田玉晶1，2,董浩2,孫曉宇1，2
(1.哈爾濱理工大學(xué)威海研究院，山東榮成264300;2.哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院，山東榮成264300)
摘要：分析熱敏打印機(jī)底殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用UG及Moldfow軟件進(jìn)行建模并模擬注塑成型過(guò)程。結(jié)果表明：澆口位置由底部中心改為螺紋裝配孔處能夠有效避免試模時(shí)產(chǎn)生的熔接痕，填充效果良好。根據(jù)模流分析結(jié)果得出，最佳熔體溫度為200℃,最佳模具溫度為80℃,最佳注射時(shí)間為0.1s。冷卻方式采取帶有隔水板的冷卻系統(tǒng)，模擬結(jié)果顯示成型質(zhì)量符合要求。模具結(jié)構(gòu)采用一模兩腔布局，功能動(dòng)作為一次開(kāi)模，一次頂出，四向一次抽芯。
模具結(jié)構(gòu)整體布局合理，利用該模具生產(chǎn)的注塑制件表面質(zhì)量及精度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：注塑成型；熱敏打印機(jī)底殼；Moldflow;UG;模具設(shè)計(jì)
塑料因具有質(zhì)輕、價(jià)格低、抗化學(xué)腐蝕性好、絕緣性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在機(jī)械加工、電氣設(shè)備、新能源、航空航天等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1-3]。注塑模具作為成型工具，在制件投入生產(chǎn)中起到至關(guān)重要的作用[4-6]。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)加工技術(shù)已不能滿(mǎn)足市場(chǎng)發(fā)展的需求，運(yùn)用新工藝和新技術(shù)提高生產(chǎn)率、減少生產(chǎn)成本、避免資源浪費(fèi)是模具產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路[7-9]。利用CAD/CAE/CAM技術(shù)能夠預(yù)測(cè)塑件成型過(guò)程缺陷，改善成型工藝性，設(shè)計(jì)合理的模具結(jié)構(gòu)，極大地提高模具生產(chǎn)效率，縮短模具制造時(shí)間[10-12]。周俊杰等[13]利用Moldflow對(duì)塑料排水泵過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行注塑成型過(guò)程模擬，采用正交試驗(yàn)結(jié)合方差分析優(yōu)化成型工藝參數(shù)，使最大翹曲變形量降低10.37%,并通過(guò)UG設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)。黃繼戰(zhàn)等[14]采用UG
NX12.0設(shè)計(jì)一套三板式的四面抽芯單腔模具，簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)。劉青宜等[15]以響應(yīng)面法對(duì)電機(jī)外殼成型工藝進(jìn)行優(yōu)化，降低了制件翹曲變形量。王平洲等[16]基于Moldflow及UG注塑模向?qū)K優(yōu)化了杯托產(chǎn)品的模具結(jié)構(gòu)，縮短制造周期。王君等[17]通過(guò)對(duì)抽芯機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)對(duì)講機(jī)外殼的四面抽芯及內(nèi)側(cè)抽芯模具機(jī)構(gòu)。
本文以某熱敏打印機(jī)底殼為研究對(duì)象，針對(duì)試模后塑件出現(xiàn)的熔接痕問(wèn)題，分析產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題的原因，利用CAE軟件對(duì)其注塑過(guò)程進(jìn)行工藝分析，優(yōu)化制定合理工藝方案，并運(yùn)用UG12.0注塑模向?qū)K設(shè)計(jì)合理注塑模具，解決實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題。
1.塑件工藝性分析
圖1為熱敏打印機(jī)底殼結(jié)構(gòu)。整體外形為方形殼體，最大外形尺寸為140mm×114mm×54mm,平均壁厚為2.5mm,最小壁厚為0.4mm,體積為78.6cm³。制件兩側(cè)面設(shè)計(jì)有平行分布的工藝凹槽，右側(cè)面有散熱孔，后面設(shè)計(jì)裝配孔，成型較復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)合理的四向側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)。制件材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS),該材料耐磨性能好、尺寸穩(wěn)定性?xún)?yōu)異。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，所選注射壓力機(jī)型號(hào)為XS-ZY250/180型塑料注塑成型機(jī)，注射量為250cm³,鎖模力1800kN。
