基于ProE和Moldflow技術(shù)的臺(tái)燈燈罩注射模具設(shè)計(jì)

王志偉

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué), 江蘇 揚(yáng)州　225009)

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基于ProE和Moldflow技術(shù)的臺(tái)燈燈罩注射模具設(shè)計(jì)

王志偉

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué), 江蘇 揚(yáng)州225009)

摘要：對(duì)塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求和生產(chǎn)批量分析,結(jié)果表明：塑件的側(cè)面圓柱孔采用斜導(dǎo)柱側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu),模具結(jié)構(gòu)為一模四腔兩板模；分型面選在塑件兩通孔橫向中分線,確保開模時(shí)塑件留在動(dòng)模上；利用推桿推出使塑件順利脫模而又不影響制品表面質(zhì)量。應(yīng)用ProE和Moldflow技術(shù)對(duì)塑件進(jìn)行了CAE分析、冷卻分析等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：臺(tái)燈燈罩;抽芯機(jī)構(gòu);分型面;輔助設(shè)計(jì)

臺(tái)燈燈罩是日常生活中常見的電器零件,一般為塑料制品。為了降低生產(chǎn)成本,大多采用模具注射方式大批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法具有設(shè)計(jì)周期比較長(zhǎng),可靠性實(shí)用性比較差等缺點(diǎn)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,大量工業(yè)軟件的應(yīng)用,模具設(shè)計(jì)技術(shù)趨近成熟。本文應(yīng)用ProE軟件對(duì)臺(tái)燈燈罩進(jìn)行成型設(shè)計(jì),利用Moldflow對(duì)塑件成型過程進(jìn)行CAE分析,實(shí)現(xiàn)塑件的快速設(shè)計(jì)和精確制造的過程。

1塑件結(jié)構(gòu)及工藝分析

圖1為一臺(tái)燈燈罩產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖。其主要特征尺寸適中且呈矩形,一側(cè)有較大斜度,左端面有一直徑3mm,高12mm的凸臺(tái),并帶有直徑3mm的通孔,需設(shè)置側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu),壁厚(均勻)1.5mm,塑件整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,易于成型。外觀表面要平整、光潔,無缺陷,無毛刺,內(nèi)部無導(dǎo)電雜質(zhì)。塑件材料為聚苯乙烯(PS),該材料耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和電性能良好,沖擊強(qiáng)度較高。同時(shí)由于流動(dòng)性好,易于注塑成型,適于制作一般家電產(chǎn)品的殼類零件。因PS吸濕性較小,僅為0.1%,所以，成型前稍微進(jìn)行干燥處理即可。塑件為大批量生產(chǎn),生產(chǎn)周期短,出售價(jià)格較低,需采取經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案[1，2]。

注射成型條件:選用臥式螺桿式注射機(jī),螺桿轉(zhuǎn)速20～50 r·min-1;料筒溫度為前段180～200℃,中段165～180℃,后段85～80℃;噴嘴溫度為170～180℃;噴嘴形式為直通式;模具溫度為50～80℃;注射壓力為60～100 Mpa;保壓壓力為60～100 Mpa;成型時(shí)間為注射20～90s,保壓0～5s;冷卻時(shí)間為20～150s;成型周期為60～100s;成型收速率為0.4%～0.7%。

圖1　臺(tái)燈燈罩結(jié)構(gòu)

2塑件CAE分析

CAE技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)快速處理信息的能力,對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品力學(xué)性能和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析,是一種數(shù)值分析的方法。一般CAE軟件都是由建模模塊、有限元模塊以及相關(guān)分析模塊組成。目前,CAE技術(shù)已成為塑料制品開發(fā)、優(yōu)化模具設(shè)計(jì)的有效手段。在注射成型CAE軟件中,ProE和Moldflow應(yīng)用的最為廣泛。

2.1　有限元模型建立

CAE分析先要建立塑件的有限元模型,將塑件網(wǎng)格劃分,并修整網(wǎng)格。在ProE中將構(gòu)建的臺(tái)燈燈罩3D模型轉(zhuǎn)換為STL格式導(dǎo)入到Moldflow/MPI模塊中。進(jìn)行網(wǎng)格劃分并修改,使其匹配率達(dá)到95%左右,保證之后分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文構(gòu)建的一模四腔臺(tái)燈燈罩有限元模型如圖2所示。

圖2　臺(tái)燈燈罩有限元模型

2.2　CAE分析過程

有限元模型建立之后便可進(jìn)行相關(guān)分析。在Moldflow提供的材料庫中選擇GE Plastic公司生產(chǎn)的PS材料,分析類型為:冷卻+流動(dòng)+翹曲,模具溫度設(shè)定為50℃,熔體溫度設(shè)定為230℃。注塑機(jī)、注塑壓力、速度均默認(rèn)。整個(gè)計(jì)算過程由解算器MPI自動(dòng)完成。

