陳亞梅

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

在塑料模具設(shè)計與制造中，與傳統(tǒng)的模具設(shè)計理念和模具零件制造方法相比，利用計算機(jī)輔助設(shè)計模塊（NX10/CAD）進(jìn)行塑料產(chǎn)品造型設(shè)計、注塑模具設(shè)計，可以在實際加工前解決問題，縮短模具設(shè)計時間，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，提高生成效率［1-3］。本工作基于NX10/CAD模塊的設(shè)計功能解決某型號電動車后視鏡連接頭注塑模具設(shè)計的若干難點和要點。

1 塑件成型工藝分析

某型號電動車后視鏡連接頭塑件三維造型見圖1，塑件基本尺寸為34 mm×18 mm×18 mm，體積約為5.8×103mm3。選用的材料為聚酰胺66，其具有機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好、耐磨性高、耐熱性好等優(yōu)點，該塑件要求外表面光滑、無飛邊，整體無缺陷［4-6］，裝配尺寸滿足實際使用要求。后視鏡連接頭塑件實際裝配使用示意見圖2，在凹槽中插入安裝轉(zhuǎn)動頭，直至塑件底部，然后把卡簧插入塑件卡槽，并由塑件尾部凸起結(jié)構(gòu)鎖住。塑件注塑時內(nèi)置一個帶有螺紋的金屬鑲件，可以通過截面為圓形的階梯側(cè)向抽芯滑塊機(jī)構(gòu)實現(xiàn)；塑件卡槽也是通過側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)解決；轉(zhuǎn)動頭孔口為非直通型結(jié)構(gòu)（見圖1“B-B”和“C-C”），為降低加工難度和便于后期修模，可以通過鑲嵌件來實現(xiàn)；塑件要求表面光滑，可以通過在鑲嵌件中設(shè)置圓柱頂桿實現(xiàn)塑件頂出。

圖2 后視鏡連接頭使用示意Fig.2 Application of rearview mirror connector

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 分型面設(shè)計

利用NX10/CAD模塊的形狀斜率分析功能［7］區(qū)分模具型芯和型腔的區(qū)域，分析斜率的最小值設(shè)置為-0.01，最大值為0.01，斜率分析結(jié)果見圖3。藍(lán)色區(qū)域為型芯區(qū)域，型芯設(shè)計在動模部分；粉紅色區(qū)域為型腔區(qū)域，型腔設(shè)計在定模一側(cè)；綠色部分斜率為0，此區(qū)域為模具鑲嵌件區(qū)域，通過NX10/CAD的造型模塊創(chuàng)建塑件分型面見圖4。

圖3 塑件斜率分析Fig.3 Slope analysis of plastic parts

圖4 塑件分型面示意Fig.4 Parting surface of plastic parts

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

電動車后視鏡連接頭注塑模為一模四腔結(jié)構(gòu)，一次注塑成型四個塑件，由于塑件兩側(cè)需要設(shè)計抽芯滑塊機(jī)構(gòu)，四個塑件并行布局。模具澆注系統(tǒng)設(shè)計見圖5，澆注系統(tǒng)設(shè)計在模具定模一側(cè)，模具進(jìn)料采用側(cè)澆口方式［8］，側(cè)澆口寬4 mm，高1 mm，長度方向上與腔體和分流道貼合，并做2°的錐角處理。主流道兩端直徑分別為3，10 mm，三級分流道的截面形狀都為半圓形，半徑為3 mm。

圖5 澆注系統(tǒng)設(shè)計示意Fig.5 Design of gating system

2.3 腔體結(jié)構(gòu)零件設(shè)計

電動車后視鏡連接頭塑件為非對稱性結(jié)構(gòu)，塑件上主要有卡簧卡槽、金屬鑲件和金屬轉(zhuǎn)動頭安裝孔口三個結(jié)構(gòu)特征。塑件卡簧卡槽采用側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)成型，創(chuàng)建了組合滑塊完成此處的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，單個側(cè)向型芯1的結(jié)構(gòu)見圖6a，四個側(cè)向型芯1在后期裝配時運用配合裝配，同時加工定位銷釘孔，安裝直徑為3 mm的銷釘保證四個側(cè)向型芯位置。成型塑件內(nèi)置金屬鑲件結(jié)構(gòu)采用側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)完成。NX10/CAD建模設(shè)計見圖6b，側(cè)向型芯2為圓柱臺階形狀，金屬鑲件可直接放置在側(cè)向型芯2的頂部。

