基于UG与MOLDFLOW双分型小水口注塑模设计①

卢帅龙， 黄聪明， 黎懿维， 黄金培， 林 立， 林 权

(武夷学院 机电工程学院，福建 武夷山 354300)

0 引 言

由于过去的塑料制品大多是以功能导向为主，对于熔接痕、翘曲变形等注塑缺陷不够重视，尤其是小塑件，在成型上常通过设计者或工程人员多年的经验来解决大部分的问题，但发现问题时多半是在模具制造完成之后[1～3]。如何能有效的预测出设计结果是否有缺陷，而且也可以重复执行多次的分析也不会造成任何工艺设备损耗，在此以按键板为例，利用计算机辅助设计与工程分析软件，结合材料商提供的详细塑料材质特性，探讨成型方案、模具结构等因素对注塑成型质量的影响，分析可能出现的注塑缺陷，配合丰富的现场实践经验加以设计优化，将能大幅减少因为多次试模所造成的资源浪费，并可以有效控制产品质量和加速产品的开发与生产。

1 塑件工艺分析

模具行业三维设计的主流软件Unigraphics NX，它不仅能为用户产品设计及加工过程提供数字化造型和验证手段，而且可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构，功能强大[4]。在此应用UGNX8.0创建的按键板的三维模型如图1所示，图中ABCD四块按键板同模成型，塑件厚度统一为3mm，A面板外形尺寸为32mm×44mm，B面板外形尺寸为37mm×42mm，C面板外形尺寸为36mm×22mm，D面板外形尺寸为42mm×62mm，塑件结构相对简单，生产批量大，精度等级为MT5，注塑原料为改性聚丙烯(PP-TD20)，要求模具型芯脱模斜度不大于30′，型腔脱模斜度不大于40′，表面粗糙度为Ra0.8μm。改性聚丙烯PP-T20，材料性质如表1所示，该料加入20%滑石粉，目的是为了增加产品的刚性和提高尺寸稳定性，减小收缩变形量。

表1 改性聚丙烯PP-TD20材料性质

图1 面板按键三维模型

图2 模流分析系统

图3 充填时间分析结果

图4 熔接痕与流动前沿温度分析结果

2 注塑成型模拟分析

2.1 创建模流分析模型

按键板为平板类零件，分型面的选取满足使制件在开模后尽可能留在动模一侧，因此分型面设计在塑件上表面，定模做成凹形，有助于后模设置的推出机构动作。注射模的浇注系统构成主要包括由主流道、分流道、浇口和冷料穴等，塑件采用小水口四点浇口浇注系统，模具采用双分型面，选取HTF(80×A)型注射机喷嘴，喷嘴前段孔径为3mm，圆弧半径为11mm，喷嘴直径取4mm，主流道采用圆锥形，锥角选用1°，主流道球面半径为13mm，长度取45mm，分流道是卸料板下水平的流道，为了便于加工及凝料脱模，分流道优先设置在分型面上，采用U型分流道，为了降低压力损失和温度损失，分流道的截面尺寸要稍大，为了满足少弯折的要求，分流道采用由主流道底部为中心向四周展开直通点浇口的方式，按键板的浇注系统如图2所示，设计分流道为上宽为7mm，下宽为5mm，小水口采用锥形，两头尺寸分别为4mm与1mm。冷却水路根据塑件型腔布局以及模具加工的便捷性，采用直流循环模式，沿着ABCD四块按键板外轮廓布置。各工艺参数采用经验数据推荐参数：干燥：80℃-90℃ /3-4H，塑料温度260℃，模具温度60℃，保压压力56MPA，保压时间10.0s，开合模时间3.0s，冷却时间20.0s。

