李謨樹

(廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣州 510517)

在模具工業(yè)領(lǐng)域,伴隨著計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)的普遍應(yīng)用,產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工藝性,以及相應(yīng)模具的設(shè)計(jì)制作與注塑生產(chǎn)等方面,均實(shí)現(xiàn)了實(shí)質(zhì)性的提升和跨越,也催生了注塑產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的集成趨勢,提升了產(chǎn)品的性能與使用壽命,降低了產(chǎn)品整裝工藝的難度,但對相應(yīng)模具的設(shè)計(jì)制作,卻提出了更高的要求和挑戰(zhàn)[1]。筆者所探究的智能咖啡機(jī)底座,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,外觀品質(zhì)要求高,對產(chǎn)品的縮孔、變形量以及尺寸精度均有嚴(yán)格限制,在模具設(shè)計(jì)制作前期利用CAE技術(shù)進(jìn)行模流分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為必要,以確定出最佳模具設(shè)計(jì)方案。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝性分析

圖1 為產(chǎn)品外形圖。該產(chǎn)品為智能咖啡機(jī)座體,選用材質(zhì)為聚丙烯(PP),縮水率為1.0%～2.5%。根據(jù)客戶要求,產(chǎn)品外觀需平整光順,外形尺寸公差為+2.00 mm,功能部件安裝尺寸公差為+0.30 mm,變形量要求控制在1.50 mm范圍內(nèi)。綜合分析該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝性可知,產(chǎn)品在A,B,C,D 4個(gè)方向均存在倒扣和碰穿面,都需設(shè)計(jì)大型滑塊,且整個(gè)模腔將由前、后模鑲件和4個(gè)方向滑塊組合而成,綜合考慮注塑機(jī)的容模尺寸和工作行程,這4 個(gè)滑塊不能設(shè)計(jì)為傳統(tǒng)的斜導(dǎo)柱形式,需在A,B,C,D 4個(gè)方向設(shè)置液壓油缸進(jìn)行抽芯。同時(shí),在產(chǎn)品上部,如圖1b所示,共存在6個(gè)倒扣位和多個(gè)柱位,需設(shè)計(jì)由斜頂、頂針及其驅(qū)動(dòng)與復(fù)位機(jī)構(gòu)共同組成的前模頂出系統(tǒng)；在產(chǎn)品底部A向,如圖1c所示,在滑塊抽芯方向存在倒扣部位,需在A向滑塊底部設(shè)計(jì)內(nèi)嵌滑塊,且抽芯方向與A 向滑塊成一夾角,內(nèi)鑲滑塊需斜向抽芯。綜上分析可知,該產(chǎn)品屬于精密外觀件,且結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,對模具的設(shè)計(jì)制作要求和注塑成型工藝均有較大挑戰(zhàn),需利用CAE技術(shù)進(jìn)行成型分析和模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 產(chǎn)品外形圖

2 CAE技術(shù)應(yīng)用

2.1 網(wǎng)格劃分

將產(chǎn)品3D 模型導(dǎo)入Moldflow 軟件,對塑件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格缺陷診斷。在正確設(shè)置其他參數(shù)的情況下,網(wǎng)格越密,求解精度越高；但網(wǎng)格越密,求解時(shí)間越長,因此需要在求解效率和求解精度間做一個(gè)權(quán)衡[2]。網(wǎng)格劃分如圖2 所示。該產(chǎn)品CAE分析的網(wǎng)格單元共計(jì)78 576個(gè),網(wǎng)格縱橫比上限值為5.72,下限值為1.24,平均值為2.59,無多重邊和自由邊,完全重疊單元為零,匹配度為94.30%,網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)良,充分滿足CAE分析匹配率的要求。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.2 壁厚分布

熱塑性塑件的壁厚設(shè)計(jì)非常重要,一般情況下壁厚設(shè)計(jì)在1.5～5 mm范圍內(nèi),最常見的壁厚為2～3 mm,大型塑件壁厚可能超過5 mm。壁厚均勻是塑件設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則之一,如果壁厚不均勻,會(huì)使塑料熔體的充模速度和收縮不均勻,由此會(huì)引起凹陷、真空泡、翹曲,甚至開裂、熱內(nèi)應(yīng)力集聚等現(xiàn)象[3]。智能咖啡機(jī)座體是整個(gè)產(chǎn)品的承力部件,并且是外觀件,其力學(xué)性能和外觀要求較高,產(chǎn)品的壁厚大小及均勻性必須符合生產(chǎn)要求。壁厚分布如圖3所示。通過CAE模擬分析可知,該產(chǎn)品壁厚比較均勻,大部分壁厚為2.30～2.80 mm,其最大值為3.38 mm,最小值為1.77 mm,在設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)時(shí)可通過適當(dāng)增大拔模斜度改善薄壁處的壁厚問題。

