王 濤

（山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東省濟(jì)南市 250103）

我國(guó)在醫(yī)療制品、食品包裝、日常消費(fèi)品方面消耗巨大，因而，對(duì)注塑模具產(chǎn)品需求很大［1］。注塑模具自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是通過模具和注塑模具設(shè)計(jì)構(gòu)架相結(jié)合完成，從而快速對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足市場(chǎng)多樣化需求［1］。在設(shè)計(jì)塑件結(jié)構(gòu)比較特殊的注塑模具時(shí)，需從多方面考慮。根據(jù)塑件成型及結(jié)構(gòu)布局要求進(jìn)行設(shè)置，確保澆注的優(yōu)良性、可行性，從而使塑件最終成型質(zhì)量得到保證。在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)澆口位置時(shí)，要同時(shí)兼顧特殊脫模機(jī)結(jié)構(gòu)形式及設(shè)置方位，結(jié)合機(jī)械自動(dòng)化軟件技術(shù)進(jìn)行仿真分析，避免盲目設(shè)計(jì)造成修模、改模風(fēng)險(xiǎn)［2-3］。本工作基于注塑模具標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境，以某手機(jī)保護(hù)殼為例研究了機(jī)械自動(dòng)化軟件——UG NX6.0軟件及Moldflow軟件在塑料模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 注塑模具標(biāo)準(zhǔn)化

注塑模具標(biāo)準(zhǔn)化指模具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、模具生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、模具管理標(biāo)準(zhǔn)化［4］。進(jìn)行注塑模具標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可有效降低工裝零件和夾具的使用頻率。在生產(chǎn)注塑模具產(chǎn)品時(shí)，需要加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范流程，按照具體情況選取合適的零件和流程來生產(chǎn)塑件，盡可能減少工裝零件及夾具的使用，確保各生產(chǎn)工序順利進(jìn)行。通過注塑模具設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理的標(biāo)準(zhǔn)化，有效協(xié)調(diào)并管理生產(chǎn)工序，落實(shí)科學(xué)配置生產(chǎn)內(nèi)容以及生產(chǎn)內(nèi)容之間的關(guān)系，加快改革生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)程。對(duì)不同生產(chǎn)項(xiàng)目制定相應(yīng)的工作流程，通過標(biāo)準(zhǔn)化加工技術(shù)指導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。

1.1 注塑模具設(shè)計(jì)與制造標(biāo)準(zhǔn)化體系

標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范流程是制造注塑模具的關(guān)鍵內(nèi)容，只有嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范，才能盡快落實(shí)模具生產(chǎn)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化［5］。經(jīng)營(yíng)管理標(biāo)準(zhǔn)化、制造標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化是模具標(biāo)準(zhǔn)化的三個(gè)核心內(nèi)容，三者相互關(guān)聯(lián)且牽制。隨著注塑模具標(biāo)準(zhǔn)化流程的不斷發(fā)展完善，數(shù)據(jù)庫(kù)成為非常核心的內(nèi)容，能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造等技術(shù)有效落實(shí)［6］。同時(shí)還包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)，這兩個(gè)環(huán)節(jié)相互借鑒、連通、調(diào)用。信息技術(shù)發(fā)展進(jìn)程的不斷推進(jìn)，CAD/計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)在開發(fā)設(shè)計(jì)模具技術(shù)方面發(fā)揮了巨大的作用，能夠顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本［7-9］。

1.2 以成組技術(shù)為基礎(chǔ)的參數(shù)化圖庫(kù)

在建立相關(guān)零部件圖庫(kù)的過程中，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化軟件技術(shù)的最大功能。利用機(jī)械自動(dòng)化軟件，可減少?gòu)U棄零部件產(chǎn)生，提升設(shè)計(jì)效率。結(jié)合企業(yè)的實(shí)際發(fā)展情況，在機(jī)械自動(dòng)化軟件技術(shù)基礎(chǔ)上與UG NX6.0軟件相結(jié)合，建立注塑模具零件庫(kù)。對(duì)于相關(guān)的零部件，將零件尺寸作為參數(shù)，當(dāng)參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，零件屬性、形狀也將發(fā)生變化。

1.3 建立參數(shù)化圖庫(kù)

