基于CAE分析的歧管蓋注塑模具設(shè)計

徐慧，陳洪，胡少輝，沈忠良

(1.湖南工學(xué)院工程訓(xùn)練中心，湖南衡陽 421002； 2.浙江海納半導(dǎo)體有限公司，浙江開化 324300；3.山東省塑料研究開發(fā)中心，濟(jì)南 250002； 4.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江寧波 315012)

設(shè)計形狀特殊塑件的模具時，應(yīng)首先通過CAE分析確定其合理的澆注、冷卻系統(tǒng)，再確定塑件模腔的分型設(shè)計，這樣才能有效避免模具結(jié)構(gòu)設(shè)計誤區(qū)，提高模具設(shè)計工作效率[1–4]。設(shè)計模具模腔時，主分型面的選擇在一定程度上決定了模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，分型面選擇得當(dāng)，能有效簡化模具結(jié)構(gòu)，降低模具加工難度[5–8]。塑件的脫模設(shè)計是模具自動化生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)，機(jī)構(gòu)的合理選用是降低模具制造成本、保證模具工作壽命的一個重要方式[9–11]。在復(fù)雜塑件中，由于局部區(qū)域形狀的特殊性，往往需要設(shè)計工程師在整體結(jié)構(gòu)布局、局部結(jié)構(gòu)布置等方面做較多的細(xì)節(jié)創(chuàng)新設(shè)計[12–13]，此項(xiàng)工作是保證模具工作可靠性、降低模具整體制造成本的關(guān)鍵所在。筆者設(shè)計了一副注塑模具，用于某新款汽車歧管蓋塑件的注射成型，希望能對同類異型塑件的模具設(shè)計帶來有益的借鑒和啟示。

1 歧管蓋塑件

歧管蓋塑件如圖1所示，塑件由歧管和殼體兩個主體構(gòu)成。歧管為圓管，其外壁上設(shè)置有卡槽，內(nèi)壁為直圓管，歧管設(shè)置于殼體的側(cè)壁上，在歧管與殼體結(jié)合部位形成了一個內(nèi)凹區(qū)域。殼體的外壁特征包括有：1處卡扣、3處加強(qiáng)筋、2處卡口、1個螺柱、1處帶端蓋立柱、1處凹槽和1處材料標(biāo)識。

圖1 塑件

塑件的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，殼體長度為226 mm，寬度為57 mm，高度為65 mm。歧管外壁直徑為45 mm，內(nèi)徑為37 mm，長度為229 mm。歧管中心線與殼體中心線的夾角為16.5o。塑件平均壁厚為3 mm，最厚處為11 mm，最薄處為1.5 mm。塑件材料使用15%玻纖(GF)改性丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)，其收縮率為0.63%。

圖2 塑件結(jié)構(gòu)

2 塑件模具成型方案

2.1 CAE 分析

對于塑件的成型，首先需考慮澆口設(shè)置的合理性和可靠性。針對塑件成型模腔的澆注，使用單點(diǎn)側(cè)澆口進(jìn)行澆注，模腔充填CAE分析如圖3所示。在圖3a中，澆注流道前段使用熱流道對注塑機(jī)噴嘴進(jìn)行延伸，冷流道使用?8 mm流道，澆口使用矩形側(cè)澆口進(jìn)行澆注，澆口截面尺寸為6 mm×1.5 mm。

圖3 模腔充填CAE分析

CAE分析的主要結(jié)果分別如下：

如圖3b所示，模腔充填時間為3.5 s左右，存在2個充填末端，1個是殼體末端，1個是歧管末端，在此兩個末端，料流到達(dá)的時間差為0.1 s左右，差別不大，可以認(rèn)為兩個末端為均衡末端。

如圖3c所示，模腔充填壓力為43 MPa左右，模腔充填壓力不高，充填初始端和2個末端的壓差在10 MPa以內(nèi)，不會引起由于充填壓力失衡而導(dǎo)致的飛邊問題產(chǎn)生，但不足之處是殼體末端的卡扣末端存在壓力不足問題，需要在該位置開設(shè)排氣槽，增強(qiáng)排氣，以免引起此處充填不足而缺料。

如圖3d所示，模腔充填時，容易在殼體和歧管交界位置處產(chǎn)生較長的熔接線，此處熔接線的產(chǎn)生，容易導(dǎo)致歧管與殼體之間開裂，解決的辦法是適當(dāng)提高模溫和料溫，以消除該熔接線的影響。

