王 濤
(山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山東省濟(jì)南市 250103)
我國在醫(yī)療制品、食品包裝、日常消費品方面消耗巨大,因而,對注塑模具產(chǎn)品需求很大[1]。注塑模具自動化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計是通過模具和注塑模具設(shè)計構(gòu)架相結(jié)合完成,從而快速對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模型進(jìn)行設(shè)計,滿足市場多樣化需求[1]。在設(shè)計塑件結(jié)構(gòu)比較特殊的注塑模具時,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)計澆注系統(tǒng)澆口位置時,要同時兼顧特殊脫模機(jī)結(jié)構(gòu)形式及設(shè)置方位,結(jié)合機(jī)械自動化軟件技術(shù)進(jìn)行仿真分析,避免盲目設(shè)計造成修模、改模風(fēng)險[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)械自動化軟件——UG NX6.0軟件及Moldflow軟件在塑料模具設(shè)計中的應(yīng)用。
注塑模具標(biāo)準(zhǔn)化指模具設(shè)計標(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,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,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、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。對不同生產(chǎn)項目制定相應(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。
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,才能盡快落實模具生產(chǎn)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化[5]。經(jīng)營管理標(biāo)準(zhǔn)化、制造標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化是模具標(biāo)準(zhǔn)化的三個核心內(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)庫成為非常核心的內(nèi)容,能夠?qū)⒂嬎銠C(jī)輔助設(shè)計(CAD)、計算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計、計算機(jī)輔助制造等技術(shù)有效落實[6]。同時還包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計,這兩個環(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/計算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)在開發(fā)設(shè)計模具技術(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]。
在建立相關(guān)零部件圖庫的過程中,采用參數(shù)化設(shè)計方法,從而實現(xiàn)機(jī)械自動化軟件技術(shù)的最大功能。利用機(jī)械自動化軟件,可減少廢棄零部件產(chǎn)生,提升設(shè)計效率。結(jié)合企業(yè)的實際發(fā)展情況,在機(jī)械自動化軟件技術(shù)基礎(chǔ)上與UG NX6.0軟件相結(jié)合,建立注塑模具零件庫。對于相關(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,零件屬性、形狀也將發(fā)生變化。
在進(jìn)行機(jī)械自動化軟件技術(shù)系統(tǒng)的二次開發(fā)時,必須充分重視圖庫的建立,機(jī)械自動化軟件的智能優(yōu)勢十分顯著,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)化圖庫的構(gòu)建,結(jié)合參數(shù)化的手段進(jìn)一步落實標(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)可實現(xiàn)圖形繪制。基于機(jī)械自動化軟件系統(tǒng)中的計算機(jī)語言,可編制相應(yīng)結(jié)構(gòu)的圖形。并結(jié)合數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)多元化的傳送和查詢功能,最終確定圖形。該方法的針對性和可靠性優(yōu)勢較強(qiáng),可以處理的圖像對象更多。由于圖形局部的修改能力較差,所以必須要重新啟動原有程序才能進(jìn)行改動,工作量較大。根據(jù)機(jī)械自動化軟件系統(tǒng)提供的參數(shù)化功能及造型功能,在原有圖形的基礎(chǔ)上對參數(shù)化模型進(jìn)行構(gòu)建。對參數(shù)和圖形參數(shù)化過程進(jìn)行詳細(xì)的記錄,從而實現(xiàn)參數(shù)圖形的建立。同時需要通過相關(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,通過編程法對圖形進(jìn)行約束。
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)到流變計算要求,最終確定網(wǎng)格單元為26 285個,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)殼三維實體模型見圖1。
圖1 手機(jī)保護(hù)殼三維實體模型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改性聚碳酸酯(PC),牌號為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,同時具有優(yōu)良的耐熱、耐寒、抗蠕變性,長期使用溫度為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 ℃,注射時間1.29 s,保壓時間9.9 s,冷卻溫度25.5 ℃,冷卻時間18.5 s。
通過分析注塑成型的結(jié)構(gòu)特點和工藝要求,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
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)計過程中,首先需要考慮澆口位置的設(shè)計,因為這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)測塑件成型后可能存在的缺陷,及時針對其中存在的問題進(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—劃分網(wǎng)格—修復(fù)網(wǎng)格—統(tǒng)計網(wǎng)格—分析最佳澆口位置。
設(shè)計手機(jī)保護(hù)殼時要遵循美觀光滑的原則,因此,本次設(shè)計的模具采用側(cè)澆口,短流程,方便脫模及分離,這樣對型腔內(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
鑲塊、型腔及型芯等均屬于成型零件,能夠通過設(shè)計構(gòu)成整體式或者組合式的成型零件。在結(jié)構(gòu)較為簡單的模具中,一般會使用整體式結(jié)構(gòu)。本設(shè)計中的側(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,并對其進(jìn)行固定處理。從而便于加工,簡化模具流程,在工件表面可避免鑲塊留有印痕,同時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)計流程:初始化項目、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
由于一個長圓孔存在于手機(jī)保護(hù)殼塑件側(cè)面,會直接影響模具的開模,所以在設(shè)計模具的過程中,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)行程的重點計算依據(jù),并且會在很大程度上直接影響有效工作長度、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為塑件對型芯單位面積上的包緊力,?。?.8~1.2)×107Pa;μ為塑件對鋼的摩擦因數(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
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、動模上分別進(jìn)行循環(huán)水路孔徑的設(shè)計。冷卻水管的布局見圖4。
2.2.5 其他機(jī)構(gòu)設(shè)計
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)計算。
式中:q表示塑件對脫模施加的壓力,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,α為40°。由于本工作只需設(shè)計較小的模具,所以使用排氣槽的形式設(shè)計排氣系統(tǒng),對于分型面設(shè)置過程來說,需要使用推桿或活動型芯配合間隙,配合間隙為0.03~0.05 mm。
手機(jī)保護(hù)殼的模具裝配圖見圖5。在模具運(yùn)行時,打開方向為主分型面,并借助輸送裝置以及壓桿機(jī)構(gòu)與動模板型腔相關(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,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,對圖案重新進(jìn)行輸送,繼續(xù)注塑成型。
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)量對注塑模具的型腔數(shù)量有關(guān)鍵的影響,對其進(jìn)行劃分主要包括單型腔模具和多型腔模具。其中,前者的特點為不需花費較長的生產(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,適用于大批量長期生產(chǎn)過程。通過Moldflow軟件對塑件填充過程進(jìn)行模擬,對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,確定最大鎖模力、最佳注射時間,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,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:在注射時間為0.96 s時,鎖模力最大,為29.5 t,沒有超出注塑機(jī)額定值90.0 t,隨著注射時間的進(jìn)一步延長,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,注塑工藝與實際生產(chǎn)條件相符合。
圖6 鎖模力隨注射時間變化的情況Fig.6 Clamping force as a function of injection time
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)殼自動化軟件技術(shù)的應(yīng)用。
b)在設(shè)計某手機(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)特點和工藝要求,最終設(shè)計采用一模兩腔結(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軟件對塑件填充過程進(jìn)行模擬,對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,確定塑件最佳注射時間為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,符合實際生產(chǎn)條件。