壳体注塑CAE与热流道模具设计

杨 鸿

(广东环境保护工程职业学院，广东 佛山 528216)

0 引 言

现代产品的很多零部件材质选用塑料，需要通过注塑成型来完成加工。注塑件的质量会影响到产品的品质，而传统的注塑模具设计大多依靠设计人员的经验知识，需要经过多次修模和调试才可完成生产制造，从而制约了产品开发的效率。运用CAE软件分析可以预测产品注塑过程中的潜在缺陷，针对地制定相应解决方法，这样可以大大缩短模具设计与制造周期，并能提高产品的质量[1]。

本文在对某注塑壳体构件进行CAE分析的基础上，运用UG软件设计出热流道注塑模具，为类似产品进行注塑模具设计提供借鉴。

1 塑件结构与材料分析

1.1 塑件结构

图1为壳体的3D结构示意图，壳体的最大外形尺寸为264.4 mm×197.3 mm×135 mm，产量为3.5万件，材料选用韩国SK公司的PP(聚丙烯)料，牌号为B380G。壳体塑件要求及特点为：(1)塑件不得有注塑缩痕、流痕、光泽不均、飞边、顶白等表观缺陷；(2)壳体结构中等复杂，既有侧凹，也有倒扣结构。

图1 零件3D结构图

1.2 材料分析

PP为结晶型高聚物，密度为0.91 g·cm-3，成型收缩率为1.0%～2.5%，成型温度为160～220℃。该材料具有以下成型特征：(1)是结晶料，吸湿性小，易发生融体破裂，长期与热金属接触易分解；(2)流动性好，但收缩范围及收缩值大，易发生缩孔、凹痕、变形；(3)冷却速度快，应注意控制成型温度，低温高压时容易取向；(4)塑料壁厚须均匀，避免缺胶、尖角，以防应力集中。PP材料的流变曲线及PVT(压力—容积—温度)曲线如图2所示。

(a) 流变曲线

(b) PVT曲线

2 模流工艺分析

2.1 网格划分

运用UG NX10.0软件对壳体进行实体建模，再用CAD doctor进行模型简化，模型简化目的是提高网格质量、降低网格数量、加快求解效率[2]。简化壳体3D模型中不影响分析结果的工艺小圆角及倒角，并将实体数据导出为IGES格式文件。启动AMI (Autodesk Moldflow Insight) 2016，将IGES格式文件导入，设置全局边长为2 mm，对壳体模型进行双层面网格划分，并通过合并节点、交换边、移动节点等操作进行网格修复[3]，最终网格模型如图3所示。该网格模型三角形网格数量为132 426，表面积为1 972.06 cm2，网格最大纵横比为7.29，平均纵横比1.53，最小纵横比1.15，共用边为198 639条，连通区域为1，网格匹配率96.4%，相互百分比为96.1%。网格划分质量很高，网格纵横比、连通性、匹配率等各项指标全部符合要求，因此该壳体塑件的网格划分能满足后续模流分析的要求[4]。

图3 壳体网格模型

2.2 塑件壁厚分析

壳体塑件壁厚分析结果如图4所示，整体壁厚分布相对比较均匀，厚度为1.5 mm，小范围局部区域厚度为3 mm，不影响整体成型效果，塑件表面不会出现明显的瑕疵。

2.3 浇口位置

利用AMI浇口位置分析模块，得到壳体塑件理论上的最佳浇口位置在塑件的中间偏上部位，如图5所示。基于塑件是采用热流道模具生产的，为减少冷凝废料产生[5]，未采用热流道与冷流道组合的进胶方式，而是直接采用热流道直接进胶的点浇口方式，虽然塑件表面会有些许痕迹，但不影响其使用功能。

