殼體注塑CAE與熱流道模具設(shè)計

楊 鴻

(廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學(xué)院，廣東 佛山 528216)

0 引 言

現(xiàn)代產(chǎn)品的很多零部件材質(zhì)選用塑料，需要通過注塑成型來完成加工。注塑件的質(zhì)量會影響到產(chǎn)品的品質(zhì)，而傳統(tǒng)的注塑模具設(shè)計大多依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗知識，需要經(jīng)過多次修模和調(diào)試才可完成生產(chǎn)制造，從而制約了產(chǎn)品開發(fā)的效率。運用CAE軟件分析可以預(yù)測產(chǎn)品注塑過程中的潛在缺陷，針對地制定相應(yīng)解決方法，這樣可以大大縮短模具設(shè)計與制造周期，并能提高產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。

本文在對某注塑殼體構(gòu)件進行CAE分析的基礎(chǔ)上，運用UG軟件設(shè)計出熱流道注塑模具，為類似產(chǎn)品進行注塑模具設(shè)計提供借鑒。

1 塑件結(jié)構(gòu)與材料分析

1.1 塑件結(jié)構(gòu)

圖1為殼體的3D結(jié)構(gòu)示意圖，殼體的最大外形尺寸為264.4 mm×197.3 mm×135 mm，產(chǎn)量為3.5萬件，材料選用韓國SK公司的PP(聚丙烯)料，牌號為B380G。殼體塑件要求及特點為：(1)塑件不得有注塑縮痕、流痕、光澤不均、飛邊、頂白等表觀缺陷；(2)殼體結(jié)構(gòu)中等復(fù)雜，既有側(cè)凹，也有倒扣結(jié)構(gòu)。

圖1 零件3D結(jié)構(gòu)圖

1.2 材料分析

PP為結(jié)晶型高聚物，密度為0.91 g·cm-3，成型收縮率為1.0%～2.5%，成型溫度為160～220℃。該材料具有以下成型特征：(1)是結(jié)晶料，吸濕性小，易發(fā)生融體破裂，長期與熱金屬接觸易分解；(2)流動性好，但收縮范圍及收縮值大，易發(fā)生縮孔、凹痕、變形；(3)冷卻速度快，應(yīng)注意控制成型溫度，低溫高壓時容易取向；(4)塑料壁厚須均勻，避免缺膠、尖角，以防應(yīng)力集中。PP材料的流變曲線及PVT(壓力—容積—溫度)曲線如圖2所示。

(a) 流變曲線

(b) PVT曲線

2 模流工藝分析

2.1 網(wǎng)格劃分

運用UG NX10.0軟件對殼體進行實體建模，再用CAD doctor進行模型簡化，模型簡化目的是提高網(wǎng)格質(zhì)量、降低網(wǎng)格數(shù)量、加快求解效率[2]。簡化殼體3D模型中不影響分析結(jié)果的工藝小圓角及倒角，并將實體數(shù)據(jù)導(dǎo)出為IGES格式文件。啟動AMI (Autodesk Moldflow Insight) 2016，將IGES格式文件導(dǎo)入，設(shè)置全局邊長為2 mm，對殼體模型進行雙層面網(wǎng)格劃分，并通過合并節(jié)點、交換邊、移動節(jié)點等操作進行網(wǎng)格修復(fù)[3]，最終網(wǎng)格模型如圖3所示。該網(wǎng)格模型三角形網(wǎng)格數(shù)量為132 426，表面積為1 972.06 cm2，網(wǎng)格最大縱橫比為7.29，平均縱橫比1.53，最小縱橫比1.15，共用邊為198 639條，連通區(qū)域為1，網(wǎng)格匹配率96.4%，相互百分比為96.1%。網(wǎng)格劃分質(zhì)量很高，網(wǎng)格縱橫比、連通性、匹配率等各項指標全部符合要求，因此該殼體塑件的網(wǎng)格劃分能滿足后續(xù)模流分析的要求[4]。

