基于CAE分析USB外殼模具異型水路的設(shè)計(jì)

王秀梅 翟豪瑞

(1.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程學(xué)院,江蘇 常州,213164;2.鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院,江蘇 鹽城,224051)

模具的冷卻周期通常占到整個(gè)塑料件成型周期的2/3以上。合理的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以縮短冷卻時(shí)間、提高冷卻效率、降低模溫差,使產(chǎn)品溫度均勻從而減小翹曲變形[1-2]。隨著金屬3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展,異型水路的模具設(shè)計(jì)方案,可以極大的提高水路冷卻效率從而減小產(chǎn)品翹曲變形量[3]。下面以USB外殼注塑件模具的水路設(shè)計(jì)為例,采用Moldex3D對異型水路設(shè)計(jì)進(jìn)行有效性評估,以達(dá)到降低冷卻時(shí)間、改善翹曲從而提高生產(chǎn)效率的目標(biāo),并采用金屬3D打印技術(shù)制作了異型水路。

1 原始方案設(shè)計(jì)分析

1.1 傳統(tǒng)水路設(shè)計(jì)

產(chǎn)品為某公司生產(chǎn)的USB外殼注塑件,采用一模四穴的模具設(shè)計(jì)方案。材料是一種丙烯腈丁二烯苯乙烯聚合物(ABS+阻燃劑BC),該產(chǎn)品外觀要求嚴(yán)格,棱線要清晰不可有澆口痕跡,且最大翹曲量不能超過0.050 mm,成型周期控制在10 s以內(nèi)。原始方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 原始方案設(shè)計(jì)

1.2 模流分析結(jié)果

采用Moldex3D模流分析軟件對原始方案進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)水路分析結(jié)果

圖2 (a)顯示凹模表面溫度監(jiān)測點(diǎn)高達(dá)127 ℃,導(dǎo)致積熱嚴(yán)重不容易散熱。冷卻水管效率低,需要較長冷卻時(shí)間,導(dǎo)致成型周期較長。且USB注塑件表面溫差較大,導(dǎo)致不均勻的收縮,容易引起翹曲變形量大。從圖2 (b)可以看出,USB最大翹曲變形量為0.063 mm,最大翹曲位置為注塑末端,方向?yàn)橄蚶锩媛N曲,這與凹模腔表面溫度較高有關(guān)。因此需要重新設(shè)計(jì)冷卻水路,解決冷卻效率低、模腔表面溫度高、翹曲變形量大、成型周期長的問題。

2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)分析

2.1 異型水路設(shè)計(jì)

異型冷卻水路原理是隨著產(chǎn)品的形狀而配置水路,相對于傳統(tǒng)直孔水路,它的形狀可以是異型的。和傳統(tǒng)水路相比,由于它能夠均勻貼合產(chǎn)品, 使得產(chǎn)品在注塑生產(chǎn)過程中冷卻時(shí)間更短、生產(chǎn)周期縮減,能有效提高制品產(chǎn)量。另外,由于冷卻均勻,產(chǎn)品的變形量也會(huì)得到很大控制,產(chǎn)品的合格率也能得到提升。通過冷卻液 (水) 在模具內(nèi)通道流過,為注塑件帶走更多的熱量,達(dá)到快速冷卻,這種冷卻效果的速度和均勻性是由流體通道以及冷卻流體的速度來決定的。根據(jù)USB外殼一模四穴的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的外觀結(jié)構(gòu),凹模部分設(shè)計(jì)出如圖3所示的異型水路分布,水路直徑為1.5 mm。

圖3 異型水路設(shè)計(jì)

2.2 優(yōu)化方案分析結(jié)果

根據(jù)異型水路設(shè)計(jì)方案,再次采用Moldex3D模流分析軟件進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。從圖4(a)可以得出凹模表面最高溫度為87 ℃,比使用傳統(tǒng)水路的127 ℃降低了31.5%,冷卻效果顯著,極大的提高了冷卻水路的效率。由圖4(b)可知,產(chǎn)品翹曲最大變形量減小到0.035 mm,翹曲變形量相對于傳統(tǒng)水路減少了44.4%,滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

在模流分析過程中選取4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)[見圖1(a)],對比2組設(shè)計(jì)的冷卻時(shí)間隨溫度的變化情況,如圖5所示。傳統(tǒng)水路設(shè)計(jì)方案最高溫度為118 ℃,異型水路設(shè)計(jì)方案最高溫度94 ℃。而且異型水路設(shè)計(jì)方案溫度下降很快,不到5 s可將溫度降到70 ℃以下,但是傳統(tǒng)水路設(shè)計(jì)很長時(shí)間后卻很難降到100 ℃以下。

圖4 異型水路分析結(jié)果

圖5 兩種方案監(jiān)測對比

3 試模驗(yàn)證

基于以上模流分析結(jié)果,采用金屬3D打印技術(shù)制作出異型水路,如圖6所示。由于金屬3D打印費(fèi)用高昂,只有凹模型腔里面部分采用金屬3D打印技術(shù)制作,最后異型水路部分與傳統(tǒng)水路部分拼接起來,這樣極大的節(jié)約了制造成本。異型水路解決了產(chǎn)品內(nèi)部積熱的問題,試模發(fā)現(xiàn)原始水路設(shè)計(jì)冷卻時(shí)間17～18 s,異型水路冷卻時(shí)間降到7 s,冷卻時(shí)間相對傳統(tǒng)水路縮短了58.8%。但是達(dá)到預(yù)期的良好效果,最終注塑成型產(chǎn)品如圖7所示。

圖6 異型水路金屬3D打印實(shí)物

圖7 成型產(chǎn)品

4 結(jié)論

通過Moldex3D模流分析軟件對USB外殼模具原始方案和異型水路方案分別進(jìn)行了分析,分析結(jié)果和實(shí)際試模結(jié)果表明,采用異型水路的翹曲變形量相對于傳統(tǒng)水路減少了44.4%,冷卻時(shí)間縮短了58.8%,大大縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期,降低開發(fā)成本,提高制件的質(zhì)量。