，如圖8所示，會使塑件左右冷卻不均勻；最大翹曲變形量為1.442 mm，上端壁厚大，所以收縮大于下端，見圖9.過大的剪切應(yīng)力和過高的剪切速率可能導(dǎo)致高分子鏈斷裂使聚合物降解，塑件在頂出或者使用中會出現(xiàn)應(yīng)力變形甚至開裂，因此需要采取措施降低剪切應(yīng)力和剪切速率，減小變形量.

圖8 優(yōu)化前回路冷卻液溫度

圖9 優(yōu)化前總翹曲變形量

5 優(yōu)化模型及成型工藝參數(shù)

將中間長方形框壁厚加到2.0 mm，澆口尺寸加大到2.0 mm，模具溫度調(diào)整為30 ℃，充填控制選擇“注射時間”3.5 s，為減小變形量，將保壓控制設(shè)置為10 s-120、5 s-60、5 s-30，改變冷卻水路的形式和方向，分析結(jié)果如下：V/P切換時的壓力61.44 MPa,充填階段最大剪切應(yīng)力0.497 2 MPa,主要集中在澆口周邊；澆口處最大剪切速率35 705/s,保壓階段最大剪切應(yīng)力1.443 2 MPa，澆口處最大剪切速率43 402/s，在材料上限值以內(nèi)；塑件達到頂出溫度的時間54.3 s，回路溫差0.52 ℃，見圖10；最大翹曲變形量0.8785 mm，見圖11，達到精度要求.保壓階段最大壓力86.56 MPa，最大鎖模力241.3 t.

圖10 優(yōu)化后回路冷卻液溫度

圖11 優(yōu)化后總翹曲變形量

6 CAD模具設(shè)計

利用NX注塑模向?qū)δ＞叻中秃?，加載標(biāo)準(zhǔn)模架，根據(jù)澆注系統(tǒng)形式及型腔型芯尺寸選擇LKM_PP細水口標(biāo)準(zhǔn)模架ECI5050A90B150C120,型腔與A板腔、型芯與B板腔的兩個相鄰側(cè)面采用8°斜面定位，見圖12.

圖12 型腔型芯斜面定位

側(cè)孔和側(cè)凹都是內(nèi)側(cè)抽芯，且抽芯距小，適合采用斜頂側(cè)抽機構(gòu)，利用開模時注塑機的頂出力，在頂出塑件的同時，使斜頂完成側(cè)抽動作.直徑5.8 mm側(cè)孔斜頂角度選擇8°，兩個側(cè)凹斜頂角度選擇6°，中間兩個直徑3 mm定位孔處設(shè)推管推出，其余部位采用推桿推出，見圖13.

圖13 脫模機構(gòu)

圖14為模具裝配圖的分解圖.工作原理：開模時，注塑機開合模機構(gòu)通過動模板帶動動模向左后退，由于鎖模器在第II次分型處(主分型面)將A、B板拉緊，模具先從第I次分型處打開，主流道凝料被從澆口套中拉出，并隨A板一起后退；當(dāng)后退到定距拉桿頭與A板左面接觸時，I次分型結(jié)束；注塑機開模力克服鎖模器的阻力將模具從第II次分型處打開，點澆口被拉斷，凝料留在A板里，人工或機械手取出，塑件則包在型芯上隨B板繼續(xù)后退，當(dāng)后退到模具的推板與注塑機的頂桿接觸后，動模板、墊塊、型芯等繼續(xù)后退，推板、推桿固定板、推桿、推管和斜頂機構(gòu)等被頂桿頂住相對前移，復(fù)位彈簧被壓縮，塑件被從型芯上推出，靠自重落下.

圖14 模具分解圖

合模時，動模板右移，推板與注塑機頂桿脫離接觸后，推出機構(gòu)在復(fù)位彈簧的作用下先復(fù)位，主分型面在導(dǎo)柱導(dǎo)向下先閉合，模具繼續(xù)右移，第I次分型處后閉合，之后模具鎖緊，為下次注射成型做好準(zhǔn)備.

7 結(jié) 論

(1)通過CAE分析對比確定了點澆口的數(shù)量和布置方式、動模側(cè)和定模側(cè)冷卻水路的形式、數(shù)量和位置分布，在優(yōu)化塑件局部厚度、調(diào)整模溫和保壓曲線后剪切速率下降到極限值內(nèi)，剪切應(yīng)力下降了56%，冷卻時間縮短了12 s，翹曲變形量減小了38.7%.

(2)由于塑件壁厚不均勻，且厚度變化處無過渡圓角，導(dǎo)致模具加工難度大，塑件收縮不均勻和殘余內(nèi)應(yīng)力大，應(yīng)進一步優(yōu)化塑件結(jié)構(gòu)以改進其成型工藝性能，加大澆口處壁厚，或成型后應(yīng)對塑件進行退火處理，來進一步降低殘余應(yīng)力.

(3)型腔與A板腔和型芯與B板腔之間采用斜面定位，提高了模具定位精度和壽命；推桿與推管配合推出塑件，推出力均勻，塑件不易被推變形；但是開模時推桿推出距離不能超過50 mm，否則兩側(cè)凹的斜頂會發(fā)生碰撞.