在進(jìn)行機(jī)械自動(dòng)化軟件技術(shù)系統(tǒng)的二次開發(fā)時(shí)，必須充分重視圖庫(kù)的建立，機(jī)械自動(dòng)化軟件的智能優(yōu)勢(shì)十分顯著，直接影響零部件的生產(chǎn)和修改［9］?；诔叽绾徒Y(jié)構(gòu)等參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化圖庫(kù)的構(gòu)建，結(jié)合參數(shù)化的手段進(jìn)一步落實(shí)標(biāo)準(zhǔn)化體系的確立，在繪圖過程中，用戶利用模具采納數(shù)可實(shí)現(xiàn)圖形繪制?；跈C(jī)械自動(dòng)化軟件系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，可編制相應(yīng)結(jié)構(gòu)的圖形。并結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)多元化的傳送和查詢功能，最終確定圖形。該方法的針對(duì)性和可靠性優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)，可以處理的圖像對(duì)象更多。由于圖形局部的修改能力較差，所以必須要重新啟動(dòng)原有程序才能進(jìn)行改動(dòng)，工作量較大。根據(jù)機(jī)械自動(dòng)化軟件系統(tǒng)提供的參數(shù)化功能及造型功能，在原有圖形的基礎(chǔ)上對(duì)參數(shù)化模型進(jìn)行構(gòu)建。對(duì)參數(shù)和圖形參數(shù)化過程進(jìn)行詳細(xì)的記錄，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)圖形的建立。同時(shí)需要通過相關(guān)約束自行記錄作圖進(jìn)程，確保為新一組參數(shù)提供新圖形［10］。利用作圖法建立圖形，通過編程法對(duì)圖形進(jìn)行約束。

2 注塑模具標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境下某手機(jī)保護(hù)殼自動(dòng)化軟件技術(shù)與應(yīng)用

2.1 用UG NX6.0軟件建模

在零件圖紙要求的基礎(chǔ)上，采用UG NX6.0軟件建立某手機(jī)保護(hù)殼模型。

2.1.1 塑件結(jié)構(gòu)與模型前處理

某手機(jī)保護(hù)殼的精度要求是不允許存在質(zhì)量缺陷；整體上塑件沒有拔模角，最大結(jié)構(gòu)尺寸為145.5 mm×74.6 mm×10.5 mm，塑件為薄壁件，平均壁厚為1.050 mm，最小壁厚為0.756 mm，要求尺寸公差為±0.05 mm，塑件和手機(jī)組配良好。采用UG NX6.0軟件的CAD建立手機(jī)保護(hù)殼模型，通過轉(zhuǎn)換生成STL文件，然后將該文件導(dǎo)入到Moldflow軟件中進(jìn)行模擬分析。對(duì)該手機(jī)保護(hù)殼進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，經(jīng)過檢查和修復(fù)，使單元的縱橫比達(dá)到流變計(jì)算要求，最終確定網(wǎng)格單元為26 285個(gè)，匹配率達(dá)97.5%，滿足要求，單元無相交、無自由邊。某手機(jī)保護(hù)殼三維實(shí)體模型見圖1。

圖1 手機(jī)保護(hù)殼三維實(shí)體模型Fig.1 3D model of mobile phone protective case

2.1.2 材料選擇與成型工藝參數(shù)設(shè)定

該手機(jī)保護(hù)殼采用的原料為東莞市廣業(yè)塑膠原料有限公司的注塑級(jí)改性聚碳酸酯（PC），牌號(hào)為GH119FPC，填充玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。PC屬于一種具有優(yōu)良性能的熱塑性工程塑料，添加炭黑、碳纖維、玻璃纖維、永久性抗靜電母粒、金屬粉等，具有靜電消散導(dǎo)電、抗靜電、抗電磁波干擾屏蔽等功能，且具有良好的抗沖擊性能和力學(xué)性能，尺寸穩(wěn)定性良好，同時(shí)具有優(yōu)良的耐熱、耐寒、抗蠕變性，長(zhǎng)期使用溫度為10～120℃。該產(chǎn)品透明度為91.5%，收縮率較低，通常為0.1%～0.3%，且具有較高的彈性模量。該手機(jī)保護(hù)殼的注塑成型工藝參數(shù)為：模具溫度85.5 ℃，熔體溫度301.2 ℃，注射時(shí)間1.29 s，保壓時(shí)間9.9 s，冷卻溫度25.5 ℃，冷卻時(shí)間18.5 s。

2.2 模具及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過分析注塑成型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝要求，采用一模兩腔結(jié)構(gòu)，使工藝流程可行且結(jié)構(gòu)塑件質(zhì)量得到保證。

2.2.1 澆口設(shè)計(jì)

手機(jī)保護(hù)殼塑件的澆口也就是進(jìn)料口或內(nèi)流道，可使熔融塑料對(duì)型腔進(jìn)行快速填充，此外還要封閉型腔，從根本上防止出現(xiàn)倒流的現(xiàn)象，有利于產(chǎn)品的分離成型。注塑模具的設(shè)計(jì)過程中，首先需要考慮澆口位置的設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@與塑件的性能以及質(zhì)量有直接關(guān)聯(lián)［11］?；贑AE技術(shù)，能夠仿真模擬冷卻并填充塑料熔體的過程，有效預(yù)測(cè)塑件成型后可能存在的缺陷，及時(shí)針對(duì)其中存在的問題進(jìn)行糾正整改，降低模具的制造成本和周期。采用Moldflow軟件分析澆口位置的流程為：導(dǎo)入模型—?jiǎng)澐志W(wǎng)格—修復(fù)網(wǎng)格—統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格—分析最佳澆口位置。

