電視USB 支架的模流分析及模具設計

李 波，林榮川，王云超，胡志超

（集美大學機械與能源工程學院，福建 廈門 361021）

1 引言

塑料模具用于成形塑料產品的模具。目前，塑料產品已經進入了所有工業部門以及人們日常生活的各個領域，隨著工業塑料產品和日用塑料產品的種類和需求日益增加，塑料產品更新換代的周期越來越短，這就要求塑料模具的開發，設計制造水平越來越高。因此，在現代模具工業快速發展中，縮短模具的開發周期至關重要。模具設計成為模具工業中很重要的一個環節。傳統的模具設計方法主要是靠工人的經驗設計模具結構與模具參數的選取，往往需要經過反復的試模和修改模具參數，導致模具設計的周期變長和增加模具投資風險。已無法響應產品的快速更新和適應當今現代化生產技術的要求。因此，利用CAE 分析軟件Moldflow 進行模具開發是非常必要的，利用分析的結果使用三維軟件對模具的結構進行設計。這樣可以縮短模具設計周期，提高塑料產品的質量，對塑料模技術的發展具有重要意義[1-5]。

以電視USB 支架為例，先對塑件的結構與成形工藝分析，然后利用moldflow 軟件進行塑件的模流分析，主要從充填時間，流動前沿溫度和翹曲變形三個方面分析，確定合理的澆口數量與位置，最后使用UG 軟件開發該塑件的模具結構。縮短模具開發周期和確保塑件的質量，為類似的塑件的模具開發提供了一定的理論指導。

2 電視USB 支架成形工藝分析

電視USB 支架屬于家電用品的注塑件，顏色為黑色，平均壁厚為1mm，屬于薄壁零件。制品的三維圖，如圖1 所示。該制品的截面為L 型的長條狀零件，長度為180mm，在制品底部帶有多孔，加強筋和多個狹長凸臺，凸臺長度為10mm 左右。在制件的兩端和狹長凸臺的末端可能存在充填不滿的現象。在這些狹長凸臺中，有兩處帶有卡扣，如圖1 中的A 處，一處帶有側孔，如圖1 中的B 處，需要設置抽芯機構進行成形。

圖1 塑件三維圖Fig.1 3d Drawing of Plastic Part

3 模流分析及澆注系統設計

3.1 塑件前處理

將三維模型導入Moldflow 中，指定網格類型為雙層面，設置全局網絡邊長為3mm，合并公差為0.1mm。通過合并節點、交換邊、移動節點、插入節點等進行網格修復，以保證模流分析的可行性及分析結果的可靠性，并完成網格劃分。通過網格統計得到三角形單元數為26164，最大縱橫比為5.9，最小縱橫比為1.16，平均縱橫比為1.81，連通區域為1，沒有配向不正確和相交單元，網格匹配率高達94.4%，網格縱橫比、連通性、匹配率等各項信息全都符合要求，因此該塑件滿足模流分析條件。

3.2 材料特性

根據電視USB 支架的技術要求，模擬分析選擇ABS+PC 材料，結合了ABS 材料的成型性和PC 的機械性和沖擊強度，可廣泛使用在汽車內部零件、通信器材、家電用品及照明設備上[5]。其成形收縮率為0.35%，固體密度為1.2g/cm3。其主要成型工藝參數[6]，如表1 所示。

表1 PC+ABS 推薦工藝參數Tab.1 Recommended Process Parameters of PC+ABS

3.3 澆注系統的設計

澆注系統的設計得合理與否，對塑件的性能、尺寸、表面精度及模具結構、塑料的利用率等都有較大的影響[5]。

針對電視USB 支架的結構特點以及產品的功能方面，從澆口的數量和位置的不同，確定了三種澆注系統方案，第一種方案和第二種方案澆注的位置都在工件豎立面的背面，采用潛伏式澆口，第一種方案采用一個潛伏式澆口，如圖2（a）所示，第二種方案采用三個側澆口，在工件的底部側面進行澆注，如圖2（b）所示，第三種方案采用三個潛伏式澆口，如圖2（c）所示。

