黎作先,盧偉煒*,章國偉

(1. 中特泰來模具技術(shù)有限公司,浙江 寧波 315000;2. 寧波工程學(xué)院,浙江 寧波 315000)

0 引 言

聚丙烯簡稱PP,是一種無色、無臭、無毒、半透明熱塑性輕質(zhì)通用塑料,不僅具有良好的耐熱、耐磨、耐腐蝕性能,還具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和韌性,在機(jī)械、汽車、電子電器、建筑、紡織、包裝、運(yùn)動(dòng)器材和食品工業(yè)等眾多領(lǐng)域均得到了廣泛地開發(fā)和應(yīng)用[1]。本文將介紹一種以PP為原材料的U形頸部按摩器產(chǎn)品的注塑模具設(shè)計(jì)方法,該模具可高效快速地成型出尺寸精確、表面光潔的高質(zhì)量U形頸部按摩器。同時(shí)在模具設(shè)計(jì)的過程中還充分考慮了塑件的材料利用率、生產(chǎn)效率和模具成本,使模具設(shè)計(jì)更為科學(xué)合理。

1 塑件產(chǎn)品分析

U形頸部按摩器如圖1所示。為符合人體工學(xué)和使用時(shí)的舒適度,其整體采用了曲面造型設(shè)計(jì);為保證使用時(shí)按摩器可以承受足夠的力度并發(fā)生一定的彈性變形,按摩器手柄部的厚度達(dá)到了40mm,其余部位的平均厚度為20mm,較一般塑料制品的壁厚大很多;為安裝乳膠按摩頭,在按摩器的兩側(cè)分別有一個(gè)長度為28mm的側(cè)孔,成型時(shí)需要側(cè)抽。按摩器的整體尺寸約為300mm×185mm,用UG對(duì)塑件三維造型后,分析出塑件體積V=190.11cm3,PP的密度為0.91g/mm3,因此單個(gè)塑件的質(zhì)量約為173g,宜采用一模一腔的模具設(shè)計(jì)。

圖1 U形頸部按摩器

PP的收縮率為0.4%～0.6%,成型溫度為160～220℃。當(dāng)模具溫度低于50℃時(shí),塑件冷卻過快,表面難以光滑,嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)縮孔、凹痕、熔接痕和變形;當(dāng)模具溫度高于90℃時(shí),不僅影響成型效率,塑件也易因冷卻不均勻而出現(xiàn)翹曲變形[2]。U形頸部按摩器為日用品,表面質(zhì)量要求較高,必須保證塑件表面沒有熔接痕、起泡或斑點(diǎn),表面粗糙度至少為Ra0.8μm。U形頸部按摩器的側(cè)孔有后續(xù)裝配要求,因此局部尺寸精度等級(jí)為MT3,其余位置在保證表面質(zhì)量的前提下可適當(dāng)放寬對(duì)精度等級(jí)的要求?？紤]到型腔主要為復(fù)雜曲面造型,采用加工中心或數(shù)控銑加工雖可保證MT3的尺寸精度,但熱處理后型腔的表面處理以手工拋光為主,故綜合考慮后確定除側(cè)孔以外的其余尺寸精度等級(jí)為MT4。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 分型面設(shè)計(jì)及型腔布置

U形頸部按摩器整體為曲面造型,厚度不均勻且不完全對(duì)稱,為保證手感順滑,塑件上下端面及各處均有不同尺寸的圓角過渡,除側(cè)孔外無其他需要型芯成型的孔。為保證塑件外觀質(zhì)量,選擇塑件厚度中心面為分型面,即曲面分型面,如圖2所示。曲面分型面增加了模具加工和裝配的難度,但先進(jìn)的數(shù)控加工機(jī)床可以保證模具加工的精度和效率。

圖2 塑件的分型面

由于該塑件尺寸較大,單個(gè)塑件的質(zhì)量為173g,又需要雙向側(cè)抽,采用一模一腔的型腔布置,以保證充填的效率及側(cè)抽的可靠性。

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

U形頸部按摩器的澆注系統(tǒng)如圖3所示?？紤]到充填距離和塑件的對(duì)稱性,將模具的主流道布置在塑件的中心對(duì)稱位置,并設(shè)計(jì)雙向分流道側(cè)澆口進(jìn)料,通過縮短熔體的流動(dòng)距離減小充填時(shí)的溫差,以保證塑件盡量均勻冷卻,減少翹曲變形的發(fā)生。分流道的截面為圓形,直徑為5.3mm,側(cè)澆口加工在動(dòng)模鑲塊上,由經(jīng)驗(yàn)公式[3]確定澆口尺寸為1.5mm×2mm×3mm。

圖3 塑件的澆注系統(tǒng)

