陳顯冰，陳一飛，施淵吉

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，南京 210023)

機(jī)頂盒是現(xiàn)代生活中常用的產(chǎn)品，該類產(chǎn)品尺寸適中，市場需求量大。此產(chǎn)品分為底座和蓋板兩個主要塑料零件，需要依靠注塑技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。按照常規(guī)方法，可以分別設(shè)計兩套注塑模具對其進(jìn)行生產(chǎn)，但是會增加注塑機(jī)數(shù)量以及更多的安裝調(diào)試工作。如何在保證機(jī)頂盒產(chǎn)品特征和尺寸精度的基礎(chǔ)上，盡量縮短成型周期，提高生產(chǎn)效率，是該類塑件在模具設(shè)計和制造過程中需要重點考慮和解決的問題[1–4]。

筆者利用數(shù)字化設(shè)計方法，采用一模兩腔一次性成型兩個不同塑料零件的同模異腔模具實現(xiàn)底座和蓋板的同時注塑，并借助模流分析技術(shù)對模具進(jìn)行分析和優(yōu)化，以期獲得合理的模具設(shè)計結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

機(jī)頂盒的兩個主要塑料零件如圖1所示，分別為機(jī)頂盒的底座和蓋板，可以配合在一起，對產(chǎn)品要求如下：MT3級精度，表面不得有拉傷和澆口痕跡，大批量生產(chǎn)，需完成20萬套合格產(chǎn)品。

圖1 機(jī)頂盒產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

機(jī)頂盒產(chǎn)品所用材料為LG化學(xué)生產(chǎn)的牌號為HI–121的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)，其收縮率為0.5%。整個產(chǎn)品為方盒狀，其中機(jī)頂盒底座的尺寸為74.27 mm×77.89 mm×22.11 mm，最大壁厚為2.6 mm左右，平均壁厚為1.7 mm左右，壁厚相對比較均勻，機(jī)頂盒底座的側(cè)向有三個面具有方孔特征，其內(nèi)表面存在卡扣、螺絲柱等裝配型結(jié)構(gòu)特征。

機(jī)頂盒底座表面質(zhì)量較高，不得拉傷和產(chǎn)生劃痕，本模具設(shè)定采用四個斜導(dǎo)柱式滑塊側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，可將機(jī)頂盒底座四周完全包圍，在脫模前，滑塊完成抽芯，在開模時不會產(chǎn)生劃痕。

機(jī)頂盒蓋板的尺寸為72.06 mm×75.68 mm× 6.38 mm，最大壁厚為2.8 mm，平均壁厚為1.8 mm，壁厚相對比較均勻，底面存在五個卡扣槽，倒扣最大深度為1.59 mm。機(jī)頂盒零件內(nèi)部無外觀要求，設(shè)置進(jìn)澆方式為點澆口進(jìn)膠，將其設(shè)置在產(chǎn)品內(nèi)壁。

2 分型設(shè)計

選擇分型面的時候，不僅要考慮產(chǎn)品的分型還要考慮模具的加工工藝，優(yōu)先選擇產(chǎn)品外型的最大輪廓處，分型面盡量方便銑刀的加工，盡量不要出現(xiàn)直角。圖2為機(jī)頂盒底座和蓋板分型面的設(shè)計。如圖2所示，機(jī)頂盒底座的分型線設(shè)置在下底面的最大輪廓處，機(jī)頂盒蓋板的分型線設(shè)置在頂端的最大輪廓處，在模具中，能夠取出產(chǎn)品或流道凝料的可分離的接觸面為分型面，分型面的選擇對產(chǎn)品的外觀和精度有著很大的影響。

圖2 分型面的設(shè)計

3 CAE技術(shù)在模具設(shè)計中的應(yīng)用

筆者基于Moldflow的CAE技術(shù)，對模擬結(jié)果產(chǎn)生的重要指標(biāo)進(jìn)行分析并對模具具體設(shè)計提出優(yōu)化解決方案，以保證模具設(shè)計的合理性。分析方案分兩步進(jìn)行：(1)在無冷卻情況下，查看模腔內(nèi)的流動性及塑料件可能的缺陷，以采取可靠的工藝措施來保證料流在模腔內(nèi)的充填，分析類型為填充+保壓+翹曲(F+P+W)；(2)基于F+P+W分析優(yōu)化結(jié)果，導(dǎo)入冷卻水路，考察完整的注塑效果，分析類型為填充+保壓+冷卻+翹曲(F+P+C+W)[5–7]。