圖3 殼體網(wǎng)格模型

2.2 塑件壁厚分析

殼體塑件壁厚分析結(jié)果如圖4所示，整體壁厚分布相對比較均勻，厚度為1.5 mm，小范圍局部區(qū)域厚度為3 mm，不影響整體成型效果，塑件表面不會出現(xiàn)明顯的瑕疵。

2.3 澆口位置

利用AMI澆口位置分析模塊，得到殼體塑件理論上的最佳澆口位置在塑件的中間偏上部位，如圖5所示?；谒芗遣捎脽崃鞯滥＞呱a(chǎn)的，為減少冷凝廢料產(chǎn)生[5]，未采用熱流道與冷流道組合的進膠方式，而是直接采用熱流道直接進膠的點澆口方式，雖然塑件表面會有些許痕跡，但不影響其使用功能。

圖4 壁厚分析

圖5 澆口位置

2.4 成型分析

選擇冷卻+填充+保壓+翹曲分析序列進行成型分析[6]，影響產(chǎn)品質(zhì)量的分析結(jié)果如圖6所示。從圖6(a)可知：殼體塑件充填時間為1.314 s，澆口兩側(cè)方向的充填時間幾乎一致，說明在填充過程中充填順暢、流動平衡，無短射和充填不足情況[7]。從圖6(b)可知：V/P切換時，所需最大充填壓力為100 MPa。在圖6(b)中畫圈處填充末端存在灰色區(qū)域，表明此處填充略有不足。隨后，該殼體進澆口處壓力降至80.02 MPa，塑料熔體繼續(xù)進行產(chǎn)品補縮，直至塑料熔體充滿該注塑模具型腔。從圖6(c)可知：塑件上最低溫度約為254.5℃，而最高流動前沿溫度為261℃。塑件溫度分布大體比較平均，不會出現(xiàn)短射現(xiàn)象。從圖6(d)可知型腔內(nèi)壓力變化的情況：當(dāng)聚合物進入型腔，壓力持續(xù)增高，隨后從最高降至保壓位置，直至填充結(jié)束。從圖6(e)可知：塑件區(qū)域頂出體積收縮率比較均勻，要保證收縮率完全一致是比較困難的，但可以通過調(diào)整保壓曲線促使塑件收縮率均勻。從圖6(f)可知：凍結(jié)因子越大，凍結(jié)層越厚，當(dāng)凍結(jié)因子為1時，表示截面已完全凍結(jié)，上下兩個注塑產(chǎn)品在充填結(jié)束時的凍結(jié)層分布比較均勻，沒有過快凍結(jié)區(qū)域。圖6(g)中，圓圈標識部分是氣穴產(chǎn)生的表面，可以通過在模具設(shè)計時刻意增加鑲件部分來改善模具排氣。從圖6(h)可知：熔體在模型表面上沿著流動前沿聚合形成熔接線，熔接線的存在指示了結(jié)構(gòu)缺點或表面缺陷。可以通過提高熔體溫度、注射速度和注射壓力來改善產(chǎn)品表面出現(xiàn)的熔接痕。從圖6(i)可知：冷卻液入口與冷卻液出口最大溫度差為1.76℃，一般來說，溫度差最高不超過3℃，越高的值可能顯示越廣的模具表面溫度范圍。從圖6(j)可知：產(chǎn)品的變形趨勢位置在殼體的填充末端，其變形主要是由零件壁薄及狹長引起的。在實際使用時，可通過與其他零件安裝配合，實現(xiàn)對殼體變形的糾正。綜上所述，殼體擬采用的模具澆注系統(tǒng)方案及冷卻系統(tǒng)方案是可行的。

(a) 填充時間

(b) 速度/壓力切換時的壓力

(c) 流動前沿溫度

(d) 注射位置處壓力：XY圖

(e) 頂出時的體積收縮率

(f) 凍結(jié)層因子

(g) 氣穴

(h) 熔接線

(i) 回路冷卻液溫度

(j) 所有效應(yīng)變形

3 熱流道模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)產(chǎn)品特點，考慮出模與加工方便，確定采用側(cè)抽滑塊及內(nèi)抽芯滑塊結(jié)構(gòu)出模。由于產(chǎn)品外部側(cè)凹位置面積比較大，在設(shè)計時需要設(shè)計水路對產(chǎn)品進行冷卻，防止縮水及翹曲變形[8]。所以本模具采用斜導(dǎo)柱滑塊抽芯機構(gòu)脫模。部分滑塊及前后模仁均需設(shè)水路。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點及客戶要求，模具采用熱流道直接點澆口進膠方式，減少了廢料產(chǎn)生，產(chǎn)品采用頂塊及頂針頂出方式。

