遥控器面壳注射成型模具设计及数值模拟

董伟勋 王先保 潘 旭 李征驰 林 权

（武夷学院机电工程学院，福建 武夷山 354300）

0 引言

随着塑件在生产生活中的大量应用，提高塑件质量、缩短成型周期、降低模具设计成本成为注射模设计研究的热点［1-3］。利用模流分析能在注射模具设计前，对塑料熔体充填、保压、冷却及翘曲过程进行数值模拟，评估注射过程中可能出现的缺陷，如熔接线、翘曲变形、气穴等，并采用调整优化成型工艺或模具结构等措施来解决问题，可有效缩减试模次数，避免反复试模修模过程，大大缩短模具设计周期，降低塑件生产成本［4-6］。本研究以遥控器外壳注射件为研究对象，通过Moldflow 软件进行模流分析，预估熔接痕、翘曲变形量、体积收缩率等注射成型指标，获得合理的成型方案及工艺参数，并基于模流分析结果对模具结构进行设计。

1 塑件结构工艺分析

遥控器面壳零件如图1所示，材料为ABS，整体尺寸为175 mm×45 mm×6 mm，体积为10.2 cm3，要求外表面美观无浇注痕迹、塑件壁厚均匀（厚度为1.5 mm）。由于塑件存在多个过渡断面，采用圆弧或斜坡等结构进行设计，该结构有利于材料的流动。塑件外表面粗糙度为Ra0.8 μm、内表面粗糙度为Ra1.6 μm。为保证成型工艺平衡，遥控器面壳采用对称排位注射成型，塑件尺寸公差等级为MT5。

图1 塑件零件

2 模流分析系统创建

遥控器面壳塑件模流分析系统如图2 所示，采用一模两腔布局。其中，塑件三角网格数量为6 812个、各节点数量为3 322个，三维模型表面的匹配率为95.5%。通过应用模流分析中最佳浇口位置模块，选取由塑件侧边中段进料，采用矩形侧浇口形式，长宽厚分别为2.0 mm×1.5 mm×0.8 mm，主流道小端直径为5 mm、大端直径为8.24 mm、长度为95.5 mm，圆形分流道直径为6 mm、长度为25 mm，动定模冷却水路布局均采用直流循环式，水路直径为8 mm，选用注塑机型号为SZ-250∕1250。根据生产经验及Moldflow 数据库推荐工艺参数，确定主要成型工艺条件为烘干完成后注射熔体温度为190 ℃、模具温度为70 ℃、注射压力为90 MPa、保压压力为60 MPa、注射时间为1.3 s、保压时间为5 s、冷却时间为10 s。

图2 塑件模流分析系统

3 模流分析结果

3.1 充填时间

填充时间的分析结果如图3 所示。由图3 可知，充填完成时间为1.393 s，且两个模腔能同时充满，塑料熔体到达遥控器外壳左右两末端的时间基本一致，填充均匀，没有出现短射或不足等现象，可确定浇注系统合理。

图3 充填时间

3.2 熔接痕

熔接痕分布的模流分析结果如图4 所示。由图4 可知，熔接痕大多位于遥控器塑件的按键处，但也不难发现，熔体经流按键时所形成的熔合角度大部分大于70°，最大角度为135°，塑件虽存在较多的细小熔接痕，但均不明显，通过外表面处理二次机加工可去除，不影响塑件整体质量。

3.3 体积收缩率

模流分析执行“冷却+填充+保压+翘曲”序列，获得塑件顶出体积收缩率分布如图5 所示。由图5可知，遥控器面壳在浇口位置的收缩率最低，不到1.440%，随后沿浇口位置往四周逐渐增大，在边缘处体积收缩率达到最大值（5.243%），遥控器外壳大部分产品顶出收缩率为1.5%～4.0%，处于较为合理范围。

图5 产品体积收缩率分布

3.4 气穴

塑件成型气穴分布情况如图6所示。由图6可知，遥控器外壳表面的气穴很少，说明浇口位置及熔体充填模式合理，且通过分型面位置及推杆孔、成型镶件之间间隙等细节来看，都可进行排气作业，因此，在模具结构设计中，不用设计专门的结构进行排气。

图6 气穴分布

3.5 翘曲变形量

塑件翘曲变形量分布的模流分析结果如图7所示。其中，最大翘曲量为0.266 8 mm，位于产品的边角处，产品整体的翘曲变形量为0～0.14 mm，且翘曲量分布均匀。结合冷却模流分析可知塑件因冷却引起的变形量很小，模具和塑件温差也符合基本要求，这说明模流分析系统中冷却水路设计及布局合理。

