手机后盖注塑工艺及模具优化设计
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手机后盖注塑工艺及模具优化设计 3
赵果 辛勇
(南昌大学机电工程学院 ,南昌 330031)
摘要 运用 Moldflow软件对手机后盖进行了模拟分析 ,优化了浇口位置 ,并针对成型过程中出现的缺陷进行了
工艺参数优化 ,在模拟结果的基础上对注塑模具进行了优化设计。CAE优化与模具设计的有效结合 ,缩短了模具研
发周期 ,降低了产品开发成本 ,提高了产品质量。
关键词 Moldflow 手机后盖 工艺参数 注塑模具
随着塑料在家电、电子、机械等产品和日常用品
中的广泛应用 ,对塑料模具设计和制造的要求也越
来越高。传统的注塑模具设计主要依靠设计人员的
直觉和经验 ,模具设计加工完成后往往需要反复地
调试才能正式投入生产 ,发现问题后 ,需要重新调整
工艺参数 ,甚至要修改塑料产品和模具 ,这种模具设
计方式制约了新产品的开发速度。
借助于 CAE软件 Moldflow强大的分析和动态
仿真功能 ,在模具加工之前对整个注塑过程进行模
拟分析 ,找到产品可能存在的缺陷及其位置 ,然后根
据模拟分析结果选择合适的注塑工艺或者对产品设
计作必要的更改 ,从而使得产品和模具在设计阶段
就能得到改进和完善 ,提高一次试模的成功率 ,以达
到降低生产成本、缩短生产周期的目的。
笔者以手机后盖为例 ,利用 Moldflow软件对产
品的注塑工艺进行了模拟分析 ,优化了浇口位置 ,并
针对成型过程中出现的制品缺陷进行了工艺参数优
化 ,在此基础上进行了注塑模具设计。
1 基于 Moldflow的注塑工艺模拟分析 [ 1 - 5 ]
1. 1 Moldflow分析流程
目前 ,Moldflow已成为塑料成型及模具分析领
域的领导者 ,拥有广泛、深入的模拟分析工具 ,能够
模拟最广泛的热塑性塑料的注射成型过程 ,并能预
测产品成型后的缺陷。Moldflow适用于优化产品和
模具设计的整个过程 ,确定材料和工艺条件 ,从而在
质量、成本和时间上取得最佳组合。图 1 所示为
Moldflow分析流程。
1. 2 手机后盖有限元模型的建立
采用 Pro /E W ildfire 2. 0建立手机后盖的实体
模型 ,如图 2a所示 ,产品外形尺寸为 113 mm ×48
mm ×13 mm。通过 Moldflow Design L ink (MDL )将
模型导入到 Moldflow的 MPI模块中 ,选择 Fusion格
式进行网格划分 ,对网格的缺陷修 改 后 ,如 图 2b所
示 ,其三角形网格单元数为 9 952 个 , 匹配率为
92. 7%。
1. 3 成型工艺要求及材料选择
手机后盖属于外置中小塑料件 ;塑料件内侧有
挂钩和凹凸槽 ,需侧抽芯 ;表面质量要求高 ,不能有
明显的气穴、熔接痕 ;配合面要求平整 ,翘曲量要小
(小于 0. 5 mm)。这就要求塑料件成型后要有良好
的表面粗糙度和较小的形状误差 ,并具有较高的强
3 教育部科技研究重点资助项目 (03066) 、江西省自然科学基
金资助项目 (0450060) 、江西省主要学科跨世纪学术带头人资助项
目 ( Z1815)
收稿日期 : 2007211222
14赵果 ,等 :手机后盖注塑工艺及模具优化设计
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度和韧性。为此 ,材料选择美国 GE Plastics公司的
Cycolac GPM5500 ABS,属非结晶材料 ,性能参数见
表 1。
表 1 Cycolac GPM5500 ABS性能参数
项 目 数值 项 目 数值
模温 /℃(推荐值 ) 60 熔体密度 /g·cm - 3 0. 95495
料温 /℃(推荐值 ) 245 固体密度 /g·cm - 3 1. 0751
最大剪切力 /MPa 0. 3 热导率 /W ·(m·K) - 1 0. 272
最大剪切速率 / s- 1 50 000 比热容 /J·( kg·K) - 1 2240
1. 4 注塑机型号的选择
