儀器面板注塑件脫模頂桿配置優(yōu)化及模具設(shè)計(jì)

摘 要：以儀器面板注塑件為例，通過(guò)應(yīng)用Moldflow模流分析，結(jié)合Ansys力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，對(duì)注塑件頂出脫模過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，評(píng)估頂出過(guò)程塑件脫模阻力和變形量，并獲取最佳的頂桿設(shè)計(jì)數(shù)量、位置以及頂出面積，有效地控制了塑件脫模變形量，該方法能在工藝與模具設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)注塑件頂出脫模存在的問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行頂桿配置優(yōu)化，從而提高模具研發(fā)設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：儀器面板;注塑模具;脫模;頂桿;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ320.5+2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）12-0019-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.12.006

0? ? 引言

注塑件脫模阻力分布與頂出零件設(shè)計(jì)位置及數(shù)量息息相關(guān)，尤其是對(duì)于平板類(lèi)塑件，合適的頂出設(shè)計(jì)不僅能減小塑件的脫模變形量，而且可以簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，降低成本[1-3]。在此以儀器面板注塑件為例，通過(guò)應(yīng)用Moldflow創(chuàng)建模流分析模型，并進(jìn)行充填保壓翹曲分析，獲知塑件成型翹曲變形特性，獲取脫模阻力分布狀況，再結(jié)合應(yīng)用Ansys對(duì)塑件進(jìn)行脫模力學(xué)分析，獲取最佳的頂桿設(shè)計(jì)數(shù)量、位置以及頂出面積，依據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該方法能有效降低模具研發(fā)成本，提高模具設(shè)計(jì)效率，以期為其他注塑產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供理論參考。

1? ? 儀器面板零件結(jié)構(gòu)工藝

圖1為儀器面板零件三維模型，塑件長(zhǎng)114 mm，寬54 mm，高18 mm，平均壁厚1.5 mm，塑料熔體流程不長(zhǎng)，易于注塑成型。塑件材質(zhì)為熱塑性塑料中丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，縮寫(xiě)為ABS，牌號(hào)為奇美公司生產(chǎn)的PA-737，該料具有良好的綜合力學(xué)性能以及良好的耐化學(xué)腐蝕性及表面硬度。塑件為長(zhǎng)方體殼形結(jié)構(gòu)，外觀要求較高，表面粗糙度外表面為Ra1.6 μm，內(nèi)表面為Ra6.3 μm，尺寸精度等級(jí)為MT5。分型面選擇塑件輪廓截面尺寸最大處，殼體深腔部分朝向動(dòng)模，保證頂出塑件后塑件可以留在動(dòng)模型芯一側(cè)，使模具脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔[4-5]。

2? ? 創(chuàng)建模流分析模型

首先將CROE中創(chuàng)建好的塑件三維模型轉(zhuǎn)化為STL格式并導(dǎo)入到Moldflow中，接著對(duì)塑件進(jìn)行網(wǎng)格劃分及修復(fù)，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格劃分信息為：三角形單元數(shù)為8 350，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4 177，自由邊為0，相交單元為0，最大縱橫比為7.4，匹配率為95.2%>85%，滿足模流分析要求。依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，塑件選用XS-ZY-125型注射機(jī)，主流道尺寸設(shè)計(jì)根據(jù)注塑機(jī)噴嘴參數(shù)，確定主流道小段直徑為4.5 mm，錐度為1°，長(zhǎng)度為70 mm，選擇非限制性主流道型澆口，依據(jù)PA-737物性可知，其成型溫度為250～270 ℃，而脫模推出溫度為50～70 ℃，因此需要對(duì)塑件進(jìn)行冷卻，以縮短塑件制成周期，方便塑件脫模。創(chuàng)建的模流分析模型如圖2所示，采用一模一腔布局形式，其中冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，動(dòng)模部分采用直流式，定模部分采用直流循環(huán)式，并對(duì)澆口位置進(jìn)行加強(qiáng)冷卻，冷卻介質(zhì)為15 ℃常溫水，冷卻水路直徑為8 mm，注塑成型工藝參數(shù)采用軟件推薦默認(rèn)值。

3? ? 模流結(jié)果分析

3.1? ? 充填時(shí)間

塑件充填時(shí)間分布如圖3所示，由圖可知該塑件充填時(shí)間為1.180 s，充填時(shí)間分布比較對(duì)稱(chēng)，塑件各部位充填時(shí)間差異性小，塑料熔體能均勻地充滿型腔，為保證塑件成型質(zhì)量提供了必要條件。