图7 翘曲变形量分布

4 注射模结构设计

4.1 成型零件设计

成型零部件的制造精度决定塑件产品的精度，成型零件设计不仅要考虑节约材料成本，还要使加工装配更方便。所以，遥控器面壳注射模型芯部分采用镶拼组合式结构，型腔部分采用整体嵌入式结构，如图8 所示。通过螺钉和台阶压板形式固定于动定模板上，安装定位主要采用模板中的方形沉孔的过渡配合方式，可实现成型零件的维护和安装便捷。根据图1中的塑件零件尺寸以及叶久新等［7］提出的模具型芯型腔尺寸计算式，获得塑件成型型芯型腔零件示意如图8 所示。由于模具成型零件工作在高温高压的腐蚀环境中，成型零件材料选择3Cr2Mo，该材料具有优良的力学性能和工艺性能，同时耐腐蚀性好。

图8 模具型腔型芯零件

4.2 推出零件设计

由于塑料具有收缩特性，成型冷却后会包裹型芯，为了让塑件从模具中更好地推出，必须对塑件所需的脱模力进行计算，以便进行推出机构设计。该注射模具采用顶杆推出机构，顶杆布局如图9 所示，顶杆结构尺寸与脱模力有关，根据参考文献［7］，开模力计算见式（1）。

图9 脱模顶杆

式中：P为单位压力，MPa；a为脱模角度，°；f为擦动系数；A为包裹面积，mm2；Q为开模力，N。

此处，P取30 MPa、a取1°、f取0.45、A取3 601.03 mm2，代入到式（1）中，结果见式（2）。

通过文献［1］得出顶杆直径的计算，见式（3）。

式中：k为无缺损系数；Q为开模力，N；L为顶针长度，mm；n为推杆个数；E为弹性模量。

一般情况下k=1.1、n=22、E=2.1×105，Q取46 357.09 N，，查国标后知L=131 mm。代入式（3）中，结果见式（4）。

综上所述，通过计算脱模力及对顶杆的强度校核，得出该模具需要顶杆截面尺寸为4 mm。脱模顶杆示意如图9所示。

4.3 模具总体结构

模具装配总图如图10 所示。该模具采用一模两腔两板式单分型面注射模具结构。因遥控器面板上有许多按键孔且侧壁有许多侧凹或侧孔结构，抽芯分型脱模难，因此采用组合式型芯型腔结构，并通过斜导侧向分型机构结合多点灵活设计顶杆脱模机构，解决塑件侧凹或者侧孔成型抽芯及脱模问题。但因设置顶杆数量较多，为了保证顶杆、顶杆固定板及推板之间运动自如、脱模自由，在动模座板与动模板之间设置四对推板导套和推板导柱，为顶杆固定板与推板提供导向作用。由图10 可知，该模具复位采用弹簧加复位杆方式，确保塑件顶出脱模后顶杆能先复位，保证了细小顶杆不会因开合模需要而被破坏，保证脱模的稳定性。此外，该模具复位杆与动模复位孔之间采用H7∕f6间隙配合，推板导柱与推板导套之间采用H7∕f6间隙配合，推板导套与动模座板孔之间采用H7∕r6 过盈配合，斜导柱与定模板斜导孔采用H7∕k6 过渡配合，定模浇口套与定位圈之间采用H7∕k6 过渡配合，各推出顶杆与动模顶杆导向孔采用H7∕f6 间隙配合，定模型腔与定模板采用、动模型芯与动模板之间采用H7∕k6过渡配合，从而保证模具运行可靠。

图10 模具装配总图

动定模冷却水孔直径设计为8 mm，采用直流循环式冷却系统。模具装配技术要求主要有六点：①模具所有活动部分必须保证位置精度准确，不能有歪斜卡滞现象；②分型面密合良好，不能有溢料产生，冷却系统应顺畅，不能有泄漏现象；③模具装配完成后进行试模具，如有不当，修模再试；④导柱导套与动模安装面和定模座板面的垂直度按《塑料注射模模架技术条件》（GB∕T 12556—2006）中的规定；⑤装配时要以分型面较平整或不易整修的一侧作为基准，涂上红丹油与另一分型面进行对撞研合；⑥注意检查分型面密合情况。

5 结语

本研究利用模流分析，对遥控器面壳注射成型过程中的熔接痕、翘曲变形量、体积收缩率等成型性能指标进行分析，结果表明，产品熔体流动状态好，熔接痕少，气穴位置分布合理，塑件翘曲变形量和顶出体积收缩率均符合产品技术要求，从而获得了合理的成型流道和冷却系统，并基于模流分析结果进行模具结构设计。本研究采用镶拼组合式型芯型腔两板式结构，侧向滑块抽芯及多顶杆顶出脱模方式，解决了传统遥控器面壳注射模具结构设计中侧凹、凸台的抽芯分型脱模问题，从而简化注射模结构的设计流程，提高模具生产效率，节约企业研发成本。