魏燕紅 喻紅梅 陳營 周紅梅

摘要：產(chǎn)品為扣鎖式圓蓋，屬于工程塑料產(chǎn)品。介紹鎖扣式圓蓋注射模具的設計過程，通過對產(chǎn)品的結構和性能分析，采用側(cè)澆口進澆，斜頂機構完成圓蓋內(nèi)側(cè)3個圓弧狀卡扣的成型，利用先復位機構的工作機理，模具動作可靠、布局合理。最后，利用moldflow軟件對本次設計方案的注射成型過程模擬分析，可知，在填充方面能夠達到進澆平衡并充滿型腔，在溫度調(diào)控方面能夠達到到預期的冷卻效果。所以設計方案合理，達到了產(chǎn)品的任務要求。

關鍵詞：扣鎖式圓蓋;注射模;斜頂

中圖分類號：TQ320.66?文獻標志碼：A

文章編號：2095-5383（2020）03-0010-06

Abstract：The product is buckle-lock type round cover， which is an engineering plastics product. The design process of injection mould for the buckle-lock type round cover was introduced first. Through the analysis of the structure and performance of the product， the side gate was used for pouring，and the lifter mechanism was used to form three arc-shaped buckles on the inner side of the round cover.?By using the working mechanism of the first reset mechanism， the movement of the mould is reliable and the layout is reasonable. Finally， using moldflow software to simulate and analyze the injection molding process of this design scheme， it can be seen that the filling balance can be achieved and the cavity can be filled， and the expected cooling effect can be achieved in temperature control. Therefore， the design scheme is reasonable and meets the task requirements.

Keywords：the buckle-lock type round cover;?injection mold; lifter

塑料性能良好、價格相對便宜、性價比高，被廣泛應用于航空航天、電子器件、汽車交通、醫(yī)療器械、建筑建材等各個領域[1-3]。塑料成型的方法很多，其中注塑模具成型應用較多，該方法通過注塑機加熱熔融原料，在高壓狀態(tài)下注入到成型模具內(nèi)，經(jīng)過冷卻固化、脫模，最終獲得產(chǎn)品。注塑模具成型生產(chǎn)效率高、速度快、可自動化操作，能夠成型形狀復雜的零件，特別適合熱塑性塑料成型以及大批量生產(chǎn)[4-6]。本設計以給定的產(chǎn)品扣鎖式圓蓋為研究對象，分析產(chǎn)品的結構和工藝性能，并針對產(chǎn)品的結構和性能特點，進行塑件模具結構的研究和設計，最后完成產(chǎn)品的模具設計。

1?塑件結構及成型工藝特點

產(chǎn)品為1個圓蓋，內(nèi)表面有3個圓弧狀的卡扣，其塑件三維圖如圖1所示。塑件材料為聚苯乙烯（PS），無色、無味透明固體，穩(wěn)定性好，收縮率低，電絕緣性能優(yōu)良，應用廣泛。任務要求塑件表面上平整光滑，無翹曲、折皺、裂紋等缺陷，沒有尖利或薄弱結構。圓蓋平面要求一定的平整度，周邊圓弧面要求光滑，圓蓋的內(nèi)側(cè)面可允許推桿痕跡。該塑件未注公差等級，精度要求不高，容易成型。

綜上分析，該塑件適合于注射模具成型。根據(jù)其任務要求的生產(chǎn)批量，采用一模多腔的注射模具生產(chǎn)，并采用斜頂機構完成塑件中3個圓弧狀的卡扣的成型。

2?模具結構設計

2.1?型腔數(shù)和分型面的確定

塑件的尺寸較小，結構也比較簡單，模具采用一模兩腔成型的方式批量生產(chǎn)，對稱放置，布置方式如圖2所示。

為了保證塑件表面的質(zhì)量要求和順利脫模，根據(jù)分型面的選用原則[7]，將分型面選在塑件截面最大處，同時也保證開模后塑件在動模一側(cè)，分型面開設在圓蓋下端截面積最大位置處。開模時，塑件包緊在型芯上，能夠保證其留在動模一側(cè)。分型面的具體位置如圖3所示。另外為了簡化模具結構，斜頂、滑塊等結構都開設在動模一側(cè)。