圖2 澆注系統設計方案Fig.2 Design Scheme of Pouring System

3.4 短射分析

短射是指塑料熔體不能完全充滿型腔，導致出現廢品的現象[7]。電視USB 支架屬于長條狀，帶有多個狹長凸臺的塑料制件，在澆注時，在塑料制件的兩端以及狹長凸臺的末端很容易出現短射現象，短射現象跟澆口位置及數量有關，所以先對上述三種澆口設計方案進行分析是否存在短射現象是很有必要的。對上述三種方案設置相同的注塑工藝參數，用moldflow 軟件進行充填分析，發現第一種方案存在短射現象，該現象主要是存在狹長的凸臺末端，如圖3 所示。方案二和方案三充填情況良好。短射現象在注塑過程中是不允許出現的，故只能采用方案二或方案三。

圖3 短射分析Fig.3 Short Shoting Analysis

3.5 方案分析比較

方案二和方案三都采用三個澆口，只是注射位置不同。從充填時間，流動前沿溫度以及制件的翹曲變形量三個方面對方案二和方案三進行對比分析，從而確定最終的澆注系統方案。針對薄壁、長條狀和帶有狹長凸臺的塑料零件，在成形過程中主要是翹曲變形，其分析的序列為“冷卻+填充+保壓+翹曲”進行分析[4]。三種方案的冷卻水路的設計大致相同，如圖4 所示。

圖4 冷卻水路設計Fig.4 Cooling Waterway Design

3.5.1 充填時間分析

充填時間是指熔體充滿整個型腔所需要的時間，充填時間會影響塑件的成形周期和產品的質量[4]。方案二充填時間需要0.7310s 充滿型腔，如圖5（a）所示。方案三充填時間需要0.5652s，如圖5（b）所示。由于方案二中的熔體在型腔流動時，會出現爬升現象，增加熔體流動的阻力，所以方案二的充填時間大于方案三。故從充填時間來看，方案三優于方案二。

圖5 充填時間分析Fig.5 Filling Time Analysis

3.5.2 流動前沿溫度分析

在注塑過程中，熔體在模具型腔內的流動前沿溫度差不能太大，否則熔體的流動性會降低，容易出現滯留和短射。合理的溫度分布應該是均勻的，整個注塑過程中，流動前沿溫度差應控制在20℃以內[1]。方案二與方案三的溫度分布都較均勻。方案二的溫度差為49.2℃，如圖6（a）所示，方案三的溫度差為19.1℃，如圖6（b）所示。因此從流動前沿溫度差來看，方案三優于方案二。

圖6 流動前沿溫度分析Fig.6 Temperature at Flow Front Analysis

3.5.3 翹曲變形分析

從翹曲變形量來看，塑件在成形過程中由于冷卻不均，收縮不均和分子取向不均導致零件產生翹曲現象，在成形過程中，希望塑件的翹曲變形量越小越好[4，6]。兩種方案的翹曲變形量都集中在塑件的兩端和部分狹長凸臺的末端，因為從充填時間分析可以看出，這些區域是熔體最后到達的區域，所以該區域的變形量最大。

由圖7（a）和圖7（b）可以得到，方案二的整體變形量為1.064mm，方案三的整體變形量為0.5054mm，故方案三優于方案二。通過分析，選擇方案三作為最終的澆注系統設計方案，分析結果，如表2 所示。