3.1 網(wǎng)格劃分

本產(chǎn)品采用雙層面網(wǎng)格劃分，設(shè)置全局網(wǎng)格邊長2 mm，利用波前法控制弦高0.1 mm，劃分好的網(wǎng)格無自由邊、重疊邊，無定向單元、交叉單元、重疊單元等，匹配率90.9%，相互率88.3%，因此產(chǎn)品的網(wǎng)格劃分合理，保證了后續(xù)模流分析的準(zhǔn)確性。圖3為澆注系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分圖，澆注系統(tǒng)主流道為錐形流道，入口直徑為4 mm，進(jìn)入分流道處的直徑為8.5 mm；第一分流道為矩形截面流道，截面尺寸為8 mm×6 mm；第二分流道為錐形流道，共分兩段，上段的尺寸為?8 mm／?4 mm，下段的尺寸為?4 mm／?1.2 mm，。在水路柱體網(wǎng)格中，上下模分別設(shè)置2條水路，管道直徑為6 mm，管道直徑與單元長度比設(shè)置為1∶5。

圖3 澆注系統(tǒng)網(wǎng)格劃分圖

3.2 充填平衡結(jié)果分析

通過模流分析所得的充填平衡結(jié)果如圖4a所示。由圖4a可以看出，兩產(chǎn)品充填末端顏色不一致，速度／壓力切換時的壓力值為74.15 MPa，在產(chǎn)品材料的壓力范圍內(nèi)，但是產(chǎn)品充填不平衡，需要調(diào)整。通常不平衡會使產(chǎn)品的注塑壓力上升，對產(chǎn)品的外觀質(zhì)量也會有明顯的影響。不平衡的原因是兩個產(chǎn)品外形不同，因而充填體積不同。通過分析顯示，兩個產(chǎn)品體積充填末端時間差約為0.28 s，在不改變進(jìn)澆點位置的情況下，可通過減小機(jī)頂盒蓋板處澆口大小以調(diào)節(jié)平衡，主要原因是機(jī)頂盒蓋板充填體積較小，減小澆口尺寸可使熔體充填機(jī)頂盒蓋板的速度變慢。將機(jī)頂盒蓋板處的澆口尺寸分別設(shè)置為?1.0 mm，?0.8 mm，?0.6 mm，然后分別進(jìn)行分析。通過分析結(jié)果可以得到機(jī)頂盒蓋板澆口尺寸為?0.8 mm時可達(dá)到充填平衡，如圖4b所示。圖4b顯示，產(chǎn)品同時達(dá)到充填末端時的顏色相同，并且注塑壓力下降3.64 MPa，因而機(jī)頂盒蓋板澆口尺寸設(shè)為?0.8 mm時可使充填達(dá)到平衡。

圖4 充填平衡方案對比

3.3 熔接痕和翹曲變形結(jié)果分析

從澆注系統(tǒng)設(shè)計方案的模流分析結(jié)果可以得出，產(chǎn)品的注塑時間為1.34 s，流動等值線均勻一致，且未出現(xiàn)短射、包膠現(xiàn)象，說明熔體速度十分均勻。產(chǎn)品在孔位處存在少量熔接線，此類熔接線無法避免，熔接線是由熔體在腔體中交匯時沒有完全熔合而產(chǎn)生的，產(chǎn)生的原因可能是塑料沒有干燥好、塑料中的雜質(zhì)較多等。產(chǎn)品的流動前沿溫差為12.4℃，機(jī)頂盒底座外表面溫差為2.1℃，機(jī)頂盒蓋外表面溫差為1.1℃，兩個產(chǎn)品熔接線處溫差較小，因此不會產(chǎn)生明顯的熔接線，實際生產(chǎn)中，可以通過提高注塑壓力和提高注塑速度來減少熔接痕。圖5為模流分析得到的產(chǎn)品總變形量。由圖5可知，產(chǎn)品最大翹曲變形量為0.4869 mm，最低翹曲變形量為0.0043 mm，總變形量為0.0482 mm，兩個零件上表面均有向上翹曲的趨勢，底座的側(cè)邊有向內(nèi)收縮的趨勢，但翹曲變形量相對較小，在合理范圍內(nèi)。

