基于UG與Moldflow非平衡澆注系統的筆筒套模具設計

尹小定 黃琳蓮 王登化

(江西機電職業技術學院，江西 南昌，330013)

為了更好地節省生產成本、獲取更大的效益，大多數中性筆配套零部件在模具設計中采用一模多腔的非平衡澆注系統進行注射成型。注塑工藝中多型腔非平衡澆注系統的平衡狀況，在很大程度上會影響制品的質量。如果熔體不能同時到達各澆口并充滿各個型腔，將導致壓降分布不均勻，使制品的質量下降，或者出現充不滿現象[1-2]。在實際生產過程中，即使型腔和流道對稱布置，也通常會出現充填不平衡現象，難以保證塑件質量的一致性[3]。影響流道平衡的因素很多，包括流道尺寸、填充速率和使用的材料等[4]。以下以筆筒套塑件為例，利用Moldflow軟件的充填分析來設計模型，以便得到非平衡澆注系統較好的充填性能；在此基礎上，利用UG軟件進行了筆筒套的多型腔模具設計，從而在保證塑件質量的情況下更好地滿足筆筒套的生產要求。

1 塑件分析模型及流動分析方案的建立

1.1 塑件結構分析

筆筒套塑件示意如圖1所示。產品尺寸為Φ11.20 mm×39.60 mm，塑件兩端孔尺寸要求公差為0.05 mm，根據基本尺寸要求達到了MT2以上的精度，由此可見如何保證塑件的成型和出件對模具設計顯得極為重要。同時，塑件還有兩個過端面的通孔，在模具設計時需要考慮成型方式。

圖1 筆筒套塑件示意(單位：mm)

1.2 澆注系統的初步設計

筆筒套是中性筆的配套零部件，因其生產要求與使用的特性，塑料只能采用內部進膠并自動斷膠的方法，根據塑料料厚、結構特性和塑件生產要求，澆口形式采用潛伏式，澆注系統設計見圖2。

圖2 澆注系統(單位：mm)

其中，一級分流道直徑為7.00 mm，二級分流道直徑為5.00 mm。

1.3 筆筒套分析模型的建立

將該塑件轉化為STL格式后導入Moldflow軟件中，進行雙層面網格劃分，劃分網格單元數量為18 986個，修正后保證塑件匹配率為85%。再添加澆注系統，并對其進行網格劃分，然后對塑件進行一模48腔的型腔布局，如圖3所示。通過自由度、取向性和連通性檢測后，整個模型劃分的網格單元數量為2 072 767個。

圖3 筆筒套分析模型

1.4 材料及工藝性能

該塑件采用Tonen Chemical公司生產的EL065熱塑性材料。EL065的加工性能:熔體密度0.802 g/cm3，固體密度0.947 g/cm3，頂出溫度122 ℃，推薦模具溫度45 ℃，推薦熔融溫度210 ℃，極限熔融溫度260 ℃，最大剪切速率40 000 s-1，最大剪切應力0.3 MPa。

1.5 充填分析

利用Moldflow軟件先后對兩種模型的充填性能進行分析，將澆注系統的初步設計作為第一種模型，該模型建立后檢查相關網格并進行充填分析，結果如圖4所示。

由圖4(a)可知：第一種模型完成型腔的充填時間用了1.704 s；相鄰兩個塑件的充填時間相差不是很大，但是靠近塑件主流道最內側與最外側的充填時間相差了0.730 s，充填過程顯示最內側塑件已經充填完成時，最外側塑件充填只完成了一半，接下來的時間靠近內側的塑件一直是在保壓補塑直到最外側型腔充填完成。可以看出，這種模型的充填注射不利于批量生產塑件質量的控制。圖4(b)中的充填壓力分析顯示，注射時的最大壓力為103.7 MPa，然后進入保壓階段。

圖4 第一種模型充填分析

2 充填平衡設計及模具結構設計

2.1 充填平衡的設計

非平衡布局澆注系統需要人工平衡，也就是在成型工藝參數一定的情況下，可以通過調整流道和澆口尺寸使熔體同時充滿型腔，達到充填平衡[5]。在實際生產中，為了解決充填不平衡問題，大多數情況下是通過改變澆口尺寸，達到近似充填平衡[6]。根據經驗調整流道和澆口尺寸，經過反復試模達到平衡[7]，但這樣大大增加了鉗工修模的難度。減少一模48腔生產塑件的充填時間差異，保證各型腔的充填保壓時間基本相同，是充填平衡設計的根本。該塑件采用的澆口比較特殊，需要對型芯端部進行放電加工，鉗工很難進行后續澆口部分的修配。由于是相同的制件，澆口設置相同，只要流道平衡，理論上就能達到平衡進料。這里研究的是相同制件非平衡系統的平衡問題[8]，在此只需對流入澆口前的二級分流道進行調整，在上述澆注系統初步設計的基礎上，通過調整二級分流道大小來實現各型腔注射壓力平衡，從而實現充填平衡。

