手機后蓋注射成型工藝分析及模具設計
陳 飛1，付 澤2，聶嘉呈1，王 進1，韓靈全1，任 鴻1
（1．太原科技大學材料科學與工程學院，山西 太原 030024;2．北京理工大學材料科學與工程學院，北京 100081）
摘要：本著“優(yōu)化設計”的理念，通過計算機軟件Moldflow分析了手機后蓋注射模具的澆口位置、模具溫度、鎖模力、熔體充填時間、注射壓力等成型所需的工藝參數(shù)，以及塑件可能形成氣穴的位置、熔接痕位置和翹曲變形程度等注射缺陷，綜合軟件分析結(jié)果設計了注射模具。
關鍵詞：手機后蓋；注射模具；工藝中圖分類號：TP391.7：TG76
0 引言
塑料產(chǎn)品具有質(zhì)量輕、化學穩(wěn)定性好、耐沖擊性好、比強度高、耐磨損性好、消音減振、絕緣性好、便于加工等特點，因此，塑料注射成型技術的應用范圍越來越廣泛，注射成型的工藝參數(shù)以及注射模具技術在CAD/CAE技術研究領域越來越受到關注。本文以手機后蓋注射成型工藝分析及模具設計為例，應用Moldflow軟件進行分析和設計。
1 手機后蓋的注射工藝分析
1.1 手機后蓋塑件結(jié)構(gòu)及尺寸
手機后蓋塑件的具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。該塑件的尺寸較小，長度為100 mm，寬度為50 mm，高度為10 mm，壁厚為1 mm。由軟件分析計算得到塑件的體積V=6. 28 cm3。
1.2 材料的選用
根據(jù)各種材料的注射性能及加工使用性能，綜合市場價格，選擇手機后蓋塑件材料為ABS，即丙烯腈一丁二烯一苯乙烯共聚物。
1.3 塑件的工藝性分析
塑件所用材料為ABS，采用MT3級精度，無公差值者按MT5級精度取值。
模具的表面粗糙度直接決定了成型零件的表面粗糙度，本產(chǎn)品的外觀要求高，故要求有較高的表面粗糙度。一般地，模具的表面粗糙度要高于塑件1級～2級，塑件的表面粗糙度為Ra1.6～Ra3.2，本塑件選取Ra1.6。
本塑件結(jié)構(gòu)簡單，但外表面質(zhì)量要求較高，故采用側(cè)澆口，將澆口設置在塑件邊緣。
為保證塑件容易脫模，防止脫模時模具型芯或凸起部分拉住塑件，模具應當設置脫模斜度。本塑件屬于殼類零件，選取型腔的脫模斜度為35'～1030' ，型芯的脫模斜度為30'～40'。
2 注射模擬分析
2.1 塑件的網(wǎng)格劃分
表面網(wǎng)格模型是由三角形單元組成的，網(wǎng)格創(chuàng)建在模型的上下表面，對于一般的薄壁塑件，均采用表面網(wǎng)格進行劃分。手機后殼為薄壁塑件，所以采用表面網(wǎng)格進行劃分。網(wǎng)格邊長為2 mm，模型的匹配率要大于85%，取網(wǎng)格最大縱橫比為6，對劃分好的網(wǎng)格進行修補處理。
2.2 注射工藝參數(shù)設置
2.2.1 成型工藝參數(shù)設置
模具溫度：根據(jù)選用材料的特性選擇模具表面溫度為70℃。
熔體溫度：根據(jù)選用材料的特性選擇熔體溫度為275℃。
模擬方式：采用“自動控制方式”進行。
速度一壓力切換：采用“自動”的方式來設置速度一壓力切換。
保壓控制：根據(jù)充填壓力的百分比與充填時間的關系來進行保壓控制，充填壓力等于保壓壓力，保壓時間設置為10 s。
開模時間：設置開模時間為5s。
注射十保壓十冷卻時間：冷卻分析使用注射十保壓十冷卻的時間和來定義模具與塑料接觸的時間。本例冷卻時間為20 s。
2.2.2分析類型設置
