劉祥建，周佳睿，姜勁
(金陵科技學院機電工程學院，南京211169)
摘要：針對某種塑料按鈕開關帽帶有環形側凹且帽體壁厚變化不均勻的結構特點，設計了一套帶斜導柱側抽芯機構的一模兩腔模具。為改善塑件質量及解決塑件脫模問題，首先，結合Moldflow軟件仿真確定了澆口位置和冷卻系統，并對塑件的成型過程進行仿真分析，結果顯示，塑料熔體充滿型腔的時間短且兩型腔的充型一致性好，同時，塑件的體積收縮率小且兩型腔內的塑件體積變化均勻，型腔內氣體的排出情況較好，氣穴少，塑件產生的翹曲變形量在合理變形范圍之內。其次，對模具結構進行設計，主要包括分型面、成型零件以及側抽芯機構。由于塑件帶有環形側凹，型芯設計成組合式結構，并由大型芯、滑塊和成型桿成型塑件的帽體部分，采用斜導柱側抽芯機構實現塑件環形側凹的成型并脫模。通過Moldflow軟件分析和優化模具設計方案，可以加快模具的設計過程，提高塑件的成型質量。
關鍵詞：按鈕開關帽；注塑模具；澆口位置；成型過程
隨著我國經濟的不斷發展，塑料制品因成本低、質量輕、力學性能相對較高等諸多優點，在車輛制造、家用電器、醫療器械等領域得到了更為廣泛的應用。與此同時，注塑模具作為塑料制品成型的主要設備，其設計與制造技術也在快速提升[1-6]。
CAD/CAE計算機輔助技術的應用大大方便了注塑模具的設計過程，為生產出更低成本、更高質量的塑料制品提供了幫助[7-11]。王巍等[12]設計了機載計算機卡鉤塑件的注塑模具，并應用Moldflow軟件對塑件的澆口位置和成型過程進行了仿真模擬，設計過程中，根據仿真模擬結果選取了塑件的最終澆口位置，塑件的成型分析結果顯示塑件澆口位置的設置是合理的。吳小飛[13]進行了掃地機器人底座塑件的注塑模具設計，針對設計的注塑模具結構，應用Moldflow軟件對澆注系統和冷卻系統設計的合理性進行了仿真驗證。邵良臣等[14]進行了汽車控制面板旋鈕開關注塑模具結構的設計，并運用Moldflow軟件進行了塑件成型過程中的流動、冷卻及翹曲仿真模擬，從而對塑件的成型工藝方案進行優化。耿金萍等[15]設計了偏心輪支架塑件的注塑模具，設計過程中，為獲得最佳澆口位置，保證塑件制品的成型質量，運用Moldflow軟件對設計的澆注系統進行了仿真分析。熊江等[16]應用UG軟件進行了塑料散熱板格柵熱流道疊層注塑模具的結構設計，并運用Moldflow軟件進行了最佳澆口位置仿真和澆注系統充填工藝性仿真，優化了注塑工藝方案。可以看出，Moldflow軟件在優化注塑模具設計結構、驗證模具結構的合理性方面發揮了作用，通過仿真模擬有利于降低模具的試模成本、加快模具設計過程、提升塑件制品的質量。
筆者以某種塑料按鈕開關帽為對象進行注塑模具設計，按鈕開關帽帶有環形側凹且帽體壁厚變化不均勻，為改善塑件質量及解決塑件脫模問題，應用Moldflow軟件對塑件的澆口位置和成型過程進行仿真分析并優化模具設計結構，得到合理的注塑方案。
1 塑件分析
按鈕開關帽結構如圖1所示，整體外形呈中心對稱結構，上部為帽蓋部分，下部為帽體，塑件結構主要由平面、圓弧面組成，其中，帽蓋部分與帽體之間形成環形側凹。塑件外形尺寸為50mm×50mm，最大壁厚為6mm，最小壁厚為1.5mm。塑件材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)，其密度為1.05g/cm3，收縮率為0.4%~0.7%，該材料耐磨性優良，尺寸穩定性好，且沖擊強度較好，在機電產品中應用廣泛。
圖1按鈕開關帽結構示意圖
使用UG軟件中的體積測量功能，得出塑件的體積約為20.40cm3，塑件的質量約為21.42g。
2 塑件成型工藝分析
2.1 網格劃分
