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        基于CAE技術(shù)的汽車轉(zhuǎn)向管柱護(hù)罩熱流道注塑模具設(shè)計

        2022-11-23 10:05:30傅瑩龍符立華葉星輝林連明任建平
        工程塑料應(yīng)用 2022年11期
        關(guān)鍵詞:件產(chǎn)品護(hù)罩導(dǎo)柱

        傅瑩龍,符立華,葉星輝,林連明,任建平

        (1.臺州科技職業(yè)學(xué)院,浙江臺州 318000;2.浙江凱華模具有限公司,浙江臺州 318000)

        汽車轉(zhuǎn)向管柱護(hù)罩是汽車內(nèi)飾件中比較重要的組成部分,它位于汽車方向盤下方部位,用于遮擋住方向盤的傳動軸,對于美觀性有一定的要求。汽車內(nèi)飾件基本為外觀件,對外表面的質(zhì)量要求較高,不能出現(xiàn)熔接痕、斑點(diǎn)、氣痕、毛邊及縮痕等缺陷,并且內(nèi)飾件形狀一般不規(guī)則,包含各種卡扣、boss柱、狗窩等連接結(jié)構(gòu),同時曲面形狀復(fù)雜,因此相應(yīng)的模具設(shè)計有一定的難度,一般借助CAE/CAD技術(shù)來完成結(jié)構(gòu)工藝分析和模具設(shè)計。熱流道是當(dāng)前塑料注塑技術(shù)的發(fā)展方向,是一種比較先進(jìn)的技術(shù),它可以縮短產(chǎn)品的成型周期并節(jié)省原材料,降低注塑壓力[1-3]。筆者通過對汽車轉(zhuǎn)向管柱護(hù)罩的前期CAE分析,預(yù)測可能存在的問題,通過設(shè)計多種組合抽芯機(jī)構(gòu),在頂出系統(tǒng)中采用了直斜頂組合機(jī)構(gòu)及二次頂出結(jié)構(gòu),解決了塑件產(chǎn)品脫模困難的問題。

        1 塑件的結(jié)構(gòu)分析

        某汽車轉(zhuǎn)向管柱護(hù)罩的零件圖如圖1所示,零件的整體尺寸為197 mm×115 mm×125 mm,體積約為118.2 cm3,選用材料為日本大賽璐科技有限公司生產(chǎn)的聚碳酸酯(PC)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS),牌號為NovalloyS 1220,收縮率為0.5%,其具有耐熱性好、抗沖擊性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),主要的物理力學(xué)性能及工藝性能參數(shù)見表1。

        圖1 汽車轉(zhuǎn)向管柱護(hù)罩零件圖

        表1 NovalloyS 1220的物理力學(xué)性能及工藝參數(shù)

        該塑件外表面要求光滑無痕,內(nèi)部無短射,尺寸滿足裝配要求[4-5]。圖1中產(chǎn)品的T1,T2兩處外表面有較大的內(nèi)凹特征,內(nèi)部各有4根厚度為0.5 mm的加強(qiáng)筋,最大深度可達(dá)到14 mm,T3,T4兩處區(qū)域有兩個圓形通孔和方形通孔的狗窩特征,通孔深度為3 mm,且該區(qū)域空間結(jié)構(gòu)狹小,這些結(jié)構(gòu)給模具結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了很大的困難。

        2 塑件的CAE分析

        將汽車轉(zhuǎn)向管柱護(hù)罩的零件圖保存為“*.x_t”導(dǎo)入CAE分析軟件Moldflow2019中,進(jìn)行網(wǎng)格的劃分處理,創(chuàng)建好熱流道與冷流道后,按照設(shè)定的注塑工藝參數(shù)(模具溫度70℃、熔體溫度265℃、保壓時間10 s、保壓壓力85%、冷卻時間20 s)在Modflow中進(jìn)行設(shè)置,通過“填充+保壓+翹曲”的分析,得到分析結(jié)果[6-7],如圖2所示。由圖2a和圖2b可以得出,產(chǎn)品充滿型腔的時間為1.915 s,充填過程穩(wěn)定,表面無滯留短射的現(xiàn)象出現(xiàn);在注射時間達(dá)到1.787 s時,注塑壓力達(dá)到最大為53.95 MPa,接著進(jìn)入10 s的保壓階段,保壓壓力為43.16 MPa。由圖2c和圖2d可以得出,當(dāng)塑件頂出時,塑件表面的收縮率均勻,表面都已經(jīng)凍結(jié),符合頂出的要求。由圖2e和圖2f可以得出,塑件的外表面基本沒有氣穴,氣穴主要分布在內(nèi)表面的卡扣及兩處狗窩上,可通過設(shè)計排氣鑲塊解決該問題,塑料熔體從模具的一側(cè)流向另一側(cè),塑件表面無明顯熔接線,符合技術(shù)要求。

