基于Pro/E 的螺紋法蘭注塑模具及模架設(shè)計(jì)

周慧蘭,匡唐清,萬(wàn)金金

(1.華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌330013;2.南京南車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司,江蘇南京 210000)

0 前言

在注塑件中,許多零件帶有螺紋,螺紋自動(dòng)脫模是此類模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,模具的脫模結(jié)構(gòu)是否合理,將直接影響模具的使用壽命、產(chǎn)品質(zhì)量等。如何在確保注塑件品質(zhì)的條件下,使模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,提高模具壽命是此類模具設(shè)計(jì)中需要解決的主要問(wèn)題。

此外,隨著注塑件在人們生活生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用,以及注塑件的快速更新?lián)Q代及高品質(zhì)要求,越來(lái)越多的國(guó)家采用數(shù)字化技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)和制造注塑模具,其中用得較普遍的是Pro/E,UG等大型CAD/CAM三維軟件。這些軟件已經(jīng)成為許多國(guó)家和企業(yè)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和制造的通用標(biāo)準(zhǔn)軟件。

本文基于Pro/E設(shè)計(jì)了自動(dòng)脫螺紋的螺紋法蘭注塑模具及模架。

1 注件結(jié)構(gòu)和工藝分析

圖1為螺紋法蘭注塑件,材料為聚炳烯(PP)[1-3],大批量生產(chǎn)。PP密度為0.90～0.91g/cm3(注塑級(jí)密度取0.91 g/cm3);耐熱性好,熔點(diǎn)為164～170 ℃;具有較高的力學(xué)性能,流動(dòng)性能好,易于成型;成型收縮率小;比熱容較低,在模具中凝固較快,模塑周期短;注塑件表面光滑。

該注塑件外輪廓直徑為60 mm,整體高為70 mm,厚度為2.0 mm,有外螺紋M30,螺紋長(zhǎng)度12 mm。四周有5個(gè)側(cè)耳,該結(jié)構(gòu)在自動(dòng)脫螺紋機(jī)構(gòu)中起到止轉(zhuǎn)作用。

2 分型面設(shè)計(jì)

分型面是用來(lái)分割工件或者已存在的模具體積塊,由一個(gè)或多個(gè)曲面特征組成。在Pro/E的模具設(shè)計(jì)流程中,最關(guān)鍵的一步就是分型面的建立。只有確定了正確的分型面,才能得到正確的模具成型零件并順利開(kāi)模。

本模具先應(yīng)用Pro/E進(jìn)行分型面設(shè)計(jì)后得到的模具成型零件,如圖2所示。

圖1 螺紋法蘭Fig.1 The tread flange

圖2 模具成型零件Fig.2 Mold forming parts

3 注塑模具設(shè)計(jì)

3.1 模具總體結(jié)構(gòu)

圖3 模具總體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Assembly of themold

模具的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于螺紋法蘭含有較長(zhǎng)外螺紋且注塑件總長(zhǎng)度較大,從模具設(shè)計(jì)到模具制造都有一定難度,模具的定距分型及注塑件的自動(dòng)脫螺紋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是需要解決的主要問(wèn)題。

3.2 注塑機(jī)選擇

應(yīng)用Pro/E計(jì)算澆注系統(tǒng)凝料和零件用料的總體積是111.822 cm3,結(jié)合鎖模力和開(kāi)模行程要求,選用G54—S200/400型注塑機(jī),技術(shù)參數(shù)為:額定注射量200～400 cm3,螺桿直徑55 mm,注射壓力109 MPa,注射行程160 mm,鎖模力2540 kN,最大成型面積645 cm3,模板最大行程 260 mm,模具最大厚度40 mm,模具最小厚度 165 mm,噴嘴圓弧半徑:18 mm,噴嘴孔直徑4 mm。

3.3 機(jī)動(dòng)旋轉(zhuǎn)脫螺紋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