3.1 分模設(shè)計

分型面設(shè)計：針對殼體的復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)，采用如圖7所示的塑件周邊小平面及產(chǎn)品底面作為分型面。模具型腔采用塑件左右對稱布置的一模二腔結(jié)構(gòu)形式(見圖6)，使用UG軟件進行模具設(shè)計。

圖7 分型面位置

分型面按圖7設(shè)置。分型面設(shè)計要全面考慮模具結(jié)構(gòu)的合理性、機械加工的可行性、修配模具的方便性等[9]，一定要避免由于分型面選擇不合理，以致模具加工完成后，無法正常進行產(chǎn)品生產(chǎn)加工。圖7所示分型面利于對產(chǎn)品側(cè)凹部分進行側(cè)抽設(shè)計，及對產(chǎn)品細小加強筋結(jié)構(gòu)增添排氣渠道，從而降低產(chǎn)品成型及模具設(shè)計難度，便于產(chǎn)品合模面飛邊的處理。

前后模仁及滑塊設(shè)計：利用前模與后模的分型線生成的分型面將前后模仁分開，由于產(chǎn)品有側(cè)凹及孔槽部分(見圖1)，所以在產(chǎn)品周邊需要增加4個滑塊結(jié)構(gòu)，以便于產(chǎn)品脫模。產(chǎn)品最終分模結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 前后模仁與滑塊分模圖

3.2 模架選擇

模架規(guī)格及類型選擇主要依據(jù)注塑機規(guī)格、產(chǎn)品脫模方式、產(chǎn)品頂出等要素[10]。結(jié)合產(chǎn)品特點選用龍記大水口系列模架，A板、B板的厚度需根據(jù)模仁的厚度確定，長寬需根據(jù)模仁及滑塊機構(gòu)的尺寸確定，C板高度主要考慮產(chǎn)品能順利頂出，模架不宜過大但需要保證足夠的強度。經(jīng)綜合考慮，選用5994的龍記大水口直身模架，A板厚度為275 mm， B板厚度為170 mm， C板厚度為160 mm，型號為CH5994-A275B170C160。

3.3 抽芯結(jié)構(gòu)設(shè)計

塑料產(chǎn)品如果有倒扣部分，注塑完成后，產(chǎn)品會卡在模具中而無法正常頂出脫模。這時候就需要設(shè)計抽芯機構(gòu)在頂出前把產(chǎn)品與模具分開。通常情況下滑塊機構(gòu)是最常用的抽芯機構(gòu)，斜導(dǎo)柱固定在一端，滑塊在另一端。注塑機開模時，斜導(dǎo)柱帶動滑塊運動，使產(chǎn)品倒扣部分與模具分離，從而達到順利脫模的效果。

3.3.1 內(nèi)抽芯機構(gòu)設(shè)計

由零件結(jié)構(gòu)圖(見圖1)可知：產(chǎn)品內(nèi)部有倒扣結(jié)構(gòu)，倒扣的深度3 mm，長度12 mm。因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)問題，采用斜頂機構(gòu)不妥，而且內(nèi)部空間有限，所以采用內(nèi)抽芯的滑塊機構(gòu)，如圖9所示。該內(nèi)抽芯滑塊機構(gòu)選用斜導(dǎo)柱，直徑為8 mm，通常抽芯距離要增加2～3 mm的安全距離，因而滑塊的抽芯距離選取5 mm，斜導(dǎo)柱的傾斜角度選用12°。斜導(dǎo)柱的工作長度L=5/sin 12°=24 mm。根據(jù)三角函數(shù)可知，開模最小距離H=5/tan 12°=23.5 mm，開模達到23.5 mm以上才能夠完全使滑塊與產(chǎn)品脫離[11]。

