基于HSCAE和UG的滑蓋注塑模設(shè)計

趙會娟,王國棟

(濟源職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，河南 濟源 459000)

注塑件的成型品質(zhì)受多種因素影響，塑件結(jié)構(gòu)、材料、工藝參數(shù)、模具設(shè)計、工作環(huán)境、操作人員經(jīng)驗等這些主觀和客觀條件共同決定了其成型品質(zhì)，尤其是厚壁塑件，受收縮和翹曲影響[1]，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計出的模具往往要經(jīng)過多次試模、修模方能生產(chǎn)出合格塑件,費時費力又增加模具成本.

利用華塑CAE模流分析軟件可以在模具設(shè)計和加工前根據(jù)擬定方案進行模擬，分析整個注射成型過程，預測熔體的充填、保壓、冷卻情況以及塑件中的應力分布、纖維取向、塑件收縮和翹曲變形等情況[2]，根據(jù)分析結(jié)果進行工藝參數(shù)、澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，從而提高注塑件的成型質(zhì)量，配合UG軟件，可縮短模具開發(fā)時間和節(jié)約試模成本[3].

1 塑件結(jié)構(gòu)工藝性分析

在UG軟件中對滑蓋進行造型，如圖1所示.該塑件外形規(guī)則，但前后不對稱，底部的水平舌形結(jié)構(gòu)外側(cè)及其上方兩側(cè)直壁開口處因冷卻收縮受阻較小易產(chǎn)生大的翹曲變形,故選擇合適的成型工藝參數(shù)及設(shè)計合理的冷卻系統(tǒng)是確保塑件的形狀和尺寸精度的關(guān)鍵；另外，底部的水平舌形結(jié)構(gòu)會阻礙塑件沿開模方向順利脫模，模具上必須設(shè)計側(cè)向抽芯機構(gòu),抽芯距較大，該機構(gòu)的設(shè)計是本副模具設(shè)計的難點.

圖1 滑蓋塑件圖

2 原料及成型工藝參數(shù)選擇

該滑蓋塑件要求外觀色澤良好、尺寸精度較高(舌形部位要求MT3)，同時應具備一定的強度和耐磨性.ABS無毒、無味，具有優(yōu)良的綜合物理和機械性能，耐磨性和尺寸穩(wěn)定性好，收縮率較小(0.3%～0.8%)，且價格便宜，能滿足塑件的成型及使用要求，故選擇注塑原料為ABS.

因ABS吸濕大,注射前須預熱至80°～90°干燥2以上；為保證塑件精度，模溫40°～60°，熔體溫度220°～240°，其余參數(shù)可通過HSCAE軟件分析獲得并經(jīng)試模確定.

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

CAE網(wǎng)絡(luò)模型見圖2.

圖2 CAE網(wǎng)格模型

根據(jù)注射模具結(jié)構(gòu)中選取分型面時應保證塑件質(zhì)量且便于脫模的總原則[4]，將分型面選在頂部大平板結(jié)構(gòu)的下表面處.由于塑件批量大，精度要求高，型腔布局采用一模兩腔，結(jié)合該塑件的結(jié)構(gòu)特征，可采用的澆口形式有側(cè)澆口，潛伏式澆口和點澆口.側(cè)澆口澆注系統(tǒng)采用兩板模結(jié)構(gòu)，模具結(jié)構(gòu)簡單，成型塑件的適應性強，但塑件連同流道凝料一起，從同一分型面中取出，需人工切除；點澆口澆注系統(tǒng)采用三板模結(jié)構(gòu)，進料位置靈活，塑件和流道凝料從不同的分型面取出，自動分離，但模具結(jié)構(gòu)復雜，成本較高，且澆注系統(tǒng)較長[5].潛伏

式澆口由點澆口演變而來，它兼具點澆口和側(cè)澆口的優(yōu)點，同等條件下，提高了模具精度、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，簡化了模具結(jié)構(gòu)，但潛伏式沿斜向進人型腔，因此加工較為困難.本文擬從側(cè)澆口和潛伏式澆口兩種方案中選定.

在HSCAE網(wǎng)格管理器中對塑件的STL模型進行網(wǎng)格劃分，邊長3 m，生成的網(wǎng)格模型見圖2.頂點數(shù)7 417，面片數(shù)14 830，配對率90.04%，符合CAE分析要求.設(shè)主流道長80 mm，小端直徑3.5 mm，大端直徑8 mm，分流道為圓形，直徑6 mm，側(cè)澆口矩形1.5 mm高×2 mm寬×3 mm長，潛伏式澆口進料口直徑1.5 mm，錐角10°，傾斜角45°，見圖3.

圖3 (1)側(cè)澆口(2)潛伏式澆口

在HSCAE中選取生產(chǎn)廠家Kumho Chemicals Inc的ABS 780，最大許可剪切應力0.3 MPa，最大許可剪切速率50 000/s.充填設(shè)計工藝條件選用軟件數(shù)據(jù)庫中推薦值，進行充填分析，V/P轉(zhuǎn)換點處的分析結(jié)果見表1.