常用的注塑件螺紋脫模方式有手工脫螺紋、強(qiáng)制脫螺紋、自動(dòng)脫螺紋。對(duì)于精度要求高和大批量生產(chǎn)的塑料件,一般采用自動(dòng)脫螺紋。自動(dòng)脫螺紋包括機(jī)動(dòng)旋轉(zhuǎn)脫螺紋、對(duì)分滑塊脫螺紋和組合式型芯自動(dòng)脫螺紋,本文應(yīng)用的是機(jī)動(dòng)旋轉(zhuǎn)脫螺紋方式。

機(jī)動(dòng)旋轉(zhuǎn)脫螺紋的效率高,品質(zhì)穩(wěn)定,在設(shè)計(jì)機(jī)動(dòng)旋轉(zhuǎn)脫螺紋結(jié)構(gòu)時(shí),必須解決結(jié)構(gòu)的可行性、穩(wěn)定性及耐用性等問(wèn)題。

由于螺紋法蘭螺紋長(zhǎng)度和零件總高度較長(zhǎng),在機(jī)動(dòng)旋轉(zhuǎn)脫螺紋時(shí),若采用傳統(tǒng)的齒輪齒條的脫螺紋機(jī)構(gòu),會(huì)由于模具開(kāi)模距離過(guò)長(zhǎng)而造成模具設(shè)計(jì)與制造的困難,本設(shè)計(jì)采用液壓馬達(dá)通過(guò)鏈傳動(dòng)使螺紋型芯旋轉(zhuǎn)完成自動(dòng)脫螺紋的模具結(jié)構(gòu)。與電動(dòng)機(jī)相比,液壓馬達(dá)傳動(dòng)平穩(wěn),噪音低,可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。鏈傳動(dòng)與帶傳動(dòng)相比,無(wú)滑動(dòng),傳動(dòng)比準(zhǔn)確,機(jī)構(gòu)緊湊,無(wú)需大的張緊力,作用在軸上的載荷較小,因此,在眾多機(jī)動(dòng)旋轉(zhuǎn)脫螺紋的模具結(jié)構(gòu)中,是一種值得推廣的較好的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

3.3.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]

鏈條-齒輪傳動(dòng)示意圖如圖4所示。

圖4 傳動(dòng)示意圖Fig.4 Diagram of chain-gear transmission

(1)齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)

模架中齒輪傳動(dòng)軸中心距為120 mm,經(jīng)過(guò)計(jì)算,最終確定齒輪傳動(dòng)的主要參數(shù)為齒輪模數(shù)m=2.5;齒數(shù)和分度圓直徑Z1=28 mm,D1=70 mm;Z2=20 mm,D2=50 mm;齒寬B1=20 mm,B2=30 mm。

(2)軸承選用

軸承及端蓋主要用于對(duì)固定齒輪的軸進(jìn)行軸向及軸向定位,以確保軸系零件的穩(wěn)定運(yùn)行。本模具軸系軸承選用61805型深溝球軸承。

(3)鏈傳動(dòng)主要參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[5],注塑零件包緊力F=28.1 kN。根據(jù)注塑件包緊力,可選用抗拉載荷為60 kN的鏈條。本設(shè)計(jì)使用 GB/T 1243—1997中B系列單排短節(jié)距精密滾子鏈16B,節(jié)距P=25.4 mm。鏈輪與鏈條實(shí)現(xiàn)嚙合的必要條件是鏈輪的節(jié)距應(yīng)小于或等于鏈條的節(jié)距,否則鏈條對(duì)鏈輪圍齒困難,嚙合困難。本設(shè)計(jì)使用的鏈輪的基本參數(shù)為齒數(shù)Z3=54 mm,Z4=20 mm;D3=125 mm,D4=80 mm。

(4)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比(i)的計(jì)算

注塑件上螺紋長(zhǎng)度為12 mm,螺距為1.5 mm,則其牙型為8周。

鏈條-齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比i=(Z2/Z1)(Z4/Z3)≈0.26,即液壓馬達(dá)帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)四周齒輪型芯轉(zhuǎn)一周,因此液壓馬達(dá)至少帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)32周以上方能使制品螺紋完全脫離型芯。