總體結(jié)果來看，所設(shè)置的澆注系統(tǒng)能較好地滿足塑件模腔的成型。

2.2 成型分析

(1)分型面設(shè)計。

確定好澆注系統(tǒng)后，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的難易，取決于塑件在模腔中的布局?jǐn)[放和主分型面的設(shè)置，以及由此而衍生的脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)置。從塑件的結(jié)構(gòu)來看，選擇如圖4a中所示的主分型線來設(shè)置模腔的主分型面有利于降低塑件的脫模難度，簡化脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計，從而簡化模具的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖4 分型面設(shè)計

在該主分型線設(shè)置下，塑件的外壁需要針對倒扣A、倒扣B、倒扣C設(shè)置三個側(cè)抽芯滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)施側(cè)抽芯脫模。針對歧管內(nèi)壁則需設(shè)置一個長距離側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)實(shí)施側(cè)抽芯脫模。針對殼體內(nèi)壁上的內(nèi)壁倒扣，可設(shè)置一個斜頂機(jī)構(gòu)實(shí)施側(cè)抽芯脫模。這樣，模具的整體結(jié)構(gòu)可以設(shè)置為兩板模結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)可以得到簡化。因而，模腔澆注系統(tǒng)及主分型面設(shè)置如圖4b所示，主分型面使用階梯式分型面，在塑件歧管部位，使用2個階梯面，以保證倒扣C處實(shí)施側(cè)抽芯脫模，塑件殼體使用1個階梯面，以保證殼體外壁成型件加工的方便性。

(2)成型件設(shè)計。

為便于塑件脫模及降低成型件的加工難度，成型件的設(shè)計以及依據(jù)主分型線設(shè)置的主分型面如圖5所示。

型腔成型件主要包括4個型腔鑲件及型腔主鑲件，型芯成型件主要包括第一側(cè)型芯、管內(nèi)型芯、主型芯、第二側(cè)型芯、第三側(cè)型芯及斜頂?shù)念^部。

針對圖4a中的倒扣A，設(shè)置第一側(cè)型芯及其驅(qū)動機(jī)構(gòu)實(shí)施側(cè)抽芯脫模，如圖5a所示。針對倒扣B，設(shè)置第二側(cè)型芯進(jìn)行側(cè)抽芯脫模，如圖5b所示。針對倒扣C，設(shè)置第三側(cè)型芯進(jìn)行側(cè)抽芯脫模，如圖5b所示。針對歧管側(cè)孔，使用管內(nèi)型芯進(jìn)行側(cè)抽芯脫模，如圖5b所示。針對內(nèi)壁倒扣，使用如圖5c所示的斜頂進(jìn)行側(cè)抽芯脫模。

圖5 成型件設(shè)計

主成型件采用鑲件形式，在型腔一側(cè)的主鑲件中，為便于加工，針對局部位置設(shè)置了4個型腔鑲件，以便于這些地方采用線切割加工代替電火花加工，降低成型件加工成本，也便于這些小成型件的維修更換，如圖5a所示。主型芯也采用一個主鑲件形式。成型件材料都采用S136，以防止開裂，以及便于成型面的拋光。

3 機(jī)構(gòu)設(shè)計

針對第一側(cè)型芯、第二側(cè)型芯、第三側(cè)型芯、管內(nèi)型芯4個型芯，相應(yīng)地設(shè)計成4個抽芯機(jī)構(gòu)S1，S2，S3，S4完成抽芯動作，如圖6所示。

機(jī)構(gòu)S1、機(jī)構(gòu)S3采用相同結(jié)構(gòu)形式的斜導(dǎo)柱滑塊機(jī)構(gòu)，在機(jī)構(gòu)S1中，由第一斜導(dǎo)柱1驅(qū)動第一滑塊2實(shí)施抽芯動作，考慮到第一側(cè)型芯3成型面積較小，難以加工，故第一側(cè)型芯3采用鑲件形式安裝于第一滑塊2上，其內(nèi)可以不使用冷卻水進(jìn)行冷卻。但第三側(cè)型芯(第三滑塊)15則不同，其成型面大，必須使用冷卻水加強(qiáng)冷卻，故將第三側(cè)型芯15直接設(shè)計成整體式滑塊，以便于采用鉆孔方式在其內(nèi)加工水路。