在做翹曲分析時，以“冷卻十流動十翹曲”作為首選的分析類型。
(1)冷卻分析：分析塑件和模具的溫度、冷卻時間等，其目的是判斷制品冷卻效果的優(yōu)劣，計算出冷卻時間，確定成型周期。
(2)流動分析：用來預測熱熔體在模具型腔內(nèi)的流動情況，其目的在于得到最佳保壓階段參數(shù)。
(3)翹曲分析：用來判定熱塑性制品成型后是否會出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，若出現(xiàn)翹曲，排查翹曲原因。
2.3 澆注系統(tǒng)的創(chuàng)建
2.3.1 澆口位置
合理的澆口設計對注射件質(zhì)量的影響巨大。利用分析軟件，可以給用戶提供最佳澆口位置的參考，本注射件軟件分析結(jié)果如圖2所示。
2.3.2流道設計
根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)，在澆注系統(tǒng)中采用潛薄片式澆口，分流道為梯形。由于塑件兩側(cè)有通孔，需兩側(cè)采用側(cè)抽芯機構(gòu)，因此采用一模兩腔的結(jié)構(gòu)，其流道設計如圖3所示。
2.3.3澆口與流道的網(wǎng)格劃分
對于設計的流道和澆口，必須要進行網(wǎng)格劃分才能進行之后的計算與分析。設定單元網(wǎng)格邊長為3mm，對設計的流道和澆口進行網(wǎng)格劃分，劃分完成后對網(wǎng)格狀態(tài)進行統(tǒng)計，確認無誤后即可。
2.4 冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)建
本例采用手工創(chuàng)建冷卻系統(tǒng)，水管的直徑為Φ10 mm，水管與制品間的距離為10 mm，管道數(shù)量為8條，定模管道中心之間的距離為20 mm，動模管道中心距離為30 mm，管道超出制品邊緣的距離為30 mm。冷卻管布局如圖4所示。
設定單元網(wǎng)格邊長為15 mm，對設計的冷卻管進行網(wǎng)格劃分，劃分完成后對網(wǎng)格狀態(tài)進行統(tǒng)計，確認無誤后即可。
3模擬結(jié)果分析
3.1 流動結(jié)果分析
3.1.1 充填時間
充填時間是一項非常重要的結(jié)果，為聚合物熔體從進入模具到充填滿模具的時間。充填時間的分析結(jié)果主要是通過不同的顏色來顯示熔接痕流動時的形狀變化和熔體的充模過程，通過該結(jié)果可以知道型腔內(nèi)充填情況。經(jīng)計算，本例充填過程全部完成需要0. 684 9 s。
一般注射生產(chǎn)中，注射時間不宜過長，因為隨著注射時間的延長，塑料熔體的流動長度縮短。所以，在改善塑料熔體的充填性時，應盡量減少充填時間，這樣也可顯著提高生產(chǎn)效率。
3.1.2 流動前沿溫度分析
流動前沿溫度主要是分析熔體填充的中間流溫度，它代表了截面中心的溫度，故其變化不大。流動前沿溫度圖可與熔接痕圖相結(jié)合使用，如圖5所示。
注射前沿溫度與熔體溫度近似相等，故易于成型。塑件的溫度差約為13℃，塑件溫度分布均勻，說明熔體流動平衡，可以保證塑件具有較好的表面質(zhì)量。
3.1.3 注射壓力分析
注射位置壓力也是注射成型工藝參數(shù)中重要的參數(shù)之一，它直接決定了注射機的最小壓力，通過計算，得知注射該塑件的最小壓力為125 M Pa。
3.1.4氣穴分析
