基于Moldflow和UG的坐便器坐圈注塑模具設(shè)計

孫秀偉

（1．唐山學(xué)院機電工程系，河北唐山063000；2．河北省高校機電液一體化應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北唐山063000）

機械與模具

基于Moldflow和UG的坐便器坐圈注塑模具設(shè)計

孫秀偉1，2

（1．唐山學(xué)院機電工程系，河北唐山063000；2．河北省高校機電液一體化應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北唐山063000）

以坐便器坐圈和蓋板為例，分析了塑件的結(jié)構(gòu)特征，運用Moldflow軟件對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，運用UG軟件進(jìn)行了模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，介紹了模具結(jié)構(gòu)特點和模具工作過程。模具采用一模兩腔同時成型坐便器坐圈和蓋板，僅在塑件周邊設(shè)計封膠面，將封膠面以外的大平面設(shè)計為避空面，采用斜頂側(cè)抽機構(gòu)成型蓋板側(cè)孔、斜導(dǎo)柱側(cè)抽機構(gòu)成型坐圈側(cè)孔，合模導(dǎo)向通過導(dǎo)柱導(dǎo)向、四角側(cè)壁定位和邊鎖聯(lián)合作用實現(xiàn)。最終設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理、動作可靠的坐便器坐圈注塑模具。

坐便器坐圈；蓋板；注塑模具；Moldflow；設(shè)計

0 前言

塑件缺陷的產(chǎn)生直接影響著塑件的品質(zhì)及使用，對于注塑模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先要保證塑件的成型品質(zhì)。傳統(tǒng)的克服缺陷、提高塑件品質(zhì)的方法主要是用嘗試法，通過不斷試模來改進(jìn)模具設(shè)計。這樣會使模具設(shè)計周期長、成本高、品質(zhì)不易保證［1］。而成型模擬技術(shù)的出現(xiàn)，將試模過程搬到了計算機上，在模具加工之前，通過軟件模擬發(fā)現(xiàn)問題，分析原因，并給出解決方案，最終改善模具結(jié)構(gòu)設(shè)計［2］。

本文依據(jù)某品牌坐便器坐圈和蓋板的實物模型，利用計算機輔助設(shè)計/計算機輔助工程（CAD/CAE）軟件對塑件成型進(jìn)行模流分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計生產(chǎn)塑件用注塑模具，既能保證塑件品質(zhì)，又能縮短模具設(shè)計制造周期。

1 塑件工藝性分析

坐便器坐圈和蓋板的三維實體模型如圖1所示。坐圈總體尺寸：400 mm×350 mm×30 mm，平均厚度4 mm，蓋板總體尺寸：430 mm×350 mm×30 mm，平均厚度4．5 mm。2個塑件作為衛(wèi)浴產(chǎn)品的外觀件，外觀和表面品質(zhì)要求較高，而且2個零件配合使用，需要保證2個塑件外觀顏色的一致性，因此，本次設(shè)計采用一模兩腔，一腔成型坐圈，一腔成型蓋板。坐圈和蓋板相連接處各有2個與開模方向不一致的側(cè)孔，需要設(shè)計側(cè)向抽芯機構(gòu)。坐圈屬于外側(cè)抽芯，可采用斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)，蓋板屬于內(nèi)側(cè)抽芯，而塑件內(nèi)部空間有限，可采用斜頂側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)。另外，在2個零件內(nèi)側(cè)都設(shè)計了橢圓形柱體的防震腳，如圖1中圈出部分所示。塑件采用聚丙烯（PP）材料。

圖1 坐圈和蓋板結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure of the seat and toilet

2 注塑模流分析

2.1 網(wǎng)格的劃分與處理

模流分析時塑件模型選擇igs格式，從UG軟件所建立的三維實體模型導(dǎo)入到Moldflow軟件中。坐便器坐圈與蓋板因壁厚較均勻，將采用雙層面網(wǎng)格劃分，全局網(wǎng)格邊長為5 mm，合并公差為0．1 mm，啟用弦高控制，弦高為0．1 mm，NURBS曲面網(wǎng)格生成器采用波前法，劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示。網(wǎng)格統(tǒng)計信息欄顯示該模型連通區(qū)域為1個，最大縱橫比為16．2∶1，小于20∶1，符合網(wǎng)格劃分的要求；自由邊、多重邊、配向不正確單元、相交單元、完全重疊單元均為零，說明網(wǎng)格劃分正確，不存在建模錯誤；匹配百分比88．4％，相互百分比86．8％，這兩項均達(dá)到了85％以上的網(wǎng)格匹配率［3］。

