黎作先,盧偉煒*,章國偉

(1. 中特泰來模具技術有限公司,浙江 寧波 315000 2. 寧波工程學院,浙江 寧波 315000)

0 引 言

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)工程塑料是一種強度高且易成型的低成本塑料原材料,它不僅具有較好的力學性能,還具有耐磨、耐腐蝕、耐高溫、耐低溫、耐氧化的優(yōu)良材料性能,使其可以在一定程度上代替金屬制件在工程中使用[1]。本文將介紹一種以ABS工程塑料為原材料的護欄支架產品的注塑模具設計方法,通過該模具可高效快速地成型出尺寸精確、表面光潔的高質量護欄支架。同時在模具設計的過程中還充分考慮了塑件的材料利用率、生產效率和模具成本,使模具設計更為科學合理。

1 塑件產品分析

如圖1所示,護欄支架為香蕉型帶側孔零件,塑件最大外形尺寸約為128mm×48mm×24mm。其側壁厚3mm,頂面厚4mm,局部有2mm厚加強肋。小端有直徑為14mm的通孔,與直徑為9mm的側孔相貫通。頂面有一腰型通孔,長46mm,寬6mm。為滿足護欄支架長期戶外使用的壽命要求,及連接、承載的功能性和力學性能要求,選擇ABS工程塑料為其原材料。ABS工程塑料在高溫和低溫下均能保持較好的力學性能,幾乎不受溫度、濕度的影響,環(huán)境適應性強[2]。ABS工程塑料的收縮率約為0.5%,成型溫度為220～260℃。護欄支架為工程使用零件,故對表面質量要求不高,保證塑件表面沒有熔接痕、起泡或斑點,表面粗糙度(Ra)達到0.8μm即可。根據其使用要求,確定塑件的精度等級為MT3。

(a) 正面

用UG軟件對塑件三維造型后,分析出塑件體積V=38.83cm3, ABS工程塑料的密度為1.02～1.05g/mm3,因此,單個塑件的質量約為40g。

2 模具結構設計

2.1 分型面設計及型腔布置

在設計護欄支架的分型面時,應重點考慮如下幾點:1)分型面應選在塑件的最大截面處,且為方便脫模,型芯在動模,型腔在定模;2)應盡量不在塑件的外表面留下分模痕跡,以保證塑件的外觀質量;3)該塑件有側型芯,應將側向分型與抽芯機構設計在動模一側[3]。因此,設計護欄支架的分型面如圖2所示。因塑件形狀的特殊性,該分型面為曲面分型面,使模具的加工和裝配有一定難度,但采用先進的數控加工機床可以保證模具加工的精度和效率。

圖2 護欄支架的分型面Fig.2 Parting surface of guardrail bracket

一模多腔是提高模具經濟效益的主要手段,從護欄支架的尺寸和塑件重量來看,該塑件滿足一模多腔的技術指標和生產條件,綜合考慮產品的工藝性和模具加工成本,護欄支架模具采用一模四腔呈H形對稱分布,塑件在型腔內的布置如圖3所示。

圖3 塑件在型腔內的布置Fig.3 The arrangement of plastic parts in the cavity

2.2 澆注系統(tǒng)設計

因為護欄支架對表面質量的要求不高,且從簡化模具設計和方便側向抽芯的角度考慮,模具采用外側進料的側澆口形式,加工在分型面的型芯一側。由經驗公式,確定澆口尺寸為1.5mm×2mm×3mm。

為檢驗澆注系統(tǒng)的充型效果,采用Moldflow有限元分析軟件對塑件的充模和保壓過程進行了有限元模擬[4]。圖4是塑件的充填時間模擬結果,從圖中可以看出,由于采用了平衡式流道布置,4個塑件可同時同步充型,型腔完全充滿僅耗時3.036s,說明成型效率較高。

圖5是塑件的充型壓力模擬結果,從圖中可以看出,主流道入口處壓力最大,約為25MPa,主流道中部和分流道的壓力約為12.5MPa,壓降明顯;熔體以約9MPa的壓力從澆口處進入型腔,受型芯阻力和型腔摩擦力的影響,充型壓力逐步減小;熔體從寬端向窄端流動時,局部壓力損失明顯增大,至型腔末端時,充型壓力接近0。模擬結果說明,采用該澆注系統(tǒng)時充模壓力相對較小,一般注塑設備均可滿足。

圖5 充型壓力模擬結果Fig.5 Simulation results of filling pressure

圖6是塑件熔接線的位置圖,從圖中可以看出,在與熔體流動方向相對的型芯末端存在產生熔接線的風險。前鋒料夾角越小,產生熔接線的風險就越大,在側孔處有多個熔接線風險位置。但該塑件充型時間較短,前鋒料溫差較小,實際生產時不會產生熔接線。

圖6 熔接線模擬結果Fig.6 Simulation results of weld connection

2.3 冷卻系統(tǒng)設計

為縮短塑件的冷卻定型時間,在塑件的上下兩層分別開設了環(huán)形冷卻水道。冷卻水道的直徑為10mm,其中心線距離塑件的最小距離為12mm,冷卻水道的布置如圖4所示。

