孫秀偉

（1．唐山學(xué)院機(jī)電工程系，河北唐山063000；2．河北省高校機(jī)電液一體化應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北唐山063000）

機(jī)械與模具

基于Moldflow和UG的坐便器坐圈注塑模具設(shè)計(jì)

孫秀偉1，2

（1．唐山學(xué)院機(jī)電工程系，河北唐山063000；2．河北省高校機(jī)電液一體化應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北唐山063000）

以坐便器坐圈和蓋板為例，分析了塑件的結(jié)構(gòu)特征，運(yùn)用Moldflow軟件對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，運(yùn)用UG軟件進(jìn)行了模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，介紹了模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和模具工作過(guò)程。模具采用一模兩腔同時(shí)成型坐便器坐圈和蓋板，僅在塑件周邊設(shè)計(jì)封膠面，將封膠面以外的大平面設(shè)計(jì)為避空面，采用斜頂側(cè)抽機(jī)構(gòu)成型蓋板側(cè)孔、斜導(dǎo)柱側(cè)抽機(jī)構(gòu)成型坐圈側(cè)孔，合模導(dǎo)向通過(guò)導(dǎo)柱導(dǎo)向、四角側(cè)壁定位和邊鎖聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)。最終設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、動(dòng)作可靠的坐便器坐圈注塑模具。

坐便器坐圈；蓋板；注塑模具；Moldflow；設(shè)計(jì)

0 前言

塑件缺陷的產(chǎn)生直接影響著塑件的品質(zhì)及使用，對(duì)于注塑模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先要保證塑件的成型品質(zhì)。傳統(tǒng)的克服缺陷、提高塑件品質(zhì)的方法主要是用嘗試法，通過(guò)不斷試模來(lái)改進(jìn)模具設(shè)計(jì)。這樣會(huì)使模具設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高、品質(zhì)不易保證［1］。而成型模擬技術(shù)的出現(xiàn)，將試模過(guò)程搬到了計(jì)算機(jī)上，在模具加工之前，通過(guò)軟件模擬發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析原因，并給出解決方案，最終改善模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［2］。

本文依據(jù)某品牌坐便器坐圈和蓋板的實(shí)物模型，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助工程（CAD/CAE）軟件對(duì)塑件成型進(jìn)行模流分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)生產(chǎn)塑件用注塑模具，既能保證塑件品質(zhì)，又能縮短模具設(shè)計(jì)制造周期。

1 塑件工藝性分析

坐便器坐圈和蓋板的三維實(shí)體模型如圖1所示。坐圈總體尺寸：400 mm×350 mm×30 mm，平均厚度4 mm，蓋板總體尺寸：430 mm×350 mm×30 mm，平均厚度4．5 mm。2個(gè)塑件作為衛(wèi)浴產(chǎn)品的外觀件，外觀和表面品質(zhì)要求較高，而且2個(gè)零件配合使用，需要保證2個(gè)塑件外觀顏色的一致性，因此，本次設(shè)計(jì)采用一模兩腔，一腔成型坐圈，一腔成型蓋板。坐圈和蓋板相連接處各有2個(gè)與開模方向不一致的側(cè)孔，需要設(shè)計(jì)側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)。坐圈屬于外側(cè)抽芯，可采用斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)，蓋板屬于內(nèi)側(cè)抽芯，而塑件內(nèi)部空間有限，可采用斜頂側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)。另外，在2個(gè)零件內(nèi)側(cè)都設(shè)計(jì)了橢圓形柱體的防震腳，如圖1中圈出部分所示。塑件采用聚丙烯（PP）材料。

圖1 坐圈和蓋板結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure of the seat and toilet

