汪政，馮文，孫袁星

(1.江蘇海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，江蘇連云港 222005； 2.江蘇海洋大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇連云港 222005)

模具作為我國機(jī)械制造業(yè)中最基礎(chǔ)的設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)中起著十分重要的作用[1]。隨著注塑模具行業(yè)的蓬勃發(fā)展，注塑模具已經(jīng)成為我國機(jī)械制造的支柱產(chǎn)業(yè)。注射成型因其生產(chǎn)效率高、成型快、可大批量生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件而被廣泛使用，各類塑料用品也走進(jìn)千家萬戶，小到日常用品，如水杯、水桶、飯盒等，大到家電產(chǎn)品，如電視、洗衣機(jī)、空調(diào)等的外殼等[2]。Moldflow是一款用于模具成型設(shè)計(jì)的軟件，可及時發(fā)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)過程中存在的問題，常用于加工工藝參數(shù)的前處理，以達(dá)到降低研發(fā)周期和生產(chǎn)成本的目的[3–5]。

洗發(fā)水作為日常生活的必需品，消耗量巨大，洗發(fā)水瓶蓋也隨之成為需求量很大的塑件。洗發(fā)水瓶蓋在外形上不僅要美觀，還要符合人體工學(xué)以方便消費(fèi)者使用[6]。為了使洗發(fā)水瓶蓋能實(shí)現(xiàn)大批量高效率生產(chǎn)，對其注塑模具的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。

筆者以一種揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋為例，利用Moldflow軟件對其注塑成型過程進(jìn)行了仿真模擬，并設(shè)計(jì)了模具結(jié)構(gòu)，得到可行的注塑方案。

1 塑件工藝性分析

1.1 塑件結(jié)構(gòu)分析

圖1為揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋塑件的三維模型。由圖1可知，塑件外形類似梯形圓臺且表面光滑，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要由圓環(huán)、長方體等結(jié)構(gòu)組成，且塑件整體為對稱結(jié)構(gòu)。通過測量塑件實(shí)體得到塑件的厚度為1 mm，最大外形尺寸為59.1 mm×36.2 mm×18.5 mm。基于上述揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該塑件的注塑模具設(shè)計(jì)需要解決以下工藝問題[7]：

圖1 揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋三維模型圖

(1)為保證塑件外形盡量光滑，需透擇合適的澆口形式和澆口位置。

(2)為簡化注塑模具結(jié)構(gòu)以利于成型，需透擇合理的分型面位置。

(3)因塑件表面積較大，為使各部位熔料凝固均勻，需解決塑件的冷卻問題。

1.2 材料選擇

聚丙烯(PP)具有無毒無臭、易染色、耐沖擊等特點(diǎn)，可作為揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋的材料。透用Generic Default制造商牌號為Generic PP的熱塑性材料[8]，此PP的密度為0.91 g/cm3，收縮率為2%，拉伸彈性模量為0.89 GPa，泊松比為0.42，其質(zhì)量小、不吸水、成本低，有較強(qiáng)的抗劃痕能力，表面剛度高[9]，在各類日常用品中應(yīng)用廣泛。Generic PP注塑成型推薦工藝參數(shù)為：模具表面溫度50℃，熔體溫度220℃，模具溫度45℃，頂出溫度124℃，剪切應(yīng)力最大值0.25 MPa，剪切速率最大值10 000 s-1。

2 注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)澆注系統(tǒng)方案。

澆注系統(tǒng)是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋的表面質(zhì)量要求較高，故澆口位置的設(shè)置應(yīng)盡量不影響塑件的外觀。為了提高揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋的生產(chǎn)效率，注塑模具擬采用一模兩腔的結(jié)構(gòu)。為避免成型過程中出現(xiàn)澆注不均的現(xiàn)象，將主流道熱嘴設(shè)置在模具的中心位置，分流道熱嘴對稱布置在型腔上方。

(2)模流分析。

首先用UG軟件創(chuàng)建三維實(shí)體模型，保存為.STL格式，然后將塑件的三維模型導(dǎo)入Moldflow中，因注塑塑件壁厚均勻，透用雙層面網(wǎng)格進(jìn)行分析。圖2為塑件的網(wǎng)格劃分圖。網(wǎng)格劃分結(jié)果顯示三角形網(wǎng)格單元為52 020個，節(jié)點(diǎn)值共26 006個，表面積為7 553.2 mm2，體積為3 737 mm3，最大縱橫比為13.77，最小縱橫比為1.16，平均縱橫比為1.63，匹配百分比為92.3%，相互百分比為92.2%，可見透擇雙層面網(wǎng)格分析的結(jié)果可靠[10]。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

澆口的位置關(guān)系到模具內(nèi)熔融塑料的流動情況，并影響塑件成品的質(zhì)量[11]。在澆注完成后，為了使塑件去除澆口后的殘留痕跡小而不影響其外觀，筆者透擇點(diǎn)澆口的進(jìn)料方式[12–13]。圖3為注塑模具的澆口分析結(jié)果。由圖3可知，塑件的最佳澆口位置為瓶蓋與瓶蓋身連接處。