2.2?澆注系統(tǒng)的設計

澆注系統(tǒng)是熔融的塑料流體從注塑機進入模具的進料通道，將來自注射機噴嘴的塑料熔體均勻而平穩(wěn)地輸入到型腔，并將注射壓力有效地傳遞到型腔的各個部位，以獲得形狀完整、質(zhì)量優(yōu)良的塑料制件[8]。澆注系統(tǒng)一般由主流道、分流道、澆口和冷料井組成。在此副模具中，主流道采用標準件澆口套來實現(xiàn)，根據(jù)選用的XS-Z-60型注射機中噴嘴球面半徑和噴嘴口直徑來確定澆口套的相關尺寸。分流道采用平衡式布置，截面形狀為圓形，直徑為6 cm，長度為26 cm。澆口為位置開設在分型面上，側(cè)澆口形式進澆，截面簡單，易于加工，澆口位置如圖4所示。另外，為了收集容納主流道前端的多余凝料，在主流道的前端開設冷料穴，并設置Z型拉料桿，在開模是起拉料的作用，保證澆注系統(tǒng)凝料從模具中順利脫模。

2.3?成型零部件的設計

2.3.1?型腔的結構設計

在注射成型中，型腔決定了成型制件的外表面成型情況。型腔分為組合式，整體式。由塑件的結構分析，該產(chǎn)品屬于小模具，而且沒有凹槽，本文中采用整體式型腔結構，型腔結構如圖5所示。型腔材料為Cr12MoV，保證其有足夠的強度和硬度[9]。在型腔底端4個角的位置分別加工1個M6的螺紋孔，便于通過螺釘將型腔和定模板連接，型腔的側(cè)壁部分采用H7/m6的過渡配合。另外，還在型腔的4個角開設凹槽，便于模具的定位。

2.3.2?型芯的結構設計

在模具結構中，型芯直接與塑件的內(nèi)表面相接觸，其表面質(zhì)量直接決定看制件的內(nèi)表面質(zhì)量。根據(jù)對塑件的分析，由于該塑件的內(nèi)形和外形相似，同時為了加工方便，本設計中采用整體式型芯結構，如圖6所示。根據(jù)批量和配合要求，型芯材料選擇合金工具鋼Cr12MoV，淬硬要求達到52～58 HRC，型芯采用H7/m6配合嵌入動模板中[10]，并通過螺釘緊固在動模板上。

2.4?斜頂抽芯機構的設計

塑件內(nèi)部有3個圓弧狀的卡扣，需要內(nèi)抽芯機構對其進行成型。為平衡抽芯時的作用力，2個型腔平衡設置，并對應設置6個對稱的斜頂裝置，實現(xiàn)內(nèi)側(cè)抽芯。另外，斜頂?shù)男谐虄H為3 mm，所以斜頂入子和斜頂桿采用整體式的結構，如圖7所示。斜頂桿通過T型臺肩與斜頂滑座相連，滑座固定在推桿固定板上，推出時，斜頂隨著固定板一起運動，既向前頂出，同時側(cè)向運動，完成向內(nèi)抽芯。斜頂桿由于與滑軌間會有相互摩擦運動，所以選用性能優(yōu)良的優(yōu)質(zhì)合金材料，本設計采用Cr12MoV優(yōu)質(zhì)合金工具鋼，具有良好的耐磨性和耐蝕性[11]。

2.5?冷卻系統(tǒng)的設計

模具溫度不僅是影響塑件質(zhì)量的重要因素，還影響了整個注塑模具成型過程中的生產(chǎn)效率。模具冷卻階段的時間占整個注射成型周期的80%左右[12]。因此，模溫調(diào)節(jié)在整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中都起到了至關重要的作用。為了達到合適的冷卻效果，本副模具在動模板和定模板上都開設了冷卻水路。水路的截面形狀為直徑為9 mm的圓形孔，開設在塑件的周圍。動、定模的循環(huán)水路布置如圖8所示，冷卻介質(zhì)為水，冷卻水道各連接處保持密封，防止冷卻水外泄。

2.6?脫模及導向機構的設計

由于塑件較簡單，質(zhì)量較輕，所以采用推桿推出，并以臺肩的形式固定在推桿固定板上。共有2根推桿，直徑為6 mm。另外，設計6個斜頂裝置在運動的過程中，同樣有推出塑件的作用。這些機構的設計，能夠保證塑件的順利脫出。當塑件成功推出后，由于要進行下一次注塑成型工作，所以模具需要進行復位動作。既動模要回到初始位置，與定模相合。完成這項工作的模具結構是復位機構。復位機構主要由復位桿發(fā)生作用。其中復位桿與模板的滑動配合外其余部分均處于浮動狀態(tài)。

