張麗麗，駱俊廷

（燕山大學(xué) a.藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

隨著塑料材料及性能的迅速發(fā)展和提高，用塑料制品逐漸取代一部分金屬和玻璃制品已經(jīng)成為主要的發(fā)展趨勢，因此塑料新型制品的成形工藝及模具設(shè)計(jì)正日益成為高分子材料和裝備制造領(lǐng)域發(fā)展的主要方向之一。塑料模具是大批量生產(chǎn)塑料制品的現(xiàn)代化專用成形工藝設(shè)備的總稱。在各種塑料模具中，由于注射模具有高效、精密、可成形各種復(fù)雜制品、工藝先進(jìn)等諸多其他成形模具所不具有的特點(diǎn)，而成為塑料制品成形工藝中最重要且起主導(dǎo)作用的模塑成形工藝裝備[1—2]。

電腦是目前廣泛應(yīng)用的辦公及家用電子產(chǎn)品[3]，其應(yīng)用了大量的塑料零部件制品[1—2]，電腦工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此必備的零件之一就是風(fēng)扇。風(fēng)扇底座是一個(gè)典型的塑料制品，文中對新型電腦風(fēng)扇底座進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對其注射成形工藝進(jìn)行了分析，最終設(shè)計(jì)了注射成形模具。

1 電腦主機(jī)風(fēng)扇底座設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的電腦主機(jī)風(fēng)扇底座三維工程造型如圖1 所示，為三層結(jié)構(gòu)，中間有一個(gè)中心孔，兩側(cè)有兩個(gè)側(cè)孔，其材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料，即ABS 塑料。ABS 材料具有超強(qiáng)的易加工特性、外觀特性、低蠕變性能、優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性以及高的抗沖擊強(qiáng)度。材料的主要技術(shù)指標(biāo)如下[4]：密度為1.02～1.08 g/cm3，收縮率為0.4%～0.6%，熔融溫度為195～240 ℃，成形模溫為 38～93 ℃，成形壓力為 120～140 MPa。

圖1 電腦主機(jī)新型風(fēng)扇底座Fig.1 New fan base of computer host

2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)的主流道設(shè)計(jì)在模具的澆口套中，為了能讓主流道凝料順利從澆口套中脫出，主流道設(shè)計(jì)成圓錐形，其錐角為2°，小端直徑d比注射機(jī)噴嘴直徑大0.5～1 mm。分流道是熔料從主流道進(jìn)入型腔前的過渡部分，其作用是通過改變流道截面及方向，使熔料平穩(wěn)的注入型腔，分流道的截面形狀應(yīng)盡量比表面積小，熱量損失少，摩擦阻力小[5—6]。由于塑件有中心孔，因此采用環(huán)形澆口。冷料穴采用Z 形拉料桿拉料，所設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)相關(guān)尺寸如圖2 所示。

3 注射成型工藝仿真

圖2 澆注系統(tǒng)相關(guān)尺寸Fig.2 Relevant dimensions of pouring system

傳統(tǒng)的注塑成形工藝設(shè)計(jì)主要依靠工藝人員的經(jīng)驗(yàn)和大量試驗(yàn)驗(yàn)證，生產(chǎn)周期長，質(zhì)量可調(diào)控性差，反復(fù)調(diào)試模具的成本高，且成形產(chǎn)品精度較低，尤其當(dāng)注塑成形零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜及精度要求較高時(shí)，問題更加突出。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，采用有限元仿真技術(shù)可大大地縮短設(shè)計(jì)制造周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，因此文中采用Moldflow 軟件對主機(jī)新型風(fēng)扇底座的注塑成形過程進(jìn)行仿真分析，選擇合適的成形工藝參數(shù)，并優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)。

3.1 填充時(shí)間

填充時(shí)間是指熔融料流充滿整個(gè)型腔所需要的時(shí)間，顯示了料流前鋒的填充過程，它可以顯示任一時(shí)刻流動(dòng)前鋒的位置。當(dāng)填充平衡時(shí)，料流同時(shí)達(dá)到充填的末端，產(chǎn)品末端各部位的填充時(shí)刻應(yīng)該是一致的。為了制得致密度和精度較高的產(chǎn)品，填充時(shí)間應(yīng)盡量短。圖3 為制品充填時(shí)間云圖，充滿型腔所用的時(shí)間為2.232 s，料流到達(dá)距澆口最遠(yuǎn)處放形件4 個(gè)角的時(shí)間相等，說明澆口選擇的平衡性較高，而2.232 s 的填充時(shí)間對于風(fēng)扇底座的尺寸來說也是較為合理的[7—8]。

圖3 填充時(shí)間分析結(jié)果Fig.3 Analysis results of filling time

3.2 氣穴位置

氣穴是在成形制品內(nèi)部所形成的空隙，是兩股或兩股以上的流體末端相遇的區(qū)域，氣泡在這一區(qū)域受到壓制。通過模流分析可顯示出氣穴的分布情況，如圖4 所示。氣穴主要分布在厚壁、凸臺(tái)等壁厚不均勻處。模具設(shè)計(jì)時(shí)，除了可以通過在成形凸臺(tái)的小型芯上開排氣槽來排出氣體，還可以利用型芯間隙來排出[9—10]。