圖2 塑件有限元網(wǎng)格模型Fig．2 FEM mold of the part

2.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

澆口是注塑模具澆注系統(tǒng)中連接分流道和型腔的通道，澆口位置的合理選擇在很大程度上決定了塑件的成型品質(zhì)［4］。圖3為Moldflow分析出的坐便器坐圈和蓋板的最佳澆口位置。坐圈所分析出來的位置符合實際設(shè)計需要，設(shè)計時將坐圈的澆口位置設(shè)置在圖3圓圈處。但對于蓋板分析出來的最佳澆口位置位于塑件的中心，如圖3所示。如前所述，蓋板外觀品質(zhì)要求較高，如果將澆口位置設(shè)置在所分析的塑件的中心位置，會嚴(yán)重影響塑件的外觀品質(zhì)?？紤]到本次設(shè)計為1模2異形腔同時成型坐圈和蓋板，所以將蓋板的澆口位置設(shè)置在圖3圓圈處。

圖3 坐圈和蓋板澆口位置分析Fig．3 Analysis of gate location for the seat and toilet

2.3 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

在注塑模具設(shè)計過程中，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計非常重要，不僅影響塑件的成型品質(zhì)，而且影響成型周期的長短［5-7］。冷卻水路的布置遵循“水路直徑小些，水路組數(shù)多些”的原則。依據(jù)上述原則，本次坐便器坐圈模具冷卻水路共20組，水路直徑d＝10 mm，水路中心到塑件表面距離取h＝3d＝30 mm，水路之間距離取l＝5d＝50 mm。所設(shè)計冷卻系統(tǒng)如圖4所示，冷卻系統(tǒng)溫度分布如圖5所示。一般情況下，冷卻液溫度的差值最好不要超過3℃［8］。從圖5看出，冷卻液回路最大溫度為26．44℃，冷卻液溫度最大升高了1．44℃＜3℃，符合冷卻要求。由于本次設(shè)計冷卻水路較多，所以在非操作側(cè)安裝了集水塊，將水路通過集水塊后連接到注塑機上，這樣防止因開合模將冷卻水管損壞。

圖4 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．4 Structure of the cooling system

圖5 冷卻介質(zhì)溫度Fig．5 Temperature of the cooling medium

2.4 充填與流動分析

（1）填充時間分析

圖6為塑件的填充時間云紋圖，從圖中可以看出，蓋板的遠(yuǎn)端與坐圈的遠(yuǎn)端不是同時到達(dá)，大約相差3．8 s，通過與某公司了解到，在實際生產(chǎn)中，坐圈要比蓋板提前充滿，以有利于2個塑件成型品質(zhì)的控制。

（2）速度/壓力切換時的壓力

速度/壓力切換是指注塑填充過程中當(dāng)型腔快要充滿時，螺桿的運動從流動速率控制轉(zhuǎn)換到壓力控制。當(dāng)?shù)竭_(dá)切換點時型腔內(nèi)的壓力分布如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行速度/壓力控制轉(zhuǎn)換時，2個塑件都完成了型腔充填，而且2個塑件型腔內(nèi)的壓力控制在0～15 MPa，較均勻，基本不會發(fā)生短射和過保壓。

圖6 填充時間Fig．6 Filling time

圖7 速度/壓力切換時的壓力Fig．7 The pressure at speed/pressure switching

（3）注塑位置處壓力

通過注塑位置壓力圖可以直觀看到型腔內(nèi)壓力的變化情況，如果注塑壓力值出現(xiàn)突變產(chǎn)生峰值，表示充填處于非平衡狀態(tài)，將會導(dǎo)致塑件過保壓或欠注。注塑位置處壓力模擬結(jié)果如圖8所示，整個曲線相對平滑，沒有突變，可以達(dá)到平衡充模。

（4）流動前沿溫度

圖9為熔體流動前沿溫度，從圖中可以看出，流動前沿溫度在制件表面分布均勻，而且最高溫度在材料允許范圍之內(nèi)，溫差很小，大約在2℃之內(nèi)，這表明充填過程中沒有發(fā)生滯留現(xiàn)象，充填均勻，這樣大大提高了制件表面的品質(zhì)，同時在填充末端很大程度地降低了熔接痕的程度。

圖8 注塑位置處的壓力Fig．8 The pressure at injection position

圖9 熔體流動前沿溫度Fig．9 The temperature of flow front

（5）鎖模力

在塑件填充與保壓過程中，鎖模力是一個不斷變化的值，如圖10所示。在填充階段，鎖模力逐漸增大；在保壓階段保壓壓力不斷升高，鎖模力的變化比較急劇，當(dāng)保壓壓力達(dá)到一定水平時，鎖模力達(dá)到了最大值625 t。通過對鎖模力的分析，為選擇注塑機型號提供了依據(jù)。

