基于Moldflow的滑動開門鉤注塑模具設(shè)計

徐蘭英，馮思晨，葉幗珊

（廣東技術(shù)師范大學(xué) 機電學(xué)院，廣東 廣州 510665）

0 引言

滑動開門鉤塑件是一種狹長形且適用于大多數(shù)電器門的開關(guān)控制元件.注塑成型是滑動開門鉤的主要成型方式，塑件的質(zhì)量和性能在很大程度上受注塑模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)等的影響.國內(nèi)學(xué)者對注塑模具的研究較多.林康[1]利用Moldflow軟件對汽車通風(fēng)蓋板的注塑成型工藝進行了模流分析，依據(jù)分析結(jié)果進行了大型的熱流道復(fù)雜注塑模具的設(shè)計.魯立榮等[2]在設(shè)計眼鏡支架注塑模之前利用Moldflow仿真軟件對該塑件進行了預(yù)成型，在該模具下生產(chǎn)出來的制件性能穩(wěn)定、成型質(zhì)量較好.陳顯冰等[3]在設(shè)計監(jiān)控器底座的注塑模具時利用Moldflow平臺進行分析，在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上合理地設(shè)計了塑件的澆口位置和模具的澆注系統(tǒng).唐杰等[4]利用Moldflow對汽車燈罩進行翹曲分析，確定產(chǎn)生翹曲缺陷的主要因素，依據(jù)仿真分析結(jié)果對汽車燈罩的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，有效地降低了產(chǎn)品的翹曲變形量.本文對滑動開門鉤塑件進行了結(jié)構(gòu)分析和成型工藝分析，并借助Moldflow仿真軟件完成了澆注系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)建，對熔體的注塑過程及模具的冷卻情況進行了模擬，依據(jù)模擬結(jié)果進一步優(yōu)化了模具的設(shè)計，對提高塑件質(zhì)量和縮短塑件的生產(chǎn)周期具有較大的生產(chǎn)意義.

1 滑動開門鉤塑件分析

磨損是滑動開門鉤塑件的主要失效形式，由于塑件在工作過程中反復(fù)受力，因此在設(shè)計和生產(chǎn)滑動開門鉤塑件時需要保證其耐磨性和機械強度.滑動開門鉤塑件外部特征為狹長形，中間有凸臺及兩個對稱分布的鍵槽，左右端類似于鉤狀，因此需設(shè)計水平分型和側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)以方便塑件成型后進行脫模.在脫模的過程中需要設(shè)計合適的脫模斜度，常用的脫模斜度為30′～1°30′，本文采用40′的脫模斜度.利用Creo4.0對塑件進行建模（見圖1）.塑件外觀要求無氣泡、熔接痕以及翹曲變形等明顯缺陷.該塑件材料采用聚甲醛（POM），聚甲醛的力學(xué)性能參數(shù)及成型工藝參數(shù)分別如表1和表2所示.聚甲醛具有較好的耐磨性和彈性，在低溫條件下幾何穩(wěn)定性較好，能有效地抵抗外來的沖擊，且不易發(fā)生蠕變[5].聚甲醛的這些優(yōu)點符合滑動開門鉤的使用特性.

圖1 滑動開門鉤塑件三維模型

表1 聚甲醛的力學(xué)性能參數(shù)

表2 聚甲醛成型工藝參數(shù)

2 模流分析前處理

考慮到模具的生產(chǎn)成本與生產(chǎn)周期，避免生產(chǎn)過程中產(chǎn)生不必要的缺陷，在進行模具設(shè)計之前需要利用計算機輔助技術(shù)對塑件進行模流分析，Moldflow是進行注塑模具設(shè)計時常用的分析軟件.為保證模流分析順利進行，需要做好一系列分析前處理工作，包括塑件模型建立與網(wǎng)格劃分、分型面的選擇、澆注系統(tǒng)設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)計.