圖9 內(nèi)抽芯滑塊機構(gòu)

3.3.2 側(cè)抽芯機構(gòu)設(shè)計

由零件結(jié)構(gòu)圖可知：產(chǎn)品外部有側(cè)凹及孔槽結(jié)構(gòu)各兩處，側(cè)凹部分需抽芯距離分別為S1=13.85 mm與S2=15 mm，孔槽結(jié)構(gòu)需抽芯距離分別為S3=28 mm與S4=28.5 mm，通常抽芯距離要增加2～3 mm的安全距離。側(cè)凹部分的斜導(dǎo)柱直徑為18 mm，斜導(dǎo)柱的傾斜角度為15°。抽芯距離S1與S2分別對應(yīng)的斜導(dǎo)柱的工作長度L1=16/sin 15°=61.8 mm，L2=17/sin 15°=65.7 mm。根據(jù)三角函數(shù)可知，開模最小距離H=17/tan 15°=63.5 mm，開模達到63.5 mm以上才能夠完全使滑塊與產(chǎn)品脫離?？撞鄄糠值男睂?dǎo)柱直徑為20 mm，斜導(dǎo)柱的傾斜角度為18°。抽芯距離S3與S4分別對應(yīng)的斜導(dǎo)柱的工作長度L3=30/sin 18°=97 mm，L4=30.5/sin 18°=98.7 mm。根據(jù)三角函數(shù)可知，開模最小距離H=30.5/tan 18°=93.8 mm，開模達到93.8 mm以上才能夠完全使滑塊與產(chǎn)品脫離。經(jīng)校核，斜導(dǎo)柱的強度和剛度滿足要求。側(cè)抽滑塊機構(gòu)如圖10所示。

圖10 側(cè)抽滑塊機構(gòu)

3.4 頂出機構(gòu)設(shè)計

殼體是薄壁類注塑件，采用一模兩腔進行注射，其精度及外觀質(zhì)量要求較高，因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及空間限制，不適于布置太多頂針機構(gòu)，所以采用頂塊加頂針頂出。為保證塑件受力均勻，頂出機構(gòu)應(yīng)盡量對稱布置于塑件產(chǎn)品與模仁結(jié)合部位，頂出機構(gòu)布置如圖11所示。

圖11 頂出機構(gòu)

3.5 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

冷卻系統(tǒng)在注塑過程中對模具內(nèi)的產(chǎn)品進行冷卻，或者保持模具的溫度，設(shè)計不合理容易引起產(chǎn)品變形、粘模、缺膠等缺陷。由于產(chǎn)品厚度不均勻，也比較大且高，且采用前后模仁與滑塊成型產(chǎn)品的內(nèi)外表面，為了冷卻均勻，在前后模仁及部分滑塊處做運水。前后模做運水，用于控制模具總體溫度；產(chǎn)品外表面部分由滑塊成型，為了保證產(chǎn)品均勻冷卻及產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，在滑塊上也需設(shè)計滑塊運水[12]。

前模仁運水設(shè)計：產(chǎn)品尺寸比較高，前模仁采用等距布置運水與冷卻水井方式，前模仁運水直徑為10 mm，堵頭用PT1/4，進出水口為PT1/4連接水嘴，局部增加直徑為20 mm的冷卻水井，保證產(chǎn)品冷卻均勻，運水布置圖如圖12所示。

圖12 前模仁冷卻水路布置圖

后模仁運水設(shè)計：后模仁尺寸較高，為更好地冷卻，在后模仁均勻布置冷卻水井，直徑為20 mm，連接冷卻水井的水路直徑為10 mm，堵頭用PT1/4，進出水口為PT1/4連接水嘴，后模冷卻水路布置圖如圖13所示。

圖13 后模仁冷卻水路布置圖

滑塊運水設(shè)計：產(chǎn)品外部兩個滑塊的運水通道直徑為6 mm，進水口與出水口為PT1/16連接水嘴，其余地方為PT1/16堵頭，兩個滑塊運水布置圖如圖14所示。

