劉祥建，周佳睿，姜勁
(金陵科技學院機電工程學院，南京211169)
摘要：針對某種塑料按鈕開關(guān)帽帶有環(huán)形側(cè)凹且帽體壁厚變化不均勻的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一套帶斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機構(gòu)的一模兩腔模具。為改善塑件質(zhì)量及解決塑件脫模問題，首先，結(jié)合Moldflow軟件仿真確定了澆口位置和冷卻系統(tǒng)，并對塑件的成型過程進行仿真分析，結(jié)果顯示，塑料熔體充滿型腔的時間短且兩型腔的充型一致性好，同時，塑件的體積收縮率小且兩型腔內(nèi)的塑件體積變化均勻，型腔內(nèi)氣體的排出情況較好，氣穴少，塑件產(chǎn)生的翹曲變形量在合理變形范圍之內(nèi)。其次，對模具結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，主要包括分型面、成型零件以及側(cè)抽芯機構(gòu)。由于塑件帶有環(huán)形側(cè)凹，型芯設(shè)計成組合式結(jié)構(gòu)，并由大型芯、滑塊和成型桿成型塑件的帽體部分，采用斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機構(gòu)實現(xiàn)塑件環(huán)形側(cè)凹的成型并脫模。通過Moldflow軟件分析和優(yōu)化模具設(shè)計方案，可以加快模具的設(shè)計過程，提高塑件的成型質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：按鈕開關(guān)帽；注塑模具；澆口位置；成型過程
隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，塑料制品因成本低、質(zhì)量輕、力學性能相對較高等諸多優(yōu)點，在車輛制造、家用電器、醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了更為廣泛的應(yīng)用。與此同時，注塑模具作為塑料制品成型的主要設(shè)備，其設(shè)計與制造技術(shù)也在快速提升[1-6]。
CAD/CAE計算機輔助技術(shù)的應(yīng)用大大方便了注塑模具的設(shè)計過程，為生產(chǎn)出更低成本、更高質(zhì)量的塑料制品提供了幫助[7-11]。王巍等[12]設(shè)計了機載計算機卡鉤塑件的注塑模具，并應(yīng)用Moldflow軟件對塑件的澆口位置和成型過程進行了仿真模擬，設(shè)計過程中，根據(jù)仿真模擬結(jié)果選取了塑件的最終澆口位置，塑件的成型分析結(jié)果顯示塑件澆口位置的設(shè)置是合理的。吳小飛[13]進行了掃地機器人底座塑件的注塑模具設(shè)計，針對設(shè)計的注塑模具結(jié)構(gòu)，應(yīng)用Moldflow軟件對澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計的合理性進行了仿真驗證。邵良臣等[14]進行了汽車控制面板旋鈕開關(guān)注塑模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并運用Moldflow軟件進行了塑件成型過程中的流動、冷卻及翹曲仿真模擬，從而對塑件的成型工藝方案進行優(yōu)化。耿金萍等[15]設(shè)計了偏心輪支架塑件的注塑模具，設(shè)計過程中，為獲得最佳澆口位置，保證塑件制品的成型質(zhì)量，運用Moldflow軟件對設(shè)計的澆注系統(tǒng)進行了仿真分析。熊江等[16]應(yīng)用UG軟件進行了塑料散熱板格柵熱流道疊層注塑模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并運用Moldflow軟件進行了最佳澆口位置仿真和澆注系統(tǒng)充填工藝性仿真，優(yōu)化了注塑工藝方案?？梢钥闯觯琈oldflow軟件在優(yōu)化注塑模具設(shè)計結(jié)構(gòu)、驗證模具結(jié)構(gòu)的合理性方面發(fā)揮了作用，通過仿真模擬有利于降低模具的試模成本、加快模具設(shè)計過程、提升塑件制品的質(zhì)量。
