扣鎖式圓蓋注射模具設(shè)計(jì)

魏燕紅 喻紅梅 陳營 周紅梅

摘要：產(chǎn)品為扣鎖式圓蓋，屬于工程塑料產(chǎn)品。介紹鎖扣式圓蓋注射模具的設(shè)計(jì)過程，通過對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能分析，采用側(cè)澆口進(jìn)澆，斜頂機(jī)構(gòu)完成圓蓋內(nèi)側(cè)3個(gè)圓弧狀卡扣的成型，利用先復(fù)位機(jī)構(gòu)的工作機(jī)理，模具動(dòng)作可靠、布局合理。最后，利用moldflow軟件對(duì)本次設(shè)計(jì)方案的注射成型過程模擬分析，可知，在填充方面能夠達(dá)到進(jìn)澆平衡并充滿型腔，在溫度調(diào)控方面能夠達(dá)到到預(yù)期的冷卻效果。所以設(shè)計(jì)方案合理，達(dá)到了產(chǎn)品的任務(wù)要求。

關(guān)鍵詞：扣鎖式圓蓋;注射模;斜頂

中圖分類號(hào)：TQ320.66?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2020）03-0010-06

Abstract：The product is buckle-lock type round cover， which is an engineering plastics product. The design process of injection mould for the buckle-lock type round cover was introduced first. Through the analysis of the structure and performance of the product， the side gate was used for pouring，and the lifter mechanism was used to form three arc-shaped buckles on the inner side of the round cover.?By using the working mechanism of the first reset mechanism， the movement of the mould is reliable and the layout is reasonable. Finally， using moldflow software to simulate and analyze the injection molding process of this design scheme， it can be seen that the filling balance can be achieved and the cavity can be filled， and the expected cooling effect can be achieved in temperature control. Therefore， the design scheme is reasonable and meets the task requirements.

Keywords：the buckle-lock type round cover;?injection mold; lifter

塑料性能良好、價(jià)格相對(duì)便宜、性價(jià)比高，被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子器件、汽車交通、醫(yī)療器械、建筑建材等各個(gè)領(lǐng)域[1-3]。塑料成型的方法很多，其中注塑模具成型應(yīng)用較多，該方法通過注塑機(jī)加熱熔融原料，在高壓狀態(tài)下注入到成型模具內(nèi)，經(jīng)過冷卻固化、脫模，最終獲得產(chǎn)品。注塑模具成型生產(chǎn)效率高、速度快、可自動(dòng)化操作，能夠成型形狀復(fù)雜的零件，特別適合熱塑性塑料成型以及大批量生產(chǎn)[4-6]。本設(shè)計(jì)以給定的產(chǎn)品扣鎖式圓蓋為研究對(duì)象，分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和工藝性能，并針對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，進(jìn)行塑件模具結(jié)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)，最后完成產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)。

1?塑件結(jié)構(gòu)及成型工藝特點(diǎn)

產(chǎn)品為1個(gè)圓蓋，內(nèi)表面有3個(gè)圓弧狀的卡扣，其塑件三維圖如圖1所示。塑件材料為聚苯乙烯（PS），無色、無味透明固體，穩(wěn)定性好，收縮率低，電絕緣性能優(yōu)良，應(yīng)用廣泛。任務(wù)要求塑件表面上平整光滑，無翹曲、折皺、裂紋等缺陷，沒有尖利或薄弱結(jié)構(gòu)。圓蓋平面要求一定的平整度，周邊圓弧面要求光滑，圓蓋的內(nèi)側(cè)面可允許推桿痕跡。該塑件未注公差等級(jí)，精度要求不高，容易成型。

綜上分析，該塑件適合于注射模具成型。根據(jù)其任務(wù)要求的生產(chǎn)批量，采用一模多腔的注射模具生產(chǎn)，并采用斜頂機(jī)構(gòu)完成塑件中3個(gè)圓弧狀的卡扣的成型。