圖6 側(cè)向型芯1與側(cè)向型芯2的結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Structure of side core 1 and side core 2

在設(shè)計塑件上金屬轉(zhuǎn)動頭安裝孔口時，考慮到降低制造加工難度和便于后期修模，采用鑲嵌件加以解決，鑲嵌件零件結(jié)構(gòu)見圖7a，鑲嵌件的頭部兩側(cè)具有內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，兩側(cè)平面安裝時可以防止兩部件轉(zhuǎn)動。單個塑件成型結(jié)構(gòu)見圖7b。通過NX10/CAD造型模塊設(shè)計的型芯及成型零件結(jié)構(gòu)件設(shè)計見圖7c。

圖7 鑲嵌件、單個塑件、型芯及成型零件結(jié)構(gòu)件示意Fig.7 Structure of inserts，plastic part，core and molded parts

2.4 頂出系統(tǒng)設(shè)計

為了使塑件和澆注系統(tǒng)凝料能夠自動脫落，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，設(shè)計了模具頂出系統(tǒng)（見圖8a）。主要包括四根直徑為4 mm的頂桿（見圖8b）和四根直徑為6 mm的拉料桿?？紤]塑件的尺寸較小，為了不在塑件底部留下痕跡，頂桿設(shè)計穿過鑲嵌件頂出塑件，頂桿和鑲嵌件采取1 mm的避空處理，頂部留有約5 mm的配合長度。根據(jù)圖5澆注系統(tǒng)的設(shè)計可以看出，分流道非平衡布局，為了順利地從定模部分拉出澆注系統(tǒng)凝料以及從動模一側(cè)推出凝料，模具處理在主流道下方設(shè)計了一根拉料桿，同時在分流道位置設(shè)計了四根Z型拉料桿，四根頂桿和四根Z型拉料桿組成了模具的頂出系統(tǒng)。

圖8 頂出系統(tǒng)及頂桿設(shè)計示意Fig.8 Ejection system and ejector rod

3 模具工作原理

電動車后視鏡連接頭注塑模具結(jié)構(gòu)見圖9，模具結(jié)構(gòu)緊湊、合理。圖9a為鑲件、側(cè)向型芯1、滑塊1、鑲嵌件、滑塊2等主要零件結(jié)構(gòu)的剖視圖，圖9b為側(cè)向型芯1、澆口套、拉料桿、頂桿等主要零件結(jié)構(gòu)的剖視圖。模具安裝在臥式注塑機(jī)上，模具兩邊的側(cè)向抽芯滑塊部分安裝在注塑機(jī)水平方向上，保證手動放置金屬鑲件時不至于脫落。該模具工作過程為：模具注塑成型階段后，完成保溫和保壓兩個階段準(zhǔn)備開模，注塑機(jī)液壓機(jī)構(gòu)開始工作；首先，模具從分型面處打開，打開的同時在斜導(dǎo)柱4和斜導(dǎo)柱12的作用下滑塊1和滑塊2完成側(cè)向抽芯動作，塑件依然保留在模具動模一側(cè)，由于四根Z型拉料桿的作用，澆注系統(tǒng)凝料也留在動模一側(cè)與動模一起移動，當(dāng)動模打開到合適距離時模具完成開模動作；第二步是頂出塑件和澆注系統(tǒng)凝料，注塑機(jī)液壓頂桿作用于頂桿墊板10上，模具頂出機(jī)構(gòu)開始動作，四根頂桿和四根Z型拉料桿分別作用于塑件和澆注系統(tǒng)凝料完成自動脫落，實現(xiàn)自動生成，到此模具完成開模所用動作；模具的合模則是在注射機(jī)液壓機(jī)構(gòu)和模具復(fù)位彈簧的作用下按照與開模相反的順序完成。

