李偉，張曉黎

(1.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院智能工程學(xué)院，鄭州 451191； 2.鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001)

在流體傳輸?shù)倪^(guò)程中，為有效避開(kāi)干涉的管道，大量采用過(guò)橋彎管結(jié)構(gòu)件，但過(guò)橋彎管的生產(chǎn)常采用熱彎的成型技術(shù)，不僅彎曲的程度有限，而且生產(chǎn)效率低下，人工成本也比較高，因此，過(guò)橋彎管全自動(dòng)注塑技術(shù)解決方案應(yīng)運(yùn)而生。

圓弧的孔道是塑料件中常見(jiàn)的特征之一，在注塑模設(shè)計(jì)中常采用圓弧抽芯的結(jié)構(gòu)解決此類(lèi)產(chǎn)品的脫模問(wèn)題[1]。張維合[2]采用液壓缸+連桿的結(jié)構(gòu)，通過(guò)液壓缸帶動(dòng)連桿圍繞銷(xiāo)軸的擺動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了水箱注塑模具的圓弧抽芯動(dòng)作；劉少春[3]利用斜導(dǎo)柱與滑塊空間異形孔的配合形式設(shè)計(jì)了一種新穎的圓弧抽芯機(jī)構(gòu)；聶艷平等[4]利用液壓缸+成型塊直接驅(qū)動(dòng)的方式解決了圓弧彎管脫模的問(wèn)題。這些方法都是將驅(qū)動(dòng)源的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)最終轉(zhuǎn)化為成型零件的圓弧運(yùn)動(dòng)來(lái)解決問(wèn)題，但圓弧抽芯結(jié)構(gòu)傳動(dòng)形式的安全、可靠及動(dòng)作的平穩(wěn)性、精確度還有待進(jìn)一步的完善[5]。

筆者針對(duì)某過(guò)橋彎管大曲率的管道孔結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種雙向?qū)﹂_(kāi)的圓弧抽芯結(jié)構(gòu)，并借助齒輪、齒條精密的傳動(dòng)比，保證圓弧抽芯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可靠、精準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)模具安全、平穩(wěn)的運(yùn)行[6–9]。

1 過(guò)橋彎管產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及成型工藝分析

1.1 過(guò)橋彎管產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1為過(guò)橋彎管產(chǎn)品，最大外形尺寸100 mm×52 mm，端部尺寸?41 mm，平均壁厚5 mm。為保證產(chǎn)品側(cè)向抽芯過(guò)程中的正確位置，特設(shè)計(jì)法蘭凸緣結(jié)構(gòu)，其厚度5 mm。產(chǎn)品所用材料為無(wú)規(guī)共聚聚丙烯(PPR)，收縮率2%，產(chǎn)品體積54 cm3，質(zhì)量約56 g。產(chǎn)品雖有復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，但整體比較規(guī)整，外觀要求光滑、不能有明顯的痕跡。

圖1 過(guò)橋彎管產(chǎn)品圖

1.2 過(guò)橋彎管成型工藝及模具設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

過(guò)橋彎管主要的作用是在保證正常流體傳輸?shù)那闆r下，繞避一些物體。其需求量比較大，使用的塑料材質(zhì)具有密度小、密封性好的優(yōu)點(diǎn)，再加上注塑工藝效率高、產(chǎn)品的一致性比較好，因此采用注塑工藝生產(chǎn)過(guò)橋彎管的方式比較合適。但是注塑時(shí)產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)存在一些難點(diǎn)：①對(duì)于產(chǎn)品上存在的曲面結(jié)構(gòu)，尤其是具有中空彎曲弧線(xiàn)(R54 mm)形狀的孔道，采用常規(guī)方式進(jìn)行脫模比較困難；②過(guò)橋彎管為外觀件，對(duì)產(chǎn)品的進(jìn)澆形式和頂出方式提出了更高的要求。

2 模具設(shè)計(jì)

