陳亞梅

（常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

在模具設(shè)計(jì)與制造過程中，為了縮短模具設(shè)計(jì)周期和降低模具成本，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)得到了普遍的推廣和應(yīng)用。模流分析技術(shù)能夠預(yù)測(cè)填充時(shí)間、注塑機(jī)所需注射壓力、鎖模力等指標(biāo)，優(yōu)化注塑成型方案，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)也能分析翹曲變形、凹痕等成型缺陷，驗(yàn)證模具冷卻系統(tǒng)的合理性［1-2］。孫麗麗等［3］研究了點(diǎn)澆口進(jìn)料的儲(chǔ)物盒注塑模具結(jié)構(gòu)，利用Moldflow軟件對(duì)儲(chǔ)物盒注塑過程進(jìn)行模擬分析，通過改變模具澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)比模流分析中的表面縮痕指數(shù)、頂出溫度時(shí)間及總翹曲變形量等指標(biāo)，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)。黃可等［4］研究了儲(chǔ)物盒蓋塑件在模流分析環(huán)境下構(gòu)建4因素4水平正交試驗(yàn)，通過極差分析法得到優(yōu)化后的注塑工藝參數(shù)，指導(dǎo)模具實(shí)際設(shè)計(jì)與制造。張維合［5］研究了汽車中央通道儲(chǔ)物盒注塑模具結(jié)構(gòu)，利用串聯(lián)油路的油缸完成倒裝式模具結(jié)構(gòu)的推出機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過三維軟件和Moldflow軟件對(duì)塑件工藝過程和結(jié)果的研究，對(duì)本工作有一定的啟發(fā)，但沒有解決大尺寸儲(chǔ)物盒塑件注塑模具的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。本工作以車載內(nèi)置儲(chǔ)物盒為研究對(duì)象，分析了塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和難點(diǎn)，利用NX/CAD模塊設(shè)計(jì)了成型結(jié)構(gòu)零件、多種類型冷卻回路及新穎的模具頂出機(jī)構(gòu)系統(tǒng)等，運(yùn)用Moldflow軟件對(duì)塑件注塑成型過程進(jìn)行模擬并分析了數(shù)據(jù)結(jié)果。

1 塑件成型工藝分析

車載內(nèi)置儲(chǔ)物盒結(jié)構(gòu)見圖1，塑件尺寸約為360 mm×205 mm×210 mm，尺寸較大，盒體較深，平均壁厚約為2.57 mm，體積約為8.114×105mm3。材料選擇丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）與聚碳酸酯（PC）混合物，以ABS為主，它具有高耐磨性、強(qiáng)抗腐蝕性、高沖擊強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，常用于汽車零配件、傳動(dòng)零件等。車載內(nèi)置儲(chǔ)物盒塑件要求較高的內(nèi)部成型質(zhì)量，內(nèi)表面要求光滑，外部成型沒有飛邊，塑件整體無缺陷［6］。塑件兩側(cè)有旋轉(zhuǎn)凹槽、安裝卡爪及側(cè)凹孔，可以設(shè)計(jì)斜導(dǎo)柱側(cè)向抽芯整體滑塊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。塑件背部有外凸和內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，可以考慮通過整體滑塊機(jī)構(gòu)和鑲嵌件來完成成型。塑件左上角和右上角處有內(nèi)凹貫通矩形孔，且兩處孔的開口方向成90°，考慮模具空間位置的因素，可以采用斜楔側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)加以解決。

圖1 車載內(nèi)置儲(chǔ)物盒結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of vehicular internal storage box

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 塑件分型面設(shè)計(jì)

利用NX/CAD造型模塊的形狀斜率分析功能［7］確定模具型芯和型腔的區(qū)域，由于塑件要求的內(nèi)部質(zhì)量較高，直接澆口放置在儲(chǔ)物盒底部外側(cè)，故塑件內(nèi)部藍(lán)色區(qū)域?yàn)樾托緟^(qū)域，型芯設(shè)計(jì)在動(dòng)模部分；模具的型腔區(qū)域?yàn)橥獠糠奂t色部分，型腔設(shè)計(jì)在定模部分（見圖2a）。根據(jù)圖2a創(chuàng)建塑件紅色分型線（見圖2b），再通過NX軟件中的造型模塊創(chuàng)建塑件分型面（見圖2c）。通過片體拆分實(shí)體及求差等方法得到手工分模的型芯和型腔結(jié)構(gòu)（見圖2d和圖2e）。