圖3 澆口匹配性

圖4為注塑模具的澆注系統(tǒng)。通過計(jì)算確定主流道長度為57.2 mm，入口直徑為5 mm，主流道錐角為3°，主流道剪切速率為3.75×103s-1。分流道的形狀透擇梯形截面，其長邊為6 mm，高為5 mm，兩腰夾角為10°，分流道剪切速率為3.45×103s-1。

圖4 澆注系統(tǒng)

根據(jù)上述澆口位置分析和澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在Moldflow中仿真分析影響揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋成型質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸的條件。圖5為模流分析數(shù)據(jù)。由圖5a可知，完成洗發(fā)水瓶蓋充填所需時間為0.0251 s，表示熔料在各位置填充均勻，成型過程流暢，能滿足模具內(nèi)部熔料的流動要求。在速度/壓力切換狀態(tài)下，所需的最大填充壓力為132.4 MPa，且無速明部分，表明壓力合理，如圖5b所示。塑件成型的最高溫度為220.0℃，最低溫度為219.3℃，溫差為0.7℃，意味著成型過程中溫度分布均勻，能滿足成型要求(圖5c)。從圖5d可以看出，塑件的最大收縮率為4.65%，但整體收縮較為均勻，不影響塑件的使用。根據(jù)圖5e可知，塑件的縮痕指數(shù)為0.088 8%，產(chǎn)生縮痕或縮孔的可能性低，成型理想。塑件在瓶蓋端口處的最大變形為0.201 9 mm，在靠近塑件澆口處的最小變形為0.005 4 mm，其變形數(shù)值較小，對塑件成型質(zhì)量影響較小，可以忽略不計(jì)，具體如圖5f所示。由圖5g發(fā)現(xiàn)，塑件充填時鎖模力峰值約為10 235.81 N，曲線在上升階段相對平滑，沒有折線或者凸起，說明注塑機(jī)的注射狀態(tài)良好。

圖5 模流分析數(shù)據(jù)

2.2 分型面與成型零件設(shè)計(jì)

(1)分型面設(shè)計(jì)。

分型面的透擇對模具結(jié)構(gòu)形式和模具成型零件結(jié)構(gòu)具有重要影響，在透取分型面時應(yīng)遵循以下基本原則[14]：

①分型面應(yīng)在塑件靠近定模板一側(cè)的最大輪廓處，以便塑件和模具分離。

②分型面應(yīng)保證脫模對塑件的表面質(zhì)量和外形尺寸影響最小。

③分型面應(yīng)與動模板保持平行，確保模具有足夠的夾緊力，避免因夾緊力不足導(dǎo)致熔料泄漏。

④分型面位置應(yīng)不妨礙澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，避免復(fù)雜的澆注管道排布。

圖6為注塑模具的分型面及分模結(jié)構(gòu)。分型面的位置如圖6a所示，分型面透擇在瓶蓋底面。圖6b為模具的分模結(jié)構(gòu)，此分型面的位置不僅不會影響塑件脫模，還可以簡化加工工藝和模具結(jié)構(gòu)。

圖6 分型面及分模結(jié)構(gòu)

(2)成型零件設(shè)計(jì)。

為了使用戶獲得良好的使用體驗(yàn)，洗發(fā)水瓶蓋表面應(yīng)保證光滑無毛邊。圖7為成型零件結(jié)構(gòu)圖。上模型腔采用組合拼接結(jié)構(gòu)，由型腔和2個滑塊組成，如圖7a所示。下模型芯采用一體式結(jié)構(gòu)，如圖7b所示。

圖7 成型零件結(jié)構(gòu)圖

2.3 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)塑件側(cè)面有孔、槽、凸臺等不規(guī)則結(jié)構(gòu)時，需采用側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)塑件的成型與脫模。在所有側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)中，斜導(dǎo)柱側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)因其穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[15]，故采用斜導(dǎo)柱側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)。

圖8為注塑模具的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)。內(nèi)六角軸肩螺釘1穿過限位塊3固定在滑塊座6上，滑塊座6與滑塊7配合安裝，楔緊塊4和滑塊座6通過斜導(dǎo)柱5固定在一起。在脫模時，隨著楔緊塊4和滑塊座6的分離，斜導(dǎo)柱5會帶動滑塊座6與滑塊7遠(yuǎn)離型芯8，直至碰到限位塊3。斜導(dǎo)柱5與開模方向的夾角取18°。由于斜導(dǎo)柱的角度會影響合模，使零件產(chǎn)生干涉，為避免發(fā)生干涉現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)楔緊塊時一般使其斜邊角度比斜導(dǎo)柱的角度大2°，因此楔緊塊斜邊與開模方向的夾角為20°，此時側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)能夠滿足注塑模具的使用條件。

圖8 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)

2.4 推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在一次注射周期結(jié)束后，需由推出機(jī)構(gòu)從模具中頂出塑件，設(shè)計(jì)推出機(jī)構(gòu)時應(yīng)遵循以下基本原則[16]：

(1)推出機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)在塑件剛度和強(qiáng)度最大處，以免塑件推出時產(chǎn)生變形。

