工控机作为一种应用计算机的控制系统,速度高、占用空间小,采用总线结构,对生产过程及机电设备、工艺装备进行监测和管理,在工业自动化生产中,发挥重要的作用[1-2]。工控机由计算机主板、CPU、内存条、硬盘、塑料外壳和接口组成。其中主板、CPU、内存条和硬盘需要依靠外壳固定和支撑。工控机的外壳通常由ABS塑料注塑加工制备。塑料外壳能够承受一定程度的振动和冲击,并且可以在-20~70 ℃的温度范围内正常使用,具有加工成本低、周期短、定制化等特点[3]。本实验以某型号工控机外壳为实例,分析产品的结构特点,对其进行模流分析,得到可行的注塑系统方案,对模具的分型面、型芯和型腔、导向机构进行设计,为其他类似结构的塑件提供参考和指导。1产品结构分析图1为工控机及其底座的三维模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F001图1工控机及其上壳体与下壳体模型Fig.1Industrial computer and its upper shell and lower shell model上壳体的外形尺寸为210 mm(长)×20 mm(高)×98 mm(宽),下壳体的尺寸为210 mm(长)×38 mm(高)×98 mm(宽)。工控机的壳体通过注塑加工制备,其表面具有多个凹槽沉孔,圆角和倒角等细节。塑件在成型过程中应遵循[4-5]:(1)为保证塑件的安装便捷性及可靠性,工控机底座注塑成型后的变形量应小于1 mm。(2)工控机壳体成型完毕后,表面应光滑无毛刺和浇口痕迹,保证各处倒角及圆角特征完好。(3)塑件在前侧和左侧存在通孔,上侧存在凹槽,应注意塑件的开模方向,合理设置分模结构。2注塑前处理2.1网格划分选择双层面网格,设定网格的边长为4.68 mm,并对网格进行修复。图2为网格划分结果。基于最大球体算法划分23 414个四面体网格,共连接节点数目11 696个,35 121个共用边,纵横比最大为13.75,最小为1.36,平均为2.02。匹配百分比为90.3%,相互百分比为90.7%,适合双层面分析[6]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F002图2网格划分结果Fig.2Meshing results2.2浇口位置及浇注系统设计浇注系统是塑料熔体通向模具型腔的通道,浇口位置是浇注系统的核心部分,影响塑件的充填时间和成型质量[7-8]。采用一模两腔的成型方案,图3为Moldflow对工控机的上壳体和下壳体浇口位置和流道分析的结果。图3浇注系统Fig.3Gating system10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F3a1(a)上壳体浇口位置10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F3a2(b)下壳体浇口位置10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F3a3(c)浇注流道从图3a可以看出,上壳体的最佳浇口位置在上下横梁的交汇处。从图3b可以看出,下壳体的最佳浇口位置在中心和四周角落的部分。从图3c可以看出,模具一共包含3个顶部浇口,设定主流道的入口直径和长度分别为3.5 mm和115 mm,拔模角为3°,流道的直径为7 mm,竖直流道的底部直径为7 mm,拔模角为3°,顶部浇口的初始直径为7 mm,末端直径为1.5 mm,长度为2 mm。2.3冷却系统设计在一个完整的注塑周期中,塑件的冷却时间占据一半以上[9-10]。冷却系统能够使塑件在成型期间各处温度变化均匀,避免塑件因受热不均而造成应力不匀,使塑件发生翘曲变形[11]。为了保证塑件各处均匀受热,冷却水管采用对称布置的方式。图4为冷却系统。从图4可以看出,冷却管道的直径为8 mm,水管与零件的距离为25 mm,管道数量为6,管道中心的距离为35 mm,零件外的距离设定为115 mm。从经济性和易获取的角度分析,选取冷却介质为雷诺数1 000的25 ℃纯水。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F004图4冷却系统Fig.4Cooling system2.4成型分析图5为Moldflow对注塑系统进行模流分析结果。从图5可以看出,工控机外壳的充填时间为6.942 s,外观无短射和填充不足等缺陷[11]。外壳最大体积收缩率为1.442%,最大翘曲变形量为0.795 mm,绝大部分区域的翘曲变形量均在0.5 mm以下,对塑件的外观和性能影响较小。塑件填充过程最大压力180 MPa,满足ABS塑料成型压力大于90 MPa的需求。此外,塑件边缘基本没有熔接线,成型质量较好。流动前沿温度最大为282.1 ℃,最小为281.7 ℃,温差为0.4 ℃,对塑件变形的影响可忽略。根据成型结果分析,此注塑成型系统能够满足要求。