2.2.1填充時(shí)間分析

填充時(shí)間顯示為開始進(jìn)料到完成充模整個(gè)過程中流料任一時(shí)刻流動(dòng)的位置。其分析結(jié)果如圖3所示,用時(shí)1.082s完成塑件的完全填充,填充時(shí)間分配均勻,流動(dòng)較為均衡。

圖3　填充時(shí)間分析結(jié)果

2.2.2壓力曲線分析

圖4為出進(jìn)料口位置的壓力在注射、保壓、冷卻過程中的變化。注射剛開始?jí)毫χ本€上升,最大壓力為65MPa,隨即壓力迅速下降至52MPa,在10s后,壓力逐漸降低為0,整個(gè)周期持續(xù)約11s。

圖4　壓力曲線分析結(jié)果

2.2.3熔接痕分析

熔接痕不僅影響塑件的外觀,同時(shí)破壞其力學(xué)性能,需盡量減少。如圖5所示,塑件只在孔洞處有很少熔接痕,適當(dāng)提高料溫和注塑壓力就可改善。

圖5　熔接痕分析結(jié)果

2.2.4翹曲分析

翹曲主要由于內(nèi)部應(yīng)力不均而導(dǎo)致塑件的形狀、尺寸等出現(xiàn)缺陷。如圖6所示為翹曲分析結(jié)果。塑件最大變形量為0.2915mm,變形量在允許范圍(0.5mm)之內(nèi),且主要分布在冷卻系統(tǒng)進(jìn)出水處,可適當(dāng)調(diào)整冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖6　翹曲分析結(jié)果

2.2.5冷卻分析

塑件和冷卻水溫度分布情況如圖7所示。在該水路布置形式下,溫度分布都比較均勻,溫差在推薦值控制范圍 (15℃) 之內(nèi),冷卻效果滿足實(shí)際生產(chǎn)中的要求,塑件的表面質(zhì)量可以得到保證。

圖7　冷卻分析結(jié)果

3模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖8為注塑模具總體結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、生產(chǎn)批量、成型效率和制作成本的要求, 模具整體上采用一模四腔兩板模結(jié)構(gòu)。該模具主要有模架、動(dòng)模、定模、抽芯和頂料等結(jié)構(gòu)組成。其中模架部分由動(dòng)模座板、定模座板、導(dǎo)套和導(dǎo)柱等組成;動(dòng)模部分由動(dòng)模板、側(cè)型芯固定板、側(cè)型芯、下模仁和下模仁鑲件等組成;定模部分由定模板、上模仁、澆口套、定位圈和壓板等組成;抽芯部分由斜滑塊、斜導(dǎo)柱、楔緊和彈珠式定位銷等組成;頂料部分由推桿固定板、推桿、推板、復(fù)位桿、復(fù)位桿彈簧等組成。裝配時(shí)的要求:以模具動(dòng)、定模板兩個(gè)互相垂直的側(cè)面為基準(zhǔn)。型腔、型芯的安裝與調(diào)整,導(dǎo)柱導(dǎo)套孔的位置,以及側(cè)滑塊的滑道位置等,均以基準(zhǔn)面按坐標(biāo)尺寸來定位找正。然后將單個(gè)零件和已經(jīng)裝配好的組件或機(jī)構(gòu)按結(jié)構(gòu)或動(dòng)作要求,順序地組裝到一起,形成一套完整的模具。其中導(dǎo)柱、導(dǎo)套裝配精度要求嚴(yán)格,相對(duì)位置誤差需在±0.01mm范圍以內(nèi),裝配后應(yīng)保證開、合模運(yùn)動(dòng)靈活。裝配前應(yīng)進(jìn)行配合間隙的分組選配。裝配時(shí)應(yīng)先安裝模板對(duì)角線上的兩個(gè),并作開、合模運(yùn)動(dòng)檢驗(yàn),若有卡緊現(xiàn)象,應(yīng)予以修正或調(diào)換。合格后再裝其余兩個(gè),每裝一個(gè)都需進(jìn)行開、合模動(dòng)作檢驗(yàn),確保開合模運(yùn)動(dòng)靈活,導(dǎo)向準(zhǔn)確,定位可靠[3,4]。

