復(fù)雜連接半套注塑模具設(shè)計(jì)*

范希營(yíng) 郭永環(huán)

(徐州師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

注塑成型是指受熱融化的材料由高壓射入模腔，經(jīng)冷卻固化后，得到成形品的方法。該方法適用于形狀復(fù)雜部件的批量生產(chǎn)，是重要的加工方法之一［1］。隨著IT等行業(yè)的迅猛發(fā)展，注塑產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛，產(chǎn)品的形狀結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的二維模具設(shè)計(jì)已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，為此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者不斷尋求三維模具設(shè)計(jì)方法。王桂龍等提出在冷卻階段，通過快速冷卻已賦形的塑料熔體，以縮短注塑成型周期。在不影響注塑生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，提升注塑件的品質(zhì)［2］。C.K.Mok等為了提高注塑模零件生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)了注塑零件自動(dòng)化識(shí)別系統(tǒng)［3］。但是，該識(shí)別系統(tǒng)在注射模加工零部件的部分存在著很大的分歧，是一個(gè)需要潛在發(fā)展的方法。W.M.Chan等提出了1種以經(jīng)驗(yàn)知識(shí)為基礎(chǔ)的注塑模具的互動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(IKB模具設(shè)計(jì))。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最初的模具設(shè)計(jì)與知識(shí)基礎(chǔ)兩者的互動(dòng)，具有CAD/CAM商用模具設(shè)計(jì)軟件詳細(xì)說明［4］。Mustafa Kurt等在研究成型條件對(duì)注塑模具零件收縮率和圓度影響的過程中，用了Pro/E軟件對(duì)塑件及注塑模具進(jìn)行了建模，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間［5］。Yi－Min Deng等研究了可以減少注射成型翹曲的混合抽樣法和遺傳算法，以塑料食品托盤作為案例，通過Moldflow進(jìn)行模擬，加快了設(shè)計(jì)的速度［6］。Hamdy Hassan等用三維方法研究注塑模具的冷卻系統(tǒng)的傳熱效果，提出用三維立體的方法，研究聚苯乙烯注塑成型時(shí)冷卻通道的位置和形狀對(duì)固化作用和溫度分布的影響［7］。Mustafa Kurt等在研究模腔壓力和模具表面溫度對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響時(shí)，為了確定零件的撓度，將使用Pro/E軟件建立的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ATOS自動(dòng)化系統(tǒng)(三維光學(xué)掃描儀)，加快了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程，減少了實(shí)驗(yàn)時(shí)間［8］。以上應(yīng)用了Pro/E等軟件進(jìn)行模具設(shè)計(jì)或輔助分析，但是設(shè)計(jì)或分析的是某一單項(xiàng)，如對(duì)塑件翹曲的影響，而不是對(duì)整個(gè)模具設(shè)計(jì)加以描述。本文以復(fù)雜連接半套為案例，利用Pro/E軟件進(jìn)行復(fù)雜件注塑模具的設(shè)計(jì)，以期尋求復(fù)雜件注塑模具快速設(shè)計(jì)方法。

1 塑料制件的三維建模及模仁的設(shè)計(jì)

如圖1所示為塑件二維及三維視圖。該塑件為連接半套，材料為PA，生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)。要求表面光潔、無(wú)裂痕、缺口和擦傷等明顯缺陷。內(nèi)表面為曲面，用頂桿頂塑件的時(shí)候需要對(duì)頂桿進(jìn)行止轉(zhuǎn)。該塑件有3個(gè)卡扣，這是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，可以用斜滑塊機(jī)構(gòu)或斜頂機(jī)構(gòu)進(jìn)行脫模?？紤]到用斜頂對(duì)塑件的卡扣進(jìn)行脫模，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)化模具的結(jié)構(gòu)，所以本設(shè)計(jì)選用斜頂進(jìn)行側(cè)向抽芯。

用Pro/E對(duì)塑件的體積進(jìn)行測(cè)量(圖2a)，該塑件的體積為V=56.2 cm3。該塑件尺寸為未注公差，PA材料的公差等級(jí)選為MT5。PA的密度為ρ=1.10～1.15 g/cm3，取ρ=1.13 g/cm3，計(jì)算塑件的質(zhì)量為:W=Vρ=56.2 ×1.13=63.51 g。

根據(jù)工期及產(chǎn)量，確定模具為一模四腔，再次用Pro/E對(duì)塑件的體積進(jìn)行測(cè)量(圖2b)可知一次注塑所需的塑料為:267.1 cm3。理論注塑量為:

