基于Moldflow的車燈密封條成形分析及模具設(shè)計(jì)

徐超輝

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，機(jī)械制造領(lǐng)域分析、設(shè)計(jì)類軟件得到了廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程也被更加高效、智能的現(xiàn)代生產(chǎn)工藝所取代。以模具行業(yè)為例，模具是工業(yè)生產(chǎn)的基石，素有“工業(yè)之母”的稱號，現(xiàn)代模具生產(chǎn)的各工藝環(huán)節(jié)被精確分成數(shù)值模擬、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造和售后維護(hù)等幾個(gè)部分，技術(shù)人員在相對應(yīng)軟件的輔助支持下，可以較之過去更為有效地掌控模具的生產(chǎn)周期和加工質(zhì)量，完成更加復(fù)雜模具的生產(chǎn)。

汽車制造業(yè)是模具應(yīng)用的最典型代表，車身、內(nèi)飾等產(chǎn)品均由不同類型的沖壓和注塑模具生產(chǎn)得到。隨著綠色制造、經(jīng)濟(jì)制造的理念不斷深入，車身輕量化的設(shè)計(jì)要求被各大汽車生產(chǎn)企業(yè)所采用，越來越多的金屬零件被塑料產(chǎn)品取代，而這種取代也正在由內(nèi)飾件向外飾件和車身件發(fā)展，例如某些汽車的翼子板已經(jīng)實(shí)現(xiàn)塑料輕量化[1]。因此，塑料注塑模具成了汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)的新增長點(diǎn)。

本文對某車燈密封條零件的模具設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，在詳細(xì)描述零件復(fù)雜特征的基礎(chǔ)上，綜合分析了模具的結(jié)構(gòu)布局，并運(yùn)用Moldflow軟件分析零件充填、保壓及翹曲變形等過程，在三維設(shè)計(jì)軟件中設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)脫模的塑料注塑模具，給同類型產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)提供參考解決方案[2]。

1 零件結(jié)構(gòu)分析

車燈密封條零件如圖1所示，為鏡像對稱的兩件產(chǎn)品。成形表面要求質(zhì)量較高，無熔接痕。根據(jù)零件使用性能的要求，選用了聚碳酸酯(PC)材料，這種材料具有較好的光學(xué)性和耐熱老化性。零件表面特征較多，主要包括凸臺、側(cè)孔、倒扣位、波紋面等。T1為兩處側(cè)孔及側(cè)向凸臺特征，軸線方向高度約13 mm，T2為3處外側(cè)波紋面，T3為端部斜孔及凸臺特征，T4為內(nèi)側(cè)波紋面。本套模具的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于確定各特征的分型及脫模結(jié)構(gòu)，并由此決定模具內(nèi)各機(jī)構(gòu)的合理布局。這些問題的解決，需要在分析塑件每個(gè)局部區(qū)域的構(gòu)造特點(diǎn)后，才能找到合理的解決辦法[3]。

圖1 零件圖及特征解析

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 模具整體分析

零件整體呈扁平條狀，平均壁厚約為2.57 mm，其中主要平面位置壁厚均勻，約為7 mm，可采用直角口或側(cè)面矩形澆口注塑成型?？紤]零件內(nèi)外側(cè)面特征較多，且多為外觀面，故本套模具選用一模兩腔、熱流道冷澆口的成型方案。

2.2 模流分析

在模具三維設(shè)計(jì)前對零件進(jìn)行模流分析，能有效提高設(shè)計(jì)的成功率，縮短生產(chǎn)周期[4-5]。通過Moldflow軟件的有限元算法可以得到模具充填、保壓等精確模型，并預(yù)測翹曲變形、熔接痕、氣穴等可能存在的注塑缺陷。本零件采用.prt(UG文件)格式直接導(dǎo)入Moldflow，選用3D網(wǎng)格單元，基于網(wǎng)格診斷和修復(fù)操作，模型劃分結(jié)果如圖2所示。

(a) 整體圖

(b) 局部放大圖

澆口定位在零件的質(zhì)心位置，熱流道噴嘴采用對稱排列方式。注塑成型后，熱流道冷澆口自動(dòng)斷膠，成品零件會與部分澆口凝料一同脫模。聚碳酸酯材料選擇Kingfa Sci & Tech Co Ltd公司的JH830，注塑參數(shù)如表1所示。由分析結(jié)果(圖3～圖6)可知： 注塑充填時(shí)間約為3.657 s，在零件充填過程中，熔料流動(dòng)沒有分流交匯的現(xiàn)象，在主分型面方向，型腔內(nèi)氣體的排除也無孔、槽等特征阻礙，故熔接痕和氣穴主要集中在零件充填的末端，如圖4和圖5所示。零件T3端部斜孔及凸臺特征位置也在充填過程的末端，且該處零件厚度較薄，是翹曲主要發(fā)生區(qū)域，如圖6所示。

表1 塑料注塑參數(shù)

圖3 充填時(shí)間

圖4 熔接線

圖5 氣穴

圖6 翹曲變形

綜上所述，在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮零件末端的排氣設(shè)計(jì)和整體均勻冷卻，減低氣穴、翹曲等缺陷帶來的零件質(zhì)量影響。

2.3 側(cè)抽芯設(shè)計(jì)