表1 兩種澆口充填分析結(jié)果中V/P轉(zhuǎn)換點相關(guān)數(shù)據(jù)

由表1可以看出，二者的時間和充填體積差別很小，潛伏式澆口雖然壓力和鎖模力略大，但澆口處剪切應力和剪切速率都略小于側(cè)澆口，更有利于避免出現(xiàn)表面粗糙、起伏不平甚至熔體破裂現(xiàn)象，從而有利于提高塑件表面質(zhì)量.綜上所述，選用潛伏式澆口.

3.2 側(cè)向抽芯機構(gòu)的設(shè)計

斜導柱側(cè)向分型與抽芯機構(gòu)利用斜導柱把開模力傳遞給側(cè)型芯或側(cè)向成型塊，使之產(chǎn)生側(cè)向運動完成抽芯與分型動作，特點是結(jié)構(gòu)緊湊、動作安全可靠、加工方便，是注射模側(cè)向抽芯時最常用的機構(gòu)，一般使用于抽芯力不大及抽芯距小于60～80 mm的場合[6].

本塑件底部的水平舌形結(jié)構(gòu)側(cè)向開口，其抽芯距S比塑件上的側(cè)凹的深度S1大2～3 mm[7]，即35.4+(2～3)mm，取38 mm.故采用斜導柱抽芯機構(gòu).抽芯力Fc=chp(μcosα-sinα)=180×35.8×10(0.2×1-0)=12.89 kN

其中c為側(cè)型芯成型部分的截面平均周長(mm)；h為側(cè)型芯部分的高度(mm)；p為塑件對側(cè)型芯的收縮應力，一般情況下模內(nèi)冷卻的塑件為8～12 MPa，取10 MPa；μ為塑料與模具鋼摩擦系數(shù)，約為0.1～0.3，取0.2；α為側(cè)型芯的脫模斜度和傾斜角，該塑件為0°[8].

結(jié)合塑件的結(jié)構(gòu)形狀，將斜導柱安裝在定模而滑塊安裝在動模.斜導柱傾斜角α=15°，抽芯時斜導柱所受彎曲力Fw=Fc/cosα=12.89/0.97=13.29 kN，其中α為斜導柱的傾斜角.

側(cè)型芯滑塊受到脫模力的作用線與斜導柱中心線交點到斜導柱固定板間的距離Hw為30 mm，查表得斜導柱直徑25 mm[9].楔緊塊的斜角α′=18°.側(cè)滑塊的抽芯距離采用兩個限位螺釘來限位，利用UG NX的Moldwizard的滑塊庫中加載相應參數(shù)的斜導柱機構(gòu)和螺釘標準件，如圖4所示.

圖4 斜導柱側(cè)抽機構(gòu)

3.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計和工藝參數(shù)選擇

本塑件平均壁厚2.7 mm，直壁部分圓角處最大達4.12 mm，壁厚偏大，需要通過冷卻系統(tǒng)來縮短成型周期；在冷卻的過程中壁厚變化處尤其是直壁拐角部分可能會因為收縮不均勻而產(chǎn)生內(nèi)應力，從而造成翹曲.模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和注塑工藝參數(shù)的選擇直接影響塑件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率[10-12].考慮到該塑件的結(jié)構(gòu)，并避免冷卻系統(tǒng)與側(cè)抽系統(tǒng)產(chǎn)生干涉，在HSCAE設(shè)計冷卻系統(tǒng)如圖5所示，設(shè)定模具材料P20，環(huán)境溫度20 ℃，管道直徑8 mm，冷卻介質(zhì)為水，溫度25 ℃.

注塑工藝參數(shù)方案一：設(shè)定注射時熔體溫度230 ℃，模具溫度40 ℃，單級保壓，0～20 s內(nèi)保壓力為80%注射壓力，頂出溫度79 ℃，冷卻時間為“系統(tǒng)優(yōu)化，可頂出面積比95%”.分析結(jié)果如圖6所示，出口水溫比入口升高1.46 ℃，在5 ℃以內(nèi)，冷卻介質(zhì)雷諾數(shù)10 155.0，達到較好的紊流度，以上兩個結(jié)果參數(shù)表明冷卻系統(tǒng)的設(shè)計較為合理；但冷卻時間28.64 s，時間較長，且塑件上最大翹曲發(fā)生在舌形前端達8.25 mm，舌根部位變形最大4.47 mm，上表面角部變形最大約1.95 mm，顯然不滿足塑件的質(zhì)量要求，須進一步優(yōu)化.

