基于CAD和CAE技術的LED燈燈罩注塑模具設計*

薛子闖

(鶴壁職業技術學院，河南 鶴壁 458030)

0 引 言

隨著中國由制造大國向制造強國的邁進，帶來了模具產業的技術創新和進步，利用三維軟件進行數字化注塑模具設計和模流分析軟件進行塑料的流動分析技術在實際生產中應用越來越廣泛[1]。筆者應用國內外比較廣泛的UG和moldflow軟件對LED燈罩進行注塑模具優化設計，通過驗證設計方案，表明moldflow和UG軟件在注塑模具設計中的應用提高了生產效率，降低了生產成本，對實際生產具有重要參考價值。

1 燈罩結構工藝分析及設計方案確定

燈罩的材料為聚碳酸酯(PC)是一種性能優良的熱塑性工程塑料，密度為1.2 g/cm3，該材料具有良好的韌性和剛性，成型收縮為0.5%～0.8%，抗沖擊性極好，能在很寬的溫度變化范圍內保持其尺寸穩定性，具有良好的抗蠕變，耐熱、耐磨、耐寒性和良好的耐候性[2]。燈罩外形整體為圓柱形如圖1所示。

圖1 燈罩產品圖(單位：mm)

燈罩對稱兩側有2個側孔需要側向型芯來成型，1 mm深的內扣不能強制脫模需要成型頂桿來成型，客戶指定了進膠點的位置，結合燈罩的結構和要求，擬定該注塑模具為有側向抽芯結構的三板模。

根據燈罩的結構和要求決定采用三板模具結構，進膠口為指定點，側孔采用斜導柱與滑塊組合形式的側向抽芯機構來實現側孔的成型與抽芯，內扣部位采用斜頂結構實現成型與抽芯，頂出機構采用絲筒頂出，冷卻水路為兩層水路分別對型腔和型芯進行冷卻，模具采用一模兩腔設計。

2 模具結構初步設計

2.1 澆注系統設計

注射模具的澆注系統是指模具中從注射模具主流道始端到澆口末端即型腔入口的塑料熔體流動的通道，其作用是讓高溫熔體在高壓下高速進入模具型腔，實現型腔填充和塑料成型[3]。該注射模具采用指定點澆口進膠，澆口的位置選擇燈罩的上表面中心位置，其結構如圖2所示。

圖2 澆注系統

2.2 溫控系統設計

模具的溫控系統作用是將模具中的熱量源源不斷的傳遞出去，或者將模具加熱到模具正常的注射溫度，將模具溫度控制在合理的范圍內，溫控系統的是否合理，將對模具的生產效率起關鍵作用。該注射模具的溫控系統初步按三種方案設計冷卻水路布置，分別對模具的型芯和腔進行冷卻，選取冷卻效果最好的方案為最終方案，水路的直徑均為8 mm，其主要零部件有水嘴、水路、密封圈和水堵組成。

2.3 模具結構分析與優化

為了提高該注塑模具的結構合理性，縮短模具的開發周期，減少模具制造成本，利用注塑模具行業應用比較廣泛的mlodflow軟件對該三種水路布置方案進行塑料熔體流動分析，通過產品的網格化處理，建立相應的澆注系統，溫控系統和設置工藝參數(熔體溫度190 ℃，成型周期30 s，注射壓力150 MPa)得到三種水路布置方案的分析結果如圖3～5所示。

方案一：平行排列水路見圖3。

圖3 方案一分析結果

分析結果表明：該方案的冷卻水路進出口溫差為0.89 ℃，回路熱去除效率0.4，產品達到頂出溫度所需時間為5.997 s，產品的所有變形比例因子最大為0.669 8 mm。

方案二：整體環形水路見圖4。

圖4 方案二分析結果

分析結果表明：該方案的冷卻水路進出口溫差為1.21 ℃，回路熱去除效率0.8，產品達到頂出溫度所需時間為6.147 s，產品所有的變形比例因子最大為0.381 6 mm。

方案三：獨立環形水路見圖5。

圖5 方案三分析結果

分析結果表明：該方案的冷卻水路進出口溫差為0.24 ℃，回路熱去除效率0.95，產品達到頂出溫度所需時間為5.240 s，產品所有的變形比例因子最大為0.141 5 mm。

表1為三種方案對比結果。綜合上述分析結果，方案三獨立環繞水路的冷卻效果較好，產品的變形量最小。另外在分析過程中還發現在產品上表面R3圓弧處有大量氣穴產生，為模具的排氣系統設計提供依據。

表1 三種方案對比結果

3 模具結構優化設計與工作原理

根據moldflow分析結果，為優化模具結構設計提供了重要依據，利用UG(Unigraphics NX)軟件完成該模具的澆注系統、頂出系統、溫控系統、排氣系統和輔助系統的3D設計如圖6所示。

圖6 模具3D圖

為加快模具的開發速度選用龍記標準模架其型號為TPFA3023-A60-B50-C100 ，并進一步完善模具各關鍵部件和其它輔助零件的設計，最終完成燈罩注塑模具結構設計如圖7所示。

圖7 燈罩模具結構圖1.定位圈 2.澆口套 3.緊盯螺釘A 4.拉料桿 5.限位螺釘A 6.鎖模器 7.起吊環 8.水嘴 9.彈簧 10.斜頂 11.圓柱銷 12.司筒 13.絲針 14.緊盯螺釘A 15.模具底板 16.頂針面板 17.頂針固定板 18.中托司 19.限位螺釘B 20.B板 21.型芯 22.型腔 23.A板 24.脫料板 25.面板 26.內六角螺釘A 27.導柱 28.導套A 29.導套B 30.導套C 31.內六角螺釘B 32.內六角螺釘C 33.復位桿 34.滑塊 36.彈簧 37.斜導柱 38.側型芯 39.內六角螺釘D 40.N內六角螺釘D 41.斜緊塊

模具的工作過程：開模時，A板23與脫料板24在Ι處打開，澆注系統點澆口的凝料被定模中拉料桿拉出與產品分離，模具完成第1次開模。動模繼續后移，凝料完全從型腔中拉出固定于定模拉料桿4上，當限位螺釘19的螺頭與A板23接觸受力時，脫料板24與面板25在Ⅱ處分離，澆注系統凝料被脫料板24從定模具拉料桿4上強制脫出，并從脫料板24和A板23之間掉落，模具完成第2次開模具。動模繼續向后運動，限位螺釘19迫使A板23在Ⅲ處與B板20分離，彈性鎖模器6從A板23中拔出，這時斜導柱37從滑塊34中抽出，迫使滑塊34帶動側型芯后移39從產品中抽出，模具完成第3次開模具。當司筒12頂出產品時，斜頂10向上和向后移動從產品內扣中抽出，產品此時完全脫扣被頂出，模具進入下一個工作周期。

4 模具零件制造與裝配試模

根據優化后的模具結構，完成模具零件的加工和裝配，最后安裝在注塑機上進行試模，得到產品如下圖8所示，經測量制件實際最大變形量為0.24 mm，符合塑件的質量要求。

圖8 燈罩實物圖

5 結 論

(1) 通過moldflow軟件分析三種水路布置方案得到獨立環繞的水路布置冷卻效果最好，表明模流分析軟件在注塑模具設計過程中能提供重要參考數據，提高模具結構合理性。

(2) 通過設計斜頂和斜導柱與滑塊抽芯結構解決了產品的內扣和側孔脫模問題。

(3) 經模具裝配調試，制品質量合格，表明moldflow軟件在注塑模具開發過程中能提高生產效率，減低生產成本。