劉瓊，林富坤，林永南

(1.福建工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，福州 350118； 2.廈門安普利生物工程有限公司，福建廈門 361022)

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對產(chǎn)品的品質(zhì)需求更高，除形狀和表面質(zhì)量外，更加追求流線型個(gè)性化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，類似于新型花灑本體中的手柄形狀。手柄主要由直線和弧形相結(jié)合，其橫截面積是連續(xù)變化的。這就要求注塑模具有長距離、弧形抽芯的能力，然而，無論是設(shè)計(jì)還是制造，弧形抽芯機(jī)構(gòu)一直是注塑模制造中的一個(gè)難題。胡鄧平等[1]借助電機(jī)和齒輪傳動來帶動圓弧型芯以一定角度旋轉(zhuǎn)，從而完成抽芯動作。黃麗[2]設(shè)計(jì)了一套由液壓馬達(dá)、齒輪、圓弧滑槽組成的側(cè)向圓弧抽芯機(jī)構(gòu)的模具。羅文峰[3]設(shè)計(jì)了一種由斜導(dǎo)柱直線側(cè)抽、圓弧滑塊側(cè)抽以及圓弧側(cè)抽3 個(gè)部分側(cè)抽的復(fù)合抽芯機(jī)構(gòu)。劉少春[4]在此基礎(chǔ)上分析了大圓弧角模具抽芯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征。綜上所述，筆者在前人分析的基礎(chǔ)上，介紹了一種適用于歐式花灑本體的復(fù)合抽芯機(jī)構(gòu)，直抽與彎抽相結(jié)合，模具結(jié)構(gòu)緊湊，動作穩(wěn)定可靠。在模具設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用了Moldflow 仿真軟件。該軟件能夠?qū)θ垠w的充填、流動、冷卻和翹曲等整個(gè)注射過程進(jìn)行模擬分析。模擬的結(jié)果對模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 塑料件結(jié)構(gòu)及工藝分析

1.1 塑料件分析

手柄整體呈現(xiàn)輪廓明顯的“喇叭花”形狀，有較大的截面尺寸變化，截面積小的一端由圓弧狀彎曲過渡，形狀設(shè)計(jì)對稱，便于與花灑手柄等其它部件的連接；截面積大的一端形狀為八個(gè)“花瓣”，花瓣處靠內(nèi)側(cè)的位置有4 個(gè)需要抽芯的自攻螺絲柱孔，自攻螺絲柱孔與花灑本體中間由加強(qiáng)筋連接?；境叽鐬?29 mm×129 mm×129 mm，壁厚為3 mm。該產(chǎn)品應(yīng)用于日常生活中的衛(wèi)浴用具，出水口開口較大，便于增加出水量，是一種新型的歐式花灑結(jié)構(gòu)。利用CAD，UG 軟件繪制產(chǎn)品的二維圖、三維圖如圖1 所示。

圖1 花灑本體結(jié)構(gòu)、三維圖

1.2 塑料件的精度與表面質(zhì)量

塑料件尺寸精 度自攻螺絲柱中心距及小端孔位尺寸要求較高，其它要求一般。為了降 低在生 產(chǎn)過程中制模成本 和加工成型的難 度，盡 量選擇 較低的尺寸 精度，同時(shí)要滿 足產(chǎn)品質(zhì)量 符合實(shí)際使用要求。產(chǎn)品外觀要求較高，內(nèi)表面圓環(huán)以內(nèi)裝配后不可見，故可選擇僅滿足利于脫模的精度，內(nèi)表面圓環(huán)以外是外觀面，需鏡面拋光，外表面也是外觀面需鏡面拋光，因分型面不可避免要設(shè)置在外表面上，故模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮做工藝螺絲孔，動定模仁需鎖在一起組合拋光，以降低外表面的粗糙度。

塑料件的表面要求沒有氣泡、流紋、麻點(diǎn)、裂痕等問題，產(chǎn)品外表面光滑，有一定的彎曲弧度，在彎曲弧度最大的地方應(yīng)注意避免應(yīng)力集中的現(xiàn)象，產(chǎn)品與產(chǎn)品連接處以及產(chǎn)品邊緣應(yīng)選用圓角過渡，防止對使用者造成損傷。分型面以及澆口位置易出現(xiàn)飛邊，故在選擇位置時(shí)需要避免有明顯的痕跡。

