手持控制器塑料滑扣的注塑模具设计

Injection Mold Design of Portable Controller Plastic Sliding Button

摘要

以一款小型的塑料滑扣为例，在分析其结构特点的基础上，初步采用斜导柱侧抽芯的结构设计一模四腔的注塑模具，型腔平衡排布，并在定模和动模侧分别设置冷却水管，利用Moldflow以“冷却+填充+保压+翘曲”为序列对塑件的成型过程进行仿真，分析过程中采用3D网格形式。结果表明：4个型腔充填均衡，充满时间为0.489 0 s；塑件体积收缩率整体较小，在侧浇口处最大约3.7%；气穴较少，可利用模具分型面和配合间隙进行排气；熔接线与工艺结合线基本重合；冷却介质出入口温差为0.13℃；塑件最大翘曲变形量为0.046 1 mm。最后，根据仿真分析结果，设计一套较为合理的两板式注塑模具。

关键词

注塑模具 / 模具设计 / 模流分析 / 翘曲变形 / 滑扣

Key words

Injection mold / Mold design / Mold flow analysis / Warpage deformation / Sliding button

塑件的成型品质受到诸多因素影响，如注塑模具、塑料种类、成型工艺等^[1-2]。为了得到质量符合相关要求的塑件，注塑模具的结构和成型工艺参数的选取十分重要，成型工艺参数对成型的影响较为复杂，实际生产中需要频繁调试才能获得较为理想的参数组合^[3-4]。为了避免注塑模具的设计出现问题并对注塑效果进行预判，模流分析工具得到更多应用，其仿真模拟结果可用来指导和优化模具设计和生产过程^[5-9]。叶星等^[10]利用Moldflow对连接过渡管进行成型仿真，验证冷却系统的合理性，并由此设计一模两腔注塑模具。黄荣学等^[11]对肥皂盒的浇注和冷却系统进行优化设计、以双层面网格进行模流分析，得到符合实际生产的一模两腔注塑模具。高莉等^[12]利用Moldflow对三通管件的注塑工艺进行优化分析，并获得最佳工艺方案进行试制，成功控制了产品尺寸超差的问题。李丽等^[13]以双层面网格通过Moldflow对一模两腔的电子仪表塑件冷却水路进行分析，获得理想的成型参数，降低了翘曲变形量。

本研究以一款在手持控制器中使用的塑料滑扣为例，以3D网格形式应用Moldflow进行模拟仿真，得到塑件尺寸精度可达MT1等级，并设计了一模四腔的注塑模具，为中小型塑件四腔及更多腔模具的设计提供一定参考。

1 结构分析

图1为滑扣结构模型及尺寸。从图1可以看出，其外观尺寸为11.00 mm×4.21 mm×4.00 mm，壁厚最大处为1.89 mm，最小处为0.52 mm，属小型塑件。该滑扣中间中空的部分(A、B面之间)可与其他塑料壳体的平面部分装配，使用时将拇指按压在滑扣顶端带有月牙形凹槽结构的部分并向前或向后推动使其在壳体上产生滑移，滑扣Φ1.00 mm的圆柱上安装复位弹簧。由于该模型与其他壳体配合(A、B面为配合面)且需要频繁滑动，因此对其成型后的翘曲变形有较高的要求，需要控制在0.1 mm以内，否则会导致配合过紧或不均，从而使滑扣滑动困难甚至卡死而影响使用性能。

该塑件的材料选用聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(PC/ABS)，具有良好的注塑成型性能、尺寸稳定性和耐磨性能等^[14-15]，收缩率为0.5%左右^[15-16]。使用沙伯(SABIC Innovative Plastics)旗下的Cycoloy C1200HF-7001牌号进行相关分析。

另外，从注塑成型方面来看，根据分型面设计的原则，分型面一般选取在模型外观轮廓最大处^[17]，若以A面作为分型面，上面为型腔部分，下面为型芯部分，则A、B间的中空部分和导柱结构无法直接脱模，需要使用滑块结构侧向抽芯等较为复杂的方式才能完成。同理，由于此时平面C与水平面呈80°的夹角，为倒扣的斜面，也无法直接脱模，同样需要使用滑块进行侧向抽芯脱模，则后期模具的设计和加工难度都较大，成本也会较高。图2为注塑成型结构分析。因此，初步选定如图2a所示的曲线为分型线，分型面将以分型线为基础根据模型的具体结构进行设计，平面C的上方为型腔部分，下方为型芯部分。此时，原顶端带有的月牙形凹槽结构就变成了倒扣，如图2b所示，需要使用滑块侧向抽芯，但与之前的方案相比，只需一处侧抽芯，相应模具的结构将变得较为简单，制造成本也会降低很多。不过，此时的侧抽芯会在产品表面形成细微的工艺结合线，可能会在一定程度上影响产品外观，但总体影响并不大，在客户可以接受的范围内。