圖9 模具裝配示意Fig.9 Mold structure

4 模流分析與生產(chǎn)驗證

4.1 模流分析

在NX10/CAD模塊中導(dǎo)出單個塑件的“*.stl”格式文件，并將此文件以雙面層網(wǎng)格形式導(dǎo)入到Moldflow軟件中，修補(bǔ)和優(yōu)化處理單個塑件網(wǎng)格以滿足模流分析［9-10］要求，三角網(wǎng)格邊長設(shè)定為1.2 mm，網(wǎng)格數(shù)為4538個，網(wǎng)格匹配百分比為90.2%，網(wǎng)格相互百分比為86.3%，縱橫比平均值為1.16，最大縱橫比為9.10。利用Moldflow軟件的平移和鏡像功能創(chuàng)建其他三個塑件網(wǎng)格。澆注系統(tǒng)創(chuàng)建主要包括主流道、分流道和側(cè)澆口，主流道始端直徑為3 mm、末端直徑為12 mm、高90 mm，分流道為半圓形，半徑為3 mm，側(cè)澆口為矩形，寬4 mm、高1 mm。冷卻系統(tǒng)創(chuàng)建直通式循環(huán)冷卻回路，管道的直徑設(shè)定為8 mm。利用Moldflow軟件創(chuàng)建的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)網(wǎng)格見圖10。模流分析序列設(shè)定為“冷卻+填充+保壓+翹曲”，設(shè)置一個注射位置、兩個冷卻液入口位置，主要成型工藝參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置。

圖10 冷卻系統(tǒng)與澆注系統(tǒng)網(wǎng)格創(chuàng)建示意Fig.10 Grid diagram of cooling system and casting system

從圖11可以看出：塑件充填時間為2.383 s，流動過程穩(wěn)定，無短射情況；注射時間1.736 s時，注射壓力最大，為63.19 MPa，隨后進(jìn)入保壓階段，壓力為38.05 MPa，此數(shù)據(jù)為塑件實際注塑時注塑機(jī)壓力的設(shè)置提供了參考；塑件內(nèi)外表面無氣穴，氣穴主要分布在塑件兩端，兩端位置都是位于成型零件結(jié)合處，有利于排出氣體；塑件的澆口類型為側(cè)澆口，塑料熔體的流動是從模具腔體一端流向另一端，熔接線數(shù)量較少，且塑件內(nèi)外表面未出現(xiàn)，同時根據(jù)流動前沿溫度最低為288.2 ℃，最高為290.0 ℃，最大差值為1.8 ℃，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熔合；回路冷卻液進(jìn)口溫度為25.01 ℃，出口最高溫度為25.93 ℃，進(jìn)、出口冷卻液溫差為0.92 ℃，冷卻液溫度變化很小，進(jìn)、出口回路管壁最大溫差為1.45 ℃，小于經(jīng)驗參考最大值（5.00 ℃），證明了直徑為8 mm的直通式循環(huán)冷卻回路具有很好的冷卻效果；最大翹曲變形總量為0.6085 mm，變形量較小，在允許的區(qū)間內(nèi)。

圖11 模流分析結(jié)果Fig.11 Mold flow analysis results

以上Moldflow軟件得出的模擬分析從側(cè)面驗證了模具設(shè)計理念的合理性和可靠性。分析數(shù)據(jù)為塑件實際生產(chǎn)提供了注塑壓力、合模壓力等參考，檢查了在填充過程中是否存在短射、氣泡、不平衡填充等問題，檢驗了循環(huán)冷卻回路的效率，對優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)具有重要的指導(dǎo)作用。

4.2 生產(chǎn)驗證

根據(jù)前面的設(shè)計思路完成了模具零件的加工制造和裝配，各零部件動作穩(wěn)定、可靠，模具結(jié)構(gòu)緊湊、合理，滿足實際生產(chǎn)要求。注塑成型的產(chǎn)品見圖12，塑件表面光滑，尺寸滿足設(shè)計要求，也說明了該模具設(shè)計的合理性。

圖12 產(chǎn)品實物 Fig.12 Product objects

5 結(jié)論

a）運用NX10/CAD模塊完成了一模四腔的電動車后視鏡連接頭塑件注塑模具設(shè)計，利用斜率分析功能確定了塑件的分型面，創(chuàng)建了塑件兩側(cè)的側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)和鑲嵌件結(jié)構(gòu)，模具采用非平衡性多級流道和側(cè)澆口進(jìn)料，鑲嵌件中設(shè)計了頂桿及澆注系統(tǒng)底部的四根Z型拉料桿，使塑件和澆注系統(tǒng)凝料自動脫料，實現(xiàn)了模具自動化生產(chǎn)。

b）運用Moldflow軟件處理塑件網(wǎng)格，設(shè)計了澆注系統(tǒng)，創(chuàng)建了直通式循環(huán)冷卻回路，并對塑件成型過程進(jìn)行模擬分析，驗證了模具設(shè)計結(jié)果的合理性、可靠性。

c）該模具結(jié)構(gòu)緊湊、合理，實際生產(chǎn)中模具動作可靠穩(wěn)定，已經(jīng)得到實際生產(chǎn)驗證。