利用 Pro /E 求出塑 料 件 参 数 , 体 积 为 9 447
mm3 ;最大投影面积为 5 103 mm2 ;浇注系统体积为
2 336 mm3 ;总体积为 11 783 mm3 。根据上述参数选
择 SZ - 40 /25型卧式注塑机 ,其主要技术参数见表
2[ 4 ] 。
表 2 SZ - 40 /25型卧式注塑机主要技术参数
项 目 数值 项 目 数值
理论注塑容量 /cm3 40 螺杆直径 /mm 30
拉杆间距 /mm ×mm 250 ×250 锁模力 /kN 250
注塑压力 /MPa 200 注射速率 /g·s- 1 50
模具最小厚度 /mm 130 模具最大厚度 /mm 220
喷嘴球半径 /mm 10 模板行程 /mm 230
1. 5 浇注系统设计
浇注系统是引导塑料熔体从注塑机喷嘴到模具
型腔的进料通道 ,具有传质、传压和传热的功能。本
模具采用普通流道浇注系统 ,包括主流道、分流道、
冷料穴和浇口等。
为了避免注射成型时主流道与注塑机喷嘴之间
溢料而影响脱模 ,设计模具时 ,主流道大端的球面必
须比注塑机喷嘴半径略大 1～2 mm,主流道大端半
径取 11. 0 mm,主流道小端半径要比喷嘴半径大 0. 5
～1. 0 mm,取 10. 5 mm。
分流道的设计应遵循两方面原则 ,一方面排列
紧凑、缩小模具板面尺寸 ;另一方面流程尽量短、锁
模力力求平衡。第一流道截面设计为圆形 ,第二流
道为圆锥形。
浇口是连接流道与型腔之间的一段细短通道 ,
浇口的设计是整个注塑模设计的基础。浇口位置的
正确与否 ,不仅影响到产品的外观 ,而且影响到产品
的质量。手机后盖属于结构复杂的中小型塑料件 ,
利用传统的设计方法很难确定浇口的位置。运用
MPI软件中的 Gate Location模块 ,找到了可供参考
的最佳浇口位置 (位于外部表面中央节点 N2671附
近 ) ,即图 3中的 A 处。考虑到模具设计时浇口位
置的可行性 ,提出两个方案。方案 A:模拟得到的最
图 3 两种方案的浇口位置
佳浇口位置 ;方案 B:浇口居中偏上 ,即图 3中的 B
处。
对 A、B两种方案模拟分析 ,得到各项指标如表
3所示。综合考虑生产效率、沉降指数及收缩变形
等各项因素 ,方案 B效果较好。
表 3 两种方案模拟结果对比
方案 注射时
间 / s
冷却时
间 / s
最大收缩
率 /%
沉降指
数 /%
最大变形
量 /mm
A 0. 31 19. 25 8. 530 5. 221 0. 644 2
B 0. 42 19. 50 8. 254 5. 298 0. 580 5
为了保证手机后盖的外观质量 ,采用点浇口进
浇。这类浇口痕迹小 ,容易修整 ,有利于浇口与产品
的自动分离。整个浇注系统如图 4所示。
图 4 浇注系统
1. 6 注塑机的校核
(1)锁模力校核 锁模力是注塑机施加于模具
的最大夹紧力 ,用以平衡和克服型腔压力作用所产
生的胀型力 ,保证成型、防止溢料。校核公式见式
(1)。
F ≥ q·A (1)
式中 : F———注塑机的额定锁模力 , 250 kN;
q———型腔内塑料熔体的平均压力 ,查手册得
35 MPa;
A ———塑料件及浇注系统在分型面上的总投
影面积 , 5 416 mm2 。
代入计算 ,可满足要求。
(2)装模部分有关尺寸校核 模具最小厚度
130 mm <模具闭合高度 187 mm <模具最大厚度
220 mm;模具外形尺寸长 200 mm <注塑机模板长
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度 250 mm;宽 125 mm <注塑机拉杆间距 250 mm。
因此 ,模具长宽尺寸与注塑机模板尺寸和拉杆间距
相适合。
(3)开模行程校核 校核公式见式 (2) 。
H ≥ H1 + H2 + (5 ～ 10) (2)
式中 : H———注塑机动模板的开模行程 , 230 mm;
H1 ———塑料件推出行程 , 15 mm;
H2 ———包括流道凝料在内的塑料件高度 , 95
mm。
代入计算 ,可符合要求。
