徐文慶 ，熊建武 ，劉少華 ，汪哲能 ，陳黎明 ，胡智清

(1.湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421002； 2.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410208)

塑件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式，從實(shí)踐應(yīng)用來(lái)看，一般分為兩種方式，自頂向下方式及自底向上方式[1–4]。自頂向下方式，一般先對(duì)模具的模架、模胚大小予以確定，再進(jìn)行模具工作各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)于模具結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，或者同類型產(chǎn)品的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為適用，可以允許工廠在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同步，將模具的料單下發(fā)，以縮短模具的加工制造周期，提高生產(chǎn)效率[5–9]。自底向下方式，則是依據(jù)塑件的形狀，先設(shè)計(jì)澆注方式、脫模方式及機(jī)構(gòu)、冷卻、排氣等子系統(tǒng)后，再進(jìn)行模架的選配及零部件的組裝，從而完善模具的整體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)周期相對(duì)較長(zhǎng)，但能保證模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各環(huán)節(jié)不會(huì)出現(xiàn)原則性設(shè)計(jì)錯(cuò)誤[10–13]。自底向上設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般對(duì)塑件的脫模、澆注、冷卻、排氣等作出綜合評(píng)估后，再確定塑件的布局方式、分型、及子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而后再進(jìn)行模架等總裝性組件的添加[14–16]。擬結(jié)合某熨斗外殼塑件的注塑成型模具設(shè)計(jì)實(shí)踐，給出實(shí)踐案例，以資設(shè)計(jì)參考。

1 熨斗外殼塑件

熨斗外殼塑件如圖1a所示，塑件的形狀為倒扣型船體形狀，可以分為4個(gè)特征區(qū)域，上端的“船底”特征區(qū)域，后端的“船尾”特征區(qū)域，下端的“船艙”特征區(qū)域(如圖1b所示)，及中間的“通倉(cāng)”特征區(qū)域。在“船底”特征區(qū)域，從脫模角度來(lái)講，設(shè)置有4類直線型特征(插穿孔、直孔、碰穿孔、螺絲柱)；在“船尾”特征區(qū)域，也設(shè)置有4類特征(側(cè)孔、螺絲柱、直孔、卡筋)；在“船艙”區(qū)域，主要設(shè)置有3類特征(螺絲柱、平臺(tái)孔、1處倒扣)；在“通倉(cāng)”區(qū)域，主要有2處凸起和一個(gè)平臺(tái)及兩個(gè)直孔。從各區(qū)域的特征來(lái)看，各細(xì)節(jié)特征的脫模只能沿著其軸心線或者中心線方向進(jìn)行抽出脫模，因而，4個(gè)區(qū)域內(nèi)各特征的脫模需要進(jìn)行集成整理后，再進(jìn)行區(qū)域分塊成型件設(shè)計(jì)。

圖1 熨斗外殼三維外形圖

2 模塑成型分析

熨斗外殼塑件的材料選用橡膠改性的工程塑料丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)，牌號(hào)為ABS–T70 (20%橡膠)，收縮率為5.5%。采用注塑方式進(jìn)行成型。塑件的壁厚分布分析中，塑件的平均壁厚1.8 mm，最厚處為2.6 mm，最薄為1.0 mm。塑件的拔模角度設(shè)置需要結(jié)合具體的分型設(shè)置及分區(qū)域的脫模方向后進(jìn)行設(shè)定，主型腔面拔模設(shè)置為3°，主型芯拔模斜度為2°，側(cè)抽芯成型塊拔模斜度為2.5°。通過(guò)自底向上設(shè)計(jì)思路，將塑件放置于模具坐標(biāo)系中后，各區(qū)域的抽芯方向如圖2所示，顯然，“船底”區(qū)域的特征以按Z–方向進(jìn)行抽芯較佳，“船艙”區(qū)域特征以從Z+方向進(jìn)行脫模較為合適，而對(duì)于“船艙”區(qū)域，則以中界線為分界面，分別按X+、X–方向抽出較為合適，“船尾”區(qū)域的特征，則從Y+方向進(jìn)行抽出較為合適。

圖2 產(chǎn)品模塑分析

顯然，塑件的多特征多區(qū)域分布容易引起大的收縮變形、塑件的形狀特殊及細(xì)節(jié)特征上脫模問題是本模具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

3 分型及脫模設(shè)計(jì)