1.3 塑料件材料

花灑手柄使用的材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)，是一種易 于加工成型 的熱塑性 工程塑料。密度為1.02～1.08 g／cm3，該塑料 的熔融溫 度很高，為2 17～237 ℃，但料溫較 高時(shí)易分解，分解溫 度在270℃以上。

1. 4 模具設(shè)計(jì)重點(diǎn)與難點(diǎn)分析

通過以上對塑料件的結(jié)構(gòu)、精度及材料性能的分析可以看出，該產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)主要是花灑的內(nèi)部圓弧抽芯部分以及8 個(gè)花瓣的成型。該產(chǎn)品需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)地方的側(cè)向抽芯，抽芯結(jié)構(gòu)如圖2 所示?；⒌某樾静糠挚梢苑纸獬蓤D2 中的I和II 兩個(gè)部分來完成。圖中I 標(biāo)示的主要完成花灑里面的圓弧抽芯，圖中II 主要完成花灑里面4 根自攻螺絲柱以及內(nèi)部的中圓部分的直抽芯部分。另外，花灑中8 個(gè)花瓣處的成型也具有一定的難度，要保證不變形，而且不影響其表面質(zhì)量。

圖2 抽芯結(jié)構(gòu)

2 模流分析

Moldflow 仿真軟件能夠在注塑工藝、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具裝配試模等方面起到驗(yàn)證和優(yōu)化的作用[5]。但由于計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)會有一定的差距，因此Moldflow 仿真在目前生產(chǎn)中還是起輔助作用。隨著模具CAE 技術(shù)的不斷應(yīng)用和發(fā)展，成型過程的計(jì)算機(jī)模擬將更加準(zhǔn)確、速度快，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，前景好。筆者在確定模具設(shè)計(jì)方案前，借助模流分析來確定澆口位置、充填時(shí)間、冷卻、翹曲變形等計(jì)算結(jié)果，為后續(xù)的模具設(shè)計(jì)提供參考。

2.1 澆口位置分析

在設(shè)置澆口位置之前，可以通過Moldflow 對該產(chǎn)品進(jìn)行最佳澆口位置分析，從而可以判斷出哪些地方適合開設(shè)澆口。模擬結(jié)果如圖3 所示。從圖3可以看出，最佳澆口位置位于產(chǎn)品的中部，倘若在此設(shè)置澆口，將會影響到產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，因此不妥。圖中外圍區(qū)域部分是不可以設(shè)置澆口的位置。綜合考慮，由于該產(chǎn)品尺寸較大，而且抽芯比較復(fù)雜，外觀質(zhì)量又要求很高，因此，采用一模一腔的結(jié)構(gòu)。從產(chǎn)品的軸心以及模具結(jié)構(gòu)的平衡性考慮，選取側(cè)澆口，弧形分流道。澆口系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖3 澆口位置分析

圖4 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2. 2 充填時(shí)間分析

圖5 為充填時(shí)間結(jié)果圖。從圖5 可以看出，該產(chǎn)品的充填時(shí)間為2.379 s，靠近澆口處充填較快，越遠(yuǎn)離澆口充填能力越差，充填時(shí)間越長，在8 個(gè)花瓣的位置處充填時(shí)間最長。

圖5 充填時(shí)間

2.3 流動前沿溫度分析

圖6 為流動前沿溫度圖。

圖6 流動前沿溫度

由圖6 可見，充填過程中制品的流動前沿溫度較均勻，最高流動前沿溫度為232.3 ℃，加強(qiáng)筋位置的溫度較低。由于制品尺寸約為129 mm×129 mm×129 mm，壁 厚 均 勻 且 為3 mm，所以不會出現(xiàn)短射現(xiàn)象，基本保證了制品的成型要求。

2.4 冷卻水溫變化分析

圖7 為冷卻水溫的變化。進(jìn)水口選 用溫度為23℃，在出水口位置的水溫最高為23.65℃，說明冷卻液溫度變化控制在1℃以內(nèi)，是符合要求的。

圖7 冷卻水溫變化

2.5 翹曲變形分析

翹曲變形圖如圖8 所示，產(chǎn)品的變形最嚴(yán)重的區(qū)域分布 在截面積小的一端，也就是最開始澆注的地方，除此之外則是“八個(gè)花瓣”的邊緣處，最大變形達(dá)到了0.547 6 mm，變形情況在產(chǎn)品生產(chǎn)的允許范圍內(nèi)。

