基于UG和Moldlfow的散热板格栅热流道叠层注塑模具设计

熊江，易良培

（重庆三峡职业学院，重庆404155）

0 引言

相对于普通的一模单腔或多腔模具，叠层模具通常采用两个或者多分型面实现模具的开模，能够同时满足不同模具层级关系的型腔内塑件的成型，且塑件成型质量差异性小。叠层模具对于传统模具，在锁模力上的增幅提高了将近10%，这个优点使得同等吨位下的注塑机可以最大效率地进行生产，极大地提高了注塑机的利用率，多层模具组合在一起，针对需要制造多套模具的情况，可以极大地缩短模具制造周期，降低模具制造成本，是注塑模具发展与优化的一种前沿技术方向，此研究方向对于提高我国模具制造技术有非常重要的意义。

1 塑件工艺分析

本文设计的塑件为电器类散热格栅，主要用于电器散热叶片的防护，整体为一个矩形，塑件外形尺寸为330 mm×250 mm×33 mm，塑件表面光滑，为了保证外观质量，需要浇口痕迹小、塑件壁厚均匀，但内部加强筋多、网格分布密集，设计中需要注意均匀顶出脱模，该塑件为大批量生产，精度要求一般，采用ABS工程塑料，具有较高的强度，保证了塑件的使用寿命，塑件如图1所示。

2 Moldlfow浇注系统工艺分析

针对散热格栅进行最佳浇口分析，确定浇口位置，经过分析得知浇口位置位于塑件中心处，如图2所示。

图1 塑件图

单点浇口充填速度较慢，根据图2结合实际分析结果进行浇口优化方案，本设计采用多点式均衡式浇口，提高注射效率，浇口位置设计如图3所示。

根据叠层模具特点，进行叠层模具浇注系统完善，并运用Moldlfow有限元进行充填工艺性分析，本次分析采用ABS塑料，具体材料参数如表1所示。注塑工艺参数如表2所示。

图2 最佳浇口位置

图3 优化后浇口方案

表1 ABS材料参数

表2 注塑成型工艺参数

设定完成材料参数和工艺参数后经过Moldflow分析，该浇注系统设计实现充填均匀、快速，满足要求，充填时间为9.489 s，流动前沿温度变化在223.7～231.1 ℃之间，温度相差值4 ℃内，如图4、图5所示。

图4 叠层模充填时间分析结果

图5 流动前沿温度分析结果

图6 锁模力变化图

图7 注射位置处压力变化图

锁模力XY变化图峰值最大值为130 t左右，注射位置处压力XY图变化峰值为80 MPa，如图6、图7所示。

综上所有Moldlfow 分析数据结果，本套叠层模具充填均匀，上下两层注塑成型质量相同，成型时间相同，流动前沿温度损失小，锁模力与注射压力相对于普通模具有适当增加，采用叠层模具进行散热格栅的注射生产可以实现2倍效率的提升。

3 散热格栅注塑模具设计

3.1 浇注系统设计

根据分析所得浇注系统形式，采用热流道浇注系统进行设计，热流道系统可以保持流道内熔融状态下的凝料温度恒定，且相对于普通冷流道无流道废料产生，大大地降低了材料成本，同时热流道系统可以实现单个热嘴温度调节与进浇时间控制，可以极大地提高注塑工艺在现场生产时的改善与优化，热流道系统由分流道板、热嘴、温度控制系统组成。

由于本设计为叠层模具，所以采用了2组热流道浇注系统，为保证在中心处进浇，还考虑模具结构增加连接热嘴。采用UG进行模具结构设计，具体结构如图8所示。

图8 热流道浇注系统

3.2 成型系统设计

叠层模具的型芯和型腔设计方面采用镶嵌式，有利于机械加工工艺性的实现，再根据塑件结构采用UG分模，设置最大端面处为分型面，设置材料收缩率为1.005，分模后成型零件长宽尺寸为320 mm×400 mm，成型零件结构如图9、图10所示。成型零件钢材采用NAK80高级镜面塑胶模具钢，具有非常好的抛光性，满足表面外观质量要求，该材料属于预硬模具钢材，硬度为37～43 HRC，价格适中，寿命长久，适合大批量生产的塑胶产品。

图9 模具型腔

图10 模具型芯

3.3 脱模系统设计

叠层模具相对于传统的注塑模具结构，需要对应增加顶出脱模机构，采用注塑机开模动力源提供开模动力实现塑件的脱模，单个塑件采用25根圆形截面φ5顶杆均匀分布在塑件的加强筋上，实现顶出力的均匀分布，如图11所示。

图11 顶杆脱模机构设计

3.4 冷却系统设计

塑件整体为矩形偏平板类塑件，中间有热流道热嘴，需要使得水道远离浇注系统均匀冷却，防止浇注系统过快的损失注射温度，四周采用环绕式冷却水道，型芯型腔各一组均匀冷却，冷却水道直径为φ10 mm，采用标准铜嘴与外部水管连接，冷却系统设计如图12所示。

图12 冷却系统设计

3.5 模架系统设计

叠层模具无法采用传统标准模架大水口或细水口系统标准模架，结合热流道系统增加热流道板、中间垫板，前模部分增加面针板、底针板、复位杆机构来实现上层塑件的脱模，模具动定模板长宽尺寸为550 mm×650 mm，定模板厚度为120 mm，动模板厚度为100 mm，垫块高度为120 mm。模具最大长宽高尺寸为650 mm×650 mm×900 mm。

3.6 传动与顺序开模机构设计

在注塑完成后，叠层模具需要考虑两层模具同时传动与开模、同时顶出脱模的结构功能，本设计中在模具左右两侧中心采用齿轮齿条机构实现同步开模，中心大齿轮固定在模具中心板上，两个齿条分别固定在对应上下层的模板上加销钉定位增加精度，如图13所示。

图13 齿轮齿条同步传动机构

顶针板的同步采用拉板结构形式，当模具达到顶出行程要求后，拉板顶端T形扣位与中心板上限位块接触，模具继续开模的同时，拉板末端带动顶针板、圆形顶杆顶出塑件，实现塑件与模具型芯的分离，如图14所示。

此处设计相对于一般叠层模具中采用的液压油缸传动装置，更加稳定可靠，结构也更加简单，维修保养与制造成本低。

图14 拉板开模机构

3.7 模具工作过程

熔融状态下的凝料经过热流道分流板27、24，热嘴23、25、26，到达模具型腔内，经过保压、冷却后成型塑件，注塑完成后，注塑机动模向后运动，拉动模具底板1往后，齿轮16转动，传动给齿条17，叠层模具中两个分型面同步打开，拉板31顶板T形块接触限位块32，模具继续运动的同时，拉板31底部带动底针板4、面针板5、顶杆6完成塑件的顶出脱模，塑件与模具型芯分离。注塑机动模板往前运动，模具完成合模复位，准备下一次工作过程。

4 结论

本文针对散热格栅塑件叠层模具进行了工艺分析，经Moldow有限元模拟最佳浇口，优化浇注方案完成热流道系统设计，注塑成型工艺方案良好，两层塑件成型质量相同。采用UG软件实现模具其余成型系统、冷却系统、顶出脱模系统、传动与顺序开模机构设计，结构简单，制造成本低，生产效率是传统模具的2倍，采用热流道无废料产生，大大提高了经济效益，适合大批量生产。

图15 模具总装图