圖3 壁厚分布

2.3 澆口位置

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)是模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其中澆口位置的選擇尤為重要,要綜合考慮產(chǎn)品外觀要求、產(chǎn)品功能要求、模具制作工藝以及澆口去除等各個(gè)方面,避免出現(xiàn)熔接痕、氣泡、凹穴、虛位、澆注不足以及應(yīng)力集中等情況[4]。澆口位置如圖4 所示。經(jīng)充填模擬分析,結(jié)合該產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能要求,采用精控開放式熱嘴與冷流道相結(jié)合,以側(cè)澆口形式從產(chǎn)品內(nèi)壁進(jìn)澆,澆口長×寬×高為4.0 mm×2.5 mm×3.0 mm,夾角為60°；在充型末端模具分型面位置開設(shè)排氣槽,整體注塑效果最佳。

圖4 澆口位置

2.4 熔接線

熔接線是注塑成型過程中來自不同方向的熔融材料在結(jié)合處未能完全熔合而產(chǎn)生的細(xì)線,實(shí)際生產(chǎn)中幾乎所有的產(chǎn)品都有熔接線,很難完全消除,但可以通過澆口位置或數(shù)量的改變、模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、排氣槽設(shè)計(jì)或成型工藝參數(shù)調(diào)整等辦法減弱熔接線,或使其轉(zhuǎn)移到其它部位[5]。熔接線如圖5所示。該產(chǎn)品外形呈圓桶狀,主要外觀面無明顯熔接線產(chǎn)生,在各孔位和環(huán)狀結(jié)構(gòu)部位出現(xiàn)輕微熔接線,設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)時(shí)可在熔接線部位開設(shè)排氣槽改善外觀質(zhì)量。

圖5 熔接線

2.5 成型工藝

CAE分析結(jié)果與塑件材料選用有著密切關(guān)系,筆者分析客戶指定材料PP,牌號為Generic PP,制造商為Generic Default。通過仿真分析,基于圖4中的澆口位置選擇,產(chǎn)品最大注塑壓力為53 MPa,最大鎖模力為2 000 N,實(shí)際生產(chǎn)中選擇注塑機(jī)時(shí),需綜合考慮模具尺寸大??；模具溫度50℃,熔體溫度220℃,充填時(shí)間1.8 s,保壓時(shí)間11 s,產(chǎn)品填充狀況良好,主要表面區(qū)域等值線均勻,無短射發(fā)生。產(chǎn)品縮痕估算結(jié)果顯示了縮痕的計(jì)算深度,縮痕主要出現(xiàn)在與加強(qiáng)筋、定位柱和內(nèi)圓角相對的位置,實(shí)際生產(chǎn)中縮痕會(huì)隨保壓曲線的調(diào)節(jié)而變化。由于收縮不均導(dǎo)致產(chǎn)品高度方向變形較大,模具設(shè)計(jì)時(shí)需處理好冷卻水路排布,維持模溫的均勻性和穩(wěn)定性。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 分型面與模腔數(shù)

實(shí)際工作中分型面設(shè)計(jì)與模腔布局需統(tǒng)籌考慮,并需綜合考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模腔數(shù)量、模具主體結(jié)構(gòu)以及注塑機(jī)型號等諸多因素,總體原則是在確保產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的前提下,有利于簡化模具結(jié)構(gòu)和降低注塑生產(chǎn)成本[6]。該產(chǎn)品最大外形尺寸為208 mm×251 mm×356 mm,且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,最大抽芯距大于250 mm,分型面的正確選擇對于該模具整體設(shè)計(jì)方案的影響很大。分型面如圖6 所示,選擇產(chǎn)品底部所在平面為分型面,采用單腔布局,整個(gè)模腔由前模鑲件和4個(gè)側(cè)抽芯滑塊共同組成。該設(shè)計(jì)方案有利于完成塑件的成型和脫模,且無需選用大型注塑機(jī),可滿足客戶的實(shí)際生產(chǎn)要求。