3.1 成型問題分析

針對(duì)塑件結(jié)構(gòu)特征多，形狀復(fù)雜的特點(diǎn)，注塑時(shí)，澆口位置及澆注系統(tǒng)設(shè)置不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致塑件的注塑失敗，因而，事先結(jié)合具體的澆口位置及對(duì)應(yīng)的澆注系統(tǒng)進(jìn)行CAE分析，以查看澆注系統(tǒng)實(shí)施的可行性，非常必要?？紤]到塑件的實(shí)際形狀，澆口最佳位置設(shè)在塑件中央，設(shè)置的澆注系統(tǒng)采用2點(diǎn)點(diǎn)澆口來(lái)澆注，如圖3a所示，CAE分析中，關(guān)鍵的成型充填要求翹曲變形及收縮變形結(jié)果如圖3所示。在“船艙”區(qū)域中央部位平臺(tái)位置處開G1，G2澆口后，模腔成型所需的壓力為55 MPa左右，對(duì)注塑機(jī)的壓力要求不高，壓力整體上較為平衡，且除K1末端區(qū)域壓力低至2.4 MPa以外，其它區(qū)域的充填壓力充足，此處解決的辦法是，增強(qiáng)區(qū)域排氣，采用鑲件來(lái)制作成型件，以增強(qiáng)排氣效果。澆注后的整體的變形能控制在0.97 mm以下，最大變形和最大收縮都出現(xiàn)在圖3b中所示K2區(qū)域，結(jié)合塑件的整體尺寸結(jié)構(gòu)，此變形為0.95 mm，收縮為2.45%，收縮相對(duì)塑件的整體尺寸而言，此變形和收縮是可以接受的，如圖3b所示。冷卻設(shè)置有10條水路，水路進(jìn)出口溫度差在2℃內(nèi)，管路的冷卻效果非常有效。CAE分析結(jié)果表明，塑件的形狀及眾多特征，在G1，G2澆口的澆注調(diào)整下，對(duì)塑件的整體成型影響不大，塑件可以采用點(diǎn)澆口澆注成型方式來(lái)進(jìn)行成型。

圖3 CAE分析結(jié)果

3.2 分型及脫模設(shè)置

塑件在模具中的布局?jǐn)[放和分型設(shè)置影響到脫模機(jī)構(gòu)設(shè)置的難易。如圖4a所示，塑件采用單腔布局，按圖2b中所示進(jìn)行倒置在模具中后，按照?qǐng)D2中所示的4個(gè)區(qū)域的抽芯方向進(jìn)行考慮，所設(shè)計(jì)的分型設(shè)置如圖4a所示。型腔鑲件用于“船艙”區(qū)域3類特征的脫模，其中的S4小滑塊用于倒扣特征的脫模。S1，S2滑塊分別用于“通倉(cāng)”區(qū)域X軸上X+、X–方向抽芯特征的脫模。S3滑塊用于“船尾”特征區(qū)域Y+方向抽芯特征的脫模。型芯鑲件用于“船底”區(qū)域特征的成型，其脫模由4個(gè)斜頂及頂針完成倒扣及整個(gè)塑件的頂出脫模。相應(yīng)的成型件動(dòng)作設(shè)置如圖4b所示。

圖4 分型及脫模設(shè)計(jì)

4 模具設(shè)計(jì)

4.1 模具結(jié)構(gòu)

在模腔的成型件、脫模機(jī)構(gòu)及各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后，最終自底向上所形成的模具結(jié)構(gòu)為冷流道雙點(diǎn)澆口三板模結(jié)構(gòu)注塑模具如圖5所示。模腔的成型件型腔鑲件和型芯鑲件采用鑲件形式安裝于模板上，一是有利于降低成型件的加工難度，二是節(jié)省高要求和高價(jià)格的成型件材料，以降低模具的制造成本。對(duì)照上述脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)置，模具采用一組由S2斜導(dǎo)柱10，S1斜導(dǎo)柱14分別驅(qū)動(dòng)的哈弗滑塊機(jī)構(gòu)S1，S2。設(shè)置了一個(gè)由油缸17驅(qū)動(dòng)的油缸側(cè)抽芯滑塊機(jī)構(gòu)S3，4個(gè)斜頂機(jī)構(gòu)X1～X4，1個(gè)前模彎銷滑塊抽芯機(jī)構(gòu)S4。

