氣體發(fā)生器殼體模流分析及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳懷民 張遠(yuǎn)懷

(1.集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,福建 廈門,361021;2.廈門威迪亞精密模具塑膠有限公司,福建 廈門,361028)

為簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮注射模具成型特點(diǎn),塑料制品幾何結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,一些外形精巧、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案頻繁被產(chǎn)品設(shè)計(jì)師采用[1]。下面對(duì)氣體發(fā)生器殼體進(jìn)行模擬流動(dòng)分析,利用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)模擬分析結(jié)果指導(dǎo)模具澆注系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過合理設(shè)計(jì)在注射模具中實(shí)現(xiàn)多種抽芯機(jī)構(gòu)共存,提高注射模具的應(yīng)用范圍。

1 塑件結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為某氣體發(fā)生器外殼,材質(zhì)為ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物),主體呈筒形結(jié)構(gòu),外形尺寸約為125.40 mm×57.58 mm×61.00 mm。為提高殼體的強(qiáng)度及美觀,殼體的三個(gè)側(cè)面設(shè)計(jì)成周期性的梯形凸緣幾何結(jié)構(gòu),另一側(cè)面設(shè)計(jì)6個(gè)卡扣與發(fā)生器本體連接固定,塑件表面粗糙度為Ra0.4 μm;殼體內(nèi)腔被隔板一分為二。為防止殼體內(nèi)氣體泄漏,發(fā)生器殼體與底座連接密封性要求很高。由于受到外形尺寸的制約,殼體與底座的密封不能采用機(jī)械方式,選擇超聲波焊接密封技術(shù)。

圖1 氣體發(fā)生器及模具分型面

2 注射模具總體結(jié)構(gòu)的確定

氣體發(fā)生器殼體形狀復(fù)雜,深筒狀外形基本呈對(duì)稱。梯形凸緣結(jié)構(gòu)的三個(gè)側(cè)面,影響塑件從模具型腔中直接脫模,要實(shí)現(xiàn)塑件順利脫膜需在模具中設(shè)計(jì)哈弗抽芯機(jī)構(gòu);殼體另一側(cè)面設(shè)計(jì)6個(gè)朝內(nèi)的卡扣,模具中需要設(shè)計(jì)內(nèi)抽芯機(jī)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)脫膜。斜推桿內(nèi)抽芯機(jī)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定的抽芯機(jī)構(gòu),利用注塑機(jī)推出機(jī)構(gòu)的推出力驅(qū)動(dòng)斜推桿抽芯與頂出動(dòng)作同步進(jìn)行。斜推桿抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在模具的動(dòng)、定模開合面上,殼體在模具型腔中的布置方式為臥式,殼體6個(gè)卡扣面布置在模具動(dòng)模表面。開模時(shí)模具哈弗抽芯機(jī)構(gòu)完成模具型腔垂直分型,實(shí)現(xiàn)對(duì)塑件外表面的抽芯;殼體內(nèi)表面利用側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)將阻礙塑件脫模的型芯移開;最后完成塑件卡扣的抽芯和頂出脫模。

3 注射模具基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 模具型腔的確定及模架結(jié)構(gòu)的選擇

氣體發(fā)生器塑件外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜(如圖1所示),通過對(duì)殼體幾何結(jié)構(gòu)分析,要使塑件從模具型腔中順利脫模,注射模具中需設(shè)計(jì)8個(gè)內(nèi)、外抽芯機(jī)構(gòu),故模具選擇一模一腔的臥式布置。同時(shí)對(duì)模具抽芯機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析,模具哈弗抽芯機(jī)構(gòu)中的滑塊、塑件型芯抽芯機(jī)構(gòu)的滑塊及斜推桿抽芯機(jī)構(gòu)都可以設(shè)置在模具動(dòng)模側(cè),澆注系統(tǒng)的流道及澆口布置在哈弗抽芯機(jī)構(gòu)的滑塊上,二板式模架結(jié)構(gòu)能夠滿足模具抽芯及塑件的脫模要求。

3.2 模具分型面及澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣體發(fā)生器殼體由梯形凸緣構(gòu)成外表面,阻礙塑件從模具型腔中脫膜。已知塑件在模具型腔布置采用臥式,根據(jù)瓣合式模具抽芯機(jī)構(gòu)特點(diǎn),瓣合式分型面為模具的主分型面,而動(dòng)、定模的開合面為輔助分型面;另外,殼體型腔型芯側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的分型面也設(shè)為輔助分型面,主分型面Ⅰ-Ⅰ和輔助分型面Ⅱ-Ⅱ設(shè)計(jì)如圖1所示。

已知模具采用一模一腔布置。對(duì)于殼體類的零件,采用外側(cè)中心澆口,從而使從澆口流到制品外側(cè)邊緣各處的塑料體積和流經(jīng)距離都大致相同。由于塑料是朝著分型面流動(dòng)的,排氣通暢有助于充模[2]。初步擬定澆口位置在殼體頂部中心。