根據(jù)注塑工藝的要求，以及過(guò)橋彎管產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，現(xiàn)將模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)分述如下。

2.1 圓弧抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證過(guò)橋彎管圓弧抽芯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊以及運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)安全，圓弧抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、連接形式和傳動(dòng)方式。

(1)圓弧抽芯機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)。

由圖1可知，過(guò)橋彎管的孔道為通孔，為保證脫模，只能將成型通孔的模具型芯一分為二。尺寸為R54 mm的圓弧決定著圓弧抽芯運(yùn)動(dòng)的方向和運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑大小，綜合模架整體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的對(duì)開(kāi)式圓弧抽芯機(jī)構(gòu)如圖2a所示，根據(jù)過(guò)橋彎管產(chǎn)品特征設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2b所示。圖2b中虛線(xiàn)為脫模轉(zhuǎn)動(dòng)后的位置，需要圍繞六棱柱軸IV (六棱主軸的中心即為回轉(zhuǎn)中心)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°，旋轉(zhuǎn)半徑為66.3 mm。

圖2 圓弧抽芯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)

(2)圓弧抽芯傳動(dòng)方式。

圓弧抽芯得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是順利地將常規(guī)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的圓弧運(yùn)動(dòng)，而齒條、齒輪的嚙合傳動(dòng)具有傳動(dòng)比恒定、傳動(dòng)效率高、力矩大、工作可靠平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，基于此，筆者選用直齒漸開(kāi)線(xiàn)圓柱形齒輪，材料為20Cr，其表面滲碳淬火處理，傳動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)如圖2c所示。在液壓缸II動(dòng)力源來(lái)回運(yùn)動(dòng)的作用下，其帶動(dòng)齒條III往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在齒輪齒條和六棱柱軸IV共同作用下，將直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為對(duì)開(kāi)式圓弧抽芯塊I的圓周運(yùn)動(dòng)(圓周運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)中心即為六棱柱軸IV的中心)，從而實(shí)現(xiàn)順利脫模。傳動(dòng)的動(dòng)力至少要克服過(guò)橋彎管內(nèi)孔與成型型芯的包緊力和摩擦力，因此，需要計(jì)算產(chǎn)品所需的脫模力和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中齒輪的主要參數(shù)。