图5 改进后模流分析系统

图6 改进后熔接痕与流动前沿温度分析结果

图7 改进后的塑件流动变形分析结果

图8 模具装配图

2.2 模流结果分析

流动分析要检视两个结果，首先是塑料熔体是否能完整充满型腔，第二是各型腔流动成型特性是否合理[5～6]，图3为按键板充填时间分析结果，从图中可以获知，ABCD四块按键板充填时间有差异，较小的按键板C充填完成时间约为0.23s，而较大的按键板D充填完成时间约为0.31s，尤其是外围部分。图4为按键板熔接痕与流动前沿温度分析结果，从图中可以看出，塑件充填前沿温度为225℃至240℃，按键板不同位置的熔接温度差达到15℃，尤其是图4中圆圈标注部分，普遍熔接温度处于230℃以下，容易造成熔合印迹，甚至影响塑件的外观质量及力学性能。由参考文献[7～8]获知，不合理的浇注系统极易引起填充不足、缩痕、熔接痕等质量缺陷，对于图3和图4模流分析出现的现象，可以从流道和浇口位置、数目、大小等方面提出相应的优化设计方案来提高注塑制品的表观质量。

2.3 成型方案优化及分析

注塑成型加工及模具设计时，不仅需要保证熔体充满型腔，又要减少流道系统设计不当给塑件带来的成型缺陷[9～10]，在此根据本塑件的结构特征，可知熔体流动产生分支料流几乎是不可能避免的，所以只能从流道设计上进行优化。主流道尺寸形状主要依据浇口套，主流道尺寸过大，不仅影响浇口套尺寸，还影响模架型号，如果设计太小，由于塑料熔体外层与模具接触，冷凝速度快，会造成实际流通截面积的缩小，从模流流动分析结果获知，主流道尺寸符合要求。分流道设计除了要求尽量保证平衡填充和补料之外，还需要注意流道系统的投影作用重心与锁模力的中心接近，分流道的位置、大小及程度与浇口位置及数量密切相关，对于多浇口模具应合理布置浇口位置与数量[11]。对于塑件需要添加分流道，增加浇口数量优化熔接痕，应该在原有的平衡的流道布局上进行改进，为了避免太大的流道截面徒增浇注系统凝料的重量，所以不改变分流道的截面尺寸，但根据ABCD四块按键板不同型腔面积以及充填时间，需要增配二次分流道与小水口。在此应用Moldflow最佳浇口分析设计模块，分别对四块按键板运行浇口位置分析，使用高级浇口定位器算法，并根据图3充填时间分析结果，定义限制性浇口节点以指定不想放置浇口的区域，对不宜布置浇口位置的节点设置约束，对于D按键板使用该算法还可利用一次分析指定多个浇口位置，最后获得最优的流道与浇口布置系统如图5所示。从图5可以看出，AB两块按键板分别设置两个点浇口，按键板C由于由于成型面积小，继续保留一个点浇口，按键板D面积较大，增加到四个点浇口，其中一个浇口与按键板C共用一个二次分流道，最终按键板浇注系统由一个主流道，四个一次U型分流道，五个二次U型分流道，点浇口形状尺寸保持不变。

图6为改进后熔接痕与流动前沿温度分析结果，从图中可以看出，塑件充填前沿温度为239℃至240℃，按键板不同位置的熔接温度差不到1℃，而且图6中仅有个别几处圆圈标注部分，熔接温度略低，ABCD四个按键板的熔接温度几乎相同，都达到了较高的温度240℃，保证了熔接痕的熔接的强度。图7改进后流动变形分析结果，可以看到优化后各个型腔的变形量分布均匀，塑件大部分区域的变形量处于0.06mm以下，而且ABD三个按键板的最大翘曲变形量都没有超过0.1mm，仅有按键板C的框架部分外缘略有达到0.1mm的变形量，总体上变形总量小，达到了很好的平整度。