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

滑動開門鉤塑件三維模型通常以 STL、IGS 兩種格式導(dǎo)入Moldflow2021中進行網(wǎng)格劃分和仿真分析，即使塑件模型的各個參數(shù)相同，在不同格式下網(wǎng)格劃分的質(zhì)量也有差異[6].若塑件模型以IGS格式導(dǎo)入Moldflow中進行網(wǎng)格劃分，會出現(xiàn)重疊、畸變、缺失等網(wǎng)格缺陷，網(wǎng)格修復(fù)工作繁重.為避免增加網(wǎng)格修復(fù)工作，本文將滑動開門鉤塑件三維模型以STL格式導(dǎo)入Moldflow中.Moldflow中的網(wǎng)格類型包括中性面、3D和雙層面，部分零件中性面較難提取且厚度方向上的網(wǎng)格劃分不夠準確，3D網(wǎng)格分析速度較慢，因此本文采用雙層面網(wǎng)格類型進行劃分.網(wǎng)格劃分前將單位設(shè)置成“mm”，全局邊長0.5mm，經(jīng)修補后劃分的網(wǎng)格數(shù)為12594個，最大縱橫比為3.36，無自由邊和多重邊，無匹配不正確的單元，無相交單元和完全重疊單元，匹配百分比為92.9%，各項參數(shù)符合Moldflow中網(wǎng)格質(zhì)量的要求[7].

2.2 分型面的選擇

分型面的選擇是模具設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，應(yīng)遵循以下原則[8]：（1）分型面應(yīng)有利于簡化模具結(jié)構(gòu)及塑件的脫模；（2）分型面的選擇不能影響塑件的外觀質(zhì)量且有利于清除溢料及毛刺；（3）優(yōu)先考慮塑件面積最大的截面作為分型面；（4）開模后塑件應(yīng)留在動模一側(cè)；（5）分型面的選擇應(yīng)有利于排氣.

由于塑件有鍵槽，需要設(shè)置側(cè)向型芯，因此需要確定主分型面和側(cè)分型面.經(jīng)過綜合考慮，決定將塑件上表面確定為主分型面，鍵槽所在表面為側(cè)分型面（見圖2、圖3）.

圖2 主分型面

圖3 側(cè)分型面

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計

澆口位置的選擇是模具澆注系統(tǒng)設(shè)計中最關(guān)鍵的部分，熔融塑料在模具內(nèi)的填充狀態(tài)受澆口的位置、尺寸及形式的影響，若澆口位置選擇不合理將會影響塑件的使用性能.但澆口位置的修改難度較大，因此需要借助計算機輔助技術(shù)進行仿真以作為確定最佳澆口位置的依據(jù)[9].根據(jù)選用聚甲醛材料推薦的溫度，熔體溫度和模具表面溫度分別采用210℃和90℃.最佳澆口位置的分析結(jié)果如圖4所示，圖中表明滑動開門鉤塑件的最佳澆口位置為中部，但由于塑件的外觀要求，并考慮到滑動開門鉤的結(jié)構(gòu)特點及制造成本，決定選擇滑動開門鉤塑件的端部作為塑件的最佳澆口位置.確定型腔數(shù)目的方法有多種，本文以注塑機的最大注射量為衡量標準率確定型腔數(shù)目，計算公式為[10]：

圖4 澆口最佳位置

式中，n1為型腔數(shù)目；Vg為注塑機允許的最大注塑量，cm3或g；Vj為澆注系統(tǒng)凝料量，cm3或g；Vs為單個塑件的容積或質(zhì)量，cm3或g.

經(jīng)過計算，采用一模兩腔矩形側(cè)澆口的方式進澆.其中主流道設(shè)置為錐形，其進口端直徑d=5mm，出口端直徑D=8mm，長度l=48mm；分流道形狀選擇較常用的梯形，上底長b1=6mm，下底長高；矩形側(cè)澆口高度0.5mm，具體結(jié)構(gòu)形式（見圖5、圖6）.