圖8　注塑模具總體結(jié)構(gòu)圖注：1.動(dòng)模座板；2.內(nèi)六角螺釘；3.推桿固定板；4.墊塊；5.內(nèi)六角螺釘；6.動(dòng)模板；7.側(cè)型芯固定板；8.斜滑塊；9.側(cè)型芯；10.斜導(dǎo)柱；11.楔緊塊；12.內(nèi)六角螺釘；13.定模座板；14.內(nèi)六角螺釘；15.澆口套；16.彈珠式定位銷；17.推桿；18.拉料桿；19.復(fù)位桿；20.推板；21.內(nèi)六角螺釘；22.上模仁；23.下模仁；24.內(nèi)六角螺釘；25.復(fù)位桿彈簧；26.垃圾釘；27.定位圈；28.定模板；29.導(dǎo)套；30.導(dǎo)柱；31.下模仁鑲件；32.隔水板；33.內(nèi)六角螺釘；34.壓板

3.1　分型面選擇

模具設(shè)計(jì)時(shí),分型面的位置需要先確定,然后才能選擇合適的模具結(jié)構(gòu)。如果分型面設(shè)計(jì)的不合理,會(huì)直接影響到注塑產(chǎn)品的質(zhì)量、相應(yīng)的操作工藝以及模具的生產(chǎn)制造,可見其重要性[5]。為了便于順利脫模,根據(jù)制品自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),同時(shí)便于排氣,將制品留在動(dòng)模上,采用外型輪廓最大與開模方向水平的分型面,利用ProE分模:分離距離=塑件高度+型芯高度+5～10mm。

3.2　澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)是一種引料結(jié)構(gòu),把熔融的塑料由注射機(jī)的噴嘴引進(jìn)模具型腔,承受一定的壓力和溫度,對(duì)塑件的成型質(zhì)量具有很大的影響[6]。該模具澆注系統(tǒng)主要由主流道、分流道、冷料穴和澆口等結(jié)構(gòu)組成。

主流道的形狀采用圓錐形,以利于熔融塑料自由流動(dòng),同時(shí)在開模的時(shí)候其凝料也能夠順利拔出。分流道的流道布置形式采用平衡式,在塑件側(cè)壁部分開設(shè)分流道。由于該模具具有垂直分型面(稱為側(cè)向分型),冷料穴分別開在主型芯上,在開模時(shí),將主流道中的冷凝料拉出,垂直分型時(shí),冷料穴中的冷凝料和塑件會(huì)一并被推出來,該模具采用Z形拉料桿的結(jié)構(gòu)形式。從所提供塑件圖樣中可看出,在塑件的側(cè)邊設(shè)計(jì)側(cè)澆口比較合適,側(cè)澆口開設(shè)在垂直分型面上,從型腔(塑件)外側(cè)面進(jìn)料,能很方便地調(diào)整充模時(shí)的剪切速率和澆口封閉時(shí)間。

3.3　抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)中脫模力較小,可以直接采用機(jī)動(dòng)側(cè)向分型抽芯,其驅(qū)動(dòng)方式為斜導(dǎo)柱,這樣操作起來方便,生產(chǎn)效率也能夠提高,便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)中,斜導(dǎo)柱抽芯是經(jīng)常使用的一種機(jī)構(gòu),因?yàn)樗哂性O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易制造且安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。其斜滑塊通常由楔緊塊鎖緊,根據(jù)楔緊塊的結(jié)構(gòu)形式及安裝方式不同可獲得不同的楔緊力，并可獲得較大的抽芯距。

為保證在開模瞬間有一很小空程,使塑件在活動(dòng)型芯未抽出之前從型腔內(nèi)或型芯上獲得松動(dòng),并使楔緊塊先脫開滑塊,以免干涉抽芯動(dòng)作,斜導(dǎo)柱與滑塊孔的配合應(yīng)有0.25～0.5mm的單邊間隙。

3.4　脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在每一次的注射循環(huán)中,塑件、冷凝料必須精確地從流道、凹?；蛘咝托旧厦摮?完成這一過程的裝置稱之為脫模機(jī)構(gòu),也稱為推出機(jī)構(gòu)[7]。

本文采用推桿推出形式。塑件的推出機(jī)構(gòu)全部采用帶肩圓形推桿,根據(jù)推桿布置原則、單個(gè)型芯大小和可供布置推桿的空間,初步設(shè)置一個(gè)塑件采用Φ8推桿9根。推桿直徑與模板上的推桿孔采用H7/f8間隙配合。推桿裝入模具后,其端面應(yīng)與型芯上表面平齊或高出0.05～0.1mm。推桿與推桿固定板采用徑向單邊0.5mm的間隙,而推桿臺(tái)肩與沉頭孔軸向間隙0.03～0.05mm。這樣在多推桿狀況下,不會(huì)因?yàn)楦靼迳贤茥U孔間距的加工誤差而引起軸線不一致情況,從而發(fā)生推桿卡死現(xiàn)象。

