排水系統沖水面板模流分析及模具設計

摘 要：本文闡述沖水面板塑料件的模具設計過程，對沖水面板產品結構進行了說明.重點通過CAE軟件模擬分析優化了最佳澆口位置、注塑工藝參數，同時對斜頂抽芯結構進行詳細的設計計算與合理布局。該模具利用比較合理的結構，降低加工制造成本，適合大批量生產，已在生產中得到了良好的應用。通過該設計過程介紹了沖水面板類零件注塑模具設計的基本知識。

關鍵詞：面板本體；模具設計；CAE；斜頂組件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.105

為了適應市場競爭對塑料模具的交期短、質量好、價格低的要求，模具制造業須以最短的周期、最低的成本、最優的質量設計制造出塑料模具來。本文通過沖水面板的形狀結構以及材料分析，設計出低成本、高質量、高效率的模具結構。

1 產品分析

產品為排水系統沖水面板，即圖1-1、圖1-2所示，產品材料是ABS，其收縮率0.4%～0.6%。產品有外觀要求，需電鍍，塑料電鍍件相比金屬件來說，重量更輕，也有極佳的金屬質感，還可以有效的美化塑料制品的外觀和裝飾。該產品為殼類零件，如下圖1-1所示，長度為445mm，寬度為150mm，壁厚為3mm。外表面光滑，內表面結構較為復雜，需要多組斜頂抽芯結構。

2 產品CAE分析

通過Moldfolw軟件對產品模流分析，對比出最佳澆口位置，優化注塑工藝參數，對于有熔接痕或是變形較大位置設計預留加熱棒或排氣等等。極大的節省模具成本、降低生產周期并提高生產效率。

（1）最佳澆口示意圖2-1。

根據上面模擬分析結果，并用Moldflow中的“快速填充”進行分析，判斷，篩選出最好的澆口位置。分析結果如下圖：

圖2-2充填時間2.0S，圖2-3充填時間2.5S，選擇方案一充填時間較短，對產品性能較好，可縮短成型周期。

（2）注射位置處的壓力示意圖。

圖2-4為產品在注射過程中的每個注塑位置壓力示意圖，保壓階段和填充階段過程中每個的時間點注射壓力可以從圖中讀取。該圖表明，在注射成型過程中，此產品的澆口位置處壓力正常。

（3）流動前沿溫度。此分析過程可以讓工程師清晰了解在注射過程中熔融狀態下的塑料原材最前沿的溫度，最前沿的溫度體現了該模具是否可以注塑生產，如果溫度波動范圍大，產品注塑過程問題會很多。從2-5圖中我們可以觀察出在面板的溫度分布，此圖的相鄰的最前沿溫度相差不到5度，所以體現了該注塑過程中，流動性好，也就體現了流道的設計的合理性。

（4）密度圖。從圖2-6中我們可以看出在注塑過程后，每個位置的密度基本差不多，就體現了此產品的保壓壓力合理且比較均勻，澆口位置合理、注塑工藝合理、流道設計合理、產品壁厚均勻，注塑填充效果好。

（5）收縮估算。

產品在注塑生產中，都會有一定收縮，尤其是在產品冷卻的時間段內，如果冷卻不合理，或者工藝安排不恰當就會導致產品收縮不均勻，產品會發生翹曲變形，而不同的塑料產品的收縮率都有所不同，所以由圖2-7可以看出在注射過程中，收縮比較均勻且收縮很小，驗證了我們的注射工藝，澆注系統的設計和模具的設計都是比較合理。

（6）水路設計。模具的水路也叫溫度調節系統，在注射成型生產中有著非常重要的地位，通過控制模具溫度，使注塑模具有良好的產品質量和較高的生產力[1]。本設計采用的是循環水冷卻水路。

此圖是分析在注塑過程中，零件的溫度示意圖，此圖的水路都是隨形水路，上下的水路各兩層，總4層水路，非常充分的進行對產品零件的冷卻。從圖2-10我們可以看出，此產品的溫度非常均勻，且溫度較低，所以驗證了水路的合理性和分布位置的設計合理。

由圖2-11圖可看出模具的溫度基本上相差不大，通過隨形水路分析有效的解決了注塑成型中最難控制的因素；冷卻和翹曲，同時也驗證了水路的設計合理性。在注射生產中，產品的溫度和模具的溫度都很均勻，塑料產品的質量都很高。

圖2-12變形示意圖是通過兩個方案進行對比結果分析，左圖是加了水路分析出的變形，而右圖是沒有加水路的變形。通過上圖的結果我們可以看出沒有加水路的變形問題很大，且分布不均勻，而左圖在變形過程中比較合理，分布較均勻。

3 成型零件的設計

3.1 分型面的選擇

依據產品形狀特點選用一模一腔的單型腔模具結構，主分型面選在產品的最大輪廓面。而該產品外表面的要求高且需要電鍍，又因為產品下的結構多較復雜，如果選取上表面為分型面就會導致產品難以推出，且很容易使產品留在前模上，不利于分模，所以優先考慮分型面在面板的下表面為分型面。

