基于CAE的智能馬桶座蓋注塑模具設計

葉其武

（廈門瑞爾特衛(wèi)浴科技股份有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

近年來，人們對衛(wèi)浴設施的要求越來越高，正在從傳統型向智能型方向發(fā)展。馬桶作為衛(wèi)浴設施建設不可缺少的一部分，美觀、高光、功能豐富等一系列要求被提出以后，智能馬桶應運而生[1]。其中，能夠突顯智能操控的結構為馬桶座蓋，該產品的加工制造質量主要取決于注塑模具。為了滿足智能馬桶座蓋的生產要求，必須有一個好的馬桶座蓋注塑模具[2]。該文將以此作為論文研究的切入點，提出馬桶座蓋注塑模具設計研究。

1 塑件結構與工藝

為了滿足用戶對馬桶座蓋的舒適度要求，該文以543 mm×302 mm×90 mm尺寸的馬桶座蓋為例，對馬桶座蓋注塑模具結構進行設計研究。其中，馬桶座蓋壁厚度范圍3.5 mm～6.0 mm，壁厚平均值為4 mm，體積為1 107 cm3。依據產品的生產加工需求，打造注塑模具外表面，消除毛刺、欠料、變形等情況。該次模具設計選取的材料為聚丙烯，該材料密度大小為0.98 g/cm3，模具成型收縮率參數為1.2%。

由于注塑模具對外觀形狀的設計要求較高，所以在設計方案時，必須控制好翹曲變形量參數，巧妙設計凸凹形變，在多處增加強筋，已達到控制外形目的。

2 注塑模具設計

2.1 設計注意事項

設計注意事項有3個。1）產品外觀達標。2）材料選取合理。3）綜合分析影響因素及產品需求設置參數[3]。

2.2 基于參數分析的注塑模具快速設計思路

為了加快馬桶座蓋注塑模具的設計速度，該文將注塑模具設計涉及的指標集中到一起，通過對這些指標參數設計要求進行綜合分析，擬定一套完整的參數范圍界定方案，從而形成完整的注塑模具設計方案。

該文注塑模具的設計分為3個步驟。1）需要確定澆注系統，依據CAE分析結果，通過搭建熱流道系統，實現熱流板受熱偏移管控，緩解縮痕問題。2）分別對注塑模具零件及抽芯機構進行設計。前者需要綜合考慮脫模方式、澆口以及塑料件的外形結構及參數控制范圍，以滿足馬桶座蓋上方與下方的無痕設計要求，經過一系列推理分析，確定模具排氣槽、推管等設備的設計思路。后者需要根據產品側孔布設情況，結合馬桶座蓋作業(yè)需求，調節(jié)各個滑塊的布設角度。3）對注塑模具進行冷卻處理，得到成型的馬桶座蓋。該項指標的設計關鍵在于水路直徑大小及冷卻管道部署，根據馬桶座蓋結構合理布設，通過沖水帶走模具中產品的熱量。

按照上述設計思路，利用CAE軟件對注塑模具進行模擬仿真。得到如圖1所示的有限元模型。

圖1 注塑模具有限元模型

2.3 注塑模具具體設計

2.3.1 澆注系統的確定

依據圖1模擬的有限元模型，考慮到馬桶座蓋體積較大，導致澆注口與注塑機之間的距離較遠，加大了噴嘴的噴射難度。為了保證智能噴水功能的設計要求，該文通過構建熱流道系統，對二級熱流道和熱流道板進行連接管控，借助4塊隔熱板將定模板與熱流道板隔離開來，從而避免熱量大量損失。考慮到塑料熔體流動容易對壓力因素造成影響，所以該設計方案減小了熱流道直徑尺寸，控制管道下表面、上表面以及高直徑分別為10.4 mm、3.7 mm、28 mm。另外，該次設計還考慮到了熱流道系統的作業(yè)穩(wěn)定問題，選取扇形澆口作為布設工具，從而避免后期產品產生過大誤差，增加修剪工作量。

