林權(quán)，陳麗軍，陳蓮，林鑫，張道平

(武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建武夷山 354300)

作為模具標(biāo)準(zhǔn)件之一的推桿是注塑模的重要配件，推桿設(shè)計直接影響著塑件成型質(zhì)量，不合理的推出設(shè)計會導(dǎo)致塑件脫模變形嚴(yán)重[1–3]。近年來隨著科技發(fā)展，注塑產(chǎn)品趨勢走向精致化，稍許誤差便可導(dǎo)致產(chǎn)品優(yōu)良率下降，雖然目前國內(nèi)外注塑模具CAD／CAE 技術(shù)已普遍得到應(yīng)用，但是在推桿優(yōu)化配置的研究應(yīng)用上較少[4–6]。筆者以底座注塑件為例，通過利用Moldflow 模流分析結(jié)合Workbench結(jié)構(gòu)分析，獲取底座塑件成型收縮翹曲和脫模阻力分布特性，以成型材料力學(xué)性能為參考依據(jù)，獲得推桿數(shù)量及位置配置方案，從而降低模具研發(fā)成本，提高模具脫模設(shè)計精度及效率，并基于模流分析和推桿配置優(yōu)化結(jié)果，采用側(cè)向進(jìn)料偏心注塑模結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，簡化了模具結(jié)構(gòu)，有效地解決了底座塑件成型可能引起的質(zhì)量問題，為同類注塑模具設(shè)計提供參考。

1 塑件結(jié)構(gòu)及工藝性分析

圖1 為底座塑件圖，塑件總體尺寸為234 mm×197 mm×66 mm，塑件左側(cè)有一個內(nèi)凹橢圓形深腔接收桶，右側(cè)有一個類方形大孔，接收桶寬邊一側(cè)設(shè)置有一個護(hù)板，其尺寸為225 mm×42 mm，護(hù)板與塑件中軸線夾角為8°。塑件壁厚不均，1.0~2.5 mm 不等，內(nèi)部分布有縱橫交錯的加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋壁厚為1.0 mm，方形大孔周圍設(shè)置有螺絲柱位，用于螺釘連接底座與箱體，塑件輪廓邊緣處均布有“H 型”和“I 型”連接卡扣，卡扣壁厚為1.5 mm，底座塑件其余部位壁厚為2.5 mm，倒圓角半徑為3.5 mm。

圖1 底座塑件二維圖

由圖1 可以看出，塑件的特征形狀比較復(fù)雜，且有一定的成型難度，適宜采用一模一腔布局。由于塑件頂面需要涂覆處理，如圖1 中A 面所示，該表面不允許有氣孔、熔接痕、翹曲、頂出疤痕等缺陷，故選取圖1 中I–I為分型面，確定成型材料為丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS) (648，注塑級，美國英力士公司)，其拉伸強(qiáng)度高，且具有高光、抗撞、加工性優(yōu)良等特性，常用于電子電器、工業(yè)部件、汽車零件外殼等領(lǐng)域[7]。

2 模流分析

2．1 創(chuàng)建模流分析系統(tǒng)

首先應(yīng)用Creo4.0 創(chuàng)建底座三維模型，再利用CAD Doctor 對模型進(jìn)行錯誤診斷修復(fù)和簡化，然后導(dǎo)入Moldflow 模流分析軟件中。通過對底座進(jìn)行最佳澆口位置分析，獲知底座四周流動阻力較大，在邊緣“H 型”連接卡扣處達(dá)到最大值，底座中心處流動阻力最小適宜設(shè)置澆口，但為了避免在塑件頂面留下澆口痕跡，在方形大孔靠中心一側(cè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)側(cè)澆口。澆注系統(tǒng)主要尺寸設(shè)計如下：錐形主流道長90.5 mm，始端直徑取3.0 mm，末端直徑取7.0 mm；分流道長15.0 mm，直徑取6.0 mm，矩形側(cè)澆口尺寸為4.0 mm×3.0 mm×2.5 mm。根據(jù)底座塑件結(jié)構(gòu)特征，采用沿著收縮方向布局冷卻系統(tǒng)，在充填體積較大區(qū)域冷卻水管之間的距離相對較近，而在方形大孔周圍冷卻水管設(shè)計距離較大，冷卻水管直徑取8.0 mm。圖2 為完成的模流分析系統(tǒng)。依據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗設(shè)置成型參數(shù)如下：熔體溫度235℃，充填過程由注射時間控制，注射時間2 s，保壓方式為恒壓保壓，保壓壓力取注塑壓力的80%，注射+保壓+冷卻時間為30 s，冷卻液溫度20℃，開模時間5 s，其余工藝條件采用默認(rèn)值。