1. 7 Moldflow模拟分析
(1)建立注塑机数据库 由于 Moldflow数据库
中的注塑机大多是国外品牌 ,为了更准确地模拟实
际注射成型 ,并与实际生产进行比较 ,需要将所选用
的注塑机加入到 Moldflow数据库中。因此 ,笔者创
建了 SZ - 40 /25型卧式注塑机数据库 ,其中需要设
置的主要参数为注射部分的最大顶出行程、最大注
射速率、螺杆直径 ,液压系统的最大注塑压力及锁模
系统的最大锁模力 ,具体参数值见表 2。
(2)初始方案模拟分析 采用 SZ - 40 /25型卧
式注塑机 ,模温和料温为系统推荐参数 ,其余为默认
值 ,利用 Moldflow对塑料件进行模拟分析 ,结果如
图 5、图 6所示。
a—气穴 ; b—熔接痕 ; c—翘曲
图 5 制件气穴、熔接痕、翘曲图
图 5a表明 ,气穴位于制件边缘的末端 ,其表面
不会出现明显的瑕疵和焦痕 ;图 5b中黑色线条显示
了熔接痕在制件中的位置 ,其外观无明显熔接痕。
在本模型中 ,熔接痕和气穴对产品的影响不大 ,在随
后的分析中可以忽略。
如图 5c所示 ,制件最大变形为 0. 594 0 mm,总
变形量为 0. 525 2 mm (0. 068 8～0. 594 0 mm) ,不满
足要求。因此有必要找出原因 ,减小制件的翘曲量。
(3)翘曲变形分析 翘曲变形是由于塑料件的
不均匀收缩 ,从而使制件的形状偏离了模具型腔的
形状。这是塑料制件常见的缺陷之一 ,是整个注射
成型过程的综合反映。它会影响到塑料件的形状精
度、表面质量和装配精度。
MF /W arp是 Moldflow中的翘曲分析模块。该
模块可以指出产生翘曲的原因及其相应的补救措
施。MF /W arp把翘曲产生的原因归结为冷却不均
匀、收缩不均匀和分子取向不一致。
根据 Moldflow 默认的工艺参数进行 Flow +
W arp (流动 +翘曲 )分析 ,可得到制件翘曲产生的原
因 ,如图 6所示。
从图 6可以看出 ,引起制件翘曲变形的主要原
因是收缩不均匀。改善收缩不均匀的措施主要有 :
①优化保压参数 ,把单一保压改为分段保压 ; ②尽量
使制件壁厚均匀 ,这与改善分子取向不均匀的措施
矛盾 ,所以要具体情况具体分析 ; ③确定合适的注塑
工艺参数 ,在允许的范围内 ,适当提高注射温度和增
加注射时间。
(4)优化方案模拟分析 针对上述分析结果中
收缩不均匀引起的翘曲变形问题 ,在原始方案的基
础上优化成型参数如表 4所示。使用优化后的成型
参数重新进行模拟分析 ,结果如图 7所示。从图 7
可看到 ,采用优化方案 ,最大变形量为 0. 4900 mm,
总 变 形 量 为 0. 3881 mm (0. 101 9～0. 490 0 mm) ,
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表 4 优化后的成型工艺参数
项 目 数值 项 目 数值
模具温度 /℃ 62 熔体温度 /℃ 250
注射时间 / s 2. 5 冷却时间 / s 15
保压时间 / s 一段 2. 5
二段 7. 5 保压压力 /MPa 一段 100
二段 80
图 7 优化参数后的翘曲
其变形量明显减小 ,达到了精度要求 ,有效地保证了
制件的质量。
2 模具设计 [ 6 ]
2. 1 零件工作尺寸
根据塑料件材料、形状、Moldflow分析结果及经
验 ,通过 Pro /E设计确定型芯、型腔结构 ,如图 8所
示。用螺钉将它们分别固定在动模板和定模板上 ,
型芯采用镶嵌固定的形式。
a—型芯 ; b—型腔
图 8 模具型芯、型腔结构
2. 2 侧向分型与抽芯机构
由于塑料件内侧有 4处挂钩和 4处凹凸槽 ,为
了使脱模顺利进行 ,采用 6块斜滑块侧向分型 ,如图
9所示。该套模具采用机动侧抽芯机构 ,在塑料件
被推出脱模的同时由斜滑块完成内侧向抽芯动作。
图 9 几种斜滑块结构
2. 3 模架的确定和标准件的选用
根据型腔的布局及相互的位置尺寸、零件尺寸 ,
选用 P3型 125 mm ×200 mm的标准模架。P3型模
架是由 A3型对应派生而成 ,适合于薄壁壳体塑料