圖2為塑件內(nèi)表面和熔接痕位置。為保證制品整體裝配及美觀性，初期澆口位置設(shè)計(jì)在底部凹槽中心處，澆口留痕后期以商標(biāo)遮蓋。經(jīng)實(shí)際試模發(fā)現(xiàn)在后側(cè)中心處產(chǎn)生熔接痕，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格，如圖2b所示。原因可能是制件后面多為空洞及流速不連貫區(qū)域，兩股熔體在后面中心部位匯合時(shí)前沿溫度下降較快產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致物料不能完全融合。為解決熱敏打印機(jī)底殼質(zhì)量缺陷，優(yōu)化加工工藝，利用Moldflow模擬軟件對(duì)塑件進(jìn)行CAE分析。
2.塑件CAE分析
2.1網(wǎng)格劃分
利用UGNX12.0軟件進(jìn)行三維建模，在模型導(dǎo)入Moldflow軟件分析之前需要通過(guò)Caddoctor軟件對(duì)制件結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[18-20]。熱敏打印機(jī)底殼屬于薄壁零件，為保證網(wǎng)格質(zhì)量及分析精度選用雙層面網(wǎng)格，取全局邊長(zhǎng)為1mm。圖3為網(wǎng)格劃分后的模型，網(wǎng)格數(shù)量為239292,最大縱橫比為19.17,最小縱橫比為1.16,平均縱橫比2.06,網(wǎng)格匹配率為86.1%。該模型可以通過(guò)模流仿真得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果。
2.2澆口位置分析
澆口位置的正確選擇使填充過(guò)程更加均勻，避免產(chǎn)生空洞、填充不均、熔接痕等缺陷，保證塑件的質(zhì)量[21-23]。圖4為澆口位置。從圖4a可以看出，澆口匹配性模擬結(jié)果顯示，紅色區(qū)域澆口匹配性最差，藍(lán)色區(qū)域?yàn)樽顑?yōu)澆口區(qū)域。從圖4c、4d可以看出，優(yōu)化后采取點(diǎn)澆口，設(shè)置在底面螺紋裝配孔處。該制件屬于小型件，底殼與打印機(jī)身裝配由其他3個(gè)螺紋孔配合，不影響整體裝配性。該澆口位置在避免澆口痕跡、保證制件表面質(zhì)量的同時(shí)，澆口匹配性較好。
通過(guò)Moldflow驗(yàn)證該澆口位置合理性，圖5為可成型性分析。從圖5可以看出，熔接痕只少量分布于兩側(cè)面平行凹槽且填充效果好，澆口位置選擇合理。
圖6為成型效果圖。從圖6a可以看出，填充時(shí)間為1.15s,填充區(qū)域分布均勻。從圖6b可以看出，流動(dòng)前沿溫度的溫差約為6.4℃,符合設(shè)計(jì)原則[24]。從圖6c和6d分析得出，制件成型均勻，收縮量小，成型質(zhì)量?jī)?yōu)異。
2.3冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)塑件在型腔內(nèi)部的分布，構(gòu)建合理的冷卻水道能夠提高系統(tǒng)總換熱率，確保塑件成型質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率[25-27]。熱敏打印機(jī)底殼為盒形件，普通冷卻水道一般為直通式X型、Y型或者環(huán)形排布，無(wú)法對(duì)該制件進(jìn)行充分冷卻，圖7為兩種不同排布形式的冷卻水道方案。從圖7a可以看出，隔水板系統(tǒng)能夠使冷卻液在冷卻水道彎道處形成湍流，增強(qiáng)冷卻效果。從圖7b可以看出，隨形冷卻方式水管道利用3D打印成型，能夠更好地貼近制件表面進(jìn)行冷卻。對(duì)兩種方案進(jìn)行填充+保壓+翹曲分析序列模擬，得出最優(yōu)冷卻方案。
3.塑件成型參數(shù)分析
3.1最佳工藝參數(shù)
為比較兩種冷卻方式對(duì)成型質(zhì)量的影響，依據(jù)成型窗口分析制定最優(yōu)注塑工藝參數(shù)[28-29]。圖8為基于Moldflow軟件分析所得的最優(yōu)注塑參數(shù)。根據(jù)圖8結(jié)果，結(jié)合ABS材料注塑工藝參數(shù)范圍，最優(yōu)工藝參數(shù)為熔體溫度200℃、注射時(shí)間0.1s、模具溫度80℃。
3.2 冷卻系統(tǒng)分析
采取控制變量法，將優(yōu)化后工藝參數(shù)導(dǎo)入模擬軟件，通過(guò)對(duì)比回路冷卻液溫度、平均溫度以及翹曲程度確定模具的冷卻系統(tǒng)方案。圖9～圖11分別為冷卻液溫度、平均溫度和翹曲變形效應(yīng)云圖。從圖9～11可以看出，隨形冷卻方式的冷卻液溫度及零件平均溫度分別低于隔水板冷卻0.12℃和5.4℃,零件翹曲程度高于隔水板系統(tǒng)0.1595mm。兩種冷卻方案對(duì)該制件的冷卻效果差異不大，因隨形冷卻需要3D打印技術(shù)支持，其加工成本以及加工時(shí)間遠(yuǎn)高于隔水板冷卻，結(jié)合實(shí)際選用隔水板冷卻方案。
3.3 成型質(zhì)量分析
圖12為隔水板冷卻系統(tǒng)水管道排布及制件成型質(zhì)量結(jié)果。針對(duì)制件結(jié)構(gòu)及型芯的分布，外側(cè)為環(huán)形冷卻水路，內(nèi)側(cè)為隔水板冷卻水路，水路直徑8mm。從圖8可以看出，冷卻液出入口溫度變化為3.75℃,回路管壁溫差為6.96℃,制件溫度均勻，翹曲量小，冷卻液流動(dòng)狀態(tài)為層流，冷卻效率高，冷卻水路設(shè)計(jì)合理。
