帆船繩鉤注塑模具設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化

孫世臣，韓旭，胡辰，田玉晶，趙而團(tuán)

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博 255049)

塑料制品與傳統(tǒng)材料制品相比，具有密度小、耐腐蝕好和成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此塑料制品在日常生活中的應(yīng)用越來越廣泛。運(yùn)用CAD／CAE 技術(shù)進(jìn)行注塑模具設(shè)計(jì)成為一大熱點(diǎn)[1-3]。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)注塑模具設(shè)計(jì)周期長、需要反復(fù)試模、修模的缺點(diǎn)，節(jié)省了研發(fā)成本，縮短了設(shè)計(jì)周期[4]。運(yùn)用moldflow 進(jìn)行注塑工藝參數(shù)優(yōu)化模擬，當(dāng)變量較多時(shí)，計(jì)算量變大，難以快速高效篩選出最優(yōu)工藝參數(shù)[5]，而采用正交試驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，能快速高效地選擇出最優(yōu)參數(shù)，因此可以將moldflow 模擬和正交試驗(yàn)方法有效結(jié)合進(jìn)行注塑模具設(shè)計(jì)。對(duì)同材質(zhì)、結(jié)構(gòu)類同的塑料件，若單獨(dú)開模會(huì)增加生產(chǎn)成本，延長生產(chǎn)周期。若將同材質(zhì)、結(jié)構(gòu)類同的塑料件設(shè)計(jì)在同一注塑模內(nèi)，形成一模多類多件的布置，可以大大提高生產(chǎn)效率，降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。但模具設(shè)計(jì)具有一定的難度和復(fù)雜性，特別是如何避免不同塑料件之間干涉仍是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)[6-9]。

筆者運(yùn)用UG 注塑模具設(shè)計(jì)模塊，完成了可以成型兩種不同尺寸的帆船鉤一模四腔的注塑模具設(shè)計(jì)，并根據(jù)正交試驗(yàn)，運(yùn)用moldflow 對(duì)注塑的工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，快速篩選出最優(yōu)的注塑工藝參數(shù)，按照最優(yōu)工藝生產(chǎn)出的塑料件符合設(shè)計(jì)精度要求，極大地提高了生產(chǎn)效率。

1 塑料件結(jié)構(gòu)分析

帆船鉤塑料件為一套兩件，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，鉤子1 最大輪廓尺寸為34 mm×18 mm×16 mm，體積為4 000 mm3，鉤子2 最大輪廓尺寸為34 mm×21 mm×23 mm，體積為5 980 mm3。由于兩個(gè)型號(hào)的帆船鉤結(jié)構(gòu)相似，故只對(duì)鉤子2 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。帆船鉤的內(nèi)槽和內(nèi)孔較多，而且孔和槽之間互相干涉，因此動(dòng)模和定模不宜采用整體式設(shè)計(jì)，需合理的利用鑲塊成型來簡(jiǎn)化工藝。由圖1可知，帆船鉤在X，Y，Z方向上均有需要成型的孔槽，經(jīng)過分析可知，X方向的槽可以從Z向進(jìn)行成型，若Y方向與開模方向一致，Z向型芯設(shè)置為側(cè)抽，在注塑過程中料流容易對(duì)側(cè)抽芯造成沖擊，影響塑料件精度和降低模具使用壽命，故選擇Z 向?yàn)殚_模方向較為合理。產(chǎn)品的材料選用玻纖增強(qiáng)尼龍(PA66+30% GF)，玻纖增強(qiáng)尼龍66 收縮率為0.4%～0.7%[10]，且具有良好的穩(wěn)定性、耐老化性和機(jī)械強(qiáng)度。鉤子1 和鉤子2 的體積均較小，故選用一模兩件四腔成型，一模多件成型可以節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益，但一模多件注塑模由于塑料件體積不同，對(duì)模具結(jié)構(gòu)的要求更高。根據(jù)塑料件體積和型腔數(shù)目，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件，注塑機(jī)選用 HTF160 J／TJ–A 型，注塑壓力為 202 MPa，鎖模力為1 600 kN[11]。

圖1 塑料件的結(jié)構(gòu)圖

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．1 分型面的選擇

在保證塑料件成型質(zhì)量的前提下，分型面選擇需遵循有利于模具開模和簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)的原則[12]。由于開模方向選擇在Z向，故分型面選擇在平行于XY平面的最大截面處，分型線為最大輪廓線。