4 氣體發(fā)生器殼體模擬流動(dòng)分析

應(yīng)用CAE軟件對(duì)氣體發(fā)生器殼體注射填充過程進(jìn)行模擬,擬定兩種不同澆口位置,如圖2所示。利用Moldflow軟件對(duì)兩種不同的殼體澆注系統(tǒng)的填充、保壓、冷卻、收縮及翹曲等注射成型狀況進(jìn)行模擬,以優(yōu)化注射工藝、制件結(jié)構(gòu)和模具設(shè)計(jì)方案[3]。

圖2 塑件澆口位置

根據(jù)氣體發(fā)生器殼體的技術(shù)要求,模擬分析選擇ABS 650 Kumho塑料,其主要成型工藝條件為:模具表面溫度50 ℃,熔體溫度235 ℃,注射時(shí)間1 s,保壓壓力55 MPa,最大許可剪切應(yīng)力為0.3 MPa,最大許可剪切速率為7 000 s-1。選用公稱鎖模力1 800 kN,注射壓力120 MPa的注塑機(jī)。

模擬分析結(jié)果如圖3～6所示。圖3為熔體流動(dòng)前沿溫度;圖4為塑件變形效果;圖5為塑件氣穴分布;圖6為塑件熔接痕。

圖3 熔體流動(dòng)前沿溫度

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析,對(duì)比方案1和方案2,方案2的模具型腔中溫度梯度較大,增加了塑件的翹曲變形。兩種方案都不可避免產(chǎn)生氣穴和熔接痕,但方案2中塑件氣穴數(shù)量更多。方案2型腔填充過程中壓力損失大,所需的注射壓力更大,存在型腔不易充滿的情況,影響塑件的最終質(zhì)量。綜合分析,方案1澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)于方案2。模擬分析結(jié)果與填充理論的分析結(jié)論是一致的,最終確定澆口位置在殼體的頂部中心。

圖4 塑件變形效果

圖5 塑件氣穴分布

圖6 塑件熔接痕

5 模具抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 哈弗抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

殼體外形尺寸復(fù)雜,為能實(shí)現(xiàn)順利脫模,主分型面采用瓣合式垂直分型面,設(shè)計(jì)斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)哈弗抽芯滑塊實(shí)現(xiàn)抽芯和復(fù)位。斜導(dǎo)柱固定在定模上,側(cè)滑塊安裝在動(dòng)模上的結(jié)構(gòu)是斜導(dǎo)柱側(cè)向分型側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)模具中應(yīng)用最廣泛的形式[4],開模時(shí)斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)側(cè)滑塊完成塑件外形抽芯,模具抽芯和開模同步進(jìn)行。注射成型時(shí),型腔內(nèi)的熔融塑料將以很高的成型壓力作用在側(cè)滑塊上,使側(cè)滑塊后退產(chǎn)生位移,導(dǎo)致斜導(dǎo)柱產(chǎn)生彎曲變形,影響塑件的尺寸精度。殼體外形尺寸較大,注射成型時(shí)滑塊受到的脹型力大,一般楔緊塊的剛度、楔緊力都不能滿足要求,將楔緊塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在定模板上,該楔緊機(jī)構(gòu)剛度好,側(cè)滑塊受到強(qiáng)大的楔緊力作用就不易發(fā)生移動(dòng)。哈弗抽芯滑塊最終設(shè)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

圖7 哈弗抽芯滑塊

為提高滑塊和導(dǎo)滑槽的使用壽命,降低零件的加工難度,將與滑塊配合的導(dǎo)滑槽部位設(shè)計(jì)為鑲拼結(jié)構(gòu),導(dǎo)滑槽鑲拼零件選用Cr12材料加工并經(jīng)淬火及回火處理,降低滑塊與導(dǎo)滑槽間的摩擦系數(shù),提高模具零件的使用壽命。

5.2 殼體型腔型芯的側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣體發(fā)生器殼體注射模具型腔設(shè)計(jì)采用臥式布置,塑件外形尺寸較大,型腔成型型芯脫膜方向與模具開合模方向垂直,模具主型芯需設(shè)計(jì)側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)進(jìn)行抽芯。該型腔型芯長(zhǎng)度高達(dá)124 mm,一般斜導(dǎo)柱側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)不能滿足其抽芯距離要求。而油缸抽芯機(jī)構(gòu)緊湊、工作時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、輸出力大,可根據(jù)抽芯距離及抽芯力選擇油缸型號(hào)。本設(shè)計(jì)選擇液壓油缸為型芯抽芯機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。注射成型時(shí),型腔內(nèi)熔融塑料以很高的成型壓力作用在型芯上,如果作用力大于油缸鎖緊力將迫使油缸活塞后退影響塑件成型精度,側(cè)抽芯滑塊楔緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在模具定模板上,合模時(shí)定模板斜面作用在滑塊背面上,防止滑塊后退影響塑件成型質(zhì)量,型腔型芯側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)如圖8中所示。