3.2? ? 翹曲變形

圖4和圖5分別為塑件翹曲變形總體分布和脫模方向分布，從圖4可知所有因素作用下的塑件總的最大變形量為0.561 2 mm，位于塑件按鍵板的框架邊角處，不僅占比很小，而且對(duì)塑件影響度小，可以忽略不計(jì)，塑件大部分區(qū)域的翹曲變形位于A、B兩處，A處的變形量約為0.300 0 mm，B處的變形量介于0.040 2～0.170 4 mm，A、B兩處為平面結(jié)構(gòu)，翹曲變形量對(duì)其外觀和質(zhì)量影響較大，同時(shí)也容易導(dǎo)致塑件粘膜，結(jié)合圖5翹曲變形脫模方向分布（Z方向），獲知A處變形量為負(fù)值，最小值為-0.279 9 mm，粘膜嚴(yán)重，為塑件脫模的最大阻礙，B處次之，塑件框架邊緣變形量值雖然較大，但都為正值，與脫模同方向，有利于塑件脫模。因此，在推出頂桿設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別注意A、B處。

4? ? 脫模頂桿優(yōu)化配置

4.1? ? 頂桿配置方案

依據(jù)模流分析的結(jié)果，儀器面板塑件脫模頂桿設(shè)計(jì)最先考慮位置為圖4中的A處，其次是圖4中的B處，最后考慮其他位置。在此提出4種頂桿配置方案，如表1所示，其中頂桿直徑選擇為2 mm，塑件在分型面上的投影面積為6 156 mm2，頂桿配置規(guī)則是在脫模阻力大的部分優(yōu)先配置、盡量上下左右對(duì)稱(chēng)、由外而內(nèi)緩慢增加頂桿數(shù)量[6-7]。

4.2? ? 包緊力計(jì)算

塑件注塑成型后即在模內(nèi)進(jìn)行冷卻定形，冷卻過(guò)程產(chǎn)生收縮，塑件體積變小而產(chǎn)生包緊力，當(dāng)塑件需要脫模推出時(shí)，則需要克服由于包緊力而出現(xiàn)的摩擦力以及后續(xù)推出機(jī)構(gòu)移動(dòng)的摩擦力[8-9]。在脫模初始階段主要是克服包緊力，脫模力即推出力，計(jì)算如下：

Ft=Fb（μcos α-sin α）=Ap（μcos α-sin α）

式中：Ft為脫模力;Fb為塑件對(duì)型芯的包緊力;μ為塑件對(duì)鋼的摩擦系數(shù)，一般為0.1～0.3;α為脫模斜度;A為塑件包絡(luò)型芯的面積;p為塑件對(duì)型芯單位面積的包緊力，在此選擇模內(nèi)冷卻的塑件，p取1×107 Pa。

將所需數(shù)值代入上式，得：

Ft=48.14×10-6×（1×107）×（0.2×cos 0.5°-sin 0.5°）63334256-D28B-4619-9239-7AF17A443338

≈92.1 N

最后得到塑件脫模所需克服的包緊力為92.1 N。

4.3? ? 脫模分析前處理

首先導(dǎo)入塑件模型創(chuàng)建分析項(xiàng)目，定義模型單位為mm，添加模型材料為ABS，并進(jìn)行屬性設(shè)置，如塑件密度為1.1 g/mm3，楊氏模量為3 000 Pa，泊松比為0.394，接著進(jìn)行網(wǎng)格劃分，繼而進(jìn)行施加載荷與約束。不同頂桿數(shù)塑件承受的載荷如圖6所示，其中圖6（a）為2根頂桿約束載荷，圖6（b）為4根頂桿約束載荷，圖6（c）為6根頂桿約束載荷，圖6（d）為8根頂桿約束載荷。

4.4? ? 脫模分析結(jié)果

圖7為不同頂桿數(shù)量的脫模最大主應(yīng)力分布，圖7（a）（b）（c）（d）對(duì)應(yīng)圖6（a）（b）（c）（d），由圖7可知，頂桿數(shù)為2根與4根時(shí)推出最大主應(yīng)力相同，為0.031 896 MPa;頂桿數(shù)為6根時(shí)，推出最大主應(yīng)力為0.021 264 MPa;頂桿數(shù)為8根時(shí)，推出最大主應(yīng)力為0.017 885 MPa，主應(yīng)力降低幅度為43.92%。儀器面板塑件材料屬于一般通用注塑級(jí)ABS，屈服強(qiáng)度為39 MPa，密度為1.1 g/mm3、楊氏模數(shù)為3 000 Pa，泊松比為0.394，雖然脫模模擬分析還未將所有實(shí)際因素考慮周全，但頂桿頂出最大主應(yīng)力明顯小于注塑材料的屈服值，不會(huì)對(duì)塑件整體剛性產(chǎn)生影響。因此，儀器面板塑件可以設(shè)計(jì)采用分布于塑件內(nèi)腔A處4根和內(nèi)腔B處4根頂桿構(gòu)成推出零件，滿足脫模需求。

