手机后盖注射成型工艺分析及模具设计

 陈  飞1，付  泽2，聂嘉呈1，王  进1，韩灵全1，任  鸿1

（1．太原科技大学材料科学与工程学院，山西  太原  030024;2．北京理工大学材料科学与工程学院，北京  100081）

摘要：本着“优化设计”的理念，通过计算机软件Moldflow分析了手机后盖注射模具的浇口位置、模具温度、锁模力、熔体充填时间、注射压力等成型所需的工艺参数，以及塑件可能形成气穴的位置、熔接痕位置和翘曲变形程度等注射缺陷，综合软件分析结果设计了注射模具。

关键词：手机后盖；注射模具；工艺中图分类号：TP391.7：TG76

0  引言

 塑料产品具有质量轻、化学稳定性好、耐冲击性好、比强度高、耐磨损性好、消音减振、绝缘性好、便于加工等特点，因此，塑料注射成型技术的应用范围越来越广泛，注射成型的工艺参数以及注射模具技术在CAD/CAE技术研究领域越来越受到关注。本文以手机后盖注射成型工艺分析及模具设计为例，应用Moldflow软件进行分析和设计。

1  手机后盖的注射工艺分析

1.1  手机后盖塑件结构及尺寸

 手机后盖塑件的具体结构尺寸如图1所示。该塑件的尺寸较小，长度为100 mm，宽度为50 mm，高度为10 mm，壁厚为1 mm。由软件分析计算得到塑件的体积V=6. 28 cm3。

1.2  材料的选用

 根据各种材料的注射性能及加工使用性能，综合市场价格，选择手机后盖塑件材料为ABS，即丙烯腈一丁二烯一苯乙烯共聚物。

1.3  塑件的工艺性分析

 塑件所用材料为ABS，采用MT3级精度，无公差值者按MT5级精度取值。

 模具的表面粗糙度直接决定了成型零件的表面粗糙度，本产品的外观要求高，故要求有较高的表面粗糙度。一般地，模具的表面粗糙度要高于塑件1级～2级，塑件的表面粗糙度为Ra1.6～Ra3.2，本塑件选取Ra1.6。

 本塑件结构简单，但外表面质量要求较高，故采用侧浇口，将浇口设置在塑件边缘。

 为保证塑件容易脱模，防止脱模时模具型芯或凸起部分拉住塑件，模具应当设置脱模斜度。本塑件属于壳类零件，选取型腔的脱模斜度为35'～1030' ，型芯的脱模斜度为30'～40'。

2  注射模拟分析

2.1  塑件的网格划分

 表面网格模型是由三角形单元组成的，网格创建在模型的上下表面，对于一般的薄壁塑件，均采用表面网格进行划分。手机后壳为薄壁塑件，所以采用表面网格进行划分。网格边长为2 mm，模型的匹配率要大于85%，取网格最大纵横比为6，对划分好的网格进行修补处理。

2.2  注射工艺参数设置

2.2.1  成型工艺参数设置

 模具温度：根据选用材料的特性选择模具表面温度为70℃。

 熔体温度：根据选用材料的特性选择熔体温度为275℃。

 模拟方式：采用“自动控制方式”进行。

 速度一压力切换：采用“自动”的方式来设置速度一压力切换。

 保压控制：根据充填压力的百分比与充填时间的关系来进行保压控制，充填压力等于保压压力，保压时间设置为10 s。

 开模时间：设置开模时间为5s。

 注射十保压十冷却时间：冷却分析使用注射十保压十冷却的时间和来定义模具与塑料接触的时间。本例冷却时间为20 s。

2.2.2分析类型设置

 在做翘曲分析时，以“冷却十流动十翘曲”作为首选的分析类型。

 (1)冷却分析：分析塑件和模具的温度、冷却时间等，其目的是判断制品冷却效果的优劣，计算出冷却时间，确定成型周期。

 (2)流动分析：用来预测热熔体在模具型腔内的流动情况，其目的在于得到最佳保压阶段参数。

 (3)翘曲分析：用来判定热塑性制品成型后是否会出现翘曲现象，若出现翘曲，排查翘曲原因。

2.3  浇注系统的创建

2.3.1  浇口位置

 合理的浇口设计对注射件质量的影响巨大。利用分析软件，可以给用户提供最佳浇口位置的参考，本注射件软件分析结果如图2所示。

2.3.2流道设计

 根据塑件结构，在浇注系统中采用潜薄片式浇口，分流道为梯形。由于塑件两侧有通孔，需两侧采用侧抽芯机构，因此采用一模两腔的结构，其流道设计如图3所示。

2.3.3浇口与流道的网格划分

 对于设计的流道和浇口，必须要进行网格划分才能进行之后的计算与分析。设定单元网格边长为3mm，对设计的流道和浇口进行网格划分，划分完成后对网格状态进行统计，确认无误后即可。

2.4  冷却系统的创建

 本例采用手工创建冷却系统，水管的直径为Φ10 mm，水管与制品间的距离为10 mm，管道数量为8条，定模管道中心之间的距离为20 mm，动模管道中心距离为30 mm，管道超出制品边缘的距离为30 mm。冷却管布局如图4所示。