        圖2 CAE分析結(jié)果

        3 塑件的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

        3.1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

        由前述CAE分析,本模具采用了開放式熱流道與冷流道相結(jié)合的技術(shù),以側(cè)澆口的方式進(jìn)膠,澆口寬10 mm、高1.5 mm,如圖3所示。開放式熱流道在加熱線圈的加熱下,使料流始終處于熔融的狀態(tài),降低了注塑壓力;在冷流道的尾端設(shè)置了一小段的冷料井,以降低產(chǎn)品表面出現(xiàn)冷料缺陷的風(fēng)險。

        圖3 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

        3.2 成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

        注塑模具成型零件的設(shè)計需要全面考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求、脫模方向及分型面的位置等因素[8-9]。由于塑件產(chǎn)品的外表面要求皮紋處理,綜合考慮模具的制造成本,定模型腔側(cè)采用整體的高端塑料模具鋼718,這種材料具有耐腐蝕性和拋光性好的特點(diǎn),洛氏硬度可達(dá)33~36,經(jīng)常應(yīng)用在汽車內(nèi)飾件的模具中。

        定模的整體尺寸為500 mm×400 mm×175 mm,如圖4a所示,由于模具尺寸較為緊湊,故在四個虎口處設(shè)計了四塊承壓板。動模B板也采用整體式的結(jié)構(gòu),在模具鋼方面采用性價比更高的P20鋼材,整體尺寸為500 mm×400 mm×235 mm,如圖4b所示。在塑件的狗窩處設(shè)計有兩個排氣鑲塊,由于鑲塊的尺寸較小,沒有足夠的空間設(shè)計水路,為了使該處的冷卻效果更好,鑲塊的材料采用導(dǎo)熱效率更高的鈹銅。

        圖4 動定模的結(jié)構(gòu)設(shè)計

        3.3 抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計

        當(dāng)塑件產(chǎn)品有側(cè)孔、側(cè)凹的形狀時,一般都需要設(shè)計側(cè)向的抽芯機(jī)構(gòu),這樣塑件產(chǎn)品才可以順利脫模取出。由圖1可知,塑件產(chǎn)品T1,T2處的外表面邊緣處有較大的內(nèi)凹半圓孔特征,抽芯距離至少達(dá)到22 mm,受模具尺寸限制,不宜采用斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu),故采用了“油缸+滑塊”的布局,設(shè)計了液壓抽芯機(jī)構(gòu),如圖5所示,滑塊沿著各自的脫模方向運(yùn)動,通過限位桿和行程開關(guān)控制油缸的工作距離,滑塊材料采用718H塑料模具鋼,由黃銅石墨組合的壓條進(jìn)行導(dǎo)滑。

        圖5 液壓抽芯機(jī)構(gòu)

        在圖1中塑件產(chǎn)品的T3,T4區(qū)域有深度3 mm的通孔,由于抽芯距離短,可以使用“側(cè)型芯+滑塊+斜導(dǎo)柱”的抽芯機(jī)構(gòu),如圖6所示,斜導(dǎo)柱的工作角度按常用的12°設(shè)計,按實(shí)際抽芯距離為6 mm可計算出斜導(dǎo)柱的工作長度為29 mm,為了保證導(dǎo)柱工作時有足夠的強(qiáng)度與剛度,導(dǎo)柱的直徑設(shè)計為35 mm,滑塊孔設(shè)計為36 mm,使兩者有足夠的間隙,防止卡死;同時在滑塊的背面設(shè)有耐磨板,減少模具鉗工研配的時間。

        圖6 “側(cè)型芯+滑塊+斜導(dǎo)柱”抽芯機(jī)構(gòu)

        3.4 動模直斜頂組合及二次頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計

        塑件產(chǎn)品T3,T4處的內(nèi)部特征為比較大的倒扣,又有多處的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu),內(nèi)部空間比較狹窄,采用常規(guī)的單一斜頂機(jī)構(gòu)很難將產(chǎn)品推出,故在頂針板處巧妙地設(shè)計了定距拉鉤機(jī)構(gòu),利用二次頂出機(jī)構(gòu)將產(chǎn)品推出,如圖7所示。

        圖7 定距拉鉤的二次頂出機(jī)構(gòu)