图5模流分析结果Fig.5Moldflow analysis results10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F5a1(a)填充时间10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F5a2(b)体积收缩率10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F5a3(c)翘曲变形量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F5a4(d)压力10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F5a5(e)熔接线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F5a6(f)流动前言温度3模具结构设计选择HASCO标准模具,基于3D建模技术,利用Creo软件对模具进行建模设计。根据工控机上壳体和下壳体的外形尺寸,采用一模两腔的模具结构。为了保证塑件能够顺利成型,模架的尺寸选择标准型(546 mm×546 mm),模具整体的高度为375 mm,行程为50 mm。3.1分型面设计创建分型面的方法包含阴影法、填充法和拉伸法[12]。阴影法是通过光线的投影原理,形成阴影区域作出分型面;填充法是将草绘中封闭区域填充成面;拉伸法是将一维的线沿指定方向拉伸成平面。由于工控机外壳形状较规则,主要采用填充法和拉伸法建立分型面。考虑工控机的下壳体侧面存在与开模方向垂直的孔,需要建立副分型面辅助抽芯和成型。图6为主、副分型面结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F006图6主、副分型面Fig.6Primary and secondary parting surfaces3.2型芯及型腔设计从工控机壳体的结构形状可以看出,其表面具有多个凹槽沉孔、圆角和倒角等细节。工控机下壳体的侧面与开模方向存在垂直的孔,需要设计侧抽芯机构,以保证塑件顺利成型。塑料熔体在动模仁与定模仁形成的腔体内成型,动、定模仁的材料应具有强耐腐蚀性、高耐温性和优异的可抛光性,并且能够保证在高压下性能保持不变,以避免塑料熔体从腔内泄漏。模仁的材料选择牌号为H13的热作模具钢,淬火后的硬度不小于50 HRC[13-15],具有高韧性和优良的抗热裂能力,在精密模具中应用较多。由于动模仁及定模仁分别安装在动模板及定模板上,模板需要具有优异的抗弯曲能力。选择模板的材料为45#钢,热处理后的硬度大于55 HRC,能够满足需求。为了确保动模仁与定模仁的精确定位,保证塑件顺利成型,在动模仁与定模仁处设计拔模角为5°虎口[16-17],虎口的尺寸为15 mm×10 mm×5 mm。工控机下壳体的侧面与开模方向存在垂直孔,需要设计前抽芯块和右抽芯块,保证塑件的孔特征可以顺利成型。图7为设计的开模结构。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F007图7开模结构Fig.7Open mold structure3.3导向机构设计导向机构是为了保证模具开、合模时各处精准对接,减小对动模仁及定模仁的破坏。导柱、导套和套筒共同构成模具的导向机构。导向机构需要承受少量横向载荷,因此选择具有良好淬透性、耐磨性和较高强度的合金工具钢Cr12作为导向机构材料,此材料淬火后硬度大于60 HRC。此外,导柱与导套采用H8/f8的间隙配合的方式,各零件的加工粗糙度Ra=0.8。3.4模具工作过程图8为工控机壳体模具的三维结构模型。模具的工作过程为:10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F008图8模具结构Fig.8Mould structure1-上模座;2-上垫板;3-定模板;4-动模板;5-下垫板;6-支撑块;7-顶杆固定板;8-顶杆基板;9-下模座;10-套筒1;11-居中导套1;12-居中顶板导柱;13-套筒2;14-居中导套2;15-居中顶板导柱2;16-动模夹紧螺钉;17-定模夹紧螺钉;18-动模顶杆螺钉;19-动模限位螺钉;20-定模定位环;21-定模隔热板;22-浇口(1)合模机构驱使下模座9带动支撑块6、下垫板5、进而推动动模板4向定模板3移动,模具合模。(2)注射机加热,并使喷嘴到达浇口22开始注射。(3)塑料熔体沿着浇注系统进入模具型腔21,充填完毕开始保压操作。(4)封住浇口22使塑料熔体逐渐冷却塑化。(5)塑件成型后执行开模工序,塑件被顶出,清理塑件表面的熔渣即可出厂。4结论对某型号的工控机进行结构分析,利用Moldflow软件,对其注塑系统进行设计,并分析其注塑结果。对模具的分型面进行分析和设计,选择合适的型芯和型芯材料,设计合适的导向定位机构,对模具的工作过程进行介绍,为其他类似结构的塑件的模具设计提供借鉴和指导。
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