薄壁继电器外壳注塑模具设计

杨飞、周荃

杭州美思特智能科技股份有限公司，浙江省杭州市310000

摘要：现如今，随着我国经济的加快发展，继电器外壳的内凹变形和毛边对于继电器的性能至关重要，本文重点分析各种筋条、填充平衡和继电器外壳内凹变形的关系并且阐述外壳内凹变形原因和筋条底部毛边产生的原因，提出解决方案。经实际生产验证，外壳的内凹变形得到明显改善并且解决了筋条的毛边问题。

关键词：薄壁继电器；外壳；注塑模具设计

引言

目前，塑料制品广泛应用于医疗、教育、汽车、建筑等行业领域，计算机辅助技术（ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｉｄｅｄ　ｅｎｇｉ－ｎｅｅｒｉｎｇ，ＣＡＥ）可以早期发现塑料注塑模具设计前期存在的缺陷，从而对模具参数予以修正，完善优化方案。但传统的注塑模具设计依靠工人经验，操作误差大，需要反复修正调试才能投入生产，存在多次调试增加成本和周期长等较大局限性，不能满足规模化生产需求。由于试模工作量大，且修模频繁，因此为避免浪费大、耗时长和反复试验，国内外学者将数字化技术应用于注塑模的研究。美国康奈尔航空工程学院在研究注塑模的ＣＡＥ方面成效显著，通过实验注塑模拟构建塑料性能方面的数据库，结合三维流动计算机，计算形成注塑的几何造型系统；澳大利亚在开发注塑工艺中，以ＣＡＥ软件最具代表性，通过流动分析、冷却分析和保压分析，制作注塑成型。我国注塑模以ＣＡＤ／ＣＡＥ为主，基于计算机辅助技术，对防尘摄像机注塑模具进行改进；通过计算机辅助技术，对一氧化碳检测仪注塑模具进行优化研究，该研究降低了人工成本，延长模具寿命，改善了模具性能，提高模具制造精度，从而确保标准化生产塑料制品。基于此，本文借助于数字化计算机辅助技术ＣＡＤ和ＣＡＥ，对数字化注塑模具进行优化。该设计降低了开发难度，缩短了产品生产周期，推动规模化生产，改善业内模具过分依赖个人经验及反复修改模具的情况。该研究对于物料成本精简，延长模具使用寿命，提高制造产品精度具有重要意义。

1注塑模具技术的应用

研究人员在设计注塑模具时，需要考虑塑料熔体的冷却行为和流动行为，同时，在设计模具后，要匹配装配标准，并优化结构，还要考虑运输、制造成本，目前通过优化人员的工艺水平已不能满足工艺需求。计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）帮助研究人员优化了传统设计与制造的方法。随着科技的进步，基于特征的参数化实体/曲面造型技术的广泛应用，在注塑模具设计中给CAD深入应用提供了便捷。随着Pro/E和UG软件的更新，应用及模具种类需求的市场化加剧，使传统混合型CAD/CAM系统可以快速满足协同分工合作，完成整个生产过程。热流道技术是将注塑模具广泛应用的一种技术，主要应用于注塑模具浇注，其主要工作原理是将位于流道周围的加热圈加热，并保证注塑机喷嘴到浇口持续高温，在其之内的塑料处于熔融状态，当停止工作后不用打开流道取出凝结后的塑料制品，再开机只需加热至所需温度即可。这种注塑方法的优点有很多，可以在没有废料产生的前提下缩短生产周期，便于自动化生产，降低产品的不合格率，但因为这种方法的流道价格太高，与模具的匹配程度要求极高，维修和安装时要将误差降到最低，并严格保证精密加工，国外的注塑生产主要依赖于热流道技术，总体而言，我国在这项技术领域存在热流道原件质量较差的问题，目前有大批量的产品需要仿制，针对高精度的模具，其热流道系统还需进口。注塑成型（ComputerAidedEngineering，CAE）技术是另一种技术，该项技术首先要建立高聚物成型过程的物理和数学模型，再针对模型设计有效算法，研究加工条件的变化规律，预测制品的结构和性能，使成型工艺及模具设计建立在科学分析的基础上，为优化模具设计和控制产品成型过程获得理想的制品质量提供科学依据。加工模具前首先要让生产操作人员分析影响模具制品性能与外观的因素，并预测影响程度。注塑成型CAE技术也是对聚合物注塑成型过程的数值仿真模拟的一项技术，重点涉及注塑工艺控制的集成化研究等。我国研究学者对模型的数学算法方面有着显著的研究成果，例如，在理论公式的基础上，构建了可以在注塑过程中计算内应力的串联力学模型，通过实验验证法推论仿真模型，数学模型的基础是有限元法，求解耦合场的压力、热流和温度。注塑成型CAE技术已广泛应用于注塑模具设计、成型工艺优化中，但还需进一步结合工程实际去探索。注塑模具加工的注塑制品受到制品的材料力学性能、注塑成型条件、制品结构等因素的影响，提高制品的性能可以通过改进模具结构并有效控制注塑成型工艺条件来实现。所以需制定合适的工艺模型，控制工艺变量对制品性能的作用，按照合理程序分析试验数据，得出最优工艺参数组合。

