基于CAD／CAE 汽車(chē)座椅儲(chǔ)物盒熱流道注塑模設(shè)計(jì)

周慧蘭，韓耀鵬

(華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013)

汽車(chē)座椅儲(chǔ)物盒作為汽車(chē)常用內(nèi)飾件，表面質(zhì)量要求高，不允許有斑點(diǎn)、熔接痕、縮印以及毛邊等缺陷，而針閥式熱流道是應(yīng)用于塑料成型的一種重要注塑結(jié)構(gòu)[1–2]，它通過(guò)針閥控制裝置，控制澆口的開(kāi)關(guān)，保證澆口質(zhì)量更加光滑，從而提高塑件的表面質(zhì)量，是當(dāng)前塑料注射成型工藝的重要發(fā)展方向。但其結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法與普通流道注塑模有很大不同，需借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析(CAD／CAE)技術(shù)對(duì)塑件注射成型的澆口位置、注塑壓力、鎖模力等實(shí)現(xiàn)仿真試模[3–5]，以完成熱流道模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 塑料結(jié)構(gòu)工藝性分析

塑件為汽車(chē)座椅上的儲(chǔ)物盒，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，放大后的凸臺(tái)及凹槽如圖2 所示。其最大外形輪廓尺寸約為100 mm×69 mm×32 mm，壁厚為2.5 mm，最小壁厚為1.5 mm，該塑件最小脫模斜度為5°，材料為丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)，生產(chǎn)廠商GE 塑料(USA)公司，其牌號(hào)Cycolac T–1000。由于產(chǎn)品的三個(gè)方向有凸臺(tái)及凹槽結(jié)構(gòu)，需要在塑件脫模之前，通過(guò)側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)[6]，將凸臺(tái)及凹槽部分從塑件抽離。此外，塑件在三個(gè)側(cè)面增設(shè)加強(qiáng)筋，以增強(qiáng)塑件的強(qiáng)度和剛度。

圖1 汽車(chē)座椅儲(chǔ)物盒

圖2 放大凸臺(tái)及凹槽

2 塑件CAD／CAE 輔助分析

2.1 CAD 分模設(shè)計(jì)

借助UG／Mold wizard 軟件對(duì)塑件分型進(jìn)行設(shè)計(jì)[7]，經(jīng)過(guò)定義區(qū)域、破孔填充、創(chuàng)建分型線等過(guò)程，再創(chuàng)建模具分型面[8]，最后利用分型面對(duì)工件進(jìn)行分割獲得型芯與型腔，成型零件如圖3 所示。

圖3 成型零件

2.2 最佳澆口位置分析

筆者通過(guò)Moldflow 確定最佳澆口位置[9]，先將塑件的模型文件導(dǎo)入CAD doctor 模塊進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)，完成網(wǎng)格劃分后，再進(jìn)行澆口位置分析，最終的分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 最佳澆口位置

2.3 注塑機(jī)選擇與校核

塑件總體積(V)應(yīng)用UG 軟件計(jì)算，結(jié)果為V=29.16 cm3，由于是一模兩腔，注射成型時(shí)一次性注入的塑料體積V=2V=58.32 cm3。根據(jù)注塑機(jī)的選擇原則[10]，其公稱(chēng)注塑量V公=V／0.8=72.9 cm3。而模架的總高度為400 mm，根據(jù)塑件體積和模具閉合高度初步選擇型號(hào)為XS–ZY–400 的注塑機(jī)[11]，其主要參數(shù)列于表1。

表1 XS–ZY–400 注塑機(jī)主要參數(shù)

選擇注塑機(jī)后，需要對(duì)注塑機(jī)的鎖模力、注塑壓力等重要工藝參數(shù)進(jìn)行校核。由于采用熱流道澆注系統(tǒng)，其鎖模力和注塑壓力的校核方式不能采用傳統(tǒng)冷流道的經(jīng)驗(yàn)公式和計(jì)算方法，而是借助CAE工具進(jìn)行校核。根據(jù)CAE 模流分析，該塑件所需最大鎖模力約為15 kN，小于注塑機(jī)最大鎖模力2 540 kN，所需最大的注塑壓力約為15 MPa，低于注塑機(jī)的注塑壓力109 MPa，符合要求。

3 熱流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主噴嘴流道直徑計(jì)算

前面已經(jīng)計(jì)算塑件體積為29.16 cm3，但此數(shù)值為固態(tài)體積，而塑料液態(tài)密度比固態(tài)密度低，故通過(guò)密度修正系數(shù)進(jìn)行換算，密度修正系數(shù)取值一般為0.85～0.95，ABS 為結(jié)晶性塑料，此處取0.85。因此熔體體積為V熔=V／0.85=34.306 cm3。本模具為一模兩腔，熔體總注射體積V總=2V熔=68.612 cm3。根據(jù)注射體積和注射時(shí)間的關(guān)系，查找到注塑機(jī)螺桿推進(jìn)的注射時(shí)間為1.08 s。

根據(jù)V總和注射時(shí)間t 計(jì)算注射流量Q=V總／t=63.530 cm3／s。根據(jù)主流道單噴嘴的通道直徑D計(jì)算公式[12]：

