林權(quán),陳麗軍,陳蓮,林鑫,張道平
(武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,福建武夷山 354300)
作為模具標(biāo)準(zhǔn)件之一的推桿是注塑模的重要配件,推桿設(shè)計(jì)直接影響著塑件成型質(zhì)量,不合理的推出設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致塑件脫模變形嚴(yán)重[1–3]。近年來(lái)隨著科技發(fā)展,注塑產(chǎn)品趨勢(shì)走向精致化,稍許誤差便可導(dǎo)致產(chǎn)品優(yōu)良率下降,雖然目前國(guó)內(nèi)外注塑模具CAD/CAE 技術(shù)已普遍得到應(yīng)用,但是在推桿優(yōu)化配置的研究應(yīng)用上較少[4–6]。筆者以底座注塑件為例,通過(guò)利用Moldflow 模流分析結(jié)合Workbench結(jié)構(gòu)分析,獲取底座塑件成型收縮翹曲和脫模阻力分布特性,以成型材料力學(xué)性能為參考依據(jù),獲得推桿數(shù)量及位置配置方案,從而降低模具研發(fā)成本,提高模具脫模設(shè)計(jì)精度及效率,并基于模流分析和推桿配置優(yōu)化結(jié)果,采用側(cè)向進(jìn)料偏心注塑模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式,簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu),有效地解決了底座塑件成型可能引起的質(zhì)量問(wèn)題,為同類注塑模具設(shè)計(jì)提供參考。
圖1 為底座塑件圖,塑件總體尺寸為234 mm×197 mm×66 mm,塑件左側(cè)有一個(gè)內(nèi)凹橢圓形深腔接收桶,右側(cè)有一個(gè)類方形大孔,接收桶寬邊一側(cè)設(shè)置有一個(gè)護(hù)板,其尺寸為225 mm×42 mm,護(hù)板與塑件中軸線夾角為8°。塑件壁厚不均,1.0~2.5 mm 不等,內(nèi)部分布有縱橫交錯(cuò)的加強(qiáng)筋,加強(qiáng)筋壁厚為1.0 mm,方形大孔周圍設(shè)置有螺絲柱位,用于螺釘連接底座與箱體,塑件輪廓邊緣處均布有“H 型”和“I 型”連接卡扣,卡扣壁厚為1.5 mm,底座塑件其余部位壁厚為2.5 mm,倒圓角半徑為3.5 mm。
圖1 底座塑件二維圖
由圖1 可以看出,塑件的特征形狀比較復(fù)雜,且有一定的成型難度,適宜采用一模一腔布局。由于塑件頂面需要涂覆處理,如圖1 中A 面所示,該表面不允許有氣孔、熔接痕、翹曲、頂出疤痕等缺陷,故選取圖1 中I–I為分型面,確定成型材料為丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS) (648,注塑級(jí),美國(guó)英力士公司),其拉伸強(qiáng)度高,且具有高光、抗撞、加工性優(yōu)良等特性,常用于電子電器、工業(yè)部件、汽車零件外殼等領(lǐng)域[7]。
首先應(yīng)用Creo4.0 創(chuàng)建底座三維模型,再利用CAD Doctor 對(duì)模型進(jìn)行錯(cuò)誤診斷修復(fù)和簡(jiǎn)化,然后導(dǎo)入Moldflow 模流分析軟件中。通過(guò)對(duì)底座進(jìn)行最佳澆口位置分析,獲知底座四周流動(dòng)阻力較大,在邊緣“H 型”連接卡扣處達(dá)到最大值,底座中心處流動(dòng)阻力最小適宜設(shè)置澆口,但為了避免在塑件頂面留下澆口痕跡,在方形大孔靠中心一側(cè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)側(cè)澆口。澆注系統(tǒng)主要尺寸設(shè)計(jì)如下:錐形主流道長(zhǎng)90.5 mm,始端直徑取3.0 mm,末端直徑取7.0 mm;分流道長(zhǎng)15.0 mm,直徑取6.0 mm,矩形側(cè)澆口尺寸為4.0 mm×3.0 mm×2.5 mm。