圖5 型腔結(jié)構(gòu)

圖6 澆注系統(tǒng)

2.4 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

在注塑成型中，模具的溫度在很大程度上影響塑件的質(zhì)量和生產(chǎn)周期，為了保證塑料熔體在模具型腔內(nèi)以最適宜的溫度成型，需要設(shè)計合理的冷卻系統(tǒng).

本文選用的冷卻介質(zhì)為純凈水，純凈水的雷諾系數(shù)為10000，初始溫度為25℃，根據(jù)如下公式計算冷卻水的體積流量[8]：

其中，qv為冷卻水的體積流量，m3/min；W為單位時間內(nèi)注入模具中的塑料熔體質(zhì)量，kg/min；Q1為熔融狀態(tài)的塑料從進入型腔時的溫度到塑件冷卻至脫模溫度為止，塑料熔體所釋放的單位熱流量，KJ/kg；ρ為冷卻水的密度；c1為冷卻水的比熱容，KJ/(Kg·℃)；t1為冷卻水的出口溫度，℃；t2為冷卻水的進口溫度，℃.

滑動開門鉤注塑模具的冷卻系統(tǒng)使用Moldflow自帶的S型冷卻管道，布置形式為“四進四出”，管道數(shù)量為12，直徑為8cm，管道與塑件之間的距離為12cm，冷卻系統(tǒng)如圖7所示.

圖7 冷卻系統(tǒng)

3 模流分析

3.1 填充分析

Moldflow填充分析模塊是對塑料熔體的填充時間、流動前沿處的溫度、剪切速率及剪切應(yīng)力等進行分析，以此來判斷澆注系統(tǒng)設(shè)計的合理性.設(shè)置工藝參數(shù)時使用推薦熔體溫度196.43℃，模具溫度114.55℃，注射時間為自動，分析結(jié)果如圖8所示.

由圖8a可知，熔體充滿型腔的填充時間為1.054s，兩塑件末端顏色相同，表示兩型腔同時完成填充，填充過程為平衡填充.仿真結(jié)果表明本文設(shè)計的澆注系統(tǒng)填充性好，無短射和遲滯現(xiàn)象發(fā)生.由圖8b可知熔體流動前沿溫度由196.3℃上升到196.7℃，溫度差為0.4℃，小于溫度差極限5℃，表明注塑過程中無遲滯現(xiàn)象發(fā)生.塑料熔體的初始溫度為196.43℃，整個填充過程溫度變化較平穩(wěn)，無較大的溫度變化及局部過熱現(xiàn)象發(fā)生，填充比較順利，說明澆注系統(tǒng)設(shè)計合理.剪切速率表示塑料在填充過程中剪切變形的速率，速率過高時塑料高分子鏈被拉斷，導(dǎo)致塑件機械性能降低，圖8c所示為滑動開門鉤塑件在填充過程中的剪切速率，最大剪切速率為19898.51/s，該速率在材料的極限剪切速率內(nèi)，塑料未發(fā)生損壞.填充過程中塑料纖維和分子的取向反映了塑料的剪切應(yīng)力，當剪切應(yīng)力的數(shù)值高于材料的極限數(shù)值時，塑件質(zhì)量下降.圖8d所示塑件的最大剪切應(yīng)力值為0.5236，超出材料的極限值，但最大剪切應(yīng)力區(qū)域為澆口處，對塑件質(zhì)量影響不大，符合塑件的質(zhì)量要求.綜上所述，本文設(shè)計的澆注系統(tǒng)合理，能夠滿足塑件的填充要求.