3.3.2 液壓馬達(dá)的選用

根據(jù)前面計(jì)算的注塑零件包緊力F=28.1 kN,再綜合計(jì)算后,選取額定扭矩225 N·m的液壓馬達(dá)Nmh1-163,排量64 mL/r,額定壓力25 MPa,額定扭矩472 N ·m,轉(zhuǎn)速范圍15～1500 r/min,質(zhì)量20 kg。此外,在本套模具中應(yīng)盡量實(shí)用慢速,以防止注塑件上的螺紋被破壞。

3.4 模具定距分型原理及工作過(guò)程

本模具采用三板式結(jié)構(gòu),如圖3所示,利用液壓馬達(dá)及鏈輪-齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)螺紋自動(dòng)脫模。主要工作過(guò)程為:模具合模完成充填后,在彈簧15的作用下實(shí)現(xiàn)分型面I的開(kāi)啟,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)澆口與制品的分開(kāi);模具繼續(xù)分開(kāi),由于閉模器16的作用使得分型面II先于分型面III開(kāi)啟,繼而將流道冷料頂出,模具繼續(xù)開(kāi)模,在定距分型機(jī)構(gòu)12的作用下實(shí)現(xiàn)模具動(dòng)定模的完全分開(kāi)。當(dāng)制品完全從定模中脫出后,利用馬達(dá)-鏈條-齒輪機(jī)構(gòu)并通過(guò)制品本身的防轉(zhuǎn)特征實(shí)現(xiàn)止轉(zhuǎn)從而將制品完全轉(zhuǎn)離動(dòng)模。

4 模架設(shè)計(jì)

注塑模中許多模架都已標(biāo)準(zhǔn)化,從標(biāo)準(zhǔn)模架和標(biāo)準(zhǔn)件的調(diào)入、滑塊的生成到澆注系統(tǒng)、頂出機(jī)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模架庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Expert Moldbase Extension(EMX)4.1模架庫(kù)[5]即可實(shí)現(xiàn)這些功能,它是 Pro/E外掛的一個(gè)插件,可用于設(shè)計(jì)和細(xì)化模架,使用它可以設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的模板、滑塊、頂桿、冷卻系統(tǒng)等輔助零件并進(jìn)行開(kāi)模仿真及干涉檢查等[6]。

應(yīng)用EMX4.1設(shè)計(jì)模架的主要過(guò)程為:

(1)將型芯、型腔零件、滑塊等成型零件裝配到模架并進(jìn)行分類,使 EMX4.1可以識(shí)別;

(2)對(duì)模具組件進(jìn)行定義,包括模架類型的選用,模板尺寸的確定,型腔布局及型腔切口的定義,定位環(huán)、澆口襯套等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì);

(3)設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng),利用零件與零件的“切除”、模具設(shè)計(jì)模塊中的“流道”及實(shí)體的“切減材料”等操作可快速實(shí)現(xiàn)模架中主流道、分流道及澆口等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì);

(4)設(shè)計(jì)滑塊機(jī)構(gòu),包括外側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)及內(nèi)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的選用及修改;

(5)設(shè)計(jì)頂出機(jī)構(gòu),由于本套模具是利用液壓馬達(dá)-鏈條-齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)注塑件的自動(dòng)脫模,故不需要設(shè)計(jì)頂桿等頂出元件;

(6)設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng),先在需要冷卻的零件上設(shè)計(jì)冷卻水線的回路,再利用EMX設(shè)計(jì)冷卻水路的工具快速實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì);

(7)裝配模架,將前面設(shè)計(jì)的所有的模架零件裝配到模架。裝配后的模架如圖5所示。

4 結(jié)論

(1)該模具成功地應(yīng)用液壓馬達(dá)-鏈傳動(dòng)-齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)了零件內(nèi)螺紋的脫模,這種方法是實(shí)現(xiàn)螺紋脫模的一種有效的途徑,這種脫模結(jié)構(gòu)動(dòng)作準(zhǔn)確可靠,噪音底,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),注塑件品質(zhì)優(yōu)良,生產(chǎn)效率高;

圖5 模架Fig.5 The moldbase

(2)本模具采用Pro/E和EMX進(jìn)行模具及模架的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),可大大縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期,降低了模具的設(shè)計(jì)和制造成本。

[1] 洪慎章.實(shí)用注塑成型及模具設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:50-55.

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