圖2 模具的型腔與型芯Fig.2 Cavity and core of mold

2.2 型腔結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

車載內(nèi)置儲(chǔ)物盒塑件的三維實(shí)體及其特征結(jié)構(gòu)見圖3，塑件結(jié)構(gòu)主要特征都分布在外部，盒體內(nèi)部表面光滑，塑件的兩側(cè)主要有三類細(xì)節(jié)特征，分別是旋轉(zhuǎn)槽、支腳和卡爪。盒體背部主要有外凸和內(nèi)凹圓孔的特征結(jié)構(gòu)。盒體左上角和右上角分別有一處貫通內(nèi)凹矩形孔結(jié)構(gòu)，且兩處的開口方向成90°。

圖3 塑件的特征結(jié)構(gòu)Fig.3 Feature and structure of plastic parts

儲(chǔ)物盒兩邊的旋轉(zhuǎn)槽、支腳及卡爪特征通過創(chuàng)建整體式側(cè)抽滑塊來實(shí)現(xiàn)，卡爪成型設(shè)計(jì)為難點(diǎn)，卡爪結(jié)構(gòu)有貫通內(nèi)凹矩形孔，孔方向和滑塊開模方向一致，卡爪側(cè)面為上大下小的結(jié)構(gòu)，卡爪下端為圓弧特征，創(chuàng)建分界平面（見圖4），卡爪矩形側(cè)孔開口方向與塑件兩側(cè)的整體滑塊運(yùn)動(dòng)方向一致，成型卡爪矩形側(cè)孔的側(cè)向型芯直接創(chuàng)建在對(duì)應(yīng)邊的滑塊之上，左側(cè)成型特征設(shè)計(jì)在型腔上，完成儲(chǔ)物盒卡爪成型設(shè)計(jì)。由于兩側(cè)滑塊尺寸較大，為了增加模具注塑過程中的冷卻效果，提高塑件成型質(zhì)量，故在塑件兩側(cè)的整體側(cè)向滑塊上設(shè)計(jì)了直通式循環(huán)冷卻回路。

圖4 卡爪的結(jié)構(gòu)特征Fig.4 Feature and structure of claw

儲(chǔ)物盒塑件背面的外凸和內(nèi)凹圓孔結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計(jì)兩個(gè)整體側(cè)向滑塊來實(shí)現(xiàn)，而且外凸結(jié)構(gòu)中還有內(nèi)孔，此內(nèi)孔主要通過鑲嵌件來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)在滑塊上也創(chuàng)建了直通式循環(huán)水路來增加冷卻效果，提高塑件成型質(zhì)量。

對(duì)于塑件左上角和右上角兩處側(cè)凹的矩形孔，通過創(chuàng)建側(cè)向抽芯的結(jié)構(gòu)來解決，主要的成型結(jié)構(gòu)零件有斜楔、側(cè)向型芯、滑塊等，斜楔固定在動(dòng)模部分的型芯上，滑塊和側(cè)向型芯設(shè)計(jì)在定模部分的型腔上，在開模時(shí)完成各自的側(cè)向抽芯動(dòng)作。利用NX/CAD模塊創(chuàng)建完成的型芯及特征結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 型芯及特征結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Feature and structure of core

2.3 頂出系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

根據(jù)儲(chǔ)物盒塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，要求塑件內(nèi)部不能有澆口痕跡，直接澆口設(shè)計(jì)在塑件底部外表面，塑件外表面為型腔區(qū)域，處于模具定模一側(cè)，同時(shí)，塑件在頂出時(shí)頂桿不能直接頂在塑件內(nèi)部，避免留下頂桿頭部痕跡，影響塑件質(zhì)量，因此，頂出系統(tǒng)只能設(shè)計(jì)在定模一側(cè)，讓頂桿直接作用在塑件外表面，不影響塑件內(nèi)部成型面。設(shè)計(jì)的模具頂出機(jī)構(gòu)系統(tǒng)主要零部件有推板、氣缸、氣缸安裝支撐架、頂桿固定板和頂桿等；頂出系統(tǒng)零部件安裝方式為頂桿安裝在頂桿固定板上，頂桿固定板通過內(nèi)六角螺釘固定在推板上，兩側(cè)的氣缸通過氣缸安裝支撐架分別連接定模座板和推板，氣缸基座固定在定模座板上，氣缸活塞頭部通過螺母固定在氣缸安裝支撐架上，氣缸安裝支撐架兩側(cè)L型底腳通過內(nèi)六角螺釘固定在頂板上（見圖6）。頂出系統(tǒng)工作原理：模具在完成注塑、保壓等步驟后開模，根據(jù)模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，動(dòng)定模部分分開后，塑件會(huì)留在定模部分，當(dāng)定模部分達(dá)到合適距離后，氣缸開始工作，氣缸通過兩側(cè)氣缸安裝支撐架帶動(dòng)推板和頂桿固定板使頂桿將塑件從型腔中頂出，完成模具頂出動(dòng)作。

