基于模流分析對氣壓瓶蓋模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張景黎，劉國良

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100176）

0 引言

塑料注射成型模具模流分析技術(shù)具有先進(jìn)性、開拓性、綜合性和實(shí)用性，是基于新的模具設(shè)計(jì)思想和方法在計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、精密測量技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一項(xiàng)新技術(shù)。在具有各類復(fù)雜型腔塑料制品注射成型模具的設(shè)計(jì)開發(fā)與制造方面，能夠大大縮短模具設(shè)計(jì)開發(fā)周期、減少試模、修模次數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高企業(yè)的競爭力。

本文基于模流分析軟件在氣壓瓶蓋塑料制品的模擬檢測，通過塑料制品的零件結(jié)構(gòu)分析和塑件的工藝分析后，對模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行可行性分析。同時(shí)，運(yùn)用模具先進(jìn)設(shè)計(jì)制造方法、塑料注射模擬的全過程及其關(guān)鍵注射參數(shù)進(jìn)行了研究和探索，并最終完成模具設(shè)計(jì)與制造、試模與修模、產(chǎn)品試制與注射工藝參數(shù)調(diào)整、批量成型塑料制品的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了對薄壁殼體件塑料注射成型模具先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用與創(chuàng)新。

1 塑件成型工藝分析

該塑件為氣壓瓶蓋，其二維圖尺寸如圖1所示，塑件的壁厚為2.5 mm，為中批量生產(chǎn)，材料為ABS，成型工藝性好，可以注射成型。

圖1 塑件制件結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

根據(jù)塑件的用途及塑料的性質(zhì)分析其表面質(zhì)量，確定塑件的精度等級要求為IT6，其中塑件的表觀缺陷是其特有的質(zhì)量指標(biāo)，包括缺料、溢料與飛邊、凹陷與縮癟、氣孔、翹曲等。模具的腔壁表面粗糙度是塑件表面粗糙度的決定性因素，通常要比塑件高出一個等級。為了便于塑件從模腔中脫出或從塑件中抽出型芯，塑件設(shè)計(jì)時(shí)須考慮其內(nèi)外壁面應(yīng)該有足夠的脫模斜度。最小脫模斜度與塑料性能、塑件幾何形狀有關(guān)。該塑件壁厚約2.5 mm，大開口處有5°的斜角，小開口處有3°的傾角，這樣足以使型芯很容易抽出。為了使大的側(cè)抽芯容易抽出，脫模斜度（型芯）為1°。

2 CAE模流分析

使用MPA模擬軟件，對氣壓瓶蓋注塑成型進(jìn)行模擬仿真，模擬模具注塑的過程，分析了待成型塑件在模具型腔中的溫度變化、壓力、熔接痕和氣穴分布，為給該套模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要參考數(shù)值。通過計(jì)算得出一些數(shù)據(jù)結(jié)果，對模具的方案可行性進(jìn)行評估，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案［1］。

2.1 澆口位置及數(shù)量的確定

澆口是連接流道與型腔之間的一段細(xì)短通道，是澆注系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，起著調(diào)節(jié)控制料流速度、補(bǔ)料時(shí)間及防止倒流等作用。澆口的類型包括側(cè)澆口、點(diǎn)澆口、潛伏式澆口、扇形澆口、薄膜澆口等，根據(jù)其特性不同使用在不同場合。一般澆口采用長度很短（0.5~2 mm）而截面很狹窄的小澆口，因此流動阻力很大，細(xì)微的變化都會對塑料熔體的充填產(chǎn)生很大的影響。澆口設(shè)計(jì)主要包括澆口的數(shù)目、位置形狀和尺寸的設(shè)計(jì)。澆口的數(shù)目和位置主要影響充填模式，而澆口的形狀與尺寸主要影響熔體流動性質(zhì)。澆口設(shè)計(jì)應(yīng)該保證提供一個快速、均勻、平衡、單一方向流動的充填模式，同時(shí)避免射流、滯流、凹陷等現(xiàn)象的發(fā)生。

通過分析，本模具的澆口設(shè)計(jì)為側(cè)澆口，與點(diǎn)澆口相比較的優(yōu)勢為可以用兩板模，而點(diǎn)澆口要用三板模，簡化模具結(jié)構(gòu)。這里澆口的斷面形狀設(shè)計(jì)為圓角梯形，其截面厚度h通常取澆口處壁厚的1/3～2/3，這里取h=1 mm；其截面寬度b取8 h，b=8 mm；澆口長度取l=1 mm。