5? ? 儀器面板注塑模具設(shè)計(jì)

儀器面板注塑模具裝配圖如圖8所示，該模具采用一模一腔兩板式，型腔由定模鑲件20、動(dòng)模鑲件23及兩側(cè)滑塊6構(gòu)成。模具工作過(guò)程如下：開(kāi)模時(shí)，定模板3與動(dòng)模板11分開(kāi)，動(dòng)模上的拉料桿將主澆道凝料從澆口套18中拉出，塑件與主流道凝料同時(shí)留在動(dòng)模部分，隨著分型面打開(kāi)，楔緊塊7與側(cè)滑塊6脫離，側(cè)滑塊6在彈簧22的作用下，沿著滑塊滑槽8向外側(cè)移動(dòng)，完成抽芯動(dòng)作，當(dāng)動(dòng)定模打開(kāi)一定距離后，注塑機(jī)頂桿推動(dòng)動(dòng)模上的推板15，推板15則推動(dòng)頂桿固定板13，迫使安裝固定在頂桿固定板13上的頂桿10向上推出塑件，使塑件脫離成型動(dòng)模型腔，完成脫模動(dòng)作。合模時(shí)，注塑機(jī)上移動(dòng)模板推動(dòng)動(dòng)模部分向定模靠攏，此時(shí)固定在頂桿固定板13上的復(fù)位桿先接觸定模板11，復(fù)位桿安裝有先復(fù)位彈簧，迫使復(fù)位桿反向推動(dòng)頂桿固定板13和推板15，使推出機(jī)構(gòu)復(fù)位，即所有頂桿10都回到初始位置，緊接著動(dòng)定模板閉合，此時(shí)楔緊塊7與側(cè)滑塊6再次接觸，楔緊塊7推動(dòng)側(cè)滑塊6向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，固定在側(cè)滑塊6上的側(cè)型芯在彈簧22作用下逐步歸位，準(zhǔn)備下一次注射。

生產(chǎn)實(shí)踐證明，該模具在開(kāi)合模過(guò)程中，導(dǎo)柱2和導(dǎo)套4保證了動(dòng)定模定位準(zhǔn)確，滑動(dòng)平穩(wěn)，沒(méi)有發(fā)生松動(dòng)或咬死的現(xiàn)象，模具的冷卻裝置安裝牢固且密封完好，脫模機(jī)構(gòu)也具備先復(fù)位功能，不會(huì)與側(cè)型芯發(fā)生干涉，設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)滿足塑件的生產(chǎn)要求。

6? ? 結(jié)語(yǔ)

本課題應(yīng)用Moldflow模流分析技術(shù)，獲知儀器面板注塑件翹曲變形量分布特性，再應(yīng)用Ansys模擬塑件頂出脫模，獲得塑件脫模最佳的頂桿設(shè)計(jì)位置和數(shù)量，并通過(guò)實(shí)踐證明，該方法能在工藝與模具設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)注塑件頂出脫模存在的問(wèn)題，不僅能有效避免頂桿位置和數(shù)量配置不當(dāng)而影響脫模，而且能提高注塑模具研發(fā)效率，為其他類(lèi)似注塑產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)提供參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 韓志忠.汽車(chē)后視鏡主殼注塑模具設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2021，33（1）：40-43.

[2] 黨琰.收音機(jī)外殼注塑模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模具結(jié)構(gòu)的CAE研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

[3] 梅益，鄢天燦，王莉莉，等.基于UG和Moldflow的電器殼蓋注塑模優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].塑料科技，2019，47（11）：122-127.

[4] 歐陽(yáng)波儀.吹風(fēng)機(jī)出風(fēng)口二次頂出脫模機(jī)構(gòu)及注塑模設(shè)計(jì)[J].塑料工業(yè)，2017，45（9）：63-67.

[5] 趙妙君.CAD/CAE技術(shù)在膨脹水箱模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D].柳州：廣西科技大學(xué)，2013.

[6] 王華山.注射成型技術(shù)及實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[7] 林權(quán)，陳麗軍，陳蓮，等.基于Moldflow與Workbench的底座塑件推桿配置優(yōu)化及偏心注塑模設(shè)計(jì)[J].工程塑料應(yīng)用，2020，48（5）：103-108.

[8] 屈華昌，吳夢(mèng)陵.塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)[M].3版.北京：高等教育出版社，2018.

[9] 翁澤毅.基于特征識(shí)別的注塑產(chǎn)品脫模分析與優(yōu)化[D].武漢：華中科技大學(xué)，2018.

收稿日期：2021-03-10

作者簡(jiǎn)介：賴淑貌（1981—），女，福建漳州人，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及數(shù)控加工。63334256-D28B-4619-9239-7AF17A443338