4.基于UG的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1主要零部件設(shè)計(jì)
為提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，模具設(shè)計(jì)為一模兩 腔，圖13為主要零部件設(shè)計(jì)。
從圖13a可以看出，型芯型腔分模位置處于制件最大截面處，模仁采用虎口精定位，整體嵌入結(jié)構(gòu)。從圖13b可以看出，側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)利用斜導(dǎo)柱加斜滑塊四向側(cè)向分型，斜導(dǎo)柱傾斜角75°,抽芯距為16mm。從圖13c可以看出，分模后制件通過(guò)12根圓推桿推出，推出過(guò)程平穩(wěn)。從圖13d可以看出，模具分型定距系統(tǒng)采取定距扣機(jī)機(jī)構(gòu)，能保證首次分型距離，使模具順利分型。
4.2模具工作原理
基于CAE分析結(jié)果，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，圖14為模具結(jié)構(gòu)及三維裝配圖。
注：1-動(dòng)模座板；2,18,28,30-內(nèi)六角螺釘；3-推板；4-推板導(dǎo)套；5-推桿固定板；
6-墊塊；7-推板導(dǎo)套；8-動(dòng)模墊板；9-動(dòng)模套板；10-入/出水閥門(mén)；11-壓塊；
12-滑塊；13-楔緊塊；14-斜導(dǎo)柱；15-定模套板；16-脫膠板；17-定模座板；
19-導(dǎo)柱；20-導(dǎo)套；21-型腔鑲塊；22-型芯鑲塊；23-隔水板；24-止水塞；
25-圓頭螺釘；26-復(fù)位桿；27-推桿；29-銷(xiāo)釘；31-定位銷(xiāo)；
32-定距扣機(jī)；33-彈簧。
模具的工作過(guò)程如下：開(kāi)模時(shí)，定模套板15與動(dòng)模套板9在定距扣機(jī)32的作用下向開(kāi)模方向運(yùn)動(dòng)，脫膠板16與定模套板15分離，凝料被一起從主流道中拉出。隨著開(kāi)模運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)，當(dāng)達(dá)到定距扣機(jī)32的固定距離后扣機(jī)兩部分分離，第一次分型結(jié)束，定模套板15與脫膠板16分型，凝料與制件分離并脫落。接著動(dòng)模部分繼續(xù)開(kāi)模運(yùn)動(dòng)，定模套板15停止運(yùn)動(dòng)，定模套板15與動(dòng)模套板9分型。壓塊11將滑塊12與動(dòng)模套板9連接，使滑塊12可沿垂直于開(kāi)模方向運(yùn)動(dòng)。在分型過(guò)程中，動(dòng)模套板滑塊12在彈簧33及斜導(dǎo)柱14的作用下跟隨動(dòng)模部分一起向開(kāi)模方向運(yùn)動(dòng)。
開(kāi)模工作完成后，推出機(jī)構(gòu)推動(dòng)推板3以及推桿27沿著推板導(dǎo)套7向合模方向運(yùn)動(dòng)，將制件從模具中推出。
制件推出后，在拉桿作用下動(dòng)模部分向合模方向運(yùn)動(dòng)，復(fù)位桿26先觸碰到定模套板15停止運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)推出系統(tǒng)各零件復(fù)位。當(dāng)定模套板15與動(dòng)模套板9接觸后，定距扣機(jī)32兩部分自動(dòng)復(fù)位，動(dòng)模部分與定模套板15繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直至定模套板15與脫膠板16接觸后完成合模工作。
注塑模具各零部件利用傳統(tǒng)加工方法成型[30]。圖15為利用模具實(shí)際加工的產(chǎn)品。從圖15可以看出，塑件熔接痕問(wèn)題得到解決，整體結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及精度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
5.結(jié)論
利用Moldflow對(duì)熱敏打印機(jī)底殼進(jìn)行模擬仿真分析，綜合制件結(jié)構(gòu)及澆口匹配性，將澆口位置由底部凹槽中心部位改為裝配工藝孔處，解決了實(shí)際試模出現(xiàn)的熔接痕問(wèn)題。模具冷卻方式為帶隔水板的冷卻系統(tǒng)。質(zhì)量分析結(jié)果顯示，最佳熔體溫度為200℃,模具溫度為80℃,注射時(shí)間為0.1s?；赨G注塑模向?qū)K設(shè)計(jì)注塑模整體結(jié)構(gòu)，確定模具結(jié)構(gòu)為一模兩腔，兩次分型，四向抽芯，制件由12根推桿推出，模具整體結(jié)構(gòu)布局合理。利用CAD/CAE輔助技術(shù)設(shè)計(jì)模具能夠提高一次性試模成功率，有效縮短模具設(shè)計(jì)周期，提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。塑件精度及表面質(zhì)量均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及使用要求。
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