下面利用MPA軟件分析零件的澆口位置，找到設(shè)置澆口的最佳區(qū)域。對澆口位置最佳區(qū)域進(jìn)行澆口位置及數(shù)量分析，由于采用一模一腔，同時(shí)采用側(cè)澆口，開設(shè)在塑件的中部，側(cè)澆口采用4個位置進(jìn)料，開設(shè)側(cè)面在表面要求不高的面上，所以澆口開設(shè)采用如圖2（a）所示的方案。

2.2 物料流動填充分析

塑料在一定溫度與壓力下填充型腔的能力稱為流動性。這是模具設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的一個重要工藝參數(shù)。流動性大易造成溢料過多，填充型腔不密實(shí)，塑件組織疏松，樹脂、填料分頭聚積，易黏膜、脫模及清理困難，硬化過早等弊病。但流動性小則填充不足，不易成形，成形壓力大。本塑料選用的材料為ABS。查參考資料可以知道ABS流動性中等。物料填充時(shí)間指注射過程中熔體從澆口到型腔各個位置所需的流動時(shí)間，如圖2（b）所示，物料從4個側(cè)澆口填充，向塑件四周流動，匯集在成型塑件的底部匯合，總填充時(shí)間為1.749 s。各個時(shí)刻熔體在模具型腔內(nèi)的流動狀態(tài)，在平衡的流動狀態(tài)下，每股支流將同時(shí)到達(dá)型腔末端，成型的塑件產(chǎn)生熔接痕的地方。

2.3 氣穴分析

圖2（c）所示為塑件的氣穴位置分布。 氣穴主要分布在塑件的底部匯合處和側(cè)面抽芯部分，氣穴會造成成型的塑件翹曲，局部變形等成型問題，使塑件局部位置發(fā)生翹曲、填充不充分、產(chǎn)生氣泡等。在后續(xù)模具設(shè)計(jì)中，要考慮在熔體與物料的匯合處、模具分型面處、鑲件與模板連接處、側(cè)滑塊的配合處合理設(shè)置排氣孔，合理消除氣穴對產(chǎn)品成型造成的影響［2］。

圖2 CAE模流分析

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

根據(jù)上述MPA模流分析，氣壓瓶蓋模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示［3］。

圖3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

4 模具優(yōu)化結(jié)構(gòu)

4.1 模具分型面確定

在注塑過程中，打開模具用于取出塑件或澆注系統(tǒng)凝料的面，通稱為分型面。分型面選擇是否合適對塑件質(zhì)量、模具制造與使用性能都有很大影響，它決定了模具的機(jī)構(gòu)類型，是模具設(shè)計(jì)中的一個重要環(huán)節(jié)［4］。 根據(jù)前面的模流分析，設(shè)計(jì)分型面方案（如圖4）。

圖4 分型面方案比較

比較兩種分型方法，第一種分型方案塑件通過推出很容易從模具體中出來，而且模具型腔設(shè)計(jì)起來簡單，而第二種分型方案要把模具設(shè)計(jì)成有哈夫塊的形式。由此分析確定采用第一種分型方法。因此，該套模具采用斜導(dǎo)柱側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)。

4.2 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本模具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)中滑塊結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)，它是斜導(dǎo)柱側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)中一個重要零部件，注射成型時(shí)塑件尺寸的準(zhǔn)確性和移動的可靠性都靠它來保證，滑塊的結(jié)構(gòu)主要有整體式和組合式兩種形式。在滑塊上直接制出側(cè)型芯或側(cè)向型腔的結(jié)構(gòu)稱為整體式，這種結(jié)構(gòu)僅使用于形狀十分簡單的側(cè)向移動零件，尤其適用于瓣合式側(cè)向分型結(jié)構(gòu)。例如，把側(cè)型芯和滑塊分開加工，然后裝配在一起，這種結(jié)構(gòu)稱為組合式。采用組合式的結(jié)構(gòu)可以節(jié)省優(yōu)質(zhì)鋼材且加工容易，因此應(yīng)用較為廣泛。

4.2.1 側(cè)型芯和滑塊的連接形式

本模具根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)設(shè)有3個側(cè)抽芯，有1個小型芯放在一個滑塊上，另外有2個不同的側(cè)型芯要放在一個滑塊上。所以2個滑塊的連接接形式不同。只有一個型芯的滑塊可用銷釘固定小型芯的連接方式；有兩個型芯的滑塊的連接方式，把型芯鑲?cè)胍还潭ò搴笥寐葆敗N釘與滑塊連接和固定［5］。

