王子佳,廖秋慧

(上海工程技術(shù)大學(xué),上海 201600)

0 引 言

注塑模具經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,日益向著更高標(biāo)準(zhǔn)前進(jìn),塑料產(chǎn)品也開(kāi)始越來(lái)越多出現(xiàn)在人們生產(chǎn)生活當(dāng)中,注塑模具的市場(chǎng)非常廣泛,需求很大。Moldflow是一款用于塑料模具和成型工藝設(shè)計(jì)的軟件,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題,常用于成型工藝參數(shù)的確定與優(yōu)化,以達(dá)到縮短研發(fā)周期和降低生產(chǎn)成本的目的[1-3]。

汽車(chē)接插件的作用是在電路內(nèi)被阻斷處或孤立不通的電路之間建立連接。汽車(chē)接插件形式和結(jié)構(gòu)是千變?nèi)f化的,其孔洞結(jié)構(gòu)偏多,且側(cè)方也有孔洞,比較復(fù)雜,成型困難。本文以一種汽車(chē)接插件為例,利用Moldflow進(jìn)行模流分析,并用UG軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu),得到此類(lèi)產(chǎn)品的注塑方案。

1 塑件工藝性分析

1.1 塑件結(jié)構(gòu)分析

圖1為汽車(chē)某接插件塑件的三維(3D)模型,該塑件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,側(cè)方具有孔洞。塑件尺寸中等、壁厚均勻,適合注塑成型。經(jīng)測(cè)量,塑件體積為41.206cm3?；谝陨咸攸c(diǎn),該塑件注塑模具設(shè)計(jì)需解決以下工藝問(wèn)題:

圖1 塑件三維模型

(1) 為保證該塑件成型壁厚均勻,需選擇合適的澆口位置和形式;

(2) 由于該塑件結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng),需選擇合適的分型面位置;

(3) 因塑件側(cè)方有孔洞,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需選擇合適的側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)。

1.2 材料選擇

根據(jù)塑件分析,選用PA66+G30材料,英文名稱(chēng)為Polyamide66+G30,中文名稱(chēng)為聚酰胺66+G30,該材料絕緣性、抗腐蝕性較好,機(jī)械強(qiáng)度較高,且無(wú)毒,對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。其原材料為顆粒狀,有多種顏色,根據(jù)塑件顏色和質(zhì)量,可以選擇不同的材料。材料的密度為1.38g/cm3,取材料的平均收縮率為0.50%。工藝參數(shù):模具溫度30～85℃,注塑機(jī)料筒溫度260～310℃,原材料干燥條件為8h(105℃),材料允許的注塑壓力為60～90MPa。

2 注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 澆注系統(tǒng)方案

澆注系統(tǒng)是模具重要的組成結(jié)構(gòu),直接影響著熔料的流動(dòng)以及成品的質(zhì)量。其中澆口的位置十分重要,而且修改比較困難,所以本文選擇Moldflow軟件進(jìn)行澆口位置分析,得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2 澆口位置分析

由圖2可知,塑件中間接線(xiàn)框連接處為最佳澆口位置。本設(shè)計(jì)為一模兩腔,澆口系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 澆注系統(tǒng)布局

2.1.2 模流分析

澆注系統(tǒng)方案確定后,通過(guò)Moldflow從塑件缺陷方面進(jìn)行模流分析,驗(yàn)證此方案并完善澆口設(shè)計(jì)。工藝參數(shù)選用PA66推薦參數(shù),分析結(jié)果如圖4所示。

(a) 縮痕分析

圖5 澆口設(shè)計(jì)

通過(guò)CAE模流分析可知,該方案氣穴縮痕缺陷較少,熔接線(xiàn)也達(dá)到要求,不容易產(chǎn)生裂痕。根據(jù)產(chǎn)品自身大小和壁厚,查詢(xún)資料和經(jīng)過(guò)分析得出結(jié)論:采用側(cè)面單澆口的澆口類(lèi)型,尺寸參數(shù)如下:側(cè)澆口長(zhǎng)度2mm,側(cè)澆口寬度2mm,側(cè)澆口高度1mm。

2.2 分型面設(shè)計(jì)

分型面的選擇需要考慮模具整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),選擇塑件最大端面,方便脫模,分開(kāi)模時(shí)盡量外觀不要留有頂出痕跡、分型線(xiàn)等影響塑件外觀的痕跡。并確定好脫模方向,還需要考慮到塑料產(chǎn)品熱脹冷縮的性能,因此設(shè)計(jì)的時(shí)候需要把塑件留在型芯后模上面,便于頂桿或者推板等推出機(jī)構(gòu)頂出產(chǎn)品[5]。具體的分型面如圖6所示。

圖6 分型面設(shè)計(jì)

2.3 型芯型腔設(shè)計(jì)