根據(jù)底座塑件結(jié)構(gòu)特征,采用沿著收縮方向布局冷卻系統(tǒng),在充填體積較大區(qū)域冷卻水管之間的距離相對(duì)較近,而在方形大孔周圍冷卻水管設(shè)計(jì)距離較大,冷卻水管直徑取8.0 mm。圖2 為完成的模流分析系統(tǒng)。依據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置成型參數(shù)如下:熔體溫度235℃,充填過(guò)程由注射時(shí)間控制,注射時(shí)間2 s,保壓方式為恒壓保壓,保壓壓力取注塑壓力的80%,注射+保壓+冷卻時(shí)間為30 s,冷卻液溫度20℃,開(kāi)模時(shí)間5 s,其余工藝條件采用默認(rèn)值。
圖2 模流分析系統(tǒng)
模流翹曲變形分析結(jié)果如圖3、圖4、圖5 所示,坐標(biāo)系位于圖示左下角,其中(–Z)方向?yàn)橥茥U頂出脫模方向,阻礙(–Z)方向脫模的收縮變形量則視為包緊力。圖3 為底座X方向放大10 倍后的翹曲變形量分布云圖。圖3 顯示A 處特征收縮變形量約為–1.3 mm,B 處特征收縮變形量約為1.0 mm,參照坐標(biāo)系可獲知朝向(+X)方向的變形會(huì)對(duì)動(dòng)模型芯產(chǎn)生包緊力,然而A 處特征朝向(–X)主要針對(duì)型腔,所以推桿位置設(shè)計(jì)時(shí),需特別注意B 處,其余地方的收縮變形對(duì)于包緊力幾乎無(wú)影響。
圖3 底座X 方向翹曲變形分布(放大10 倍)
圖4 底座Y 方向翹曲變形分布(放大10 倍)
圖5 底座Z 方向翹曲變形分布(放大10 倍)
圖4 為底座Y方向放大10 倍后的翹曲變形量分布云圖。圖4 顯示C 處底座護(hù)板收縮變形量約為–2.0 mm,參照坐標(biāo)系是朝向(–Y)方向變形,對(duì)動(dòng)模型芯產(chǎn)生包緊力,另外護(hù)板左側(cè)變形量明顯大于右側(cè),所以左側(cè)抱緊力也大于右側(cè)。D 處特征收縮變形量約為1.0 mm,參照坐標(biāo)系是朝向(+Y)方向變形,依然對(duì)動(dòng)模型芯產(chǎn)生包緊力,相對(duì)而言D處產(chǎn)生的包緊力比較均衡,設(shè)計(jì)推桿位置時(shí),C 處與D 處都適宜設(shè)計(jì)推桿。
圖5 為底座Z方向放大10 倍后的翹曲變形量分布云圖。圖5 顯示E 處特征收縮變形量約為0.9 mm,參照坐標(biāo)系是朝向(+Z)方向變形阻礙脫模,對(duì)動(dòng)模型芯產(chǎn)生包緊力。F 處特征收縮變形量約為1.0 mm,參照坐標(biāo)系是朝向(–Z)方向變形,同脫模頂出方向,收縮變形對(duì)動(dòng)模型芯包緊力無(wú)影響,所以應(yīng)注意在E 處設(shè)計(jì)推桿位置。
將Creo 創(chuàng)建的底座三維模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,忽略一些不影響分析結(jié)果的細(xì)節(jié),再導(dǎo)入ANSYS–Workbench 靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊中,應(yīng)用Static-Structural 進(jìn)行脫模分析。底座產(chǎn)品脫模阻力主要來(lái)自包緊力、摩擦力以及底部無(wú)孔塑件的大氣壓力[8],底座塑件材料為ABS,成型零件模具鋼材料為P20,塑件與成型件之間接觸設(shè)定為兩接觸面可滑動(dòng)、可分開(kāi),兩者靜摩擦系數(shù)為μ=0.35。設(shè)定邊界條件與負(fù)載,模擬將底座產(chǎn)品整體同時(shí)進(jìn)行脫模動(dòng)作,將型芯底部視為固定端,設(shè)定其位移X,Y,Z方向均為0 mm,塑件頂出行程為3 s 位移30 mm,設(shè)定其脫模方向 (–Z)為 30 mm,X與Y方向均為 0 mm。底座產(chǎn)品與型腔接觸面上加載由于塑料收縮抱緊型腔所產(chǎn)生的作用力:F=AP,其中F為抱緊力(單位N),A為塑料抱緊型腔面積(單位cm2),P為單位面積抱緊力(單位MPa),在此取P=10 MPa,同時(shí)在平行于開(kāi)模方向產(chǎn)品表面上加載摩擦力f=μF。
