遙控器面殼注射成型模具設計及數(shù)值模擬

董偉勛 王先保 潘 旭 李征馳 林 權(quán)

（武夷學院機電工程學院，福建 武夷山 354300）

0 引言

隨著塑件在生產(chǎn)生活中的大量應用，提高塑件質(zhì)量、縮短成型周期、降低模具設計成本成為注射模設計研究的熱點［1-3］。利用模流分析能在注射模具設計前，對塑料熔體充填、保壓、冷卻及翹曲過程進行數(shù)值模擬，評估注射過程中可能出現(xiàn)的缺陷，如熔接線、翹曲變形、氣穴等，并采用調(diào)整優(yōu)化成型工藝或模具結(jié)構(gòu)等措施來解決問題，可有效縮減試模次數(shù)，避免反復試模修模過程，大大縮短模具設計周期，降低塑件生產(chǎn)成本［4-6］。本研究以遙控器外殼注射件為研究對象，通過Moldflow 軟件進行模流分析，預估熔接痕、翹曲變形量、體積收縮率等注射成型指標，獲得合理的成型方案及工藝參數(shù)，并基于模流分析結(jié)果對模具結(jié)構(gòu)進行設計。

1 塑件結(jié)構(gòu)工藝分析

遙控器面殼零件如圖1所示，材料為ABS，整體尺寸為175 mm×45 mm×6 mm，體積為10.2 cm3，要求外表面美觀無澆注痕跡、塑件壁厚均勻（厚度為1.5 mm）。由于塑件存在多個過渡斷面，采用圓弧或斜坡等結(jié)構(gòu)進行設計，該結(jié)構(gòu)有利于材料的流動。塑件外表面粗糙度為Ra0.8 μm、內(nèi)表面粗糙度為Ra1.6 μm。為保證成型工藝平衡，遙控器面殼采用對稱排位注射成型，塑件尺寸公差等級為MT5。

圖1 塑件零件

2 模流分析系統(tǒng)創(chuàng)建

遙控器面殼塑件模流分析系統(tǒng)如圖2 所示，采用一模兩腔布局。其中，塑件三角網(wǎng)格數(shù)量為6 812個、各節(jié)點數(shù)量為3 322個，三維模型表面的匹配率為95.5%。通過應用模流分析中最佳澆口位置模塊，選取由塑件側(cè)邊中段進料，采用矩形側(cè)澆口形式，長寬厚分別為2.0 mm×1.5 mm×0.8 mm，主流道小端直徑為5 mm、大端直徑為8.24 mm、長度為95.5 mm，圓形分流道直徑為6 mm、長度為25 mm，動定模冷卻水路布局均采用直流循環(huán)式，水路直徑為8 mm，選用注塑機型號為SZ-250∕1250。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗及Moldflow 數(shù)據(jù)庫推薦工藝參數(shù)，確定主要成型工藝條件為烘干完成后注射熔體溫度為190 ℃、模具溫度為70 ℃、注射壓力為90 MPa、保壓壓力為60 MPa、注射時間為1.3 s、保壓時間為5 s、冷卻時間為10 s。

圖2 塑件模流分析系統(tǒng)

3 模流分析結(jié)果

3.1 充填時間

填充時間的分析結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，充填完成時間為1.393 s，且兩個模腔能同時充滿，塑料熔體到達遙控器外殼左右兩末端的時間基本一致，填充均勻，沒有出現(xiàn)短射或不足等現(xiàn)象，可確定澆注系統(tǒng)合理。

圖3 充填時間

3.2 熔接痕

熔接痕分布的模流分析結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，熔接痕大多位于遙控器塑件的按鍵處，但也不難發(fā)現(xiàn)，熔體經(jīng)流按鍵時所形成的熔合角度大部分大于70°，最大角度為135°，塑件雖存在較多的細小熔接痕，但均不明顯，通過外表面處理二次機加工可去除，不影響塑件整體質(zhì)量。

3.3 體積收縮率

模流分析執(zhí)行“冷卻+填充+保壓+翹曲”序列，獲得塑件頂出體積收縮率分布如圖5 所示。由圖5可知，遙控器面殼在澆口位置的收縮率最低，不到1.440%，隨后沿澆口位置往四周逐漸增大，在邊緣處體積收縮率達到最大值（5.243%），遙控器外殼大部分產(chǎn)品頂出收縮率為1.5%～4.0%，處于較為合理范圍。

圖5 產(chǎn)品體積收縮率分布

3.4 氣穴

塑件成型氣穴分布情況如圖6所示。由圖6可知，遙控器外殼表面的氣穴很少，說明澆口位置及熔體充填模式合理，且通過分型面位置及推桿孔、成型鑲件之間間隙等細節(jié)來看，都可進行排氣作業(yè)，因此，在模具結(jié)構(gòu)設計中，不用設計專門的結(jié)構(gòu)進行排氣。

圖6 氣穴分布

3.5 翹曲變形量

塑件翹曲變形量分布的模流分析結(jié)果如圖7所示。其中，最大翹曲量為0.266 8 mm，位于產(chǎn)品的邊角處，產(chǎn)品整體的翹曲變形量為0～0.14 mm，且翹曲量分布均勻。結(jié)合冷卻模流分析可知塑件因冷卻引起的變形量很小，模具和塑件溫差也符合基本要求，這說明模流分析系統(tǒng)中冷卻水路設計及布局合理。