圖2 模流分析系統(tǒng)

2．2 模流翹曲結(jié)果分析

模流翹曲變形分析結(jié)果如圖3、圖4、圖5 所示，坐標(biāo)系位于圖示左下角，其中(–Z)方向為推桿頂出脫模方向，阻礙(–Z)方向脫模的收縮變形量則視為包緊力。圖3 為底座X方向放大10 倍后的翹曲變形量分布云圖。圖3 顯示A 處特征收縮變形量約為–1.3 mm，B 處特征收縮變形量約為1.0 mm，參照坐標(biāo)系可獲知朝向(+X)方向的變形會對動模型芯產(chǎn)生包緊力，然而A 處特征朝向(–X)主要針對型腔，所以推桿位置設(shè)計時，需特別注意B 處，其余地方的收縮變形對于包緊力幾乎無影響。

圖3 底座X 方向翹曲變形分布(放大10 倍)

圖4 底座Y 方向翹曲變形分布(放大10 倍)

圖5 底座Z 方向翹曲變形分布(放大10 倍)

圖4 為底座Y方向放大10 倍后的翹曲變形量分布云圖。圖4 顯示C 處底座護(hù)板收縮變形量約為–2.0 mm，參照坐標(biāo)系是朝向(–Y)方向變形，對動模型芯產(chǎn)生包緊力，另外護(hù)板左側(cè)變形量明顯大于右側(cè)，所以左側(cè)抱緊力也大于右側(cè)。D 處特征收縮變形量約為1.0 mm，參照坐標(biāo)系是朝向(+Y)方向變形，依然對動模型芯產(chǎn)生包緊力，相對而言D處產(chǎn)生的包緊力比較均衡，設(shè)計推桿位置時，C 處與D 處都適宜設(shè)計推桿。

圖5 為底座Z方向放大10 倍后的翹曲變形量分布云圖。圖5 顯示E 處特征收縮變形量約為0.9 mm，參照坐標(biāo)系是朝向(+Z)方向變形阻礙脫模，對動模型芯產(chǎn)生包緊力。F 處特征收縮變形量約為1.0 mm，參照坐標(biāo)系是朝向(–Z)方向變形，同脫模頂出方向，收縮變形對動模型芯包緊力無影響，所以應(yīng)注意在E 處設(shè)計推桿位置。

3 脫模分析

3．1 脫模條件設(shè)定

將Creo 創(chuàng)建的底座三維模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，忽略一些不影響分析結(jié)果的細(xì)節(jié)，再導(dǎo)入ANSYS–Workbench 靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊中，應(yīng)用Static-Structural 進(jìn)行脫模分析。底座產(chǎn)品脫模阻力主要來自包緊力、摩擦力以及底部無孔塑件的大氣壓力[8]，底座塑件材料為ABS，成型零件模具鋼材料為P20，塑件與成型件之間接觸設(shè)定為兩接觸面可滑動、可分開，兩者靜摩擦系數(shù)為μ=0.35。設(shè)定邊界條件與負(fù)載，模擬將底座產(chǎn)品整體同時進(jìn)行脫模動作，將型芯底部視為固定端，設(shè)定其位移X，Y，Z方向均為0 mm，塑件頂出行程為3 s 位移30 mm，設(shè)定其脫模方向 (–Z)為 30 mm，X與Y方向均為 0 mm。底座產(chǎn)品與型腔接觸面上加載由于塑料收縮抱緊型腔所產(chǎn)生的作用力：F=AP，其中F為抱緊力(單位N)，A為塑料抱緊型腔面積(單位cm2)，P為單位面積抱緊力(單位MPa)，在此取P=10 MPa，同時在平行于開模方向產(chǎn)品表面上加載摩擦力f=μF。

