馬松柏，黃志剛，徐昌貴

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京100048)

0 前言

注塑產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，尤其中小型塑件的生產(chǎn)過程中，為降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)率，往往采用組合型腔注塑模設(shè)計(jì)方法，將同一產(chǎn)品的不同組件一模同時(shí)生產(chǎn)出來(lái)，即將不同塑件的型腔設(shè)計(jì)在同一副模具上的一模多型腔模具結(jié)構(gòu)形式。但由于成形不同塑件的型腔的體積和結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致制品成型過程中易出現(xiàn)塑料熔體流動(dòng)不平衡，充填困難等較難克服的問題。因組合型腔模設(shè)計(jì)難度較大，限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的廣泛運(yùn)用[1-2]。

本文以某電子產(chǎn)品塑料外殼各組件的組合型腔模具設(shè)計(jì)作為研究對(duì)象，在分析了各組件的外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，初步設(shè)計(jì)了非平衡式模具澆注系統(tǒng)，運(yùn)用MFI模流分析軟件對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行流動(dòng)平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)布局，采用UG/MoldWizard注塑模設(shè)計(jì)向?qū)гO(shè)計(jì)了合理的模具結(jié)構(gòu)。

1 塑件結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示為產(chǎn)品外觀的三維模型圖，由4個(gè)組件構(gòu)成，各組件材料均采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS，LG Chemical公司生產(chǎn)的HI-121，無(wú)填充，熔體密度為0.914 07 g/cm3，固體密度為1.017 7 g/cm3)，最大剪切應(yīng)力0.3 MPa，最大剪切速率500 001/s。塑件尺寸公差等級(jí)要求為MT5級(jí)，表面質(zhì)量要求一般。

1—上殼 2—按鍵 3—USB接口托架 4—下殼圖1 某電子產(chǎn)品外觀三維模型Fig.1 3D Model of an e-product appearance

產(chǎn)品信息如表1所示，各組件均為小型注塑件。其中，組件1形狀復(fù)雜，細(xì)節(jié)特征比較多，底部存在加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，側(cè)壁垂直方向存在2個(gè)異形孔，相應(yīng)底面存在1個(gè)與兩孔垂直的異形孔；組件2的4個(gè)扇形按鍵(厚1.85 mm)通過薄壁相連(厚0.3 mm)，壁厚不均；組件3結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，為一實(shí)心體；組件4結(jié)構(gòu)復(fù)雜，底部有加強(qiáng)筋，側(cè)壁存在異型孔。

表1 產(chǎn)品信息Tab.1 Information of the product

2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 原理分析

根據(jù)生產(chǎn)要求，上述4個(gè)組件需要在同一副模具中同時(shí)成型，即所謂的組合型腔模具，此類模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)澆注系統(tǒng)平衡。平衡澆注系統(tǒng)能保證塑料熔體成型過程中同時(shí)到達(dá)并充滿模具的各個(gè)型腔，從而得到質(zhì)量均勻的塑件；反之，不平衡澆注系統(tǒng)易造成充填困難，影響塑件質(zhì)量。實(shí)際生產(chǎn)過程中，平衡澆注系統(tǒng)分為自然平衡式澆注系統(tǒng)和非自然平衡式澆注系統(tǒng)兩類。自然平衡式澆注系統(tǒng)通常用于各型腔尺寸和形狀均相同的多型腔模具設(shè)計(jì)中，欲實(shí)現(xiàn)澆注系統(tǒng)平衡，只需型腔采用平衡式布局，將通往各型腔的流道橫截面形狀、尺寸、長(zhǎng)度等設(shè)計(jì)成完全相同即可；非自然平衡式澆注系統(tǒng)通常應(yīng)用于尺寸和形狀各異的組合型腔模具設(shè)計(jì)中，因?yàn)楦餍颓恍螤?、容積不盡相同或完全不同，型腔布局很難平衡，此種情況下若保證塑料熔體能夠均勻進(jìn)料并同時(shí)充填到各型腔，只能通過人為調(diào)整分流道半徑與長(zhǎng)度等澆注系統(tǒng)參數(shù)達(dá)到澆注系統(tǒng)平衡[3-6]。本實(shí)驗(yàn)組合型腔注塑模澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)即屬于非自然平衡式澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題。

式(1)為非自然平衡式澆注系統(tǒng)流道設(shè)計(jì)基本方程[7]:

(1)

式中η0——零剪切黏度，Pa·s

Q——流量，cm3/s

R——圓柱形分流道半徑，mm

L——分流道長(zhǎng)度，mm

γ——剪切速率，s-1

n——與材料相關(guān)參數(shù)

ΔP——壓力差，Pa

在成型條件不變的情況下，可以通過設(shè)定圓柱形分流道半徑R和流道長(zhǎng)度L來(lái)調(diào)整塑料熔體的流量Q和壓差ΔP，從而實(shí)現(xiàn)流道平衡。而實(shí)際操作中，由于模具型腔整體布局相對(duì)固定，分流道長(zhǎng)度L的可調(diào)范圍很小，流道平衡主要通過尋找最佳截面半徑R實(shí)現(xiàn)；另一方面，作為澆注系統(tǒng)中的重要一環(huán)，澆口的數(shù)目、截面類型和尺寸等對(duì)澆注系統(tǒng)平衡具有重要影響，通過修改澆口的幾何參數(shù)亦有助于實(shí)現(xiàn)澆注系統(tǒng)平衡。