為檢驗(yàn)澆注系統(tǒng)的充填效果,采用Mol-dflow軟件對(duì)塑件的充模和保壓過程進(jìn)行了有限元模擬[4]。圖4是塑件的充填時(shí)間模擬結(jié)果,從圖中可以看出,雖然澆口位于塑件長邊的一半處,但由于兩邊是非對(duì)稱的,手柄部型腔較寬,沒有側(cè)型芯影響,所以先充滿;U形段流程略長且熔體要繞過側(cè)型芯,所以后充滿。但從圖4也可看出,手柄部末端和U形段中部充填的時(shí)間差約為5s,基本滿足平衡流動(dòng)的要求[5]。型腔各處完全充滿需耗時(shí)22.77s。

圖4 充填時(shí)間模擬結(jié)果

圖5是塑件的速度/壓力切換時(shí)的壓力,最大值為6.789MPa。因充填階段是以速度為主導(dǎo),保壓階段是以壓力為主導(dǎo),在速度/壓力切換時(shí),填充過程進(jìn)入最后階段,通過保壓完成塑件兩端最后的填充。在進(jìn)行保壓曲線設(shè)置時(shí),初始保壓壓力可設(shè)置為注射壓力最大值的80%。

圖5 充填壓力模擬結(jié)果

熔接線就是聚合角度大于135°而形成的熔痕,對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和外觀都有很大影響。圖6是塑件熔接線的位置圖,從圖中可以看出,熔接線可能會(huì)出現(xiàn)在塑件中心兩前鋒料的交匯處和熔體繞過側(cè)型芯后的相交位置。但在實(shí)際生產(chǎn)中,采用220～240℃的料溫和62.5MPa的保壓壓力,使前鋒料保持較高的溫度,使熔體具有較好的流動(dòng)性和融合度,較好地避免了熔接線的產(chǎn)生,實(shí)際塑件上沒有明顯的熔接線痕跡。

圖6 熔接線模擬結(jié)果

2.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在定模板和動(dòng)模板上分別開設(shè)環(huán)形冷卻水道,冷卻水道的直徑為8mm,其中心距塑件的最小距離約為8mm,冷卻水的入口溫度為25℃,回路冷卻液的溫度分布如圖7所示。從圖中可以看出,出口最高溫度為26.69℃,僅比入口溫度高1.69℃,說明冷卻效果較好。

圖7 回路冷卻液溫度分布模擬結(jié)果

圖8是充填過程中塑件最高溫度分布圖,從圖中可以看出,側(cè)孔處壁厚較薄,側(cè)型芯有輔助散熱的作用,因此側(cè)孔處料溫最低;U形段流程較長且內(nèi)外壁的散熱條件不同,導(dǎo)致塑件該區(qū)域的內(nèi)外壁溫度分布不均勻;手柄部是塑件壁厚最大的區(qū)域,且其先于U形段底部充滿,因此該處溫度最高,最后冷卻定型。

圖8 零件最高溫度分布模擬結(jié)果

2.4 成型零件設(shè)計(jì)

如前所述,該塑件主體主要靠型腔成型,除側(cè)型芯外模具的主方向沒有型芯,因此將兩個(gè)主要成型零件分別命名為定模鑲塊和動(dòng)模鑲塊,其中鑲塊中心有大孔(澆口套配合孔)的為定模鑲塊,型腔內(nèi)有小孔(推桿配合孔)的為動(dòng)模鑲塊,如圖9所示。由于該塑件為曲面分型面,所以成型零件加工時(shí)要采用加工精度較高的數(shù)控機(jī)床,分型面要有足夠的平面延伸寬度用于加工時(shí)的定位。加工好后,兩鑲塊要涂丹試壓,修配模具表面以減小分型面的痕跡。

定模鑲塊

2.5 側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該模具采用斜導(dǎo)柱側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)側(cè)孔成型,如圖10所示。塑件的側(cè)孔深度為18.7mm,為保證塑件成型質(zhì)量,設(shè)計(jì)側(cè)型芯端部超過塑件1.3mm,設(shè)計(jì)側(cè)抽余量2mm,因此總的側(cè)抽長度為22mm。設(shè)計(jì)滑塊上的斜孔為20°,因此斜導(dǎo)柱的有效長度至少為65mm,總長度為105mm。斜導(dǎo)柱的直徑為10mm,頭部直徑為18mm,頭部導(dǎo)140°圓錐面,通過臺(tái)肩和H7/m6的過渡配合固定在定模板上,斜導(dǎo)柱與滑塊上的斜孔有單邊0.5mm的間隙,因此滑塊上的斜孔無需按配合面加工。側(cè)向型芯通過H7/m6的過渡配合嵌入滑塊,再用銷釘進(jìn)行固定,在滑塊上側(cè)向型芯的后面有一φ10mm的孔供拆卸側(cè)向型芯用?；瑝K在壓板與動(dòng)模板形成的T形導(dǎo)滑槽內(nèi)運(yùn)動(dòng),滑塊的寬度與動(dòng)模板的槽寬為間隙配合,保證了側(cè)抽的可靠性和穩(wěn)定性。楔緊塊通過頂部的螺紋連接固定在定模板上,其楔角為22°,保證合模時(shí)能壓緊滑塊,而開模時(shí)又能及時(shí)脫離滑塊。