3 注塑模结构设计

通过应用模流分析软件对按键板进行了注塑过程模拟，预测了成型系统的可行性与合理性，在此基于模流分析结果进行注塑模具结构总体设计，如图8所示。

注塑模成型零部件主要包括凹模(型腔)和凸模(型芯)，考虑到设计冷却水路布置要求，型腔采用嵌入式结构，选取配合H7/m6，保证型腔的定位需求，根据塑件的尺寸形状，确定型腔长×宽×厚=140mm×130mm×25mm，设计结构如图8中型腔8所示，型腔板通过四角的螺钉孔锁附在定模板上，并在型腔板四周设置倒角。型芯9同型腔8亦采用嵌入式结构，两成型零件都设计有一条直流循环式水路环绕一周，为避免注塑生产过程中发生渗水等现象，在水路边缘采用堵头螺牙密封。类似于型腔板，型芯板也通过四角的螺钉孔锁在动模板上，型芯9的四周也设有倒角，但不同的是型芯9上的通孔为顶针25的顶出孔，为了便于在成型脱模时顶出产品。注塑模具各模板的厚度是标准化的，需要合理选择，特别有两个尺寸需要注意，首先是型腔与型芯底板厚度要大于11 mm，在此选取型腔底板厚度为36.5mm，型芯底板厚度为50.5mm，其次是顶针推出距离要符合推出距离要求，在此选取15 mm，所以确定注塑模架的长×宽= 230mm×250mm，如图8中所示，其中定模板7厚度可取为60mm，动模板10按模架标准板厚取80mm，动定模板缝隙取1mm，垫块14取尺寸为65mm，然后即可确定推板16尺寸为250mm×140mm×15mm，顶针固定板15尺寸为250mm×140 mm×20 mm，定模座板5取尺寸为280mm×250 mm×30 mm，动模座板18取尺寸为280mm×250 mm×25 mm，最后确定模架型号为FCI-2325-A60-B80-C80-L230。由于按键板塑件为小塑件，而且成型截面小推出力需求不大，脱模机构设计时优先考虑推杆(顶针)推出方式，另外设置顶针的自由度大，而且顶针截面为圆形，制造更换也方便，容易达到顶针与模板或型芯型腔上顶针孔的配合精度，图8中顶针25主要布局在塑件成型截面较大部位，拉料杆20主要设计在塑件点浇口上方，是为了使得模具开模时，浇注系统凝料能遵从浇口处断开，并将浇注系统冷料拽留在推料板6上，实现第一次分型的目的分离浇注系统，当推料板6运行至行程拉杆3长度，行程拉杆3通过螺栓2固定在定模座板5上，第一分型面则停止打开，继而主分型面在定模板7与动模板10之间打开，通过固定在顶针固定板10上的顶针25将产品推出模外，完成脱模。脱模完毕后，在安装在复位杆12上弹簧13的作用下，推板16与顶针固定板15返回原位，顶针25随之复位，准备合模进行下一次注塑。

4 结 语

传统注塑模具设计主要依靠经验传承及试模的设计方式，常出现模具制作完成才发现问题的困恼，造成成本的消耗与效益的降低。以按键板塑件为例，通过UG建模与MOLDFLOW模流预测分析，获知由于各型腔塑件成型面积不同，采用双分型小水口四点浇口浇注系统，极易造成塑件充填时间差异，或出现各型腔熔接处温度差别大的现象，最大温差达15℃，对塑件的外观质量及力学性能影响显著，在此通过对流道位置、浇口数量进行优化设计，通过增配二次分流道与小水口，增加浇口数量优化熔接痕，使得不同位置的熔接温差不到1℃，保证了熔接痕的熔接的强度。同时采用直流循环模式冷却水路，既简化了模具，又满足了成型冷却需求，通过模流分析获知改进后的双分型小水口九点浇口浇注系统可行，产品的翘曲变形量最大仅有0.1mm，变形总量很小，达到了很好的平整度。通过运用计算机辅助设计与工程分析进行按键板注塑模结构设计，实践证明该模具结构符合生产要求，产品质量合格。

通过计算机辅助设计与工程分析，准确的预测了塑件成型特性，使设计者能在设计阶段即发现问题点与发生原因，再配合丰富的现场经验加以进行设计变更，有效率的预先知道问题并解决问题，减少试模的次数与修模的费用，也缩短了产品开发的时间，有效的降低成本与增加利润，该方法可为相关模具设计从业者提供理论参考。

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