(a) 冷卻介質(zhì)溫度

(b) 冷卻介質(zhì)雷諾數(shù)

(c) 冷卻時間

(d) 翹曲圖5 注塑工藝參數(shù)方案一分析結(jié)果

提高熔體溫度和模具溫度，降低充模壓力和充模速率，能不同程度地減小塑件的殘余應力，從而減小塑件的翹曲變形；延長塑件的冷卻時間也可使塑件內(nèi)應力減小[13]；另外，由于初始方案中保壓曲線是恒定的，致使?jié)部诟浇^保壓而遠端保壓力不足，可試調(diào)整注塑成型工藝參數(shù)中的保壓曲線來改善[14].調(diào)整注塑工藝參數(shù)到方案二：注射時熔體溫度240 ℃，模具溫度50 ℃；把保壓時間從20 s縮短到8 s，單級保壓改為二級保壓，0～3 s內(nèi)保壓力為50%注射壓力，4～8 s內(nèi)保壓力為30%；冷卻條件設(shè)置中降低頂出溫度70 ℃，冷卻時間設(shè)定為“系統(tǒng)優(yōu)化，可頂出面積比100%”.再次分析后發(fā)現(xiàn)，冷卻介質(zhì)雷諾數(shù)與方案一相同，但冷卻介質(zhì)出口溫度比入口上升僅0.07 ℃，由于保壓時間縮短，冷卻時間變?yōu)?8.59 s，比方案一減少了10.05 s；翹曲最大值降至0.3 mm效果非常顯著，如圖6所示.故采用注塑工藝方案二.

(a) 冷卻介質(zhì)溫度

(c) 翹曲圖6 注塑工藝參數(shù)方案二分析結(jié)果

圖7 推桿推出機構(gòu)

3.4 推出機構(gòu)設(shè)計

常用的推出機構(gòu)有推桿推出機構(gòu)、推管推出機構(gòu)和推件板推出機構(gòu)以及多元推出機構(gòu).該塑件結(jié)構(gòu)簡單，壁厚偏大，雖然直壁部分高度稍大但且直壁部分設(shè)有適當?shù)陌文Ｐ倍龋珹BS材料具有較好的彈性和韌性，結(jié)合前述注塑工藝條件中冷卻時間為達到可頂出面積比100%，決定采用最簡單的推桿頂出機構(gòu).直壁外側(cè)頂桿直徑Φ8 mm，內(nèi)側(cè)推桿直徑Φ6 mm，每個塑件下推桿共16根，沿輪廓均勻分布，如圖7所示.由于推出行程較大，本模具內(nèi)采用推板導套和推板導柱對推出動作進行導向.

3.5 模具工作原理

利用UG NX的Moldwizard進行分模設(shè)計后，加載龍記LK_SG，CI型標準模架3 545，添加斜導柱側(cè)滑塊抽芯機構(gòu)、冷卻水路、頂桿、澆注系統(tǒng)等標準件，得到完整的模具，如圖8所示.

1.澆注系統(tǒng)凝料 2.推桿 3.拉料桿 4.復位彈簧5.推桿固定板 6.推板 7.動模座板 8.推板導柱9.推板導套 10.限位螺釘11.側(cè)滑塊+側(cè)型芯12.唧嘴13.復位桿 14.斜導柱 15.動模板導柱 16.楔緊塊17.定模板 18.定模座板 19.澆口套 20.定位圈21.滑蓋塑件 22.動模板圖8 模具工作原理圖

模具的工作原理是：開模時，注塑機開合模機構(gòu)帶動動模從分型面處與定模分離向后運動，塑件包裹在型芯上，澆注系統(tǒng)凝料1在拉料桿3的作用下隨動模一起后退；側(cè)滑塊11在斜導柱14的驅(qū)動下一邊向后運動，一邊帶動側(cè)型芯水平向外側(cè)移動，直到限位螺釘10位置處，側(cè)抽芯動作完成；動模部分繼續(xù)后退到接觸注塑機推桿時，模具的推出機構(gòu)與注塑機推桿發(fā)生相對運動，推桿組2將塑件22從型芯中頂出，同時拉料桿3將澆注系統(tǒng)凝料與塑件在澆口處斷開，塑料與凝料同時都推離分型面，實現(xiàn)了自動化生產(chǎn).合模時，注塑機的開合模機構(gòu)帶動動模向前運動，當斜導柱進入側(cè)滑塊導柱孔時，驅(qū)動側(cè)滑塊帶著側(cè)型芯水平向內(nèi)復位，復位桿13接觸到定模側(cè)分型面后被向后推動，帶動推出機構(gòu)復位直到模具閉合鎖緊.

4 結(jié) 論

利用HSCAE進行了澆注系統(tǒng)分析和保壓、冷卻、翹曲分析，選擇了較優(yōu)的澆注系統(tǒng)和注塑工藝參數(shù)以確保塑件成型質(zhì)量滿足要求，確定了所設(shè)計冷卻系統(tǒng)的合理性；借助于UG NX軟件的Moldwizard模塊進行了滑蓋塑件的注塑模設(shè)計，提高了模具設(shè)計效率.

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