范玉，黃繼戰(zhàn)，范佳琦

[1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.施耐德電氣(上海)有限公司，上海 200042]

正極支架是用于安裝充電電池的塑料件，其內(nèi)部安裝有電子元器件實(shí)現(xiàn)充電功能，正極支架屬于殼體類產(chǎn)品，它的內(nèi)部與電池相配合，在4個(gè)方向需要設(shè)計(jì)抽芯機(jī)構(gòu)，此類支架類模具結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，具有典型性，筆者根據(jù)某正極支架塑件的特點(diǎn)進(jìn)行了成型工藝分析，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的抽芯機(jī)構(gòu)和注塑模具，可為同類塑件的工藝優(yōu)化及模具設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 塑件工藝分析

1.1 塑件的材料性能分析

該塑件是一種安裝電池的塑料支架，生產(chǎn)批量較大，圖1為應(yīng)用UG NX10.0軟件設(shè)計(jì)的塑件三維圖，材料為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%玻璃纖維增強(qiáng)聚苯醚共聚物(PPE/10%GF)，成型工藝性較差，收縮率取為0.4%，密度為1.20～1.26 g/cm3，具有良好熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性及較好力學(xué)性能[1-2]。

圖1 正極支架

該塑件外形尺寸為162 mm×96 mm×29 mm，體積為94 cm3，壁厚均值為1.8 mm，脫模斜度設(shè)為1.2°。塑件表面無特殊要求，尺寸精度要求較高，翹曲變形應(yīng)小。該塑件內(nèi)部需要安裝電池，外部需要固定，配合尺寸精度選用MT3級(jí)。該塑件外側(cè)面有較多的異形孔，筆者通過采用一種特殊的順序外抽芯機(jī)構(gòu)，成功地解決了模具結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)問題，模具采用一模一腔的四邊外抽芯三板式模具結(jié)構(gòu)[3]。

1.2 塑件模流分析

Moldflow模流分析軟件在注塑模具設(shè)計(jì)中的作用非常重要，模流分析能夠獲得最佳的模具設(shè)計(jì)方案，減少模具后期反復(fù)試模和修模的次數(shù)，縮短模具的制造周期，提高塑件成型合格率，降低模具的設(shè)計(jì)制造成本。筆者應(yīng)用Moldflow模流分析軟件，對(duì)正極支架注塑工藝進(jìn)行了優(yōu)化分析，確定了最優(yōu)的工藝方案。

將正極支架模型以STL格式導(dǎo)入至Moldflow分析軟件中，對(duì)其進(jìn)行雙層面網(wǎng)格(Fusion)劃分，通過多次網(wǎng)格診斷與優(yōu)化，來提高網(wǎng)格質(zhì)量，進(jìn)而提高分析的準(zhǔn)確性、可靠性。單元縱橫比對(duì)分析計(jì)算的準(zhǔn)確性有較大的影響，縱橫比的推薦最小值為1～2，推薦最大值為15～16。圖2為修補(bǔ)合格的網(wǎng)格模型，經(jīng)網(wǎng)格狀態(tài)統(tǒng)計(jì)可知，該模型共有66 566個(gè)三角形單元，最大縱橫比為15.6，最小縱橫比1.28，平均縱橫比2.66，自由邊、交叉邊均為0，無相交單元和重疊單元，匹配百分率為93.5%，能夠滿足填充、保壓、冷卻及翹曲的分析要求[4]。

圖2 修補(bǔ)合格的網(wǎng)格模型

1.3 原材料參數(shù)屬性及成型工藝參數(shù)設(shè)置

通過Moldflow 2012中文版軟件查詢得到塑件PPE/10%GF材料的屬性，根據(jù)PPE/10%GF材料的黏度曲線圖及對(duì)應(yīng)的壓力體積溫度PVT曲線圖，得到推薦成型工藝參數(shù)：模具的表面溫度為80℃、模具溫度變化范圍70～90℃、熔體溫度范圍280～300℃、頂出溫度131℃、最大剪切應(yīng)力為0.45 MPa、最大剪切速率5 000 s-1。上述參數(shù)供設(shè)計(jì)師在設(shè)定工藝參數(shù)時(shí)參考[5]。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 分型面的選擇

