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， 福建 福州350118；2. 廈門安普利生物工程有限公司， 福建 廈門 361022)

塑料螺紋產(chǎn)品在工程塑料中應(yīng)用廣泛，由于有些螺紋具有側(cè)向凹凸溝槽，使其在脫模機(jī)構(gòu)上的設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，容易出現(xiàn)產(chǎn)品螺紋遭到破壞或根本無法脫出的現(xiàn)象[1-3]。在材料允許的情況下可以采用強(qiáng)制脫螺紋，目前主要采用旋轉(zhuǎn)脫螺紋的方法。側(cè)凹、側(cè)孔的抽芯結(jié)構(gòu)多為滑塊或哈呋塊，螺紋的抽芯機(jī)構(gòu)則采用馬達(dá)與鏈條自動(dòng)進(jìn)行脫螺紋、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)鏈條或齒輪傳動(dòng)脫螺紋機(jī)構(gòu)[4-6]。

塑料管接頭是一個(gè)對稱的空心回轉(zhuǎn)體，側(cè)面有凹槽，其側(cè)凹方向與模具的開模方向不同，無法按照一般的脫模方式來脫出塑件，為脫模帶來難度。頸部設(shè)有加強(qiáng)筋，增大了連接管的剛性。針對該塑件，采用側(cè)抽機(jī)構(gòu)來進(jìn)行側(cè)凹處的成型與側(cè)型芯的脫出。借助CAE分析技術(shù)，在多型腔成型時(shí)，使型腔單行排列且將側(cè)凹處擺放在同一方向，并將多個(gè)側(cè)抽滑塊進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，采用哈呋塊結(jié)構(gòu)成型，避免了抽芯時(shí)發(fā)生干涉等問題；利用螺紋型芯旋轉(zhuǎn)再加上該塑件自身的止轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)脫螺紋，這種脫螺紋的方式省去了頂出機(jī)構(gòu)，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本。

1 塑件結(jié)構(gòu)及工藝分析

1.1 塑件分析

由圖1可以看出，管接頭尺寸較小，其塑料熔體的流動(dòng)行程比較短，外形上具有良好的軸對稱性，因此該塑件適合采用注塑成型。

塑件頭部有環(huán)狀凹槽，頸部有加強(qiáng)筋形成的凹槽，這種設(shè)計(jì)增大了連接管的剛性；由于塑件形狀對稱，可以選擇在其上半部分采用哈呋塊結(jié)構(gòu)來進(jìn)行整體抽芯；塑件上部腔體為階梯孔，可采用階梯狀型芯成型，且型芯可以作為鑲拼塊形式；塑件下半部分有內(nèi)螺紋，這種設(shè)計(jì)可在管道連接處起到緊固的作用，此處為保證螺紋的質(zhì)量，需要采用螺紋型芯進(jìn)行旋轉(zhuǎn)脫螺紋。

圖1 塑料連接管二維圖(單位：mm)Fig.1 Two dimensional drawing of plastic connecting pipes(unit: mm)

1.2 塑件的精度與表面質(zhì)量

該塑料連接管的尺寸由于沒有其他特別的要求，可按照一般尺寸精度，即MT3級精度查取相對應(yīng)的尺寸的公差數(shù)值。

管接頭的表面質(zhì)量要求其形狀對稱，外表美觀，無凹坑、斑點(diǎn)，熔接痕等缺陷。由于塑件內(nèi)表面螺紋結(jié)構(gòu)尺寸微小，模流分析結(jié)果顯示在此處常會(huì)出現(xiàn)熔接痕，這種缺陷不可避免[7]。

1.3 塑料材料性能分析

塑料管接頭的材料為ABS塑料，強(qiáng)度、韌性好，成型加工也相對容易[8]。其玻璃轉(zhuǎn)移溫度大約是105 ℃，密度約為1.04～1.06 g/cm3。ABS不具有定形性，所以熔點(diǎn)不固定。它能夠有效抵抗酸性、堿性與鹽溶液等無機(jī)溶液的腐蝕，而對于有機(jī)溶劑也具備一定的承受能力，在-25 ℃～60 ℃的環(huán)境下其性能表現(xiàn)正常；這種塑料成型出來的產(chǎn)品擁有光順的表面，對其染色和電鍍等的加工十分便利。