2．2 澆口位置的選擇

澆口位置的選擇，既要考慮塑料件的成型質(zhì)量，還要考慮型腔的分布等多種因素，通常會(huì)選在最大壁厚的平面處。運(yùn)用moldflow 分析出單澆口的最佳分布位置如圖2 所示，最佳澆口位置在塑料件內(nèi)部和開模方向的平面上，顯然澆口在塑料件內(nèi)部布置不合理，若布置在塑料件開模方向的平面上，澆道需要穿過定模，加工難度大，顯然也不是最合適的位置。結(jié)合型腔的布置，澆口最終選擇在塑料件底部圓弧處，澆口類型為點(diǎn)澆口。

圖2 澆口位置模擬結(jié)果

2．3 型腔和澆道設(shè)計(jì)

塑料件采用整體式模板成型，可以提高零件的精度和模板的剛度[13]，但型腔加工困難，合理利用鑲塊成型，可以簡(jiǎn)化模板加工難度[9]。如圖3 所示，型腔采用一模兩件四腔的組合型腔方式布置，開模方向上內(nèi)腔的成型，除內(nèi)孔采用鑲塊成型外，其余采用整體式結(jié)構(gòu)。由于塑料件體積較小，側(cè)抽距離較短，故側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)采用斜楔滑塊裝置，側(cè)抽芯通過固定板固定在滑塊上，滑塊和模板之間通過燕尾槽進(jìn)行定位和導(dǎo)向。為了減小料流對(duì)模具的沖擊，分澆道采用“S”型對(duì)稱布置，截面形狀為半圓柱形。當(dāng)和側(cè)抽芯之間存在干涉時(shí)，為了不影響側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度，澆道的布置如圖3 所示，澆道繞過側(cè)抽芯，只經(jīng)過模板處。加工時(shí)，在動(dòng)模板處通過數(shù)控銑床加工出澆道的形狀。兩個(gè)塑料件的體積雖然存在一定差異但均較小，澆道橫截面積選用相同尺寸。經(jīng)過moldflow 填充分析，料流充滿型腔的時(shí)間只相差0.05 s，可以忽略澆道橫截面積對(duì)填充時(shí)間的影響。

圖3 型腔和澆道布局

3 成型工藝參數(shù)優(yōu)化

由于塑料件呈“一”字型排列，冷卻管道采用如圖4 所示的“C”字型排布既可以有利于降低加工難度，還能夠提高冷卻效率。冷卻管道直徑不同對(duì)塑料件的冷卻效果也不同，冷卻管道直徑、注射時(shí)間和頂出溫度是決定塑料件成型質(zhì)量的重要因素[14]。通過生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定成型工藝參數(shù)，誤差較大，若對(duì)所有工藝進(jìn)行軟件模擬，則工作量巨大。分布方案確定后，為確定冷卻管道直徑、注射時(shí)間和頂出溫度對(duì)塑料件質(zhì)量的影響，設(shè)計(jì)了三因素三水平正交試驗(yàn)，在確定因素水平時(shí)，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)備能力，確定各因素的取值范圍，各因素取值見表1。

圖4 冷卻管道設(shè)計(jì)

表1 正交試驗(yàn)因素與水平

最大翹曲變形量反映塑料件的變形程度，熔接痕數(shù)量反映塑料件的表面質(zhì)量，因此選擇模擬結(jié)果中最大翹曲變形量和熔接痕數(shù)量作為成型工藝優(yōu)劣的指標(biāo)。9 種正交試驗(yàn)方案及其對(duì)應(yīng)的最大翹曲變形量和熔接痕數(shù)量模擬結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

以Kij表示第j列所有i水平之和，如K11為第1 列所有水平號(hào)為1 所對(duì)應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果之和。極差Rj反映了各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響程度的重要性，Rj越大，表明該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響程度越高，極差表達(dá)式為[15]：

最大翹曲變形量極差分析結(jié)果如表3 所示，可見管道直徑對(duì)塑料件最大翹曲變形量影響最大，注射時(shí)間次之，頂出最小。較大冷卻管道冷卻效果較好，而延長注射時(shí)間，料流速度減緩，塑料件的內(nèi)應(yīng)力小，塑料件的翹曲變形量最小。以最大翹曲變形量為量化指標(biāo)優(yōu)化得到的最佳工藝為A3B3C2。