2薄壁继电器外壳注塑模具设计

2.1成型零件设计

（1）分模设计。在手表成型零件设计过程中，分模面的设计通常与塑件的尺寸、质量、飞边大小、脱模以及成本等方面息息相关。结合当前塑件的实际结构，为了可以方便加工成型另加并简化模具的整体结构，可以利用对称面为分型面，在脱模后塑件将被留存于动模中，结合系统中的断开功能将模型分割为四个独立的分模面。在创建外分模面前，应单独创建一个分模面的零件，将外部分模面放置在新创建的零件中，如此才能够将四个独自的分模面加以合并、裁剪等操作。结合系统中的创建功能，创建出一个名为“分模面零件”的文件，并将其放在装配坐标系中。通过组合曲线的方式将型芯上的分断面轮廓加以组合。在本注塑手表壳体模具中往往分模面的创建是复杂的，应进行分阶段处理。（2）型芯与型腔零件的设计。在型芯与型腔零件设计过程中，通常需要激活系统中的动模功能，并将新建立的文件放置在装配坐标系中。而成型的零件主要所采用的便是嵌入式的结构，选择模具设计中的切除当前功能，在提示中选择出型芯，对型芯位置中的四个零件表面进行分隔，并将其作为分隔面，最终切除型芯零件，结合相同的方法，制作出型腔的零件。

2.2热流道浇注系统脱模结构的比较

熔体在经过冷却和保压补料后进入型腔，脱模机构把产品推出模具，完成一次注塑。分别在两个位置的浇注系统中设计了分离品与推杆装置，受限于椭圆孔的尺寸，短轴处要产生脱模推出结构，只可以在分流道的中间部位加装，并不能确保分流道和后搭边的浇口在分离塑件时可以整齐排列，而对比之下，长轴具有较长的分流道尺寸，除了短轴具有的推开装置外，在对称于分流道的部位可增设两个螺母杆，作为多项支撑点，这样在分离塑件时能够整齐排列，考虑中心对称的椭圆孔，同时，分析浇注流道的平衡性问题，适合确定长轴部位为最佳浇注点。

2.3脱模与修模

所有的产品保压操作全部完成后，浇注中心温度在此时将不断降低，并降至温度临界点附近。当模件仍处于冷却阶段，没到开模时间，操作控制员对注塑机做出了一次定距顶出的操作，并同时带动了两根胶口，针箍朝料筒方向移动。不过，动作范围不能太大，要限制在1mm范围以内。动作两次后，就会恢复正常。此时，所有的普通顶针在限位杆和注塑机合模力的作用下，不会出现任何位移或运动情况，而两个胶口顶针完成所有动作指令后，模具内部的侧浇口就会被切断。待到产品冷却，过程结束后，技术操作人员就可按照注塑模具的三板模落实开模动作。此时，注塑机受到的开模力会将在束口流道处的流道凝料给拉断，在拉料销作用下，流道凝料会有一部分停留在脱料板上，另一部分则流进模具型腔内。此时，技术操作人员继续执行开模动作，脱料板就会受到限位拉杆的拉力反拉力的影响，致使脱料板与定做板之间的分型面打开，以保证流道内的凝料可以从拉料壳中完全脱出。此时，技术操作人员还需要采用塑料成型工艺和实际操作，对塑料制件的质量进行科学评价，而已完成的装配模，可以快速更换，在注塑机模架上，保证注塑成型操作效率更高。