圖6 抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計

考慮到機(jī)構(gòu)S2、機(jī)構(gòu)S4兩者的抽芯行程較長，因而使用油缸驅(qū)動滑塊實(shí)施側(cè)抽芯，而不使用斜導(dǎo)柱驅(qū)動。原因在于，(1)提高滑塊抽芯行程的可靠性，即隨著模具使用次數(shù)的增加，長斜導(dǎo)柱使用較長時間后會變彎，從而影響到滑塊抽芯行程準(zhǔn)確度，甚至?xí)?dǎo)致機(jī)構(gòu)失效；(2)由于兩個滑塊(第二滑塊5、第四滑塊12)使用斜導(dǎo)柱時，需要使用較長的斜導(dǎo)柱驅(qū)動，勢必增加定模板的安裝厚度，以及模板的寬度，因而需要使用更大的模架，使模具成本急劇增加。

機(jī)構(gòu)S2通過第二油缸8驅(qū)動第二滑塊5及其上的第二側(cè)型芯4實(shí)施側(cè)抽芯脫模，機(jī)構(gòu)S4通過第四油缸9驅(qū)動第四滑塊12及其上的第四側(cè)型芯13實(shí)施側(cè)抽芯脫模。第二側(cè)型芯4內(nèi)使用鉆孔水路進(jìn)行冷卻，第四側(cè)型芯13內(nèi)也使用鉆孔水路冷卻，但其通道形式為水井+隔水片形式。

斜頂機(jī)構(gòu)使用頂出板推動方式進(jìn)行頂出。

4 模具結(jié)構(gòu)及工作原理

4.1 模具結(jié)構(gòu)

模具結(jié)構(gòu)如圖7所示，模具為兩板模具，一模一腔布局，單次分型打開。模腔澆注使用前述熱、冷流道相結(jié)合的復(fù)合式澆注系統(tǒng)進(jìn)行澆注。模架定模部分由面板17、熱流道板18、定模板19構(gòu)成；動模部分由動模板24、模腳25、底板26構(gòu)成；定、動模閉合時的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由4根導(dǎo)柱20構(gòu)成，導(dǎo)柱20有3根為對稱式布置，1個為偏置布置，以防定、動模裝配時裝錯。4個脫模機(jī)構(gòu)安裝于動模板24上，機(jī)構(gòu)S2和S4的油缸的油路采用串聯(lián)接通方式接通，由串接控制器29進(jìn)行控制，動作邏輯順序?yàn)椋合缺ＷC機(jī)構(gòu)S4抽芯，然后是機(jī)構(gòu)S2抽芯，復(fù)位過程相反。該2個油缸抽芯機(jī)構(gòu)必須按順序進(jìn)行側(cè)抽芯脫模，以避免脫模時引起塑件的脫模變形。

圖7 模具結(jié)構(gòu)

4.2 模具工作原理

模具安裝于注塑機(jī)上后進(jìn)行注塑，工作原理如圖8所示，其過程為：

①模具閉合。模具在PL面處閉合，注塑機(jī)噴嘴通過熱流道澆注系統(tǒng)向模腔內(nèi)澆注熔融塑料，模腔經(jīng)充填、保壓、冷卻等過程后，等待開模。

圖8 模具工作原理

②模具開模。模具在注塑機(jī)動模的帶動下，按照F向下行，此時，模具在PL面處打開，打開時，機(jī)構(gòu)S1和S3的斜導(dǎo)柱驅(qū)動對應(yīng)滑塊完成側(cè)抽芯動作。

③油缸抽芯。機(jī)構(gòu)S2和S4的油缸在注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的驅(qū)動下，按照S4→S2順序?qū)嵤┯透昨?qū)動抽芯動作。

④頂出。動模繼續(xù)下行，注塑機(jī)頂桿頂住推板33，從而驅(qū)動頂針及斜頂桿37將塑件從型芯鑲件上頂出，實(shí)現(xiàn)塑件的完全脫模。

⑤復(fù)位。復(fù)位過程與開模過程完全相反。

5 結(jié)論

結(jié)合CAE分析確定了模腔的合理澆注系統(tǒng)為冷、熱流道相結(jié)合的復(fù)合流道形式，使用側(cè)澆口進(jìn)行澆注，模腔充填時間為3.5 s左右，充填壓力為43 MPa左右。依據(jù)澆口位置確定主分型面后，將塑件的脫模機(jī)構(gòu)簡化為2個斜導(dǎo)柱滑塊機(jī)構(gòu)、2個油缸抽芯機(jī)構(gòu)及1個斜頂機(jī)構(gòu)實(shí)施側(cè)抽芯脫模，實(shí)現(xiàn)塑件的自動化注塑生產(chǎn)。在脫模機(jī)構(gòu)設(shè)置中，2個油缸抽芯機(jī)構(gòu)使用串聯(lián)接通方式接通，確保了塑件的無變形順序脫模。