圖5 變形量分析結(jié)果

3.4 冷卻時間優(yōu)化

在加入水路后，將分析類型切換為F+P+C+W進(jìn)行充填，冷卻時間約為注塑時間的8倍，因此設(shè)置冷卻時間為15 s，以5 s為步長，分別采用15，20，25，30，35 s對模型進(jìn)行冷卻觀測，由此得到最優(yōu)的冷卻結(jié)果為，即冷卻時間設(shè)定為20 s。從冷卻結(jié)果可以得出，回路冷卻液進(jìn)出口溫差為0.45℃，產(chǎn)品外觀面的溫差很小，在0～5℃的范圍內(nèi)。由此說明冷卻設(shè)計方案的注塑效率高，符合生產(chǎn)需要。

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

由于本產(chǎn)品外觀面不得產(chǎn)生澆口痕跡，進(jìn)澆位置確定于產(chǎn)品內(nèi)表面，因此設(shè)計了倒灌點澆口的澆注形式。模具的推出機(jī)構(gòu)和澆注系統(tǒng)設(shè)計在定模一側(cè)，脫料板和動模板之間設(shè)計流道塊，將熔膠從水口板過渡到型腔內(nèi)，并實現(xiàn)自動脫料。澆注系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖6a所示，此澆注系統(tǒng)包括了主流道、分流道、拉料桿、流道塊、進(jìn)澆口等部分。圖6b為澆注系統(tǒng)二維圖，可以看到，熔融的塑料通過噴嘴進(jìn)入主流道和分流道后通過流道塊進(jìn)入模具腔體中，流道塊安裝在脫料板和動模板之間，其作用是將熔膠過渡到型腔內(nèi)，分流道的末端設(shè)計了兩個拉料桿，在頂桿推出塑件時，拉料桿可拉住凝料。在產(chǎn)品和凝料分離后，脫料板會將凝料推出，實現(xiàn)自動脫料。

圖6 澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2 機(jī)頂盒底座斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計

斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)常用于存在內(nèi)孔或側(cè)凹零件的脫模和成型。機(jī)頂盒底座斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)如圖7所示。側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)由楔緊塊、側(cè)滑塊、斜導(dǎo)柱、壓板、內(nèi)六角螺釘?shù)攘慵M成，由于機(jī)頂盒的側(cè)向有三個面具有方孔特征，而機(jī)頂盒在脫模時不得拉傷和產(chǎn)生劃痕，同時四面的外拔模角度為0°，故采用四個斜導(dǎo)柱式滑塊側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，可將機(jī)頂盒四周完全包圍，以保證成型的同時不會拉傷產(chǎn)品外表面。

圖7 機(jī)頂盒底座斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)

斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)各參數(shù)的設(shè)計如圖8所示。斜導(dǎo)柱與楔緊塊的配合為過渡配合，與滑塊的配合為間隙配合，斜導(dǎo)柱單邊避空距離為0.5～1 mm，圖8中d為斜導(dǎo)柱的直徑，斜導(dǎo)柱的直徑應(yīng)根據(jù)包緊力的大小、行位的大小、抽芯距的長度來定，一般斜導(dǎo)柱的直徑取8，10，12，16，20 mm。圖8中α為斜導(dǎo)柱的角度，β為滑塊與楔緊塊配合面的角度，α的角度可取10°，12°，15°，20°，25°，β的角度可取12°，14°，17°，22°，27°，α應(yīng)略小于β。針對本模具側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，斜導(dǎo)柱直徑取d=10 mm，α=12°，β=14°。在側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計中，需要計算抽芯距離S，以保證產(chǎn)品能夠順利脫模，抽芯距離是將抽芯滑塊從模腔移動到預(yù)定位置的距離，可采用經(jīng)驗計算公式S=S1+(3～5) mm，即完成側(cè)孔抽芯所需的最大深度S1加上3～5 mm的安全余量，通過繪圖軟件工具測量S1為1.5 mm，經(jīng)計算最終確定抽芯距離S為6.5 mm。