筆者以某種塑料按鈕開關(guān)帽為對象進行注塑模具設(shè)計，按鈕開關(guān)帽帶有環(huán)形側(cè)凹且帽體壁厚變化不均勻，為改善塑件質(zhì)量及解決塑件脫模問題，應(yīng)用Moldflow軟件對塑件的澆口位置和成型過程進行仿真分析并優(yōu)化模具設(shè)計結(jié)構(gòu)，得到合理的注塑方案。
1 塑件分析
按鈕開關(guān)帽結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體外形呈中心對稱結(jié)構(gòu)，上部為帽蓋部分，下部為帽體，塑件結(jié)構(gòu)主要由平面、圓弧面組成，其中，帽蓋部分與帽體之間形成環(huán)形側(cè)凹。塑件外形尺寸為50mm×50mm，最大壁厚為6mm，最小壁厚為1.5mm。塑件材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)，其密度為1.05g/cm3，收縮率為0.4%~0.7%，該材料耐磨性優(yōu)良，尺寸穩(wěn)定性好，且沖擊強度較好，在機電產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。
圖1按鈕開關(guān)帽結(jié)構(gòu)示意圖
使用UG軟件中的體積測量功能，得出塑件的體積約為20.40cm3，塑件的質(zhì)量約為21.42g。
2 塑件成型工藝分析
2.1 網(wǎng)格劃分
為提高注塑模具結(jié)構(gòu)的合理性，在進行模具設(shè)計之前應(yīng)用Moldflow軟件對塑件的澆口位置和成型過程進行仿真分析。建立按鈕開關(guān)帽仿真模型，并進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后共得到10150個三角形單元，網(wǎng)格質(zhì)量的匹配百分比為80%，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。
圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果
2.2 澆注系統(tǒng)方案
澆注系統(tǒng)決定了塑料熔體在注塑模具中的運動流向，合理的澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以保證來自注塑機噴嘴的塑料熔體達到最佳的流動狀態(tài)，并實現(xiàn)平穩(wěn)、順利地充模，完成整個澆注過程。考慮到塑件制品的結(jié)構(gòu)尺寸較小及塑料熔體流動過程中的流動平衡、壓力平衡的影響，為提高生產(chǎn)效率及確保塑件質(zhì)量的均勻和穩(wěn)定，注塑模具采用一模兩腔結(jié)構(gòu)，型腔排布采用平衡式排列。
澆口的位置對塑件質(zhì)量影響較大，為此，利用Moldflow軟件對塑件進行澆口位置分析，仿真結(jié)果如圖3所示?？梢钥吹?，推薦的比較合適的澆口位置在鄰近環(huán)狀凸起的塑件帽體一側(cè)附近，考慮到塑件的環(huán)狀凸起結(jié)構(gòu)以及塑料熔體的流動阻力的影響，將澆口選在環(huán)狀凸起靠近塑件帽體的邊沿位置。
圖3 澆口位置仿真結(jié)果
根據(jù)上述分析結(jié)果，澆口選用側(cè)澆口形式，并設(shè)計澆口厚度為0.8mm，寬度為2mm，長度為2mm；主流道為圓錐形結(jié)構(gòu)，設(shè)計其小端直徑為5mm，大端直徑為8.24mm，長度為92.7mm，球面凹坑半徑為20mm；分流道為圓形截面結(jié)構(gòu)，設(shè)計其直徑為6mm。
2.3 冷卻系統(tǒng)方案
塑料熔體在注塑模具中冷卻成型時，其溫度的變化過程會直接影響塑件質(zhì)量的優(yōu)劣以及塑件生產(chǎn)效率。如果溫度控制不好，塑件容易產(chǎn)生翹曲變形、應(yīng)力開裂、表面不光澤及熔合紋等，造成塑件品質(zhì)下降，甚至不合格。同時，塑料熔體的冷卻時間是影響生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。
