卡槽塑料产品注塑模具的设计

□ 赵 猛

沈阳职业技术学院 中德学院 沈阳 110045

1 设计背景

当前,塑料已进入人们生产和生活的各个领域。塑料成为替代部分钢铁、木材、皮革等不可或缺的化学材料[1]。注塑模具作为塑料制品的制造主体,集成了各种现代工业产品制造技术,是国民经济发展的重要加速器[2]。

笔者针对卡槽塑料产品的结构特点,以主流的模具计算机辅助工程分析软件Moldflow为载体[3-4],对卡槽塑料产品注塑成型过程中的填充、保压、冷却、翘曲等工艺进行分析。通过分析来预测卡槽塑料产品在成型过程中可能出现的缺陷,并对卡槽塑料产品注塑模具的浇注系统和冷却系统进行优化设计。最终利用三维建模软件Unigraphics完成卡槽塑料产品注塑模具的设计。

2 卡槽塑料产品分析

作为放置电子器件的载体,卡槽塑料产品的材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,特点为成型收缩率小、表面粗糙度值小、电性能和机械性能优良等。采用Unigraphics软件对卡槽塑料产品建模,卡槽塑料产品如图1所示。未设置收缩时,卡槽塑料产品外形尺寸为115 mm×36 mm×30 mm,平均厚度为0.8 mm,最大壁厚为2.5 mm。卡槽塑料产品对翘曲质量要求高,色泽要求均匀,不允许存在任何飞边、毛刺、缩水等问题。

3 前处理与网格划分

由于卡槽塑料产品结构复杂,多加强筋,小台阶、小圆角分布广泛,对模型质量产生不利影响,因此在进行成型仿真分析之前,需要对卡槽塑料产品模型进行前处理[5-6]。

将卡槽塑料产品模型以.x_t格式导入Caddoctor软件进行简化处理,将半径1.5 mm以内的圆角、直径1 mm以内的孔、高度0.5 mm以下的凸台等特征删去。简化后的模型以.sdy格式导入Moldflow软件,进行网格划分。由于卡槽塑料产品壁厚不均,并且不属于薄壁件,因此综合分析之后,决定采用双层面三角形网格,网格边长取制件壁厚的1～2倍[7],笔者取1 mm。划分网格,对网格质量进行修复,最终得到网格单元数为30 412,匹配百分比为96%,相互百分比为97.6%,平均纵横比为1.69,最大纵横比为5.96,满足分析要求。卡槽塑料产品网格划分模型如图2所示。

▲图1 卡槽塑料产品

▲图2 卡槽塑料产品网格划分模型

4 浇注系统与冷却系统设计

注塑模具采用一模两腔设计,侧向浇口进浇,进浇位置为接近最佳浇口位置。主流道采用锥形,长度为60 mm,浇口直径为3 mm,锥度为2°。分流道为圆柱形,长度为15 mm,直径为5 mm。浇注系统如图3所示,设计完毕后检查连通性。

注塑模具冷却系统决定了卡槽塑料产品的质量及生产效率,如图4所示。注塑模具采用水管冷却,上下布置,水管直径为10 mm,水管与零件间距离为20 mm,管道数量为四个。零件管道间距为45 mm,两中心管道间距为30 mm。

5 填充与保压分析

填充分析结果如图5所示。熔体从注塑机喷嘴进入注塑模具主流道到充满整个型腔,用时为0.787 9 s。速度压力切换时,模具型腔内压力为62.12 MPa,是整个注塑成型周期中的最高压力,此时卡槽塑料产品远端灰色区域为未填充区域,整套模具进入保压阶段,补充缺料。填充过程中熔体截面中心的最大温差为10.7 K,符合温差要求。任何卡槽塑料产品不可避免地会在两股熔体流动的前沿汇集处产生熔接痕,本卡槽塑料产品熔接痕主要产生在产品边缘处。

▲图3 浇注系统

▲图4 冷却系统

▲图5 填充分析结果

6 冷却分析

卡槽塑料产品整体结构规整,采用注塑模具设计中较为常见的直通水路冷却方案。冷却分析结果如图6所示,冷却液温度出入口温差为0.73 K,回路管壁温差为3.86 K,回路雷诺数为1 000,冷却效果较好。

▲图6 冷却分析结果

7 注塑模具设计

Unighraphics软件在补破孔、抽取面、拆分体、创建分型面等领域具有强大功能,深受模具设计工程师的青睐,是目前国内外模具设计行业中的主流三维软件之一[8-10]。

注塑模具三维设计如图7所示。卡槽塑料产品存在较深骨位及较高凸起,为延长模具使用寿命,节约模具材料,利于排气,模仁部分使用镶件拼装,型腔和型芯分别整体嵌入模具内。模仁四周采用虎口精定位,顶出机构由推杆推出。推杆四周布置,保证顶出力平衡,防止卡槽塑料产品损坏。

▲图7 注塑模具三维设计

▲图8 注塑模具装配

8 注塑模具工作原理

注塑模具装配如图8所示。注塑模具工作时,动模部分与定模部分通过导向机构的导柱和导套合模,使型芯和型腔紧密结合,构成产品的整体型腔。将料筒中经过塑化的熔体通过注塑机以一定的压力和速度,经喷嘴借助浇注系统向整体型腔注塑成型。由冷却系统使填充到型腔的熔体冷却,成为固态的塑件制品。注塑模具开模,由推杆将塑件从动模型腔上推出模外,同时拉料杆将凝料从分流道中推出。经过下一个循环周期,注塑模具重新合模时,在复位机构的作用下,顶出机构恢复到合模的初始位置,重复整个成型过程。

9 结束语

卡槽塑料产品对翘曲质量要求高,不允许有任何飞边、毛刺、缩水等质量问题。注塑模具设计时,选择矩形侧向浇口进浇,一模两腔对称设计,冷却水路为直通水路,四周环绕布置。

运用Moldflow软件对卡槽塑料产品的注塑成型过程进行仿真分析,得到合理的填充时间、速度压力切换时压力、流动前沿温度、回路冷却温度、翘曲变形量等参数,可以提前检验熔体的充填与流动是否会导致卡槽塑料产品产生成型缺陷,有利于设计人员判断浇注系统与冷却系统结构设计的正确性,进而保证注塑成型的质量。

针对卡槽塑料产品的结构特点,应用Unighraphics软件设计了注塑模具,对于难以加工的较深骨位的部分设计了镶件,采用直径不同的推杆四周布置,保证顶出力平衡,防止卡槽塑料产品损坏。