圖5 模具整體結(jié)構(gòu)布局

考慮到模具上側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)較多，模具采用主導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和副導(dǎo)向機(jī)構(gòu)兩種類型的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行模板的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向。主導(dǎo)向機(jī)構(gòu)為4個(gè)主導(dǎo)柱5所構(gòu)成的主要保證流道板2、定模板3運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向的導(dǎo)柱機(jī)構(gòu)，副導(dǎo)向機(jī)構(gòu)為4個(gè)副導(dǎo)柱7構(gòu)成的主要用于保證定模板3與動(dòng)模板26之間閉合時(shí)的導(dǎo)柱機(jī)構(gòu)。綜合S1，S2，S3，S4滑塊機(jī)構(gòu)的滑出行程、4個(gè)斜頂機(jī)構(gòu)頂出行程、塑件從型芯鑲件上的頂出行程、流道廢料的脫出高度及冷卻水的接出空間等數(shù)據(jù)后，選用的模架結(jié)構(gòu)尺寸為龍記(LKM )細(xì)水口DCI–4560–A150B200C160標(biāo)準(zhǔn)模架。模具分三次分型打開，開模時(shí)模板的運(yùn)動(dòng)順序控制構(gòu)件由組合型定距拉桿6、鎖閉器22構(gòu)成，拉桿器用于定模板3、流道板2的分型打開定距，鎖閉器22為摩擦型臨時(shí)鎖閉機(jī)構(gòu)，用于模具開模打開時(shí)定模板3與動(dòng)模板26之間的臨時(shí)鎖閉。為保障頂針的安全性，頂出板31、板32須先進(jìn)行復(fù)位，其復(fù)位到位信號(hào)由開關(guān)34發(fā)出。

4.2 抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)在模具上的安裝如圖6所示。

圖6 脫模機(jī)構(gòu)安裝

圖6a中，S1機(jī)構(gòu)、S2機(jī)構(gòu)組成哈弗滑塊機(jī)構(gòu)，都采用S2斜導(dǎo)柱10進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以保證滑塊運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性及足夠的啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)力。一般針對(duì)大型哈弗滑塊的兩個(gè)滑塊進(jìn)行碰面配合時(shí)，為保證兩滑塊配合的準(zhǔn)確性，在兩滑塊的正中心設(shè)置有定位錐臺(tái)，如圖6b所示。S3機(jī)構(gòu)的滑塊體47和滑塊頭46采用分體式加工便于滑塊頭46的加工及節(jié)省成型材料；S3機(jī)構(gòu)采用油缸驅(qū)動(dòng)，以保證滑塊頭46抽芯的可靠性。4個(gè)斜頂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)都采用X1斜頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，X1斜頂?shù)男表斪?9進(jìn)行加高后，能保證X1斜頂桿38能以較大的斜頂角頂出，增加X1斜頂桿38的側(cè)抽芯行程。S4滑塊機(jī)構(gòu)為前模抽芯滑塊機(jī)構(gòu)，模具在PL1，PL2打開時(shí)，彎銷44驅(qū)動(dòng)安裝于型腔鑲件11內(nèi)的彎銷滑塊45先進(jìn)行內(nèi)收抽芯，完成塑件“船艙”特征區(qū)域倒扣的先抽芯脫模。

4.3 模具工作原理

圖7為模具工作原理。

圖7 模具工作原理

模具的開模面按序依次為：PL1→PL2→PL3，見圖7a。其工作原理為：閉模注塑后，注塑機(jī)動(dòng)模板拉動(dòng)模具動(dòng)模部分開模后退；PL1打開時(shí)，點(diǎn)澆口與塑件崩斷分離；PL2打開時(shí)，流道廢料被脫料板2從法蘭套36中拔出，而自動(dòng)脫落；PL3打開時(shí)，S1，S2滑塊機(jī)構(gòu)動(dòng)作，先完成塑件兩個(gè)側(cè)面的側(cè)抽芯脫模；而后S3機(jī)構(gòu)的油缸17動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)滑塊頭46完成塑件的Y+向的抽芯。而后，注塑機(jī)頂桿推動(dòng)頂出板及其上的頂針及4個(gè)斜頂將塑件從型芯鑲件42上頂出，實(shí)現(xiàn)塑件的完全脫模，見圖7b。

5 結(jié)論

針對(duì)該塑件形狀復(fù)雜、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難的問題，采用自底向上的設(shè)計(jì)思路，對(duì)塑件上的特征進(jìn)行分拆的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種倒置式布局三板兩點(diǎn)點(diǎn)澆口模具來(lái)實(shí)現(xiàn)塑件的自動(dòng)化注塑生產(chǎn)，塑件在模具中的布局做倒置式處理后，有利于降低機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度和降低模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。針對(duì)塑件脫模困難問題，設(shè)計(jì)了1個(gè)前模彎銷先抽芯機(jī)構(gòu)，1組哈弗滑塊側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)、1個(gè)油缸側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)及4個(gè)大角度頂出斜頂機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)塑件的難脫模特征的脫模。采用自底向上方式來(lái)設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，運(yùn)用CAE輔助分析來(lái)避免設(shè)計(jì)盲區(qū)，有利于減少設(shè)計(jì)失誤，提高設(shè)計(jì)效率，能為同類形狀塑件的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有益參考。