2.4型芯及制件结构优化

型芯发生偏移的根本原因是型芯刚度不足，聚合物熔体在充填流动过程中对模具型芯产生的压力会导致强度或刚度不足的型芯产生塑性变形，在制品上出现熔接痕、溢料和飞边等外观缺陷，极大降低了产品的尺寸精度及成型质量。在型芯根部倒圆角或增加加强筋虽可以减小应力集中降低弯曲变形量，但可加工性低，且模具装配难度高，增加模具成本。除此之外，更换刚性更好的型芯材料也能达到减小型芯偏移量的目的。聚合物材料黏度越高，注塑填充过程中对型芯的作用力越大，因此更换流动性更好的聚合物材料可降低作用在型芯上的压力通过对比P-20钢、M310Isoplast和Elma三种材料的弹性模量，选择刚性最好的Elma作为型芯的材料，结合更换流动性更好的塑性材料以及合理的浇口位置三方面来优化型芯偏移量，并对比仅采用一种优化方式时的型芯偏移大小，结果表明通过综合多方面优化更能有效降低型芯偏移。其中，设计合理的结构尺寸，调整产品结构，增加局部壁厚导流以使压力平衡也是减小型芯偏移量的有效方法。进行了线性结构分析，以预测使用长型芯的产品中注射压力变化引起的型芯偏移，并提出了一种改变型芯设计以减小型芯变形的方法。通过正交试验得出矩形塑件的结构尺寸对型芯偏移量的影响规律，塑件截面长宽比越大，型芯偏移量大幅增加；塑件截面厚度增加，型芯偏移量明显降低；而塑件截面长度对型芯偏移量影响较小。提出了一种改变型芯形状的方法，以防止粉末注射成型中的型芯变形。在实际生产中发现模具型芯偏移严重，并出现缺料困气、飞边等缺陷，并由于此原因制件脱模顶出时变形严重。通过Moldflow分析得出型芯两侧聚合物熔体流动不均匀导致了型芯产生偏移，提出调整塑件局部壁厚的方法，采用阻流和导流相辅的方法，使熔料充填型腔时型芯受力平衡，经试模验证型芯偏移量大大降低。通过研究发现，模具结构设计和注射成型条件对型芯偏移的影响很大。对于从模具结构设计角度降低型芯偏移量，型芯与型芯固定板的安装固定方式起到决定性作用。首先减少型芯装配间隙，将型芯及其固定板加工成一个整体能最大程度地保证型芯与型腔相对位置的精确，但此方法仅适用于机械加工的大型盘形型芯。在实际生产加工中，需考虑材料的损耗成本，因此大多数型芯与型芯固定板是分离结构，需考虑型芯与固定板的装配固定。对于形状简单的圆形型芯，采用斜楔安装型芯的方式最能保证型芯及固定板的精确配合，还可采用加工凸缘来实现在固定板中的安装定位，而对长型芯和细长型芯的最佳安装方法是两端固定支撑。其次要提高加工精度，确保型芯两侧壁厚尽可能一致。

结语

总而言之，要想深入地研究注塑模具的数字化设计方案与注塑智能制造设计技术，则需要人们能够全面理解其技术内涵、意义所在前提下，深入地分析探讨其中包含的各种模型方案、优化设计技术和制造技术，并且要密切关注参与其中包含的模具大数据的分析与调试、模具零件的加工、模具的装配、试模和修模工作，从而通过对其整个技术工作流程进行全面的分析，推动和利用现代注塑模具的数字化优化设计和智能制造技术，不断推动、促进我国模具制造业技术能够得到进一步发展。

参考文献

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