李偉，張曉黎

(1.河南機電職業(yè)學院智能工程學院，鄭州 451191； 2.鄭州大學材料科學與工程學院，鄭州 450001)

在流體傳輸?shù)倪^程中，為有效避開干涉的管道，大量采用過橋彎管結(jié)構(gòu)件，但過橋彎管的生產(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，過橋彎管全自動注塑技術(shù)解決方案應運而生。

圓弧的孔道是塑料件中常見的特征之一，在注塑模設計中常采用圓弧抽芯的結(jié)構(gòu)解決此類產(chǎn)品的脫模問題[1]。張維合[2]采用液壓缸+連桿的結(jié)構(gòu)，通過液壓缸帶動連桿圍繞銷軸的擺動方式實現(xiàn)了水箱注塑模具的圓弧抽芯動作；劉少春[3]利用斜導柱與滑塊空間異形孔的配合形式設計了一種新穎的圓弧抽芯機構(gòu)；聶艷平等[4]利用液壓缸+成型塊直接驅(qū)動的方式解決了圓弧彎管脫模的問題。這些方法都是將驅(qū)動源的直線運動最終轉(zhuǎn)化為成型零件的圓弧運動來解決問題，但圓弧抽芯結(jié)構(gòu)傳動形式的安全、可靠及動作的平穩(wěn)性、精確度還有待進一步的完善[5]。

筆者針對某過橋彎管大曲率的管道孔結(jié)構(gòu)，設計了一種雙向?qū)﹂_的圓弧抽芯結(jié)構(gòu)，并借助齒輪、齒條精密的傳動比，保證圓弧抽芯機構(gòu)運動的可靠、精準，最終實現(xiàn)模具安全、平穩(wěn)的運行[6–9]。

1 過橋彎管產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及成型工藝分析

1.1 過橋彎管產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點

圖1為過橋彎管產(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)向抽芯過程中的正確位置，特設計法蘭凸緣結(jié)構(gòu)，其厚度5 mm。產(chǎn)品所用材料為無規(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 過橋彎管產(chǎn)品圖

1.2 過橋彎管成型工藝及模具設計難點分析

過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，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)過橋彎管的方式比較合適。但是注塑時產(chǎn)品的模具設計存在一些難點：①對于產(chǎn)品上存在的曲面結(jié)構(gòu)，尤其是具有中空彎曲弧線(R54 mm)形狀的孔道，采用常規(guī)方式進行脫模比較困難；②過橋彎管為外觀件，對產(chǎn)品的進澆形式和頂出方式提出了更高的要求。

2 模具設計

根據(jù)注塑工藝的要求，以及過橋彎管產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，現(xiàn)將模具結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵點分述如下。

2.1 圓弧抽芯機構(gòu)設計

為保證過橋彎管圓弧抽芯機構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊以及運動精準安全，圓弧抽芯機構(gòu)設計的重點主要集中在結(jié)構(gòu)設計、連接形式和傳動方式。

(1)圓弧抽芯機構(gòu)結(jié)構(gòu)。

由圖1可知，過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動的方向和運動軌跡的半徑大小，綜合模架整體結(jié)構(gòu)，設計的對開式圓弧抽芯機構(gòu)如圖2a所示，根據(jù)過橋彎管產(chǎn)品特征設計的運動軌跡如圖2b所示。圖2b中虛線為脫模轉(zhuǎn)動后的位置，需要圍繞六棱柱軸IV (六棱主軸的中心即為回轉(zhuǎn)中心)順時針旋轉(zhuǎn)60°，旋轉(zhuǎn)半徑為66.3 mm。

圖2 圓弧抽芯機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和傳動

(2)圓弧抽芯傳動方式。

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

脫模力計算公式如式(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， 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軟件的測量指令得到L=6.63 cm (平均值)，h=5.35 cm (平均值)，計算得到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——齒面工作時最大接觸應力，MPa；

[σH]——齒輪材料的許用接觸應力，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的直齒漸開線圓柱形齒輪，齒條則需要進行訂制[10]。

(3)圓弧抽芯連接形式。

圓弧抽芯機構(gòu)較大，為了保證齒輪力矩的有效傳遞以及轉(zhuǎn)速的同步，為此專門設計了六棱柱軸連接結(jié)構(gòu)，其一端通過平鍵連接齒輪，另一端通過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)強度計算公式(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)切應力，MPa[11]。

