基于CAE鼠標多腔異件模具與流動平衡性設計

袁根華

（廣州工程技術職業學院機電工程系，廣東 廣州510075）

0 前言

同一功能產品的幾個相互間有精密裝配關系的零件在一套模具中注射成型，這種一模多腔異件生產方式有其有利的方面，可以完全不必考慮不同模具不同時間成型時的塑料、模具材質不同、工藝參數選擇的差異引起的不利于裝配的注塑變形與產品使用后的變形等。但是，模具設計時一個重要的問題是與一模多腔同件布局的生產方式比較，異件時流道的平衡存在更多的問題，必須要更加充分加以考慮，否則難以保證品質。傳統模具設計更多借助于設計者的經驗來設計，然后在試模階段不斷通過修改流道與澆口來獲得合格的塑件，因此最終的成功要化費試模人員的大量時間和精力，使得制造周期延長。借助CAE軟件，對多腔異件的澆注系統進行平衡性模擬，可以確保一次試模的成功，縮短制造模具周期。本文以鼠標上蓋的3個配件組成一模多腔異件成型為例，詳細介紹了該副模具及其流動平衡性設計。

1 鼠標配件的模具設計與分析

該鼠標的設計將上蓋分成左右鍵蓋與主蓋3個分離單獨的塑件，而且為美觀與性能要求無論是主蓋本身還是左右兩鍵蓋間都采用了非對稱設計，如圖1所示，這給模具設計制造又增加了一定難度。主蓋件左右兩側與其他件的安裝止口為安裝需要設計成了向兩側外飄，一般可以用兩側向分型抽芯機構成型，但考慮到止口向外飄的角度不算大，可考慮讓主蓋的兩側不按準中軸放置，且繞準中軸水平向旋轉一定角度，確保其中一側能夠由上下模芯直接分型，這樣可以減少一個側抽芯，減化設計減少制造成本，另一側安排側向抽芯機構實現分型。左、右鍵蓋的底部均有與其他件安裝的扣位孔，成型時可以用斜頂出機構來實現，斜頂出機構則有利于成型長度短的工件內側孔，同時成型后又能行使頂出的作用。圖2是鼠標塑件一模重多腔異件在Pro/E中進行三維模具設計的線框圖。

圖1 鼠標的左、右蓋與主蓋Fig.1 Left，right and main covers

圖2 鼠標多腔3D圖Fig.2 3D figure of mouse multi-cavity

2 鼠標配件模具澆注系統流動平衡設計

澆注系統包含主流道、一、二級分流道、澆口等，其形狀與大小以及布置的位置情況與最終成型的塑料工件的品質有著極大的關系，注塑件的各種不良情況，小的如氣泡、熔接痕、縮松等，大的如澆不足、收縮變形等除了與材料和試模工藝參數存在關聯外，基本上是與澆注系統設計不合理有關。而一模多腔異件的模具設計制造方式下，由于形狀大小差異較大的幾件工件同模，確保塑料在不同工件的型腔內同時完成填充，不產生小的工件過保壓、大的工件可能澆不足的問題是其他注塑模具不容易遇到的難題[1]。

2.1 鼠標配件CAE分析的網格劃分

圖3 鼠標網格劃分與診斷圖Fig.3 Mouse meshing and diagnosis figure

將Pro/E模具設計模塊（MFG）文件組中鑄模件另存為STL格式，導入到Moldflow軟件中，進行表面網格的劃分，第一次按照默認劃分后，通過網格診斷分析，確定后續的修補處理流程，本例主要通過在默認邊長基礎上縮小三角邊長再次劃分三角網格，匹配率接近85%時，再修復網格的重疊，刪除重疊的部分三角網格，填充孔，解決網格重疊問題；最后通過三角形縱橫比診斷，運用插入節點、合并節點等方法，將三角網格的最大縱橫比處理為小于10，見圖3所示，此三角表面網格模式已經可以進行各種模塊的模擬分析了[2]。