3．2 脫模分析結(jié)果

圖6 和圖7 分別為底座產(chǎn)品脫模分析的最大主應(yīng)變和變形量分布。從圖6 可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)變主要集中在S1，S2兩處，代表這兩處在脫模的過程中，所受脫模阻力較大，主要是由于這些部位的結(jié)構(gòu)形狀因素導(dǎo)致，它們的共同特征是都位于塑件結(jié)構(gòu)的拐角處。S1位于圖1 中護(hù)板與頂面A 面的折彎處，S2位于圖1 底座零件接收桶側(cè)面上下端折彎處，這兩處與動模型芯沿著脫模方向的模面接觸較多，因此脫模時所受阻力也較大。圖1 中護(hù)板雖然與動模型芯的接觸面積也比較大，但此面拔模斜度為8°，拔模斜度越大則摩擦阻力越小，所以護(hù)板面所受摩擦阻力較S1，S2兩處的小。從圖7 脫模分析變形量分布可以獲知脫模變形較大的區(qū)域仍為S1，S2區(qū)域，只是作用點發(fā)生改變，由底座零件護(hù)板與頂面A 面的折彎處移動到護(hù)板上，由底座零件接收桶側(cè)面下端折彎處移動到接收桶側(cè)面。通過多年生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，可知桶類塑件最大變形區(qū)一般發(fā)生在桶身側(cè)壁上，該模擬結(jié)果與生產(chǎn)實際表觀一致性高。為了便于與其它配件安裝定位配合，設(shè)置位于底座塑件邊緣的“H型”或“I 型”卡扣，而其根部也存在較大的應(yīng)變，尤其是中間兩個“H 型”卡扣，從脫模分析結(jié)果的變形量分布也可以獲知該卡扣脫模時變形量也比較大，因此對于卡扣的成型適宜采用組合成型方式，開模后先部分分型，減少卡扣粘模現(xiàn)象，然后塑件再由推出機(jī)構(gòu)整體推出脫模。

圖6 底座脫模最大應(yīng)變分布

圖7 底座脫模變形量分布

4 推桿配置設(shè)計

推出機(jī)構(gòu)設(shè)計直接影響塑件的變形，如果推出機(jī)構(gòu)位置不平衡，將造成推出力量的不平衡而使塑件變形，因此在設(shè)計推出機(jī)構(gòu)時應(yīng)與脫模阻力相平衡，故推桿的位置應(yīng)盡量靠近脫模阻力大的部位[9–10]；另外推桿的截面積不能太小，以防塑件單位面積受力過大，使塑件產(chǎn)生變形(尤其在脫模溫度較高時)。在不影響塑件外觀的前提下，應(yīng)在所有變形較大部位盡可能設(shè)置推桿以減少塑件的總體變形?；谀Ａ鞣治鼋Y(jié)果，獲知底座塑件成型收縮引起的翹曲變形較大區(qū)域為圖3、圖4、圖5 的B，C，D，E 處，基于脫模分析結(jié)果，獲知底座塑件在成型脫模過程中包緊力與摩擦力較大的部分為S1，S2區(qū)域及部分卡扣位置，再結(jié)合塑件結(jié)構(gòu)和工藝性，最后在底座零件6 個卡扣位置分別設(shè)置推桿，如圖8 所示。在此為了防止產(chǎn)品單位面積頂出力太大，以及簡化模具結(jié)構(gòu)的需要，在脫模分析應(yīng)變較大的區(qū)域采用斜頂鑲塊加推桿頂出塑件的方式，如圖8 中推桿2、推桿4、推桿5，其余采用側(cè)滑塊分型與成型桿兼推桿直接頂出方式。推桿配置的規(guī)則是在脫模阻力大的部分優(yōu)先配置、盡量上下左右對稱、由外而內(nèi)緩慢增加，推出機(jī)構(gòu)復(fù)位采用彈簧加復(fù)位桿的組合方式。