圖6 頂出機(jī)構(gòu)系統(tǒng)Fig.6 Ejection mechanism system

3 模具工作原理

車載內(nèi)置儲(chǔ)物盒熱流道注塑模具結(jié)構(gòu)見圖7。圖7a主要為滑塊Ⅱ、滑塊26及小型芯Ⅰ18等主要結(jié)構(gòu)零件的剖視圖，圖7b主要為滑塊43、小型芯Ⅱ50及隔水板52等主要結(jié)構(gòu)零件的剖視圖。根據(jù)塑件成型質(zhì)量要求，儲(chǔ)物盒熱流道注塑模具采用放置在儲(chǔ)物盒外部的直接澆口，一模一腔的結(jié)構(gòu)，模具腔體主要由型腔、型芯、4個(gè)滑塊、小型芯Ⅰ、小型芯Ⅱ、鑲件Ⅰ和鑲件Ⅱ等構(gòu)成。型腔、滑塊中設(shè)計(jì)了直通式循環(huán)冷卻回路，型芯中創(chuàng)建了隔水板冷卻回路。模具設(shè)計(jì)了利用氣缸完成定模側(cè)的塑件頂出系統(tǒng)。

圖7 模具結(jié)構(gòu)Fig.7 Mold structure

模具工作過程：在注塑機(jī)上設(shè)置好注塑工藝參數(shù)，然后開始注塑，模具腔體充填完成后進(jìn)入保溫、保壓階段，第一個(gè)動(dòng)作是模具開模，在液壓機(jī)構(gòu)作用下模具動(dòng)、定模部分先沿著型腔5和型芯14的分型面逐漸打開，同時(shí)4個(gè)滑塊（塑件左右兩側(cè)各1個(gè)，塑件背部2個(gè)）在各自對(duì)應(yīng)斜導(dǎo)柱作用下完成滑塊抽芯動(dòng)作、小型芯Ⅰ18和小型芯Ⅱ50在對(duì)應(yīng)斜楔Ⅰ20和斜楔Ⅱ48的作用下完成兩處內(nèi)凹矩形孔的抽芯動(dòng)作，塑件保留在定模部分，當(dāng)動(dòng)模部分和定模部分打開到約為380 mm的距離后處于定模部分的氣缸29開始工作，氣缸29通過兩側(cè)氣缸安裝支撐架帶動(dòng)推板2和頂桿固定板3使頂桿將塑件54從型腔5中頂出，完成推件動(dòng)作，直接澆口凝料和儲(chǔ)物盒塑件一起從模具中脫落，實(shí)現(xiàn)了模具的自動(dòng)化生產(chǎn)，模具的開模動(dòng)作全部完成。第二個(gè)動(dòng)作是模具合模，在氣缸29的作用下完成頂桿推出機(jī)構(gòu)的復(fù)位，然后在注塑機(jī)液壓機(jī)構(gòu)的作用下完成模具動(dòng)模部分和定模部分的合模。

4 模流分析

在Moldflow軟件中導(dǎo)入儲(chǔ)物盒塑件的STL文件，網(wǎng)格形式設(shè)置為雙層面方式，三角網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)置為3.5 mm，經(jīng)過修補(bǔ)和優(yōu)化處理后的網(wǎng)格處理質(zhì)量滿足模流分析［8-10］要求，生成的網(wǎng)格參數(shù)為93 410個(gè)網(wǎng)格單元，97.3%的網(wǎng)格匹配率，98.4%的相互百分比，縱橫比最大值為9.8，縱橫比平均值為1.81。在Moldflow軟件中選擇分析序列為“冷卻+填充+保壓+翹曲”。X，Y，Z三個(gè)方向上的總翹曲變形量對(duì)實(shí)際成型產(chǎn)品的質(zhì)量最重要，它與模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)系密切。模具的冷卻系統(tǒng)主要有：（1）處于定模部分的型腔中設(shè)計(jì)了直通式循環(huán)冷卻回路，均為U型回路，管道直徑主要有10 mm和12 mm；（2）處于動(dòng)模部分的型芯中創(chuàng)建了5組隔水板單獨(dú)冷卻回路，依據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)特征，每組回路中包含深度不等的5個(gè)隔水板孔，并通過直徑為16 mm的管道連接起來；（3）滑塊冷卻水路設(shè)計(jì)，滑塊主要包括位于兩邊的2個(gè)滑塊和塑件背部的2個(gè)滑塊，在每個(gè)滑塊中設(shè)計(jì)了直通式循環(huán)冷卻回路，回路管道的直徑為8 mm和12 mm。模流分析主要成型工藝參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)方式。利用Moldflow軟件創(chuàng)建的冷卻系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)網(wǎng)格見圖8。

