李波，羅善明，李毅，陳志杭

(1.集美大學(xué)海洋裝備與機(jī)械工程學(xué)院，福建廈門 361021；2.精覃模具制造有限公司，福建廈門 361023)

水管接頭是衛(wèi)浴產(chǎn)品中應(yīng)用較為廣泛的零件，一種帶有內(nèi)螺紋的管狀類零件的產(chǎn)品，其成型工藝為注塑成型。在注塑模具設(shè)計(jì)過程中，澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量，以往傳統(tǒng)模式開發(fā)模具，只能憑借設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)來選取澆口位置以及冷卻方式，后期需要反復(fù)修模和試模才能滿足塑件的使用要求，從而增加了模具的開發(fā)成本[1]。目前CAE仿真技術(shù)日益成熟并且廣泛應(yīng)用，通過moldflow模流仿真分析軟件確定澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，設(shè)置注塑成型工藝參數(shù)模擬注塑成型過程，從而驗(yàn)證所確定的模流分析模型的合理性[2-4]。筆者采用moldflow 模流分析軟件對(duì)塑件的重要成型工藝參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，確定了模具的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，縮短了模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的周期，保證了塑件的成型質(zhì)量。

目前關(guān)于內(nèi)螺紋的脫模難的問題，文獻(xiàn)[5-8]基本都采用螺紋型芯旋轉(zhuǎn)+推板推出機(jī)構(gòu)，螺紋型芯在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在推件板的作用下，完成內(nèi)螺紋的脫模。推件板的推出力由注塑機(jī)頂出系統(tǒng)提供，其大小由塑件的抱緊力確定，在推出過程中，推件力大小恒定，極有可能損傷內(nèi)螺紋。另外，如果采用推板推出機(jī)構(gòu)，塑件只能豎立放置，勢(shì)必會(huì)增加模具高度尺寸，模具加工精度難以保證，從而導(dǎo)致模具制造成本增加。針對(duì)此問題，筆者設(shè)計(jì)了一種齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)+抽芯液壓缸內(nèi)螺紋自動(dòng)脫模機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了螺紋型芯邊旋轉(zhuǎn)邊隨抽芯液壓缸直線方向移動(dòng)，有效避免了制件內(nèi)螺紋的損傷和變形。

1 塑件的材質(zhì)及工藝分析

水管接頭工作環(huán)境潮濕，且需要承受壓力較高的水流，要求塑件成型后的翹曲變形量較小，滿足裝配精度要求，避免在使用過程中出現(xiàn)滲水的現(xiàn)象。根據(jù)水管接頭的工作環(huán)境和成型要求，選用尼龍66(PA66)+50%玻纖(GF)，即添加比例為50%的GF增強(qiáng)PA66，這是一種常用的改性工程塑料，具有優(yōu)良的力學(xué)性能和抗沖擊性能，較好的耐磨性，尺寸穩(wěn)定性和化學(xué)性能良好的特點(diǎn)[9]。

該塑件大批量生產(chǎn)，塑件的體積為2.1 cm3，拔模斜度取1°，塑件的平均壁厚為2.9 mm，塑件表面要求無浮纖現(xiàn)象，變形量要求在0.08 mm以內(nèi)，塑件的精度取MT4。圖1為水管接頭示意圖。從圖1可以看出，塑件外形為階梯狀的回轉(zhuǎn)體，長(zhǎng)度為34 mm，最大圓弧直徑為14 mm，最小的直徑為8.3 mm。塑件的一端為內(nèi)螺紋，另一端為中空管，內(nèi)螺紋的公稱直徑為8 mm，螺距為1.2 mm，因此需要設(shè)計(jì)自動(dòng)脫螺紋機(jī)構(gòu)來解決內(nèi)螺紋脫模難的問題。

圖1 水管接頭Fig. 1 Water pipe joint

2 塑件的模流分析

2.1 塑件前處理

將三維模型導(dǎo)入moldflow軟件中，指定為雙層面的網(wǎng)格類型，設(shè)置全局網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.35 mm，完成網(wǎng)格劃分，并通過網(wǎng)格處理工具對(duì)劃分后的網(wǎng)格進(jìn)行修復(fù)，以保證模流分析的可行性及分析結(jié)果的可靠性，修復(fù)后的網(wǎng)格匹配率為85.6%，網(wǎng)格縱橫比最大值為10，連通性良好，由此可見，網(wǎng)格質(zhì)量的各項(xiàng)信息全都符合模流分析的條件。