本模具采用導柱導套作為導向定位機構，可以滿足開模導向定位要求。根據(jù)設計要求以及GB/T 4169.4—2006《塑料注射模零件?第4部分：帶頭導柱》，導柱選用帶頭導柱，型號為20 mm×30 mm×140 mm。導柱材料為碳素工具鋼T10A。導套選用直導套，型號為30 mm×80 mm，材料同樣選用T10A。該模具選用標準模架，導柱導套的布置均為標準式，設置了4組導柱與導套。導柱安裝段與模板間的配合精度采用過渡配合H7/m6，導柱導向段與導向孔間采用間隙配合H7/f7。導套外徑與模板的配合精度采用過渡配合H7/m6[13]。

3?模具總體結構及工作原理

本模具為兩板式注射模，一模兩腔，側(cè)澆口進澆，如圖9所示。主要零件包括：成形的型芯和型腔，澆口套，導套和導柱，推桿，斜頂，復位桿等組成。該模具結構簡單，制造難度小，但是無法實現(xiàn)自動脫料。

模具工作過程：注入注塑機的塑料在注塑機加熱系統(tǒng)和螺桿的作用下加熱剪切熔融，熔融的塑料在螺桿的推動作用下，注射到閉合的模具內(nèi)。經(jīng)過一段時間的保壓、冷卻，塑料固化成型，然后進行開模，在導柱導向的情況下，動定模順利分型，并帶動拉料桿拉斷澆口，隨后在推板的作用下，斜頂在推出的過程中同時向內(nèi)側(cè)移動，完成塑件內(nèi)側(cè)卡扣的成型和脫模，另外在斜頂和推桿的共同作用下塑件順利完成脫出。頂出力卸載后，復位桿在的彈簧從壓緊狀態(tài)恢復至自由狀態(tài)，使得推桿固定板和推板完成復位，以免頂桿碰到型腔，損壞模具。之后動模和定模在導柱導套的作用下閉合，完成整個成型周期。

4?模具工作過程模擬分析

利用Moldflow軟件對本次設計的方案進行注射成型過程模擬分析，主要包括填充/保壓模擬以及冷卻模擬。通過得到的結果分析驗證該方案是否可行。

模擬工作的分析流程如下，首先在Moldflow中導入新建CAD模型進行網(wǎng)格劃分與檢查;網(wǎng)格滿足要求后，選擇分析的類型和成型的材料;隨后在軟件中創(chuàng)建澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，接著設置注射成型工藝參數(shù)，最后進行分析計算，得出結果。根據(jù)結果判斷設計的方案是否合理。

該設計的澆注方案如圖10所示，采用一模兩腔的布局，側(cè)澆口進澆，每個塑件有1個進澆點;主流道為錐形，小端直徑為5 mm，大端直徑為10 mm，分流道設計了2段，截面形狀為圓形，直徑為9 mm;澆口的形狀為矩形。在Moldflow中通過創(chuàng)建直線的方式進行冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)建。冷卻管路上下2層設置，分別開設在動、定模兩側(cè)，并布置在塑件的周圍。冷卻介質(zhì)為水，入口溫度為25 ℃。

在完成塑件模型前期相關的處理后，通過軟件的MPI系統(tǒng)進行分析計算，整個計算過程實質(zhì)上是一個反復迭代的過程。分析計算之后，自動得到相關結果，本文主要從流動和冷卻2個方面，分析該設計方案的合理性。

4.1?流動分析結果

流動分析結果主要包括填充時間、速度/壓力切換時的壓力、注射位置處壓力曲線、熔接痕等4個方面的內(nèi)容。塑件填充時間的結果，如圖11所示，每個制件只有1個側(cè)澆口，填充時間為0.920 2 s，該澆注系統(tǒng)方案能夠完全填充，沒有短射、澆不足的情況產(chǎn)生。采用一模兩腔、對稱布置的方式，2個制件能夠達到同時填充。

填充階段的分析日志如圖12所示，可知速度/壓力切換時的壓力為7.04 MPa，此時已有99.03%的填充體積被充滿。填充效果符合前處理時的工藝設置。

為了探討塑件澆口處的壓力在成型周期期間的變化，分析注射位置壓力曲線圖，其結果如圖13所示。從圖中可知，注射位置處的壓力先隨時間急劇升高到7.04 MPa，然后在速度/壓力轉(zhuǎn)換點附近，壓力值降低到5.6 MPa，剛好為填充壓力的80%，這與工藝參數(shù)設置的填充、保壓、冷卻的曲線吻合。