2 注塑模流分析

2.1 網(wǎng)格的劃分與處理

模流分析時(shí)塑件模型選擇igs格式，從UG軟件所建立的三維實(shí)體模型導(dǎo)入到Moldflow軟件中。坐便器坐圈與蓋板因壁厚較均勻，將采用雙層面網(wǎng)格劃分，全局網(wǎng)格邊長(zhǎng)為5 mm，合并公差為0．1 mm，啟用弦高控制，弦高為0．1 mm，NURBS曲面網(wǎng)格生成器采用波前法，劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示。網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)信息欄顯示該模型連通區(qū)域?yàn)?個(gè)，最大縱橫比為16．2∶1，小于20∶1，符合網(wǎng)格劃分的要求；自由邊、多重邊、配向不正確單元、相交單元、完全重疊單元均為零，說(shuō)明網(wǎng)格劃分正確，不存在建模錯(cuò)誤；匹配百分比88．4％，相互百分比86．8％，這兩項(xiàng)均達(dá)到了85％以上的網(wǎng)格匹配率［3］。

圖2 塑件有限元網(wǎng)格模型Fig．2 FEM mold of the part

2.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

澆口是注塑模具澆注系統(tǒng)中連接分流道和型腔的通道，澆口位置的合理選擇在很大程度上決定了塑件的成型品質(zhì)［4］。圖3為Moldflow分析出的坐便器坐圈和蓋板的最佳澆口位置。坐圈所分析出來(lái)的位置符合實(shí)際設(shè)計(jì)需要，設(shè)計(jì)時(shí)將坐圈的澆口位置設(shè)置在圖3圓圈處。但對(duì)于蓋板分析出來(lái)的最佳澆口位置位于塑件的中心，如圖3所示。如前所述，蓋板外觀品質(zhì)要求較高，如果將澆口位置設(shè)置在所分析的塑件的中心位置，會(huì)嚴(yán)重影響塑件的外觀品質(zhì)。考慮到本次設(shè)計(jì)為1模2異形腔同時(shí)成型坐圈和蓋板，所以將蓋板的澆口位置設(shè)置在圖3圓圈處。

圖3 坐圈和蓋板澆口位置分析Fig．3 Analysis of gate location for the seat and toilet

2.3 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在注塑模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要，不僅影響塑件的成型品質(zhì)，而且影響成型周期的長(zhǎng)短［5-7］。冷卻水路的布置遵循“水路直徑小些，水路組數(shù)多些”的原則。依據(jù)上述原則，本次坐便器坐圈模具冷卻水路共20組，水路直徑d＝10 mm，水路中心到塑件表面距離取h＝3d＝30 mm，水路之間距離取l＝5d＝50 mm。所設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)如圖4所示，冷卻系統(tǒng)溫度分布如圖5所示。一般情況下，冷卻液溫度的差值最好不要超過(guò)3℃［8］。從圖5看出，冷卻液回路最大溫度為26．44℃，冷卻液溫度最大升高了1．44℃＜3℃，符合冷卻要求。由于本次設(shè)計(jì)冷卻水路較多，所以在非操作側(cè)安裝了集水塊，將水路通過(guò)集水塊后連接到注塑機(jī)上，這樣防止因開合模將冷卻水管損壞。

圖4 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．4 Structure of the cooling system

圖5 冷卻介質(zhì)溫度Fig．5 Temperature of the cooling medium

2.4 充填與流動(dòng)分析

（1）填充時(shí)間分析

圖6為塑件的填充時(shí)間云紋圖，從圖中可以看出，蓋板的遠(yuǎn)端與坐圈的遠(yuǎn)端不是同時(shí)到達(dá)，大約相差3．8 s，通過(guò)與某公司了解到，在實(shí)際生產(chǎn)中，坐圈要比蓋板提前充滿，以有利于2個(gè)塑件成型品質(zhì)的控制。

（2）速度/壓力切換時(shí)的壓力

速度/壓力切換是指注塑填充過(guò)程中當(dāng)型腔快要充滿時(shí)，螺桿的運(yùn)動(dòng)從流動(dòng)速率控制轉(zhuǎn)換到壓力控制。當(dāng)?shù)竭_(dá)切換點(diǎn)時(shí)型腔內(nèi)的壓力分布如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行速度/壓力控制轉(zhuǎn)換時(shí)，2個(gè)塑件都完成了型腔充填，而且2個(gè)塑件型腔內(nèi)的壓力控制在0～15 MPa，較均勻，基本不會(huì)發(fā)生短射和過(guò)保壓。