 设定单元网格边长为15 mm，对设计的冷却管进行网格划分，划分完成后对网格状态进行统计，确认无误后即可。

3模拟结果分析

3.1  流动结果分析

3.1.1  充填时间

 充填时间是一项非常重要的结果，为聚合物熔体从进入模具到充填满模具的时间。充填时间的分析结果主要是通过不同的颜色来显示熔接痕流动时的形状变化和熔体的充模过程，通过该结果可以知道型腔内充填情况。经计算，本例充填过程全部完成需要0. 684 9 s。

 一般注射生产中，注射时间不宜过长，因为随着注射时间的延长，塑料熔体的流动长度缩短。所以，在改善塑料熔体的充填性时，应尽量减少充填时间，这样也可显著提高生产效率。

3.1.2  流动前沿温度分析

 流动前沿温度主要是分析熔体填充的中间流温度，它代表了截面中心的温度，故其变化不大。流动前沿温度图可与熔接痕图相结合使用，如图5所示。

 注射前沿温度与熔体温度近似相等，故易于成型。塑件的温度差约为13℃，塑件温度分布均匀，说明熔体流动平衡，可以保证塑件具有较好的表面质量。

3.1.3  注射压力分析

 注射位置压力也是注射成型工艺参数中重要的参数之一，它直接决定了注射机的最小压力，通过计算，得知注射该塑件的最小压力为125 M Pa。

3.1.4气穴分析

 当材料从各个方向流至一个节点时，往往会形成气穴，但如果气穴处于分型面，气体可以通过分型面排出。气穴可能造成欠注以及保压不充分等问题，从而造成严重的缺陷，因此应该消除制件的气穴。

 图6所示圆圈处为塑件气穴位置。从气穴位置来看，汇聚在型腔表层或塑件内部的气泡大多在熔体流动的末端，并且集中于分型面，气体可以很容易地通过分型面间隙排出，不会造成困气现象，能够有效地避免由于气穴的形成导致塑件表面空穴、焦痕等缺陷。

3.1.5熔接痕分析

 图7为塑件熔接痕。熔接痕主要集中在塑件的孔洞处，该处为工艺孔或安装按键部分，不会影响塑件外观。对于表面上出现的熔接痕是不可避免的，即使更换浇口位置也会有熔接痕出现在表面上。这些熔接痕所在的位置对塑件的外观要求影响可以忽略，然而，熔接痕的存在将会造成产品的力学性能下降，故应该尽量减少熔接痕的数量，并要求保证产生熔接痕区域的机械强度。

3.1.6锁模力分析

 锁模力是选择注射机的重要参考之一。经过计算，注射过程中的最大锁模力约为600 k N。

3.2  冷却结果分析

 冷却分析结果主要信息包括产品上表面温度、产品下表面温度、产品的温度差异、冷凝时间和水路中冷却液的雷诺数；次要信息包括水路中冷却液的流动速度、冷却液的温度和水路的管壁温度等。

3.2.1  产品的上表面和下表面温度

 表面温度对制品质量具有重要影响。产品上表面和下表面温度显示产品与模具接触面的温度分布，所以该结果也叫做模具表面温度，反映了在成型周期中模具表面的平均温度。本制品的表面温度最高为41. 18℃。

3.2.2冻结时间

 冻结时间可用来估计制件成型的周期，其长短会直接影响产品生产。本塑件冻结时间为0. 945 6 s，冷流道的冻结时间为16. 61 s。

3.2.3  水路中冷却液的温度

 水路中冷却液的温度反映冷却液在水路中的温度变化。冷却液的温度变化要均匀，温度的变化应不超过3℃。本冷却水的温差为0. 04℃，符合要求。

3.2.4  回路管壁温度

 回路管壁内温差较均匀，并且与冷却介质温度差不到2℃，可见冷却效果比较理想。

3.3  翘曲结果分析

 塑件不同区域的收缩不均匀，在与材料分子取向平行、垂直的方向上收缩不均匀都会造成翘曲现象。

 制件的冷却、收缩以及材料分子的取向都会导致制件翘曲，考虑了所有产生翘曲的因素后，得到了塑件的总变形云图，如图8所示。

 经分析可知，，对制件翘曲影响最大的是收缩变形导致的翘曲，冷却和分子取向导致的变形很小，可以忽略不计。收缩导致的塑件变形云图如图9所示。

4  手机后盖注射模具总装图

 经上述分析后，设计完成的手机后盖注射模总装配图如图10所示。

5结语

 通过CAD模型与Moldflow软件，可进行部分性能和注射工艺分析；借助于CEA技术，不仅可以缩短注射模具的设计和制造周期，而且还可以将在实际生产中可能出现的问题通过专用软件及早暴露，以便于工艺参数的优化与模具结构的改善，这可以帮助模具设计师与制造厂商节省大量的时间，节约大量的成本，是未来工业发展的方向。