圖8 翹曲變形圖

2.6 熔接痕和氣穴分析

圖9 、圖10 分別為熔接痕和氣穴模擬圖。從圖9可以看出，熔接痕只出現(xiàn)在小端的圓弧內(nèi)部，這是幾股熔體流動匯聚的結(jié)果，不影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。圖10 中氣穴的位置只出現(xiàn)在產(chǎn)品的大小兩個(gè)端部，都在非外觀面上，可以通過模具中推出和抽芯裝置進(jìn)行排氣，能夠保證產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。

3 直抽加彎抽注射模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 注塑機(jī)型號的確定

利 用UG 造 型[6-7]得 到 產(chǎn) 品 的 體 積 為：V塑=66.967 cm3。ABS 材料的密度取1.02 g／cm3，澆注系統(tǒng)凝料的體積估算為0.2～1 倍的塑料件體積大小。

圖9 熔接痕

圖10 氣穴

故一次注入的塑料熔體總體積為：

從而得出注塑機(jī)的公稱注射量為：V公=V總／0.8=167.38 cm3，為保證模具能完整放置于注塑機(jī)的拉桿空間中，選用注塑機(jī)型號為XS-ZY-1 000[8-9]。

3.2 分型面位置的確定

根據(jù)分型面的選 擇原則，首先找 到產(chǎn)品脫模 方向最大 投影邊 緣 部位所 在位置，選擇 盡可能小 地 影響產(chǎn) 品整體外 觀的位置作 為分型面，其次判斷這個(gè)位置是否滿足模具的鎖緊要求。由于產(chǎn)品整體沿此分型面上下呈對稱形狀，截面尺寸相差較大，故最終設(shè)置產(chǎn)品的分型面位置為圖11 中標(biāo)注所示，動模方向向下。

圖11 分型面位置的確定

3.3 成型零部件的設(shè)計(jì)

(1)凹模鑲塊。

由于產(chǎn)品在分型面處呈對稱狀態(tài)，故利用上下兩個(gè)凹模鑲塊組成型腔成型產(chǎn)品。采用整體嵌入式結(jié)構(gòu)，利用螺釘將凹模鑲塊固定在凹模板上。圖12為上下凹模鑲塊示意圖。

圖12 成型零件上下凹模鑲塊

(2)凸模的結(jié)構(gòu)。

產(chǎn)品外表面由兩個(gè)凹模鑲塊組成，內(nèi)表面成型時(shí)需要凸模，需要設(shè)置一個(gè)圓弧抽芯結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)品截面大的一端為保證形狀不變，借助鑲塊作為組合式凸模，其結(jié)構(gòu)如圖13 所示。

圖13 凸模結(jié)構(gòu)

(3)抽芯部分的工作過程。

整套模具用UGNX 制圖完成，模具核心部分結(jié)構(gòu)如圖14 所示。制品的形狀和尺寸是注射成型零件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由圖14 可知，制品內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，需要做一個(gè)大的側(cè)向抽芯。內(nèi)部側(cè)面有4 個(gè)自攻螺絲柱孔，需要分別做4 個(gè)小型芯來成型。從而避免出現(xiàn)困氣、缺膠等現(xiàn)象。抽芯距離較大，選用油缸作為動力源。由于抽芯機(jī)構(gòu)為圓弧側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，選擇利用導(dǎo)滑槽，將油缸的活塞直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為抽芯的圓弧運(yùn)動。

抽芯距的計(jì)算公式如下：

式中：h——塑料件需要抽芯的側(cè)孔深度。

具體工作原理設(shè)計(jì)如圖14 所示。

Ⅰ.直抽滑塊3 與滑塊5 用螺絲固定，開模時(shí)，鎖緊塊6 通過T 槽帶動滑塊3 和滑塊5 抽芯，直抽完成；

Ⅱ.脫模板4 通過推桿11 與推板12、推桿固定板13 連接固定，推板12 與推桿固定板13 頂出，帶動脫模板4 及所有彎抽和直抽零件頂出，使產(chǎn)品脫離動模仁1，同時(shí)頂出流道冷凝料，頂出完成；

Ⅲ.彎芯2 通過方銷7 與擺座8 連接固定，油缸10 做直線運(yùn)動，通過擺銷9 帶動擺座8、彎芯2、滑塊3、滑塊5、方銷7 等零件一起沿脫模板4 上面的弧形導(dǎo)滑槽運(yùn)動，彎抽完成；