圖4 氣穴位置分析結(jié)果Fig.4 Analysis results of cavitation location

3.3 熔接痕

熔接痕屬于產(chǎn)品表觀質(zhì)量缺陷，它發(fā)生在兩個(gè)料流前鋒相遇的地方，或者是料鋒分開又匯合的地方。熔接痕對網(wǎng)格密度很敏感，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在實(shí)際并不存在的地方，有時(shí)實(shí)際存在，而又顯示沒有。圖5 為熔接痕的分析結(jié)果，可以看出熔接痕主要產(chǎn)生在料流的交匯和有孔的地方，對產(chǎn)品的表面質(zhì)量影響不大。兩股不同方向料流的匯合角度對熔接線的明顯程度產(chǎn)生重要影響，并決定了熔接線的深度。當(dāng)熔接線深度超過2 μm 時(shí)，熔接線就可用肉眼可見，此時(shí)熔接線的匯合角度剛好是75°，這是熔接線可見與不可見的匯合角度分界線。從圖5 可以看出，由于產(chǎn)品尺寸較大，熔接痕的匯合角分布范圍較廣，20°～135°之間，且離澆口越近，熔接痕角度越大，因此注射成形過程中可以通過適當(dāng)提高料筒和噴嘴的溫度來改善熔接痕，提高產(chǎn)品的強(qiáng)度，改善產(chǎn)品的外觀[11—12]。

圖5 熔接痕分析結(jié)果Fig.5 Analysis results of weld line

3.4 變形分析

風(fēng)扇底座模型的總變形量如圖6 所示，變形量最大的位置在最下面的 4 個(gè)角的位置，總變形量為0.8006 mm，該位置是最后充填的位置。影響風(fēng)扇底座模型變形的因素很多，模具的結(jié)構(gòu)、塑料材料的熱物理性能及注射成形過程的條件和成形參數(shù)均對制品注塑成形后的變形有影響，針對文中設(shè)計(jì)的注塑成形過程中應(yīng)適當(dāng)增加注射壓力和保壓時(shí)間，使該部位的充填致密[13—14]。

圖6 總變形量分析結(jié)果Fig.6 Analysis results of total deformation

采用Moldflow 軟件對電腦主機(jī)風(fēng)扇底座的注射成形工藝過程中的充填時(shí)間、氣穴位置、熔接痕及最大變形量的發(fā)生位置進(jìn)行了分析，最后主要對主型芯和斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了氣穴和熔接痕的位置，提出了改進(jìn)方法，分析了模具的主要機(jī)構(gòu)組成及工作原理。

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)注塑成形工藝的仿真模擬結(jié)果，采用3D 模具設(shè)計(jì)技術(shù)對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

4.1 主型芯設(shè)計(jì)

主型芯即凸模，用來成形制品內(nèi)表面。主型芯分為整體結(jié)構(gòu)、整體鑲?cè)虢Y(jié)構(gòu)和鑲拼組合結(jié)構(gòu)3 種。此次設(shè)計(jì)采用整體鑲?cè)虢Y(jié)構(gòu)的主型芯。主型芯結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 主型芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.7 Structure design of main core

4.2 側(cè)抽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于在產(chǎn)品既含有側(cè)孔又包含側(cè)凹，并且孔和凹的方向相同，均垂直于開合模方向，所以模具必須設(shè)計(jì)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)[4]。設(shè)計(jì)采用的側(cè)抽機(jī)構(gòu)如圖8 所示，采用的是斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，用兩個(gè)斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)一個(gè)側(cè)型芯滑塊，共4 個(gè)側(cè)型芯、8 個(gè)斜導(dǎo)柱完成側(cè)抽芯動(dòng)作[15—16]。

4.3 模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖9 為模具2D 總裝圖，圖10 為模具3D 造型圖。整個(gè)模具只需要一次分型即可實(shí)現(xiàn)制品的頂出，抽芯機(jī)構(gòu)為8 個(gè)斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，頂出機(jī)構(gòu)為頂桿頂出，為了防止頂桿與側(cè)型芯滑塊發(fā)生干涉，在復(fù)位桿上增加彈簧，以實(shí)現(xiàn)頂出機(jī)構(gòu)和頂桿的預(yù)復(fù)位。

圖8 側(cè)抽機(jī)構(gòu)Fig.8 Side core-pulling mechanism

圖9 模具2D 總裝圖Fig.9 2D general assembly drawing of mold

圖10 模具3D 造型Fig.10 3D modeling drawing of mold

5 結(jié)論

利用完善的3D 造型和計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)塑料制品及其成形工藝，已逐步取代實(shí)物模型的設(shè)計(jì)方式，成為主流設(shè)計(jì)方法。仿真技術(shù)與3D 模具設(shè)計(jì)技術(shù)在新型電腦風(fēng)扇底座模型及模具開發(fā)中的應(yīng)用，能夠較為準(zhǔn)確地分析制品充填過程中的充填時(shí)間、氣孔、熔接痕和變形量等參數(shù)，從而指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)過程。