2?模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1?型腔數(shù)和分型面的確定

塑件的尺寸較小，結(jié)構(gòu)也比較簡單，模具采用一模兩腔成型的方式批量生產(chǎn)，對(duì)稱放置，布置方式如圖2所示。

為了保證塑件表面的質(zhì)量要求和順利脫模，根據(jù)分型面的選用原則[7]，將分型面選在塑件截面最大處，同時(shí)也保證開模后塑件在動(dòng)模一側(cè)，分型面開設(shè)在圓蓋下端截面積最大位置處。開模時(shí)，塑件包緊在型芯上，能夠保證其留在動(dòng)模一側(cè)。分型面的具體位置如圖3所示。另外為了簡化模具結(jié)構(gòu)，斜頂、滑塊等結(jié)構(gòu)都開設(shè)在動(dòng)模一側(cè)。

2.2?澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)是熔融的塑料流體從注塑機(jī)進(jìn)入模具的進(jìn)料通道，將來自注射機(jī)噴嘴的塑料熔體均勻而平穩(wěn)地輸入到型腔，并將注射壓力有效地傳遞到型腔的各個(gè)部位，以獲得形狀完整、質(zhì)量優(yōu)良的塑料制件[8]。澆注系統(tǒng)一般由主流道、分流道、澆口和冷料井組成。在此副模具中，主流道采用標(biāo)準(zhǔn)件澆口套來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)選用的XS-Z-60型注射機(jī)中噴嘴球面半徑和噴嘴口直徑來確定澆口套的相關(guān)尺寸。分流道采用平衡式布置，截面形狀為圓形，直徑為6 cm，長度為26 cm。澆口為位置開設(shè)在分型面上，側(cè)澆口形式進(jìn)澆，截面簡單，易于加工，澆口位置如圖4所示。另外，為了收集容納主流道前端的多余凝料，在主流道的前端開設(shè)冷料穴，并設(shè)置Z型拉料桿，在開模是起拉料的作用，保證澆注系統(tǒng)凝料從模具中順利脫模。

2.3?成型零部件的設(shè)計(jì)

2.3.1?型腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在注射成型中，型腔決定了成型制件的外表面成型情況。型腔分為組合式，整體式。由塑件的結(jié)構(gòu)分析，該產(chǎn)品屬于小模具，而且沒有凹槽，本文中采用整體式型腔結(jié)構(gòu)，型腔結(jié)構(gòu)如圖5所示。型腔材料為Cr12MoV，保證其有足夠的強(qiáng)度和硬度[9]。在型腔底端4個(gè)角的位置分別加工1個(gè)M6的螺紋孔，便于通過螺釘將型腔和定模板連接，型腔的側(cè)壁部分采用H7/m6的過渡配合。另外，還在型腔的4個(gè)角開設(shè)凹槽，便于模具的定位。

2.3.2?型芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在模具結(jié)構(gòu)中，型芯直接與塑件的內(nèi)表面相接觸，其表面質(zhì)量直接決定看制件的內(nèi)表面質(zhì)量。根據(jù)對(duì)塑件的分析，由于該塑件的內(nèi)形和外形相似，同時(shí)為了加工方便，本設(shè)計(jì)中采用整體式型芯結(jié)構(gòu)，如圖6所示。根據(jù)批量和配合要求，型芯材料選擇合金工具鋼Cr12MoV，淬硬要求達(dá)到52～58 HRC，型芯采用H7/m6配合嵌入動(dòng)模板中[10]，并通過螺釘緊固在動(dòng)模板上。

2.4?斜頂抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

塑件內(nèi)部有3個(gè)圓弧狀的卡扣，需要內(nèi)抽芯機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行成型。為平衡抽芯時(shí)的作用力，2個(gè)型腔平衡設(shè)置，并對(duì)應(yīng)設(shè)置6個(gè)對(duì)稱的斜頂裝置，實(shí)現(xiàn)內(nèi)側(cè)抽芯。另外，斜頂?shù)男谐虄H為3 mm，所以斜頂入子和斜頂桿采用整體式的結(jié)構(gòu)，如圖7所示。斜頂桿通過T型臺(tái)肩與斜頂滑座相連，滑座固定在推桿固定板上，推出時(shí)，斜頂隨著固定板一起運(yùn)動(dòng)，既向前頂出，同時(shí)側(cè)向運(yùn)動(dòng)，完成向內(nèi)抽芯。斜頂桿由于與滑軌間會(huì)有相互摩擦運(yùn)動(dòng)，所以選用性能優(yōu)良的優(yōu)質(zhì)合金材料，本設(shè)計(jì)采用Cr12MoV優(yōu)質(zhì)合金工具鋼，具有良好的耐磨性和耐蝕性[11]。

