蘇蓓蓓，張繼濤，王 強(qiáng)，嚴(yán) 軍，張思甜，薛枋昊

(湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

使用模具制造產(chǎn)品具有低消耗、高生產(chǎn)率、高一致性、高復(fù)雜度、高精度等其他制造方式不具備的優(yōu)點(diǎn)[1]。在軍工、電子、通信、儀表、電器等行業(yè)中，模具成型零部件占60%～80%。目前，全球市場(chǎng)中的模具制造產(chǎn)品仍供不應(yīng)求，每年市場(chǎng)需求量保持在600～650億元，被稱(chēng)為“不衰亡的行業(yè)”。據(jù)中國(guó)模具工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2018年中國(guó)模具進(jìn)、出口量分別是21.4和60.85億美元，占全球模具進(jìn)、出口總量的12.5%和25%。因此，模具及模具設(shè)計(jì)成為相關(guān)從業(yè)人員研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[2-4]。

針對(duì)空調(diào)遙控器的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，本文對(duì)其注塑模模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用CAE分析充填過(guò)程，并利用Moldflow軟件進(jìn)行模流分析，旨在為試模提供參考。

1 塑件的工藝性分析

遙控器外殼注塑件形狀規(guī)則，側(cè)邊通孔用來(lái)安裝指示燈，上方孔用來(lái)安裝按鍵，外殼厚度為3 mm，邊緣部分較薄，材料為ABS，收縮率為0.5%，塑件內(nèi)表面質(zhì)量要求不高，保證成型即可，外表面要求光滑、無(wú)痕跡線。

2 模具設(shè)計(jì)

2.1 總體分析

根據(jù)遙控器外殼注塑件的工藝性要求，遙控器注射模模具應(yīng)充分考慮以下情況。

1)采用一模兩腔，以提高生產(chǎn)效率。

2)遙控器塑件為形狀規(guī)則的殼類(lèi)零件，分型面應(yīng)選在塑件的最大輪廓處。

3)外觀面為定模，非外觀面為動(dòng)模。

4)為使開(kāi)模后順利脫出，側(cè)壁的倒扣結(jié)構(gòu)應(yīng)留在動(dòng)模一側(cè)。

5)澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積應(yīng)盡量小，以減小鎖模力。

6)流道要滿(mǎn)足平衡原則，行程要小。

7)塑件側(cè)壁的開(kāi)模方向與(主)開(kāi)模方向垂直，保證開(kāi)模時(shí)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)先推出，再開(kāi)模。

8)推出機(jī)構(gòu)采用推桿推出。

9)定模、動(dòng)模同時(shí)冷卻，模具需考慮排氣，在分型面設(shè)置排氣槽。

2.2 成型零件設(shè)計(jì)

遙控器外殼注塑件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用鑲塊整體嵌入式可使加工更加有效方便。鑲件材料可與模具材料不同，以避免整體熱處理，降低成本。同時(shí)，要保證模具冷卻管道在成型零件中的排布不與型腔、型芯、抽芯機(jī)構(gòu)發(fā)生相互干涉。成型零件設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

(a) 成型零件圖

(b) 前模鑲件結(jié)構(gòu)圖

2.3 澆注和冷卻系統(tǒng)

塑件為殼體結(jié)構(gòu)。若采用直澆口，塑件表面會(huì)留下較大的澆口痕跡，而側(cè)澆口則可以避免，不影響外觀質(zhì)量。澆口的位置、形狀、數(shù)量和尺寸會(huì)影響塑料熔體的流道速度和流動(dòng)狀態(tài)，決定了注塑能否成功。

冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是保證模具熱平衡，使制品收縮均勻，不與其他零部件發(fā)生干涉，加工簡(jiǎn)單。水管直徑一般為8～12 mm。由于該塑件壁厚不大(8 mm)，為提高冷卻效果，定、動(dòng)模上均采用圍繞形布局的串聯(lián)方式布置冷卻回路。冷卻系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 冷卻系統(tǒng)