2.3.1 型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

型腔一般與塑件的外表面接觸,里面布有水道均勻冷卻產(chǎn)品,此外還有流道系統(tǒng)。型腔分為整體式和鑲拼式,對(duì)于那些表面精度要求不高,對(duì)外觀沒(méi)有太大要求的一般用整體式的,也就是定模型腔,缺點(diǎn)就是不易更換,更換成本較貴,維修也不方便,優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度好,制造方便。而鑲拼式就是可以拆開(kāi)下來(lái),維修比較方便,好加工,且適合復(fù)雜塑件,因此本次采用的是鑲拼組合型腔。型腔結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 型腔設(shè)計(jì)

2.3.2 型芯設(shè)計(jì)

型芯的成型區(qū)域和型腔不同,一般是產(chǎn)品內(nèi)表面,型芯則是在動(dòng)模板開(kāi)了一個(gè)大的槽放型芯,也是通過(guò)螺絲鎖緊動(dòng)模板和型芯。動(dòng)模板和型芯是固定在注塑機(jī)運(yùn)動(dòng)的那一端,開(kāi)模和合模時(shí)左右運(yùn)動(dòng)。頂出系統(tǒng)頂針通過(guò)型芯頂出產(chǎn)品,還設(shè)計(jì)有勾料針孔。同樣型芯上面也需要設(shè)計(jì)水道均勻冷卻產(chǎn)品,注意頂針、水道、螺絲或者其他結(jié)構(gòu)不要干涉,相關(guān)尺寸需要把控好[6]。本次采用鑲嵌式型芯結(jié)構(gòu)形式,具體如圖8所示。

圖8 型芯設(shè)計(jì)

2.4 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于有卡口的以及側(cè)面、內(nèi)壁等處有側(cè)孔的塑件,不能直接脫模,就需要設(shè)計(jì)抽芯系統(tǒng)[7]。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(jiǎn)單、工作效率高等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[8],所以此次設(shè)計(jì)采用斜導(dǎo)柱側(cè)向抽芯的結(jié)構(gòu),如圖9所示。

圖9 斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)

圖10 斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)整體

注入材料后待塑件冷卻,動(dòng)模開(kāi)模,在開(kāi)模力的作用下,斜導(dǎo)柱斜向上運(yùn)動(dòng),楔緊塊也向上運(yùn)動(dòng),滑塊沿滑槽向兩側(cè)運(yùn)動(dòng),拉出塑件,然后滑塊在復(fù)位彈簧在作用下復(fù)位,動(dòng)模在復(fù)位桿作用下復(fù)位,完成合模。

2.5 推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次采用標(biāo)準(zhǔn)模架,最主要的設(shè)計(jì)就針對(duì)于模具的成型部件,一般情況下是頂針或者推板或者斜頂?shù)鹊葯C(jī)構(gòu),都是通過(guò)底針板壓緊到面針板上面實(shí)現(xiàn)一個(gè)定位和固定作用的。彈簧起到彈開(kāi)復(fù)位作用,復(fù)位桿起到復(fù)位、定位作用,整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)脫模系統(tǒng)。設(shè)計(jì)要精簡(jiǎn)而又保證模具質(zhì)量,且節(jié)省后續(xù)的銑削加工,頂桿盡量布置在產(chǎn)品相對(duì)平的位置,以方便加工,對(duì)于斜面設(shè)置頂針不能避免的情況需要設(shè)計(jì)防滑紋,既可防滑又美觀[9]。

推桿直徑一般為1.5～18mm之間,小的產(chǎn)品選用較小的頂桿,大的產(chǎn)品采用大的頂桿。頂桿要均勻分布,還要保證其強(qiáng)度,保證能頂出產(chǎn)品而頂桿又不發(fā)生變形,頂桿間距均勻也可以使得頂出力均勻和平衡[10],本次設(shè)計(jì)頂桿布局和結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 頂出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.6 冷卻機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.6.1 冷卻系統(tǒng)方案

冷卻水道設(shè)計(jì)一般根據(jù)塑件大小、布局、高度等等因素來(lái)決定的,水道直徑常用一般有6, 8, 10, 12mm等等,設(shè)計(jì)水道就是為了冷卻塑件。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)塑件結(jié)構(gòu)一般,根據(jù)水的體積流量,再通過(guò)分析塑件和查閱相關(guān)資料和手冊(cè),選用冷卻水管道的直徑為8mm,可滿(mǎn)足要求。[11]具體冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖12所示。

圖12 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.6.2 冷卻系統(tǒng)模流分析

通過(guò)Moldflow溫度分析可知,塑件的最高溫度為216.2℃,平均溫度為166.7℃。回流冷卻溫度為27.37℃。出水口壁管溫度為30.58℃,動(dòng)模定模之間的溫度差為40.75℃。結(jié)果如圖13所示?？梢?jiàn)冷卻均勻,故該方案可行。