熔接痕是影響塑件外觀和質(zhì)量的一個主要缺陷。通過軟件計算，在該設計方案下，塑件容易出現(xiàn)熔接線的位置主要分布在3個內(nèi)側(cè)鎖扣附近，如圖14所示。熔接線隱藏在塑件的內(nèi)部，沒有影響塑件的外觀，基本符合任務中要求的制件外觀和強度的要求。

4.2?冷卻分析結果

冷卻分析主要塑件的最高溫度和回路中冷卻介質(zhì)溫度兩個主要的指標。通過冷卻分析，查看塑件經(jīng)過冷卻后，產(chǎn)品上的最高溫度值及其出現(xiàn)的位置，具體分析結果如圖15～16所示。制件最高溫度的位置主要出現(xiàn)在塑件芯部區(qū)域，其值為55.22 ℃，小于產(chǎn)品脫模時的模具溫度80 ℃，說明冷卻水路帶走的熱量高于成型時塑料放出的熱量，符合冷卻要求。

另外，通過分析回路冷卻介質(zhì)溫度，即通過冷卻過程后冷卻管道中水的溫度，結果如圖17所示，在整個冷卻過程中，入水口與出水口間的溫差僅為0.57 ℃，符合出入水溫差小于2 ℃的設計原則。

通過對本次設計方案的注射過程模擬，著重進行了流動分析和冷卻分析。由以上分析可知，在填充方面能夠達到進澆平衡并充滿型腔，滿足工藝參數(shù)的設置，熔接痕出現(xiàn)的位置不影響制件的外觀和強度要求;在冷卻方面，各參數(shù)符合冷卻要求，達到了冷卻效果。所以該方面合理、滿足任務要求。

5?結束語

此次設計為扣鎖式圓蓋注塑模具，外觀要求表面清潔，不含異物，無劃傷，大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低，成型容易。根據(jù)技術要求，為了大量生產(chǎn)采用一模兩腔布局，因為側(cè)澆口易于加工選擇了側(cè)澆口，采用平衡式布局使得塑件的表面光滑美觀;選用整體式嵌入式型腔，模具結構簡單，加工便利;因為塑件小且薄的特點，采用推桿推出并設立復位桿。模具分模時，斜頂機構側(cè)向移動，使內(nèi)扣成型和塑件順利脫模，采用拉料桿將凝料拉出，頂出時推桿將塑件及流道從型芯上頂離，達到順利脫模的效果。模具要求的配合精度很高，所以必須設置導向機構，除了設置了導柱導套外，如果型腔和型芯的配合程度不能達到要求，那么成型零件可能會在開合模的同時發(fā)生干涉，進而被損壞。為了確保各個零件能夠正常的工作，所以在加工制造時，應格外注意加工精度的要求。

參考文獻：

[1]劉朝艷.?2016—2017年世界塑料工業(yè)進展（I）[J].?塑料工業(yè)，2018，46（3）：1-12.

[2]寧軍.?2016—2017年世界塑料工業(yè)進展（Ⅱ）[J].?塑料工業(yè)，2018，46（4）：1-19.

[3]白劍臣，姚志光，郭俊峰.?塑料成型工藝學[M].?北京：北京理工大學出版社，2012.

[4]申開智.?塑料成型模具[M].?北京：中國輕工業(yè)出版社，2002.

[5]ROSATO M G，ROSATO D V.?Injection molding handbook[M].?New York：Springer US，2000.

[6]MENDIBLE G A，RULANDER J A，JOHNSTON S P.?Comparative study of rapid and conventional tooling for plastics injection molding[J].?Rapid Prototyping Journal，2017，23（2）：344-352.

[7]夏江梅.?塑料成型模具與設備[M].?北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[8]馮炳堯，王南根，王曉曉.?模具設計與制造簡明手冊[M].?上海：科學技術出版社，2015.

[9]楊占堯，王高平.?塑料注射模結構與設計[M].?北京：高等教育出版社，2008.

[10]?中國機械工程學會.?中國模具設計大典[M]. 南昌：江西科學技術出版社，2003.

[11]張維合.?汽車水箱左右蓋復雜抽芯注塑模設計[J].?工程塑料應用，2013，41（1）：57-61.

[12]閻亞林，彭志平.?釘耙注射模設計[J].?工程塑料應用，2010，38（12）：73-75.

[13]閻亞林.?塑料模具圖冊[M].?北京：高等教育出版社，2004.