2.2 鼠標配件CAE流動平衡經驗性設計的初步分析

澆注系統實現流動平衡可以確保多腔塑件同時填滿；保持各腔壓力等在注射完畢后基本平衡，實現塑件收縮與殘余應力與變形等一致以提高成型品質。而流動平衡則取決于塑料流經的流道長度、流道截面半徑（園形截面）與入澆口尺寸的大小及塑件體積形狀等，實質上是保證熔體入腔前后的總體流動阻力大致相同來實現總平衡。因此流動平衡性在澆注系統上基本可以采用3種方法或同用來實現，一是利用分流道的長度的大小來實現，多腔同件時只要進入各腔前的流道長度相同（截面同時）就可實現平衡；另一種是改變流道的截面面積大小與形狀來改變熔體進入各腔澆口前的阻力使得基本一致來實現平衡；三是改變澆口的形狀大小來實現平衡。

本例中初步依據3件不同塑件的體積結構的差異與模具設計一般唧嘴（澆口套）主分流道盡量對中分布等情況，先進行澆注系統的設計，一級分流道到達左、右鍵蓋和主蓋的二級分流道的距離取相同，均為25 mm，二級分流道到達左右鍵蓋和主蓋的型腔澆口距離分別取15、15、10 mm，一二級分流道的形狀為圓形，尺寸一級直徑5 mm，二級直徑4 mm，澆口采用矩形側進膠形式，尺寸長2 mm，寬1.8 mm，高0.6 mm，流道澆口布置見圖4所示。設計安排布置后進行CAE的澆注填充分析，填充時間分析結果如圖5所示。

圖4 流道澆口布置圖Fig.4 Arrange of therunner and gate

圖5 充填時間分析圖Fig.5 Filling time

從圖5填充時間分析圖觀察到右鍵蓋與主蓋先后先行注滿，左鍵蓋填充時間最長，與前兩鍵時間差異性較大，不平衡率（所選節點左鍵蓋最大值與右鍵蓋最大值的差除左鍵蓋最大值）約14%，因此存在明顯不平衡。而V/P切換時各腔壓力分布也差異很大，如右圖6所示，主蓋邊緣壓力最大處達到了56 MPa，而左蓋最小處壓力為零，填充未完成。由于填充不平衡造成壓力差異將影響到塑件收縮應力與變形不均等品質問題，兩圖均反映了流動不平衡性狀況。

圖6 V/P時的壓力分布圖Fig.6 Pressure distribution at V/P

熔體充模的過程實際上就是注塑機施加的壓力克服液體流動路徑上的流動阻力的過程，路徑長度越長，截面越小則阻力越大，因此填充過程隨著時間增長（流經的路徑長度越長）壓力也不斷增大，如果流動是平衡的，則壓力增長平衡上升。但是由于流動不平衡，在流道截面尺寸與澆口都相同時，熔體的流動總是先到達路徑最近的型腔澆口處，遇到第一個最近的澆口時阻力增大，此處熔體停止流動，熔體再流向其它更遠些的型腔澆口，遇阻后再向更遠型腔澆口流動，直到流道壓力增大到可沖破冷凝澆口、形狀尺寸等造成的阻力最小的澆口處阻力時先填充第一個型腔，依次再沖破第二阻力小的澆口阻力填充該型腔，最后填充阻力最大的型腔。流道、澆口、型腔容積與結構形成的阻力都小的型腔充滿后，為繼續填充滿全路徑阻力更大的型腔，此時已經填充滿的型腔處于補塑壓實過程，壓力會突然性增大變化，這對主塑機與模具都不利。圖7是填充時注射處壓力XY圖，在時間0.8515 s處壓力快速從約54 MPa上升到約80 MPa，壓力不穩定性十分明顯[3]。

圖7 注射位置處壓力XY圖Fig.7 XY pressure at theinjection position

2.3 鼠標配件CAE流動平衡經驗性再設計分析

不再考慮唧嘴流道盡量對中對稱問題，根據初步分析結果與型腔容積結構，改變流道長度進行再一次充填分析。一級分流道到達左右鍵蓋和主蓋的二級分流道的距離分別取23、25 mm，二級分流道到達左右鍵蓋和主蓋的型腔澆口距離分別取10、20、14 mm，再進行CAE的澆注填充分析，填充時間分析結果如圖8所示。從圖中可發現經過流道長度的再調整后，流動性平衡已經得到很大的改變，右鍵蓋與主蓋依然先行接近同時填滿，左鍵蓋填滿時間還是最長，但是不平衡率（所選節點左鍵蓋最大值與主蓋最大值的差除左鍵蓋最大值）已經縮小到了5%內，其他參數也相應縮小了，但壓力差還較大。

