淺談排插內(nèi)托注塑成型工藝優(yōu)化及模具設(shè)計(jì)

張韜，原梓皓，林鑫，施佳聰，林權(quán)

（武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

傳統(tǒng)的注塑模具設(shè)計(jì)方式是通過試模來判斷模具設(shè)計(jì)是否合理，而在這過程中，很難發(fā)現(xiàn)熔接線、體積收縮、翹曲變形、空穴等注塑成型缺陷問題，設(shè)計(jì)過程中完全憑借著自身經(jīng)驗(yàn)實(shí)施，時常造成修模返工，嚴(yán)重影響模具研發(fā)效率。在此利用CAD/CAE 技術(shù)，以排插內(nèi)托注塑件為例，在模具設(shè)計(jì)前期，對成型過程展開熔體充填數(shù)值模擬研究，應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行成型工藝參數(shù)優(yōu)化，獲取合理的工藝參數(shù)組合方式，分析了熔接線、翹曲變形、收縮率等成型質(zhì)量狀態(tài)，模擬驗(yàn)證了成型系統(tǒng)的合理性，并為后續(xù)注塑模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，從而提高了模具設(shè)計(jì)效率。

1 塑件工藝性分析

排插內(nèi)托零件的三維模型如圖1 所示，塑件脫模斜度設(shè)計(jì)為1°，公差等級取MT4，表面質(zhì)量取Ra12.5，注塑原料為聚碳酸酯（PC），由于PC 的阻燃性能好，廣泛應(yīng)用于電子電氣家用產(chǎn)品，選取SABIC Innovative Plastics China Co.Ltd 制造商，牌號為THERMOCOMP D452 的阻燃級PC 作為生產(chǎn)對象，表1 為THERMOCOMP D452 的物性表。

圖1 排插內(nèi)托零件三維模型

2 創(chuàng)建模流分析系統(tǒng)

為了減小充填壓力損失，以及提高生產(chǎn)效率，依據(jù)排插內(nèi)托零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用一模四腔H 型型腔布局，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：主流道錐角為3°，長度為81mm，起始處直徑為3mm，分流道采用圓形截面，直徑為6mm，一次分流道長度為60mm，二次分流道長度為10mm，澆口采用標(biāo)準(zhǔn)側(cè)澆口，澆口長度為1.5mm，寬度為2mm，深度為0.7mm。由于塑件型腔是對稱分布，為了保證主流道兩側(cè)冷卻均勻和減少塑件內(nèi)外表面溫差，在動定模板上分別開設(shè)冷卻水路，此外為了降低冷卻水孔的加工難易程度，采用直流循環(huán)式水路設(shè)計(jì)模式，水道孔數(shù)為8 個，相鄰兩水道孔中心距位30mm，水孔中心距離塑件分型面為40mm，最后模流分析系統(tǒng)如圖2 所示。

表1 THERMOCOMP D452 的物性表

圖2 模流分析系統(tǒng)

3 基于正交試驗(yàn)的成型工藝優(yōu)化

正交試驗(yàn)法常應(yīng)用于注塑成型工藝參數(shù)優(yōu)化，在此選取正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，以熔體溫度、流動速率、注射壓力、保壓壓力為影響因子，探討它們對塑件的翹曲變形的影響，表2 為正交實(shí)驗(yàn)因子水平，表3 為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表。

由上表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到以上4 個因子對翹曲變形的影響程度，按照由大到小排序?yàn)楸毫Α⑷垠w溫度、注射壓力、流動速率，其中充填流動速率對翹曲變形沒有影響，并得到成型工藝參數(shù)最優(yōu)組合方案為熔體溫度305℃、注射壓力為100、保壓壓力為60，流動速率50，其他注塑工藝參數(shù)采用模流分析數(shù)據(jù)庫推薦值，從而進(jìn)行得到產(chǎn)品的最大翹曲變形量為0.0447mm，如圖3 所示。由圖3 可以看出，產(chǎn)品各型腔翹曲變形量均勻，最大翹曲變形發(fā)生產(chǎn)品框架上，變形量從0.0348～0.0447mm，符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。圖4 為熔接線疊加熔體前沿溫度分布云圖，圖中顯示流動波前溫度最大溫差為0.8℃，波前溫降很小，熔接線都屬于熱融合，對產(chǎn)品質(zhì)量沒有影響。圖5 為產(chǎn)品填充時間分布云圖，由圖5 可知充填時間的等值線的分布比較均勻，顏色過渡也比較均勻，說明熔體流動速度均勻且達(dá)到四個產(chǎn)品各個型腔的相同位置的時間一致性好，填充過程平衡，經(jīng)過0.6623s 塑件填充完成。圖6 頂出時的體積收縮率分布云圖，圖中顯示頂出時的最大體積收縮率為5.134%，其中大部分區(qū)域的體積收縮率為2%～3.5%，并且分布比較均勻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜區(qū)域的體積收縮率變化過渡緩和，滿足體積收縮率要求。另外，其他模流分析結(jié)果也符合要求。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因子水平表

