馬一恒， 王小新*， 劉 琴

(1.青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266042；2.青島海信模具有限公司，山東 青島 266114)

0 前言

疊層模具是一種高效、快捷、節(jié)能的新型注塑模具，與常規(guī)模具不同的是，疊層模具的型腔分布在兩個或多個層面上，呈重疊式排列，即相當(dāng)于是將多副模具疊放在一起，使一臺注塑機可一次成型2個或多個產(chǎn)品，成倍提高生產(chǎn)效率[1]。其適用于成型大批量扁平、淺腔、大小相近互相裝配的塑件。洗衣機平衡環(huán)是由上、下2個平衡環(huán)蓋及其間的加強筋連接固定的一體化結(jié)構(gòu)，腔體內(nèi)封裝有一定量的液態(tài)鹽水，在衣物脫水期間，用于保持高速旋轉(zhuǎn)的洗滌 - 脫水桶的平衡。洗衣機平衡環(huán)蓋為環(huán)狀淺腔類的大中型塑件，所需鎖模力和注射量較小，同系列多款型號的洗衣機可通用，產(chǎn)量較大，且上、下平衡環(huán)為一對一組合裝配。因此，洗衣機平衡環(huán)非常適合于疊層模具來成型。本文主要介紹基于Moldflow的洗衣機平衡環(huán)疊層注塑模結(jié)構(gòu)和流動平衡的優(yōu)化設(shè)計，以及保壓和翹曲的模擬分析。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

洗衣機平衡環(huán)由上、下部分平衡環(huán)拼裝組合而成，如圖1所示為全自動波輪洗衣機平衡環(huán)結(jié)構(gòu)，其中上平衡環(huán)的高度為17.5 mm，下平衡環(huán)為64.5 mm，上下內(nèi)、外徑尺寸均為Φ440 mm和Φ345 mm，壁厚為2.8 mm，加強筋處1.2 mm，傳統(tǒng)采用兩臺500 t的注塑機分別注塑，再用熱熔敷的方式組合在一起。塑件采用聚丙烯(PP)材料成型，環(huán)內(nèi)表面設(shè)有多個徑向加強筋，增加了產(chǎn)品的強度、剛度和抗沖擊性，滿足了產(chǎn)品的使用性能。

(a)上平衡環(huán) (b)下平衡環(huán)圖1 洗衣機平衡環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.1 Balance ring structure of washing machine

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 模具總體設(shè)計

本模具采用雙層單腔疊式結(jié)構(gòu)，模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。將上、下部分平衡環(huán)同軸縱向重疊排列，分別在Ⅰ、Ⅱ兩個分型面成型。從上至下以分型面Ⅰ、Ⅱ為界將模具分為定模A、中間模B和動模C 3部分，動、定模板分別安裝在注塑機的移動模板和固定模板上，中間模B除用導(dǎo)柱導(dǎo)向機構(gòu)與動、定模部分進(jìn)行導(dǎo)向和定位，還設(shè)計置有滑動小車2的托臂承載導(dǎo)向機構(gòu)1，用于托舉中間模B進(jìn)行開合模運動，保證開合模的穩(wěn)定性。為保證分型面同時開模，采用兩組對稱布置的齒輪齒條聯(lián)動機構(gòu)，工作時靠注塑機移動模板的開合帶動齒輪、齒條裝置實現(xiàn)2個分型面的同步運動。開模后，由注塑機頂出桿和油缸4同時分別將上、下塑件雙向頂出。

1—托臂 2—滑動小車 3—齒輪齒條 4—油缸圖2 疊層注塑模具結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of stack injection mould

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

該疊層模具澆注系統(tǒng)采用冷、熱流道相結(jié)合的形式，如圖3所示。熱流道系統(tǒng)由主噴嘴1，熱流道體3、4，熱流道板2、5，熱噴嘴6、7組成。其中，熱流道體3、4采用針閥式結(jié)構(gòu)，合模狀態(tài)下針閥打開，形成熔體通道；開模時針閥關(guān)閉，防止開模后熔體外溢。噴嘴6、7為針閥式熱噴嘴，用于控制上下型腔的進(jìn)料，調(diào)整保壓時間。當(dāng)模具閉合鎖緊后，熱流道體3、4的針閥打開，塑料熔體從主噴嘴1經(jīng)熱流道板2、熱流道體3和4，再經(jīng)熱流道板5，分別流向上、下熱噴嘴6和7。經(jīng)熱噴嘴出來的熔體通過上下兩個產(chǎn)品的冷分流道，經(jīng)潛伏式的扁平澆口進(jìn)入型腔內(nèi)開設(shè)的工藝凸耳，最終完成上、下平衡環(huán)的注射成型。