2 模流分析

在進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)之前，為了更合理地確定流道設(shè)置，使用Moldflow軟件進(jìn)行成型模擬與分析。在模流分析的過程中，分流道采用了直流道和S型流道兩種形狀進(jìn)行對比，這里主要對以下幾個(gè)方面進(jìn)行結(jié)果分析。

(1)充填時(shí)間。圖2顯示了兩種形狀流道的充填時(shí)間分析。直流道的充填時(shí)間為0.443 7 s，而S形流道的充填時(shí)間較直流道要長許多，為0.606 9 s，增大了約1.5倍，起到了緩沖效果，有利于獲得更好的外形塑件。

(a) 直流道

(b) S 形流道圖2 直流道與S形流道充填時(shí)間分析Fig.2 Analysis of filling time for straight and S-shaped channels

(2)翹曲變形。翹曲變形是塑料制品成型后最常見的一種缺陷。從圖3可以看出，兩種方案翹曲變形最大處集中在尾部六角，而頸部較穩(wěn)定，形變量較少。S型流道的塑件在各部位翹曲產(chǎn)生的變形量明顯比直流道減少許多，其中最大翹曲處減少0.002 mm。

(a)直流道

(b) S 形流道圖3 直流道與S型流道翹曲變形分析Fig.3 Analysis of warpage deformation of straight and S-shaped channels

(3)縮痕指數(shù)與體積收縮率?？s痕指數(shù)與體積收縮率均反映了塑件壁厚收縮的程度。通過模擬分析，兩種方案均在下半部分壁厚較厚處發(fā)生收縮，尤其在下部棱的部位最明顯。在總體的體積收縮率方面直流道最大達(dá)到了6.778%，而S流道則減小到6.627%，其改善效果較為顯著，如圖4所示。

圖4 直流道與S流道體積收縮率分析Fig.4 Analysis of volume shrinkage for straight and S-shaped channels

通過以上對不同分流道進(jìn)行模流對比分析可知，采用“S”型分流道能夠明顯降低產(chǎn)品的翹曲變形缺陷發(fā)生，而且壁厚收縮變形也明顯降低。能夠保證產(chǎn)品良好的外觀質(zhì)量。因此進(jìn)行注射模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用“S”型分流道結(jié)構(gòu)。

3 注射模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 注射機(jī)型號的確定

利用UG造型[9-10]得到產(chǎn)品的體積為：V塑=2.56 cm3。ρ為ABS材料的密度，取1.05 g/cm3。澆注系統(tǒng)凝料的體積估算為0.6倍的塑件體積大小。

所以一次注入的塑料熔體總體積為：

V總=nV塑+V澆=11.776 cm3，其中，n為型腔數(shù)目，n=4。

從而得出注射機(jī)的公稱注射量為：V公=V總/0.8=14.72 cm3，為保證模具能完整放置于注射機(jī)的拉桿空間中，選用注射機(jī)型號為XS-ZY-250。

3.2 分型面位置的確定

當(dāng)模具打開時(shí)，需要脫離型腔中的塑件，并分離注塑時(shí)產(chǎn)生的塑料凝料，在這個(gè)過程里它們所接觸的面稱為分型面。分型面的位置和形式由許多影響因素決定，如塑件幾何形狀、澆口類型、型腔的排列分布等。

通過對塑件的整體形狀和外形特點(diǎn)加以分析，可初步得出如圖5所示3種分型面選擇方案。

通常分型面的選擇必須要以保證產(chǎn)品質(zhì)量、有利于脫模、簡化模具結(jié)構(gòu)等為前提進(jìn)行選擇。從圖5可以看出，方案1不利于側(cè)抽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，方案3增加了脫螺紋的難度，因此這兩種方案不作選取，最終選擇分型面方案為方案2。因?yàn)樗芗煞譃樯舷聝刹糠?，上部由哈呋塊抽芯，下部帶有內(nèi)螺紋，需要依靠螺紋型芯旋轉(zhuǎn)脫模，所以開模方向設(shè)置在中間平面位置，塑件將會(huì)留在動(dòng)模上的型腔中，又考慮(到塑件成型的質(zhì)量和脫模的方便性，分型面會(huì)向下偏移1 mm左右。