圖8 調整后充填時間分析圖Fig.8 Filling time of the a djustedrunner

2.4 鼠標配件CAE流道平衡設計分析

在以上經驗性設計與分析的基礎上，要再提高流動平衡性效果，可以通過調整流道截面面積來進一步改變流動的平衡性，以達到更好的設計效果[4]。在Moldflow分析軟件中，流道平衡分析只是改變分流道截面大小，在設定條件下通過計算機反復進行迭代運算，選取其中好的某次運算結果推薦為流動平衡優化設計。在流道平衡的工藝設定時，目標壓力值可設定為根據前面第二次分析的填充壓力最大值略小些，取為65 MPa，經過流道平衡后流動平衡性更好，最大壓力值比第二次分析的最大值還會下降；壓力值設定過大會使得調整的流道截面變得過小，反之過大。為分析制造的方便，一級分流道設為約束值5～4，二級分流道的約束條件設定不約束。迭代運算后日志顯示，從分析推薦的流道平衡結果看，流動不平衡效果較好，不平衡率雖然不是零，但比較接近零，但主蓋與左右鍵蓋型腔間壓力的不平衡還可進一步進行調整。圖9表明的是此次流動平衡分析后所改變的截面變化率情況。

圖9 流道平衡后截面變化圖Fig.9 Change of cross-section withrunner balance

2.5 鼠標配件CAE流動平衡最終優化設計分析

經過查詢流道平衡后情況，二個一級分流道直徑均變為4 mm，至主蓋的二級分流道直徑從4 mm變為3.29 mm，至右鍵蓋的二級分流道直徑從4 mm變為3.26 mm，至左鍵蓋的二級分流道直徑從4 mm變為3.25 mm，根據實際制造的方便性等圓整尺寸，本例中最后圓整的二級分流道的直徑尺寸為至主蓋取為3.3 mm，至右鍵蓋與左鍵蓋直徑均取為3.2 mm，考慮到二級分流道直徑尺寸的圓整，以及流動平衡后各腔壓力差還有調整的必要，將右鍵蓋處的澆口尺寸的高從0.6 mm增加到0.74 mm，將左鍵蓋處的澆口尺寸的高從0.6 mm增加到0.76 mm，其他尺寸均保持不變。再次進行填充分析，從圖10中可以看到填充時間不平衡性以及各型腔充滿后壓力不平衡性的效果均很好，注射位置處壓力XY壓力分布圖反映出熔體填充過程中，壓力上升很平穩，表明了澆注系統流動的平衡性已經處于良好狀況。

圖10 澆注系統優化后填充時間、型腔壓力、壓力XY圖Fig.10 Fill time，cavity pressure and XY pressure after pouring system optimization

3 應用

根據澆注系統優化分析的結果，應用于鼠標模具的具體設計，其上模設計結果圖如圖11所示。

圖11 鼠標配件上模裝配圖Fig.11 Assembly drawing of mouse fitting upper mold

4 結論

（1）在一模多腔異件布局的注射模具設計中，澆注系統的流動平衡性設計是模具設計最重要，同時也是最難解決的問題之一，也是保證各配件成型品質的前提，借助于一定的經驗進行流道設計布置一般比較難達到較好的效果；

（2）借助于CAE的流道平衡分析模塊進行變流道截面的迭代分析，可以獲得較為理想的流動平衡性效果，使得在模具設計階段就能從流動平衡性方面充分把握成型品質的基本狀況。

[1]孫玲等.塑料成型工藝與模具設計[M].北京：清華大學出版社，2008：140-141.

[2]金楊福，錢欣.MoldflowInsight 2010注射成型分析基礎[M].北京：化學工業出版社，2010：20-22.

[3]單巖等.2008.Moldflow模具分析技術基礎與應用實例[M].北京：清華大學出版社，2012：345-347.

[4]周大路.基于Moldflow的注塑模流道平衡分析[J].塑料工業，2011，39 （8）：52-54.Zhou Dalu.Injection Moldrunner Balancing Based on Moldflow Analysis[J].China Plasticindustry，2011，39（8）：52-54.