2 Moldflow注塑系统设计

2.1 网格划分

为避免划分网格过程中导致网格数量众多、影响网格质量、增加运算时间等，将塑料结构件中的小圆角、小倒角等不影响分析精度的特征先去除，然后导入Moldflow进行网格划分。因该塑料滑扣尺寸较小、壁厚不均且变化较大，所以采用3D网格进行处理，图3为模型网格。从图3可以看出，四面体总数为257 220，最大纵横比为19.99，四面体面之间的最大角度为172.7°，模型边界上无折叠，也无倒置的四面体单元，网格细化程度满足分析需要。

2.2 浇注系统

注塑模具中的浇注系统主要包括流道、浇口等，是熔融的塑胶离开注射机喷嘴进入模具型腔形成塑件产品的通道，因此是注塑成型中非常重要的结构部分，其结构和位置选择对产品的成型质量有着至关重要的影响^[18-19]，如果设计不合理，可能会导致塑件变形、浇不足、熔接线等缺陷出现^[1]。该塑件采用普通的冷流道浇注系统。浇口是连接流道与塑件型腔的通道，其类型、截面形状、尺寸大小等与熔融塑胶的流动、充填、外观品质等密切相关^[20-21]。根据塑件的分型面和结构特点，选取导柱与斜面C间区域为浇口所在位置，为了保证在成型后塑件表面能够有效去除浇口残料，浇口截面尺寸不宜过大。在考虑多重因素的情况下，采用截面形状为矩形的侧浇口，其尺寸为厚度0.5 mm、宽度1 mm、长度1 mm，锥度为3°。另外，由于该塑件的结构尺寸小，并根据其生产数量需要，模具设计采用一模四腔的形式，型腔为平衡式排列。与浇口相连的二级分流道截面为圆形，直径设计为Φ3 mm，与二级分流道相连的一级分流道截面也为圆形，直径设计为Φ6 mm，主流道呈圆锥状，入口直径Φ2.5 mm，长度65.5 mm，锥度3°。图4为浇注系统设计结构。

2.3 冷却系统

注塑过程中，系统在填充并保压后需要经过一段时间的冷却才能将塑件从模具中顶出，冷却时间在整个生产周期中占比较大^[22-23]，是影响注塑成型生产效率的重要因素^[24-25]。同时，冷却系统设计不良会造成塑件在冷却过程中冷热不均，从而造成塑件产生内应力、翘曲变形等多种缺陷^[11]。因此，设计冷却时间最短、产品表面温度均匀的冷却系统是关键，但其设计又受多重因素的影响，如塑件的结构形状、冷却管道的结构布局、冷却介质等。由于该塑件的尺寸较小、一模多腔布局、带有侧抽芯结构等，综合考虑相关因素，设计如图5所示的冷却系统。冷却水管直径为Φ6 mm，双层设置，动模和定模各有一根，在考虑结构上需要避让顶杆、滑块斜导柱等位置的基础上，尽量靠近塑件及其浇口附近，使用25 ℃常温水作为冷却介质。

3 成型仿真

利用Moldflow进行成型分析，分析序列选择为冷却+填充+保压+翘曲，设置熔体温度为275 ℃，开模时间为5 s，注射+保压+冷却时间为30 s，其他为系统默认。

图6为填充时间仿真结果。从图6可以看出，熔体充满型腔所需时间为0.489 0 s，4个型腔充填均衡，流动均匀，无料流中断、浇不足等不良情况。

图7为体积收缩率仿真结果。从图7可以看出，最大体积收缩率出现在流道系统中，而产品中的体积收缩率最大约为3.7%，且出现在浇口位置，对产品的尺寸稳定性影响较小。

注塑过程中如果产生的气穴不能及时排除，会导致产品产生气孔、凹痕等不良现象^[26]，模具良好的排气系统是解决气穴影响的主要措施之一。图8为气穴仿真结果。从图8可以看出，气穴主要位于型腔和型芯及滑块相互结合的部位，由于结合面处有一定的间隙可用于注塑过程中的气体排出，因此模具无须再额外增加排气系统设计。