圖8 推桿數(shù)量與位置設(shè)計

5 偏心注塑模結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

5．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

由圖1 可知底座塑件頂面表面質(zhì)量要求高，不宜設(shè)置澆口，為了避免使用倒裝模，結(jié)合模流分析采用一模一腔側(cè)邊進(jìn)料的兩板式模具結(jié)構(gòu)，動定模采用整體鑲?cè)胧健５捎诘鬃a(chǎn)品結(jié)構(gòu)不對稱，注射量左右兩側(cè)差別甚大，如果采用常規(guī)模具設(shè)計方式，主流道位于模具中心位置，只能將主流道設(shè)計成斜注射式結(jié)構(gòu)[11–12]，但是該結(jié)構(gòu)不利于主流道凝料去除，而且模具裝配困難，成型穩(wěn)定性差；或者采用單點偏心熱流道結(jié)構(gòu)[13–14]，將主流道設(shè)計在模具的中心位置，通過熱流道分流板使熱噴嘴偏置于模具某一側(cè)方式進(jìn)料，但是該模式不僅增加了模具制造成本，而且還需要對流道板進(jìn)行熱傳遞分析，計算熱膨脹引起的噴嘴位移，以保證分流道與澆口中心的定位精度。為了既能夠保證塑件成型質(zhì)量，又能降低模具制造難度，采用偏心注塑模結(jié)構(gòu)，將主流道進(jìn)行水平偏置，但主流道偏置距離與分流道設(shè)計密切相關(guān)。依據(jù)實際經(jīng)驗分流道長度最小一般不小于8 mm，但也不能過長，另外，分流道拐彎的部位應(yīng)盡可能少，進(jìn)入澆口應(yīng)圓弧過渡，以便減少壓力損失和熱量損失，故實際應(yīng)用中需根據(jù)成型塑料模具制品的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)來布置[14]?？紤]到分流道長度直接影響主流道偏置距離，為了減小注塑壓力對模具型腔受力不均勻性的影響，分流道取值15 mm，最后塑件成型模具中心與注塑機(jī)噴嘴中心偏置30 mm。

由于底座塑件屬于中小型注射件，采用多用連桿合模裝置，該機(jī)構(gòu)能對合模系統(tǒng)形成預(yù)應(yīng)力，并對模具進(jìn)行夾緊，同時偏置設(shè)計模板支撐立柱，解決可能因模具受力不均造成產(chǎn)品壁厚差異的問題，也避免了采用傾斜主流道造成定模板塊尺寸加大而引起的澆注系統(tǒng)零配件加工情況復(fù)雜化。

圖9 為底座注塑模結(jié)構(gòu)裝配簡圖。為了保證產(chǎn)品成型質(zhì)量，節(jié)約模具制造成本，模具采用定模型芯19、動模型芯20 整體鑲?cè)攵０?、動模板9的方式；對于脫模應(yīng)力較大的3 個塑件卡扣由3 個斜頂鑲塊21、動模型芯20 成型，其余3 個采用側(cè)滑塊8、動模型芯20 及推桿成型。塑件推出機(jī)構(gòu)如圖8 所示，通過彈簧11、復(fù)位桿12 進(jìn)行先復(fù)位，依據(jù)塑件收縮方向，在支承板23、動模板9、動模型芯20 和定模型芯19、定模板5 設(shè)計直流循環(huán)式動定模冷卻水路。