件及脱模力大、表面不许留有推出痕迹塑料件的注
射成型。然后再确定模座板、定模板、脱料板、动模
板、垫块、推板、推杆固定板的尺寸。
2. 4 导向机构的设计
导向机构采用导柱、导套方式 ,以保证模具运动
导向精度。该模具采用带头导柱和直导套 ,如图 10
所示。
a—带头导柱 ; b—直导套
图 10 模具带头导柱、直导套结构
2. 5 脱模机构
脱模采用推杆推出。6块斜滑块既可完成内侧
向抽芯 ,又可充当推杆推出塑料件。
2. 6 装配、开模图
模具的三维模型及开模状态如图 11所示。
( a) ( b)
a—装配 ; b—开模
图 11 模具装配、开模结构图
3 结论
应用 Moldflow软件模拟分析了手机后盖的注
射成型过程 ,优化了浇口位置 ,并通过调整工艺参数
来优化设计方案 ,降低了成型过程中的翘曲变形 ,达
到了精度要求。在此基础上设计了一模一腔的注塑
模具。研究表明 ,注射成型过程的模拟对优化模具
设计、缩短模具加工制造周期、加快产品投放市场、
增强企业竞争力具有重要意义。
参 考 文 献
[ 1 ] 王刚 ,单岩. Moldflow模具分析技术基础 [M ]. 北京 :清华大学
出版社 , 2004.
44 工程塑料应用 2008年 ,第 36卷 ,第 2期
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[ 2 ] 王刚 ,单岩. Moldflow模具分析应用实例 [M ]. 北京 :清华大学
出版社 , 2005.
[ 3 ] 洪慎章. 实用注塑成型及模具设计 [M ]. 北京 :机械工业出版
社 , 2006.
[ 4 ] 屈华昌. 塑料成型工艺与模具设计 [M ]. 北京 :高等教育出版
社 , 2005.
[ 5 ] 邓明. 实用模具设计简明手册 [M ]. 北京 :机械工业出版社 ,
2006.
[ 6 ] 林清安. Pro /ENGINEER W ildfire 2. 0模具设计 [M ]. 北京 :电
子工业出版社 , 2005.
INJECT IO N MOLD ING PROCESS AND MOLD O PT IM IZATIO N DESIGN FO R
MO BILE PHO NE BO TTOM CO VER
Zhao Guo, Xin Yong
( Institute ofMechanical and Electronic Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)
ABSTRACT The Moldflow software was used for the simulation analysis and op tim ization of the gate position for the mobile
phone bottom cover. By op tim izing the process parameters, the defects of the injection moldingwere successfully avoided. Based on the
simulation result, the injection mold was designed. Combining CAE op tim izing with mold design could shorten the mold developing cy2
cle, reduce the product development cost and enhance the p roduct quality.
KEYWO RDS Moldflow, mobile phone bottom cover, process parameter, injection mold
鞍 山 君 利 工 程 塑 料 有 限 公 司
鞍山君利工程塑料有限公司是股份制企业 ,生产以工程塑料为主的改性材料。由教授级高级工程
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