圖7 翹曲變形量分布

4 注射模結(jié)構(gòu)設計

4.1 成型零件設計

成型零部件的制造精度決定塑件產(chǎn)品的精度，成型零件設計不僅要考慮節(jié)約材料成本，還要使加工裝配更方便。所以，遙控器面殼注射模型芯部分采用鑲拼組合式結(jié)構(gòu)，型腔部分采用整體嵌入式結(jié)構(gòu)，如圖8 所示。通過螺釘和臺階壓板形式固定于動定模板上，安裝定位主要采用模板中的方形沉孔的過渡配合方式，可實現(xiàn)成型零件的維護和安裝便捷。根據(jù)圖1中的塑件零件尺寸以及葉久新等［7］提出的模具型芯型腔尺寸計算式，獲得塑件成型型芯型腔零件示意如圖8 所示。由于模具成型零件工作在高溫高壓的腐蝕環(huán)境中，成型零件材料選擇3Cr2Mo，該材料具有優(yōu)良的力學性能和工藝性能，同時耐腐蝕性好。

圖8 模具型腔型芯零件

4.2 推出零件設計

由于塑料具有收縮特性，成型冷卻后會包裹型芯，為了讓塑件從模具中更好地推出，必須對塑件所需的脫模力進行計算，以便進行推出機構(gòu)設計。該注射模具采用頂桿推出機構(gòu)，頂桿布局如圖9 所示，頂桿結(jié)構(gòu)尺寸與脫模力有關，根據(jù)參考文獻［7］，開模力計算見式（1）。

圖9 脫模頂桿

式中：P為單位壓力，MPa；a為脫模角度，°；f為擦動系數(shù)；A為包裹面積，mm2；Q為開模力，N。

此處，P取30 MPa、a取1°、f取0.45、A取3 601.03 mm2，代入到式（1）中，結(jié)果見式（2）。

通過文獻［1］得出頂桿直徑的計算，見式（3）。

式中：k為無缺損系數(shù)；Q為開模力，N；L為頂針長度，mm；n為推桿個數(shù)；E為彈性模量。

一般情況下k=1.1、n=22、E=2.1×105，Q取46 357.09 N，，查國標后知L=131 mm。代入式（3）中，結(jié)果見式（4）。

綜上所述，通過計算脫模力及對頂桿的強度校核，得出該模具需要頂桿截面尺寸為4 mm。脫模頂桿示意如圖9所示。

4.3 模具總體結(jié)構(gòu)

模具裝配總圖如圖10 所示。該模具采用一模兩腔兩板式單分型面注射模具結(jié)構(gòu)。因遙控器面板上有許多按鍵孔且側(cè)壁有許多側(cè)凹或側(cè)孔結(jié)構(gòu)，抽芯分型脫模難，因此采用組合式型芯型腔結(jié)構(gòu)，并通過斜導側(cè)向分型機構(gòu)結(jié)合多點靈活設計頂桿脫模機構(gòu)，解決塑件側(cè)凹或者側(cè)孔成型抽芯及脫模問題。但因設置頂桿數(shù)量較多，為了保證頂桿、頂桿固定板及推板之間運動自如、脫模自由，在動模座板與動模板之間設置四對推板導套和推板導柱，為頂桿固定板與推板提供導向作用。由圖10 可知，該模具復位采用彈簧加復位桿方式，確保塑件頂出脫模后頂桿能先復位，保證了細小頂桿不會因開合模需要而被破壞，保證脫模的穩(wěn)定性。此外，該模具復位桿與動模復位孔之間采用H7∕f6間隙配合，推板導柱與推板導套之間采用H7∕f6間隙配合，推板導套與動模座板孔之間采用H7∕r6 過盈配合，斜導柱與定模板斜導孔采用H7∕k6 過渡配合，定模澆口套與定位圈之間采用H7∕k6 過渡配合，各推出頂桿與動模頂桿導向孔采用H7∕f6 間隙配合，定模型腔與定模板采用、動模型芯與動模板之間采用H7∕k6過渡配合，從而保證模具運行可靠。

圖10 模具裝配總圖

動定模冷卻水孔直徑設計為8 mm，采用直流循環(huán)式冷卻系統(tǒng)。模具裝配技術要求主要有六點：①模具所有活動部分必須保證位置精度準確，不能有歪斜卡滯現(xiàn)象；②分型面密合良好，不能有溢料產(chǎn)生，冷卻系統(tǒng)應順暢，不能有泄漏現(xiàn)象；③模具裝配完成后進行試模具，如有不當，修模再試；④導柱導套與動模安裝面和定模座板面的垂直度按《塑料注射模模架技術條件》（GB∕T 12556—2006）中的規(guī)定；⑤裝配時要以分型面較平整或不易整修的一側(cè)作為基準，涂上紅丹油與另一分型面進行對撞研合；⑥注意檢查分型面密合情況。

5 結(jié)語

本研究利用模流分析，對遙控器面殼注射成型過程中的熔接痕、翹曲變形量、體積收縮率等成型性能指標進行分析，結(jié)果表明，產(chǎn)品熔體流動狀態(tài)好，熔接痕少，氣穴位置分布合理，塑件翹曲變形量和頂出體積收縮率均符合產(chǎn)品技術要求，從而獲得了合理的成型流道和冷卻系統(tǒng)，并基于模流分析結(jié)果進行模具結(jié)構(gòu)設計。本研究采用鑲拼組合式型芯型腔兩板式結(jié)構(gòu)，側(cè)向滑塊抽芯及多頂桿頂出脫模方式，解決了傳統(tǒng)遙控器面殼注射模具結(jié)構(gòu)設計中側(cè)凹、凸臺的抽芯分型脫模問題，從而簡化注射模結(jié)構(gòu)的設計流程，提高模具生產(chǎn)效率，節(jié)約企業(yè)研發(fā)成本。