        同時在頂出時為了減少產(chǎn)品的變形,增加了小直頂塊11;斜頂塊10的工作角度設(shè)計為12°,頂出油缸7在頂出的前140 mm以內(nèi),兩個對稱的斜頂塊10與小直頂塊11以及一個大直頂塊9一起頂出;當(dāng)頂出距離達(dá)到140 mm時,斜頂塊10與產(chǎn)品內(nèi)部側(cè)面分離,此時卡塊1碰到定距拉桿4而脫離擋塊13,同時頂針板2停止運(yùn)動,接著頂出油缸繼續(xù)運(yùn)動30 mm,帶動頂針固定板上的頂針將產(chǎn)品推出。

        4 模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

        由于產(chǎn)品整體為不規(guī)則的三維曲面結(jié)構(gòu),如果冷卻效果不夠理想,產(chǎn)品很容易發(fā)生翹曲變形。由于模具定模采用整體式的結(jié)構(gòu),故采用了3條直徑為12 mm的“直通+隔水片水井”結(jié)構(gòu)的水路;動模模仁基本由抽芯塊跟頂出塊組成,無法將水路連在一起,因此在各個機(jī)構(gòu)都單獨(dú)設(shè)計了冷卻回路,如圖8所示。

        圖8 模具冷卻水路

        5 模具整體結(jié)構(gòu)及工作過程

        模具的總裝圖如圖9所示,整體尺寸為840 mm×770 mm×850 mm,采用兩板式的模具結(jié)構(gòu),應(yīng)用了熱流道板與熱流道組合的加熱系統(tǒng),減少了系統(tǒng)的注塑壓力,熱流道板通過金屬墊塊與定模A板分開,減少能量損失,模具型腔采用整體式,型芯采用鑲拼,采用非標(biāo)模架,減少模具后期的制造周期[10-11]。

        圖9 模具裝配圖

        模具的工作原理如下:

        ①首先在注塑機(jī)裝上模具,然后將模具熱流道接線口與電源相連并加熱到設(shè)定的溫度,待注塑機(jī)料筒中的螺桿對塑料進(jìn)行塑化和儲料后,在注塑壓力的作用下,將塑料熔體注入熱流道板12通過熱流道10進(jìn)入模具的型腔,同時所有水路都通入冷卻水對模具進(jìn)行冷卻;

        ②待產(chǎn)品固化后,在開模力的作用下,定模A板9跟動模B板6分開,同時滑塊14在斜導(dǎo)柱15的作用下完成抽芯;

        ③待動模停止運(yùn)動后,抽芯油缸25與31同時通入液壓油,抽動滑塊26與30,待滑塊上的限位桿碰到各自的行程開關(guān)24與32后,抽芯動作完成;

        ④此時兩個頂出油缸16在液壓力的作用下,帶動頂針固定板19開始頂出運(yùn)動,同時頂針板20在卡塊2與擋塊3的共同作用下隨頂針固定板19一起運(yùn)動,隨后固定在頂針板20上的萬向滑座21與直頂桿推動斜頂桿22與大直頂塊29一起推出塑件;

        ⑤待頂出油缸16的運(yùn)動距離達(dá)到140 mm時,卡塊2在定距拉桿4的作用下脫離卡塊3,此時斜頂桿22完成側(cè)向抽芯,大直頂塊29也停止運(yùn)動,頂出油缸16繼續(xù)運(yùn)動30 mm,帶動頂針固定板19上的頂針18將產(chǎn)品頂出,此后頂出油缸16復(fù)位,接著抽芯油缸25與31也在注塑機(jī)壓力的作用下完成復(fù)位動作,最后合模開啟下一個注塑循環(huán)周期。

        6 結(jié)語

        通過對汽車轉(zhuǎn)向管柱護(hù)罩塑件的結(jié)構(gòu)分析,結(jié)合CAE技術(shù)分析了塑件成型時潛在的問題,設(shè)計了一副單點(diǎn)開放式熱流道單分型面的模具。分別采用了“側(cè)型芯+滑塊+斜導(dǎo)柱”與液壓抽芯機(jī)構(gòu),完成產(chǎn)品的側(cè)向脫模;在頂出系統(tǒng)中使用了動模直斜頂組合及二次頂出機(jī)構(gòu),解決了產(chǎn)品頂出時容易變形以及脫模困難的問題;在定模側(cè)采用了“隔水片”式的水路,動模側(cè)每個鑲塊采用了獨(dú)立的循環(huán)水路。設(shè)計的模具投產(chǎn)后,各機(jī)構(gòu)運(yùn)行順暢,塑件產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)符合要求,證明該模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可靠,為類似塑件的模具產(chǎn)品設(shè)計提供了有價值的參考。

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