图4 壁厚分析

图5 浇口位置

2.4 成型分析

选择冷却+填充+保压+翘曲分析序列进行成型分析[6]，影响产品质量的分析结果如图6所示。从图6(a)可知：壳体塑件充填时间为1.314 s，浇口两侧方向的充填时间几乎一致，说明在填充过程中充填顺畅、流动平衡，无短射和充填不足情况[7]。从图6(b)可知：V/P切换时，所需最大充填压力为100 MPa。在图6(b)中画圈处填充末端存在灰色区域，表明此处填充略有不足。随后，该壳体进浇口处压力降至80.02 MPa，塑料熔体继续进行产品补缩，直至塑料熔体充满该注塑模具型腔。从图6(c)可知：塑件上最低温度约为254.5℃，而最高流动前沿温度为261℃。塑件温度分布大体比较平均，不会出现短射现象。从图6(d)可知型腔内压力变化的情况：当聚合物进入型腔，压力持续增高，随后从最高降至保压位置，直至填充结束。从图6(e)可知：塑件区域顶出体积收缩率比较均匀，要保证收缩率完全一致是比较困难的，但可以通过调整保压曲线促使塑件收缩率均匀。从图6(f)可知：冻结因子越大，冻结层越厚，当冻结因子为1时，表示截面已完全冻结，上下两个注塑产品在充填结束时的冻结层分布比较均匀，没有过快冻结区域。图6(g)中，圆圈标识部分是气穴产生的表面，可以通过在模具设计时刻意增加镶件部分来改善模具排气。从图6(h)可知：熔体在模型表面上沿着流动前沿聚合形成熔接线，熔接线的存在指示了结构缺点或表面缺陷。可以通过提高熔体温度、注射速度和注射压力来改善产品表面出现的熔接痕。从图6(i)可知：冷却液入口与冷却液出口最大温度差为1.76℃，一般来说，温度差最高不超过3℃，越高的值可能显示越广的模具表面温度范围。从图6(j)可知：产品的变形趋势位置在壳体的填充末端，其变形主要是由零件壁薄及狭长引起的。在实际使用时，可通过与其他零件安装配合，实现对壳体变形的纠正。综上所述，壳体拟采用的模具浇注系统方案及冷却系统方案是可行的。

(a) 填充时间

(b) 速度/压力切换时的压力

(c) 流动前沿温度

(d) 注射位置处压力：XY图

(e) 顶出时的体积收缩率

(f) 冻结层因子

(g) 气穴

(h) 熔接线

(i) 回路冷却液温度

(j) 所有效应变形

3 热流道模具结构设计

根据产品特点，考虑出模与加工方便，确定采用侧抽滑块及内抽芯滑块结构出模。由于产品外部侧凹位置面积比较大，在设计时需要设计水路对产品进行冷却，防止缩水及翘曲变形[8]。所以本模具采用斜导柱滑块抽芯机构脱模。部分滑块及前后模仁均需设水路。根据产品结构特点及客户要求，模具采用热流道直接点浇口进胶方式，减少了废料产生，产品采用顶块及顶针顶出方式。

3.1 分模设计

分型面设计：针对壳体的复杂形状结构，采用如图7所示的塑件周边小平面及产品底面作为分型面。模具型腔采用塑件左右对称布置的一模二腔结构形式(见图6)，使用UG软件进行模具设计。

图7 分型面位置

分型面按图7设置。分型面设计要全面考虑模具结构的合理性、机械加工的可行性、修配模具的方便性等[9]，一定要避免由于分型面选择不合理，以致模具加工完成后，无法正常进行产品生产加工。图7所示分型面利于对产品侧凹部分进行侧抽设计，及对产品细小加强筋结构增添排气渠道，从而降低产品成型及模具设计难度，便于产品合模面飞边的处理。

前后模仁及滑块设计：利用前模与后模的分型线生成的分型面将前后模仁分开，由于产品有侧凹及孔槽部分(见图1)，所以在产品周边需要增加4个滑块结构，以便于产品脱模。产品最终分模结构图如图8所示。