圖6 填充時(shí)間Fig．6 Filling time

圖7 速度/壓力切換時(shí)的壓力Fig．7 The pressure at speed/pressure switching

（3）注塑位置處壓力

通過(guò)注塑位置壓力圖可以直觀看到型腔內(nèi)壓力的變化情況，如果注塑壓力值出現(xiàn)突變產(chǎn)生峰值，表示充填處于非平衡狀態(tài)，將會(huì)導(dǎo)致塑件過(guò)保壓或欠注。注塑位置處壓力模擬結(jié)果如圖8所示，整個(gè)曲線相對(duì)平滑，沒有突變，可以達(dá)到平衡充模。

（4）流動(dòng)前沿溫度

圖9為熔體流動(dòng)前沿溫度，從圖中可以看出，流動(dòng)前沿溫度在制件表面分布均勻，而且最高溫度在材料允許范圍之內(nèi)，溫差很小，大約在2℃之內(nèi)，這表明充填過(guò)程中沒有發(fā)生滯留現(xiàn)象，充填均勻，這樣大大提高了制件表面的品質(zhì)，同時(shí)在填充末端很大程度地降低了熔接痕的程度。

圖8 注塑位置處的壓力Fig．8 The pressure at injection position

圖9 熔體流動(dòng)前沿溫度Fig．9 The temperature of flow front

（5）鎖模力

在塑件填充與保壓過(guò)程中，鎖模力是一個(gè)不斷變化的值，如圖10所示。在填充階段，鎖模力逐漸增大；在保壓階段保壓壓力不斷升高，鎖模力的變化比較急劇，當(dāng)保壓壓力達(dá)到一定水平時(shí)，鎖模力達(dá)到了最大值625 t。通過(guò)對(duì)鎖模力的分析，為選擇注塑機(jī)型號(hào)提供了依據(jù)。

圖10 鎖模力分析Fig．10 Analysis of clamping force

（6）氣穴

成型時(shí)容易產(chǎn)生氣穴的位置用圓圈標(biāo)記，如圖11所示。圖中①位置在料流末端，并且在分型面上，可通過(guò)在分型面開排氣槽將氣體排出；圖中②～④圈出部分分別對(duì)應(yīng)模具頂針、斜頂和滑塊位置，可分別通過(guò)頂針、斜頂和滑塊與動(dòng)模板的配合間隙將氣體排出。因此，塑件上所出現(xiàn)的幾處氣穴均可以通過(guò)模具結(jié)構(gòu)排出，不會(huì)影響到塑件的品質(zhì)。

圖11 氣穴分析Fig．11 Analysis of cavitation

分析結(jié)果表明，采用所設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)能夠在合適的時(shí)間完成坐便器坐圈和蓋板的注塑，得到較好的品質(zhì)。因此，所設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)是合理的。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由前面模流分析得到的最大鎖模力為625 t，根據(jù)鎖模力要求，初選寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司制造型號(hào)為HTF650的注塑機(jī)。

3.1 分型面的選擇

分型面是決定模具結(jié)構(gòu)形式的一個(gè)重要因素，不僅直接關(guān)系到模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，也關(guān)系到塑件的成型品質(zhì)［4］。由于2個(gè)塑件的高度不同，所以將分型面設(shè)計(jì)為階梯形；考慮到模具平面尺寸較大，為了提高研磨效率，減少工作量，縮短模具的制作周期，僅在塑件周邊設(shè)計(jì)封膠面，寬度w＝50 mm，將封膠面以外的大平面設(shè)計(jì)為避空面，如圖12所示。

3.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

普通澆注系統(tǒng)由主流道、分流道、澆口和冷料穴4部分組成。其中，主流道采用MISUMI公司型號(hào)為SBBKE的標(biāo)準(zhǔn)澆口套。由于模具定模板厚度較大，為減少主流道長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)時(shí)將澆口套深入到定模板上，通過(guò)螺釘固定。分流道截面采用梯形截面，澆口采用扇形澆口。采用倒錐形冷料穴。