分型面的設(shè)計(jì)是模具設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，模具分型面的選擇決定了模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，影響塑件質(zhì)量、開模后塑件的脫模形式，根據(jù)模具分型面的選擇原則，考慮塑件的裝配要求及開模取出塑件的難易程度，分型面一般設(shè)在最大輪廓處，根據(jù)正極支架塑件特點(diǎn)，模具分型面應(yīng)選擇在如圖3所示的A-A處[6]。

圖3 分型面位置

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)由主流道、分流道及澆口組成，在模具結(jié)構(gòu)中的作用是引導(dǎo)熔體進(jìn)入模具型腔，使型腔內(nèi)的氣體順利地排出，在熔體填充型腔及逐漸凝固的過程中，把壓力傳到型腔各個(gè)部位，以獲得尺寸穩(wěn)定的塑件，選擇正確的澆口位置是保證產(chǎn)品成型質(zhì)量的前提條件。圖4為澆口位置分析結(jié)果圖，圖中顏色最深的位置為澆口最佳位置[7]。結(jié)合圖4并考慮到塑件外觀質(zhì)量要求高的特點(diǎn)，通過分析、比較，最終將點(diǎn)澆口位置確定在塑件上面，采用3個(gè)澆注點(diǎn)，塑件裝配后澆口痕跡不可見[8]。

圖4 澆口位置分析結(jié)果圖

為了實(shí)現(xiàn)該塑件的節(jié)材及大批量生產(chǎn)，保證塑件成型質(zhì)量，正極支架模具澆注系統(tǒng)采用雙分型面三個(gè)點(diǎn)澆口進(jìn)料的澆注系統(tǒng)，其速度/壓力切換時(shí)的壓力圖，如圖5所示。

圖5 速度/壓力切換時(shí)的壓力圖

圖6 為設(shè)計(jì)的澆口套圖。圖6中，主流道位于模具中心線上，其端面與噴嘴接觸處設(shè)計(jì)成半球形，球半徑為20 mm。為了便于澆注系統(tǒng)凝料的取出，主流道設(shè)計(jì)成圓錐形，小端直徑取5 mm，大端直徑取8.2 mm，表面粗糙度值為0.8 μm，主流道末端設(shè)置帶有拉料桿的冷料穴。分流道截面采用6 mm×5 mm×4 mm的梯形截面，針點(diǎn)澆口直徑為1.3 mm。主流道尺寸如圖6所示。

圖6 澆口套圖

2.3 模具成型零件設(shè)計(jì)

成型零件主要由型腔、型芯及成型滑塊組成。型腔和型芯零件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、硬度、耐磨性。結(jié)合塑件生產(chǎn)批量，成型零件選材為P20模具鋼?？紤]到型腔加工容易以及為節(jié)省優(yōu)質(zhì)鋼材，采用整體嵌入式結(jié)構(gòu)，由于模具采用了一模一腔的針點(diǎn)澆口進(jìn)料方式，故模架選擇為三板式結(jié)構(gòu)。圖7為型腔鑲件圖，圖8為型芯鑲件圖。根據(jù)鑲件尺寸，并考慮模具抽芯結(jié)構(gòu)、冷卻水道因素，選擇標(biāo)準(zhǔn)模架，型號(hào)為龍記DCⅠ-3045-A60-B110-C90[8]。

圖7 型腔鑲件圖

圖8 型芯鑲件圖

2.4 模具側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該正極支架在四個(gè)側(cè)壁上具有倒扣特征，為使塑件在頂出之前完成側(cè)抽芯，模具上需在4個(gè)方向上設(shè)計(jì)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)[2]。