圖6 分型面

3.2 澆注系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)需綜合考慮注塑材料特性、模具結(jié)構(gòu)、塑件品質(zhì)要求以及生產(chǎn)成本等多方面的因素[7]。本產(chǎn)品所使用的材料為PP,該材料具有冷卻時(shí)間快、收縮率大以及容易變形等缺點(diǎn),設(shè)計(jì)熱流道澆注系統(tǒng)是最優(yōu)方案。一方面熱流道系統(tǒng)可減少冷流道長度,改善熔體流動(dòng)性,提高產(chǎn)品外觀質(zhì)量,還可降低塑件殘留應(yīng)力而減少脫膜后的產(chǎn)品變形量[8]；另一方面,熱流道系統(tǒng)可減少流道材料損耗,縮短注塑生產(chǎn)周期,提高注塑生產(chǎn)的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率[9]。澆注系統(tǒng)如圖7 所示。由于采用單模腔結(jié)構(gòu),產(chǎn)品中心、模具中心和注塑機(jī)噴嘴可統(tǒng)一對正,故無需設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的熱流道板,直接使用針點(diǎn)式熱唧嘴轉(zhuǎn)側(cè)澆口注射,產(chǎn)品填充效果好。

圖7 澆注系統(tǒng)

3.3 成型零部件

注塑模具的成型零部件一般包括型腔、型芯和側(cè)滑塊,是模具的主體部件,其設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理,不僅影響著產(chǎn)品質(zhì)量和模具制作成本,對后續(xù)大批量注塑生產(chǎn)的效率和效益也起著至關(guān)重要的作用[10]。一般而言,成型零部件設(shè)計(jì)取決于產(chǎn)品的形狀與結(jié)構(gòu)特點(diǎn),同時(shí),要綜合考慮模具的設(shè)計(jì)制作成本和注塑生產(chǎn)的工藝條件與品質(zhì)穩(wěn)定性[11]。型腔3D 圖如圖8 所示。本模具的型腔部分由前膜鑲件和4 個(gè)側(cè)面滑塊共同組成。該結(jié)構(gòu)具有一定特殊性,一般情況下模腔是由前模部件構(gòu)成,該模具的模腔主體則是由安裝在后模的4 個(gè)滑塊拼合而成。采用這一結(jié)構(gòu),一方面是由于產(chǎn)品在4 個(gè)不同方位均存在倒扣結(jié)構(gòu)需要側(cè)向抽芯,同時(shí),該產(chǎn)品高度方向尺寸超過350 mm,采用側(cè)滑塊拼合結(jié)構(gòu),可以避免產(chǎn)品外壁因脫模斜度而產(chǎn)生上、下外形尺寸差異過大的情況；而且,產(chǎn)品外形為環(huán)形狀,采用側(cè)滑塊拼合結(jié)構(gòu),有利于設(shè)置排氣槽,可有效提升產(chǎn)品的充填效果,減輕外觀面的熔接線。由于滑塊尺寸較大,為提高注塑生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性,在滑塊上要合理設(shè)計(jì)冷卻水道。

圖8 型腔3D圖

綜合考慮模具的生產(chǎn)制作成本,主體鑲塊如圖9所示。本模具的前、后模主體部位采用鑲拼結(jié)構(gòu),模架選用價(jià)格適宜的S50C鋼料,前、后模鑲塊選用硬度更高、耐磨性更好的GS808VA 鋼料,有利于提高模具的使用壽命。

圖9 主體鑲塊

產(chǎn)品下部臺階面在側(cè)抽芯方向存在倒扣部位,內(nèi)置滑塊如圖10 所示。在相應(yīng)大滑塊底面需設(shè)計(jì)內(nèi)置側(cè)抽芯機(jī)構(gòu),且內(nèi)置滑塊與對應(yīng)大滑塊抽芯方向成夾角,夾角需小于20°,以避免抽芯干涉現(xiàn)象。內(nèi)置滑塊因體積小,無法設(shè)計(jì)冷卻水道,特選用GS343ESR 模具鋼,熱處理后 HRC52～55,硬度高、散熱性好。

圖10 內(nèi)置滑塊

3.4 頂出系統(tǒng)

該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特殊,在前模部位存在6 個(gè)倒扣結(jié)構(gòu),需設(shè)計(jì)前模頂出機(jī)構(gòu),模具結(jié)構(gòu)尤為復(fù)雜。圖11 為前模斜頂3D 圖,前模頂出驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖12 所示,6個(gè)倒扣部位呈環(huán)狀布局,在模腔內(nèi)部需設(shè)計(jì)前模斜頂,在前模座板和前模板之間需設(shè)計(jì)相應(yīng)的頂針板和頂針托板,同時(shí)在模具外部需設(shè)計(jì)前模頂出驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),開模時(shí)前模頂出機(jī)構(gòu)隨后模同向運(yùn)動(dòng)完成前模倒扣部位的脫模。