2.2 最佳澆口的位置

澆口的基本作用是使分流道來的熔體產(chǎn)生加速，以快速充滿型腔，澆口(除直澆口外)在大多數(shù)情況下是整個(gè)澆注系統(tǒng)中截面最小的部位，合理選擇澆口位置是保證塑件質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[10]。通過moldflow 軟件的分析，獲得塑件的最佳澆口的位置，見圖2所示。從圖2分析結(jié)果可以看出，深藍(lán)色區(qū)域?yàn)樽罴褲部谖恢?，位于鄰近凸起環(huán)狀帶一側(cè)的附近。為保證塑料熔體順利充填型腔，將澆口的位置設(shè)置在凸起環(huán)狀帶上，在凸起的環(huán)狀帶上有一個(gè)小平臺(tái)特征，避免在外圓面上留下明顯的澆口痕跡，將澆口位置設(shè)置在小平臺(tái)上。

圖2 澆口位置仿真結(jié)果Fig. 2 Gate position simulation results

2.3 模流分析的模型建立

利用moldflow軟件進(jìn)行模流分析，需要建立模流分析模型，該模型主要包括澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。根據(jù)生產(chǎn)批量的需求和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用一模兩腔和點(diǎn)澆口的模具結(jié)構(gòu)。若采用常見的側(cè)澆口進(jìn)行澆注，塑料熔體存在爬升現(xiàn)象，導(dǎo)致熔體的流動(dòng)性變差和充填不足，由于玻纖增強(qiáng)PA66的流動(dòng)性較差，而且PA66 與玻纖兩種材料的流動(dòng)性不一致，為保證玻纖均勻分散，不發(fā)生淤積和分層而形成浮纖，熔體須快速填充型腔[11]，另外，若采用側(cè)澆口進(jìn)行澆注，需進(jìn)行二次去除，在塑件的表面留下較為明顯的痕跡。冷卻系統(tǒng)采用常見的直流循環(huán)式的冷卻回路，上下模對(duì)稱布置，為了提高模具冷卻的均勻性，在冷卻回路增加了隔水板。模流分析模型如圖3所示。

圖3 模流分析模型Fig. 3 Moldflow analysis model

2.4 注塑工藝參數(shù)的模擬分析

根據(jù)所確定的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的模型，選取“填充+保壓+冷卻+翹曲”的分析序列，在模流分析過程中，設(shè)置的注塑成型工藝參數(shù)見表1。針對(duì)塑件成型質(zhì)量的要求，筆者從充填時(shí)間、縮痕指數(shù)、氣穴位置、翹曲變形量四個(gè)成型工藝參數(shù)來進(jìn)行模擬分析，從而驗(yàn)證所確定的分析模型是否合理，為后續(xù)的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，分析結(jié)果如圖4所示。

表1 注射成型工藝參數(shù)Tab. 1 Injection molding process parameters

圖4 注塑工藝參數(shù)的模擬分析Fig. 4 Simulation analysis of injection molding process parameters

充填時(shí)間是指注射開始到塑料熔體充滿模具型腔的時(shí)間，此成型工藝參數(shù)對(duì)塑件的成型周期和塑件質(zhì)量起著重要作用[12]，從圖4a的充填時(shí)間分析結(jié)果可以看出，料流充填時(shí)間為2.077 s，可以在較短時(shí)間內(nèi)充填型腔，針對(duì)玻纖增強(qiáng)PA66 材料，充填時(shí)間越短，越不容易在塑件表面出現(xiàn)浮纖現(xiàn)象，且整體不存在充填不完整的現(xiàn)象，在分析的日志中也找不到存在短射的現(xiàn)象，可見充填完整，充填時(shí)間較為合理。

縮痕是指塑件在冷卻定型過程中由于收縮過大，塑件表面出現(xiàn)凹陷、塌陷等缺陷?？s痕指數(shù)反映了塑件表面上某區(qū)域出現(xiàn)縮痕的相對(duì)可能性，其數(shù)值越大，說明此區(qū)域出現(xiàn)該現(xiàn)象的概率越高，合格的塑件要求縮痕指數(shù)小于5%[13]。由圖4b的分析結(jié)果可知，該塑件最大縮痕指數(shù)為0.73%，外表面有輕微縮水，不影響產(chǎn)品的裝配。