3.5　排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模具可以利用排氣槽排氣,分型面排氣,利用型芯、推桿和鑲件等間隙排氣。有時(shí)塑件在頂出時(shí),可能造成真空狀態(tài)致使其變形,為了防止發(fā)生此類問題,須設(shè)進(jìn)氣裝置。特殊情況下則必須開設(shè)排氣槽。

排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)為:(1)在模具型腔的兩個(gè)側(cè)面,可利用側(cè)型芯與模仁間的間隙進(jìn)行排氣;(2)在模具型腔熔體的最后填充部位,可利用內(nèi)螺紋抽芯機(jī)構(gòu)的間隙進(jìn)行排氣。

3.6　溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要目的是要控制注射模具的溫度,這樣有利于成型的產(chǎn)品具有更好的質(zhì)量,同時(shí)也能提高生產(chǎn)效率[8]。

該模具屬于中小型的模具,且模具的溫度要求也在80℃以下,所以無需設(shè)置相關(guān)加熱裝置。

熱塑性塑料在注射成型之后,模具必須進(jìn)行有效的冷卻,以利于塑件可靠冷卻定型并可迅速脫模。對(duì)于流動(dòng)性相對(duì)比較好或者粘度低的塑料,一般成型工藝要求模溫都不是很高,用常溫水對(duì)模具進(jìn)行冷卻即可。

4模具工作過程

首先，對(duì)聚苯乙烯進(jìn)行烘干處理,并裝入料斗中。然后，清理模具型芯和型腔,噴上脫模劑,并適當(dāng)預(yù)熱。接下來合模,鎖緊模具,塑料預(yù)塑化,注射機(jī)準(zhǔn)備注射。最后，經(jīng)充模、保壓、倒流和澆口冷卻后,脫模。

開模過程:定模固定在注射機(jī)的定模連接板上不動(dòng),連接在注射機(jī)動(dòng)模連接板上的動(dòng)模向后移動(dòng)開模,先由導(dǎo)滑槽壓塊拉動(dòng)斜滑塊沿固定在定模板上的斜導(dǎo)柱向兩邊作側(cè)向滑動(dòng)分模,彈珠式定位銷限定斜滑塊開模時(shí)的位置,塑件因成型收縮而留在動(dòng)模型芯鑲件上。由注射機(jī)的液壓系統(tǒng)帶動(dòng)頂柱推動(dòng)模具的推件板推出機(jī)構(gòu),將塑件從固定在動(dòng)模板上的動(dòng)模型芯鑲件上推出。由限位螺釘限定推件板移動(dòng)的距離,從而完成塑件的脫模過程。模具合模時(shí),由分型面反壓推件板的表面使滑塊復(fù)位,由楔緊塊鎖緊,完成一次注塑成型周期。注塑件的后處理,對(duì)塑件用紅外線燈、鼓風(fēng)烘箱進(jìn)行烘干。

5結(jié)語

臺(tái)燈燈罩是日常生活中常見的電器零件,本文從經(jīng)濟(jì)適用的角度出發(fā),設(shè)計(jì)了一套臺(tái)燈燈罩的注塑模具。利用ProE和Moldflow軟件,對(duì)塑件進(jìn)行了成型設(shè)計(jì)和CAE分析。依據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生產(chǎn)要求,該模具總體上采用一模四腔的側(cè)抽芯兩板模結(jié)構(gòu),采用推桿推出機(jī)構(gòu),此外還對(duì)分型面選擇、澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)?？傮w結(jié)構(gòu)合理可靠,生產(chǎn)周期短,滿足質(zhì)量要求,拆卸及維修方便,具有一定的實(shí)用性。

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(責(zé)任編輯：江涌吳萍)

Injection Mould Design for Table Lampshade Based on ProE and Moldflow Technology

WANG Zhi-wei

(Yangzhou Polytechnic College, Yangzhou 225009, China)

Abstract:Through the analysis of the structure characteristics, technical requirements and batch production of the plastic part, it’s found that the side cylinder holes of the plastic part use a side parting core-pulling framework with slanted guide pillar, the mould structure consists of one mould, two plates and four cavities, the parting surface is chosen at the transverse center line of two via holes in the plastic part, ensuring the plastic part staying on the moving die when the mould opens, and the push rod is used to demould the plastic part smoothly without damaging its surface quality. Based on the modern die design methods of ProE and Moldflow technology, this article makes a computer aided design of the plastic part, such as CAE analysis and cool analysis.

Key words:lampshade; core-pulling framework; parting surface; computer aided design

中圖分類號(hào):TQ 320.662

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1008-3693(2015)04-0023-05

作者簡(jiǎn)介：王志偉(1984—),男,揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院助教，碩士。

收稿日期：2015-09-07