圖8 斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)各參數(shù)的設(shè)計

4.3 機(jī)頂盒蓋板斜頂抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計

針對機(jī)頂盒蓋板四周倒扣難以成型脫模的問題，設(shè)計了斜頂組合機(jī)構(gòu)如圖9所示。設(shè)計此斜頂組合機(jī)構(gòu)時考慮了如下幾個問題：(1)斜頂頂出時不能與其它零件干涉(如斜頂與斜頂干涉、斜頂與頂針干涉)；(2)斜頂頂出時不能和產(chǎn)品干涉；(3)斜頂頂出時不能造成鏟膠。斜頂組合機(jī)構(gòu)主要由斜頂、斜頂導(dǎo)向塊、斜頂座組成。機(jī)頂盒蓋板存在5個卡扣槽，因此設(shè)計了5組斜頂機(jī)構(gòu)，斜頂角度取值范圍為2°~12°，在滿足頂出行程的情況下斜頂角度越小越好，斜頂?shù)捻敳啃枰哂谶M(jìn)膠位置0.05～0.10 mm，以免頂出時擦傷產(chǎn)品(即鏟膠)。斜頂導(dǎo)向塊的厚度取15～20 mm，材料優(yōu)先選擇青銅，導(dǎo)向塊與斜頂間的避空為0.5 mm即可，斜頂座的材料選用GR12，且必須淬火，以免磨損。

圖9 斜頂抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計

4.4 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

產(chǎn)品的冷卻系統(tǒng)設(shè)計如圖10a所示，采用4條環(huán)型水路對成型件進(jìn)行冷卻，A1，A2水路主要針對動模側(cè)成型件進(jìn)行冷卻，B1，B2水路主要針對定模側(cè)成型件進(jìn)行冷卻，水路的直徑一般取6，8，10，12 mm。冷卻水路不能離型芯型腔太近也不能太遠(yuǎn)，否則會導(dǎo)致冷卻不均，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品的翹曲變形更大。冷卻水路至型腔壁的距離大概控制在水路直徑的1.2～1.5倍，水路的間距應(yīng)控制在30 mm以上。通過Moldflow進(jìn)行冷卻模擬分析，確定水路直徑為6 mm，水路的溫度一般比模具的溫度低15℃，且不得低于25℃，由于模溫為60℃，因此設(shè)置水溫為45℃。圖10b為設(shè)計的冷卻水路回路的熱去除效率。由圖10b可知，A1，B1處水路和A2，B2處水路分別對蓋板和底座的熱去除效率較好，入口和出口的溫差也在合理范圍之內(nèi)，因此水路的排布合理。

圖10 冷卻水路回路設(shè)計及其熱去除效率

5 模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

圖11為機(jī)頂盒模具總裝配圖。模具工作過程如下：模具合模時，在導(dǎo)柱16及導(dǎo)套17精確定位機(jī)構(gòu)的共同作用下，模具閉合，熔融的塑料從流道連接塊22進(jìn)入型腔，經(jīng)過保壓冷卻后，動模向上運動，上分型面打開，側(cè)滑塊13隨動模向上運動，底座完成抽芯；在動模運動一定距離后，在小拉桿II 15拉力下，推板10向上運動，斜頂20完成底座和蓋板的抽芯，同時頂針8將產(chǎn)品兩個零件頂出，產(chǎn)品的澆口與凝料完成脫離，塑料件留在流道塊中，在小拉桿II 15運動結(jié)束后，小拉桿I 14拉動脫料板9將凝料推出，機(jī)械手可將凝料去除，實現(xiàn)自動脫料。

圖11 模具總裝配圖

6 結(jié)語

針對某機(jī)頂盒兩個不同塑料零件需同時成型的問題，采用同模異腔一次成型的注塑模具設(shè)計方法，從而減少了模具的數(shù)量，提高了生產(chǎn)效率并降低了后期裝配調(diào)試等工作量。采用倒灌點澆口的澆注形式，保證了產(chǎn)品外觀面質(zhì)量。利用基于Moldflow的CAE技術(shù)對所設(shè)計的注塑模具進(jìn)行了充填平衡、澆注系統(tǒng)優(yōu)化、冷卻系統(tǒng)優(yōu)化等，克服了塑料產(chǎn)品可能出現(xiàn)的各種缺陷，提高了模具的設(shè)計效率，優(yōu)化了模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計和注塑工藝參數(shù)的設(shè)置，降低了模具制造成本[8–10]。經(jīng)驗證，該模具結(jié)構(gòu)合理，運動順暢可靠，產(chǎn)品注塑效果良好。