從圖4c的分析結(jié)果可以看出，氣穴主要分布在水管接頭的兩個(gè)端面上，其他區(qū)域幾乎沒有，說明兩個(gè)端面上存在困氣的現(xiàn)象，但是氣穴基本上都分布在接近端面的邊緣上，靠近塑件的分型面，另外，由圖1中的塑件尺寸可知，該塑件為小型制件，因此排氣量不大，所以可以利用分型面的間隙以及頂桿與模板的間隙進(jìn)行自然排氣，消除大量的氣穴。

由于水管接頭處在高壓水的工作環(huán)境，容易滲水，所以要求其變形量在0.08 mm以內(nèi)。從圖4d翹曲變形量分析結(jié)果可以看出，塑件的最大變形量大約為0.05 mm，發(fā)生在水管接頭端面附近的表面，主要由于這些區(qū)域凹凸起伏的形狀結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致壁厚不一致，因此引起塑件收縮不均而發(fā)生翹曲變形，根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)尺寸和所提出的工藝要求，翹曲變形量在合理范圍之內(nèi)，能夠保證塑件的成型精度和工藝要求。

通過以上的工藝參數(shù)分析，驗(yàn)證了水管接頭的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是合理的。

3 塑料模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 模具結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)圖1塑件產(chǎn)品圖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及生產(chǎn)批量的需求，設(shè)計(jì)為一模兩腔的模具結(jié)構(gòu)形式。以圖1剖視圖中的PL作為主分型面，由模流分析可知，該模具采用點(diǎn)澆口進(jìn)膠，所以必須使用三板式的模具結(jié)構(gòu)，在本套模具里采用彈簧分型、拉桿定距的定距分型機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)模具的三次順序分型，該機(jī)構(gòu)如圖5 所示。為保證模具的制造精度，須控制模具的總高度，所以將塑件橫置，與豎立放置相比，還可以有效避免螺牙損傷和變形，內(nèi)螺紋型芯成型M8×75的螺紋，光孔側(cè)型芯成型孔深為22 mm 的內(nèi)孔，螺紋側(cè)型芯與光孔側(cè)型芯在圖1 中的A面碰穿，內(nèi)螺紋的抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為齒輪傳動(dòng)+抽芯液壓缸自動(dòng)脫螺紋機(jī)構(gòu)，光孔的脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為斜導(dǎo)柱側(cè)滑塊抽芯機(jī)構(gòu)；該模具的推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為頂桿推出機(jī)構(gòu)，頂出部位為塑件的外圓表面，為減少在塑件的外圓上留下頂出痕跡，將頂桿設(shè)計(jì)為成形頂桿，采用帶彈簧的復(fù)位桿實(shí)現(xiàn)頂桿的先復(fù)位。

圖5 彈簧分型拉桿定距機(jī)構(gòu)Fig. 5 Spring parting tie rod spacing mechanism

3.2 側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.2.1 側(cè)型芯的定位

該塑件一端帶有內(nèi)牙螺紋，另一端為光孔，帶有螺紋端需要自動(dòng)脫螺紋機(jī)構(gòu)，另一端的光孔的抽芯采用常見的斜導(dǎo)柱側(cè)滑塊的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。內(nèi)螺紋側(cè)型芯與光孔側(cè)型芯在模具復(fù)位時(shí)在圖1中的A面碰穿，須保證兩側(cè)型芯同心，才能保證塑件內(nèi)孔的同軸度，筆者采用帶有錐度孔定位方式來保證兩側(cè)型芯的同軸度，定位內(nèi)孔和凸臺(tái)分別設(shè)計(jì)在螺紋側(cè)型芯和光孔側(cè)型芯的端面上，定位結(jié)構(gòu)和尺寸如圖6所示。