圖8 填充分析

3.2 流動分析

流動分析是“填充+保壓”的仿真分析，包括注塑成型的填充和保壓兩個階段，對塑件進行流動分析有助于獲得最佳的保壓階段設(shè)置，降低由保壓引起的收縮、氣穴等缺陷.由流動分析結(jié)果可以獲得塑件的凍結(jié)層因子、縮痕指數(shù)及氣穴分布.凍結(jié)層因子反映了澆口的凝固時間，即塑件“填充+保壓”所需的時間.通過縮痕指數(shù)可判斷塑件可能出現(xiàn)縮痕的位置，當塑件出現(xiàn)縮痕則表明該區(qū)域的保壓壓力過大.設(shè)置模具溫度為114.55℃，熔體溫度為196.43℃，冷卻時間為自動，分析結(jié)果如圖9所示.由圖9a可知塑料熔體從填充到保壓的時間為10.16s，熔體注射時間為1.054s，則保壓時間可取為10s.圖9b顯示滑動開門鉤塑件的縮痕指數(shù)范圍在-0.0401～1.147之間，澆注系統(tǒng)處的數(shù)值較大，但塑件的表面質(zhì)量未受影響.圖9c顯示滑動開門鉤塑件的氣穴數(shù)量較少，主要分布在端部及中部凸臺處，在后續(xù)的設(shè)計中應(yīng)在這些地方加強排氣.

圖9 流動分析

3.3 冷卻分析

Moldflow仿真軟件中的冷卻分析模塊可以模擬塑料熔體在模具內(nèi)的熱量傳遞情況，從而直觀地觀察塑料熔體及模具的冷卻效果，以此來判斷冷卻系統(tǒng)設(shè)計的合理性并對冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化處理.在本文設(shè)計的冷卻系統(tǒng)下對塑件進行冷卻分析，結(jié)果如圖10所示.

圖10 冷卻分析

回路冷卻液溫度顯示了冷卻介質(zhì)從入水口到出水口之間的溫度變化情況[11].通常情況下冷卻液溫升的最高限制為2℃.由圖10a可知，冷卻液溫升為0.08℃，遠遠小于2℃，因此滑動開門鉤塑件在此冷卻回路中能夠均勻冷卻.回路管壁溫度指冷卻回路中冷卻管道管壁的溫度變化，其最高不超過冷卻介質(zhì)5℃[11]，根據(jù)圖10b可知，回路管壁的溫差為1.43℃，該溫差在規(guī)定范圍內(nèi)，符合要求.由圖10c可知，塑件達到頂出溫度的時間為30s，且塑件大部分區(qū)域達到頂出溫度的時間為0.7s左右.綜上所述，此次設(shè)計的冷卻系統(tǒng)合理，能夠滿足塑件的冷卻要求.

3.4 翹曲分析

翹曲變形是塑件成型時常見的缺陷，同時也是衡量塑件成型質(zhì)量的重要指標[12].利用Moldflow軟件可以模擬預(yù)測塑件成型過程中發(fā)生翹曲變形的情況，得到產(chǎn)生翹曲變形的原因，通過調(diào)整模具澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計獲得高質(zhì)量的塑件.

圖11所示為所有因素引起的變形，由該圖可知塑件的最大變形量為0.5856mm，最大變形區(qū)域為塑件兩端鉤部，占塑件整體的比例很小，且在可控制的范圍內(nèi)，最小變形區(qū)域為滑動開門鉤中部.因此在本文設(shè)計的澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)下成型的產(chǎn)品符合工藝要求，整體設(shè)計合理.

圖11 翹曲分析

4 側(cè)向抽芯機構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)滑動開門鉤塑件中間有凸臺、兩邊有鍵槽的結(jié)構(gòu)特點，在進行模具設(shè)計時需設(shè)計側(cè)向抽芯機構(gòu).抽芯距是模具進行側(cè)抽時的重要參數(shù)，抽芯距的確定根據(jù)公式（3）進行計算.

式中：S抽--抽芯距（mm），S--側(cè)凹深度（mm）；將S=2mm代入（3）式，計算得S抽=5mm.

采用斜導(dǎo)柱分型與抽芯機構(gòu)來完成塑件的分型與抽芯，將斜導(dǎo)柱設(shè)為錐臺形以減小與滑塊之間的摩擦，錐部斜角θ=α+5°（α為斜導(dǎo)柱傾斜角）.