設(shè)計(jì)手機(jī)保護(hù)殼時(shí)要遵循美觀光滑的原則，因此，本次設(shè)計(jì)的模具采用側(cè)澆口，短流程，方便脫模及分離，這樣對(duì)型腔內(nèi)的氣體排出有利，此外還能確保熔融塑料注入型腔時(shí)的速度均勻，減少內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。塑件的最佳澆口位置見圖2。

圖2 塑件的最佳澆口位置Fig.2 Optimum gate position for plastic part

2.2.2 成型零件設(shè)計(jì)

鑲塊、型腔及型芯等均屬于成型零件，能夠通過設(shè)計(jì)構(gòu)成整體式或者組合式的成型零件。在結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的模具中，一般會(huì)使用整體式結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，復(fù)雜程度較高，所以通過整體鑲嵌式結(jié)構(gòu)來處理型芯和型腔，并對(duì)其進(jìn)行固定處理。從而便于加工，簡(jiǎn)化模具流程，在工件表面可避免鑲塊留有印痕，同時(shí)可避免凹模剛性不足。

采用UG NX6.0軟件，按以下環(huán)節(jié)展開分模設(shè)計(jì)流程：初始化項(xiàng)目、設(shè)置模具坐標(biāo)系、設(shè)置收縮率、創(chuàng)建注塑模向?qū)＞吖ぜ?、設(shè)置型腔布局、模具分型?？煽旖?、方便、準(zhǔn)確對(duì)型芯、型腔進(jìn)行創(chuàng)建。型芯結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖3 型芯的結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural schematic diagram of core

2.2.3 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于一個(gè)長(zhǎng)圓孔存在于手機(jī)保護(hù)殼塑件側(cè)面，會(huì)直接影響模具的開模，所以在設(shè)計(jì)模具的過程中，需要使用側(cè)向抽芯。斜導(dǎo)柱傾斜角（αX）是開展側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)行程的重點(diǎn)計(jì)算依據(jù)，并且會(huì)在很大程度上直接影響有效工作長(zhǎng)度、斜導(dǎo)柱的抽芯距、受力狀況等。一般來說，手機(jī)保護(hù)殼模具斜導(dǎo)柱的αX為12.50°≤αX≤22.05°；本工作中，行程取中間值，αX=15.00°，則（αX+2°）～（αX+3°）為楔緊塊楔緊角度。通常抽芯距較塑件側(cè)孔大2.05～3.05 mm，抽芯距S=H+2.05，其中，H為塑件側(cè)孔深度，由于塑件平均壁厚1.5 mm，故取H=1.5 mm，S=1.5+2.05=3.55 mm。Fc=AbpμcosαX-sinαX=0.018 2 N，其中，F(xiàn)c為抽芯力，N；Ab為塑件包絡(luò)型芯面積，mm2；p為塑件對(duì)型芯單位面積上的包緊力，?。?.8～1.2）×107Pa；μ為塑件對(duì)鋼的摩擦因數(shù)，通常為0.12～0.32。按照斜導(dǎo)柱的αX，S，F(xiàn)c，進(jìn)一步確定斜導(dǎo)柱直徑，其數(shù)值為12.05 mm。

2.2.4 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大批量生產(chǎn)的塑件需要確保表面不出現(xiàn)顯著的缺陷（如氣泡、熔接痕跡等），要盡可能保證外表光滑美觀，所以需要基于冷卻系統(tǒng)來設(shè)計(jì)模具，從而保證塑件成型的質(zhì)量。塑件平均厚度為1.52 mm，根據(jù)模具結(jié)構(gòu)，在定模、動(dòng)模上分別進(jìn)行循環(huán)水路孔徑的設(shè)計(jì)。冷卻水管的布局見圖4。

2.2.5 其他機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 冷卻水管的布局Fig.4 Layout of cooling pipe

在合模模具的過程中，本工作在機(jī)構(gòu)導(dǎo)向的過程中選擇了導(dǎo)柱與導(dǎo)套，通常情況下導(dǎo)柱與導(dǎo)套采用間隙進(jìn)行配合。設(shè)計(jì)了推桿推出機(jī)構(gòu)，避免塑件變形，且可順利脫模，設(shè)置八根φ6.05 mm×148.50 mm的圓柱型推桿于塑件最大包絡(luò)面上。推桿長(zhǎng)度=L型芯板+L推桿固定板+20.05=120.05 mm，其中，L推桿固定板表示推桿固定板厚度，mm；L型芯板表示分型芯固定板厚度，mm。推件力（Ft）按式（1）計(jì)算。