圖12 模具分型面Fig．12 Parting surface for the mold

3.3 側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

坐圈側(cè)孔成型采用斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，如圖13所示。其中斜導(dǎo)柱傾角α＝18°，抽芯距S＝15 mm，為實(shí)現(xiàn)要求的抽芯距，所需開模行程H＝S cotα＝15× cot18°＝46．2 mm，斜導(dǎo)柱有效工作長(zhǎng)度L＝S/sinα＝15/sin18°＝48．5 mm。為保證合模時(shí)斜導(dǎo)柱能準(zhǔn)確進(jìn)入滑塊，滑塊需停留在與斜導(dǎo)柱分離時(shí)的位置，因此在滑塊內(nèi)側(cè)底部設(shè)置兩根彈簧，彈簧始終處于壓縮狀態(tài)，在滑塊外側(cè)設(shè)有擋釘。同時(shí)，滑塊在彈簧力和斜導(dǎo)柱共同作用下完成側(cè)抽，可減小斜導(dǎo)柱的受力。為防止滑塊在熔體充模時(shí)產(chǎn)生位移，模具設(shè)計(jì)了楔緊塊；為提高滑塊使用壽命，在滑塊與楔緊塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)處設(shè)置耐磨塊，耐磨塊材料為9Cr WMn，熱處理硬度50～55 HRC。為了加工和安裝方便，將滑塊的導(dǎo)滑槽設(shè)計(jì)為壓條式，通過(guò)螺釘將滑塊壓條固定到動(dòng)模上。

圖13 斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)Fig．13 Structure of the angle pin

蓋板側(cè)孔成型采用斜頂側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，如圖14所示。斜頂塊傾斜角度α＝10°，推出行程H1＝150 mm，可計(jì)算出斜頂塊橫向運(yùn)動(dòng)距離S1＝H1tanα＝150× tan10°＝26．4 mm，而蓋板側(cè)孔深度S2＝20 mm，顯然S1＞S2＋（3～5）mm，滿足設(shè)計(jì)要求。斜頂塊與斜頂桿頭部通過(guò)銷釘連接，斜頂桿底部固定在滑座上?；捎糜蒑ISUMI公司生產(chǎn)的型號(hào)為SCZA的可調(diào)整式滑座，通過(guò)螺釘與推板連接。為保證斜頂頂出順暢，在動(dòng)模板上設(shè)置精密自潤(rùn)滑銅導(dǎo)套，并使之與斜頂桿配合精度高于斜頂桿與動(dòng)模板的配合精度。

圖14 斜頂結(jié)構(gòu)圖Fig．14 Structure of the lifter

3.4 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為防止合模過(guò)程中因動(dòng)、定模錯(cuò)位而損壞模具，設(shè)置了模具導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用由導(dǎo)柱導(dǎo)向、四壁克定位、邊鎖精定位組成的混合定位。其中，導(dǎo)柱、導(dǎo)套4個(gè)為一組，分別分布在動(dòng)模板和定模板的四周；為了消除導(dǎo)柱導(dǎo)向裝置配合間隙所造成的移位，并承受一定的側(cè)壓力，設(shè)計(jì)合模精定位裝置——四壁克定位，主要分布在模具的四導(dǎo)柱位置；由于塑件結(jié)構(gòu)的特殊性，模具需要設(shè)計(jì)插穿位，如果合模不準(zhǔn)確，插穿位處將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的跑澆現(xiàn)象，從而使塑件產(chǎn)生飛邊，因此，為了進(jìn)一步提高模具導(dǎo)向精度，合模時(shí)保護(hù)小角度插穿位，在模具四面中間位置設(shè)計(jì)了4個(gè)邊鎖作為精密導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，精定位為0°精定位。