1—主噴嘴 2—上熱流道板 3—上熱流道體 4—下熱流道體 5—下熱流道板 6—下熱噴嘴 7—上熱噴嘴圖3 產(chǎn)品排列及澆注系統(tǒng)模型Fig.3 Products arrangement and gating system model

3 計算機輔助工程(CAE)分析優(yōu)化

3.1 網(wǎng)格劃分及工藝參數(shù)設(shè)置

將產(chǎn)品模型導(dǎo)入Moldflow軟件，根據(jù)設(shè)計、生產(chǎn)經(jīng)驗，確定澆口位置，建立澆注系統(tǒng)，得到分析模型。綜合考慮分析精度和計算機硬件水平， 采用雙層面網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行必要的網(wǎng)格優(yōu)化[2]。劃分得到的三角形單元為117 509個，網(wǎng)格匹配率88.7 %。本文采用海天HT900T型號注塑機，設(shè)置注射成型參數(shù)：模具溫度為60 ℃、熔體溫度為230 ℃、注射時間為3 s、保壓時間為32 s，通過對注射量、注射壓力、鎖模力、開模行程等進(jìn)行計算校核，確保能夠滿足疊層注塑成型的工藝要求。

3.2 優(yōu)化充模分析

熔體在模腔內(nèi)各條路徑上的流動應(yīng)均衡，以保證在相同的壓力條件下同時到達(dá)各模腔末端[3]。根據(jù)產(chǎn)品大小，初始方案設(shè)計上、下平衡環(huán)均為3個澆口，冷流道直徑分別為7.5 mm和10 mm，由圖4(a)的充填時間結(jié)果顯示，上平衡環(huán)在3.169 s時已填充完成，下平衡環(huán)的最后填充時間為3.395 s，兩者相差0.226 s，流動不平衡。根據(jù)上述結(jié)果，對初始方案進(jìn)行優(yōu)化，將下平衡環(huán)改為4個澆口，冷流道直徑改為9 mm，上平衡環(huán)澆口數(shù)量和流道直徑不變。由圖4(b)的充填時間結(jié)果顯示，上平衡環(huán)的充模時間為3.335 s，下平衡環(huán)為3.373 s，上下填充的時間差僅為0.038 s，基本達(dá)到流動平衡。

圖5為速度/壓力切換時的壓力分布結(jié)果，由圖可知，初始方案速度/壓力切換發(fā)生在壓力為52.12 MPa時，速度/壓力切換時上、下平衡環(huán)型腔壓力相差較大，最大達(dá)27.14 MPa，熔體流動不平衡，影響產(chǎn)品質(zhì)量。優(yōu)化后速度/壓力切換時的壓力為46.17 MPa，明顯小于初始方案，同時上、下型腔壓力較為一致，相比初始方案有了顯著改善。

(a)初始方案 (b)優(yōu)化方案圖4 充填時間比較Fig.4 Comparison for filling time

(a)初始方案 (b)優(yōu)化方案圖5 速度/壓力切換時的壓力分布比較Fig.5 Comparison for distribution diagram of pressure in speed and pressure conversion

表1為澆注系統(tǒng)初始和優(yōu)化后的設(shè)計參數(shù)及充模分析結(jié)果對比，顯然，優(yōu)化后的澆口數(shù)量和流道尺寸設(shè)計更為合理，實現(xiàn)了熔體的流動平衡，縮短了流道的冷卻時間。

表1 澆注系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)及充填結(jié)果分析比較Tab.1 Comparison for design parameters of gating system and filling results

3.3 保壓及翹曲優(yōu)化分析

保壓階段是在充模結(jié)束后對型腔進(jìn)行繼續(xù)補料以減少體積收縮的過程，該期間的體積收縮是影響制件尺寸收縮和翹曲變形的關(guān)鍵因素[4]。因為上、下平衡環(huán)需要組合裝配，因此配合尺寸應(yīng)盡可能一致，同時翹曲變形應(yīng)盡可能小。本文以x、y方向變形量的差值來衡量上、下平衡環(huán)的尺寸一致性，以z方向的變形量來衡量翹曲變形的大小。