图8 前后模仁与滑块分模图

3.2 模架选择

模架规格及类型选择主要依据注塑机规格、产品脱模方式、产品顶出等要素[10]。结合产品特点选用龙记大水口系列模架，A板、B板的厚度需根据模仁的厚度确定，长宽需根据模仁及滑块机构的尺寸确定，C板高度主要考虑产品能顺利顶出，模架不宜过大但需要保证足够的强度。经综合考虑，选用5994的龙记大水口直身模架，A板厚度为275 mm， B板厚度为170 mm， C板厚度为160 mm，型号为CH5994-A275B170C160。

3.3 抽芯结构设计

塑料产品如果有倒扣部分，注塑完成后，产品会卡在模具中而无法正常顶出脱模。这时候就需要设计抽芯机构在顶出前把产品与模具分开。通常情况下滑块机构是最常用的抽芯机构，斜导柱固定在一端，滑块在另一端。注塑机开模时，斜导柱带动滑块运动，使产品倒扣部分与模具分离，从而达到顺利脱模的效果。

3.3.1 内抽芯机构设计

由零件结构图(见图1)可知：产品内部有倒扣结构，倒扣的深度3 mm，长度12 mm。因产品结构问题，采用斜顶机构不妥，而且内部空间有限，所以采用内抽芯的滑块机构，如图9所示。该内抽芯滑块机构选用斜导柱，直径为8 mm，通常抽芯距离要增加2～3 mm的安全距离，因而滑块的抽芯距离选取5 mm，斜导柱的倾斜角度选用12°。斜导柱的工作长度L=5/sin 12°=24 mm。根据三角函数可知，开模最小距离H=5/tan 12°=23.5 mm，开模达到23.5 mm以上才能够完全使滑块与产品脱离[11]。

图9 内抽芯滑块机构

3.3.2 侧抽芯机构设计

由零件结构图可知：产品外部有侧凹及孔槽结构各两处，侧凹部分需抽芯距离分别为S1=13.85 mm与S2=15 mm，孔槽结构需抽芯距离分别为S3=28 mm与S4=28.5 mm，通常抽芯距离要增加2～3 mm的安全距离。侧凹部分的斜导柱直径为18 mm，斜导柱的倾斜角度为15°。抽芯距离S1与S2分别对应的斜导柱的工作长度L1=16/sin 15°=61.8 mm，L2=17/sin 15°=65.7 mm。根据三角函数可知，开模最小距离H=17/tan 15°=63.5 mm，开模达到63.5 mm以上才能够完全使滑块与产品脱离。孔槽部分的斜导柱直径为20 mm，斜导柱的倾斜角度为18°。抽芯距离S3与S4分别对应的斜导柱的工作长度L3=30/sin 18°=97 mm，L4=30.5/sin 18°=98.7 mm。根据三角函数可知，开模最小距离H=30.5/tan 18°=93.8 mm，开模达到93.8 mm以上才能够完全使滑块与产品脱离。经校核，斜导柱的强度和刚度满足要求。侧抽滑块机构如图10所示。

图10 侧抽滑块机构

3.4 顶出机构设计

壳体是薄壁类注塑件，采用一模两腔进行注射，其精度及外观质量要求较高，因产品结构及空间限制，不适于布置太多顶针机构，所以采用顶块加顶针顶出。为保证塑件受力均匀，顶出机构应尽量对称布置于塑件产品与模仁结合部位，顶出机构布置如图11所示。

图11 顶出机构

3.5 冷却系统设计

冷却系统在注塑过程中对模具内的产品进行冷却，或者保持模具的温度，设计不合理容易引起产品变形、粘模、缺胶等缺陷。由于产品厚度不均匀，也比较大且高，且采用前后模仁与滑块成型产品的内外表面，为了冷却均匀，在前后模仁及部分滑块处做运水。前后模做运水，用于控制模具总体温度；产品外表面部分由滑块成型，为了保证产品均匀冷却及产品的外观质量，在滑块上也需设计滑块运水[12]。

前模仁运水设计：产品尺寸比较高，前模仁采用等距布置运水与冷却水井方式，前模仁运水直径为10 mm，堵头用PT1/4，进出水口为PT1/4连接水嘴，局部增加直径为20 mm的冷却水井，保证产品冷却均匀，运水布置图如图12所示。