注塑模具常使用循環(huán)水進行冷卻，其中，冷卻回路的形式和冷卻管道的直徑是冷卻系統(tǒng)設(shè)計考慮的兩個主要內(nèi)容。為減小出入水的溫度差異，使用常溫水作為循環(huán)水進行冷卻，冷卻水管上、下各有兩根，且以環(huán)繞塑件四周的結(jié)構(gòu)形式進行布局，其中，冷卻水管直徑為10mm，冷卻水管布局如圖4所示。
圖4 冷水管布局示意圖
2.4 成型分析結(jié)果
根據(jù)前述的澆注系統(tǒng)方案和冷卻系統(tǒng)方案，利用Moldflow軟件模擬塑件的成型過程，對影響塑件成型質(zhì)量的填充時間、體積收縮率、氣穴位置、翹曲變形量等因素進行分析。在仿真模擬過程中，設(shè)置塑料熔體溫度為240℃，保壓時間為10s，開模時間為5s。
圖5為填充時間仿真結(jié)果。從圖5可以看出，塑料熔體充滿型腔的時間為0.6359s，可短時間內(nèi)將塑料熔體充滿型腔，同時，在填充過程中，塑料熔體流至兩型腔末端時間的一致性好，且流動均勻平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)填充不足的情況，因此，有利于獲得高精度、密實的塑件。
圖5 填充時間仿真結(jié)果
圖6是體積收縮率仿真結(jié)果。從圖6塑件的體積變化情況可以看出，兩型腔內(nèi)的塑件體積變化均勻，且體積收縮率小，未出現(xiàn)局部位置體積收縮率較大的缺陷，塑件的尺寸穩(wěn)定性較好。
圖6 體積收縮率仿真結(jié)果
圖7是氣穴分布仿真結(jié)果
從圖7可以看出，只在塑件帽蓋部分表面產(chǎn)生了幾處氣穴現(xiàn)象，說明型腔內(nèi)氣體的排出情況較好，另外，氣穴相對接近帽蓋部分的邊沿，位置靠近分型面，而且該塑件的體積較小，排氣量較小，可利用注塑模具分型面之間的微小間隙自然排氣，更有利于型腔內(nèi)氣體的排出，避免氣穴的產(chǎn)生。
圖8是翹曲變形量仿真結(jié)果。
從圖8可以看出，塑件的翹曲變形主要發(fā)生在帽蓋部分上部和帽體部分下部，這兩處位置由于塑件形狀結(jié)構(gòu)的原因，壁厚變化不均勻，導(dǎo)致塑件收縮不均勻而發(fā)生翹曲變形，其中，產(chǎn)生的最大翹曲變形量為0.3567mm，相對塑件的結(jié)構(gòu)尺寸，該變形量在合理變形范圍之內(nèi)，能夠保證塑件的成型精度。
綜上所述，前述注塑模具的設(shè)計方案能夠滿足成型要求。
3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 分型面設(shè)計
分型面選擇的優(yōu)劣將直接影響到塑件的成型質(zhì)量，以及模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、注塑工藝操作的難易程度。
根據(jù)分型面位置的選擇原則，該塑件分型面的設(shè)計，應(yīng)滿足以下要求：(1)因為該塑件的外觀面要求光順，因此，分型面要盡量避免選擇在塑件光順的外表面位置處；(2)因為注塑模具的推出機構(gòu)一般設(shè)在動模部分，因此，分型面的選擇要盡量保證塑件能留在動模部分；(3)因為該塑件的外表面存在環(huán)形側(cè)凹，需要設(shè)計側(cè)抽芯機構(gòu)實現(xiàn)脫模，因此，分型面的選擇要盡量使側(cè)抽芯行程較短。
綜合上述選擇要求，分型面選擇在帽蓋部分與環(huán)形側(cè)凹結(jié)合處的最大截面位置，如圖9所示。
圖9 分型面示意圖
3.2 成型零件設(shè)計
成型零件包括型腔和型芯，注塑過程中，型腔用于成型塑件的帽蓋部分，型芯用于成型塑件的帽體部分。
常見的型腔結(jié)構(gòu)有整體式、組合式兩種形式。該塑料按鈕開關(guān)帽尺寸較小，帽蓋部分結(jié)構(gòu)簡單，因此，注塑模具型腔采用整體式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。
圖10 型腔結(jié)構(gòu)示意圖