5．2 工作原理

圖9 模具結(jié)構(gòu)裝配簡圖

模具鎖模閉合后，注塑機(jī)筒內(nèi)塑料熔體通過澆口套16 的主流道進(jìn)入模腔，經(jīng)過一段保壓冷卻，注塑機(jī)驅(qū)動動模部分向后移動，在定模板5 和動模板9 之間打開分型面；開模過程中，主流道脫離澆口套16，由于動模型芯復(fù)雜的成型結(jié)構(gòu)及成型收縮抱緊力，產(chǎn)品留在動模上，同時固定于定模板5 上的斜導(dǎo)柱2 驅(qū)動動模側(cè)滑塊8 側(cè)向移動，圖8 中由推桿1、推桿3、推桿6 成型頂出的卡扣完成外側(cè)面分型；開模完成后，注射機(jī)頂桿推動推板29 及推桿固定板28 向前運動，固定在推板上的推桿分別推動斜頂鑲塊與塑件，如圖8 中與推桿2、推桿4、推桿5 相連接的斜頂鑲塊21，完成卡扣內(nèi)側(cè)分型的同時推出塑件。前者先分型的卡扣由推桿兼成型桿、側(cè)滑塊、動模型芯封閉成型，后分型的卡扣由斜頂鑲塊與動模型芯封閉型腔來成型。由于兩者為間隙配合，在注塑成型壓力作用下有可能產(chǎn)生毛邊，但是該毛邊并不影響卡扣的使用，而且處于塑件內(nèi)部不影響美觀，但是通過該模式可以減緩卡扣部分粘模，減少脫模阻力，保證了卡扣脫模容易且不變形，避免了斜導(dǎo)柱側(cè)抽機(jī)構(gòu)的多方向使用，簡化了模具結(jié)構(gòu)。

塑件與動模型芯分離完成脫模后，在預(yù)復(fù)位彈簧11 及復(fù)位桿12 的作用下，推出機(jī)構(gòu)和斜頂機(jī)構(gòu)復(fù)位，繼而注塑機(jī)帶動動模部分合模，斜導(dǎo)柱2 帶動側(cè)滑塊8 復(fù)位，定模板5 與動模板9 在導(dǎo)柱10 的輔助下精準(zhǔn)定位，模具閉合，等待下一個注塑循環(huán)。實踐證明，設(shè)計制造的模具不僅具有實用性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點，而且塑件脫模運動靈活可靠，投入批量生產(chǎn)獲得的底座塑件質(zhì)量達(dá)到客戶要求。

6 結(jié)語

以底座注塑件為例，通過利用Moldflow 進(jìn)行模流翹曲分析，獲得塑件成型收縮引起的翹曲變形影響脫模區(qū)域，通過利用Workbench 進(jìn)行脫模模擬分析，獲得脫模阻力引起的產(chǎn)品應(yīng)變與變形量分布特性，結(jié)合塑件結(jié)構(gòu)工藝性，最終采用頂塊與推桿復(fù)合推出方式，在脫模阻力明顯區(qū)域設(shè)置6 個頂出位置，提高模具脫模設(shè)計精度及效率。為了保證塑件成型質(zhì)量和簡化模具結(jié)構(gòu)并降低加工難度，基于模流分析和推桿配置結(jié)果，模具采用側(cè)邊進(jìn)料一模一腔的兩板式偏心結(jié)構(gòu)，有效地解決了底座塑件成型可能引起的質(zhì)量問題。通過生產(chǎn)實踐證明，應(yīng)用該方法能使注塑模推出機(jī)構(gòu)設(shè)計過程數(shù)據(jù)化，能在模具制造之前發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而縮短研發(fā)周期，為同類注塑模具設(shè)計提供參考。