圖10 斜導(dǎo)柱式側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)

2.6 脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖11所示,模具采用推桿脫模機(jī)構(gòu),即在塑件上布置10個(gè)直徑分別為3mm和6mm的標(biāo)準(zhǔn)式推桿,推桿與動(dòng)模鑲塊間采用H7/f6的間隙配合,且表面粗糙度至少為Ra0.8μm,保證推出運(yùn)動(dòng)順滑可靠。因?yàn)橥茥U端面參與成型,因此各推桿的端面均為不規(guī)則的曲面,這是該套模具的難點(diǎn)。經(jīng)過反復(fù)討論,最終采用逆向工序完成推桿的裝配、定位和加工。首先,在推桿臺(tái)肩和推桿固定板間配做止轉(zhuǎn)銷釘孔,通過安裝止轉(zhuǎn)銷使推桿無法旋轉(zhuǎn);其次,完成動(dòng)模部分的所有零件裝配,此時(shí)推桿端面高于動(dòng)模鑲塊的型腔端面;最后,將裝配好的動(dòng)模裝夾在數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)面上,按動(dòng)模鑲塊的最終加工程序向上偏移0.1mm再走一遍,此時(shí)加工的即為推桿端面。值得注意的是,推桿的位置不同,其長度也不同,推桿的初始長度應(yīng)按裝配圖進(jìn)行預(yù)加工,以減小切削量、避免打刀。

圖11 推桿的布置

3 模具整體結(jié)構(gòu)及其工作過程

模具整體結(jié)構(gòu)如圖12所示。模具的工作過程為:開模時(shí),在Z字頭拉料桿27的作用下,主流道凝料從澆口套14內(nèi)被拔出并留在動(dòng)模一側(cè);塑件冷卻后包緊側(cè)型芯15,也留在動(dòng)模一側(cè);動(dòng)模板5和定模板7從分型面處分開,塑件的上表面從定模鑲塊12內(nèi)露出;同時(shí),在斜導(dǎo)柱16的作用下,側(cè)型芯滑塊18分別向模具的外側(cè)平穩(wěn)移動(dòng),在運(yùn)動(dòng)到限位塊22處停止移動(dòng),完成側(cè)向分型與抽芯動(dòng)作;側(cè)抽完成后,注射機(jī)頂桿推動(dòng)推板3運(yùn)動(dòng),使安裝在推桿固定板4上的推桿25頂出塑件;合模時(shí),注射機(jī)頂桿退回,套在復(fù)位桿23上的復(fù)位彈簧24由開模時(shí)的壓縮狀態(tài)恢復(fù)為原長,推動(dòng)推桿固定板4和推板3回到初始位置,一個(gè)成型周期完成。

1—?jiǎng)幽Ｗ?2—墊塊;3—推板;4—推桿固定板;5—?jiǎng)幽０?6—?jiǎng)幽ｈ倝K;7—定模板;8—導(dǎo)柱;9—導(dǎo)套;10—定模座板;11—密封圈;12—定模鑲塊;13—定位圈;14—澆口套;15—側(cè)型芯;16—斜導(dǎo)柱;17—定位銷;18—滑塊;19—楔緊塊;20—拉緊螺釘;21—彈簧;22—限位塊;23—復(fù)位桿;24—復(fù)位彈簧;25—推桿;26—支撐柱;27—拉料桿

4 結(jié)束語

針對(duì)U形頸部按摩器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種曲面分型一模一腔兩板模。模具采用雙側(cè)澆口澆注系統(tǒng),經(jīng)Moldflow有限元軟件分析,該澆注系統(tǒng)的尺寸和澆口的位置可以使熔體快速充滿型腔,并能將熔接痕的風(fēng)險(xiǎn)降到最低;模具采用上下兩層環(huán)形冷卻水道,實(shí)踐證明冷卻效果良好;模具型腔均采用鑲塊式結(jié)構(gòu),既節(jié)約了模具材料成本,又能更好地保證模具加工和熱處理質(zhì)量;斜導(dǎo)柱式側(cè)向分型和抽芯機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了側(cè)孔的成型,頂桿推出機(jī)構(gòu)將塑件從型腔推出,頂桿端面為曲面,加工難度較大。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證,采用該套模具成型后的U形頸部按摩器的表面質(zhì)量好、強(qiáng)度高,達(dá)到了較高的性價(jià)比。