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在確定分流道截面初始直徑后，再輔以模流分析軟件(MFI)中的塑件填充工具分析填充結(jié)果，指導(dǎo)完善模具型腔布局、修改澆注系統(tǒng)幾何參數(shù)，可獲得適于一模多異型腔組合模具的非自然平衡澆注系統(tǒng)。

(1)首先，根據(jù)塑件成形工藝條件及塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定主流道、各級(jí)分流道長(zhǎng)度。本實(shí)驗(yàn)型腔布局形式采用1模4腔的組合型腔方案，主流道頂端直徑3.5 mm，錐度角15 °，末端直徑9.5 mm，長(zhǎng)度62 mm。

初選澆口形式為矩形側(cè)澆口，其尺寸計(jì)算公式參照式(2)[8]65：

(2)

式中b——側(cè)澆口的寬度，mm

A——塑件的外側(cè)表面積，mm2

計(jì)算得到b1≈2.17～3.26 mm，b2≈2.06～3.09 mm，b3≈1.05～1.58 mm，b4≈0.87～1.31 mm。對(duì)于一般中小型塑件澆口厚度為0.5～2.0 mm，澆口的長(zhǎng)度為0.7～2.0 mm。針對(duì)各組件的具體情況，組件1、4采用兩點(diǎn)進(jìn)膠方式(澆口位置通過MFI澆口分析確定)；組件2、3采用一點(diǎn)進(jìn)膠方式(澆口位置通過MFI澆口分析確定)。各澆口詳細(xì)尺寸如表2所示，從而得到各澆口截面積Agi(i=1,2,3,4)。

表2 初始澆注系統(tǒng)澆口尺寸Tab.2 Gate size of initial gating system

分流道長(zhǎng)度按照式(3)所示適于組合型腔的BGV(Balanced Gate Value)[8]65計(jì)算公式得到：

(3)

式中Wi(i=1,2,3,4)——分別為各型腔的充填量(熔體質(zhì)量或體積)，mm3

Agi(i=1,2,3,4)——分別為各型腔的澆口截面積，mm2

Lri(i=1,2,3,4)——分別為各型腔的從主流道中心至澆口的流道通道的長(zhǎng)度，mm

Lgi(i=1,2,3,4)——分別為各型腔的澆口的長(zhǎng)度，mm

各流道詳細(xì)尺寸如表3所示,初始澆注系統(tǒng)整體布局如圖2所示。

表3 初始澆注系統(tǒng)流道尺寸Tab.3 Runner size of initial gating system

圖2 初始澆注系統(tǒng)布局Fig.2 Layout of initial gating system

2.3 填充結(jié)果分析

注塑機(jī)選用HT-85 HIPR 85 tons 2.3 oz：Van Dorn Demag，其他工藝條件采用系統(tǒng)默認(rèn)，運(yùn)行MFI填充分析。結(jié)果如圖3所示，4個(gè)組件在1.547 s 內(nèi)填充完成。組件2在0.709 2 s即填充完成，由于其自身結(jié)構(gòu)原因及流道設(shè)計(jì)出現(xiàn)短射現(xiàn)象；組件3在1.009 s左右填充完成；組件4在1.418 s填充完成；而組件1于1.547 s填充完成。

圖3 初始澆注系統(tǒng)MFI填充分析結(jié)果Fig.3 MFI filling analysis results of initial gating system

圖4 速度/壓力切換時(shí)的結(jié)果Fig.4 Speed/pressure switch analysis result

圖5 注塑位置處壓力x-y圖Fig.5 Injection location pressure x-y graph

速度/壓力切換時(shí)的分析結(jié)果如圖4所示，組件2、4在末端的速度/壓力切換時(shí)的壓力為60 MPa，遠(yuǎn)大于組件1末端的1 MPa。如圖5所示的注塑位置處壓力x-y圖，也可以看出，由于組件2、3、4較早于組件1填充完畢，均處于過保壓狀態(tài)。上述分析結(jié)果表明，原始澆注系統(tǒng)未能達(dá)到預(yù)期的流道平衡要求，需對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2.4 澆注系統(tǒng)優(yōu)化

澆注系統(tǒng)平衡的主要方法是進(jìn)行流道平衡分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，輔以部分澆口的微調(diào)，而流道直徑可參考Moldflow軟件的流道平衡分析結(jié)果。本文由于流道平衡分析獲取的流道尺寸與實(shí)際生產(chǎn)中差距較大，故仍然根據(jù)計(jì)算所得的BGV值變動(dòng)范圍，確定合理的流道和澆口參數(shù)。