氣體發(fā)生器殼體側(cè)面6個(gè)卡扣斜推桿內(nèi)抽芯機(jī)構(gòu)如圖8所示。開模結(jié)束,模具推板在注射機(jī)推出機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下移動(dòng),安裝在推桿固定板上的斜推桿抽芯機(jī)構(gòu)同時(shí)工作,推桿受到動(dòng)模板上斜導(dǎo)向孔的約束,進(jìn)行斜向運(yùn)動(dòng)完成卡扣的抽芯及塑件的推出,確保殼體從模具中順利脫膜。

5.3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣體發(fā)生器殼體注射模具最終設(shè)計(jì)結(jié)果如圖8所示。

圖8 氣體發(fā)生器殼體注射模具1—?jiǎng)幽Ｗ澹?—螺釘；3—推板；4—推桿固定板；5—支撐柱；6—?jiǎng)幽０澹?—?jiǎng)幽Ｐ托荆?—哈弗滑塊；9—側(cè)型芯小鑲件；10—側(cè)型芯打鑲件；11—導(dǎo)柱；12—導(dǎo)套；13—定模板；14—定模座板；15—定位圈；16—澆口套；17—側(cè)抽芯嵌套固定板；18—側(cè)型芯墊板；19—水井隔板；20—連接塊；21—連接螺母；22—小型芯；23—推出機(jī)構(gòu)導(dǎo)柱；24—推出機(jī)構(gòu)導(dǎo)套；25—限位釘；26—支承塊；27、29、31—水嘴；28—油缸；30—斜導(dǎo)柱；32—定位珠；33—斜推桿；34—限位塊；35—銷

6 模具關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣體發(fā)生器殼體模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜,殼體結(jié)構(gòu)是由多種不同幾何元素構(gòu)成。殼體成型基本由哈佛滑塊及側(cè)型芯實(shí)現(xiàn)。為確保哈佛滑塊的強(qiáng)度及塑件外表面質(zhì)量要求,滑塊采用整體式設(shè)計(jì)。側(cè)型芯深度方向尺寸較大,型芯中間又需加工出隔板深槽,側(cè)型芯零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否將影響型芯零件加工工藝性和塑件質(zhì)量。為改善側(cè)型芯加工工藝性,根據(jù)殼體型腔被隔板分成兩部分的特點(diǎn),以隔板為分割線特將型芯設(shè)計(jì)為鑲拼組合結(jié)構(gòu),型腔隔板深槽在型芯鑲拼界面上,將原來工藝性不好深槽加工轉(zhuǎn)變?yōu)楣に囆暂^好的外形加工,改善型芯的加工工藝。鑲拼的型芯其穩(wěn)定性及強(qiáng)度較低,設(shè)計(jì)如圖8中零件17所示專用的側(cè)抽芯嵌套固定板,即對(duì)組合型芯進(jìn)行固定又滿足型芯在模具中的裝配定位要求。塑件超聲焊接線緊鄰型芯側(cè)壁,型芯側(cè)壁妨礙超聲焊接線的加工,將超聲焊接線設(shè)計(jì)在型芯嵌套上,在嵌套上加工超聲焊接線可以避免型芯側(cè)壁的阻礙,側(cè)抽芯的鑲件結(jié)構(gòu)如圖9所示。

7 氣體發(fā)生器殼體注射模具及塑件

本設(shè)計(jì)制造的氣體發(fā)生器殼體模具如圖10所示,模具經(jīng)兩次試模后,所注射生產(chǎn)的氣體發(fā)生器殼體如圖11所示,零件尺寸精度、表面質(zhì)量都達(dá)到設(shè)計(jì)要求。模具已經(jīng)過批量生產(chǎn)驗(yàn)證,其工作穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率都能滿足企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)要求。

圖9 側(cè)抽芯鑲件結(jié)構(gòu)

圖10 氣體發(fā)生器殼體模具

圖11 氣體發(fā)生器殼體

8 結(jié)語

模具設(shè)計(jì)師僅依靠積累的模具設(shè)計(jì)及制造經(jīng)驗(yàn),已不能滿足當(dāng)今產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。在模具設(shè)計(jì)過程中結(jié)合CAE技術(shù),可以顯著提升模具澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性,預(yù)測(cè)塑件在注射填充過程中可能存在的缺陷并在模具設(shè)計(jì)中采取預(yù)防措施,減少模具的試模次數(shù),縮短模具開發(fā)周期。

合理布置塑件在模具型腔的位置及選擇合適的抽芯機(jī)構(gòu),在一副模具中實(shí)現(xiàn)多種不同抽芯機(jī)構(gòu)共存,使結(jié)構(gòu)復(fù)雜的塑料零件可通過注射模具一次成型加工,減少新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)所需的零件數(shù)量,降低新產(chǎn)品研制成本,擴(kuò)大注射模具的應(yīng)用范圍。對(duì)于具有深槽幾何結(jié)構(gòu)的模具型芯采用鑲拼組合設(shè)計(jì),有效改善模具型芯的制造工藝和加工質(zhì)量,通過設(shè)計(jì)專用嵌套對(duì)其進(jìn)行固定及裝配定位,可提高鑲拼型芯的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

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