內(nèi)表面有兩個(gè)內(nèi)孔為非圓形的凸臺(tái)，做嵌件的時(shí)候需要對(duì)嵌件進(jìn)行止轉(zhuǎn)，以保證凸臺(tái)內(nèi)孔的位置精度。做鑲嵌能使模具制造變得簡(jiǎn)單(圖3)，節(jié)省制造成本。再把模仁做成單個(gè)嵌入，使模具好加工并且容易更換。所以還要在Pro/Moldesign模塊中把小嵌件分割出來。利用Pro/E軟件的Moldesign模塊進(jìn)行分模(圖4)。

2 模具總圖及冷卻水道的設(shè)計(jì)

目前設(shè)計(jì)模具的一般流程是用三維軟件進(jìn)行分模，生成模具最復(fù)雜的部分型芯和型腔，然后在二維圖中繪制模具整體結(jié)構(gòu)方案。如果想細(xì)化模具組件，在三維環(huán)境中用創(chuàng)建特征的方法創(chuàng)建每一個(gè)零件。這對(duì)于結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的模具來說是合適的，但本文的連接半套結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)使設(shè)計(jì)人員的工作量非常大。Pro/E的外掛程序模具專家系統(tǒng)EMX，可以把模具設(shè)計(jì)人員從細(xì)化模具的手工勞動(dòng)和重復(fù)勞動(dòng)中解放出來，可以用于設(shè)計(jì)和細(xì)化模架。

在Pro/Moldesign模塊下，調(diào)入所設(shè)計(jì)的三維產(chǎn)品實(shí)體模型創(chuàng)建模腔的幾何外形，產(chǎn)生模具模芯和腔體以及精加工的塑料零件和完整的模具裝配體文件。之后，就可以導(dǎo)入 EMX，建立與之相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模座及滑塊、頂桿等輔助零件，最終方便設(shè)計(jì)出理想的高質(zhì)量模具，如圖5、圖6所示。

對(duì)于注射模具，冷卻時(shí)間占整個(gè)注射成型周期的2/3以上，因而在保證塑件質(zhì)量和成型工藝順利進(jìn)行的前提下，通過降低模具溫度來縮短冷卻時(shí)間，是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。本塑件在注塑成型時(shí)不要求有太高的模溫因而在模具上可不設(shè)加熱系統(tǒng)，而通過下列計(jì)算可知需要設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)。

設(shè)定模具平均工作溫度為40℃，用常溫θ2(冷卻水入口溫度)為20℃的水作為模具冷卻介質(zhì)，其出口溫度θ1為27℃，根據(jù)式(1)得產(chǎn)量W為(粗算注射成型周期為1 min)22.4 kg/h。已知PA的單位熱流量Q1=7.0×102kJ/kg，則塑件在固化時(shí)每小時(shí)釋放的熱量Q=WQ1=22.4×7×102kJ/h=1.57×104kJ/h。根據(jù)冷卻水的體積流量公式qv=WQ1/［ρc1(θ1－θ2)］，冷卻水在管道內(nèi)的流速公式v=4qv/(πd2)，冷卻管道孔壁與冷卻水之間的傳熱膜系數(shù)公式h=3.6f(pv)0.8/d0.2，以及冷卻管道總傳熱面積公式A=60Wθ/(hΔθ)得出模具上應(yīng)開設(shè)的冷卻管道的孔數(shù)n=A/(πdL)=9。在不與頂出系統(tǒng)和其他連接件發(fā)生干涉的情況下，盡量在型腔附近設(shè)置冷卻系統(tǒng)。由于塑件的外輪廓比較復(fù)雜，直通式水道不好布置，所以選用回轉(zhuǎn)式冷卻水道，如圖7所示。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在Pro/E模具設(shè)計(jì)模塊支持下，使用EMX外掛程序包進(jìn)行注塑模具設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)生成的注射模模架效率高，通過對(duì)模架與模具零件進(jìn)行干涉情況檢查，便于快速調(diào)整設(shè)計(jì)方案，縮短了模具設(shè)計(jì)周期，降低了復(fù)雜注塑模具開發(fā)成本。

(2)通過理論計(jì)算，對(duì)注射模的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且進(jìn)行了冷卻水路的平衡布置，實(shí)現(xiàn)了模具溫度的合理控制。

［1］Zdlei.http://baike.baidu.com/view/667031.htm［OL］.2011.

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