圖7 翹曲變形分析Fig.7 Warping Deformation Analysis

表2 兩種類型澆口分析結果Tab.2 Analysis Results of Two Types of Gates

4 模具關鍵零部件的設計

4.1 抽芯機構的設計

4.1.1 斜導柱側滑塊抽芯機構

由圖1 中A 處凸臺帶有外側通孔和盲孔，需要進行外側抽芯，由于孔的深度較小且位于零件的外側，故采用斜導柱側滑塊的抽芯機構。該機構主要是由斜導柱，側滑塊，楔緊塊和側型芯構成，如圖8 所示。斜導柱固定在定模，側滑塊安裝在動模，設計T型槽確保滑塊在導滑槽中平穩導滑。開模時斜導柱驅動側滑塊完成側孔的抽芯，抽芯與開模同步進行[4-5]。抽芯距為5.3mm，由文獻[5]可知，斜導柱的傾斜角α 一般為（12～22）°，該斜導柱傾斜角取18°，斜導柱的工作長度設計為47.3mm，足以滿足塑件抽芯距的要求。由于在注射成型時，滑塊在成形壓力作用下側型芯會向后移動，采用楔緊塊來鎖緊滑塊，從而保證成型過程中零件的精度。

圖8 抽芯機構Fig.8 Core-Pulling Mechanism

4.1.2 斜頂桿抽芯機構

由圖1 中B 處的兩個凸臺帶有卡勾，這兩處本身屬于外側凸，常見的抽芯方式應是斜導柱側抽芯機構，但是由于型腔與澆注系統的布局，如果采用外側抽芯機構，將與澆注系統發生干涉，故只能用內側抽芯機構，所以該套模具采用常見的斜頂桿內側抽芯機構，該機構主要是由斜頂桿、斜頂桿導向塊和斜頂桿座構成，如圖8 所示。其抽芯距為1.4mm，這里的斜頂桿角度設計為6°，制件卡勾的寬度為3.6mm，斜頂桿的寬度取為8mm，確保卡勾的成形。斜頂桿通過斜頂桿支座安裝在推桿固定板上，頂出制件與內抽芯同時進行，從而達到順利脫模的目的[4-5]。

4.2 排氣裝置的設計

在注塑成型過程中，不可避免會在塑件上產生氣穴，氣穴應該位于分型面上或者在頂桿處，這樣氣體就容易從分型面的間隙以及頂桿與頂桿孔的間隙將氣體排出[8]，通過moldflow 軟件分析該塑件的氣穴分布情況，發現大部分的氣穴位于分型面上，如圖9 的A處所示，這些氣穴在模具結構上可以不考慮，利用分型面的間隙或在有氣穴的地方開設頂針孔進行排氣。但在眾多狹長凸臺的末端，圖9 中的B 處氣穴就沒辦法通過間隙將氣體排出模具之外。

圖9 氣穴分布Fig.9 Cavitation Distribution

針對狹長凸臺末端的氣穴，在模具結構上進行了改進，采用成形鑲塊來成形這些狹長的凸臺，利用成形鑲塊間的間隙進行排氣，如圖10 所示。帶有側孔和卡勾的凸臺利用抽芯機構零件之間的間隙進行排氣，不需要設置成形鑲塊。

圖10 凸臺成形鑲塊Fig.10 Forming Inserts of Bosses

5 模具結構及塑料制件

電視USB 支架注塑模具的最終設計結果，注塑模具結構圖，如圖11 所示。最終成形的產品，如圖12 所示。

圖11 模具結構圖Fig.11 Mold Structure Drawing

圖12 塑料制件Fig.12 Plastic Parts

6 結論

（1）根據電視USB 支架結構特點與成形工藝性，提出了三種澆注系統設計方案。首先，利用moldflow 軟件對三種方案進行短射分析，發現第一種方案存在短射現象；然后，從充填時間，流動前沿溫度和翹曲變形三個方面對方案二和方案三進行分析，方案三優于方案二；最后選擇方案三作為最終澆注系統設計方案。

（2）結合分析的結果，設計了一套一模兩腔，帶有斜導柱側抽芯機構和斜頂桿抽芯機構的注塑模具。為了減少氣穴，利用成形鑲塊成形狹長凸臺，確保成形質量。利用UG 軟件設計了該制件的塑料模具的各個結構，設計的模具結構合理，工作可靠，為類似塑件提供了一定的理論指導。