圖14 滑塊水路布置圖

3.6 其他機構(gòu)設(shè)計

由上述可知，模架選用5994規(guī)格，B板的厚度為170 mm，因而B板的跨度比較大，強度比較差。為加強B板的強度，選用兩種規(guī)格的支撐柱來支撐B板，支撐柱的布置圖如圖15所示。為保證頂出平衡，增加6對導(dǎo)柱導(dǎo)套來保證推件板運動順暢及頂出平穩(wěn)。

圖15 支撐柱布置圖

1—定位圈；2—隔熱板；3—定模座板；4—A板；5—熱流道模塊；6—前模仁；7—鎖模塊；8—B板；9—復(fù)位桿；10—方鐵；11—微動開關(guān)；12—推桿面板；13—推桿底板；14—動模座板；15—頂桿定位圈；16—頂桿座；17—頂塊；18—支撐柱1；19—支撐柱2；20—后模仁；21—導(dǎo)套；22—導(dǎo)柱；23—推件板導(dǎo)柱；24—推件板導(dǎo)套；25—滑塊1；26—滑塊2；27—調(diào)模塊；28—模仁定位鎖；29—鎖?？郏?0—內(nèi)抽芯滑塊；31—滑塊3；32—滑塊4圖16 模具裝配圖

4 模具工作過程

本模具采用針閥式熱流道直接進膠方式，通過控制澆口開啟時間，保證型腔填充順暢及熔體流動平衡，消除熔接痕，制件產(chǎn)品也不會有殘留澆口痕跡。模具結(jié)構(gòu)選用二板式結(jié)構(gòu)，如圖16所示。在模具使用前，需先拆除鎖模塊7，并將模具冷卻系統(tǒng)與外部冷卻源連接。模具工作過程如下：在模具完成注塑成型后，模具進入保溫、保壓階段，冷卻完畢后準備開模；針閥式熱流道澆口關(guān)閉，在注射機液壓機構(gòu)作用下，動模與定模首先從A板4與B板8的分型面處打開；由于是點澆口，易脫離，而且型芯尺寸較大，經(jīng)冷卻后塑件會留在動模側(cè)，內(nèi)抽芯滑塊機構(gòu)30在斜導(dǎo)柱作用下完成滑塊脫離工件步驟；與此同時，4組側(cè)抽機構(gòu)也在斜導(dǎo)柱作用下完成與工件的脫離；抽芯完成后，當(dāng)動模和定模打開約250 mm的距離，注射機液壓頂桿作用于頂桿座16上，模具頂出機構(gòu)開始動作，利用頂塊17完成最后的推件動作，塑件會自動脫落，可以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，至此模具完成了開模所有動作。模具合模過程基本就是開模的逆過程，在注射機液壓機構(gòu)和模具復(fù)位彈簧的作用下，模具合模，推桿底板13復(fù)位，觸發(fā)了微動開關(guān)11，下一輪的注塑過程即將開啟。

5 結(jié) 語

本文在殼體注塑工藝分析與熱流道注塑模具設(shè)計過程中，借助AMI2016軟件對殼體塑件進行了模流CAE分析。在綜合考慮最佳澆口位置和填充模擬分析結(jié)果后，擬定了采用熱流道點澆口的澆注系統(tǒng)方案?；谔畛?冷卻+保壓+翹曲分析系列結(jié)果，對后續(xù)模具設(shè)計可能存在的問題進行分析與總結(jié)，并提出了解決方法。在用UG進行模具設(shè)計時，完成了包括模具分型、型腔及型芯結(jié)構(gòu)、頂出機構(gòu)、內(nèi)抽芯機構(gòu)、側(cè)向滑塊機構(gòu)、冷卻系統(tǒng)等的設(shè)計，圍繞殼體注塑模具特點、要點和難點進行了詳細的闡述。

最終模具注塑生產(chǎn)實踐過程表明：采用AMI2016軟件分析的殼體塑件成型工藝合理，依此設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)布局合理、工作可靠，獲得了質(zhì)量良好的塑件產(chǎn)品。利用模流分析軟件可有效降低模具開發(fā)成本，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，具有較好的實際應(yīng)用和推廣價值。