注塑模具标准化环境下的机械自动化软件技术与应用

王 涛

（山东商业职业技术学院，山东省济南市 250103）

我国在医疗制品、食品包装、日常消费品方面消耗巨大，因而，对注塑模具产品需求很大［1］。注塑模具自动化、标准化设计是通过模具和注塑模具设计构架相结合完成，从而快速对产品结构、模型进行设计，满足市场多样化需求［1］。在设计塑件结构比较特殊的注塑模具时，需从多方面考虑。根据塑件成型及结构布局要求进行设置，确保浇注的优良性、可行性，从而使塑件最终成型质量得到保证。在设计浇注系统浇口位置时，要同时兼顾特殊脱模机结构形式及设置方位，结合机械自动化软件技术进行仿真分析，避免盲目设计造成修模、改模风险［2-3］。本工作基于注塑模具标准化环境，以某手机保护壳为例研究了机械自动化软件——UG NX6.0软件及Moldflow软件在塑料模具设计中的应用。

1 注塑模具标准化

注塑模具标准化指模具设计标准化、模具生产标准化、模具管理标准化［4］。进行注塑模具标准化设计，可有效降低工装零件和夹具的使用频率。在生产注塑模具产品时，需要加强标准化规范流程，按照具体情况选取合适的零件和流程来生产塑件，尽可能减少工装零件及夹具的使用，确保各生产工序顺利进行。通过注塑模具设计、生产、管理的标准化，有效协调并管理生产工序，落实科学配置生产内容以及生产内容之间的关系，加快改革生产技术的进程。对不同生产项目制定相应的工作流程，通过标准化加工技术指导产品的生产过程。

1.1 注塑模具设计与制造标准化体系

标准化规范流程是制造注塑模具的关键内容，只有严格遵循相关规范，才能尽快落实模具生产的规范化和标准化［5］。经营管理标准化、制造标准化、设计标准化是模具标准化的三个核心内容，三者相互关联且牵制。随着注塑模具标准化流程的不断发展完善，数据库成为非常核心的内容，能够将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助制造等技术有效落实［6］。同时还包括结构设计、工艺设计，这两个环节相互借鉴、连通、调用。信息技术发展进程的不断推进，CAD/计算机辅助工程（CAE）技术在开发设计模具技术方面发挥了巨大的作用，能够显著提高产品质量，缩短生产周期，降低生产成本［7-9］。

1.2 以成组技术为基础的参数化图库

在建立相关零部件图库的过程中，采用参数化设计方法，从而实现机械自动化软件技术的最大功能。利用机械自动化软件，可减少废弃零部件产生，提升设计效率。结合企业的实际发展情况，在机械自动化软件技术基础上与UG NX6.0软件相结合，建立注塑模具零件库。对于相关的零部件，将零件尺寸作为参数，当参数发生改变时，零件属性、形状也将发生变化。

1.3 建立参数化图库

在进行机械自动化软件技术系统的二次开发时，必须充分重视图库的建立，机械自动化软件的智能优势十分显著，直接影响零部件的生产和修改［9］。基于尺寸和结构等参数进行参数化图库的构建，结合参数化的手段进一步落实标准化体系的确立，在绘图过程中，用户利用模具采纳数可实现图形绘制。基于机械自动化软件系统中的计算机语言，可编制相应结构的图形。并结合数据库实现多元化的传送和查询功能，最终确定图形。该方法的针对性和可靠性优势较强，可以处理的图像对象更多。由于图形局部的修改能力较差，所以必须要重新启动原有程序才能进行改动，工作量较大。根据机械自动化软件系统提供的参数化功能及造型功能，在原有图形的基础上对参数化模型进行构建。对参数和图形参数化过程进行详细的记录，从而实现参数图形的建立。同时需要通过相关约束自行记录作图进程，确保为新一组参数提供新图形［10］。利用作图法建立图形，通过编程法对图形进行约束。

2 注塑模具标准化环境下某手机保护壳自动化软件技术与应用

2.1 用UG NX6.0软件建模

在零件图纸要求的基础上，采用UG NX6.0软件建立某手机保护壳模型。

2.1.1 塑件结构与模型前处理

某手机保护壳的精度要求是不允许存在质量缺陷；整体上塑件没有拔模角，最大结构尺寸为145.5 mm×74.6 mm×10.5 mm，塑件为薄壁件，平均壁厚为1.050 mm，最小壁厚为0.756 mm，要求尺寸公差为±0.05 mm，塑件和手机组配良好。采用UG NX6.0软件的CAD建立手机保护壳模型，通过转换生成STL文件，然后将该文件导入到Moldflow软件中进行模拟分析。对该手机保护壳进行有限元网格划分，经过检查和修复，使单元的纵横比达到流变计算要求，最终确定网格单元为26 285个，匹配率达97.5%，满足要求，单元无相交、无自由边。某手机保护壳三维实体模型见图1。