(a)方案1，上平衡環(huán)x方向收縮 (b)方案1，下平衡環(huán)x方向收縮 (c)方案1，上平衡環(huán)y方向收縮(d)方案1，下平衡環(huán)y方向收縮 (e)方案2，上平衡環(huán)x方向收縮 (f)方案2，下平衡環(huán)x方向收縮(g)方案2，上平衡環(huán)y方向收縮 (h)方案2，下平衡環(huán)y方向收縮 (i)方案3，上平衡環(huán)x方向收縮(j)方案3，下平衡環(huán)x方向收縮 (k)方案3，上平衡環(huán)y方向收縮 (l)方案3，下平衡環(huán)y方向收縮圖7 各方案x、y方向尺寸收縮結(jié)果Fig.7 Dimension shrinkage in x and y direction of each scheme

本文采用恒壓保壓和線性降壓相結(jié)合的方法，如圖6的保壓曲線所示，首先設(shè)定60 MPa的恒定壓力保壓20 s，之后線性降壓保壓到32 s。在保壓過程中，通過控制針閥式熱噴嘴6、7的開閉，調(diào)節(jié)上、下平衡環(huán)的保壓和補縮時間，使上、下平衡環(huán)的尺寸收縮趨于一致。

圖6 保壓曲線Fig.6 Packing curve

本文分別采用3種不同的保壓控制方法，進(jìn)行模擬分析。其中方案1噴嘴6、7均不關(guān)閉，上、下平衡環(huán)保壓時間均為32 s；方案2、3噴嘴7分別提前在保壓15 s和10 s時關(guān)閉，噴嘴6不關(guān)閉，下平衡環(huán)保壓時間仍均為32 s。

圖7為分析得到的各方案x、y方向尺寸收縮結(jié)果，表2為各方案的結(jié)果對比。由圖7和表2可知，在同一方向，方案1上平衡環(huán)的收縮遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于下平衡環(huán)，兩者最大相差3.005 mm，配合尺寸不一致，影響裝配質(zhì)量。這是由于上、下平衡環(huán)腔體深淺不一至、體積不同，當(dāng)保壓時間相同時，淺腔、體積小的上平衡環(huán)收縮必然小，從而導(dǎo)致上、下制件收縮不一至。為實現(xiàn)上、下平衡環(huán)尺寸趨于一致，方案2、3采用提前關(guān)閉噴嘴6閥針的方法，抑制上平衡環(huán)的保壓補縮，使其與下平衡環(huán)的尺寸收縮盡可能接近。相較于1，方案2、3的尺寸收縮結(jié)果明顯得到改善，其中方案3上、下平衡環(huán)在同一方向的尺寸收縮基本一致，上、下相差小于0.5 mm，尺寸差異值完全可以接受?？梢?，通過提前關(guān)閉針閥控制保壓時間，可以很好地實現(xiàn)上、下平衡環(huán)尺寸趨于一致，滿足裝配要求。

表2 各方案x、y方向尺寸收縮結(jié)果Tab.2 Dimension shrinkage in x and y direction of each scheme

圖8為方案3在z方向的翹曲變形結(jié)果，其中上平衡環(huán)的翹曲量為1.144 0 mm，下平衡為1.763 3 mm，均在2 mm內(nèi)，不影響裝配和使用。圖9為方案3的縮痕估算結(jié)果，由圖可知，縮痕最大為0.154 6 mm，因平衡環(huán)為非外觀件，該縮痕不影響產(chǎn)品質(zhì)量。綜上，采用方案3的保壓控制方法，即當(dāng)上平衡環(huán)保壓10 s，下平衡環(huán)保壓32 s時，可很好地滿足產(chǎn)品質(zhì)量和裝配要求。

(a)上平衡環(huán)翹曲變形 (b)下平衡環(huán)翹曲變形圖8 方案3在z方向的翹曲變形Fig.8 Warping deformation in z direction of scheme 3

圖9 縮痕估算結(jié)果Fig.9 Shrink mark estimation

4 結(jié)論

(1)進(jìn)行了洗衣機平衡環(huán)疊層注塑模具結(jié)構(gòu)和澆注系統(tǒng)設(shè)計，通過模擬熔體充填過程，優(yōu)化了澆口數(shù)量和流道尺寸，達(dá)到了流動平衡；

(2)通過采用控制針閥式澆口開閉的方法，抑制上平衡環(huán)的保壓補縮，確保了上、下平衡環(huán)的尺寸一致；

(3)該疊層模具結(jié)構(gòu)合理，動作可靠，成型的平衡環(huán)各項指標(biāo)均可滿足使用和裝配要求，充分地發(fā)揮了注塑機的能力，提高了生產(chǎn)效率。