圖5 3種分型面方案Fig.5 Three mould joint schemes

3.3 型腔排列方式的確定

塑料連接管采取一模四腔的結(jié)構(gòu)注塑成型，型腔排列方式采用直線中心對稱式排列，此時(shí)分流道對應(yīng)設(shè)置為單排列式，如圖6所示。

圖6 型腔排列方式Fig.6 Cavity arrangement

3.4 成型零部件的設(shè)計(jì)

(1)滑塊的設(shè)計(jì)

抽芯時(shí)，滑塊作為運(yùn)動(dòng)的零件，在開模時(shí)的驅(qū)動(dòng)力由斜導(dǎo)柱提供，并在導(dǎo)滑槽中滑動(dòng)，以此達(dá)到對側(cè)孔、側(cè)凹等部位的抽芯目的。由于塑料連接管側(cè)凹分布均勻，且尺寸相對較小，所以本次設(shè)計(jì)中將滑塊設(shè)計(jì)為整體式哈呋塊結(jié)構(gòu)。

(2)齒輪傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)

塑料連接管的下部設(shè)有內(nèi)螺紋，因此注塑時(shí)需要使用螺紋型芯來成型。成型后的螺紋型芯將以旋轉(zhuǎn)的方式脫出螺紋，此時(shí)需要使用齒輪來作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)中，選用直齒圓柱齒輪。利用一個(gè)主動(dòng)齒輪帶動(dòng)6個(gè)從動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，其中2個(gè)從動(dòng)齒輪起傳動(dòng)作用，保證螺紋型芯的旋向一致，以此實(shí)現(xiàn)脫螺紋的動(dòng)作，如圖7所示。

圖7 齒輪系的設(shè)置Fig.7 Gear system setup

這里齒輪模數(shù)的取值為m=2.5，主動(dòng)齒輪的齒數(shù)Z1=25，從動(dòng)齒輪的齒數(shù)Z2=20，齒輪軸的齒數(shù)Z3=14。由此可以計(jì)算出主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪的直徑。

3.5 模具結(jié)構(gòu)圖

通過以上模流分析結(jié)果，采用S型流道，點(diǎn)澆口進(jìn)澆。型腔采用哈呋塊成型，一模四腔的結(jié)構(gòu)。利用液壓油缸帶動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)側(cè)螺紋旋轉(zhuǎn)脫模。模具的總裝配圖如圖8所示。

圖8 模具裝配圖Fig.8 Drawing of the die assembly

4 結(jié)語

通過對塑料管接頭的形狀及結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合模流分析的結(jié)果對該產(chǎn)品進(jìn)行了模具設(shè)計(jì)。得出了以下結(jié)論：

1)多型腔成型的模具其成型塑件的質(zhì)量難以穩(wěn)定。在該塑件的模具設(shè)計(jì)中選用S型分流道，使塑料熔體在流動(dòng)過程中的速度大大減緩，經(jīng)過Moldflow的模擬分析，這種流道的設(shè)計(jì)能夠使塑料熔體及時(shí)充滿型腔，并有效地減少了塑件表面的波狀紋路，降低了塑件翹曲變形的程度，提高了塑料連接管的成型質(zhì)量。

2)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用哈呋塊結(jié)構(gòu)成型，避免了抽芯時(shí)發(fā)生干涉問題。利用螺紋型芯旋轉(zhuǎn)再加上該塑件自身的止轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)脫螺紋，這種脫螺紋的方式省去了頂出機(jī)構(gòu)，簡化了模具結(jié)構(gòu)，節(jié)約了生產(chǎn)成本。