4.2.2 滑塊的導(dǎo)滑形式

滑塊在側(cè)向分型抽芯和復(fù)位的過程中，要沿一定的方向平穩(wěn)往復(fù)移動。導(dǎo)滑槽應(yīng)使滑塊運(yùn)動平穩(wěn)可靠，二者之間上下、左右各有一對平面配合，配合取H7/f7，其余各面留有間隙。滑塊的導(dǎo)滑部分應(yīng)具有足夠的長度，以免運(yùn)動中產(chǎn)生歪斜，一般導(dǎo)滑部分應(yīng)大于滑塊寬度的2/3，否則滑塊在開始復(fù)位時(shí)容易發(fā)生傾斜。因此，導(dǎo)滑槽的長度不能太短，有時(shí)為了不增大模具尺寸，可采用局部加長的措施來解決，本模具把動模板的長度增加20 mm就是這個原因。導(dǎo)滑槽應(yīng)有足夠的耐磨性，由T8、T10或45鋼制造，硬度在HRC50以上。本設(shè)計(jì)中導(dǎo)滑槽用T8材料，淬火硬度為50~55 HRC。

4.2.3 滑塊的定位裝置

合模時(shí)為了保證斜導(dǎo)柱的伸出端可靠地進(jìn)入滑塊的斜孔，滑塊在抽芯后終止位置必須定位，所以滑塊需要有定位裝置，而且必須靈活、可靠、安全。經(jīng)分析只有一個側(cè)抽的滑塊采用彈簧、活動定位釘定位圖5（a）。有兩個側(cè)抽芯的滑塊用彈簧使滑塊停靠在陷位擋塊上定位，彈簧力應(yīng)為滑塊自重的1.5~2倍。經(jīng)過估算，彈簧的受力為250 N，所以彈簧應(yīng)選擇彈簧絲的直徑為2.5 mm，彈簧中徑為14 mm，節(jié)距為4.73 mm，最大工作負(fù)荷為284 N的彈簧，其定位方式如圖5（b）所示。

圖5 滑塊的定位裝置

4.3 斜導(dǎo)柱與滑塊的配合間隙

在斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)中，斜導(dǎo)柱只起驅(qū)動滑塊的作用，至于在閉模狀態(tài)下型腔內(nèi)熔融塑料對滑塊的壓力應(yīng)該由楔緊塊承受。為了運(yùn)動靈活，斜導(dǎo)柱與滑塊一般采用比較松動的配合，可作成單邊0.5 mm的間隙，或取f9配合。

4.4 楔緊塊的設(shè)計(jì)

4.4.1 楔緊塊的形式

在注射成型的過程中，側(cè)型芯會受到型腔內(nèi)熔融塑料較大推力的作用，這個力會通過滑塊傳給斜導(dǎo)柱，而一般的斜導(dǎo)柱為一細(xì)長桿，受力后很容易變形。因此必須設(shè)置楔緊塊，以便在合模狀態(tài)下能壓緊滑塊，承受腔內(nèi)熔融塑料給予側(cè)向成型零件的推力。

4.4.2 楔緊塊的楔角

在側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)中，楔緊塊的楔角是一個重要的參數(shù)。為了保證在合模時(shí)能壓緊滑塊，而在開模時(shí)它又能迅速脫離滑塊，避免楔緊塊影響導(dǎo)柱對滑塊的驅(qū)動，鎖緊角一般必須大于斜導(dǎo)柱的斜角，只有這樣，才能保證模具一開模，楔緊塊就讓開。一般楔角要比斜導(dǎo)柱的傾角大2°~3°。

5 結(jié)語

本模具在設(shè)計(jì)過程中，從制件形狀結(jié)構(gòu)的分析、材料成型工藝及成型設(shè)備的選用開始，使用moldflow分析澆口位置，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，然后進(jìn)行成型零部件計(jì)算，并進(jìn)行了校核，數(shù)據(jù)基本準(zhǔn)確。本模具設(shè)計(jì)為“一模一腔”，主要的機(jī)構(gòu)有側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向與定位機(jī)構(gòu)、脫模機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)等。其中，有斜角的側(cè)芯為本模具的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，因此本文設(shè)計(jì)了有傾角的滑塊結(jié)構(gòu)，二次定位，保證側(cè)滑塊運(yùn)動平穩(wěn)，優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)，這些構(gòu)成了本模具的特點(diǎn)。