2.4 抽芯機(jī)構(gòu)和推出機(jī)構(gòu)

抽芯機(jī)構(gòu)采用斜導(dǎo)柱滑塊抽芯結(jié)構(gòu)。斜導(dǎo)柱固定于定模固定板上，開(kāi)模時(shí)，動(dòng)模向下移動(dòng)，帶動(dòng)滑塊沿著斜導(dǎo)柱和塑件在豎直和水平方向上同時(shí)移動(dòng)，完成側(cè)向抽芯動(dòng)作。由于抽芯距離較短，采用整體式滑塊結(jié)構(gòu)，即滑塊與側(cè)型芯為一個(gè)整體，以提高滑塊強(qiáng)度。側(cè)抽芯距離和鎖緊力較小，且滑塊寬度不大，故采用鑲拼式楔緊塊結(jié)構(gòu)。導(dǎo)滑塊采用標(biāo)準(zhǔn)矩形壓板件，加工簡(jiǎn)單，便于更換。斜導(dǎo)柱直徑為10 mm，固定于定模板上，用螺釘進(jìn)行定位。抽芯機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 抽芯機(jī)構(gòu)

推出機(jī)構(gòu)采用頂桿式。布置頂桿位置時(shí)，應(yīng)充分考慮塑件能否平衡頂出，以方便脫模，否則會(huì)造成殼體損傷。頂桿直徑設(shè)置為4 mm，位置對(duì)稱(chēng)，以保證推出力的平衡與平穩(wěn)，推出動(dòng)力來(lái)自動(dòng)模一側(cè)的注射機(jī)頂桿[5]，從非外觀面進(jìn)行脫模。推出機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 推出機(jī)構(gòu)

3 Moldflow模擬分析

3.1 有限元?jiǎng)澐?/h3>

采用Moldflow軟件對(duì)注塑填充階段進(jìn)行模擬仿真，可以直觀地分析流動(dòng)過(guò)程和分子取向，然后通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)解決因分子取向所導(dǎo)致的制件翹曲變形問(wèn)題。因塑件過(guò)小，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，先對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化操作，去除較小的圓角、斜角、修補(bǔ)破面。這樣可以提高有限元網(wǎng)格劃分質(zhì)量，使網(wǎng)格劃分符合雙層面分析，保證縱橫比的最大值在允許范圍內(nèi)。

3.2 澆口位置分析及參數(shù)確定

在軟件內(nèi)構(gòu)建具有主流道、分流道及澆口屬性的曲線，進(jìn)行網(wǎng)格劃分后得到澆注系統(tǒng)?？紤]塑件結(jié)構(gòu)和一模兩腔的型腔布局，澆口位置設(shè)在側(cè)壁底部，而中間流動(dòng)阻力最小，與澆口匹配性最好。因此，選擇側(cè)壁中間底部位置作為澆口位置。經(jīng)過(guò)成型窗口分析計(jì)算成型質(zhì)量，從而確定模具溫度為75 ℃、熔料溫度為241.5 ℃和注射時(shí)間為0.690 7 s可行。澆注系統(tǒng)和澆口位置匹配性分別如圖5和圖6所示。

圖5 澆注系統(tǒng)

圖6 澆口位置匹配性

3.3 充型分析

采用充填+保壓的方案模擬型腔內(nèi)熔體的流動(dòng)狀態(tài)，以預(yù)測(cè)成型壓力、鎖模力、氣穴和熔接痕等缺陷問(wèn)題。充填所需時(shí)間如圖7所示。由圖7可知，充填完成時(shí)間為2.334 s，且2個(gè)模腔能夠同時(shí)充滿(mǎn)。一般速度與壓力切換點(diǎn)范圍應(yīng)控制在95%～99%，若小于95%，塑件可能會(huì)充填不足，若大于99%，則可能產(chǎn)生飛邊。充填分析日志如圖8所示。由圖8可知，熔體充填型腔大約99%時(shí)，速度與壓力開(kāi)始切換。沒(méi)有出現(xiàn)短射或不足等現(xiàn)象，可確定澆注系統(tǒng)合理。充填完成時(shí)所需最大鎖模力為4.29 tone，通過(guò)單位換算為42.9 kN。