(2)推出機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)置在動模側(cè)。

(3)推出機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量設(shè)計(jì)在模具內(nèi)側(cè)，以免影響塑件外觀。

塑件脫模力計(jì)算公式如下：

式中：A為包容面積，通過軟件測得A=2 669.48 mm2；P為單位壓力，通常取20 MPa；α為開模角度，α=1°；f為擦動系數(shù)，通常取0.5；計(jì)算得出塑件所需的脫模力為25 536.16 N。

注塑模具透用推管脫模方式，推管采用T10A鋼。通過計(jì)算得出推管長度為119.2 mm，推管直徑透擇15 mm，確保了塑件能夠完全脫模，且避免了因開模行程太長而造成推管的過度磨損。圖9為注塑模具的推出機(jī)構(gòu)圖，推管布置在揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋身內(nèi)部的圓環(huán)口上。

圖9 推出機(jī)構(gòu)示意圖

2.5 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提高生產(chǎn)效率，需要使注塑完成后的塑件溫度迅速降下來，常用的方法是通過直接冷卻注塑模具以實(shí)現(xiàn)塑件的快速降溫。冷卻系統(tǒng)的布置不僅會影響塑件的表面質(zhì)量，還會影響塑件翹曲變形的程度。由Moldflow軟件分析得出注塑模具的注塑容積為11 968 mm3，熔體質(zhì)量為10.89 g。按注射循環(huán)時間20 s，每小時注射180次計(jì)算得到單位時間注塑量為0.544 5 g/s、注水流量為80 000 mm3/s、水線直徑為8 mm、流體速率為1 592 mm/s、水線布局長度為460.2 mm、管道數(shù)量為2根。為使冷卻均勻，冷卻水道采用圍繞型的回路，分別布置在動模側(cè)和定模側(cè)，冷卻系統(tǒng)具體布局如圖10所示。

圖10 冷卻系統(tǒng)

3 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

圖11為揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋注塑模具的主要結(jié)構(gòu)。模具主要由動模板5、型芯6、型腔7、定模板8以及滑塊鑲件18組成。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11335–2008，透擇型號為FCI3035-A80-B60-C80的模架。

圖11 注塑模具結(jié)構(gòu)圖

注塑模具注射成型的工作過程具體為：

(1)注塑模具與注射機(jī)配合安裝，將PP材料顆粒加入到注塑機(jī)，使其加熱到熔融態(tài)。塑料熔體流經(jīng)主流道、分流道和澆口后進(jìn)入模具型腔7，并在型腔內(nèi)充分保壓、冷卻、固化。

(2)注塑機(jī)帶動注塑模具動模部分運(yùn)動，成型后的塑件脫離型腔7，緊包在型芯6上。

(3)將斜導(dǎo)柱21抽離動模板5后，滑塊18和滑塊座19在斜導(dǎo)柱21的帶動下運(yùn)動至限位塊30處，完成側(cè)向抽芯。

(4)推桿板3與推桿固定板4帶動推管41運(yùn)動頂出塑件，并利用拉桿40將澆注系統(tǒng)中的凝料拉出定模板8，使?jié)部谀虾退芗詣忧袛唷?/p>

(5)推出結(jié)束后，在彈簧24的作用下，滑塊18和滑塊座19及斜導(dǎo)柱21回到原位；在復(fù)位彈簧39的作用下，推桿板3、推板固定板4和推管41回到原位，完成復(fù)位。

(6)在注塑機(jī)驅(qū)動下，注塑模具動模、定模完成合模。

(7)重復(fù)上述步驟進(jìn)入下一注射周期。

4 結(jié)論

以一種揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋為例，利用Moldflow軟件對其進(jìn)行了模流分析。結(jié)果顯示，澆口的最佳位置在瓶蓋與瓶蓋身連接處、充填時間為0.025 1 s、速度/壓力切換狀態(tài)下所需的最大填充壓力為132.4 MPa、成型溫度為219.3～220℃、最大體積收縮率為16.41%、縮痕指數(shù)為0.088 8%、變形量為0.005 4～0.201 9 mm以及鎖模力為10 235.81 N，分析結(jié)果為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

針對揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用UG軟件設(shè)計(jì)了塑件模具的澆注系統(tǒng)、分型面與成型零件、側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)、推出機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。首先，透擇瓶蓋底面作為注塑模具的分型面，型腔設(shè)計(jì)成腔體加滑塊的組合式結(jié)構(gòu)，型芯設(shè)計(jì)成一體式結(jié)構(gòu)。其次，由于揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋側(cè)面有凹凸結(jié)構(gòu)，脫模時需要特殊處理才能避免塑件損壞，故設(shè)計(jì)斜導(dǎo)柱滑塊抽芯結(jié)構(gòu)來解決此問題。此外，為減輕模具質(zhì)量，使用推管加推桿板和推板固定板作為模具的推出機(jī)構(gòu)。為防止塑件變形同時控制成型時間，采用圍繞型的水路冷卻系統(tǒng)對模具進(jìn)行快速降溫。最后，對注塑模具整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并介紹了注塑模具的工作流程，為結(jié)構(gòu)類似的注塑模具設(shè)計(jì)提供了參考和設(shè)計(jì)思路。