圖6 側(cè)型芯的定位Fig. 6 Positioning of the side core

3.2.2 斜導(dǎo)柱側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖7為側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)。斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)主要由光孔側(cè)型芯10、側(cè)滑塊11、斜導(dǎo)柱12 和楔緊塊組成，由圖1 可知，光孔深為22 mm，為了能夠順利脫模，取抽芯距s為27.5 mm。斜導(dǎo)柱的安裝在定模板上，滑塊安裝在動(dòng)模板上，斜導(dǎo)柱的安裝角度α為18°，工作長(zhǎng)度L為113 mm，按照抽芯距校核公式L=s/sinα，得L=89 mm＜113 mm，所以斜導(dǎo)柱的長(zhǎng)度足可以完成所需的抽芯距。另外，滑塊采用彈簧復(fù)位，楔緊塊鎖緊，此套模具的楔緊裝置與定模板做成整體式，為了開模時(shí)楔緊塊快速離開滑塊的壓緊面，避免楔緊塊與滑塊間產(chǎn)生摩擦，楔緊塊的斜角α'大于斜導(dǎo)柱的安裝角度α，取α'=20°[14]。

圖7 側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)Fig. 7 Lateral parting and core-pulling mechanism

3.2.3 內(nèi)螺紋脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

內(nèi)螺紋由內(nèi)螺紋側(cè)型芯8 成形，筆者采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)+抽芯液壓缸進(jìn)行內(nèi)螺紋自動(dòng)脫模，主動(dòng)輪和兩個(gè)從動(dòng)輪選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪和標(biāo)準(zhǔn)安裝，齒輪尺寸參數(shù)見表2[15]。內(nèi)螺紋的抽芯機(jī)構(gòu)由電動(dòng)馬達(dá)2，主動(dòng)齒輪7，兩個(gè)從動(dòng)齒輪6 以及抽芯液壓缸1 組成，如圖7 所示，其中，螺紋側(cè)型芯8 通過平鍵與從動(dòng)齒輪6連接。

表2 齒輪尺寸參數(shù)Tab. 2 Gear dimension parameter

由電動(dòng)馬達(dá)2驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪7旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)齒輪7帶動(dòng)兩個(gè)從動(dòng)齒輪6 同方向旋轉(zhuǎn)，保證兩個(gè)內(nèi)螺紋的旋向一致，同時(shí)，抽芯液壓缸1帶動(dòng)從動(dòng)齒輪在主動(dòng)齒輪上軸向滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了螺紋型芯邊旋轉(zhuǎn)邊隨抽芯液壓缸直線方向移動(dòng)，兩套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)保證了塑件的內(nèi)螺紋成形精度的要求。因?yàn)樗芗尚秃?，塑件抱緊在型芯上，所以塑件剛脫離螺紋型芯時(shí)，需要較大的脫模力[16]，其后，抽芯液壓缸提供的抽芯力僅需要克服塑件移動(dòng)的摩擦力即可，與齒輪傳動(dòng)+推板推出脫螺紋機(jī)構(gòu)相比，可以很好地保證螺牙不受損傷和變形。

表2 為齒輪尺寸參數(shù)。由圖1 可知，內(nèi)螺紋部分的抽芯距為12 mm，由表2可知，主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪的厚度差為27 mm，當(dāng)滑塊5 與擋塊3 接觸時(shí)，抽芯液壓缸停止抽芯，滑塊與擋塊之間的距離為25 mm (12＜25＜27)，所以既保證了所需的抽芯距離，同時(shí)也保證了從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪在軸向上不脫離。改變抽芯液壓缸中的油液方向，使內(nèi)螺紋側(cè)型芯復(fù)位，由楔緊塊4鎖緊，以便下次的澆注。

