电器仪表外壳注塑模具设计

Design of Injection Mold for Electrical Instrument Shell

摘要

为了设计一套能实现自动化脱模的电器仪表外壳的注塑模具，运用模流分析技术，确定较佳的浇口位置。以降低塑件翘曲变形为目标，通过对比分析确定出较佳的冷却方案。为了实现浇注系统的自动分离，选择三板模架进行开模。结合优化结果，使用UG NX软件设计了模具的浇注系统和冷却系统。根据塑件外部侧孔的结构特点，采用滑块置于动模侧和定模侧两种形式，分别与弯销配合完成外侧抽芯动作。塑件背面存在倒扣结构，采用斜顶结构进行内侧抽芯。经实际生产验证表明：该模具结构设计合理，实现了自动化脱模的目的，塑件具有较佳的成型质量，可以满足生产要求。

关键词

注塑模具 / 浇注系统 / 外侧抽芯 / 内侧抽芯

Key words

Injection mold / Gating system / Outside core pulling / Inner core pulling

在传统的模具设计中，模具设计师通常以设计软件为工具，凭借个人经验进行模具的结构设计^[1-3]。赵利平等^[4]设计开模同步顶出机构配合大斜顶抽芯结构等多种机构，有效地解决产品倒扣和侧面不同方向的倒扣脱模问题。洪维等^[5]在模具侧向抽芯的大滑块内部设计斜顶机构，解决了塑件侧向倒扣的抽芯问题。刘碧云^[6]采用三点进胶，设计顺序阀用以控制浇注顺序的浇注系统。在模具制造完成后，当企业进行试模时，往往会出现各种成型缺陷，这些缺陷通常是成型工艺参数设置不当导致的。因此，借助计算机优化成型工艺成为一项重要的研究^[7-10]。谭安平等^[11]以汽车前大灯配光镜为例，采用正交试验法对翘曲变形影响最大的4个工艺参数进行正交试验设计，得到了最佳成型工艺。薛鹤娟等^[12]针对鼓风机叶轮采用模拟技术与正交试验法探究其优化方案，提高了生产质量，并得到试模验证。傅建钢^[13]运用模流分析技术研究工艺参数对塑件收缩率的影响，降低了塑件收缩率。钟厉等^[14]以碳纤维复合材料汽车保险杠为研究对象，选取熔体温度等因素作为变量参数，采用Taguchi实验法进行研究，注塑件的质量得到明显改善。赵朋等^[15]提出面向内部缩孔检测的超声相控阵相位偏移高效成像新方法(FPSM)，该方法具有较高的成像分辨率，成像结果与CT扫描结果基本一致。目前，研究者在模具结构设计和成型工艺优化等方面进行较多研究^[16-19]，但在塑料流动分析基础上优化模具结构方面所做的工作仍较少。本实验以电器仪表外壳为设计对象，使用模流分析技术优化浇注系统和冷却系统，利用UG NX软件设计塑件的外侧抽芯机构和内侧抽芯机构，设计电器仪表外壳的注塑模具，以保证塑件的成型质量。

1 塑件结构分析

图1为电器仪表外壳塑件结构。该塑件最大长度约150 mm，最大宽度约80 mm，壁厚约2 mm。为了提高电器仪表外壳的强度、减小塑件变形，该塑件内壁上设计了数条加强筋。塑件两侧设计有形状不同的侧孔结构，该部分结构在模具脱模过程中需要采用侧向抽芯机构进行抽芯。

仪表外壳材质为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)塑料。ABS塑料的耐冲击强度较高、耐磨性优良、化学稳定性和电性能良好，常用于机械、电气、汽车和造船等领域^[20-21]。文中采用Monsanto Kasei公司生产的ABS塑料，牌号为TFX-710-EB。表1为ABS材料的性能指标。

2 模具优化分析

2.1 塑料流动模型

塑料熔体充填模具的过程为非牛顿流体、非等温、非稳态的流动过程。由黏性流体力学的基本方程可以推出熔融塑料流动的控制方程^[22-24]：

\frac{\partial }{\partial \mathrm{z}} \left(\eta \frac{\partial u}{\partial z}\right) - \frac{\partial P}{\partial x} = \mathrm{0} (1)

\rho C_{\mathrm{p}} \left(\frac{\partial T}{\partial t}+u\frac{\partial T}{\partial x}\right) = \mathrm{{\rm K}} \frac{{\partial }^{\mathrm{2}}T}{\partial z^{\mathrm{2}}} + \eta {\left(\frac{\partial u}{\partial z}\right)}^{\mathrm{2}} (2)

式(1)~式(2)中：u为流速，m/s；p为压力，Pa；T为温度，℃；t为时间，s；η为熔体黏度，Pa∙s；ρ为熔体密度，kg/m³；C_p 为比热容，J/(kg∙℃)；K为热导率，W/(m∙℃)。

2.2 浇口位置优化分析

浇注系统主要作用是将熔融的塑料平稳地填充到型腔中，并在填充和凝固过程中将注射压力充分传递到型腔各个部位，从而获得组织紧密、外形清晰的塑料件。浇口位置决定了塑料件的性能、外观和成型难易程度。图2为最佳浇口位置分析。从图2可以看出，最佳浇口区域可设置于塑料件的上表面中间区域。