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖3 產(chǎn)品翹曲變形結(jié)果

圖4 熔接線分布及流動波前溫度

圖5 填充時間分布

圖6 頂出時的體積收縮率分布

4 模具成型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了方便加工，節(jié)省價格昂貴型芯型腔材料，便于成型件熱處理以及減少裝配、調(diào)整工序，常采用整體鑲嵌式成型結(jié)構(gòu)，依據(jù)排插內(nèi)托塑件特征及型腔布局，在此動定模主體結(jié)構(gòu)選取整體鑲嵌式，如圖7 所示。圖7（a）為型腔鑲件結(jié)構(gòu)，圖7（b）為型芯鑲件結(jié)構(gòu)，型腔鑲件加工相對容易，可直接依靠塑件外輪廓加工凹槽；型芯鑲件需要成型排插內(nèi)托內(nèi)孔，采用組合成型結(jié)構(gòu)模式，內(nèi)部的4 個異形通孔的采用整體式，直接在型芯鑲件板上加工，而排插內(nèi)托上其余圓形小孔，由于加工型芯較難且容易損壞，在此另外設(shè)計(jì)型芯桿成型。

5 模具主剖圖及工作原理

圖7 成型鑲件結(jié)構(gòu)

最后基于模流分析結(jié)果，進(jìn)行注塑模具結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)，模具主剖圖如圖8 所示。首先確定模架規(guī)格，在此選擇龍記的大水口、CI 型的2525 規(guī)格的模架，并確定A 板厚度選擇為60mm，B 板厚度選擇70mm，C 板厚度取為80mm，型芯型腔采用采用局部鑲嵌式，推出機(jī)構(gòu)包括推出、導(dǎo)向、復(fù)位三個部分，考慮到塑件為框架薄壁件，在排插內(nèi)托圓形小孔上設(shè)置推管，推管推出時與塑件的接觸位置為塑件圓孔外環(huán)，該部位與塑件主體結(jié)合部分比較大，塑料填充量最多，不易發(fā)生頂出變形或破裂現(xiàn)象，而流道系統(tǒng)直接采用簡單的標(biāo)準(zhǔn)推桿推出。

圖8 模具結(jié)構(gòu)圖

圖8 中動模部分在上下移動過程中，導(dǎo)柱9 與導(dǎo)套10接觸，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向作用。模具閉合時，注塑機(jī)的噴嘴通過與澆口套6 接觸，將粘流態(tài)的塑料由澆口套6 射入由型腔鑲件5、型芯鑲件4 等所構(gòu)成的封閉型腔內(nèi)，經(jīng)過保壓冷卻后，塑件完成成型，繼而模具動模部分向下移動，分型面打開。由于主流道呈錐狀，在拉料桿15 的拉扯作用下，使流道系統(tǒng)與定模部分分離，并跟隨動模繼續(xù)向下移動，由于產(chǎn)品對型芯產(chǎn)生了包緊力，因此也留在了動模側(cè)。動模部分向下運(yùn)動到達(dá)一定距離后，停止移動，注塑機(jī)頂桿穿過動模座板11 中心的頂桿孔，并作用在推板13 上，經(jīng)過推管17、推桿20 和拉料桿15 的作用，將產(chǎn)品與流道系統(tǒng)的凝料一同頂出動模。合模時，動模部分向上移動，并在導(dǎo)柱9 和導(dǎo)套10 的作用下，動定模進(jìn)行精準(zhǔn)定位合模，此時復(fù)位桿12 與定模板2 接觸時，導(dǎo)致推出機(jī)構(gòu)能繼續(xù)向上移動，而動模部分仍在繼續(xù)上移中，從而使得推板13、推桿固定板14、推管17、推桿20 進(jìn)行了復(fù)位，合模過程直到型腔板與型芯板接觸才完成合模。

6 結(jié)語

依據(jù)排插內(nèi)托的塑件結(jié)構(gòu)工藝要求，利用Moldflow 模流分析結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)法，以最大翹曲變形量為指標(biāo)，獲取最優(yōu)工藝參數(shù)組合方案為熔體溫度305℃、注射壓力100、保壓力60，流動速率50，得到成型最優(yōu)翹曲變形量為0.0447mm，驗(yàn)證了流道系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。基于模流分析結(jié)果，采用整體鑲嵌式型芯型腔結(jié)構(gòu)，選取推桿推管組合推出方式進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)踐檢驗(yàn)證明，模具結(jié)構(gòu)合理可靠。

再次說明，利用CAD/CAE 技術(shù)進(jìn)行模流分析，可提前預(yù)判缺陷的出現(xiàn)，減少了傳統(tǒng)注塑模具制造過程中因試模和修模而帶來的損失，節(jié)省了研發(fā)成本，同時，也為注塑模具設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。