3.6 模具工作過(guò)程

模具總體結(jié)構(gòu)如圖15所示，開模時(shí)，由注塑機(jī)帶動(dòng)動(dòng)模座板、墊塊和動(dòng)模板向后移動(dòng)，定模板和定模座板保持不動(dòng)，動(dòng)模板和定模板分開，同時(shí)滑塊在斜導(dǎo)柱作用下沿導(dǎo)滑槽向外滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)側(cè)向分型抽芯，塑件與澆注系統(tǒng)凝料留在動(dòng)模一側(cè)，當(dāng)注塑機(jī)上頂桿接觸頂模塊后，推出機(jī)構(gòu)開始工作，由推板推動(dòng)推桿和斜頂將其塑件頂出，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了斜頂塊的側(cè)向抽芯。外力撤除后，在彈簧和復(fù)位桿作用下，推出機(jī)構(gòu)和斜頂機(jī)構(gòu)復(fù)位，然后在注塑機(jī)帶動(dòng)下，動(dòng)模部分向前運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)、定模的合模，同時(shí)在斜導(dǎo)柱作用下滑塊復(fù)位，注塑機(jī)對(duì)模具施加一定的鎖模力，合模完成，開始進(jìn)行下一周期的注塑。

圖15 模具總體結(jié)構(gòu)Fig．15 Assembly drawing of the mold

4 結(jié)論

（1）本次設(shè)計(jì)選擇1模2異形腔同時(shí)成型坐便器蓋板與坐圈，保證了模具的經(jīng)濟(jì)性以及2個(gè)配合使用的零件外觀顏色的一致性；結(jié)合Moldflow軟件分析，完成模具澆口位置及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；

（2）模具僅在塑件周邊設(shè)計(jì)封膠面，將封膠面以外的大平面設(shè)計(jì)為避空面，以提高研磨效率，縮短模具制造周期；模具合模導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由導(dǎo)柱導(dǎo)向、四壁克定位、邊鎖精定位三部分組成，以保證動(dòng)模、定模的合模精度與塑件的成型品質(zhì)；坐圈和蓋板連接處的側(cè)孔分別通過(guò)斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯和斜頂側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)來(lái)成型。

［1］王 剛．Moldflow模具分析應(yīng)用實(shí)例［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2005：1-77．

［2］羅 超，龍侃，王 強(qiáng)．CAE技術(shù)在注塑模具上的應(yīng)用［J］．煤礦機(jī)械，2011，32（5）：195-197．Luo Chao，Long Kan，Wang Qiang．Application of CAE Technology into Injection Molds［J］．Coal Mine Machinery，2011，32（5）：195-197．

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［5］黃 虹．塑料成型加工與模具［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：207-224．

［6］王 博．基于CAE的電池蓋注塑模具設(shè)計(jì)及成型工藝優(yōu)化［J］．中國(guó)塑料，2015，29（8）：106-110．Wang Bo．Injection Mold Design of Battery Covers and Optimization of Forming Process Based on CAE［J］．China Plastics，2015，29（8）：106-110．

［7］趙龍志，陳炳輝，楊 敏，等．Moldflow在注射成型翹曲優(yōu)化中的應(yīng)用［J］．中國(guó)塑料，2010，24（5）：78-80．Zhao Longzhi，Chen Binghui，Yang Min，et al．Application of Moldflow Software in Warpage Optimization of Injection Molded Pares［J］．China Plastics，2010，24（5）：78-80．

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Design of Injection Molds for Toilet Seats Based on Moldflow and UGSoftware

SUN Xiuwei1，2
（1．Department of Mechanical and Electrical Engineering，Tangshan University，Tangshan 063600，China；2．Research Centre for Electro-hydraulic Integration Technology of the University in Hebei，Tangshan 063600，China）

The structural characteristics of thermoplastic parts was analyzed in the cases of a toilet seat and cover．The structure of the injection mold was optimized by a Moldflow software，and then the mold was designed by UG software．The structural characteristics and conducting process of the mold were introduced．The toilet seat and cover were injection-molded by the mold．The mold joint was designed only in the periphery of the plastic parts．Molding of the side holes for the toilet seat and cover was achieved by using lifter and angle pin respectively．The guide unit is consisted of guide pillars，four-corners side positioning and chain．The injection mold of the toilet seat and cover had a rational structure and high reliability．

toilet seat；cover；injection mold；Moldflow software；design

TQ320．66＋2

B

1001-9278（2017）01-0098-07

10．19491/j．issn．1001-9278．2017．01．018

2016-08-10

唐山學(xué)院科研基金（15004B）

聯(lián)系人，tsssxw＠163．com