為提高注塑模具結構的合理性，在進行模具設計之前應用Moldflow軟件對塑件的澆口位置和成型過程進行仿真分析。建立按鈕開關帽仿真模型，并進行網格劃分，網格劃分后共得到10150個三角形單元，網格質量的匹配百分比為80%，網格劃分結果如圖2所示。
圖2 網格劃分結果
2.2 澆注系統方案
澆注系統決定了塑料熔體在注塑模具中的運動流向，合理的澆注系統結構可以保證來自注塑機噴嘴的塑料熔體達到最佳的流動狀態，并實現平穩、順利地充模，完成整個澆注過程。考慮到塑件制品的結構尺寸較小及塑料熔體流動過程中的流動平衡、壓力平衡的影響，為提高生產效率及確保塑件質量的均勻和穩定，注塑模具采用一模兩腔結構，型腔排布采用平衡式排列。
澆口的位置對塑件質量影響較大，為此，利用Moldflow軟件對塑件進行澆口位置分析，仿真結果如圖3所示。可以看到，推薦的比較合適的澆口位置在鄰近環狀凸起的塑件帽體一側附近，考慮到塑件的環狀凸起結構以及塑料熔體的流動阻力的影響，將澆口選在環狀凸起靠近塑件帽體的邊沿位置。
圖3 澆口位置仿真結果
根據上述分析結果，澆口選用側澆口形式，并設計澆口厚度為0.8mm，寬度為2mm，長度為2mm；主流道為圓錐形結構，設計其小端直徑為5mm，大端直徑為8.24mm，長度為92.7mm，球面凹坑半徑為20mm；分流道為圓形截面結構，設計其直徑為6mm。
2.3 冷卻系統方案
塑料熔體在注塑模具中冷卻成型時，其溫度的變化過程會直接影響塑件質量的優劣以及塑件生產效率。如果溫度控制不好，塑件容易產生翹曲變形、應力開裂、表面不光澤及熔合紋等，造成塑件品質下降，甚至不合格。同時，塑料熔體的冷卻時間是影響生產效率的關鍵因素。
注塑模具常使用循環水進行冷卻，其中，冷卻回路的形式和冷卻管道的直徑是冷卻系統設計考慮的兩個主要內容。為減小出入水的溫度差異，使用常溫水作為循環水進行冷卻，冷卻水管上、下各有兩根，且以環繞塑件四周的結構形式進行布局，其中，冷卻水管直徑為10mm，冷卻水管布局如圖4所示。
圖4 冷水管布局示意圖
2.4 成型分析結果
根據前述的澆注系統方案和冷卻系統方案，利用Moldflow軟件模擬塑件的成型過程，對影響塑件成型質量的填充時間、體積收縮率、氣穴位置、翹曲變形量等因素進行分析。在仿真模擬過程中，設置塑料熔體溫度為240℃，保壓時間為10s，開模時間為5s。
圖5為填充時間仿真結果。從圖5可以看出，塑料熔體充滿型腔的時間為0.6359s，可短時間內將塑料熔體充滿型腔，同時，在填充過程中，塑料熔體流至兩型腔末端時間的一致性好，且流動均勻平穩，沒有出現填充不足的情況，因此，有利于獲得高精度、密實的塑件。
圖5 填充時間仿真結果
圖6是體積收縮率仿真結果。從圖6塑件的體積變化情況可以看出，兩型腔內的塑件體積變化均勻，且體積收縮率小，未出現局部位置體積收縮率較大的缺陷，塑件的尺寸穩定性較好。
圖6 體積收縮率仿真結果
圖7是氣穴分布仿真結果
從圖7可以看出，只在塑件帽蓋部分表面產生了幾處氣穴現象，說明型腔內氣體的排出情況較好，另外，氣穴相對接近帽蓋部分的邊沿，位置靠近分型面，而且該塑件的體積較小，排氣量較小，可利用注塑模具分型面之間的微小間隙自然排氣，更有利于型腔內氣體的排出，避免氣穴的產生。
圖8是翹曲變形量仿真結果。
從圖8可以看出，塑件的翹曲變形主要發生在帽蓋部分上部和帽體部分下部，這兩處位置由于塑件形狀結構的原因，壁厚變化不均勻，導致塑件收縮不均勻而發生翹曲變形，其中，產生的最大翹曲變形量為0.3567mm，相對塑件的結構尺寸，該變形量在合理變形范圍之內，能夠保證塑件的成型精度。
綜上所述，前述注塑模具的設計方案能夠滿足成型要求。
3 模具結構設計
3.1 分型面設計
分型面選擇的優劣將直接影響到塑件的成型質量，以及模具結構的復雜程度、注塑工藝操作的難易程度。