脫模力計(jì)算公式如式(1)所示。

式中：Q——脫模力，N；

L——型芯或者凸模被包緊部分的斷面周長(zhǎng)， cm；

h——被包緊部分的深度，cm；

p——由塑件收縮產(chǎn)生的單位面積上的正壓力， MPa，一般取7.8～11.8 MPa；

f——摩擦系數(shù)，一般取0.1～0.2；

α——脫模斜度，(°)。

借助于UG軟件的測(cè)量指令得到L=6.63 cm (平均值)，h=5.35 cm (平均值)，計(jì)算得到Q≈ 1000 N。

結(jié)合需要傳遞的扭矩，采用了直齒圓柱形齒輪，其分度圓直徑按式(2)計(jì)算。

式中：d——齒輪的分度圓直徑，mm；

ZE——齒輪材料的彈性系數(shù)，

σH——齒面工作時(shí)最大接觸應(yīng)力，MPa；

[σH]——齒輪材料的許用接觸應(yīng)力，MPa；

K——載荷系數(shù)；

T1——齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·mm；

ψd——齒寬系數(shù)，ψd=b／d，b為齒輪的工作齒 寬，mm；

u——齒數(shù)比。

±——“+”用于外嚙合，“–”用于內(nèi)嚙合。

經(jīng)查表得到K=1.1，ZE=189.8，ψd=0.8，[σH]=1500 MPa，得到齒輪的d≥17.58 mm。

綜上所述，最終選擇模數(shù)為2、壓力角為20°、齒數(shù)為28的直齒漸開(kāi)線(xiàn)圓柱形齒輪，齒條則需要進(jìn)行訂制[10]。

(3)圓弧抽芯連接形式。

圓弧抽芯機(jī)構(gòu)較大，為了保證齒輪力矩的有效傳遞以及轉(zhuǎn)速的同步，為此專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了六棱柱軸連接結(jié)構(gòu)，其一端通過(guò)平鍵連接齒輪，另一端通過(guò)六棱面配合連接圓弧抽芯結(jié)構(gòu)滑塊。六棱柱材料為表面鍍Cr的45#鋼，由脫模力Q以及軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算公式(3)，得到六棱柱內(nèi)切軸直徑dZ≥14.67 mm，結(jié)合齒輪內(nèi)孔尺寸，圓整后dZ定為16 mm，六棱柱軸具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 六棱柱軸結(jié)構(gòu)

式中：τT——軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；

T——軸所傳遞的扭矩，N·mm；

Wτ——軸的抗扭截面系數(shù)，mm3；

P——軸所傳遞的功率，kW；

n——軸的轉(zhuǎn)速，r／min；

[τT]——軸的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa[11]。

2.2 澆注系統(tǒng)和頂出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品外觀的要求，將進(jìn)膠點(diǎn)選在凸緣的圓弧面上，澆口為側(cè)澆口，形狀選為扁平的矩形截面。使用Moldflow軟件進(jìn)行澆注系統(tǒng)的優(yōu)化。首先劃分網(wǎng)格，采用雙層面的網(wǎng)格類(lèi)型，縱橫比設(shè)為1.2，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格修復(fù)工具，最終修復(fù)結(jié)果為網(wǎng)格匹配百分比92.3%、最小縱橫比2.7，符合模流分析的要求；然后通過(guò)充填分析，對(duì)多種側(cè)澆口截面尺寸下的效果進(jìn)行對(duì)比，最終選取了具有梯形截面(底邊×頂邊×高=6 mm×4.5 mm×5 mm)分流道和矩形截面(5 mm×3 mm)澆口(長(zhǎng)4 mm)的澆注系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。設(shè)計(jì)好澆注系統(tǒng)后，對(duì)該澆注系統(tǒng)下的充填時(shí)間、流動(dòng)前沿溫度、氣泡分布、熔接痕分布進(jìn)行模流分析，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，模腔的充填完成時(shí)間為3.275 s，相比產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和體積，注塑相對(duì)較快；熔體流動(dòng)前沿溫度相差0.5℃，溫度損失比較??；氣泡主要集中在型腔的末端，恰好是圓弧抽芯的位置，這樣反而有利于排氣有效避免氣泡的產(chǎn)生；熔接痕主要集中在進(jìn)膠口的對(duì)側(cè)，提高熔體溫度、注塑壓力以及適當(dāng)加熱模具將有效減少熔接痕的數(shù)量和長(zhǎng)度[12–15]。

圖4 澆注系統(tǒng)和頂出結(jié)構(gòu)

圖5 模流分析情況

由于過(guò)橋彎管全部為曲面特征，若采用常規(guī)的頂出方式則只能使用頂桿，但頂桿硬度較高且尺寸較小，在端面上進(jìn)行形狀的加工比較困難，另外還要增加頂桿的止轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，這會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本變高。基于此，筆者在產(chǎn)品的凸緣邊界增加一塊扁平頂出結(jié)構(gòu)(如圖4所示)，留足頂出的空間，并保證頂出的強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)模具簡(jiǎn)單可靠的頂出動(dòng)作和無(wú)痕頂出的效果，同時(shí)配合模具復(fù)位桿及其彈簧，進(jìn)一步保證產(chǎn)品的順利、安全、自動(dòng)脫模。

3 模具工作原理

模具總裝圖如圖6所示，模具為一模兩腔，四個(gè)圓弧抽芯結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)排布，保證了模具整體幾何中心和受力中心的重合，整體尺寸為350 mm×330 mm×308 mm，結(jié)構(gòu)緊湊，選用“工”字型模身，方便模具的裝機(jī)。

