電腦主機風(fēng)扇底座注射成形流動仿真及模具設(shè)計

張麗麗，駱俊廷

（燕山大學(xué) a.藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院；b.機械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

隨著塑料材料及性能的迅速發(fā)展和提高，用塑料制品逐漸取代一部分金屬和玻璃制品已經(jīng)成為主要的發(fā)展趨勢，因此塑料新型制品的成形工藝及模具設(shè)計正日益成為高分子材料和裝備制造領(lǐng)域發(fā)展的主要方向之一。塑料模具是大批量生產(chǎn)塑料制品的現(xiàn)代化專用成形工藝設(shè)備的總稱。在各種塑料模具中，由于注射模具有高效、精密、可成形各種復(fù)雜制品、工藝先進等諸多其他成形模具所不具有的特點，而成為塑料制品成形工藝中最重要且起主導(dǎo)作用的模塑成形工藝裝備[1—2]。

電腦是目前廣泛應(yīng)用的辦公及家用電子產(chǎn)品[3]，其應(yīng)用了大量的塑料零部件制品[1—2]，電腦工作時會產(chǎn)生大量的熱量，因此必備的零件之一就是風(fēng)扇。風(fēng)扇底座是一個典型的塑料制品，文中對新型電腦風(fēng)扇底座進行設(shè)計，并對其注射成形工藝進行了分析，最終設(shè)計了注射成形模具。

1 電腦主機風(fēng)扇底座設(shè)計

文中設(shè)計的電腦主機風(fēng)扇底座三維工程造型如圖1 所示，為三層結(jié)構(gòu)，中間有一個中心孔，兩側(cè)有兩個側(cè)孔，其材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料，即ABS 塑料。ABS 材料具有超強的易加工特性、外觀特性、低蠕變性能、優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性以及高的抗沖擊強度。材料的主要技術(shù)指標如下[4]：密度為1.02～1.08 g/cm3，收縮率為0.4%～0.6%，熔融溫度為195～240 ℃，成形模溫為 38～93 ℃，成形壓力為 120～140 MPa。

圖1 電腦主機新型風(fēng)扇底座Fig.1 New fan base of computer host

2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

澆注系統(tǒng)的主流道設(shè)計在模具的澆口套中，為了能讓主流道凝料順利從澆口套中脫出，主流道設(shè)計成圓錐形，其錐角為2°，小端直徑d比注射機噴嘴直徑大0.5～1 mm。分流道是熔料從主流道進入型腔前的過渡部分，其作用是通過改變流道截面及方向，使熔料平穩(wěn)的注入型腔，分流道的截面形狀應(yīng)盡量比表面積小，熱量損失少，摩擦阻力小[5—6]。由于塑件有中心孔，因此采用環(huán)形澆口。冷料穴采用Z 形拉料桿拉料，所設(shè)計的澆注系統(tǒng)相關(guān)尺寸如圖2 所示。

3 注射成型工藝仿真

圖2 澆注系統(tǒng)相關(guān)尺寸Fig.2 Relevant dimensions of pouring system

傳統(tǒng)的注塑成形工藝設(shè)計主要依靠工藝人員的經(jīng)驗和大量試驗驗證，生產(chǎn)周期長，質(zhì)量可調(diào)控性差，反復(fù)調(diào)試模具的成本高，且成形產(chǎn)品精度較低，尤其當注塑成形零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜及精度要求較高時，問題更加突出。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，采用有限元仿真技術(shù)可大大地縮短設(shè)計制造周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時降低生產(chǎn)成本，因此文中采用Moldflow 軟件對主機新型風(fēng)扇底座的注塑成形過程進行仿真分析，選擇合適的成形工藝參數(shù)，并優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)。

3.1 填充時間

填充時間是指熔融料流充滿整個型腔所需要的時間，顯示了料流前鋒的填充過程，它可以顯示任一時刻流動前鋒的位置。當填充平衡時，料流同時達到充填的末端，產(chǎn)品末端各部位的填充時刻應(yīng)該是一致的。為了制得致密度和精度較高的產(chǎn)品，填充時間應(yīng)盡量短。圖3 為制品充填時間云圖，充滿型腔所用的時間為2.232 s，料流到達距澆口最遠處放形件4 個角的時間相等，說明澆口選擇的平衡性較高，而2.232 s 的填充時間對于風(fēng)扇底座的尺寸來說也是較為合理的[7—8]。

圖3 填充時間分析結(jié)果Fig.3 Analysis results of filling time

3.2 氣穴位置

氣穴是在成形制品內(nèi)部所形成的空隙，是兩股或兩股以上的流體末端相遇的區(qū)域，氣泡在這一區(qū)域受到壓制。通過模流分析可顯示出氣穴的分布情況，如圖4 所示。氣穴主要分布在厚壁、凸臺等壁厚不均勻處。模具設(shè)計時，除了可以通過在成形凸臺的小型芯上開排氣槽來排出氣體，還可以利用型芯間隙來排出[9—10]。

