董海東

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院,陜西 咸陽 712000)

0 引 言

溫度監(jiān)測器外殼用于保護溫度監(jiān)測器內(nèi)部元件,且可以起到散熱、密封和防塵等作用,該塑件結(jié)構(gòu)包括散熱孔、按鍵孔、USB接頭側(cè)孔、連接用螺絲柱、卡扣連接內(nèi)側(cè)凹槽等特征,且外表要求美觀、色澤度好,防止出現(xiàn)氣泡、翹曲變形等缺陷。利用華塑CAE軟件分析,選用高料筒溫度,保持一定的模具溫度、較低的充模壓力、熔接紋較小的方案。采用最佳澆口的位置為制件中心兩點側(cè)澆口進料,最優(yōu)的注射成型工藝參數(shù)為：模具預(yù)熱溫度80 ℃,料溫170 ℃,充模壓力為9.47 MPa,保壓壓力為7.37 MPa,充模時間為0.23 s,保壓時間為7 s,冷卻時間為21.80 s,周期為30 s。試模制件滿足使用標準,提高了一次試模合格率。本文利用華塑CAE軟件對充模、保壓、冷卻過程進行模擬分析,減少了可能出現(xiàn)的變形、氣泡、拼接線等缺陷,并創(chuàng)新設(shè)計了斜頂、雙滑塊抽芯的單腔二板式模具,模具結(jié)構(gòu)具有新穎性,可為殼體類模具設(shè)計提供參考。

1 產(chǎn)品設(shè)計

1.1 產(chǎn)品設(shè)計要求

圖1 溫度監(jiān)測器的三維(3D)模型Fig.1 Three-dimensional model of temperature detector

溫度監(jiān)測器已有的技術(shù)資料為不完整三維模型,需要自主設(shè)計產(chǎn)品中缺少的部分,如圖1所示。設(shè)計的產(chǎn)品高度不低于18 mm,產(chǎn)品材料為聚苯乙烯(PS)塑料,材料收縮率為0.5%,要求與已提供的模型相配合,組成一個完整的產(chǎn)品,滿足實際使用需要;同時要求設(shè)計定位與固定結(jié)構(gòu),與大水口模架相匹配。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

該產(chǎn)品內(nèi)部左右兩側(cè)各有一個4 mm×8 mm矩形孔,相對另外一側(cè)內(nèi)部有6 mm×2.1 mm×0.808 mm的凹槽,殼體內(nèi)部有4個外部直徑5.5 mm、內(nèi)部直徑3 mm、高12.82 mm的支撐柱,如圖2所示。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)特點,注塑模具結(jié)構(gòu)須采用斜頂、雙滑塊分別成型3處側(cè)向凹槽和側(cè)孔的結(jié)構(gòu),需采用推管推出機構(gòu)完成支撐柱部分的成型和推出[1]。

圖2 溫度監(jiān)測器外殼模型

2 注塑模流工藝分析

2.1 網(wǎng)格劃分

圖3 溫度監(jiān)測器外殼網(wǎng)絡(luò)模型Fig.3 Temperature detector shell network model

根據(jù)CAE分析網(wǎng)格劃分的原則,簡化掉溫度監(jiān)測器外殼3D模型中細小的倒角、圓角;劃分網(wǎng)格模型如圖3所示。三角形網(wǎng)格平均單元面積為2.15 mm2,平均邊長2.41 mm,平均最小角度為29°,最大形態(tài)比為1,平均形態(tài)比為0.64,節(jié)點配對百分比為83.11%。從圖3中網(wǎng)格劃分情況可看出,網(wǎng)格劃分較均勻,能滿足準確分析的要求[2]。

2.2 充模分析

澆口是連接分流道與型腔的熔體通道。不同的澆口形式對塑料熔體的充填特性、成型質(zhì)量及塑件性能會產(chǎn)生不同的影響。澆口設(shè)計不合理會導(dǎo)致拼接線、氣泡、變形等缺陷[3]。一般的設(shè)計理念是先取較小的澆口尺寸,試模時再進行修整。澆口位置主要是設(shè)計者根據(jù)制品的幾何形狀和技術(shù)要求,并分析熔體在流道和型腔中的流動、填充、補縮及排氣情況,主觀判斷澆口的位置,這種方法不能滿足成型高質(zhì)量產(chǎn)品的要求。產(chǎn)品頂部為25.5 mm×34 mm的橢圓形孔,根據(jù)制品內(nèi)部有通孔時,可采用內(nèi)側(cè)進澆的原則,圖4為內(nèi)側(cè)兩點進澆和內(nèi)側(cè)四點進澆兩種方案。