圖6 和圖7 分別為底座產(chǎn)品脫模分析的最大主應(yīng)變和變形量分布。從圖6 可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)變主要集中在S1,S2兩處,代表這兩處在脫模的過(guò)程中,所受脫模阻力較大,主要是由于這些部位的結(jié)構(gòu)形狀因素導(dǎo)致,它們的共同特征是都位于塑件結(jié)構(gòu)的拐角處。S1位于圖1 中護(hù)板與頂面A 面的折彎處,S2位于圖1 底座零件接收桶側(cè)面上下端折彎處,這兩處與動(dòng)模型芯沿著脫模方向的模面接觸較多,因此脫模時(shí)所受阻力也較大。圖1 中護(hù)板雖然與動(dòng)模型芯的接觸面積也比較大,但此面拔模斜度為8°,拔模斜度越大則摩擦阻力越小,所以護(hù)板面所受摩擦阻力較S1,S2兩處的小。從圖7 脫模分析變形量分布可以獲知脫模變形較大的區(qū)域仍為S1,S2區(qū)域,只是作用點(diǎn)發(fā)生改變,由底座零件護(hù)板與頂面A 面的折彎處移動(dòng)到護(hù)板上,由底座零件接收桶側(cè)面下端折彎處移動(dòng)到接收桶側(cè)面。通過(guò)多年生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),可知桶類塑件最大變形區(qū)一般發(fā)生在桶身側(cè)壁上,該模擬結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際表觀一致性高。為了便于與其它配件安裝定位配合,設(shè)置位于底座塑件邊緣的“H型”或“I 型”卡扣,而其根部也存在較大的應(yīng)變,尤其是中間兩個(gè)“H 型”卡扣,從脫模分析結(jié)果的變形量分布也可以獲知該卡扣脫模時(shí)變形量也比較大,因此對(duì)于卡扣的成型適宜采用組合成型方式,開(kāi)模后先部分分型,減少卡扣粘?,F(xiàn)象,然后塑件再由推出機(jī)構(gòu)整體推出脫模。
圖6 底座脫模最大應(yīng)變分布
圖7 底座脫模變形量分布
推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響塑件的變形,如果推出機(jī)構(gòu)位置不平衡,將造成推出力量的不平衡而使塑件變形,因此在設(shè)計(jì)推出機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)與脫模阻力相平衡,故推桿的位置應(yīng)盡量靠近脫模阻力大的部位[9–10];另外推桿的截面積不能太小,以防塑件單位面積受力過(guò)大,使塑件產(chǎn)生變形(尤其在脫模溫度較高時(shí))。在不影響塑件外觀的前提下,應(yīng)在所有變形較大部位盡可能設(shè)置推桿以減少塑件的總體變形?;谀A鞣治鼋Y(jié)果,獲知底座塑件成型收縮引起的翹曲變形較大區(qū)域?yàn)閳D3、圖4、圖5 的B,C,D,E 處,基于脫模分析結(jié)果,獲知底座塑件在成型脫模過(guò)程中包緊力與摩擦力較大的部分為S1,S2區(qū)域及部分卡扣位置,再結(jié)合塑件結(jié)構(gòu)和工藝性,最后在底座零件6 個(gè)卡扣位置分別設(shè)置推桿,如圖8 所示。在此為了防止產(chǎn)品單位面積頂出力太大,以及簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)的需要,在脫模分析應(yīng)變較大的區(qū)域采用斜頂鑲塊加推桿頂出塑件的方式,如圖8 中推桿2、推桿4、推桿5,其余采用側(cè)滑塊分型與成型桿兼推桿直接頂出方式。推桿配置的規(guī)則是在脫模阻力大的部分優(yōu)先配置、盡量上下左右對(duì)稱、由外而內(nèi)緩慢增加,推出機(jī)構(gòu)復(fù)位采用彈簧加復(fù)位桿的組合方式。