圖6 模具總裝圖

3.1 工作過(guò)程

在注塑機(jī)螺桿作用下，經(jīng)充分塑化、混合均勻的熔體快速通過(guò)主流道襯套13、分流道和澆口，注塑到完全閉合的模具型腔中，經(jīng)過(guò)3 s的保壓、冷卻和固化成型，完成產(chǎn)品的注塑過(guò)程。隨后，模具動(dòng)模部分往后運(yùn)動(dòng)，后退150 mm，實(shí)現(xiàn)主分型面I處的分型。在液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)作用下，液壓缸4促使活塞前行，推動(dòng)齒條5向模具中心方向運(yùn)動(dòng)，在齒條5和齒輪19嚙合以及齒輪鍵和六棱柱軸17共同作用下，帶動(dòng)圓弧抽芯滑塊15圍繞軸心旋轉(zhuǎn)，齒條5運(yùn)動(dòng)10 mm，圓弧抽芯滑塊15旋轉(zhuǎn)60°，以保證彎管內(nèi)孔型芯全部脫出。在此過(guò)程中，同一產(chǎn)品兩側(cè)圓弧處的脫模力相互抵消，并且在兩端凸緣作用下，產(chǎn)品不發(fā)生位移，以保證正確的頂出位置。在注塑機(jī)推桿和模具頂出系統(tǒng)彈簧作用下，模具的頂出系統(tǒng)向定模部分移動(dòng)35 mm，連續(xù)頂出2次、時(shí)間0.2 s，以保證產(chǎn)品快速順利的完成脫模過(guò)程。延時(shí)0.5 s后，在注塑機(jī)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下，活塞回程，齒條5向遠(yuǎn)離模具中心方向運(yùn)動(dòng)10 mm，通過(guò)嚙合和連接零件的共同作用，完成圓弧抽芯滑塊15的合模動(dòng)作。最后在注塑機(jī)動(dòng)模座板1作用下，在導(dǎo)柱7、導(dǎo)套6導(dǎo)向作用下，動(dòng)模前移，在8對(duì)斜面配合下完成合模并實(shí)現(xiàn)定位鎖死，進(jìn)入下一個(gè)注塑周期。

3.2 運(yùn)動(dòng)仿真

使用UG軟件，對(duì)設(shè)計(jì)完成的過(guò)橋彎管圓弧抽芯注塑模具的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)作模擬仿真，驗(yàn)證圓弧抽芯機(jī)構(gòu)運(yùn)行的安全、可靠。根據(jù)齒條、齒輪嚙合，帶動(dòng)圓弧抽芯結(jié)構(gòu)塊運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)形式，在UG軟件動(dòng)畫(huà)模塊中定義運(yùn)動(dòng)副類(lèi)型、連桿零件，設(shè)定原點(diǎn)位置和矢量方向；依據(jù)模具正常工作零件運(yùn)動(dòng)的先后次序，設(shè)置初始位置、終止位置、速度、加速度等參數(shù)，運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中模具主要零件起始和終止位置如圖7所示。按照所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行了模具工作過(guò)程的運(yùn)動(dòng)仿真，順利完成了圓弧抽芯結(jié)構(gòu)的旋進(jìn)和旋出，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，實(shí)現(xiàn)了模具的安全運(yùn)行[16]。

圖7 基于UG軟件的運(yùn)動(dòng)仿真

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)過(guò)橋彎管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙向?qū)﹂_(kāi)的圓弧抽芯結(jié)構(gòu)，并引入齒條齒輪嚙合的精密、高效傳動(dòng)方式，借助于平鍵、六棱柱軸的連接，高效精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)了圓弧抽芯脫模過(guò)程，并借助CAD／CAE技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程和充填過(guò)程進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)了模具的快速設(shè)計(jì)，整套模具緊湊，運(yùn)行安全、可靠，為同類(lèi)別產(chǎn)品的注塑模具設(shè)計(jì)提供了參考。