優(yōu)化方案的整體思路是：為實(shí)現(xiàn)各組件型腔同時(shí)填充，可減少通過組件1流道截面尺寸，或減小通過組件2、3流道的截面尺寸或增大流道長(zhǎng)度以延長(zhǎng)組件2、3的填充時(shí)間，并調(diào)整部分澆口截面尺寸；針對(duì)組件2短射現(xiàn)象，在組件2周圍增加圓環(huán)形流道，保證組件2各部分都能均勻填充，故組件2流道包括直流道與圓環(huán)形流道兩部分。經(jīng)過多次對(duì)比分析，確定最終優(yōu)化澆注系統(tǒng)方案的流道(主流道和1級(jí)流道未改動(dòng))及澆口尺寸，分別如表4、5所示。

優(yōu)化后澆注系統(tǒng)布局如圖6所示。

表4 優(yōu)化澆注系統(tǒng)流道尺寸Tab.4 Runner size of optimized gating system

表5 優(yōu)化澆注系統(tǒng)澆口尺寸Tab.5 Gate size of optimized gating system

圖6 優(yōu)化澆注系統(tǒng)布局Fig.6 Layout of optimized gating system

重新運(yùn)行填充分析，結(jié)果如圖7所示：各型腔組件幾乎同時(shí)于0.7 s開始進(jìn)膠，并于1.67～1.77 s內(nèi)填充結(jié)束，各組件壓力分布變化均勻，由結(jié)果分析可知，優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了澆注系統(tǒng)平衡。

圖7 優(yōu)化澆注系統(tǒng)MFI填充分析結(jié)果Fig.7 MFI filling-analysis results of optimized gating system

優(yōu)化后的速度/壓力切換時(shí)壓力分析結(jié)果如圖8所示，各組件末端速度/壓力切換時(shí)的壓力與初始方案中的結(jié)果相比下降明顯，壓差均衡，填充比較均勻。

圖8 優(yōu)化后速度/壓力切換時(shí)的結(jié)果Fig.8 Speed/Pressure switch analysis result after optimization

優(yōu)化后的注塑位置處壓力x-y圖如圖9所示，澆口位置處的壓力隨時(shí)間變化均勻，最后0.2 s內(nèi)壓差基本持平，未出現(xiàn)壓力急劇上升或急劇下降的不平衡情況。

圖9 優(yōu)化后注塑位置處壓力x-y圖Fig.9 Injection location pressure x-y graph after optimization

由以上分析結(jié)果可知優(yōu)化澆注系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)流道平衡，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案合理可行。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用UG NX8.5/Moldwizard模具設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行制品組合型腔模具設(shè)計(jì)，脫模系統(tǒng)布局如圖10所示。

由于組件1側(cè)壁垂直方向存在2個(gè)異形孔，相應(yīng)底面存在1個(gè)與兩孔垂直的異形孔，成形此處特征要求模具相應(yīng)位置處應(yīng)設(shè)計(jì)兩向抽芯機(jī)構(gòu)，1個(gè)內(nèi)側(cè)抽滑塊及1個(gè)橫向斜導(dǎo)柱側(cè)抽滑塊，塑件脫模時(shí)各由推桿推動(dòng)，滑塊在推出上蓋的過程中實(shí)現(xiàn)內(nèi)側(cè)抽，同時(shí)斜導(dǎo)柱頂出橫向側(cè)抽滑塊完成側(cè)抽，合模后完成復(fù)位；而組件4側(cè)壁異型孔設(shè)計(jì)了側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)；推出系統(tǒng)由19根粗細(xì)不均的推桿及1根拉料桿組成，為了方便主流道凝料的脫出，拉料桿頭部設(shè)計(jì)成Z形，推桿布置均勻，便于塑件及流道順利脫出，且避免在推出過程中產(chǎn)生變形。

冷卻系統(tǒng)布局如圖11所示，根據(jù)組件型腔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及有關(guān)計(jì)算公式，冷卻水孔直徑8 mm，冷卻管道中心線與分型面的距離為12 mm。模具整體三維模型如圖12所示。

圖11 冷卻系統(tǒng)布局Fig.11 Layout of cooling system

圖12 組合型腔模具總成三維模型Fig.12 Overall final 3D model of combined cavity mold

4 結(jié)論

(1)本文為小型塑件組合模設(shè)計(jì)，1模4件，型腔形狀及容積各不相同，借助MFI填充分析尋找非自然平衡澆注系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化了澆注系統(tǒng)布局，平衡澆注系統(tǒng)使熔料均勻填充各型腔，解決了小型塑件組合模填充不足、部分塑件短射等問題，保證了各組件外觀質(zhì)量的一致性；

(2)結(jié)合MFI優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)，采用UG/MoldWizard注塑模向?qū)гO(shè)計(jì)了該小型塑件組合型腔注塑模具，成型組件1側(cè)壁異形孔及底面垂直異形孔采用了1個(gè)型芯鑲件及1個(gè)橫向斜導(dǎo)柱側(cè)抽滑塊；成型組件4側(cè)壁異形孔設(shè)計(jì)了側(cè)向型芯及側(cè)向液壓抽芯機(jī)構(gòu)，制品及澆注系統(tǒng)最終由推桿推出，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)合理;本文方法對(duì)提高注塑企業(yè)小型塑件組合模設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約研發(fā)成本等方面具有重要的借鑒意義。