圖8 推桿數(shù)量與位置設(shè)計(jì)
由圖1 可知底座塑件頂面表面質(zhì)量要求高,不宜設(shè)置澆口,為了避免使用倒裝模,結(jié)合模流分析采用一模一腔側(cè)邊進(jìn)料的兩板式模具結(jié)構(gòu),動(dòng)定模采用整體鑲?cè)胧?。但由于底座產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不對(duì)稱,注射量左右兩側(cè)差別甚大,如果采用常規(guī)模具設(shè)計(jì)方式,主流道位于模具中心位置,只能將主流道設(shè)計(jì)成斜注射式結(jié)構(gòu)[11–12],但是該結(jié)構(gòu)不利于主流道凝料去除,而且模具裝配困難,成型穩(wěn)定性差;或者采用單點(diǎn)偏心熱流道結(jié)構(gòu)[13–14],將主流道設(shè)計(jì)在模具的中心位置,通過(guò)熱流道分流板使熱噴嘴偏置于模具某一側(cè)方式進(jìn)料,但是該模式不僅增加了模具制造成本,而且還需要對(duì)流道板進(jìn)行熱傳遞分析,計(jì)算熱膨脹引起的噴嘴位移,以保證分流道與澆口中心的定位精度。為了既能夠保證塑件成型質(zhì)量,又能降低模具制造難度,采用偏心注塑模結(jié)構(gòu),將主流道進(jìn)行水平偏置,但主流道偏置距離與分流道設(shè)計(jì)密切相關(guān)。依據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)分流道長(zhǎng)度最小一般不小于8 mm,但也不能過(guò)長(zhǎng),另外,分流道拐彎的部位應(yīng)盡可能少,進(jìn)入澆口應(yīng)圓弧過(guò)渡,以便減少壓力損失和熱量損失,故實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)成型塑料模具制品的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)來(lái)布置[14]??紤]到分流道長(zhǎng)度直接影響主流道偏置距離,為了減小注塑壓力對(duì)模具型腔受力不均勻性的影響,分流道取值15 mm,最后塑件成型模具中心與注塑機(jī)噴嘴中心偏置30 mm。
由于底座塑件屬于中小型注射件,采用多用連桿合模裝置,該機(jī)構(gòu)能對(duì)合模系統(tǒng)形成預(yù)應(yīng)力,并對(duì)模具進(jìn)行夾緊,同時(shí)偏置設(shè)計(jì)模板支撐立柱,解決可能因模具受力不均造成產(chǎn)品壁厚差異的問(wèn)題,也避免了采用傾斜主流道造成定模板塊尺寸加大而引起的澆注系統(tǒng)零配件加工情況復(fù)雜化。
圖9 為底座注塑模結(jié)構(gòu)裝配簡(jiǎn)圖。為了保證產(chǎn)品成型質(zhì)量,節(jié)約模具制造成本,模具采用定模型芯19、動(dòng)模型芯20 整體鑲?cè)攵0?、動(dòng)模板9的方式;對(duì)于脫模應(yīng)力較大的3 個(gè)塑件卡扣由3 個(gè)斜頂鑲塊21、動(dòng)模型芯20 成型,其余3 個(gè)采用側(cè)滑塊8、動(dòng)模型芯20 及推桿成型。塑件推出機(jī)構(gòu)如圖8 所示,通過(guò)彈簧11、復(fù)位桿12 進(jìn)行先復(fù)位,依據(jù)塑件收縮方向,在支承板23、動(dòng)模板9、動(dòng)模型芯20 和定模型芯19、定模板5 設(shè)計(jì)直流循環(huán)式動(dòng)定模冷卻水路。
圖9 模具結(jié)構(gòu)裝配簡(jiǎn)圖