圖7 充填所需時(shí)間

圖8 充填分析日志

注射過(guò)程中，在速度與壓力切換點(diǎn)附近進(jìn)入保壓階段。注射位置處壓力如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)熔體在充填型腔99%和充填時(shí)間為2.303 s時(shí)，注塑機(jī)剛好達(dá)到最大壓力32.69MPa，保壓壓力為26.15 MPa，是充填壓力的80%，符合保壓壓力參數(shù)大小的設(shè)置，且可得到良好外觀。

圖9 注射位置處壓力

熔接痕與氣穴是注射成型時(shí)最為常見(jiàn)的缺陷，對(duì)塑件表面質(zhì)量和力學(xué)性能的影響不容忽視。影響熔接痕的因素有很多，其中熔料流動(dòng)的前沿溫度影響最大。熔料流動(dòng)前沿溫度如圖10所示。由圖10可知，熔料流動(dòng)前沿溫度保持均勻且較高，溫差不大。熔接痕分布模擬結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，外觀面料流在經(jīng)過(guò)孔時(shí)的匯合角度多數(shù)大于75°，雖有很多細(xì)小熔接痕，但均不明顯，且分布于內(nèi)表面，即非外觀面，通過(guò)二次機(jī)加工可去除，不影響塑件整體質(zhì)量。充填結(jié)果顯示無(wú)氣穴產(chǎn)生。

圖10 熔料流動(dòng)前沿溫度

圖11 熔接痕分布模擬結(jié)果

4 模具裝配

使用標(biāo)準(zhǔn)模架，在絕對(duì)坐標(biāo)下調(diào)整型腔與型芯坐標(biāo)，調(diào)入標(biāo)準(zhǔn)大水口模架CI-30×30，修改所需參數(shù)。對(duì)模架進(jìn)行開(kāi)框處理，采用螺釘分別將型腔和型芯固定在定模板與動(dòng)模板上。采用矩形側(cè)澆口，添加定位環(huán)、澆口套、加頂桿、拉料桿、輔助零件等，建立冷卻水道，最終完成模具總裝配。

5 結(jié)論

1)通過(guò)分析空調(diào)遙控器的結(jié)構(gòu)與工藝性，設(shè)計(jì)了一模兩腔的鑲塊整體嵌入式模具。側(cè)孔采用斜導(dǎo)柱滑塊側(cè)抽芯抽芯機(jī)構(gòu)。由于表面孔結(jié)構(gòu)較多，設(shè)計(jì)推出機(jī)構(gòu)時(shí)充分考慮了平衡問(wèn)題，采用均勻分布的頂桿式推出機(jī)構(gòu)以減少對(duì)殼體損傷。

2)通過(guò)Moldflow軟件模擬分析型腔內(nèi)的熔體流動(dòng)阻力和充填狀況，發(fā)現(xiàn)側(cè)壁底部中心流動(dòng)阻力最小、與澆口匹配性最好，充填、保壓過(guò)程中未出現(xiàn)短射或不足等現(xiàn)象。2個(gè)模腔能夠同時(shí)充滿(mǎn)，充填時(shí)間為2.334 s。熔體在充填型腔大約99%時(shí)，速度與壓力開(kāi)始切換，充填過(guò)程中所需最大鎖模力為42.9 kN。分析熔體流動(dòng)前沿溫度發(fā)現(xiàn)，前沿溫度保持均勻且較高，外觀面料流在經(jīng)過(guò)孔時(shí)匯合角度多數(shù)大于75°，不會(huì)產(chǎn)生明顯熔接痕。