當材料從各個方向流至一個節(jié)點時，往往會形成氣穴，但如果氣穴處于分型面，氣體可以通過分型面排出。氣穴可能造成欠注以及保壓不充分等問題，從而造成嚴重的缺陷，因此應該消除制件的氣穴。
圖6所示圓圈處為塑件氣穴位置。從氣穴位置來看，匯聚在型腔表層或塑件內(nèi)部的氣泡大多在熔體流動的末端，并且集中于分型面，氣體可以很容易地通過分型面間隙排出，不會造成困氣現(xiàn)象，能夠有效地避免由于氣穴的形成導致塑件表面空穴、焦痕等缺陷。
3.1.5熔接痕分析
圖7為塑件熔接痕。熔接痕主要集中在塑件的孔洞處，該處為工藝孔或安裝按鍵部分，不會影響塑件外觀。對于表面上出現(xiàn)的熔接痕是不可避免的，即使更換澆口位置也會有熔接痕出現(xiàn)在表面上。這些熔接痕所在的位置對塑件的外觀要求影響可以忽略，然而，熔接痕的存在將會造成產(chǎn)品的力學性能下降，故應該盡量減少熔接痕的數(shù)量，并要求保證產(chǎn)生熔接痕區(qū)域的機械強度。
3.1.6鎖模力分析
鎖模力是選擇注射機的重要參考之一。經(jīng)過計算，注射過程中的最大鎖模力約為600 k N。
3.2 冷卻結(jié)果分析
冷卻分析結(jié)果主要信息包括產(chǎn)品上表面溫度、產(chǎn)品下表面溫度、產(chǎn)品的溫度差異、冷凝時間和水路中冷卻液的雷諾數(shù)；次要信息包括水路中冷卻液的流動速度、冷卻液的溫度和水路的管壁溫度等。
3.2.1 產(chǎn)品的上表面和下表面溫度
表面溫度對制品質(zhì)量具有重要影響。產(chǎn)品上表面和下表面溫度顯示產(chǎn)品與模具接觸面的溫度分布，所以該結(jié)果也叫做模具表面溫度，反映了在成型周期中模具表面的平均溫度。本制品的表面溫度最高為41. 18℃。
3.2.2凍結(jié)時間
凍結(jié)時間可用來估計制件成型的周期，其長短會直接影響產(chǎn)品生產(chǎn)。本塑件凍結(jié)時間為0. 945 6 s，冷流道的凍結(jié)時間為16. 61 s。
3.2.3 水路中冷卻液的溫度
水路中冷卻液的溫度反映冷卻液在水路中的溫度變化。冷卻液的溫度變化要均勻，溫度的變化應不超過3℃。本冷卻水的溫差為0. 04℃，符合要求。
3.2.4 回路管壁溫度
回路管壁內(nèi)溫差較均勻，并且與冷卻介質(zhì)溫度差不到2℃，可見冷卻效果比較理想。
3.3 翹曲結(jié)果分析
塑件不同區(qū)域的收縮不均勻，在與材料分子取向平行、垂直的方向上收縮不均勻都會造成翹曲現(xiàn)象。
制件的冷卻、收縮以及材料分子的取向都會導致制件翹曲，考慮了所有產(chǎn)生翹曲的因素后，得到了塑件的總變形云圖，如圖8所示。
經(jīng)分析可知，，對制件翹曲影響最大的是收縮變形導致的翹曲，冷卻和分子取向?qū)е碌淖冃魏苄�，可以忽略不計。收縮導致的塑件變形云圖如圖9所示。
4 手機后蓋注射模具總裝圖
經(jīng)上述分析后，設計完成的手機后蓋注射�？傃b配圖如圖10所示。
5結(jié)語
通過CAD模型與Moldflow軟件，可進行部分性能和注射工藝分析；借助于CEA技術，不僅可以縮短注射模具的設計和制造周期，而且還可以將在實際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題通過專用軟件及早暴露，以便于工藝參數(shù)的優(yōu)化與模具結(jié)構(gòu)的改善，這可以幫助模具設計師與制造廠商節(jié)省大量的時間，節(jié)約大量的成本，是未來工業(yè)發(fā)展的方向。