根據(jù)零件斜率分析可知，模具中需要設(shè)計(jì)4處側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)。零件上T1位置開模方向與模具主分型面垂直，兩處特征的圓柱凸臺、深孔軸線方向相互平行，在布局側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)時(shí)，可以不用考慮運(yùn)動(dòng)干涉問題。但兩側(cè)抽芯位置間距僅有48 mm，之間包含波紋面、凹槽等特征，無法設(shè)計(jì)成一體式抽芯結(jié)構(gòu)，因此本套模具單獨(dú)設(shè)計(jì)了兩套抽芯零件，最終設(shè)計(jì)效果如圖7所示。為了方便模具修配和后期維護(hù)，側(cè)型芯與滑塊為鑲拼式結(jié)構(gòu)?？刂苹瑝K運(yùn)動(dòng)的滑槽也由于尺寸的限制，設(shè)計(jì)成單側(cè)壓板形式。

圖7 側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)

零件T3位置表面特征與T1類似，但所在平面與主分型平面呈27夾角，此處特征的成型是本套模具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。常規(guī)側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)均采用斜導(dǎo)柱抽芯結(jié)構(gòu)，由注塑機(jī)提供開模動(dòng)力，斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)模具滑塊移動(dòng)[6-7]。若該特征采用此類型方法成型，則結(jié)構(gòu)的安裝為倒裝形式，即斜導(dǎo)柱固定于動(dòng)模一側(cè)，側(cè)型芯設(shè)在定模一側(cè)。此時(shí)，在主分型面分型前必須先抽出側(cè)型芯，因此必須采用順序分型機(jī)構(gòu)，以保證主分型面分型時(shí)，塑件能完整地留在動(dòng)模型芯上，這勢必增加模具的復(fù)雜程度和成本，同時(shí)還與其他正向安裝的側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)相反，再次增加了模具在安裝調(diào)試中的難度。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用了一套液壓油缸驅(qū)動(dòng)的側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)，如圖8所示。整個(gè)結(jié)構(gòu)包括側(cè)型芯、滑塊、壓板、感應(yīng)式液壓缸等主要部分，均設(shè)置在模具的定模側(cè)。滑塊上設(shè)有斜T型槽，槽底面與零件T3特征所在面平行。當(dāng)液壓缸活塞往復(fù)移動(dòng)時(shí)，將帶動(dòng)滑塊同步水平運(yùn)動(dòng)，側(cè)型芯則在斜T型槽的作用下，沿斜槽做相對滑動(dòng)，兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)組合構(gòu)成了側(cè)型芯在斜面上的開模運(yùn)動(dòng)。本結(jié)構(gòu)簡單可靠，在實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)要求的同時(shí)免去了諸多附加裝置，并且沒有傳動(dòng)間隙，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

圖8 斜面抽芯機(jī)構(gòu)

零件T4位置波紋面經(jīng)斜率分析，為正反雙面扣位，無法用擦穿位成型，故設(shè)計(jì)成側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)。為防止模腔內(nèi)兩相鄰結(jié)構(gòu)的開模干涉，兩零件間的布局尺寸、滑塊的抽芯移動(dòng)距離和斜導(dǎo)柱角度等需要準(zhǔn)確設(shè)計(jì)，最終的結(jié)果如圖9所示。

圖9 波紋面?zhèn)瘸樾緳C(jī)構(gòu)

2.4 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模具溫度一般是指模具型腔、型芯及其他成型零件的表面溫度，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懰芗睦鋮s速度和冷卻效果。本套模具中溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括冷卻和加熱兩種方案，應(yīng)當(dāng)合理安各部分在模具本體中的位置。熱流道系統(tǒng)的加熱部分根據(jù)澆口位置，由熱流道生產(chǎn)廠家定制，如圖10所示。冷卻水道的設(shè)計(jì)則取決于塑件的形狀和壁厚，數(shù)量應(yīng)盡可能多，直徑盡可能大，圍繞在成型塑件的周圍，排列均勻一致[8]。本模具考慮零件的可加工性和干涉問題，型芯、型腔中均采用隔水板的冷卻方式，冷卻水道直徑為14.7 mm，最終效果如圖11所示。

圖10 熱流道澆注系統(tǒng)

3 模具工作過程

模具為兩板模形式，結(jié)構(gòu)如圖12所示。聚碳酸酯塑料顆粒由注塑機(jī)熔化、加壓、注射進(jìn)入型腔后，經(jīng)過保壓冷卻周期，模具開始開模行程。首先液壓油缸接到開模指令驅(qū)動(dòng)活塞平移，完成零件斜面上的抽芯分型。接著在注塑機(jī)作用下，模具動(dòng)模部分進(jìn)行開模運(yùn)動(dòng)，其他側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)在機(jī)械力的作用下，分別完成各自分型。隨后注塑機(jī)頂桿推動(dòng)模具頂出系統(tǒng)將零件從動(dòng)模部分脫出。最終模具順序閉合，準(zhǔn)備下一個(gè)注塑循環(huán)。

圖11 冷卻水道

(a) 動(dòng)模三維圖

(b) 定模三維圖

4 結(jié)論

(1) 本套模具通過對零件結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)要求的基本分析，選擇了注塑成型方案，再結(jié)合Moldflow軟件的注塑分析，確定了各成型機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

(2) 本套模具共設(shè)計(jì)了4套側(cè)抽芯分型機(jī)構(gòu)，其中一套斜面抽芯采用了獨(dú)立液壓油缸作為動(dòng)力源，在滿足零件成型要求的基礎(chǔ)上，大大簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得模具的加工和裝調(diào)難度降低。

(3) 模具內(nèi)空間緊湊，部分滑塊的滑槽采用了單側(cè)壓板結(jié)構(gòu)。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，模具工作過程穩(wěn)定，為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了解決方案，具有一定的參考價(jià)值。