图1 手机保护壳三维实体模型Fig.1 3D model of mobile phone protective case

2.1.2 材料选择与成型工艺参数设定

该手机保护壳采用的原料为东莞市广业塑胶原料有限公司的注塑级改性聚碳酸酯（PC），牌号为GH119FPC，填充玻璃纤维的质量分数为10%。PC属于一种具有优良性能的热塑性工程塑料，添加炭黑、碳纤维、玻璃纤维、永久性抗静电母粒、金属粉等，具有静电消散导电、抗静电、抗电磁波干扰屏蔽等功能，且具有良好的抗冲击性能和力学性能，尺寸稳定性良好，同时具有优良的耐热、耐寒、抗蠕变性，长期使用温度为10～120℃。该产品透明度为91.5%，收缩率较低，通常为0.1%～0.3%，且具有较高的弹性模量。该手机保护壳的注塑成型工艺参数为：模具温度85.5 ℃，熔体温度301.2 ℃，注射时间1.29 s，保压时间9.9 s，冷却温度25.5 ℃，冷却时间18.5 s。

2.2 模具及其系统设计

通过分析注塑成型的结构特点和工艺要求，采用一模两腔结构，使工艺流程可行且结构塑件质量得到保证。

2.2.1 浇口设计

手机保护壳塑件的浇口也就是进料口或内流道，可使熔融塑料对型腔进行快速填充，此外还要封闭型腔，从根本上防止出现倒流的现象，有利于产品的分离成型。注塑模具的设计过程中，首先需要考虑浇口位置的设计，因为这与塑件的性能以及质量有直接关联［11］。基于CAE技术，能够仿真模拟冷却并填充塑料熔体的过程，有效预测塑件成型后可能存在的缺陷，及时针对其中存在的问题进行纠正整改，降低模具的制造成本和周期。采用Moldflow软件分析浇口位置的流程为：导入模型—划分网格—修复网格—统计网格—分析最佳浇口位置。

设计手机保护壳时要遵循美观光滑的原则，因此，本次设计的模具采用侧浇口，短流程，方便脱模及分离，这样对型腔内的气体排出有利，此外还能确保熔融塑料注入型腔时的速度均匀，减少内应力的产生。塑件的最佳浇口位置见图2。

图2 塑件的最佳浇口位置Fig.2 Optimum gate position for plastic part

2.2.2 成型零件设计

镶块、型腔及型芯等均属于成型零件，能够通过设计构成整体式或者组合式的成型零件。在结构较为简单的模具中，一般会使用整体式结构。本设计中的侧向抽芯机构，复杂程度较高，所以通过整体镶嵌式结构来处理型芯和型腔，并对其进行固定处理。从而便于加工，简化模具流程，在工件表面可避免镶块留有印痕，同时可避免凹模刚性不足。

采用UG NX6.0软件，按以下环节展开分模设计流程：初始化项目、设置模具坐标系、设置收缩率、创建注塑模向导模具工件、设置型腔布局、模具分型。可快捷、方便、准确对型芯、型腔进行创建。型芯结构示意见图3。

图3 型芯的结构示意Fig.3 Structural schematic diagram of core

2.2.3 侧向抽芯机构设计

由于一个长圆孔存在于手机保护壳塑件侧面，会直接影响模具的开模，所以在设计模具的过程中，需要使用侧向抽芯。斜导柱倾斜角（αX）是开展侧向抽芯机构行程的重点计算依据，并且会在很大程度上直接影响有效工作长度、斜导柱的抽芯距、受力状况等。一般来说，手机保护壳模具斜导柱的αX为12.50°≤αX≤22.05°；本工作中，行程取中间值，αX=15.00°，则（αX+2°）～（αX+3°）为楔紧块楔紧角度。通常抽芯距较塑件侧孔大2.05～3.05 mm，抽芯距S=H+2.05，其中，H为塑件侧孔深度，由于塑件平均壁厚1.5 mm，故取H=1.5 mm，S=1.5+2.05=3.55 mm。Fc=AbpμcosαX-sinαX=0.018 2 N，其中，Fc为抽芯力，N；Ab为塑件包络型芯面积，mm2；p为塑件对型芯单位面积上的包紧力，取（0.8～1.2）×107Pa；μ为塑件对钢的摩擦因数，通常为0.12～0.32。按照斜导柱的αX，S，Fc，进一步确定斜导柱直径，其数值为12.05 mm。