2.5?冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

模具溫度不僅是影響塑件質(zhì)量的重要因素，還影響了整個(gè)注塑模具成型過程中的生產(chǎn)效率。模具冷卻階段的時(shí)間占整個(gè)注射成型周期的80%左右[12]。因此，模溫調(diào)節(jié)在整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中都起到了至關(guān)重要的作用。為了達(dá)到合適的冷卻效果，本副模具在動(dòng)模板和定模板上都開設(shè)了冷卻水路。水路的截面形狀為直徑為9 mm的圓形孔，開設(shè)在塑件的周圍。動(dòng)、定模的循環(huán)水路布置如圖8所示，冷卻介質(zhì)為水，冷卻水道各連接處保持密封，防止冷卻水外泄。

2.6?脫模及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于塑件較簡單，質(zhì)量較輕，所以采用推桿推出，并以臺(tái)肩的形式固定在推桿固定板上。共有2根推桿，直徑為6 mm。另外，設(shè)計(jì)6個(gè)斜頂裝置在運(yùn)動(dòng)的過程中，同樣有推出塑件的作用。這些機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，能夠保證塑件的順利脫出。當(dāng)塑件成功推出后，由于要進(jìn)行下一次注塑成型工作，所以模具需要進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作。既動(dòng)模要回到初始位置，與定模相合。完成這項(xiàng)工作的模具結(jié)構(gòu)是復(fù)位機(jī)構(gòu)。復(fù)位機(jī)構(gòu)主要由復(fù)位桿發(fā)生作用。其中復(fù)位桿與模板的滑動(dòng)配合外其余部分均處于浮動(dòng)狀態(tài)。

本模具采用導(dǎo)柱導(dǎo)套作為導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)，可以滿足開模導(dǎo)向定位要求。根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及GB/T 4169.4—2006《塑料注射模零件?第4部分：帶頭導(dǎo)柱》，導(dǎo)柱選用帶頭導(dǎo)柱，型號(hào)為20 mm×30 mm×140 mm。導(dǎo)柱材料為碳素工具鋼T10A。導(dǎo)套選用直導(dǎo)套，型號(hào)為30 mm×80 mm，材料同樣選用T10A。該模具選用標(biāo)準(zhǔn)模架，導(dǎo)柱導(dǎo)套的布置均為標(biāo)準(zhǔn)式，設(shè)置了4組導(dǎo)柱與導(dǎo)套。導(dǎo)柱安裝段與模板間的配合精度采用過渡配合H7/m6，導(dǎo)柱導(dǎo)向段與導(dǎo)向孔間采用間隙配合H7/f7。導(dǎo)套外徑與模板的配合精度采用過渡配合H7/m6[13]。

3?模具總體結(jié)構(gòu)及工作原理

本模具為兩板式注射模，一模兩腔，側(cè)澆口進(jìn)澆，如圖9所示。主要零件包括：成形的型芯和型腔，澆口套，導(dǎo)套和導(dǎo)柱，推桿，斜頂，復(fù)位桿等組成。該模具結(jié)構(gòu)簡單，制造難度小，但是無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫料。

模具工作過程：注入注塑機(jī)的塑料在注塑機(jī)加熱系統(tǒng)和螺桿的作用下加熱剪切熔融，熔融的塑料在螺桿的推動(dòng)作用下，注射到閉合的模具內(nèi)。經(jīng)過一段時(shí)間的保壓、冷卻，塑料固化成型，然后進(jìn)行開模，在導(dǎo)柱導(dǎo)向的情況下，動(dòng)定模順利分型，并帶動(dòng)拉料桿拉斷澆口，隨后在推板的作用下，斜頂在推出的過程中同時(shí)向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，完成塑件內(nèi)側(cè)卡扣的成型和脫模，另外在斜頂和推桿的共同作用下塑件順利完成脫出。頂出力卸載后，復(fù)位桿在的彈簧從壓緊狀態(tài)恢復(fù)至自由狀態(tài)，使得推桿固定板和推板完成復(fù)位，以免頂桿碰到型腔，損壞模具。之后動(dòng)模和定模在導(dǎo)柱導(dǎo)套的作用下閉合，完成整個(gè)成型周期。