圖11 前模斜頂3D圖

圖12 前模頂出驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

后模頂出系統(tǒng)無特殊結(jié)構(gòu),頂出部件包含斜頂、頂針和司筒；鑒于后模型芯包緊力大,為避免產(chǎn)生頂白或塑件脫模后變形現(xiàn)象,在產(chǎn)品弧角厚壁處設(shè)計(jì)直頂塊。開模結(jié)束后,后模頂針板帶動(dòng)斜頂、頂針、司筒、直頂塊聯(lián)動(dòng)頂出塑件。

4 模具整體結(jié)構(gòu)及工作過程

根據(jù)客戶要求和該產(chǎn)品的CAE分析結(jié)果,并結(jié)合冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和客戶所提供的注塑機(jī)參數(shù),模具的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖13 所示,3D 示意圖如圖14所示,模具外形尺寸為850 mm×880 mm×1 042 mm。

圖14 模具結(jié)構(gòu)3D示意圖

模具的合模狀態(tài)如圖13所示,注塑成型起始階段,熔體經(jīng)熱唧嘴4 進(jìn)入主流道,由側(cè)澆口注入型腔,保壓、冷卻完成后進(jìn)入開模階段。

圖13 模具結(jié)構(gòu)圖

開模時(shí),首先在注塑機(jī)拉桿作用下,后模從分型面打開,通過前模頂出拉桿25帶動(dòng)前模頂針板上的前模斜頂26前移頂出塑件。前模斜頂26脫離塑件倒扣部位后,前模頂出驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作,前模頂出行程結(jié)束。

隨著后模繼續(xù)移動(dòng),4 個(gè)側(cè)向滑塊在液壓油缸驅(qū)動(dòng)下開始側(cè)向抽芯,其中滑塊24通過滑塊底部導(dǎo)向塊帶動(dòng)內(nèi)置滑塊23 同時(shí)斜移抽芯。側(cè)向抽芯完成后,液壓油缸停止動(dòng)作,注塑機(jī)頂出系統(tǒng)開始運(yùn)作,推動(dòng)后模頂針板17帶動(dòng)后模斜頂、頂針、頂塊聯(lián)動(dòng)頂出塑件,當(dāng)后模頂針板17運(yùn)動(dòng)至頂出限位塊位置時(shí),后模斜頂側(cè)移到位,頂出過程完成。

取出塑件后,模具開始閉合。首先由復(fù)位彈簧19推動(dòng)后模頂針板17帶動(dòng)斜頂、頂針、頂塊預(yù)復(fù)位,并通過先復(fù)位機(jī)構(gòu)確保頂針板提前復(fù)位,防止斜頂、頂針等與側(cè)滑塊干涉或頂撞。隨著后模繼續(xù)前移,各液壓油缸驅(qū)動(dòng)側(cè)滑塊復(fù)位,同時(shí)滑塊3帶動(dòng)內(nèi)置滑塊23復(fù)位。隨后前模頂出驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)開始運(yùn)作,推動(dòng)前模頂針板3 復(fù)位。合模最后階段,在后模復(fù)位桿和前模頂出機(jī)構(gòu)的共同作用下,前、后模頂針板準(zhǔn)確復(fù)位,模具進(jìn)入閉合狀態(tài)開始下一個(gè)工作循環(huán)。

5 結(jié)語

智能咖啡機(jī)座體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且客戶對外形尺寸和外觀質(zhì)量均要求高,通過CAE 技術(shù)仿真分析,合理確定了模具整體設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用熱唧嘴轉(zhuǎn)換為側(cè)澆口從產(chǎn)品內(nèi)部注射的方式,并結(jié)合排氣槽設(shè)計(jì),注塑充填效果好,最大程度地減弱了外觀熔接線；四面滑塊抽芯結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成了模腔主體,由液壓油缸驅(qū)動(dòng),運(yùn)行平順可靠,既解決了抽芯脫膜問題,又避免了因脫模斜度而引起產(chǎn)品上、下外形尺寸差異大的問題；側(cè)滑塊中設(shè)計(jì)內(nèi)置滑塊,解決了同一抽芯方位存在不同抽芯角度的問題,順利實(shí)現(xiàn)了二維度異向抽芯；創(chuàng)新設(shè)計(jì)的前模頂出機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用,有效解決了前模倒扣的頂出問題,降低了模具的開發(fā)制作成本。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證,該模具結(jié)構(gòu)科學(xué)合理,工作過程平穩(wěn)可靠,順利實(shí)現(xiàn)了高效率、高品質(zhì)的大批量生產(chǎn)。