圖13 冷卻系統(tǒng)模流分析

2.7 復(fù)位機(jī)構(gòu)及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)位也是模具設(shè)計(jì)當(dāng)中非常重要的一個(gè)結(jié)構(gòu),復(fù)位機(jī)構(gòu)有由復(fù)位桿和彈簧組成,復(fù)位桿需要保證超高的強(qiáng)度和剛度,采用SKD61可以滿(mǎn)足實(shí)際的要求,彈簧通過(guò)注塑機(jī)頂棍外力壓縮,頂棍退回后彈簧復(fù)位,彈簧采用標(biāo)準(zhǔn)件即可,根據(jù)頂出行程而言,一般彈簧長(zhǎng)度為面針板端面到動(dòng)模板底面30～50mm之間,中小型模具通常為30mm就滿(mǎn)足條件[12],復(fù)位機(jī)構(gòu)如圖14(a)所示。

(a) 復(fù)位機(jī)構(gòu)

模具導(dǎo)向機(jī)構(gòu)非常的重要,它們?yōu)槟＞唛_(kāi)合模導(dǎo)向,關(guān)系到模具運(yùn)行的流暢性。導(dǎo)向一般由導(dǎo)柱和導(dǎo)套組成,配合導(dǎo)向。兩板模和三板模的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)略微不同:兩板模導(dǎo)柱類(lèi)似一根圓柱體,下端杯頭固定在動(dòng)模板上面,上端要保證強(qiáng)度,上端圓柱面有一些圓槽用來(lái)存放黃油保證潤(rùn)滑。而三板模則是導(dǎo)柱從頂板向下到墊塊里面,導(dǎo)套則是在脫料板、定模板和動(dòng)模板里面固定。導(dǎo)套和導(dǎo)柱配合需要一定的配合公差,保證左右運(yùn)動(dòng)不會(huì)卡住,導(dǎo)柱和導(dǎo)套因?yàn)樾枰\(yùn)動(dòng)和耐熱、耐摩擦等要求,所以都采用SKD61[13]。具體結(jié)構(gòu)和配合如圖14(b)所示。

3 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

圖15為汽車(chē)接插件注塑模具圖,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11335—2008,選擇CI-3335-A90-B110-C120的模具型號(hào)。

1—?jiǎng)幽Ｗ?2—頂桿板;3—頂桿;4—復(fù)位桿;5—彈簧;6—?jiǎng)幽０?7—型芯鑲塊;8—型芯;9—型腔鑲塊;10—型腔;11—定模板;12—定模座板;13—內(nèi)六角螺絲;14—導(dǎo)柱;15—導(dǎo)套;16—內(nèi)六角螺絲;17—內(nèi)六角螺絲;18—內(nèi)六角螺絲;19—內(nèi)六角螺絲;20—垃圾釘;21—勾料釘;22—墊塊;23—內(nèi)六角螺絲;24—限位塊;25—彈簧;26—斜導(dǎo)柱;27—滑塊;28—鎖緊塊;29—內(nèi)六角螺絲;30—內(nèi)六角螺絲;31—澆口套;32—定位圈;33—內(nèi)六角螺絲

模具注塑成型具體工作流程為:

(1) 將注塑模具與注塑機(jī)安裝配合,將PA66+30%材料加入注塑機(jī)當(dāng)中,將其加熱至熔融狀態(tài),熔融態(tài)塑料經(jīng)過(guò)主流道、分流道及澆口之后進(jìn)入型腔10,然后在型腔內(nèi)充分保壓和冷卻;

(2) 待塑件完全固化后,注塑機(jī)帶動(dòng)模具動(dòng)模部分運(yùn)動(dòng),使塑件脫離型腔10,緊包在型芯8上;

(3) 緊接著斜導(dǎo)柱26抽離滑塊27,與鎖緊塊28向上移動(dòng),滑塊27在斜導(dǎo)柱26的帶動(dòng)下移動(dòng)到限位塊24處,完成側(cè)抽芯;

(4) 頂桿3在頂桿板2的作用下推出塑件;

(5) 推出結(jié)束后,在彈簧25的作用下,斜導(dǎo)柱26、滑塊27及鎖緊塊28回到原位;在彈簧5的作用下,頂桿3和頂桿板2回到原位;

(6) 在注塑機(jī)的作用下,模具動(dòng)模與定模完成合模;

(7) 重復(fù)以上步驟進(jìn)入下一個(gè)周期。

4 結(jié) 論

針對(duì)一個(gè)汽車(chē)接插件,通過(guò)Moldflow模流分析,選定了最佳澆口位置,選用點(diǎn)側(cè)澆口,并設(shè)計(jì)了合理的冷卻系統(tǒng)。完成模具整體設(shè)計(jì),采用一模兩腔的布局,鑲拼式型腔結(jié)構(gòu),抽芯結(jié)構(gòu)為斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯,采用頂桿頂出結(jié)構(gòu),最后對(duì)模具工作流程作了介紹,對(duì)結(jié)構(gòu)相似的模具設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路和參考。