圖10 鎖模力分析Fig．10 Analysis of clamping force

（6）氣穴

成型時容易產(chǎn)生氣穴的位置用圓圈標(biāo)記，如圖11所示。圖中①位置在料流末端，并且在分型面上，可通過在分型面開排氣槽將氣體排出；圖中②～④圈出部分分別對應(yīng)模具頂針、斜頂和滑塊位置，可分別通過頂針、斜頂和滑塊與動模板的配合間隙將氣體排出。因此，塑件上所出現(xiàn)的幾處氣穴均可以通過模具結(jié)構(gòu)排出，不會影響到塑件的品質(zhì)。

圖11 氣穴分析Fig．11 Analysis of cavitation

分析結(jié)果表明，采用所設(shè)計的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)能夠在合適的時間完成坐便器坐圈和蓋板的注塑，得到較好的品質(zhì)。因此，所設(shè)計的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)是合理的。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

由前面模流分析得到的最大鎖模力為625 t，根據(jù)鎖模力要求，初選寧波海天塑機集團有限公司制造型號為HTF650的注塑機。

3.1 分型面的選擇

分型面是決定模具結(jié)構(gòu)形式的一個重要因素，不僅直接關(guān)系到模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，也關(guān)系到塑件的成型品質(zhì)［4］。由于2個塑件的高度不同，所以將分型面設(shè)計為階梯形；考慮到模具平面尺寸較大，為了提高研磨效率，減少工作量，縮短模具的制作周期，僅在塑件周邊設(shè)計封膠面，寬度w＝50 mm，將封膠面以外的大平面設(shè)計為避空面，如圖12所示。

3.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

普通澆注系統(tǒng)由主流道、分流道、澆口和冷料穴4部分組成。其中，主流道采用MISUMI公司型號為SBBKE的標(biāo)準(zhǔn)澆口套。由于模具定模板厚度較大，為減少主流道長度，設(shè)計時將澆口套深入到定模板上，通過螺釘固定。分流道截面采用梯形截面，澆口采用扇形澆口。采用倒錐形冷料穴。

圖12 模具分型面Fig．12 Parting surface for the mold

3.3 側(cè)抽芯機構(gòu)設(shè)計

坐圈側(cè)孔成型采用斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機構(gòu)，如圖13所示。其中斜導(dǎo)柱傾角α＝18°，抽芯距S＝15 mm，為實現(xiàn)要求的抽芯距，所需開模行程H＝S cotα＝15× cot18°＝46．2 mm，斜導(dǎo)柱有效工作長度L＝S/sinα＝15/sin18°＝48．5 mm。為保證合模時斜導(dǎo)柱能準(zhǔn)確進(jìn)入滑塊，滑塊需停留在與斜導(dǎo)柱分離時的位置，因此在滑塊內(nèi)側(cè)底部設(shè)置兩根彈簧，彈簧始終處于壓縮狀態(tài)，在滑塊外側(cè)設(shè)有擋釘。同時，滑塊在彈簧力和斜導(dǎo)柱共同作用下完成側(cè)抽，可減小斜導(dǎo)柱的受力。為防止滑塊在熔體充模時產(chǎn)生位移，模具設(shè)計了楔緊塊；為提高滑塊使用壽命，在滑塊與楔緊塊相對運動處設(shè)置耐磨塊，耐磨塊材料為9Cr WMn，熱處理硬度50～55 HRC。為了加工和安裝方便，將滑塊的導(dǎo)滑槽設(shè)計為壓條式，通過螺釘將滑塊壓條固定到動模上。

圖13 斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)Fig．13 Structure of the angle pin

蓋板側(cè)孔成型采用斜頂側(cè)抽芯機構(gòu)，如圖14所示。斜頂塊傾斜角度α＝10°，推出行程H1＝150 mm，可計算出斜頂塊橫向運動距離S1＝H1tanα＝150× tan10°＝26．4 mm，而蓋板側(cè)孔深度S2＝20 mm，顯然S1＞S2＋（3～5）mm，滿足設(shè)計要求。斜頂塊與斜頂桿頭部通過銷釘連接，斜頂桿底部固定在滑座上?；捎糜蒑ISUMI公司生產(chǎn)的型號為SCZA的可調(diào)整式滑座，通過螺釘與推板連接。為保證斜頂頂出順暢，在動模板上設(shè)置精密自潤滑銅導(dǎo)套，并使之與斜頂桿配合精度高于斜頂桿與動模板的配合精度。