型芯也有整體式、組合式兩種結(jié)構(gòu)形式，整體式型芯常用于小型的塑件，較大塑件的注塑常采用組合式型芯。設(shè)計過程中，考慮到帽體部分的環(huán)形側(cè)凹結(jié)構(gòu)和孔狀結(jié)構(gòu)，型芯采用組合式結(jié)構(gòu)，由大型芯和滑塊成型帽體的環(huán)形側(cè)凹結(jié)構(gòu)，由成型桿成型帽體的孔狀結(jié)構(gòu)。其中，大型芯的結(jié)構(gòu)如圖11所示。
圖11 大型芯結(jié)構(gòu)示意圖
3.3 側(cè)抽芯機構(gòu)設(shè)計
由于該塑料按鈕開關(guān)帽的帽蓋部分與帽體之間形成環(huán)形側(cè)凹，具有與開模方向不一致的分型，注塑模具開模時無法直接將塑件推出，因此，設(shè)計過程中，需要考慮注塑模具的側(cè)向分型與抽芯。
該塑件環(huán)形側(cè)凹較淺，抽芯距較小，因此采用斜導(dǎo)柱抽芯機構(gòu)，在結(jié)構(gòu)形式上，將其設(shè)計成斜導(dǎo)柱安裝在定模上、滑塊安裝在動模上的形式。這種結(jié)構(gòu)形式適合于塑件的外側(cè)抽芯，開模過程中，通過斜導(dǎo)柱驅(qū)動側(cè)面的滑塊向外運動，從而方便推管將塑件從成型桿上推出。
3.4 模具整體結(jié)構(gòu)及工作過程
該塑料按鈕開關(guān)帽的注塑模具整體結(jié)構(gòu)如圖12所示。注塑模具的工作過程如下所示。
(1)合模過程。動模與定模進行合模，在注塑機合模機構(gòu)推動下，通過導(dǎo)柱的導(dǎo)向，動模向定模方向運動，實現(xiàn)注塑模具的合模并鎖緊。
(2)注塑過程。塑料原材料在注塑機的料筒內(nèi)被加熱至熔融狀態(tài)，然后塑料熔體通過注塑機的噴嘴依次進入注塑模具的主流道、分流道、澆口，最后進入型腔。
(3)保壓和冷卻過程。塑料熔體在注塑模具的型腔內(nèi)進行保壓和冷卻，進而獲得相應(yīng)形狀的塑件。
(4)開模過程。在注塑機的開模力作用下，動模向遠離定模的方向運動，動模與定模在分型面位置分開一定的距離，在動模運動過程中，主流道里面的塑料凝料將脫離定模并跟隨動模一起運動，同時，在斜導(dǎo)柱的驅(qū)動作用下，滑塊相對于塑件向外運動，實現(xiàn)注塑模具的側(cè)向分型與抽芯，注塑機推動推板，進而推管將塑件從成型桿上推出掉落。
(5)復(fù)位過程。動模與定模再次進行合模，繼續(xù)進行下一個周期的注塑工作過程。
圖12 注塑模具結(jié)構(gòu)圖
4 結(jié)語
開關(guān)件在機電產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，以某種塑料按鈕開關(guān)帽為對象應(yīng)用Moldflow軟件對其澆口位置和成型過程進行仿真分析，并完成了塑件的注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。主要分析結(jié)果和設(shè)計工作如下所示。
(1)通過澆口位置仿真分析，澆口設(shè)計為側(cè)澆口形式且位于環(huán)狀凸起靠近塑件帽體的邊沿位置處。塑料熔體的成型仿真結(jié)果顯示，塑料熔體充滿型腔的時間為0.6359s，充型時間短且兩型腔的充型一致性好；塑件的體積收縮率小，兩型腔內(nèi)的塑件體積變化均勻，未出現(xiàn)局部位置體積收縮率較大的缺陷；塑件的氣穴少且位置相對接近帽蓋部分的邊沿，型腔內(nèi)氣體的排出情況較好；塑件產(chǎn)生的最大翹曲變形量為0.3567mm，變形量在合理變形范圍之內(nèi)。
(2)注塑模具設(shè)計為一模兩腔的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合塑件的結(jié)構(gòu)特點，分型面選擇在塑件帽蓋部分與環(huán)形側(cè)凹結(jié)合處的最大截面位置，型腔設(shè)計成整體式結(jié)構(gòu)，型芯設(shè)計成組合式結(jié)構(gòu)，并由大型芯、滑塊和成型桿成型塑件的帽體部分，采用斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機構(gòu)實現(xiàn)塑件環(huán)形側(cè)凹的成型。
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