图9为熔接线仿真结果。从图9可以看出，熔接线主要出现在滑块和型芯结合处，这些部位均非重要受力部位，对产品的力学性能影响不大，虽然这些熔接线可能会影响到产品外观，但其与滑块和型芯所形成的工艺结合线基本重合，因此处于可以接受的范围内。

图10为回路冷却液温度仿真结果。从图9可以看出，冷却液入口温度为25.00 ℃，出口温度为25.13 ℃，温升保持在3 ℃以内。

图11为翘曲仿真结果。从图11可以看出，塑件的总变形最大为0.046 1 mm，主要发生在塑件四周的悬臂结构处，如果变形量过大，会造成滑扣装配困难、运动不畅等不良后果，但模拟结果显示最大变形量不超过0.05 mm，对产品的最终质量精度和使用功能影响不大。

综上所述，模具设计方案可以满足相关设计和成型要求。

4 模具设计

4.1 分型面

图12为分型面。由于C面为斜面，中间有分割，且其周边均布圆角，所以整个分型面的形状较复杂。滑块结构位于Z-方向，即在型芯部分。

4.2 型芯和型腔

型芯和型腔是注塑模具中形成塑件内外表面的主要零部件，按其结构来分主要有整体式和组合式两种^[17]，由于塑件尺寸较小，结合塑件的结构、模具的加工制造难度和成本等因素，型腔选取整体式结构，位于定模侧。型芯部分因为有侧抽芯结构，所以采用组合式，主要由型芯主体和滑块组成，位于动模侧。设计时，除了要保证其机械强度和刚度之外，还要综合考虑塑件的结构、冷却系统管路的布局和脱模系统的排布、加工制造等。图13和图14分别为型腔和型芯主体结构。

4.3 滑块

由于塑件表面的月牙形凹槽位于动模一侧，其脱模时与整个模具的开模方向不一致，需要侧向分型，且凹槽深度约为0.7 mm，侧向抽芯距离较短，因此，在动模侧设计滑块与型芯配合获得塑件的外观面，开模时，利用安装于定模上的斜导柱驱使滑块外移脱离倒扣结构，便于成型后的塑件脱模。图15为滑块及斜导柱的结构。从图15可以看出，由于塑件结构较小，两个滑块可以直接做成一个整体，为确保滑块运行顺畅，斜导柱可以使用两个。

4.4 模具结构

图16为滑扣注塑模具结构。其主要工作过程为：首先，通过导柱7的导向作用，动模板6向定模板8运动，当滑块16、型芯18和型腔11紧密闭合后，合模过程完成。然后，熔融的塑料经喷嘴进入主流道，在通过一级分流道和二级分流道后到达浇口位置，并注射入型腔，再经过一定时间的保压、冷却后即可凝固成型。接下来进入开模过程，动模板6在开模力的作用下与塑件和流道凝料一起逐渐远离定模板8并达到开模行程间距。与此同时，斜导柱13驱动滑块16向外平移，达到侧向分型目的，塑件和流道凝料在顶料系统的作用下从型芯18中顶出。最后，动模和定模重新合模复位，进入下一个工作循环。

5 结论

通过对滑扣的结构分析，选取合适的分型面，减少了模具设计过程中侧向抽芯的数量，可有效降低模具的设计和加工制造难度，降低成本，为类似塑件的模具设计提供一定的参考。

设置均衡的流道系统，采用矩形截面的侧浇口，设置动模和定模各一根冷却水管的双层冷却系统，选择“冷却+填充+保压+翘曲”组合分析序列，利用Moldflow进行成型分析。填充时间为0.489 0 s，填充均衡，效果良好；塑件中的体积收缩率较小，最大处位于浇口位置，约为3.7%，尺寸稳定性较好；气穴主要位于型腔和型芯及滑块相互结合的部位，可利用分型面及模具配合间隙排气；熔接线主要出现在滑块和型芯结合处，对外观的影响尚可接受；塑件的总变形最大为0.046 1 mm，满足要求。

模具为一模四腔的型腔布局形式，模具型腔位于定模侧，采用整体式结构，型芯位于动模侧，由型芯主体和滑块组成，利用斜导柱实现侧抽芯功能。

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