一種連接器異型絕緣體的注塑成型仿真設計

謝光榮

(上海雷迪埃電子有限公司，上海，200072)

1 引言

普通射頻同軸連接器，其殼體內孔和中心導體外表面都是圓柱形，介于殼體內孔和中心導體之間的絕緣體，結構上大多是圓筒型回轉體，材料多為耐高溫、電氣性能穩定的聚四氟乙烯PTFE，適宜于車削加工。但在很多特殊場合，比如彎式連接器的轉彎部分，為了使阻抗匹配更精準，會將轉彎處的絕緣體設計成異型。表面貼裝SMT連接器中心導體成90度彎角焊在電路板上時，為防止中心導體從連接器軸線方向轉彎后與殼體距離太近引起阻抗變化、絕緣耐壓性能降低，也必須將中心導體彎曲處的絕緣體設計成異型結構，填充于殼體焊接面的凹槽與中心導體之間，支撐殼體與中心導體，讓兩者保持合適距離。在其他特殊情況下，也需要設計出異型的絕緣體。非回轉體的異型絕緣體，不能用車床加工，用銑削加工效率非常低，產能小，成本高。而解決這個問題的方法是把材料換成易于注塑的工程塑料材料，比如低端廉價的聚乙烯PE，能經受SMT或者波峰焊高溫的尼龍PA66，液晶聚合物LCP［1］等材料，將絕緣體結構設計成適于注塑的結構。本文介紹了一種采用注塑的工藝生產的異型絕緣體的塑料注塑成型仿真設計，文中的異型結構是指這種不適于車削加工的非回轉體結構。

2 異型絕緣體的設計

異型絕緣體的設計，除了像常規的絕緣體設計那樣需對阻抗匹配進行計算仿真以及滿足機械保持力等設計要求外，主要考慮所設計的絕緣體在注塑生產時易于分型脫模，模具上不要或者少用抽芯機構，盡量減少絕緣體的壁厚差別，絕緣體不同部位注塑生產時冷卻速度一致，收縮均勻，零件翹曲、扭曲等質量問題少，縮水、缺料和空泡少，內部組織致密，生產工藝性好。

圖1 常見的異型絕緣體

3 一種異型絕緣體的注塑成型仿真設計

3.1 仿真軟件介紹［2］

歐特克公司是一家專業從事塑料件產品計算機輔助工程分析(CAE)軟件Moldflow開發的公司。該公司的Moldflow仿真軟件為優化產品和模具設計的整個過程提供了一個整體解決方案。Moldflow軟硬件技術為產品設計、模具設計、注塑生產等整個過程提供了非常有價值的信息和建議。Moldflow系列產品包括MPA和MPI。MPA為Moldflow Plastic Advisers(塑料件顧問系列)，適用于設計前期快速試模分析。MPI為Moldflow Plastic Insight(高級成型分析)，適用于設計后期的產品、模具及工藝參數的詳細設計。

MPA使產品設計工程師在產品初始設計階段就注意到產品的工藝性，并指出容易發生的問題，適用于產品設計工程師在塑料件設計的前期使用。MPA能準確的預測熔接線和困氣的位置，以及在模穴中壓力和溫度的分布，在產品的概念設計階段就可以進行分析，并且對潛在的設計問題提供有實踐意義的建議。產品設計工程師可以據此對產品壁厚、澆口位置和其它的問題迅速做出反應，從而使產品更利于制造。

MPI是產品設計工程師和工藝工程師決定產品幾何造型及注塑成形條件最佳化的高階模流分析軟件。從材料的選擇、模具的設計到成形條件參數設定，以確保在注塑成型過程中塑料在模具內的充填行為模式，以獲得高質量產品。MPI能分析模擬塑料流動形態、產品體積收縮、冷卻時間、纖維配向性、產品翹曲等等，并且加強了對塑料材料的選擇使用功能。此外，MPI還能分析模擬氣體輔助射出及熱固性成型。工程前期通過MPI模擬分析可以縮短產品生產的周期，通過電腦模擬分析能發現確認和解決潛在問題，并幫助模具設計人員預測經常碰到的問題并加以設計修正，還可以改變模具材料材質以節省材料費用及設定復雜的注塑成形條件，以達到降低成本的目的。

3.2 異型絕緣體的注塑成型仿真

我公司根據客戶的需求設計了一款表面貼裝用直式SMP－MAX插針連接器。一般的直式中心導體端面在表面貼裝焊接于電路板的時候，由于端面面積小，焊接不牢固。本設計為了解決這個問題，將中心導體設計成90度彎式結構，中心導體側焊于電路板上。為了控制中心導體彎曲部分與殼體焊接面的凹槽之間的精確位置，將絕緣體設計成帶凸耳的異型結構，凸耳填充于殼體與中心導體之間。

3.2.1 產品基本信息

絕緣體材料 LCP，牌號 E130i［1］，絕緣體平均材料厚度:1.1MM;模具模穴數4，模具流道類型:冷流道，模具滑塊:無，模具斜頂:無，模具結構:兩板模;注塑機器型號:Sumitomo 50T。

3.2.2 產品三維模型網格劃分

圖2 產品三維模型網格圖

3.2.3 分模線及飛邊

圖3 產品分模線及飛邊示意圖

仿真結果分模線處上下模具之間的最大錯位斷差為0.05mm，在圖紙公差范圍以內，可以接受。

3.2.4 仿真最佳澆口位置，為實際澆口的設置提供參考依據。

圖4 產品不同部位設置澆口位置好壞示意圖

最佳澆口位置仿真用來為設計分析過程找到一個初步的最佳的澆口位置。分析主要基于以下一些因素:流動的平衡性;型腔內的流動阻力;產品的形狀和壁厚;注塑成型中澆口位置的可行性等。