4?模具工作過程模擬分析

利用Moldflow軟件對(duì)本次設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行注射成型過程模擬分析，主要包括填充/保壓模擬以及冷卻模擬。通過得到的結(jié)果分析驗(yàn)證該方案是否可行。

模擬工作的分析流程如下，首先在Moldflow中導(dǎo)入新建CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分與檢查;網(wǎng)格滿足要求后，選擇分析的類型和成型的材料;隨后在軟件中創(chuàng)建澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，接著設(shè)置注射成型工藝參數(shù)，最后進(jìn)行分析計(jì)算，得出結(jié)果。根據(jù)結(jié)果判斷設(shè)計(jì)的方案是否合理。

該設(shè)計(jì)的澆注方案如圖10所示，采用一模兩腔的布局，側(cè)澆口進(jìn)澆，每個(gè)塑件有1個(gè)進(jìn)澆點(diǎn);主流道為錐形，小端直徑為5 mm，大端直徑為10 mm，分流道設(shè)計(jì)了2段，截面形狀為圓形，直徑為9 mm;澆口的形狀為矩形。在Moldflow中通過創(chuàng)建直線的方式進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)建。冷卻管路上下2層設(shè)置，分別開設(shè)在動(dòng)、定模兩側(cè)，并布置在塑件的周圍。冷卻介質(zhì)為水，入口溫度為25 ℃。

在完成塑件模型前期相關(guān)的處理后，通過軟件的MPI系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，整個(gè)計(jì)算過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)反復(fù)迭代的過程。分析計(jì)算之后，自動(dòng)得到相關(guān)結(jié)果，本文主要從流動(dòng)和冷卻2個(gè)方面，分析該設(shè)計(jì)方案的合理性。

4.1?流動(dòng)分析結(jié)果

流動(dòng)分析結(jié)果主要包括填充時(shí)間、速度/壓力切換時(shí)的壓力、注射位置處壓力曲線、熔接痕等4個(gè)方面的內(nèi)容。塑件填充時(shí)間的結(jié)果，如圖11所示，每個(gè)制件只有1個(gè)側(cè)澆口，填充時(shí)間為0.920 2 s，該澆注系統(tǒng)方案能夠完全填充，沒有短射、澆不足的情況產(chǎn)生。采用一模兩腔、對(duì)稱布置的方式，2個(gè)制件能夠達(dá)到同時(shí)填充。

填充階段的分析日志如圖12所示，可知速度/壓力切換時(shí)的壓力為7.04 MPa，此時(shí)已有99.03%的填充體積被充滿。填充效果符合前處理時(shí)的工藝設(shè)置。

為了探討塑件澆口處的壓力在成型周期期間的變化，分析注射位置壓力曲線圖，其結(jié)果如圖13所示。從圖中可知，注射位置處的壓力先隨時(shí)間急劇升高到7.04 MPa，然后在速度/壓力轉(zhuǎn)換點(diǎn)附近，壓力值降低到5.6 MPa，剛好為填充壓力的80%，這與工藝參數(shù)設(shè)置的填充、保壓、冷卻的曲線吻合。

熔接痕是影響塑件外觀和質(zhì)量的一個(gè)主要缺陷。通過軟件計(jì)算，在該設(shè)計(jì)方案下，塑件容易出現(xiàn)熔接線的位置主要分布在3個(gè)內(nèi)側(cè)鎖扣附近，如圖14所示。熔接線隱藏在塑件的內(nèi)部，沒有影響塑件的外觀，基本符合任務(wù)中要求的制件外觀和強(qiáng)度的要求。

4.2?冷卻分析結(jié)果

冷卻分析主要塑件的最高溫度和回路中冷卻介質(zhì)溫度兩個(gè)主要的指標(biāo)。通過冷卻分析，查看塑件經(jīng)過冷卻后，產(chǎn)品上的最高溫度值及其出現(xiàn)的位置，具體分析結(jié)果如圖15～16所示。制件最高溫度的位置主要出現(xiàn)在塑件芯部區(qū)域，其值為55.22 ℃，小于產(chǎn)品脫模時(shí)的模具溫度80 ℃，說明冷卻水路帶走的熱量高于成型時(shí)塑料放出的熱量，符合冷卻要求。