(a) 方案1

(b) 方案2

2.2.1 充填時間分析

模擬塑料熔體從開始充模到充滿型腔的整個過程分析為充填時間分析,可預(yù)估制件在模腔中的充模成型過程。溫度升高有利于物料的流動,一般需要降低壓力和速度。反之當溫度降低時需加大壓力速度。低速充?？杀苊獬尚椭萍霈F(xiàn)飛邊,保證制件尺寸穩(wěn)定。為防止發(fā)生噴射紋、夾氣等缺陷,需要降低充模速度,但是會因此延長成型周期,導(dǎo)致出現(xiàn)熔接紋,影響外表光澤度,而且會發(fā)生冷卻變形的情況[4]。反之,加快充模速度可改善制件的光澤度和熔接線的強度,進一步避免熔接紋、噴射紋等問題,確保制件光澤度和外表質(zhì)量好,不出現(xiàn)短射缺料,但是會出現(xiàn)氣泡或者灼燒發(fā)黑、脫模不利等問題[5]。

根據(jù)以上分析,溫度監(jiān)測器外殼材料為PS,功能上要與溫度監(jiān)測器底座配合,側(cè)孔與USB插頭留0.3 mm距離,方便使用,且與溫度監(jiān)測器底座上方按鈕孔配合間隙為0.3 mm,方便按鈕彈出[6]。該制件外表需美觀,色澤度要好,為減小制件內(nèi)應(yīng)力,避免出現(xiàn)縮孔、翹曲變形、灼燒變黑等問題,因此采用低速充模。如圖5所示,方案1及方案2充填時間分別為0.23 s和0.36 s,由于四點進料導(dǎo)致流程加長,因此顯然方案1充模時間短、速度快,故能確保較好的充模效率和較好的制件外觀質(zhì)量,因此選擇方案1[7]。

(a) 方案1

(b) 方案2

2.2.2 壓力分析

該制件配套模具成型所用MJ55注塑機的最大射膠壓力為162 MPa,設(shè)置的充模壓力應(yīng)低于該注塑機的最大射膠壓力,因此設(shè)置的充模壓力為注塑機最大射膠壓力的70%,約為113 MPa。 如圖6所示,由于兩點進料導(dǎo)致壓力損失較大,因此方案1與方案2存在充模壓力差異較大,最大充模壓力分別為9.47 MPa和3.46 MPa,兩方案的充模壓力均低于MJ55注塑機的最大射膠壓力的50%(81 MPa)。

(a) 方案1

(b) 方案2

對比方案1、方案2的充模壓力可知,方案2的充模壓力較低。如圖6所示,該溫度監(jiān)測器外殼的外側(cè)下部分的充模壓力比其他部分低,可能會發(fā)生制件充填不足;另外,根據(jù)該制件的功能、結(jié)構(gòu)要求,制件頂部有按鍵孔、散熱孔,4個連接用螺絲柱,一角部有用于裝配定位的枕位缺口,外部兩側(cè)有用于連接USB插頭的側(cè)向孔,內(nèi)部有用于卡扣連接的U型凹槽,按目前中心進料的方式難以實現(xiàn)壓力均勻分布,因此綜合分析選擇方案1較優(yōu)。

3 模具結(jié)構(gòu)及工作過程

3.1 模具結(jié)構(gòu)

采用大水口2020-A70-B50-C70的注塑模架,由于產(chǎn)品的兩側(cè)有USB接口的插槽,內(nèi)側(cè)有側(cè)凹,且內(nèi)部均布4個配合螺絲的圓柱,故兩側(cè)有滑塊側(cè)型芯、內(nèi)部有斜頂以成型兩個插槽和一個內(nèi)側(cè)凹。為方便加工和保證加工質(zhì)量,采用一模一腔,內(nèi)側(cè)兩點進膠的形式,采用司筒成型塑件的4個固定柱,即司筒(推管)推出制件和凝料,如圖7所示。

(a) 動模部分

(b) 定模部分

(c) 頂出機構(gòu)

3.2 模具工作過程

如圖8所示,模具首先從分型面A打開,斜導(dǎo)柱從滑塊16的斜孔中抽出,滑塊側(cè)型芯在水平向外力的作用下,完成兩側(cè)抽芯,同時拉料桿5將主流道凝料從澆口套11中拉出。動模部分繼續(xù)移動,當注射機的大頂桿接觸推板2時,模具的推出機構(gòu)開始工作,推管14和斜頂4將塑件從主型芯13上推出,塑件和凝料在分型面之間自行落下。

4 結(jié) 論

本研究為溫度監(jiān)測器外殼配套注塑模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,根據(jù)華塑CAE軟件分析結(jié)果,對澆口參數(shù)、澆口位置、推出元件位置、斜導(dǎo)柱外側(cè)抽芯、斜頂內(nèi)側(cè)抽芯以及成型零件的結(jié)構(gòu)進行了可行性分析,在開模前保證了模具結(jié)構(gòu)合理、易于加工、模具工作合理與零件制造可行,最終保證了制件結(jié)構(gòu)、功能達到質(zhì)量要求。

1-動模座板;2-推板;3-推桿固定板;4-斜頂;5-中心拉料桿;6-水管接頭;7-動模固定板;8-定模固定板;9-定模座板;10-定位環(huán);11-澆口套;12-型腔;13-型芯;14-司筒(推管);15-定位釘;16-滑塊圖8 注射模結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of injection mold