依據創建的分型面，拆除凸凹模零件如圖3-1、3-2所示。模具中最重要的兩個部分就是型芯和型腔，也叫凸模和凹模。這兩部分直接決定了生產出的產品質量的好壞。在本次設計中，型芯（凸模）設計了鑲件嵌入式，這樣有利于于產品的質量，也有利于在后面的維護和修改模具，定模仁（型腔）設計的尺寸為299.5*209.5*48單位都是mm，動模仁（型芯）的尺寸為299.5*209.5*56.633。由于產品要求高，外觀面還需要電鍍，所以這兩部分的模具鋼材料選擇進口S136（HRC48?-52?），S136具有優良的高拋光性，耐磨耐腐蝕[1]。

3.2 澆注系統的設計

澆注系統是由主流道、分流道、澆口和冷料穴4部分組成[2]。本設計的澆注系統如圖3-3所示。

（1）主流道設計。為便于流道凝料從主流道襯套中拔出，主流道設計成圓錐形，錐角=5°，內部粗糙度小于0.8。主流道長度應盡可能短，否則會使凝料增多，壓力損失加大，溶料冷卻時太多影響注塑成型。主流道形式有整體主流道、組合主流道、襯套主流道[2]。本次選用襯套式主流道，便于制造、更換和后期處理。

（2）分流道及澆口的設計。一般分流道剖面形態有圓形、U形、梯形、方形等[2]。在選擇截面形狀時，根據熱量散失、流通阻力、加工難以程度等。在此采用平衡式半圓形分流道，分流道剖面越小。熱損失越小，流動阻力越大。

（3）澆口是澆注系統的關鍵部分，通過分析產品結構，結合CAE模流分析結果，故選擇搭接澆口做為該模具的澆口。圖3-3

（4）冷料穴位于主流道下端，是讓先行的料存儲位置，防止冷料進入型腔[2]。分型時，在拉料桿的作用下，拉住凝料，使之留在動模一側，在用頂針頂出。同時在分流道上制作冷料穴，進一步減少冷料進入型腔的可能性。

4 推出抽芯機構的設計

產品脫模是注塑成型過程中最后一個環節，脫模質量好壞影響產品的質量。本設計采用頂針和斜頂共同作用頂出產品。在這里側重介紹關于斜頂的設計。

由于產品內有倒扣需要斜頂頂出，斜頂在注射模具中運通非常廣泛，很多產品都需要斜頂作為頂出方式，尤其是在產品結構中有倒扣的時候，基本都是運用斜頂。該產品需要內抽部件較多，內抽部件為組合式，其缺點是剛度和強度不好，但是對于抽芯部件可單獨進行熱處理等加工強化[3]。抽芯距離應在抽出產品外，加2～3mm安全距離，確保不干涉產品的脫模。

斜頂公式為：

tanα=脫模行程S/定出行程L

α為斜頂角度；

脫模行程S為產品的倒扣在開模時所需要頂出的最短距離；

頂出行程L為整個產品在頂出時所需要的最短距離。

如圖4-1所示：

一般斜頂的角度取5～8°最合適，先取6°計算：

tanα=脫模行程S/定出行程L

tan6°=6.726/L

L=6.953/tan6°

L=63.9962

所以斜頂行程最低需要預留64mm位置。

有上圖4-2可知頂出高度有70.5滿足斜頂頂出行程要求。斜頂膠位設計過程也得考慮斜頂的強度以及零件加工工藝。

5 排氣系統的設計

生產過程中，型腔內的氣體或者塑料在成型過程中產生的低分子揮發氣體如果不能被排除干凈，產品就會形成氣泡、凹陷、表面輪廓不清晰等缺陷，因此設計模具時必須考慮型腔的排氣問題[2]。在本設計中，頂桿排布的很均勻，數量也很多，并且設置了排氣槽，因此采用配合間隙排氣及排氣槽就可以完成排氣，使產品能順利生產出來。

6 整體模具設計

模具的型腔和型芯都做成整體式，其中型芯深腔筋條處可以設計嵌入式鑲拼，如若損壞，小鑲件后續修改及更換較便利，大大節省成本。設計20個內抽芯斜頂結構保證產品的卡扣可以順利脫模。添加澆注系統、冷卻系統和成型標準件以后整個模具的二維裝配設計如圖6-1所示。

7 結論

本文討論了沖水面板本體的形狀，分析了該產品的工藝結構，采用CAE技術，模擬確定最佳進澆口的數量和位置，模具首次試模所涉及的斜頂組件頂出順暢無卡澀，產品可機械手取出。產品外觀在模流分析優選澆口后無困氣包膠縮水等不良現象。且在模流分析顯示的熔接線處直接設計加熱棒去除產品外觀熔接痕。試模完成只對產品外形尺寸加膠，減少試模次數，縮短開模周期。設計效率和效果都有了相應的提高。

參考文獻：

[1]許紅斌，文琍.模具制造技術[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2]劉昌棋.塑料模具設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1999.

[3]洪慎章.精密注塑成型與模具設計的因素[J].模具技術，2005.

[4]尹紅靈.基于CAE技術的汽車前面板注塑成型工藝優化[J].模具技術，2015.

作者簡介：張遠懷（1976-），男，工程碩士，工程師，副總經理，主要研究方向：注射模具設計及制造、阻尼器設計及制造。