2.2.4 冷却系统设计

大批量生产的塑件需要确保表面不出现显著的缺陷（如气泡、熔接痕迹等），要尽可能保证外表光滑美观，所以需要基于冷却系统来设计模具，从而保证塑件成型的质量。塑件平均厚度为1.52 mm，根据模具结构，在定模、动模上分别进行循环水路孔径的设计。冷却水管的布局见图4。

2.2.5 其他机构设计

图4 冷却水管的布局Fig.4 Layout of cooling pipe

在合模模具的过程中，本工作在机构导向的过程中选择了导柱与导套，通常情况下导柱与导套采用间隙进行配合。设计了推杆推出机构，避免塑件变形，且可顺利脱模，设置八根φ6.05 mm×148.50 mm的圆柱型推杆于塑件最大包络面上。推杆长度=L型芯板+L推杆固定板+20.05=120.05 mm，其中，L推杆固定板表示推杆固定板厚度，mm；L型芯板表示分型芯固定板厚度，mm。推件力（Ft）按式（1）计算。

式中：q表示塑件对脱模施加的压力，为0.095 MPa；A1为塑件垂直于脱模方向的投影面积，mm2；α为脱模的斜度，PC作原料时，α为40°。由于本工作只需设计较小的模具，所以使用排气槽的形式设计排气系统，对于分型面设置过程来说，需要使用推杆或活动型芯配合间隙，配合间隙为0.03～0.05 mm。

2.3 模具装配

手机保护壳的模具装配图见图5。在模具运行时，打开方向为主分型面，并借助输送装置以及压杆机构与动模板型腔相关联，并输送图案，模具合模，利用压杆机构准确定位图案。在注塑机注射时，通过浇注系统将模具型腔充满，当冷却后，融合图案以及塑件。打开模具并使用拨块机构完成保护壳按键孔的抽拔动作，通过系统凝料的浇注，将潜伏式浇口凝料与产品进行分离，并被顶针顶出。在凝料及产品取出后，对图案重新进行输送，继续注塑成型。

2.4 注塑成型工艺分析

图5 模具装配图Fig.5 Assembly drawing of mold

注塑成型每次成型的塑件数量对注塑模具的型腔数量有关键的影响，对其进行划分主要包括单型腔模具和多型腔模具。其中，前者的特点为不需花费较长的生产周期，并且可以节约生产成本，一般来说其塑件成型都表现出较好的一致性，但生产效率不高；后者的特点是生产效率非常高，且成本控制在较低水平，适用于大批量长期生产过程。通过Moldflow软件对塑件填充过程进行模拟，对模具结构进行优化，确定最大锁模力、最佳注射时间，使生产的塑件性能最佳。熔体充满型腔需要0.972 6 s，在熔体最后到达处，充填饱满，基本没有出现短射现象。在完成充填后，体积温度反映的是充模时，温度的变化情况。在完成充填后，体积温度具有较窄的分布范围，由于制品交叉口多，壁厚较薄，在几处小孔周围，温度较低。如在壁厚低于1.48 mm处会有这种情况出现，因而注射速率不能过高。在开孔边缘处分布有气穴，但气穴在型芯、型腔配合处产生，可利用配合处间隙排气，可忽略。

从图6可以看出：在注射时间为0.96 s时，锁模力最大，为29.5 t，没有超出注塑机额定值90.0 t，随着注射时间的进一步延长，塑件综合变形程度随之增大，翘曲程度非常小，未发生短射现象，注塑工艺与实际生产条件相符合。

图6 锁模力随注射时间变化的情况Fig.6 Clamping force as a function of injection time

3 结论

a）基于注塑模具标准化环境，采用UG NX6.0软件研究了某手机保护壳自动化软件技术的应用。

b）在设计某手机保护壳注塑模具的过程中，可以使用UG NX6.0软件及Moldflow软件。通过全面分析塑件成型的结构特点和工艺要求，最终设计采用一模两腔结构，使工艺流程可行且结构塑件质量得到保证。

c）通过Moldflow软件对塑件填充过程进行模拟，对模具结构进行优化，确定塑件最佳注射时间为0.96 s，最大锁模力为29.5 t，随着锁模力的增加，塑件综合变形程度增大，翘曲程度非常小，未发生短射现象，符合实际生产条件。