2.3.2 零件設計

該方案中注塑模具零件的設計，依據智能馬桶座蓋使用功能需求，結合產品幾何結構設計等一系列指標要求，采用鑲拼方式布設結構。模具零件加工采用的材料為NAK80鋼材，該材料具有較好的抗腐蝕性、拋光性、耐用性，滿足模具外觀拋光設計需求。圖2為模具零件結構設計方案。

圖2中，模具定模模仁外觀長度為650 mm，寬度為550 mm，高度為215 mm。利用型號為M20的螺絲將模具各個邊框固定。為了保證模具內部的空氣正常流通，該設計在模仁上方布設了排氣槽，各個排氣槽之間的間隔為54 mm，深度參數為0.48 mm，長度和寬度依次為20 mm、10 mm。

圖2 模具零件結構設計方案

以上為定模仁零件結構設計方案，動模仁零件結構設計與之相似，零件外觀長度為650 mm，寬度為550 mm，高度為225 mm。同樣采用型號為M20螺絲將其固定。由于動模仁與定模仁在模具中起到的作用不同，所以需要設定推出機構，起到動態(tài)控制的作用。綜合分析模具注塑操作需求，設置推管直徑參數為6 mm。另外，還需要添加避空，其直徑大小為8 mm。其中，有效導向高度參數值大小為24.5 mm。

2.3.3 抽芯機構設計

智能馬桶座蓋需要液壓撥塊和直斜頂組合2種抽芯機構，根據產品服務功能需求利用CAE軟件對抽芯機構進行仿真設計。該文以直斜頂組合抽芯機構為例，用于動模注塑馬桶座蓋外形控制。圖3為動模抽芯機構設計方案。

圖3 動模抽芯機構設計方案

圖3中的設計方案具有防止注塑材料頂出的作用。當注塑材料注入模具中，馬桶座蓋內部形狀能夠得到有效控制，避免形變產生。其中，產品內部抽芯結構間距為38 mm，直徑大小為18 mm，配備的斜頂桿角度設置為18°。關于斜頂塊與頂桿之間的連接，利用過盈連接方式建立連接。為了避免中間轉動，利用彈簧墊和螺絲加以固定。

2.3.4 模具冷卻處理

模具冷卻處理是產品生產加工的關鍵步驟，利用水管沖洗，帶走部分熱量，達到冷卻的目的。該方案設計的冷水管直徑為12 mm，考慮到模具冷卻系統作業(yè)容易受到頂塊干擾，在冷水管處打盲孔，直徑為16 mm，與冷水管建立連接，從而實現多水路同時冷卻的目的。通常情況下，冷卻系統工作1 min左右，可以完成一次產品冷卻處理。

3 模具外觀及作業(yè)情況測試分析

為了避免注塑模具的設計方案存在問題，導致馬桶座蓋產品質量不合理問題的產生，該文對模具性能進行測試，通過觀察測試結果，檢驗該設計方案是否可靠。

該次檢測以模具生產出的馬桶座蓋外觀、作業(yè)情況為研究指標，分別對這2項指標進行測試，得到結果分別見表1和表2。

表1 馬桶座蓋外觀檢測結果

表2 馬桶座蓋作業(yè)情況測試結果

通過觀察表2中的檢驗結果可知，該文研發(fā)的注塑模具生產加工出的馬桶座蓋支持智能設備添加，滿足智能馬桶座蓋的生產要求。另外，在實際應用中，馬桶座蓋上下吻合程度較好，滑塊角度設計較好，為馬桶座蓋上下折疊、靈活調節(jié)提供了保證。從整體感受情況來看，利用CAE工具構建的智能馬桶座蓋注塑模具方案可靠性較高，應用舒適度評價較高，可以考慮大量生產，為企業(yè)創(chuàng)造更高的經濟效益。

4 結語

該文依據智能馬桶座蓋的生產加工需求，以注塑模具為重點研究對象，選取CAE軟件作為研究工具，通過構建仿真模型，為注塑模具的方案設計研究奠定基礎。該方案將注塑模具劃分為澆注系統、零件、抽芯機構、模具冷卻處理4個模塊，根據智能馬桶座蓋的功能需求，擬定注塑模具設計方案。測試結果表明，該注塑模具設計方案符合馬桶座蓋外觀生產標準，并且作業(yè)情況較好，滿足批量生產要求。