魏東坡 ，周靜

(1.天津職業(yè)技術師范大學機械工程學院，天津 300222； 2.山東華宇工學院，山東德州 253034；3.湖南汽車工程職業(yè)技術學院信息工程學院，湖南株洲 412000)

雙色模具是一種成型過程特殊、結構復雜的塑料注塑模具，其特點是兩種不同性質的注塑材料順序注入各自的型腔，并共同完成同一零件的成型。雙色模具的注塑效率相對普通單色注塑模具更高，所成型零件具有更加優(yōu)良的使用性能和產(chǎn)品多樣性，因此被越來越多地運用到工業(yè)生產(chǎn)中[1–2]。

零件尺寸如圖1 所示，為128.2 mm×60.9 mm×15.2 mm，用于奧迪車的渦輪增壓。零件體呈細長扁平狀，主要結構分成中間轉軸和包覆材料兩部分。兩種材料的體積分別為9.08×103mm3和5.69×103mm3。零件主體轉軸材料為聚丙烯(PP)，具有高強度的力學性能和良好的耐磨加工性能，保證注塑和使用過程中的零件結構剛性；轉軸外圈材料選用熱塑性彈性體(TPE)，材料性能介于橡膠與樹脂間，常溫下材質柔軟可以作為密封材料[3]。由圖1 兩種材料的分布可知，注塑過程中轉軸部分為零件的基本硬質材料，為第一次注射成型材料；包覆材料成型集中在軸的兩端，但不是簡單包裹，在基材部分位置有類似筋條結構，為第二次注射成型材料，并且軟材在位置上不連續(xù)，需要單獨設立澆口。

圖1 轉軸零件圖及其材料分布

1 產(chǎn)品注塑工藝分析

通過對零件外形簡單分析可以得出模具的類型，獲得如分型面位置、頂桿布局等基本信息[4]，但無法準確掌握零件的最佳澆口位置、氣穴位置、翹曲變形等成型細節(jié)，因此本次設計運用了Moldflow 軟件對零件的成型過程進行數(shù)值模擬，并將轉軸零件STL 文件格式導入進行分析前的模型預處理。預處理工作主要包括零件網(wǎng)格的劃分和修整，注塑工藝的參數(shù)設定等內(nèi)容。該零件網(wǎng)格劃分采用雙層面三角形網(wǎng)格單元，網(wǎng)格邊長為1 mm，網(wǎng)格數(shù)量為45 024 個。

零件匹配率達到84.6%，網(wǎng)格縱橫比最大值為20.0，平均值為2.42，滿足分析精度要求[5]。首先對轉軸零件的最佳澆口位置進行分析，兩種材料的注射成型過程不同，因此各實體部分需要分別計算。經(jīng)分析中間轉軸部分的最佳澆口在零件中間的圓柱體結構位置，此處也是零件的幾何中心，注塑材料可以平衡地充填到模具型腔中，材料流動性能均一穩(wěn)定，填充時間最短，分析結果如圖2a 所示。但該位置的零件表面形狀為圓柱體，型面起伏較大。零件背面有兩處凹槽，在模具型芯表面上會有細長的凸起部分，澆口附近的材料流動會對該凸起部分產(chǎn)生較大的沖擊壓力，從而影響模具的使用壽命和零件的成型精度。因此設計澆口時需進行調整，本設計將中間轉軸澆口位置移動到零件的平面位置如圖2b 所示，分析結果表明充填效果良好。包覆材料在中間轉軸的兩個獨立部分，最佳澆口需要單獨分析，分析結果如圖3 所示，最終澆口位置如圖4 所示。

圖2 中間轉軸最佳澆口分析和實際澆口位置

圖3 包覆材料最佳澆口分析

圖4 包覆材料實際澆口位置

然后將兩種注塑材料的成型實體部分添加到同一個分析工程下，選用注塑工藝“熱塑性塑料重疊注塑”分析類型，將中間轉軸部分定義為第一次注塑，包覆材料選擇為第二次注塑。注塑分析序列設置為：填充+保壓+重疊注塑填充+重疊注塑保壓。第一次注塑模具表面溫度為50℃，熔體溫度230℃，冷卻時間20 s；第二次注塑模具表面40℃，熔體溫度210℃，冷卻時間20 s[6]。由Moldflow 軟件分析得到零件的充填時間為1.94 s，其中第一次注塑時間1.3 s，第二次注塑時間0.64 s。零件成型過程的氣穴位置分析如圖5 所示，從正反兩個方向觀察零件，氣穴可能出現(xiàn)在中間轉軸的圓環(huán)區(qū)域和包覆材料的四周。為了保證材料充填的完整，模具型芯型腔設計時將在氣穴位置附近設計鑲件、推管等結構，在第二次注塑型腔四周設計排氣槽。