根據分型面位置的選擇原則，該塑件分型面的設計，應滿足以下要求：(1)因為該塑件的外觀面要求光順，因此，分型面要盡量避免選擇在塑件光順的外表面位置處；(2)因為注塑模具的推出機構一般設在動模部分，因此，分型面的選擇要盡量保證塑件能留在動模部分；(3)因為該塑件的外表面存在環形側凹，需要設計側抽芯機構實現脫模，因此，分型面的選擇要盡量使側抽芯行程較短。
綜合上述選擇要求，分型面選擇在帽蓋部分與環形側凹結合處的最大截面位置，如圖9所示。
圖9 分型面示意圖
3.2 成型零件設計
成型零件包括型腔和型芯，注塑過程中，型腔用于成型塑件的帽蓋部分，型芯用于成型塑件的帽體部分。
常見的型腔結構有整體式、組合式兩種形式。該塑料按鈕開關帽尺寸較小，帽蓋部分結構簡單，因此，注塑模具型腔采用整體式結構，其結構如圖10所示。
圖10 型腔結構示意圖
型芯也有整體式、組合式兩種結構形式，整體式型芯常用于小型的塑件，較大塑件的注塑常采用組合式型芯。設計過程中，考慮到帽體部分的環形側凹結構和孔狀結構，型芯采用組合式結構，由大型芯和滑塊成型帽體的環形側凹結構，由成型桿成型帽體的孔狀結構。其中，大型芯的結構如圖11所示。
圖11 大型芯結構示意圖
3.3 側抽芯機構設計
由于該塑料按鈕開關帽的帽蓋部分與帽體之間形成環形側凹，具有與開模方向不一致的分型，注塑模具開模時無法直接將塑件推出，因此，設計過程中，需要考慮注塑模具的側向分型與抽芯。
該塑件環形側凹較淺，抽芯距較小，因此采用斜導柱抽芯機構，在結構形式上，將其設計成斜導柱安裝在定模上、滑塊安裝在動模上的形式。這種結構形式適合于塑件的外側抽芯，開模過程中，通過斜導柱驅動側面的滑塊向外運動，從而方便推管將塑件從成型桿上推出。
3.4 模具整體結構及工作過程
該塑料按鈕開關帽的注塑模具整體結構如圖12所示。注塑模具的工作過程如下所示。
(1)合模過程。動模與定模進行合模，在注塑機合模機構推動下，通過導柱的導向，動模向定模方向運動，實現注塑模具的合模并鎖緊。
(2)注塑過程。塑料原材料在注塑機的料筒內被加熱至熔融狀態，然后塑料熔體通過注塑機的噴嘴依次進入注塑模具的主流道、分流道、澆口，最后進入型腔。
(3)保壓和冷卻過程。塑料熔體在注塑模具的型腔內進行保壓和冷卻，進而獲得相應形狀的塑件。
(4)開模過程。在注塑機的開模力作用下，動模向遠離定模的方向運動，動模與定模在分型面位置分開一定的距離，在動模運動過程中，主流道里面的塑料凝料將脫離定模并跟隨動模一起運動，同時，在斜導柱的驅動作用下，滑塊相對于塑件向外運動，實現注塑模具的側向分型與抽芯，注塑機推動推板，進而推管將塑件從成型桿上推出掉落。
(5)復位過程。動模與定模再次進行合模，繼續進行下一個周期的注塑工作過程。
圖12 注塑模具結構圖
4 結語
開關件在機電產品中應用廣泛，以某種塑料按鈕開關帽為對象應用Moldflow軟件對其澆口位置和成型過程進行仿真分析，并完成了塑件的注塑模具結構設計。主要分析結果和設計工作如下所示。
(1)通過澆口位置仿真分析，澆口設計為側澆口形式且位于環狀凸起靠近塑件帽體的邊沿位置處。塑料熔體的成型仿真結果顯示，塑料熔體充滿型腔的時間為0.6359s，充型時間短且兩型腔的充型一致性好；塑件的體積收縮率小，兩型腔內的塑件體積變化均勻，未出現局部位置體積收縮率較大的缺陷；塑件的氣穴少且位置相對接近帽蓋部分的邊沿，型腔內氣體的排出情況較好；塑件產生的最大翹曲變形量為0.3567mm，變形量在合理變形范圍之內。
(2)注塑模具設計為一模兩腔的結構形式，結合塑件的結構特點，分型面選擇在塑件帽蓋部分與環形側凹結合處的最大截面位置，型腔設計成整體式結構，型芯設計成組合式結構，并由大型芯、滑塊和成型桿成型塑件的帽體部分，采用斜導柱側抽芯機構實現塑件環形側凹的成型。
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