(1)側(cè)抽芯距的確定。

抽芯距是側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，一般規(guī)定：

式(1)中S為抽芯距，T為產(chǎn)品側(cè)孔深度，l(2～5 mm)為安全距離。

(2)寬度方向側(cè)抽芯方案的確定。

由圖1可知，塑件的寬度一側(cè)有兩個(gè)十字槽、兩個(gè)長(zhǎng)方孔，十字槽與長(zhǎng)方孔如果同時(shí)抽芯存在干涉，導(dǎo)致模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成為本模具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。筆者創(chuàng)新設(shè)計(jì)了圖9所示的一套斜導(dǎo)柱滑塊抽芯方案，采用在成型滑塊開設(shè)道軌方法，完成兩個(gè)相互垂直方向的抽芯，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)二次順序脫模的抽芯機(jī)構(gòu)。其工作原理為：開模時(shí)，由于斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)力的作用，斜滑塊(圖9b)在導(dǎo)滑槽導(dǎo)向的作用下向后運(yùn)動(dòng)，由于斜滑塊與成型滑塊(圖9c)是活動(dòng)連接，此時(shí)成型滑塊沒有脫模動(dòng)作，固定于斜滑塊上的斜導(dǎo)塊帶動(dòng)小斜滑塊(圖9d)向另一側(cè)運(yùn)動(dòng)，完成長(zhǎng)方孔抽芯后，限位螺釘起作用，帶動(dòng)成型滑塊一起向后移動(dòng)，側(cè)型芯完全脫離塑件后，抽芯結(jié)束[9]。

圖9 寬度方向順序脫模機(jī)構(gòu)三維圖及各主要零件圖

(3)側(cè)抽芯力的計(jì)算。

塑料熔體在模腔內(nèi)冷卻收縮時(shí)逐漸包緊側(cè)型芯，產(chǎn)生包緊力。因此，抽芯力須克服包緊力和因包緊力而產(chǎn)生的摩擦力。將相關(guān)參數(shù)代入側(cè)抽芯的計(jì)算公式計(jì)算可得：長(zhǎng)度方向一組抽芯機(jī)構(gòu)側(cè)抽芯力為2 816 N，寬度方向側(cè)抽芯力為5 625 N。

(4)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)的側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)共包含寬度和長(zhǎng)度兩個(gè)方向的機(jī)構(gòu)，寬度方向抽芯機(jī)構(gòu)如圖9所示。長(zhǎng)度方向有4個(gè)側(cè)孔，設(shè)置兩套相同的抽芯機(jī)構(gòu)完成2個(gè)塑件長(zhǎng)度方向的抽芯功能，采用“滑塊+斜導(dǎo)柱”外側(cè)動(dòng)模抽芯機(jī)構(gòu)。圖10為長(zhǎng)度方向抽芯機(jī)構(gòu)圖。

圖10 長(zhǎng)度方向脫模機(jī)構(gòu)圖

2.5 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及翹曲變形分析

流動(dòng)狀態(tài)湍流時(shí)傳熱效率高，當(dāng)雷諾數(shù)大于2 200時(shí)流體處于過渡流狀態(tài)，大于4 000時(shí)流體處于湍流狀態(tài)，冷卻分析時(shí)的默認(rèn)值為10 000。有效而均勻的冷卻對(duì)保證塑件質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率非常重要，所以冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)是注塑模具設(shè)計(jì)中的重要組成部分[6]。冷卻水路的直徑設(shè)計(jì)為10 mm，其回路冷卻液溫度分析結(jié)果如圖11所示。圖11表明，冷卻水入口溫度為25.01℃，出口溫度為26.59℃，最大溫差為1.58℃，小于溫差允許值3℃，說明模具冷卻效果良好[10]。