另外，通過分析回路冷卻介質(zhì)溫度，即通過冷卻過程后冷卻管道中水的溫度，結(jié)果如圖17所示，在整個(gè)冷卻過程中，入水口與出水口間的溫差僅為0.57 ℃，符合出入水溫差小于2 ℃的設(shè)計(jì)原則。

通過對(duì)本次設(shè)計(jì)方案的注射過程模擬，著重進(jìn)行了流動(dòng)分析和冷卻分析。由以上分析可知，在填充方面能夠達(dá)到進(jìn)澆平衡并充滿型腔，滿足工藝參數(shù)的設(shè)置，熔接痕出現(xiàn)的位置不影響制件的外觀和強(qiáng)度要求;在冷卻方面，各參數(shù)符合冷卻要求，達(dá)到了冷卻效果。所以該方面合理、滿足任務(wù)要求。

5?結(jié)束語

此次設(shè)計(jì)為扣鎖式圓蓋注塑模具，外觀要求表面清潔，不含異物，無劃傷，大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低，成型容易。根據(jù)技術(shù)要求，為了大量生產(chǎn)采用一模兩腔布局，因?yàn)閭?cè)澆口易于加工選擇了側(cè)澆口，采用平衡式布局使得塑件的表面光滑美觀;選用整體式嵌入式型腔，模具結(jié)構(gòu)簡單，加工便利;因?yàn)樗芗∏冶〉奶攸c(diǎn)，采用推桿推出并設(shè)立復(fù)位桿。模具分模時(shí)，斜頂機(jī)構(gòu)側(cè)向移動(dòng)，使內(nèi)扣成型和塑件順利脫模，采用拉料桿將凝料拉出，頂出時(shí)推桿將塑件及流道從型芯上頂離，達(dá)到順利脫模的效果。模具要求的配合精度很高，所以必須設(shè)置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，除了設(shè)置了導(dǎo)柱導(dǎo)套外，如果型腔和型芯的配合程度不能達(dá)到要求，那么成型零件可能會(huì)在開合模的同時(shí)發(fā)生干涉，進(jìn)而被損壞。為了確保各個(gè)零件能夠正常的工作，所以在加工制造時(shí)，應(yīng)格外注意加工精度的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉朝艷.?2016—2017年世界塑料工業(yè)進(jìn)展（I）[J].?塑料工業(yè)，2018，46（3）：1-12.

[2]寧軍.?2016—2017年世界塑料工業(yè)進(jìn)展（Ⅱ）[J].?塑料工業(yè)，2018，46（4）：1-19.

[3]白劍臣，姚志光，郭俊峰.?塑料成型工藝學(xué)[M].?北京：北京理工大學(xué)出版社，2012.

[4]申開智.?塑料成型模具[M].?北京：中國輕工業(yè)出版社，2002.

[5]ROSATO M G，ROSATO D V.?Injection molding handbook[M].?New York：Springer US，2000.

[6]MENDIBLE G A，RULANDER J A，JOHNSTON S P.?Comparative study of rapid and conventional tooling for plastics injection molding[J].?Rapid Prototyping Journal，2017，23（2）：344-352.

[7]夏江梅.?塑料成型模具與設(shè)備[M].?北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[8]馮炳堯，王南根，王曉曉.?模具設(shè)計(jì)與制造簡明手冊[M].?上海：科學(xué)技術(shù)出版社，2015.

[9]楊占堯，王高平.?塑料注射模結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].?北京：高等教育出版社，2008.

[10]?中國機(jī)械工程學(xué)會(huì).?中國模具設(shè)計(jì)大典[M]. 南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

[11]張維合.?汽車水箱左右蓋復(fù)雜抽芯注塑模設(shè)計(jì)[J].?工程塑料應(yīng)用，2013，41（1）：57-61.

[12]閻亞林，彭志平.?釘耙注射模設(shè)計(jì)[J].?工程塑料應(yīng)用，2010，38（12）：73-75.

[13]閻亞林.?塑料模具圖冊[M].?北京：高等教育出版社，2004.