卡槽塑料產品注塑模具的設計

□ 趙 猛

沈陽職業技術學院 中德學院 沈陽 110045

1 設計背景

當前,塑料已進入人們生產和生活的各個領域。塑料成為替代部分鋼鐵、木材、皮革等不可或缺的化學材料[1]。注塑模具作為塑料制品的制造主體,集成了各種現代工業產品制造技術,是國民經濟發展的重要加速器[2]。

筆者針對卡槽塑料產品的結構特點,以主流的模具計算機輔助工程分析軟件Moldflow為載體[3-4],對卡槽塑料產品注塑成型過程中的填充、保壓、冷卻、翹曲等工藝進行分析。通過分析來預測卡槽塑料產品在成型過程中可能出現的缺陷,并對卡槽塑料產品注塑模具的澆注系統和冷卻系統進行優化設計。最終利用三維建模軟件Unigraphics完成卡槽塑料產品注塑模具的設計。

2 卡槽塑料產品分析

作為放置電子器件的載體,卡槽塑料產品的材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,特點為成型收縮率小、表面粗糙度值小、電性能和機械性能優良等。采用Unigraphics軟件對卡槽塑料產品建模,卡槽塑料產品如圖1所示。未設置收縮時,卡槽塑料產品外形尺寸為115 mm×36 mm×30 mm,平均厚度為0.8 mm,最大壁厚為2.5 mm。卡槽塑料產品對翹曲質量要求高,色澤要求均勻,不允許存在任何飛邊、毛刺、縮水等問題。

3 前處理與網格劃分

由于卡槽塑料產品結構復雜,多加強筋,小臺階、小圓角分布廣泛,對模型質量產生不利影響,因此在進行成型仿真分析之前,需要對卡槽塑料產品模型進行前處理[5-6]。

將卡槽塑料產品模型以.x_t格式導入Caddoctor軟件進行簡化處理,將半徑1.5 mm以內的圓角、直徑1 mm以內的孔、高度0.5 mm以下的凸臺等特征刪去。簡化后的模型以.sdy格式導入Moldflow軟件,進行網格劃分。由于卡槽塑料產品壁厚不均,并且不屬于薄壁件,因此綜合分析之后,決定采用雙層面三角形網格,網格邊長取制件壁厚的1～2倍[7],筆者取1 mm。劃分網格,對網格質量進行修復,最終得到網格單元數為30 412,匹配百分比為96%,相互百分比為97.6%,平均縱橫比為1.69,最大縱橫比為5.96,滿足分析要求。卡槽塑料產品網格劃分模型如圖2所示。

▲圖1 卡槽塑料產品

▲圖2 卡槽塑料產品網格劃分模型

4 澆注系統與冷卻系統設計

注塑模具采用一模兩腔設計,側向澆口進澆,進澆位置為接近最佳澆口位置。主流道采用錐形,長度為60 mm,澆口直徑為3 mm,錐度為2°。分流道為圓柱形,長度為15 mm,直徑為5 mm。澆注系統如圖3所示,設計完畢后檢查連通性。

注塑模具冷卻系統決定了卡槽塑料產品的質量及生產效率,如圖4所示。注塑模具采用水管冷卻,上下布置,水管直徑為10 mm,水管與零件間距離為20 mm,管道數量為四個。零件管道間距為45 mm,兩中心管道間距為30 mm。

5 填充與保壓分析

填充分析結果如圖5所示。熔體從注塑機噴嘴進入注塑模具主流道到充滿整個型腔,用時為0.787 9 s。速度壓力切換時,模具型腔內壓力為62.12 MPa,是整個注塑成型周期中的最高壓力,此時卡槽塑料產品遠端灰色區域為未填充區域,整套模具進入保壓階段,補充缺料。填充過程中熔體截面中心的最大溫差為10.7 K,符合溫差要求。任何卡槽塑料產品不可避免地會在兩股熔體流動的前沿匯集處產生熔接痕,本卡槽塑料產品熔接痕主要產生在產品邊緣處。

▲圖3 澆注系統

▲圖4 冷卻系統

▲圖5 填充分析結果

6 冷卻分析

卡槽塑料產品整體結構規整,采用注塑模具設計中較為常見的直通水路冷卻方案。冷卻分析結果如圖6所示,冷卻液溫度出入口溫差為0.73 K,回路管壁溫差為3.86 K,回路雷諾數為1 000,冷卻效果較好。

▲圖6 冷卻分析結果

7 注塑模具設計

Unighraphics軟件在補破孔、抽取面、拆分體、創建分型面等領域具有強大功能,深受模具設計工程師的青睞,是目前國內外模具設計行業中的主流三維軟件之一[8-10]。

注塑模具三維設計如圖7所示?？ú鬯芰袭a品存在較深骨位及較高凸起,為延長模具使用壽命,節約模具材料,利于排氣,模仁部分使用鑲件拼裝,型腔和型芯分別整體嵌入模具內。模仁四周采用虎口精定位,頂出機構由推桿推出。推桿四周布置,保證頂出力平衡,防止卡槽塑料產品損壞。

▲圖7 注塑模具三維設計

▲圖8 注塑模具裝配

8 注塑模具工作原理

注塑模具裝配如圖8所示。注塑模具工作時,動模部分與定模部分通過導向機構的導柱和導套合模,使型芯和型腔緊密結合,構成產品的整體型腔。將料筒中經過塑化的熔體通過注塑機以一定的壓力和速度,經噴嘴借助澆注系統向整體型腔注塑成型。由冷卻系統使填充到型腔的熔體冷卻,成為固態的塑件制品。注塑模具開模,由推桿將塑件從動模型腔上推出模外,同時拉料桿將凝料從分流道中推出。經過下一個循環周期,注塑模具重新合模時,在復位機構的作用下,頂出機構恢復到合模的初始位置,重復整個成型過程。

9 結束語

卡槽塑料產品對翹曲質量要求高,不允許有任何飛邊、毛刺、縮水等質量問題。注塑模具設計時,選擇矩形側向澆口進澆,一模兩腔對稱設計,冷卻水路為直通水路,四周環繞布置。

運用Moldflow軟件對卡槽塑料產品的注塑成型過程進行仿真分析,得到合理的填充時間、速度壓力切換時壓力、流動前沿溫度、回路冷卻溫度、翹曲變形量等參數,可以提前檢驗熔體的充填與流動是否會導致卡槽塑料產品產生成型缺陷,有利于設計人員判斷澆注系統與冷卻系統結構設計的正確性,進而保證注塑成型的質量。

針對卡槽塑料產品的結構特點,應用Unighraphics軟件設計了注塑模具,對于難以加工的較深骨位的部分設計了鑲件,采用直徑不同的推桿四周布置,保證頂出力平衡,防止卡槽塑料產品損壞。