圖5 氣穴位置分析

2 產(chǎn)品模具結構設計

根據(jù)模流分析結果，結合零件特征，設計得到整套模具如圖6 所示。模具采用型芯旋轉式兩板模結構，一模兩腔的型腔布局。澆口設計選用熱流道點澆口，其中第二次注塑的每個型腔為兩處獨立點澆口。熱流道點澆口的使用可以很好的解決澆口熔斷和兩次注塑時澆口不重疊覆蓋的問題[7–8]。本設計的兩次澆口位置沒有重疊。

圖6 模具裝配圖

2．1 側抽芯機構

中間轉軸部分的兩端型面不規(guī)則，一側是異形凸臺，另一側是凹槽。凸臺部分的分型面設計可以有多種選擇，一種是與主分型面重合，即最大投影面積的外形輪廓位置，這種方法可以簡化模具結構，但勢必會在零件表面留下夾線；另一種是改變其脫膜方向，從側面分型，這種方法可以有效地改善零件的外觀及性能。故本次設計采用了雙側抽芯結構，異形凸臺側抽芯距離約為20 mm，凹槽部分的抽芯距離約為15 mm。側抽芯機構的驅動動力選用液壓缸，放棄常規(guī)斜導柱抽芯機構的原因是模具開模時第一次注塑不需要側抽開模，而第二注塑需要側抽脫模，若采用斜導柱抽芯結構則控制較為復雜[9]。

結合模流分析中氣穴位置的預測結果，側型芯設計成鑲嵌式結構。鑲嵌件的配合間隙可起到排氣的作用，解決困氣的問題，同時這些嵌件位于零件注射成型的末端，使充填過程中熔融塑料的流動順暢。鑲嵌式的型芯結構還可以降低加工的難度和生產(chǎn)成本，側抽芯結構如圖7 所示。

圖7 側抽芯結構圖

2．2 型腔封膠結構

旋轉型芯式雙色模具在使用中動模部分需要交替互換工位，因此兩次注塑的動模型芯完全相同，區(qū)別主要存在于各自的定模型腔面。本次設計的雙色注塑模具主分型面曲面平緩，零件周圍材料曲率與主分型面曲率相同，非常有利于塑料的流動充填，為了防止第二次注塑塑料在型腔邊緣不產(chǎn)生漏膠現(xiàn)象，相應定模型腔做了封膠的設計，如圖8 所示。

圖8 封膠結構

3 模具運動過程

雙色模具經(jīng)預熱后開始工作，熔融的塑料由熱流道澆口加壓注入模具第一次成型型腔中，此時另一型腔不填充材料[10-11]。經(jīng)過保壓冷卻，中間轉軸部分成型結束。模具開模后，第一型腔的側抽芯機構和頂出機構不發(fā)生運動，零件仍然停留在動模型芯上，整體動模旋轉180°使兩個成型型芯交換位置，中間轉軸部分進入第二次注塑型腔準備包覆材料的成型，而第一次注塑型腔中已經(jīng)沒有任何注塑材料。

二次注塑開始時，第一次成型型腔重復填充中間轉軸部分材料，第二型腔由另一套熱流道澆注系統(tǒng)填充包覆材料。再次經(jīng)過保壓冷卻后模具開模，控制第二型腔的液壓缸驅動側抽芯分型，之后注塑機頂桿推動模具頂桿墊板，利用頂針、推管等頂出機構將第二型腔中的最終產(chǎn)品頂出，完成一個完整的模具注塑工作過程。

4 結論

轉軸零件模具是一套典型熱流道雙色注塑模具，在結構設計工作前利用Moldflow 軟件分析兩種不同材料在模具型腔內(nèi)的成型工藝和產(chǎn)品性能。通過軟件的分析得到產(chǎn)品零件最佳澆口、氣穴等位置，并結合實際生產(chǎn)經(jīng)驗合理優(yōu)化模具結構，極大提高了模具設計成功率，縮短模具生產(chǎn)制造周期[12-14]。該套模具采用液壓驅動的側抽芯結構和型腔封膠結構，很好地保證了注塑過程產(chǎn)品的完整性。模具經(jīng)過生產(chǎn)驗證，工作過程穩(wěn)定，所成型產(chǎn)品性能良好，滿足生產(chǎn)要求。