式中各參數(shù)含義如表3所示：

表3 抽芯力計算公式（4）中各參數(shù)含義

將相關(guān)參數(shù)代入式（4）中可得F抽=162KN.根據(jù)抽芯距和抽拔力的大小選擇合適的斜導(dǎo)柱傾斜角α，一般15°≤α≤25°.傾斜角和抽拔力確定后，根據(jù)經(jīng)驗取斜導(dǎo)柱直徑為d=10mm，計算斜導(dǎo)柱總長度為58mm.

滑塊能夠帶動側(cè)型芯在導(dǎo)滑槽內(nèi)運動，完成抽芯動作.

式中：H--模具開模行程；α--斜導(dǎo)柱傾斜角,取α=20°，將S抽=5mm，α=20°代入式（5）可得H=13.7mm.經(jīng)計算，斜導(dǎo)柱的有效工作長度為14.6mm.本文采用組合式滑塊，用圓柱銷將滑塊與型芯連接起來，其結(jié)構(gòu)如圖12所示.

圖12 斜滑塊

綜上所述，模具的側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 側(cè)抽芯機構(gòu)

5 模具結(jié)構(gòu)及工作過程

模流分析結(jié)果表明塑料熔體在本文設(shè)計的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)中能夠較好地進行充模，所得到的滑動開門鉤塑件能夠達到注塑成型工藝要求.基于以上分析設(shè)計模具的整體結(jié)構(gòu)如圖14所示.為使模具結(jié)構(gòu)更加簡便，排氣系統(tǒng)選用模具間隙排氣，間隙大小為0.02mm.模具開模后采用直徑為1.6mm的圓形推桿將制件推出.模具完整的工作原理見圖14.

圖14 模具總裝圖

合模后，塑料熔體由注射機噴嘴注入模具型腔，熔體充滿型腔后經(jīng)過一定時間的保壓補縮、倒流、冷卻定型后將模具打開.

開模時，動模部分依靠注射機的作用力往后移動，模具從分型面分開.開模力通過斜導(dǎo)柱24作用在滑塊23上，迫使滑塊向外滑動，于是側(cè)型芯從塑件側(cè)孔中脫出，抽芯動作完成.繼續(xù)開模，斜導(dǎo)柱24與滑塊23脫離接觸，當注射機的頂桿與模具中的推板13相接觸時，推出機構(gòu)開始工作.滑塊則貼靠在定位鋼珠22上（起定位作用）.推桿9將塑件推出，同時拉料桿將澆注系統(tǒng)凝料拉出，完成一次注射.內(nèi)設(shè)鋼珠聯(lián)合彈簧裝置，保證抽芯后滑塊的最終位置，并帶動斜導(dǎo)柱精確配合滑塊上的斜孔，使滑塊在合模時復(fù)位.在注塑成型時，滑塊會在模腔內(nèi)的塑料熔體產(chǎn)生的壓力作用下向外移動，為防止該現(xiàn)象的發(fā)生，設(shè)置了鎖緊塊25.

合模時，推出機構(gòu)在復(fù)位桿21的帶動下復(fù)位，側(cè)型芯27和滑塊23向內(nèi)移動，在斜導(dǎo)柱的帶動下復(fù)位，最后由鎖緊塊25鎖緊，準備下一次注射.

6 總結(jié)

本文通過對滑動開門鉤塑件進行分析，用Creo4.0完成三維建模.同時基于Moldflow仿真軟件對滑動開門鉤進行了模流分析，完成了最佳澆口位置的選擇、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等主要部分的分析與設(shè)計，進而完成滑動開門鉤注塑模具的整體設(shè)計，利用該模具生產(chǎn)出來的產(chǎn)品無明顯缺陷，符合各項工藝要求，對同類型塑件注塑模的設(shè)計具有借鑒意義.