3.3 模具整體結(jié)構(gòu)及工作過程

水管接頭的模具為三板式模具結(jié)構(gòu)，有三個(gè)分型面，如圖8中的P1，P2，P3，具體工作過程為：

圖8 模具結(jié)構(gòu)圖Fig. 8 Mold structure drawing

3.3.1 注塑過程

模具閉合，注塑機(jī)通過主流道、水平分流道及豎直分流道和點(diǎn)澆口向2 個(gè)型腔內(nèi)澆注，使料流充滿型腔。

3.3.2 保壓和冷卻過程

塑料熔體充滿型腔后，按照設(shè)置的注塑工藝參數(shù)在型腔內(nèi)進(jìn)行保壓和冷卻，進(jìn)而獲得健全完整的塑件。

3.3.3 開模過程

隨著注塑機(jī)的開模，在圖8 中的彈簧9 的預(yù)緊力作用下，首先使模具在第一個(gè)分型面P1 處分型，在拉料桿15的作用下，豎直分流道與塑件在模腔的點(diǎn)澆口處拉斷，流道與塑件分離。P1 分型面打開120 mm 以后，在定距拉桿4 的拉力作用下，使脫料板19 下行，此時(shí)，P2 分型面開始打開，脫料板19 將主流道凝料從澆口襯套17中拉出以及拉料桿15端部上的分流道凝料刮下來，完成澆注系統(tǒng)凝料的自動(dòng)脫模。P2分型面打開8 mm后，在定距套11的作用下，脫料板19停止移動(dòng)。動(dòng)模部分在開模力的作用下，繼續(xù)后移，P3分型面被迫打開，在側(cè)型芯的干涉作用下，使塑件留在動(dòng)模部分。

3.3.4 抽芯

通過斜導(dǎo)柱40帶動(dòng)側(cè)型芯滑塊43，使其在動(dòng)模板5的導(dǎo)滑槽內(nèi)向外移動(dòng)，直至光孔側(cè)型芯39與塑件完全脫開，完成光孔的側(cè)向抽芯。同步地，電動(dòng)馬達(dá)34帶動(dòng)主動(dòng)齒輪24，主動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)兩個(gè)從動(dòng)齒輪22，使兩個(gè)內(nèi)螺紋側(cè)型芯同向旋轉(zhuǎn)，使其與塑件分離，同時(shí)，在抽芯液壓缸的直線運(yùn)動(dòng)作用下，完成塑件內(nèi)螺紋的側(cè)向抽芯。

3.3.5 頂出

達(dá)到開模行程后，動(dòng)模部分停止后移，注塑機(jī)中心頂桿推動(dòng)推板29，從而驅(qū)動(dòng)固定在推桿固定板上的頂桿33將塑件完全從模具中頂出。

3.3.6 復(fù)位

內(nèi)螺紋側(cè)型芯由抽芯液壓缸驅(qū)動(dòng)復(fù)位，由楔緊塊鎖緊；光孔側(cè)型芯由斜導(dǎo)柱40和彈簧45復(fù)位，由定模板41 (定模板與楔緊裝置做成整體式)鎖緊；頂桿由復(fù)位桿23復(fù)位，況且在復(fù)位桿上安裝了預(yù)復(fù)位彈簧25，實(shí)現(xiàn)了頂桿先復(fù)位，防止在合模過程中，推桿與側(cè)型芯相互碰撞干涉的現(xiàn)象。復(fù)位完成后，繼續(xù)下一個(gè)周期的注塑過程。

4 結(jié)論

水管接頭為衛(wèi)浴產(chǎn)品的零件，針對(duì)某種帶有內(nèi)螺紋的水管接頭，應(yīng)用模流分析軟件moldflow驗(yàn)證所確定的分析模型的合理性，并設(shè)計(jì)了自動(dòng)脫螺紋的注塑模具結(jié)構(gòu)，主要工作如下：

(1)首先，結(jié)合最佳澆口位置分析結(jié)果和塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定塑件的模流分析模型，該模型包括澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。然后，利用該分析模型，設(shè)置注塑成型工藝參數(shù)進(jìn)行模流分析，分析結(jié)果顯示，塑料熔體充填時(shí)間為2.077 s，充填過程中無短射現(xiàn)象且兩型腔的一致性較好；塑件最大縮痕指數(shù)為0.73%，未出現(xiàn)明顯縮痕或縮孔的現(xiàn)象；氣穴主要分布在塑件端面的邊緣上，利用分型面和頂桿的間隙進(jìn)行自然排氣，排氣情況良好；塑件最大翹曲變形量為0.051 mm，滿足成型工藝的要求。

(2) 由于采用點(diǎn)澆口進(jìn)行澆注，注塑模具設(shè)計(jì)為一模兩腔，三板式的模具結(jié)構(gòu)，采用彈簧定距拉桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模具的三次分型；由于塑件為圓形管狀類零件，分型面選擇在回轉(zhuǎn)體的軸心面上，采用斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)塑件光孔部分的抽芯，采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和抽芯液壓缸兩套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)螺紋的自動(dòng)脫模。通過實(shí)際生產(chǎn)證明，該機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有效避免了螺牙損傷和變形，降低了模具開發(fā)成本，對(duì)同類型塑件的注塑模具設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。