基于筆筒套對于尺寸精度的要求，理論上在較小范圍內波動是可行的。該澆注系統采用對稱結構，以主流道為中心、一級分流道為主干、兩側分布二級分流道。將二級分流道對稱劃分為左右各3段(見圖5的B～D段)，每段4組，每組上下2個充填塑件。第二種模型充填平衡設計如圖5所示。

圖5 第二種模型充填平衡設計

基于第一種模型充填分析結果，再考慮加工性，將二級分流道設計成分段過渡形式，即將圖5(a)中的B段二級分流道直徑改為3.00 mm，C段二級分流道直徑改為4.00 mm，D段二級分流道直徑保留為5.00 mm，其他尺寸保持不變。隨后將該設計模型運用Moldflow軟件充填分析，結果如圖5(b)所示。該模型完成型腔的充填時間用了1.825 s，靠近塑件主流道最內側與最外側的充填時間相差了0.540 s。從充填結果來看，靠近主流道最內側塑件充填完成時，最外側塑件已經充填完成了三分之二。圖5(c)中的充填壓力分析顯示，注射時的最大壓力為84.4 MPa左右，然后進入型腔保壓階段，與第一種模型相比，壓力下降了約20.0 MPa，充填效果明顯改善，注射壓力降低，有效補縮的時間延長，有利于提高產品質量[9]。同時，這種分流道分段分組的尺寸設計在很大程度上減少了鉗工修配工作量，該設計采用的標準刀具尺寸提高了模具加工的效率，在滿足生產要求的情況下大大加快了模具的生產速度。

2.2 模具結構的設計

通過Moldflow軟件的充填分析后，針對該型腔布局及相關流道設計在UG軟件中進行模具結構的設計。筆筒套塑件是典型的筒形制件，但由于尾端不對稱，并附有對稱兩側“！”形的小孔結構，模具結構設計時采用側抽成型主體筒形獲得中間主孔，上下成型兩側“！”形的小孔，至此塑件外形則由上下兩部分型腔成型。這種結構設計符合塑件在最大輪廓處進行分型的原則[10]，也滿足了一模多腔、自動斷膠、快速出件的生產要求。為了降低模具成本、保證精度、便于加工和裝配，該模具采用了一層設計，并將上下型腔分為4塊。因筆筒套塑件的特殊性，將塑件澆口設計在了型芯的端部，同時達到了側抽芯目的。型腔與型芯的成型設計如圖6所示。

圖6 型腔與型芯的成型設計

圖7是模具結構裝配示意。圖7(a)為模具的動模部分，主要由動模座板、型芯固定板、下型腔、導柱、側滑塊、型芯組成；圖7(b)為模具的定模部分，主要由定模座板、斜導柱固定座、楔緊塊、斜導柱、導套、上型腔組成。

1—動模座板； 2—型芯固定板；3—下型腔；4—導柱；5—側滑塊；6—型芯；7—定模座板；8—斜導柱固定座；9—楔緊塊；10—斜導柱；11—導套；12—上型腔

3 模具結構驗證

為了驗證模具結構的合理性，將模具在BT150V-Ⅱ注塑機上試模生產。該模具調試生產的澆注系統及塑件如圖8(a)和圖8(b)所示。通過測試，塑件完全滿足客戶要求。

圖8 模具調試產品

4 結語

a) 通過建立非平衡澆注系統充填模型，運用Moldflow軟件進行分析，充填時間和充填壓力結果表明，這種針對二級分流道進行分段分組尺寸設計的模型，可以改善模具非平衡澆注系統充填的平衡性，保證了塑件的質量。

b) 這種對分流道進行分段分組的尺寸設計，在滿足塑件生產要求的同時，減少了鉗工的工作量，提高了模具加工效率，縮短了模具生產周期。

c) 采用上下成型筆筒套塑件外形結構，側抽成型主體筒形與澆口斷膠同步，達到了一模多腔成型以及簡化模具結構的目的，滿足了快速出件的生產要求。

d) 通過生產驗證，模具結構設計合理，為一模多腔非平衡澆注系統平衡充填提供參考。