3.2.5 結合最佳澆口位置仿真，并考慮模具的結構選擇實際澆口位置

圖5 實際選定澆口設置圖

仿真結果，澆口痕跡將高出產品表面約0.1mm。由于澆口殘留物較小，澆口處無需設計凹槽來隱藏澆口殘留物。

3.2.6 拔模斜度設定

圖6 拔模斜度設置圖

產品整體高度都比較小，拔模斜度可以設定得較大。高度相對較高的面，拔模斜度設定為5°;高度相對很小的面，拔模斜度設定為10°。

3.2.7 頂針設置

圖7 頂針設置圖

所有頂針直徑0.5MM，將凹進產品0.03MM，對產品的使用無影響。

3.2.8 模穴號布置

圖8 模穴號位置圖

模穴號為1～4，為了簡化模具加工，模具型腔通過刻印形成凹模，注塑生產出的產品，刻字將如圖所示凸出產品0.05mm，圖中數字處為模穴號在產品上位置，對產品使用基本無影響。

3.2.9 模流分析

3.2.9.1 填充時間分析

充填分析為動態結果，它可以顯示從進料開始到充模完成整個注塑過程中，任一時刻流動前鋒的位置。充填時間是0.0504s，效果好。

圖9 模流分析充填時間圖

3.2.9.2 充填壓力

圖10 模流分析充填壓力圖

充填壓力分析顯示了填充結束時的型腔內及流道內的壓力分布，由于壓力會影響到產品的體積收縮，因此要求壓力分布要盡可能的均勻，從本顯示結果圖上看顏色變化均勻，等值線分布均勻，壓力分布均勻。

3.2.9.3 速度/壓力切換時的壓力

圖11 模流分析速度/壓力切換時的壓力圖

V/P(速度/壓力)轉換點壓力是指注塑過程由速度控制向壓力控制轉換時模具型腔內熔體的壓力，轉換點的控制對注塑過程有很大的影響。本例V/P轉換點的設置采用系統自動計算的方式，MPI系統通過計算得到填充比例為97.37%時發生V/P轉換，澆口位置的壓力在通過轉換點后在1.478Mpa時降為保壓壓力。在壓力控制下熔體繼續充滿整個型腔。

3.2.9.4 注塑溫度

圖12 模流分析溫度分布圖

該分析結果是沿產品壁厚方向上以熔體流速為權值的平均溫度，它表示產品上某一位置的能量傳遞值。通過溫度分布的顯示結果，可以發現產品在注塑過程中溫度較高的區域，如果最高平均溫度接近或超過材料的降解溫度，或者是出現局部過熱，都需要重新設計澆注、冷卻系統，或者是改變工藝參數。本結果最高平均溫度小于材料的降解溫度，無局部過熱現象。

3.2.9.5 模具壁上的剪切力

圖13 模流分析模具壁上的剪切力分布圖

3.2.9.6 材料最后相匯合處的熔接線/熔接痕

圖14 模流分析匯合角分布圖

注塑時，材料熔體匯合時形成的接縫分熔合線(meld line)和熔接痕(weld line)，熔合線的性能明顯優于熔接痕。一般而言，匯合角大于135°時形成熔合線，小于135°時形成熔接痕。匯合角對熔接縫的性能有重要影響，因為它影響了熔接后分子鏈熔合、纏結、擴散的充分程度，匯合角越大，熔接縫性能越好。圖中內孔處匯合角均小于135°，形成熔接痕，但絕緣體此處受力不大，對熔接痕強度要求不高，可以接受。

3.2.9.7 產品注塑后殘留的氣穴

圖15 模流分析殘留的氣穴分布圖

分析結果顯示，產品部分位置有殘留氣穴，模具設計時必須在模具中相應位置增加排氣，解決這些產品氣穴缺陷。

3.2.9.8 產品注塑成型后的體積收縮

圖16 模流分析體積收縮分布圖

針對體積收縮進行產品對應部位的三維模型尺寸的放大，以抵消注塑時體積收縮引起的尺寸縮小。

以上模流分析結果顯示，本產品的設計和注塑工藝參數的設定，產品注塑工藝性符合預期要求。

3.2.9.9 產品注塑成型后的翹曲變形

模流分析顯示所有方向的最大變形量是0.014mm，X方向最大變形量是0.0082mm，Y方向最大變形量是0.013mm，Z方向最大變形量是0.023mm。對圖紙中公差要求嚴格的尺寸進行分析對比，以上最大變形量滿足圖紙中相關尺寸公差的要求。

圖17 模流分析不同方向的翹曲變形圖

4 樣品試生產

絕緣體注塑成型仿真結果符合要求后，我們就開始投資注塑模具，進行樣品的試生產。生產的樣品各尺寸符合圖紙要求，翹曲、扭曲、縮水、飛邊等常見的注塑缺陷符合公司質量標準的規定。絕緣體已經具備大批量生產的條件。

圖18 試生產的樣品圖

5 總結

通過設計前期的絕緣體注塑成型仿真，使連接器設計工程師能夠設計出既符合連接器性能要求，注塑工藝性能又優良的絕緣體結構，模具工程師可以選擇最佳的模具類型、結構和材料，注塑工藝工程師可以快速設定最佳的注塑成形工藝參數。通過仿真設計，提高了一次試模的成功率，而且可以使絕緣體設計、模具設計和模具制造在質量、性能、成本上都有很大程度上的提升，以最快速、最經濟、高質量的方式將連接器產品推向市場。

［1］ 寶理塑料株式會社材料樣本［Z］.Vectra LCP catalogue CHS.

［2］ 歐特克公司的Moldflow仿真軟件介紹［DB/OL］.