Ⅳ.機(jī)械手取出產(chǎn)品，所有開模動作完成；

Ⅴ.合模時(shí)，以上動作順序逆向進(jìn)行，合模完成。

圖14 抽芯機(jī)構(gòu)

3.4 推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于產(chǎn)品外表面為光滑有弧度的“喇叭花”形狀，有外觀要求，不允許有頂出痕跡。根據(jù)模流分析結(jié)果可知，在花灑的大端部即喇叭花部分，容易發(fā)生翹曲變形，故無法單獨(dú)使用推板或推桿推出。因此為了保證產(chǎn)品在開模后能順利取出，且在不影響產(chǎn)品外觀的情況下設(shè)計(jì)如圖15 所示的一種直角脫模板頂出機(jī)構(gòu)，這是一種組合推出方式。產(chǎn)品包在脫模板花瓣位置上與脫模板一起推出，再用油缸將脫模板從產(chǎn)品花瓣位置抽離。針對流道凝料，利用推桿推出。這種組合推出方式的優(yōu)點(diǎn)在于更適用于花灑本體的成型，減少了產(chǎn)品變形，而且不影響分流道凝料的推出，也有助于產(chǎn)品排氣，減少注塑缺陷。

圖15 直角脫模板結(jié)構(gòu)圖

3.5 模具結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的模具總裝配結(jié)構(gòu)。圖16 為三維模具的裝配圖，圖17 為模具的結(jié)構(gòu)圖。

圖16 三維模具裝配圖

從圖17 的二維裝配圖中可以看出，該模具具體工作原理為：動模板9 和定模板16 中分別固定凹模鑲塊，合模時(shí)依靠這對凹模鑲塊即哈呋塊15，41形成一個(gè)完整的型腔，內(nèi)部由圓弧型芯13 以及鑲塊14 輔助成型，當(dāng)塑料凝料經(jīng)澆注系統(tǒng)注入時(shí)在形成的封閉空間 中得以呈現(xiàn)花灑本體的樣子；開模時(shí)首先油缸48 驅(qū)動，利用脫模 板8 上的導(dǎo)滑槽將活 塞直線動 作轉(zhuǎn)化成圓弧 抽芯動作，將圓弧側(cè)向型芯13 抽出以及帶動鑲塊14 退出，完成側(cè)抽芯動作，然后推板4 與推桿固定板5 一起動作，帶動推桿44 頂出分流道中的凝料，在上升的同時(shí)脫模 板導(dǎo)柱6 進(jìn)入推板4 與推桿固定板5 中的孔內(nèi)，直至碰到脫模板導(dǎo)套7 到達(dá)限位，此時(shí)彈簧45 受力壓縮，推動脫模板8 向上運(yùn)動將產(chǎn)品在模具中取出，實(shí)現(xiàn)脫模；第二次合模時(shí)由復(fù)位桿42 帶動推板4 及推板固定板5 回至最初位置，脫模板8則利用脫模板復(fù)位桿28帶回。正如前面所介紹的抽芯動作過程，先頂出再彎抽，這樣產(chǎn)品小端有彎芯固定，大端有滑塊座固定，頂出才會平衡，否則頂出時(shí)產(chǎn)品由于小端有型腔包緊力會發(fā)生傾斜，刮傷產(chǎn)品。

圖17 模具的結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

通過對歐式花灑本體注塑件進(jìn)行分析，用UGNX 和CAD 軟件完成了整體模具三維及二維裝配圖的實(shí)體建模及繪制。此模具設(shè)計(jì)采用側(cè)澆口，型腔采用兩個(gè)鑲塊拼接式結(jié)構(gòu)；抽芯部分采用油缸進(jìn)行活塞運(yùn)動帶動滑塊完成直抽與彎抽動作?？s短了圓弧抽芯的長度，簡化了模具結(jié)構(gòu)。對具有圓弧抽芯類注塑件的模具設(shè)計(jì)具有一定的參考作用。采用直角脫模板能夠防止花灑本體的“喇叭”部位發(fā)生翹曲變形。該注射模具結(jié)構(gòu)簡單緊湊，動作穩(wěn)定可靠，能夠滿足實(shí)際的生產(chǎn)要求。在設(shè)計(jì)過程中借助Moldflow 軟件對塑料件進(jìn)行模流分析，將分析后的結(jié)果用于指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)，能夠提高模具設(shè)計(jì)水平，縮短周期。