2.4 成型零件設計

根據塑件結構分析,模具的型腔和型芯均設計為整體嵌入式,如圖7和圖8所示,這樣既方便加工,又可以節(jié)約模具材料成本。型腔鑲塊和型芯鑲塊通過H7/m6的過渡配合和沉頭螺釘分別與定模板和動模板連接定位,而成型小端通孔的圓柱小型芯則作為鑲塊,通過臺肩和H7/m6的過渡配合固定在型芯鑲塊中。該小型芯與成型側孔的側向型芯相貫,因此需在其側面對應高度位置加工出與側向型芯基本尺寸一致的孔,并與側向型芯形成H7/f6的間隙配合,使側向型芯可以順滑地插入和拔出,并保證成型時兩孔邊緣無飛邊產生。由于小型芯上側孔的加工使其安裝的角度唯一,故小型芯的臺肩和型芯鑲塊的固定孔均按馬蹄形止轉結構設計,以保證其裝配的位置精度。所有的成型零件需達到Ra0.2～0.8μm標準,以保證塑件的表面粗糙度。

圖7 型腔鑲塊Fig.7 Cavity insert

圖8 型芯鑲塊Fig.8 Core insert

2.5 側向分型與抽芯機構設計

塑件的側孔深度為9mm,側向型芯與小型芯相貫部分的高度為1.63mm,再留2～3mm的側抽芯余量,確定該模具的側抽距離為13mm。當側抽距離較小時,適合采用斜導柱側向分型與抽芯機構實現[5]。該模具的側向分型與抽芯機構如圖9所示。為提高側向型芯的強度和剛度,將其設計為兩段式,固定端加粗到其成型端直徑的兩倍,即φ18mm。側向型芯通過H7/m6的過渡配合嵌入滑塊,再用銷釘連接,在滑塊上側向型芯的后面有一φ10mm的孔供拆卸側向型芯用?；瑝K在T形導滑槽內運動,并通過彈簧定位螺釘限位,滑塊上開φ13mm, 20°的斜孔,該孔與斜導柱間有1mm間隙。斜導柱通過臺肩和H7/m6的過渡配合固定在定模板上,其總長度為133mm。楔緊塊通過頂部的螺紋連接固定在定模板上,其楔角為23°,保證合模時能壓緊滑塊,而開模時又能及時脫離滑塊。

圖9 斜導柱式側向分型與抽芯機構Fig.9 Side parting core pulling mechanism with inclined guide post

2.6 脫模機構設計

如圖10所示,模具采用推桿脫模機構,即在每個塑件的內表面布置8個直徑為4mm的標準式推桿,推桿與型芯鑲塊間采用H7/g6的間隙配合,且表面粗糙度至少為Ra0.8μm。在模溫的作用下推桿直徑略有膨脹,使推桿與型芯間的間隙比設計值略小,這樣既能保證推出運動順滑可靠、排氣順暢,也能避免間隙過大形成溢料飛邊。因在側向型芯的正下方有一個推桿,為避免合模時側向型芯與該推桿發(fā)生干涉,模具采用彈簧式先復位機構,即在4個均布的復位桿上分別安裝彈簧,合模時推板與注塑機頂桿脫離接觸后,在彈簧回復力的作用下使固定在推桿固定板上的所有推桿、復位桿和拉料桿都迅速復位,此時斜導柱還未驅動滑塊復位,推桿便復位結束,從而避免了與側向型芯的干涉。

圖10 推桿的布置Fig.10 The placement of the putter

3 模具整體結構及其工作過程

模具整體結構如圖11所示。模具的工作過程為:開模時,在Z字頭拉料桿19的作用下,主流道凝料從澆口套21內被拔出,并留在動模一側;塑件冷卻后包緊型芯鑲塊12,也留在動模一側;動模板5和定模板7從分型面處分開,塑件的外表面從型腔鑲塊10內露出;同時,在斜導柱15的作用下,側型芯滑塊14分別向模具的外側平穩(wěn)移動,在運動到彈簧限位釘17處停止移動,完成側向分型與抽芯動作;當開模距離達到50mm時,注塑機頂桿推動推板3運動,使安裝在推桿固定板4上的推桿11頂出塑件和澆道凝料,推板導柱24和推板導套25保證了推出動作的順滑可靠;合模時,注塑機頂桿退回,套在復位桿22上的復位彈簧23由開模時的壓縮狀態(tài)恢復為原長,推動推桿固定板4和推板3回到初始位置。

1-動模座板;2-墊塊;3-推板;4-推桿固定板;5-動模板;6-導柱;7-定模板;8-導套;9-定模座板;10-型腔鑲塊;11-推桿;12-型芯鑲塊;13-楔緊塊;14-滑塊;15-斜導柱;16-側向型芯;17-彈簧限位釘;18-小型芯;19-拉料桿;20-定位圈;21-澆口套;22-復位桿;23-復位彈簧;24-推板導柱;25-推板導套;26-垃圾釘

4 結語

針對護欄支架的結構特點,設計了一種曲面分型一模四腔兩板模。模具采用側澆口澆注系統(tǒng),經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,并能將熔接痕的風險降到最低;模具采用上下兩層環(huán)形冷卻水道,實踐證明,冷卻效果良好;模具的型芯和型腔均采用鑲塊式結構,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量;斜導柱式側向分型和抽芯機構實現了側孔的成型,頂桿推出機構將塑件從型芯推出,彈簧復位設計避免了合模時推桿和側向型芯的干涉。經實踐驗證,采用該套模具成型后的護欄支架質量良好,達到了客戶的技術要求。