式中：n——剪切速率在103～104s–1范圍內(nèi)塑料熔體的流動(dòng)指數(shù)，根據(jù)材料選擇n 值0.31；

r——塑料熔體流經(jīng)單噴嘴流道的合理剪切速率(s–1)，r=1 100～1 700 s–1，對(duì)應(yīng)4～20 mm 的標(biāo)準(zhǔn)系列的直徑；

經(jīng)過(guò)計(jì)算，可得熱流道主噴嘴流道直徑為D=9.2 mm，結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

3.2 針閥式分噴嘴

圖5 熱流道主噴嘴結(jié)構(gòu)

相比于一般熱力閉合噴嘴[13–14]，針閥式噴嘴結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，但這種分噴嘴在制品上無(wú)廢料殘留，澆口無(wú)拉絲，能滿(mǎn)足高表面質(zhì)量塑件要求。針閥式分噴嘴流道直徑的計(jì)算方法和主噴嘴流道直徑的計(jì)算方法相同，區(qū)別在于其V總只需計(jì)算一個(gè)塑件的體積，根據(jù)前面流道直徑計(jì)算公式，分噴嘴流道直徑計(jì)算結(jié)果為8 mm。而澆口直徑可根據(jù)流道直徑查表，查閱結(jié)果為1.6 mm。筆者采用氣壓控制針閥式分噴嘴[15]，氣壓控制針閥式分噴嘴結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示。該結(jié)構(gòu)通過(guò)注塑機(jī)的氣壓裝置順序控制閥針的開(kāi)閉，可以自由設(shè)定澆口的開(kāi)閉時(shí)間，能在注射之前預(yù)先關(guān)閉閥針，直到分流道中的熔融塑料壓力達(dá)到塑件注塑壓力，具有良好的可控性和可靠性。

圖6 氣壓控制針閥式分噴嘴結(jié)構(gòu)

3.3 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖1 和圖2 可知，塑件在三個(gè)方向有凹槽和凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，必須使用側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)才能保證塑件正常脫模，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模具順利開(kāi)模。

根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)可知，所需抽芯距為11 mm，塑件整體高度為32 mm。抽芯機(jī)構(gòu)的抽芯角度β，要保證動(dòng)模運(yùn)動(dòng)32 mm 后，側(cè)抽芯橫向移動(dòng)距離大于11 mm。

因此，tanβ=11／32=0.343 75。

經(jīng)過(guò)初步計(jì)算β=18.97°，本抽芯機(jī)構(gòu)主要參數(shù)為：側(cè)抽芯角度20°；滑塊長(zhǎng)、寬、高60 mm×30 mm×22 mm；滑塊導(dǎo)軌長(zhǎng)100 mm。

4 模具總體結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

模具的總裝配圖如圖7 所示。模具合模時(shí)，注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)帶動(dòng)模具動(dòng)模部分向定模方向移動(dòng)，合模運(yùn)動(dòng)精度由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)即導(dǎo)套11 和導(dǎo)柱8 保證，合模完成后，型芯34 和型腔33 形成封閉模腔，注塑機(jī)噴嘴的熔融塑料通過(guò)熱流道主噴嘴20 的流道，經(jīng)由熱流道板25 的分流道，進(jìn)入分噴嘴31 的分流道，當(dāng)分噴嘴的分流道壓力達(dá)到熔體注塑壓力時(shí)，閥針在氣壓裝置控制作用下開(kāi)啟，熔融塑料進(jìn)入模腔，充填完成后，閥針在氣壓裝置控制下閉合，關(guān)閉澆口。再利用注塑機(jī)對(duì)模腔施加的鎖模力，以防模腔由于熔融塑料的壓力作用而脹開(kāi)。經(jīng)過(guò)填充、保壓、冷卻后成型，模具利用開(kāi)模運(yùn)動(dòng)，通過(guò)定模的斜銷(xiāo)32 帶動(dòng)動(dòng)模的滑塊實(shí)現(xiàn)滑塊的外側(cè)抽芯。動(dòng)模繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到一定位置時(shí)，推出機(jī)構(gòu)的頂桿墊板3 和頂桿固定板4 在注塑機(jī)推桿作用下帶動(dòng)頂桿6 將塑件從模腔中推出，至此一個(gè)注射成型周期結(jié)束，進(jìn)入下一工作周期。

圖7 模具的總裝配圖

5 結(jié)語(yǔ)

基于CAD／CAE 輔助設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)座椅擱置架的熱流道注塑模設(shè)計(jì)，模具含外側(cè)抽芯，模具布局采用一模兩腔。應(yīng)用CAD 軟件對(duì)塑件進(jìn)行區(qū)域分析和分型面創(chuàng)建，并獲得型芯、型腔，利用CAE 技術(shù)對(duì)熱流道澆注系統(tǒng)進(jìn)行輔助分析和仿真，采用氣壓控制針閥式分噴嘴進(jìn)料，這種澆口幾乎無(wú)殘留痕跡，開(kāi)閉可控性好，能保證塑件的外觀質(zhì)量。本模具熱流道系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算原理，對(duì)同類(lèi)模具設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。