圖4 氣穴位置分析結(jié)果Fig.4 Analysis results of cavitation location

3.3 熔接痕

熔接痕屬于產(chǎn)品表觀質(zhì)量缺陷，它發(fā)生在兩個料流前鋒相遇的地方，或者是料鋒分開又匯合的地方。熔接痕對網(wǎng)格密度很敏感，有時會出現(xiàn)在實際并不存在的地方，有時實際存在，而又顯示沒有。圖5 為熔接痕的分析結(jié)果，可以看出熔接痕主要產(chǎn)生在料流的交匯和有孔的地方，對產(chǎn)品的表面質(zhì)量影響不大。兩股不同方向料流的匯合角度對熔接線的明顯程度產(chǎn)生重要影響，并決定了熔接線的深度。當熔接線深度超過2 μm 時，熔接線就可用肉眼可見，此時熔接線的匯合角度剛好是75°，這是熔接線可見與不可見的匯合角度分界線。從圖5 可以看出，由于產(chǎn)品尺寸較大，熔接痕的匯合角分布范圍較廣，20°～135°之間，且離澆口越近，熔接痕角度越大，因此注射成形過程中可以通過適當提高料筒和噴嘴的溫度來改善熔接痕，提高產(chǎn)品的強度，改善產(chǎn)品的外觀[11—12]。

圖5 熔接痕分析結(jié)果Fig.5 Analysis results of weld line

3.4 變形分析

風(fēng)扇底座模型的總變形量如圖6 所示，變形量最大的位置在最下面的 4 個角的位置，總變形量為0.8006 mm，該位置是最后充填的位置。影響風(fēng)扇底座模型變形的因素很多，模具的結(jié)構(gòu)、塑料材料的熱物理性能及注射成形過程的條件和成形參數(shù)均對制品注塑成形后的變形有影響，針對文中設(shè)計的注塑成形過程中應(yīng)適當增加注射壓力和保壓時間，使該部位的充填致密[13—14]。

圖6 總變形量分析結(jié)果Fig.6 Analysis results of total deformation

采用Moldflow 軟件對電腦主機風(fēng)扇底座的注射成形工藝過程中的充填時間、氣穴位置、熔接痕及最大變形量的發(fā)生位置進行了分析，最后主要對主型芯和斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機構(gòu)進行了設(shè)計，確定了氣穴和熔接痕的位置，提出了改進方法，分析了模具的主要機構(gòu)組成及工作原理。

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)注塑成形工藝的仿真模擬結(jié)果，采用3D 模具設(shè)計技術(shù)對模具結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計。

4.1 主型芯設(shè)計

主型芯即凸模，用來成形制品內(nèi)表面。主型芯分為整體結(jié)構(gòu)、整體鑲?cè)虢Y(jié)構(gòu)和鑲拼組合結(jié)構(gòu)3 種。此次設(shè)計采用整體鑲?cè)虢Y(jié)構(gòu)的主型芯。主型芯結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 主型芯結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.7 Structure design of main core

4.2 側(cè)抽機構(gòu)的設(shè)計

由于在產(chǎn)品既含有側(cè)孔又包含側(cè)凹，并且孔和凹的方向相同，均垂直于開合模方向，所以模具必須設(shè)計側(cè)抽芯機構(gòu)[4]。設(shè)計采用的側(cè)抽機構(gòu)如圖8 所示，采用的是斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機構(gòu)，用兩個斜導(dǎo)柱驅(qū)動一個側(cè)型芯滑塊，共4 個側(cè)型芯、8 個斜導(dǎo)柱完成側(cè)抽芯動作[15—16]。

4.3 模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖9 為模具2D 總裝圖，圖10 為模具3D 造型圖。整個模具只需要一次分型即可實現(xiàn)制品的頂出，抽芯機構(gòu)為8 個斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機構(gòu)，頂出機構(gòu)為頂桿頂出，為了防止頂桿與側(cè)型芯滑塊發(fā)生干涉，在復(fù)位桿上增加彈簧，以實現(xiàn)頂出機構(gòu)和頂桿的預(yù)復(fù)位。

圖8 側(cè)抽機構(gòu)Fig.8 Side core-pulling mechanism

圖9 模具2D 總裝圖Fig.9 2D general assembly drawing of mold

圖10 模具3D 造型Fig.10 3D modeling drawing of mold

5 結(jié)論

利用完善的3D 造型和計算機虛擬仿真技術(shù)設(shè)計塑料制品及其成形工藝，已逐步取代實物模型的設(shè)計方式，成為主流設(shè)計方法。仿真技術(shù)與3D 模具設(shè)計技術(shù)在新型電腦風(fēng)扇底座模型及模具開發(fā)中的應(yīng)用，能夠較為準確地分析制品充填過程中的充填時間、氣孔、熔接痕和變形量等參數(shù)，從而指導(dǎo)模具設(shè)計過程。