2.2 澆注系統(tǒng)和頂出系統(tǒng)設計

根據(jù)產(chǎn)品外觀的要求，將進膠點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)格類型，縱橫比設為1.2，經(jīng)過網(wǎng)格修復工具，最終修復結(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；然后通過充填分析，對多種側(cè)澆口截面尺寸下的效果進行對比，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4 mm)的澆注系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。設計好澆注系統(tǒng)后，對該澆注系統(tǒng)下的充填時間、流動前沿溫度、氣泡分布、熔接痕分布進行模流分析，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，模腔的充填完成時間為3.275 s，相比產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和體積，注塑相對較快；熔體流動前沿溫度相差0.5℃，溫度損失比較?。粴馀葜饕性谛颓坏哪┒?，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膠口的對側(cè)，提高熔體溫度、注塑壓力以及適當加熱模具將有效減少熔接痕的數(shù)量和長度[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)，這會導致結(jié)構(gòu)復雜，成本變高?；诖?，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，并保證頂出的強度，以實現(xiàn)模具簡單可靠的頂出動作和無痕頂出的效果，同時配合模具復位桿及其彈簧，進一步保證產(chǎn)品的順利、安全、自動脫模。

3 模具工作原理

模具總裝圖如圖6所示，模具為一模兩腔，四個圓弧抽芯結(jié)構(gòu)對稱排布，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。

圖6 模具總裝圖

3.1 工作過程

在注塑機螺桿作用下，經(jīng)充分塑化、混合均勻的熔體快速通過主流道襯套13、分流道和澆口，注塑到完全閉合的模具型腔中，經(jīng)過3 s的保壓、冷卻和固化成型，完成產(chǎn)品的注塑過程。隨后，模具動模部分往后運動，后退150 mm，實現(xiàn)主分型面I處的分型。在液壓系統(tǒng)驅(qū)動作用下，液壓缸4促使活塞前行，推動齒條5向模具中心方向運動，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，帶動圓弧抽芯滑塊15圍繞軸心旋轉(zhuǎn)，齒條5運動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35 mm，連續(xù)頂出2次、時間0.2 s，以保證產(chǎn)品快速順利的完成脫模過程。延時0.5 s后，在注塑機液壓系統(tǒng)驅(qū)動下，活塞回程，齒條5向遠離模具中心方向運動10 mm，通過嚙合和連接零件的共同作用，完成圓弧抽芯滑塊15的合模動作。最后在注塑機動模座板1作用下，在導柱7、導套6導向作用下，動模前移，在8對斜面配合下完成合模并實現(xiàn)定位鎖死，進入下一個注塑周期。

3.2 運動仿真

使用UG軟件，對設計完成的過橋彎管圓弧抽芯注塑模具的整個運動過程進行動作模擬仿真，驗證圓弧抽芯機構(gòu)運行的安全、可靠。根據(jù)齒條、齒輪嚙合，帶動圓弧抽芯結(jié)構(gòu)塊運動的驅(qū)動形式，在UG軟件動畫模塊中定義運動副類型、連桿零件，設定原點位置和矢量方向；依據(jù)模具正常工作零件運動的先后次序，設置初始位置、終止位置、速度、加速度等參數(shù)，運動仿真過程中模具主要零件起始和終止位置如圖7所示。按照所設定的參數(shù)進行了模具工作過程的運動仿真，順利完成了圓弧抽芯結(jié)構(gòu)的旋進和旋出，驗證了結(jié)構(gòu)設計的合理性，實現(xiàn)了模具的安全運行[16]。

圖7 基于UG軟件的運動仿真

4 結(jié)語

針對過橋彎管的結(jié)構(gòu)特點，設計了雙向?qū)﹂_的圓弧抽芯結(jié)構(gòu)，并引入齒條齒輪嚙合的精密、高效傳動方式，借助于平鍵、六棱柱軸的連接，高效精準地實現(xiàn)了圓弧抽芯脫模過程，并借助CAD／CAE技術(shù)對運動過程和充填過程進行模擬，實現(xiàn)了模具的快速設計，整套模具緊湊，運行安全、可靠，為同類別產(chǎn)品的注塑模具設計提供了參考。