模具鎖模閉合后,注塑機(jī)筒內(nèi)塑料熔體通過(guò)澆口套16 的主流道進(jìn)入模腔,經(jīng)過(guò)一段保壓冷卻,注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)模部分向后移動(dòng),在定模板5 和動(dòng)模板9 之間打開(kāi)分型面;開(kāi)模過(guò)程中,主流道脫離澆口套16,由于動(dòng)模型芯復(fù)雜的成型結(jié)構(gòu)及成型收縮抱緊力,產(chǎn)品留在動(dòng)模上,同時(shí)固定于定模板5 上的斜導(dǎo)柱2 驅(qū)動(dòng)動(dòng)模側(cè)滑塊8 側(cè)向移動(dòng),圖8 中由推桿1、推桿3、推桿6 成型頂出的卡扣完成外側(cè)面分型;開(kāi)模完成后,注射機(jī)頂桿推動(dòng)推板29 及推桿固定板28 向前運(yùn)動(dòng),固定在推板上的推桿分別推動(dòng)斜頂鑲塊與塑件,如圖8 中與推桿2、推桿4、推桿5 相連接的斜頂鑲塊21,完成卡扣內(nèi)側(cè)分型的同時(shí)推出塑件。前者先分型的卡扣由推桿兼成型桿、側(cè)滑塊、動(dòng)模型芯封閉成型,后分型的卡扣由斜頂鑲塊與動(dòng)模型芯封閉型腔來(lái)成型。由于兩者為間隙配合,在注塑成型壓力作用下有可能產(chǎn)生毛邊,但是該毛邊并不影響卡扣的使用,而且處于塑件內(nèi)部不影響美觀,但是通過(guò)該模式可以減緩卡扣部分粘模,減少脫模阻力,保證了卡扣脫模容易且不變形,避免了斜導(dǎo)柱側(cè)抽機(jī)構(gòu)的多方向使用,簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)。
塑件與動(dòng)模型芯分離完成脫模后,在預(yù)復(fù)位彈簧11 及復(fù)位桿12 的作用下,推出機(jī)構(gòu)和斜頂機(jī)構(gòu)復(fù)位,繼而注塑機(jī)帶動(dòng)動(dòng)模部分合模,斜導(dǎo)柱2 帶動(dòng)側(cè)滑塊8 復(fù)位,定模板5 與動(dòng)模板9 在導(dǎo)柱10 的輔助下精準(zhǔn)定位,模具閉合,等待下一個(gè)注塑循環(huán)。實(shí)踐證明,設(shè)計(jì)制造的模具不僅具有實(shí)用性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn),而且塑件脫模運(yùn)動(dòng)靈活可靠,投入批量生產(chǎn)獲得的底座塑件質(zhì)量達(dá)到客戶要求。
以底座注塑件為例,通過(guò)利用Moldflow 進(jìn)行模流翹曲分析,獲得塑件成型收縮引起的翹曲變形影響脫模區(qū)域,通過(guò)利用Workbench 進(jìn)行脫模模擬分析,獲得脫模阻力引起的產(chǎn)品應(yīng)變與變形量分布特性,結(jié)合塑件結(jié)構(gòu)工藝性,最終采用頂塊與推桿復(fù)合推出方式,在脫模阻力明顯區(qū)域設(shè)置6 個(gè)頂出位置,提高模具脫模設(shè)計(jì)精度及效率。為了保證塑件成型質(zhì)量和簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)并降低加工難度,基于模流分析和推桿配置結(jié)果,模具采用側(cè)邊進(jìn)料一模一腔的兩板式偏心結(jié)構(gòu),有效地解決了底座塑件成型可能引起的質(zhì)量問(wèn)題。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明,應(yīng)用該方法能使注塑模推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)據(jù)化,能在模具制造之前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題,從而縮短研發(fā)周期,為同類注塑模具設(shè)計(jì)提供參考。