圖11 冷卻回路液溫度

翹曲變形是指塑件的形狀偏離模具型腔的形狀所規(guī)定的范圍，在模具注塑過程中，翹曲是由于塑件收縮率不均勻而產(chǎn)生的，它是塑件常見的缺陷之一[11]。通過塑件翹曲分析，預(yù)測(cè)成型后的翹曲變形，從而確定改進(jìn)方案及措施。塑件翹曲分析結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，所有因素對(duì)塑件造成的翹曲總變形范圍為0.084～0.643 7 mm，在塑件邊緣及距離澆口較遠(yuǎn)處變形較大，由于塑件尺寸較大，變形結(jié)果可以接受。收縮不均為該塑件翹曲變形的主要影響因素，收縮不均引起的變形可以通過調(diào)整保壓方法進(jìn)行優(yōu)化，模具結(jié)構(gòu)不受影響[11-12]。

圖12 翹曲變形

2.6 模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合上述模流分析結(jié)果，利用UG NX10.0軟件對(duì)塑件進(jìn)行模具優(yōu)化設(shè)計(jì)，繪制的模具3D結(jié)構(gòu)圖如圖13所示，該模具的滑塊機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)相互垂直方向的脫模，完成順序脫膜。

圖13 模具3D結(jié)構(gòu)圖

模具總體結(jié)構(gòu)為一模一腔的三板式模具，繪制的模具工程圖如圖14所示。對(duì)于注塑機(jī)，選擇螺桿式，其型號(hào)為XS-ZY-125/90，該注塑機(jī)的最大注射量為125 cm3，注塑壓力為120 MPa，最大鎖模力為900 kN[13]。

圖14 正極支架模具的結(jié)構(gòu)

3 模具的工作過程

合模時(shí)，在導(dǎo)柱19、導(dǎo)套2的共同作用下模具閉合，熔融的塑料從噴嘴經(jīng)流道及三個(gè)針點(diǎn)澆口注入注塑模具的模腔，保壓冷卻后，注塑機(jī)帶動(dòng)動(dòng)模部分向后移動(dòng)，因阻尼扣塞27對(duì)型腔固定板8的摩擦阻力，在兩個(gè)分型面中，分型面B打開將非常困難，分型面A在克服針點(diǎn)澆口與塑件11的連接力后首先打開，凝料留在水口推板32上，打開的距離應(yīng)保證用機(jī)械手可將澆注系統(tǒng)凝料從澆口套41里取出；模具第一次分型后，動(dòng)模移動(dòng)距離達(dá)到定距拉桿28的限位距離時(shí)，分型面B打開，同時(shí)進(jìn)行側(cè)向抽芯，在斜導(dǎo)柱的作用下，斜滑塊7、斜滑塊10、斜滑塊12向后移動(dòng)，脫開塑件，同時(shí)，斜滑塊4帶動(dòng)斜導(dǎo)塊5撥動(dòng)小斜滑塊6向與之垂直的方向運(yùn)動(dòng)，小斜滑塊6脫開塑件后，在限位螺栓17起作用后，斜滑塊4帶動(dòng)成型滑塊15脫開塑件，實(shí)現(xiàn)順序脫膜，頂出機(jī)構(gòu)推動(dòng)推桿墊板37及推桿固定板36向前運(yùn)動(dòng)，推桿35推出塑件11。塑料件11脫模后，在預(yù)復(fù)位彈簧及復(fù)位桿的作用下，推出機(jī)構(gòu)復(fù)位[14-15]。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用Moldflow軟件對(duì)塑件進(jìn)行填充、冷卻及翹曲注塑工藝過程仿真，設(shè)計(jì)了合理的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，應(yīng)用UG12.0設(shè)計(jì)了正極支架模具結(jié)構(gòu)圖及其外抽芯機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了順序脫膜。實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)的正極支架注塑模具結(jié)構(gòu)具有新穎性，生產(chǎn)出的正極支架塑件質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。