基于CAE分析USB外壳模具异型水路的设计

2019-01-10王秀梅翟豪瑞

现代塑料加工应用 2018年6期

王秀梅翟豪瑞

(1.常州机电职业技术学院车辆工程学院,江苏常州,213164;2.盐城工学院汽车工程学院,江苏盐城,224051)

模具的冷却周期通常占到整个塑料件成型周期的2/3以上。合理的冷却系统设计可以缩短冷却时间、提高冷却效率、降低模温差,使产品温度均匀从而减小翘曲变形[1-2]。随着金属3D打印技术的不断发展,异型水路的模具设计方案,可以极大的提高水路冷却效率从而减小产品翘曲变形量[3]。下面以USB外壳注塑件模具的水路设计为例,采用Moldex3D对异型水路设计进行有效性评估,以达到降低冷却时间、改善翘曲从而提高生产效率的目标,并采用金属3D打印技术制作了异型水路。

1 原始方案设计分析

1.1 传统水路设计

产品为某公司生产的USB外壳注塑件,采用一模四穴的模具设计方案。材料是一种丙烯腈丁二烯苯乙烯聚合物(ABS+阻燃剂BC),该产品外观要求严格,棱线要清晰不可有浇口痕迹,且最大翘曲量不能超过0.050 mm,成型周期控制在10 s以内。原始方案设计如图1所示。

图1 原始方案设计

1.2 模流分析结果

采用Moldex3D模流分析软件对原始方案进行分析,结果如图2所示。

图2 传统水路分析结果

图2 (a)显示凹模表面温度监测点高达127 ℃,导致积热严重不容易散热。冷却水管效率低,需要较长冷却时间,导致成型周期较长。且USB注塑件表面温差较大,导致不均匀的收缩,容易引起翘曲变形量大。从图2 (b)可以看出,USB最大翘曲变形量为0.063 mm,最大翘曲位置为注塑末端,方向为向里面翘曲,这与凹模腔表面温度较高有关。因此需要重新设计冷却水路,解决冷却效率低、模腔表面温度高、翘曲变形量大、成型周期长的问题。

2 优化方案设计分析

2.1 异型水路设计

异型冷却水路原理是随着产品的形状而配置水路,相对于传统直孔水路,它的形状可以是异型的。和传统水路相比,由于它能够均匀贴合产品, 使得产品在注塑生产过程中冷却时间更短、生产周期缩减,能有效提高制品产量。另外,由于冷却均匀,产品的变形量也会得到很大控制,产品的合格率也能得到提升。通过冷却液 (水) 在模具内通道流过,为注塑件带走更多的热量,达到快速冷却,这种冷却效果的速度和均匀性是由流体通道以及冷却流体的速度来决定的。根据USB外壳一模四穴的模具结构设计和产品的外观结构,凹模部分设计出如图3所示的异型水路分布,水路直径为1.5 mm。

图3 异型水路设计

2.2 优化方案分析结果

根据异型水路设计方案,再次采用Moldex3D模流分析软件进行分析,结果如图4所示。从图4(a)可以得出凹模表面最高温度为87 ℃,比使用传统水路的127 ℃降低了31.5%,冷却效果显著,极大的提高了冷却水路的效率。由图4(b)可知,产品翘曲最大变形量减小到0.035 mm,翘曲变形量相对于传统水路减少了44.4%,满足产品设计要求。

在模流分析过程中选取4个监测点[见图1(a)],对比2组设计的冷却时间随温度的变化情况,如图5所示。传统水路设计方案最高温度为118 ℃,异型水路设计方案最高温度94 ℃。而且异型水路设计方案温度下降很快,不到5 s可将温度降到70 ℃以下,但是传统水路设计很长时间后却很难降到100 ℃以下。

图4 异型水路分析结果

图5 两种方案监测对比

3 试模验证

基于以上模流分析结果,采用金属3D打印技术制作出异型水路,如图6所示。由于金属3D打印费用高昂,只有凹模型腔里面部分采用金属3D打印技术制作,最后异型水路部分与传统水路部分拼接起来,这样极大的节约了制造成本。异型水路解决了产品内部积热的问题,试模发现原始水路设计冷却时间17～18 s,异型水路冷却时间降到7 s,冷却时间相对传统水路缩短了58.8%。但是达到预期的良好效果,最终注塑成型产品如图7所示。