基于CADCAE的感煙探測器殼體注塑模具設計

王一鳴

（合肥工業大學機械工程學院，安徽 合肥 230009）

注塑成型技術是指在一定溫度下將黏流態的塑膠熔體在高速、高壓推動下注入模具型腔中，經過一定時間的保壓、定型和冷卻后，動模脫模后獲得塑件的加工方法。注塑成型作為一種高效成熟的成型方法，在制造業中占有十分重要的地位，而注塑模具約占模具總量的一半。在塑件的設計過程中，經常會出現一系列的問題。比如，大型制件是否會在注塑成型中產生“澆不足”的現象；塑件制品的壁厚設計是否合理，是否存在壁厚變化過大導致的“縮水”問題；澆口的位置是否正確合理等。在沒有使用模流分析軟件前，只能靠模具師傅的設計經驗判斷，通過不斷地調整模具試模來解決，這大大增加了模具制造的周期和成本。通過Autodesk Moldflow軟件進行模流分析，既可以解決充填問題，又能夠提高充填效率，同時，還可以縮短模具設計周期。現在以獨立式光電感煙火災探測報警器上殼體為例，介紹模流分析以及模具設計過程。

1 塑件工藝結構分析

塑件壁厚以及拔模分析：某款報警器上殼體結構如圖1所示，最大外形尺寸為φ100mm×25mm。

圖1 上殼體塑件結構示意圖

塑件結構特點分析：如之前圖1所示，A1～A7為7個方向不同的卡槽，由于卡槽的方向不一致，需要布置多個方向的斜頂內部抽芯機構如圖2所示。

通過對報警器上殼體結構特點分析，需要注意該塑件存在如下工藝問題：

（1）塑件作為放置在室內的產品，對正面外觀質量的要求較高，模具分型面與澆筑系統不能影響塑件外觀面；

（2）上殼體存在7處方向不同的卡槽，需要保證每個方向抽芯結構不會出現干涉現象，且A7卡槽若采用斜頂結構會與上殼體自身發生干涉如圖3所示，需要結構改進或考慮其他工藝方案。

圖2 卡槽處需設計抽芯機構

圖3 A7卡槽斜頂結構與塑件干涉

2 塑件材料與注塑機選擇

報警器上殼體產品選用材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，即為ABS，這三種成分的各自特性，使得ABS具有良好的綜合力學性能。其相對密度為1.05g/cm3，成型收縮率為0.4%～0.7%。ABS體積比容隨溫度的變化較為穩定，且具有耐高溫、耐磨、超強的易加工行和優異的尺寸穩定性等特點。結合實際條件，選擇注塑機型號為HTF160J/TJ-A，注射壓力為202MPa，鎖模力為1600kN。

3 分型面的選擇

分型面是指分開模具取出塑件和澆注系統凝料的可分離的接觸表面。根據上殼體的結構特點及外觀要求，結合實際模具設計經驗，上殼體分型面選在殼體底部平面處，該位置為塑件的最大輪廓，因此，確定采用圖4的分型面結構。

4 澆筑系統設計

澆筑系統是指塑料熔體從注塑機噴嘴噴射出后到達模具型腔之前，在模具內流經的通道，主要由主流道、分流道、澆口、料穴組成。由于該塑件的形狀與原材料（ABS）已經確定，澆口的位置和數量，決定著熔融材料在型腔中的流動形態與塑件的成型質量。在Moldflow對其短曲線、碎面、自由邊、自相交環線等進行修補與縫合后，進行網格劃分，網格類型雙層面網格，選擇ABS作為注塑材料，設置分析序列為“澆口位置”，通過高級澆口定位器分析算法，系統將自動分析出澆口位置結果，模流分析計算出的最佳澆口區域如圖5所示。

圖4 分型面

圖5 澆口匹配性分析

圖5可知，匹配性較好的區域出現在制件中部深色區域，根據ABS材料的注射成型實際經驗判斷，并且結合進澆方式、模具整體結構考慮，澆口可以設置在圖所示的1處位置，他們的澆口匹配性分別是0.95、0.87。1處為經過模流分析出的最佳澆口位置，但是，考慮到該塑件為某煙霧報警報警器上殼體，安裝于室內，除了對其外表面質量有較高要求外，進煙口四周不能出現任何遮擋，否則，會影響報警器報警精度。若澆口設置在位置1，則會在塑件表面出現凸起、溢料等缺陷，不僅影響該方位影響整體外觀，其凸起很可能影響到報警器方位實驗無法通過。最終選擇2處為進膠口，放置在旋合槽內，從而避免對外表面的影響，該位置澆口匹配性為0.87，能較好地滿足注塑成型。確定澆口位置后，對注射壓力、流動前沿溫度。氣穴和熔接痕進行分析，結果如圖6所示，仿真結果表明，塑件生產時不會出現明顯注塑缺陷。

圖6 模流分析

報警器上殼體成型材料為ABS，所以模具澆筑系統應以粗、短為原則，宜設置冷料穴，澆口宜取大。該模具采用一模兩腔結構，將流道設置在2個塑件中間，進行熔體填充時，充滿左右兩型腔的時間基本相同。設計完成的主流道，澆口、分流道與型腔如圖7所示。

圖7 澆注系統

5 滑塊結構設計

當制件上具有與開模方向不一致的內孔或側壁有凹凸特征時，塑件就不能直接由推桿等推出機構推出脫模，此時，一般均需設計斜頂或側抽芯機構，在塑件被推桿推出之前，先將斜頂或側向成型零件抽出，然后，再把塑件從模內推出，否則，內孔或側壁有凹凸特征無法實現脫模。上殼體具有A1～A7七處方向不同的卡槽，即側壁的凹凸特征，而A7卡槽若采用斜頂結構會出現于上殼體自身發生干涉現象，即本文開頭時提到的問題。通過塑件工藝結構分析，所以綜合上殼體結構特點，如圖8所示，該模具設計采用6處斜頂抽芯機構和1處側向抽芯機構組合方式完成7處卡槽的加工。6處斜頂機構實現A1-A6卡槽的注塑加工，1處側向抽芯機構實現A7卡槽的加工。“斜導柱側向抽芯”是常用的抽芯機構。該機構是由與開模方向成一定角度的斜導柱與滑塊組成。開模時，利用斜導柱等零件使側型芯產生側向運動，實現側向抽芯。這種機構結構簡單、制造方便、工作可靠，故被廣泛應用。

圖8 側向與斜頂抽芯機構

通過“斜導柱側向抽芯”機構，可以避免與上殼體自身結構在脫模時發生干涉。如圖9所示，內滑塊與上殼體可能存在干涉結構（紅色處）具有一定距離。由于側向抽芯結構實現成本較高，而且所占空間較大，故A4-A6處卡槽依然使用斜頂機構實現成型。

圖9 側向抽芯機構示意圖

6 結語

在分析上殼體塑件結構特點的基礎上，通過CAE模擬，確定了理論最佳澆口位置區域，結合實際要求完成澆口位置確定，并且實現了填充過程的仿真。使用UG完成一套雙板式注塑模具的設計，該模具采用一模兩腔的型腔布局，通過6處斜頂抽芯機構和1處側抽芯結構，實現7個不同方向卡槽成型。經過實際生產驗證，塑件質量良好，符合設計要求。