式中：q表示塑件對(duì)脫模施加的壓力，為0.095 MPa；A1為塑件垂直于脫模方向的投影面積，mm2；α為脫模的斜度，PC作原料時(shí)，α為40°。由于本工作只需設(shè)計(jì)較小的模具，所以使用排氣槽的形式設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)，對(duì)于分型面設(shè)置過程來說，需要使用推桿或活動(dòng)型芯配合間隙，配合間隙為0.03～0.05 mm。

2.3 模具裝配

手機(jī)保護(hù)殼的模具裝配圖見圖5。在模具運(yùn)行時(shí)，打開方向?yàn)橹鞣中兔妫⒔柚斔脱b置以及壓桿機(jī)構(gòu)與動(dòng)模板型腔相關(guān)聯(lián)，并輸送圖案，模具合模，利用壓桿機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確定位圖案。在注塑機(jī)注射時(shí)，通過澆注系統(tǒng)將模具型腔充滿，當(dāng)冷卻后，融合圖案以及塑件。打開模具并使用撥塊機(jī)構(gòu)完成保護(hù)殼按鍵孔的抽拔動(dòng)作，通過系統(tǒng)凝料的澆注，將潛伏式澆口凝料與產(chǎn)品進(jìn)行分離，并被頂針頂出。在凝料及產(chǎn)品取出后，對(duì)圖案重新進(jìn)行輸送，繼續(xù)注塑成型。

2.4 注塑成型工藝分析

圖5 模具裝配圖Fig.5 Assembly drawing of mold

注塑成型每次成型的塑件數(shù)量對(duì)注塑模具的型腔數(shù)量有關(guān)鍵的影響，對(duì)其進(jìn)行劃分主要包括單型腔模具和多型腔模具。其中，前者的特點(diǎn)為不需花費(fèi)較長(zhǎng)的生產(chǎn)周期，并且可以節(jié)約生產(chǎn)成本，一般來說其塑件成型都表現(xiàn)出較好的一致性，但生產(chǎn)效率不高；后者的特點(diǎn)是生產(chǎn)效率非常高，且成本控制在較低水平，適用于大批量長(zhǎng)期生產(chǎn)過程。通過Moldflow軟件對(duì)塑件填充過程進(jìn)行模擬，對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確定最大鎖模力、最佳注射時(shí)間，使生產(chǎn)的塑件性能最佳。熔體充滿型腔需要0.972 6 s，在熔體最后到達(dá)處，充填飽滿，基本沒有出現(xiàn)短射現(xiàn)象。在完成充填后，體積溫度反映的是充模時(shí)，溫度的變化情況。在完成充填后，體積溫度具有較窄的分布范圍，由于制品交叉口多，壁厚較薄，在幾處小孔周圍，溫度較低。如在壁厚低于1.48 mm處會(huì)有這種情況出現(xiàn)，因而注射速率不能過高。在開孔邊緣處分布有氣穴，但氣穴在型芯、型腔配合處產(chǎn)生，可利用配合處間隙排氣，可忽略。

從圖6可以看出：在注射時(shí)間為0.96 s時(shí)，鎖模力最大，為29.5 t，沒有超出注塑機(jī)額定值90.0 t，隨著注射時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，塑件綜合變形程度隨之增大，翹曲程度非常小，未發(fā)生短射現(xiàn)象，注塑工藝與實(shí)際生產(chǎn)條件相符合。

圖6 鎖模力隨注射時(shí)間變化的情況Fig.6 Clamping force as a function of injection time

3 結(jié)論

a）基于注塑模具標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境，采用UG NX6.0軟件研究了某手機(jī)保護(hù)殼自動(dòng)化軟件技術(shù)的應(yīng)用。

b）在設(shè)計(jì)某手機(jī)保護(hù)殼注塑模具的過程中，可以使用UG NX6.0軟件及Moldflow軟件。通過全面分析塑件成型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝要求，最終設(shè)計(jì)采用一模兩腔結(jié)構(gòu)，使工藝流程可行且結(jié)構(gòu)塑件質(zhì)量得到保證。

c）通過Moldflow軟件對(duì)塑件填充過程進(jìn)行模擬，對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確定塑件最佳注射時(shí)間為0.96 s，最大鎖模力為29.5 t，隨著鎖模力的增加，塑件綜合變形程度增大，翹曲程度非常小，未發(fā)生短射現(xiàn)象，符合實(shí)際生產(chǎn)條件。