2.3 冷却系统对比分析

冷却系统主要用于冷却模具内的塑件，通过将温度较低的冷却液注入冷却水路中，从而降低模具内熔融物体的温度，达到缩短塑件成型时间的目的，进而提高单位时间内塑件的生产量^[25]。冷却系统设计的优劣对塑件的成型质量产生较大影响。本实验取冷却水路直径8 mm，冷却介质温度取25 ℃。图3和图4分别为共用型冷却水路和独立型冷却水路。在塑件上下两侧分别设置冷却水路，构成冷却系统进行冷却。不同形式的水路对塑件冷却质量和冷却效率有不同影响。本实验设计了两种不同形式的水路系统。从图3可以看出，方案1中两个塑件采用同一条冷却水路，该水路方案的优点是水路结构简单。该方案由于两个塑件共用一条水路，导致水路流经的区域较多、路程较长，故而水路进出口的温差较大，该方案中进出口的水路温差为1.08 ℃。方案1得到塑件的最大翘曲变形值为0.503 0 mm。从图4可以看出，方案2中每个塑件单独使用一条冷却水路，由于水路流经的区域局限于单个产品的周围，故而进出口的温差较小，该方案中进出口的水路温差仅0.56 ℃，比方案1的水路温差要小0.52 ℃。冷却水路温差越小，越能实现更好的冷却效果，越能保证塑件的质量。方案2得到塑件的最大翘曲变形值为0.496 4 mm。从2种冷却方案得到的翘曲变形值可知，方案2具有更佳的冷却效果，能更好地保证塑件的质量。

3 模具结构设计

3.1 浇注系统设计

本塑件拟采用点浇口进行进浇，浇口设置于塑件上表面圆形中心区域。点浇口能在开模时实现塑件和浇注系统自动分离的目的，提高一定的生产效率。塑件采用一模两腔形式布局，浇注系统为平衡式进浇系统，保证塑料熔体均匀填充进入型腔。图5为浇注系统。

3.2 冷却系统设计

塑件成型过程中，冷却时间占据了塑件成型周期中的大部分时间。合理的冷却系统不仅能提高塑件的成型质量，而且也能提高塑件的成型效率。根据冷却对比分析结果，可知方案2的水路在成型时具有更小的进出口水路温差。冷却水路的整体温差小，则水路对产品的成型质量影响越小。参照模流分析的结果，图6为冷却系统。

3.3 外侧抽芯机构设计

塑件有两个侧孔结构，塑件从型芯上脱模时，需要先将成型侧孔的两个侧型芯先抽出，然后才能用顶出机构将塑件从型芯上推出。为了将成型侧孔的两处侧型芯从侧孔中抽出，需要在模具结构中设计两处侧抽芯机构。根据侧孔结构的特点，用于两个侧孔抽芯的滑块设置位置有所不同。图7为外侧抽芯机构设计。从图7可以看出，塑件左侧的侧孔抽芯的滑块和压条设置于动模一侧，弯销设置于定模一侧；而塑件的右侧侧孔抽芯的滑块和压条设置于定模一侧，弯销设置于定模一侧。

3.4 内侧抽芯机构设计

图8为内侧抽芯机构设计。从图8可以看出，塑件背面有一倒扣结构，该倒扣结构会影响塑件的顺利脱模。塑件从型芯上脱模时，为了将塑件的倒扣结构从型芯上脱离，需要在模具结构中设计斜顶结构。在塑件从型芯上脱离过程中，应同时完成倒扣结构的内部侧向抽芯动作。

4 模具工作原理

图9为模具装配示意图。从图9可以看出，由定模和动模两部分组成。动模由动模座板14、动模板8等部分通过螺钉连接组成。注塑时，动模座板14通过螺栓或压板固定在注塑机上。型芯7用螺钉固定在动模板8上。推杆固定板16和推板15与顶杆13、斜顶12和丝筒9等零件组成推出机构。定模由定模座板1、浇道推板2和定模板3等部分组成，定模座板1通过螺栓或压板固定在注塑机上。型腔5用螺钉固定在定模板3上。模具装配体具体工作过程为：(1)注塑。注塑模具闭合，注塑机进行注塑、保压和冷却定型，等待模具开模。(2)B-B处开模。注塑模具开模时，在弹簧25作用下，注塑模先在B-B处开始分离，分流道凝料在小拉杆22拉动下从定模板3的锥形分流道中脱离出来。(3)C-C处开模。在限位拉杆24的限制下，定模板3无法继续前进，此时由限位拉杆26推动浇道推板2运动，实现C-C分型面处分离，浇道推板2将浇注系统主流道凝料从浇口套中脱离出来，完成将浇注系统凝料从模具中脱离出来的动作。(4)A-A处开模。模具最后在A-A处打开，此时注塑机通过KO孔推动推板15运动，由推板15带动丝筒9、顶杆13和斜顶12等零件向前运动。滑块6在弯销4的导向下逐渐完成外部侧向抽芯。斜顶12在开模过程中与塑件19内部倒扣部位分离。塑件19在顶针13和丝筒9等零件推动下逐渐脱离型芯7，完成塑件脱模。(5)复位。复位时，模具动作过程与开模时相反，模具闭合后，接着进行下一次注塑成型过程。

5 结论

文章运用模流分析，确定了成型电器仪表外壳的较佳的浇口位置。通过冷却系统对比分析，得到了使塑件翘曲值较小的冷却系统。使用UG NX软件选择三板模架，设计了点浇口浇注系统，实现浇注系统的自动分离。设计了置于动模侧和定模侧的两种滑块，分别与弯销配合实现了外侧抽芯动作。采用斜顶结构实现了内侧抽芯动作。实践表明：该模具结构设计合理，实现了自动化脱模的目的，塑件具有较佳的成型质量，可为同类模具设计提供参考。

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基金资助

国家自然科学基金(51875519)

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