圖14 斜頂結(jié)構(gòu)圖Fig．14 Structure of the lifter

3.4 導(dǎo)向機構(gòu)設(shè)計

為防止合模過程中因動、定模錯位而損壞模具，設(shè)置了模具導(dǎo)向機構(gòu)。本設(shè)計采用由導(dǎo)柱導(dǎo)向、四壁克定位、邊鎖精定位組成的混合定位。其中，導(dǎo)柱、導(dǎo)套4個為一組，分別分布在動模板和定模板的四周；為了消除導(dǎo)柱導(dǎo)向裝置配合間隙所造成的移位，并承受一定的側(cè)壓力，設(shè)計合模精定位裝置——四壁克定位，主要分布在模具的四導(dǎo)柱位置；由于塑件結(jié)構(gòu)的特殊性，模具需要設(shè)計插穿位，如果合模不準(zhǔn)確，插穿位處將會產(chǎn)生嚴(yán)重的跑澆現(xiàn)象，從而使塑件產(chǎn)生飛邊，因此，為了進(jìn)一步提高模具導(dǎo)向精度，合模時保護小角度插穿位，在模具四面中間位置設(shè)計了4個邊鎖作為精密導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，精定位為0°精定位。

3.6 模具工作過程

模具總體結(jié)構(gòu)如圖15所示，開模時，由注塑機帶動動模座板、墊塊和動模板向后移動，定模板和定模座板保持不動，動模板和定模板分開，同時滑塊在斜導(dǎo)柱作用下沿導(dǎo)滑槽向外滑動，實現(xiàn)側(cè)向分型抽芯，塑件與澆注系統(tǒng)凝料留在動模一側(cè)，當(dāng)注塑機上頂桿接觸頂模塊后，推出機構(gòu)開始工作，由推板推動推桿和斜頂將其塑件頂出，同時實現(xiàn)了斜頂塊的側(cè)向抽芯。外力撤除后，在彈簧和復(fù)位桿作用下，推出機構(gòu)和斜頂機構(gòu)復(fù)位，然后在注塑機帶動下，動模部分向前運動，實現(xiàn)動、定模的合模，同時在斜導(dǎo)柱作用下滑塊復(fù)位，注塑機對模具施加一定的鎖模力，合模完成，開始進(jìn)行下一周期的注塑。

圖15 模具總體結(jié)構(gòu)Fig．15 Assembly drawing of the mold

4 結(jié)論

（1）本次設(shè)計選擇1模2異形腔同時成型坐便器蓋板與坐圈，保證了模具的經(jīng)濟性以及2個配合使用的零件外觀顏色的一致性；結(jié)合Moldflow軟件分析，完成模具澆口位置及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計；

（2）模具僅在塑件周邊設(shè)計封膠面，將封膠面以外的大平面設(shè)計為避空面，以提高研磨效率，縮短模具制造周期；模具合模導(dǎo)向機構(gòu)由導(dǎo)柱導(dǎo)向、四壁克定位、邊鎖精定位三部分組成，以保證動模、定模的合模精度與塑件的成型品質(zhì)；坐圈和蓋板連接處的側(cè)孔分別通過斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯和斜頂側(cè)抽芯機構(gòu)來成型。

［1］王 剛．Moldflow模具分析應(yīng)用實例［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2005：1-77．

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Design of Injection Molds for Toilet Seats Based on Moldflow and UGSoftware

SUN Xiuwei1，2
（1．Department of Mechanical and Electrical Engineering，Tangshan University，Tangshan 063600，China；2．Research Centre for Electro-hydraulic Integration Technology of the University in Hebei，Tangshan 063600，China）

The structural characteristics of thermoplastic parts was analyzed in the cases of a toilet seat and cover．The structure of the injection mold was optimized by a Moldflow software，and then the mold was designed by UG software．The structural characteristics and conducting process of the mold were introduced．The toilet seat and cover were injection-molded by the mold．The mold joint was designed only in the periphery of the plastic parts．Molding of the side holes for the toilet seat and cover was achieved by using lifter and angle pin respectively．The guide unit is consisted of guide pillars，four-corners side positioning and chain．The injection mold of the toilet seat and cover had a rational structure and high reliability．

toilet seat；cover；injection mold；Moldflow software；design

TQ320．66＋2

B

1001-9278（2017）01-0098-07

10．19491/j．issn．1001-9278．2017．01．018

2016-08-10

唐山學(xué)院科研基金（15004B）

聯(lián)系人，tsssxw＠163．com