圖8 利用Moldflow軟件創(chuàng)建的冷卻系統(tǒng)與澆注系統(tǒng)網(wǎng)格Fig.8 Grid Diagram of cooling system and casting system designed by Moldflow

從圖9可以看出：塑件填充完成時(shí)間為2.570 s，流動(dòng)過程穩(wěn)定，無腔體漏注、短射情況；注射成型時(shí)間為2.442 s時(shí)，注射壓力最大，為67.41 MPa，隨后進(jìn)入12.450 s的保壓階段，壓力為53.93 MPa，此數(shù)據(jù)為塑件實(shí)際注塑時(shí)注塑機(jī)壓力的設(shè)定提供了參考；塑件內(nèi)外表面無氣穴，氣穴主要分布在塑件旋轉(zhuǎn)槽口及卡爪部分，氣穴分布的位置都是位于成型零件結(jié)合處，有利于排出氣體；采用在塑件底部外表面創(chuàng)建的直接澆口，塑料熔體的流動(dòng)是從儲(chǔ)物盒底部向開口方向，熔接線數(shù)量較少，且塑件內(nèi)外表面都未出現(xiàn)，保證了塑件要求的內(nèi)部表面質(zhì)量；流動(dòng)前沿溫度最低為276.7 ℃，最高為280.3℃，兩者最大差值為3.6 ℃，說明在注塑過程中熔體溫度無明顯降低，也證明了熔接線能夠很好地熔合；冷卻回路中的水介質(zhì)進(jìn)口溫度為25.0 ℃，出口溫度最高為26.7 ℃，最高溫差為1.7 ℃，進(jìn)、出口的介質(zhì)溫度變化很小，說明設(shè)計(jì)的模具冷卻系統(tǒng)回路起到了很好的冷卻效果；冷卻回路管壁的最低溫度為25.47 ℃，回路出口的管壁最高溫度為27.83 ℃，兩者溫度最大差值為2.36 ℃，小于經(jīng)驗(yàn)參考差值（4.00～5.00 ℃），這也證明了3種冷卻回路具有非常好的冷卻效果；X，Y，Z三個(gè)方向上的翹曲變形量較大的是儲(chǔ)物盒內(nèi)凹貫通矩形孔的左上角和右上角區(qū)域，總翹曲變形量最大為0.979 2 mm，與塑件較大的外形尺寸相比，這個(gè)總翹曲變形量較小，在允許的范圍內(nèi)，此數(shù)據(jù)也間接證明了模具冷卻回路的冷卻效果很好。Moldflow軟件得出的各項(xiàng)數(shù)據(jù)為車載內(nèi)置儲(chǔ)物盒熱流道注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考，同時(shí)也驗(yàn)證了模具設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性、可靠性。

圖9 模流分析結(jié)果Fig.9 Analytic results of mold flow

5 結(jié)論

a）運(yùn)用NX軟件建模，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了車載內(nèi)置儲(chǔ)物盒熱流道注塑模具。通過側(cè)向抽芯滑塊機(jī)構(gòu)解決了塑件兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)凹槽、安裝卡爪、側(cè)凹孔及塑件背部外凸和內(nèi)凹孔結(jié)構(gòu)成型特征，4個(gè)滑塊內(nèi)部均設(shè)計(jì)了直通式循環(huán)冷卻回路；考慮模具結(jié)構(gòu)空間位置因素，利用斜楔滑塊側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)完成了塑件左、右上角處矩形貫穿內(nèi)凹孔結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計(jì)；利用氣缸提供動(dòng)力完成了開模后塑件在定模側(cè)的頂桿頂出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)特征，型腔中創(chuàng)建了多路U型直通式循環(huán)冷卻回路，型芯中設(shè)計(jì)了5組隔水板冷卻回路，每個(gè)滑塊中均設(shè)計(jì)了冷卻回路。

b）運(yùn)用Moldflow軟件處理塑件網(wǎng)格，設(shè)計(jì)了直接澆口，創(chuàng)建了隔水板和直管道循環(huán)兩種類型的冷卻系統(tǒng)回路，并對(duì)塑件成型過程進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證了模具設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性、可靠性。