表3 最大翹曲變形量極差分析表

熔接痕數(shù)量極差分析結(jié)果見表4，注射時(shí)間對(duì)塑料件表明熔接痕影響最大，管道直徑次之，頂出溫度對(duì)影響最小。以熔接痕數(shù)量為量化指標(biāo)優(yōu)化得到的最佳工藝為A3B3C2 或A2B3C3，結(jié)合最大翹曲變形量最小時(shí)最優(yōu)工藝，兩項(xiàng)指標(biāo)下最優(yōu)方案為A3B3C2，即管道直徑10 mm，注射時(shí)間1.4 s，頂出溫度95℃。

表4 熔接痕數(shù)量極差分析表

在最佳注塑工藝參數(shù)下的塑料件成型質(zhì)量模擬結(jié)果如圖5 所示。冷卻管道直徑為10 mm，注射時(shí)間1.4 s，頂出溫度為95℃，最大翹曲變形量如圖5a 所示，最大翹曲位置鉤子1 的掛鉤位置，變形量為1.70 mm，變形量較小。熔接痕分布如圖5b 所示，熔接痕主要分布在鉤子內(nèi)部，表面熔接痕數(shù)量較少，可認(rèn)為在此工藝下生產(chǎn)的塑料件符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 最佳工藝下塑料件的翹曲和熔接痕模擬結(jié)果

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了如圖6 所示的一套兩板注塑模模具。模腔采用鑲拼式結(jié)構(gòu)，利用鑲塊和模板之間的間隙進(jìn)行排氣，可以減小充填不滿等缺陷出現(xiàn)的幾率。斜導(dǎo)柱的長度和角度結(jié)合塑料件的側(cè)向開模距離進(jìn)行選擇，既要保證開模距離，又盡可能保證強(qiáng)度。每個(gè)塑料件的頂料系統(tǒng)由兩根?5 和一根?9 的頂料桿組成。模具的工作過程為：模具在導(dǎo)柱導(dǎo)套的導(dǎo)向下完全閉合，注塑機(jī)噴嘴抵住澆口套進(jìn)行注射填充，當(dāng)注塑完成后，保壓一段時(shí)間，動(dòng)模板在注塑機(jī)的帶動(dòng)下往開模方向移動(dòng)，此時(shí)側(cè)抽芯滑塊在斜導(dǎo)柱作用下完成側(cè)抽步驟。當(dāng)側(cè)抽完成時(shí)，頂桿固定板在推板的推動(dòng)下將塑料件推出，塑料件取出后模具返程閉合，一個(gè)注塑周期完成。

圖6 模具結(jié)構(gòu)裝配圖

圖7 為模具裝配示意圖、模具及塑料件實(shí)物圖。

圖7 模具裝配示意圖、模具及塑料件實(shí)物圖

圖7a 為模具裝配示意圖，模具如圖7b 所示。采用正交試驗(yàn)獲得的最佳注塑工藝，經(jīng)過實(shí)際試模生產(chǎn)，模具結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，各部分之間無干涉現(xiàn)象，生產(chǎn)出的塑料件如圖7c 和圖7d 所示，產(chǎn)品表面光滑平整，尺寸精度符合設(shè)計(jì)要求，目前已經(jīng)投入量產(chǎn)，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

(1) 針對(duì)帆船鉤的塑料件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過moldflow 分析出最佳澆口的位置，運(yùn)用UG 注塑模具設(shè)計(jì)模塊，設(shè)計(jì)了一套一模兩件四腔的注塑模具，分型面選在塑料件的最大截面處，澆道橫截面為梯形，并運(yùn)用導(dǎo)柱滑塊機(jī)構(gòu)對(duì)側(cè)孔進(jìn)行成型。

(2)結(jié)合塑料件分布，冷卻管道采用“C”形布置。運(yùn)用正交試驗(yàn)法，對(duì)不同的注塑參數(shù)進(jìn)行模擬，得到最佳工藝參數(shù)為冷卻管道10 mm，注射時(shí)間1.4 s，塑料件頂出溫度為95℃。根據(jù)CAD／CAE分析結(jié)果，按照優(yōu)化后最優(yōu)工藝參數(shù)生產(chǎn)的塑料件符合設(shè)計(jì)要求，解決了一模多件多腔的注塑模具設(shè)計(jì)的難題，為同類模具設(shè)計(jì)提供了參考。