图12 前模仁冷却水路布置图

后模仁运水设计：后模仁尺寸较高，为更好地冷却，在后模仁均匀布置冷却水井，直径为20 mm，连接冷却水井的水路直径为10 mm，堵头用PT1/4，进出水口为PT1/4连接水嘴，后模冷却水路布置图如图13所示。

图13 后模仁冷却水路布置图

滑块运水设计：产品外部两个滑块的运水通道直径为6 mm，进水口与出水口为PT1/16连接水嘴，其余地方为PT1/16堵头，两个滑块运水布置图如图14所示。

图14 滑块水路布置图

3.6 其他机构设计

由上述可知，模架选用5994规格，B板的厚度为170 mm，因而B板的跨度比较大，强度比较差。为加强B板的强度，选用两种规格的支撑柱来支撑B板，支撑柱的布置图如图15所示。为保证顶出平衡，增加6对导柱导套来保证推件板运动顺畅及顶出平稳。

图15 支撑柱布置图

1—定位圈；2—隔热板；3—定模座板；4—A板；5—热流道模块；6—前模仁；7—锁模块；8—B板；9—复位杆；10—方铁；11—微动开关；12—推杆面板；13—推杆底板；14—动模座板；15—顶杆定位圈；16—顶杆座；17—顶块；18—支撑柱1；19—支撑柱2；20—后模仁；21—导套；22—导柱；23—推件板导柱；24—推件板导套；25—滑块1；26—滑块2；27—调模块；28—模仁定位锁；29—锁模扣；30—内抽芯滑块；31—滑块3；32—滑块4图16 模具装配图

4 模具工作过程

本模具采用针阀式热流道直接进胶方式，通过控制浇口开启时间，保证型腔填充顺畅及熔体流动平衡，消除熔接痕，制件产品也不会有残留浇口痕迹。模具结构选用二板式结构，如图16所示。在模具使用前，需先拆除锁模块7，并将模具冷却系统与外部冷却源连接。模具工作过程如下：在模具完成注塑成型后，模具进入保温、保压阶段，冷却完毕后准备开模；针阀式热流道浇口关闭，在注射机液压机构作用下，动模与定模首先从A板4与B板8的分型面处打开；由于是点浇口，易脱离，而且型芯尺寸较大，经冷却后塑件会留在动模侧，内抽芯滑块机构30在斜导柱作用下完成滑块脱离工件步骤；与此同时，4组侧抽机构也在斜导柱作用下完成与工件的脱离；抽芯完成后，当动模和定模打开约250 mm的距离，注射机液压顶杆作用于顶杆座16上，模具顶出机构开始动作，利用顶块17完成最后的推件动作，塑件会自动脱落，可以实现自动化生产，至此模具完成了开模所有动作。模具合模过程基本就是开模的逆过程，在注射机液压机构和模具复位弹簧的作用下，模具合模，推杆底板13复位，触发了微动开关11，下一轮的注塑过程即将开启。

5 结 语

本文在壳体注塑工艺分析与热流道注塑模具设计过程中，借助AMI2016软件对壳体塑件进行了模流CAE分析。在综合考虑最佳浇口位置和填充模拟分析结果后，拟定了采用热流道点浇口的浇注系统方案。基于填充+冷却+保压+翘曲分析系列结果，对后续模具设计可能存在的问题进行分析与总结，并提出了解决方法。在用UG进行模具设计时，完成了包括模具分型、型腔及型芯结构、顶出机构、内抽芯机构、侧向滑块机构、冷却系统等的设计，围绕壳体注塑模具特点、要点和难点进行了详细的阐述。

最终模具注塑生产实践过程表明：采用AMI2016软件分析的壳体塑件成型工艺合理，依此设计的模具结构布局合理、工作可靠，获得了质量良好的塑件产品。利用模流分析软件可有效降低模具开发成本，缩短新产品开发周期，具有较好的实际应用和推广价值。