基于CAX的汽車線束卡扣注射模設(shè)計＊

盤廣林，方迪成，蔣 燕

（汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東汕頭 515078）

1 引言

在信息化、智能化不斷發(fā)展的今天，CAD/CAE軟件已經(jīng)是進(jìn)行模具開發(fā)不可或缺的重要工具。本文在完成對汽車線束卡扣塑件結(jié)構(gòu)和注射成型工藝分析的基礎(chǔ)上，先運用MoldFlow對塑件進(jìn)行模流成型工藝分析，再運用NX12進(jìn)行模具設(shè)計，可為從事相應(yīng)注射模設(shè)計的技術(shù)人員提供借鑒。

2 塑件結(jié)構(gòu)與材料分析

2.1 塑件結(jié)構(gòu)分析

圖1所示塑件為汽車線束卡扣，它是汽車線束系統(tǒng)的組成關(guān)鍵部分，是一種重要裝配件，大批大量生產(chǎn)。汽車線束卡扣塑件的外形尺寸為40.98×22.1×20mm，塑件壁厚平均約1.1mm，最大厚度約為3.5mm，最薄處為卡接處葉片0.5mm，體積為1.6×103mm2。塑件的尺寸較小，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。塑件成型后要求：表面光滑、無毛刺，卡扣無損傷、卡接力達(dá)到預(yù)定目標(biāo)值，且要有良好的機(jī)械強(qiáng)度和韌性等特性，其它部位無明顯缺陷痕跡。塑件卡接處有一周圈內(nèi)倒勾結(jié)構(gòu)特征，考慮到卡接葉片膠位薄及空間小、模具量產(chǎn)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及降低模具成本，可以考慮通過利用頂出力進(jìn)行強(qiáng)行脫模來實現(xiàn)；塑件主體段因塑件結(jié)構(gòu)需求無脫模角度，考慮到粘模問題，也考慮通過利用頂出力來進(jìn)行脫模，因此模具采用型芯、型腔雙邊頂出結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)[1～3]。

圖1 汽車線束卡扣

2.2 成型材料分析

所選用的材料是PA66（BASF Ultramid A3K），該材料的密度為1.13g/cm3，收縮率為1%～2%，模具成型溫度范圍為40℃～60℃，熔體溫度范圍為280℃～300℃，具有高機(jī)械強(qiáng)度及硬度、耐熱性高、良好的電絕緣性能，而且耐熱及化學(xué)品、摩擦力低、急速運行能力好、耐磨、可降低噪聲及震動，同時具有優(yōu)良的加工性能[4]。材料的流變粘度曲線及PVT性能曲線如圖2所示。

圖2 PA66的流變粘度及PVT曲線a——流變粘度曲線 b——PVT曲線

3 模流成型工藝分析

3.1 網(wǎng)格劃分

使用NX12軟件對汽車線束卡扣進(jìn)行實體建模，并對汽車線束卡扣3D數(shù)據(jù)中不會對分析結(jié)果造成影響的工藝倒角、圓角進(jìn)行調(diào)整，將調(diào)整后的3D模型導(dǎo)入MoldFlow。因塑件壁厚相差較大，故對汽車線束卡扣模型進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖3所示。四面體網(wǎng)格實體為839,072，體積為1.594cm3，網(wǎng)格劃分后最大縱橫比99.4，平均縱橫比4.98，最小縱橫比1.04。網(wǎng)格的劃分質(zhì)量較高，能確保后續(xù)的分析結(jié)果具有高精確性[5]。

圖3 汽車線束卡扣網(wǎng)格模型

3.2 塑件壁厚分析

從圖4中可見，汽車線束卡扣塑件的主體壁厚分布比較均勻，厚度為1.1mm，因塑件結(jié)構(gòu)及功能的需求，卡接處的厚度不一，最薄處為0.5mm，最厚處為3.45mm，為了使模流分析結(jié)果更精確，所以在此方案中將使用3D（四面體）網(wǎng)格方式進(jìn)行分析。

圖4 塑件壁厚分析

3.3 澆口位置與澆注系統(tǒng)

應(yīng)用MFI澆注口位置的模擬分析，得了線束卡扣塑件理想“最佳澆注位置”如圖5所示，即在塑件主體中間的位置。綜合考慮塑件的結(jié)構(gòu)特性、大批大量生產(chǎn)和模具實際結(jié)構(gòu)與布局，設(shè)計如圖5b所示的單點側(cè)澆口的澆注系統(tǒng)。主流道采用冷流道系統(tǒng)，進(jìn)料端直徑為?3mm，連接分流道端直徑為?6mm；分流道采用普通圓形截面流道，主分流道直徑為?5mm，次分流道直徑為?4mm，側(cè)澆口端面直徑為?1.0mm[6～7]。

圖5 最佳澆口位置分析a——澆口位置分析 b——擬定澆口位置

3.4 成型分析

依據(jù)前述澆注系統(tǒng)方案，在MFI軟件中進(jìn)行模擬注射，結(jié)果如圖6所示。從所得數(shù)據(jù)看澆注方案可行。

圖6 汽車線束卡扣模流仿真分析a——充填時間 b——流動前沿溫度 c——速度/壓力切換時的壓力 d——凍結(jié)層因子 e——熔接線f——氣穴 g——鎖模力 h——縮痕 i——體積收縮率 j——冷卻回路雷諾數(shù) k——總變形 l——收縮不均變形

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 分型面設(shè)計

針對汽車線束卡扣的形狀結(jié)構(gòu)，選擇如圖7中塑件的中心面為分型面，一分為二，紅色為分型線。模具型腔采用1模4腔結(jié)構(gòu)，使用NX12軟件進(jìn)行設(shè)計。

塑件分型面設(shè)計如圖7所示，一方面可以通過模具配合面（包括定、動模配合面，各鑲件、型芯與型腔的配合面）處的細(xì)微間隙來排氣，另一方面便于塑件在模具中的放置和動、定模的安置，還為后續(xù)強(qiáng)行脫模的結(jié)構(gòu)提供了便利，從而降低生產(chǎn)中塑件脫模難度和注射模的生產(chǎn)難度，利于注射模長期注射成型后塑件合模面塑件飛邊的處理[8～9]。

圖7 分型面設(shè)計

4.2 型腔型芯結(jié)構(gòu)設(shè)計

將成型汽車線束卡扣塑件的沿中心面分開，上半部分作定模，即型腔；下半部分作動模，即型芯，卡扣部分做鑲件出模，模具結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 汽車線束卡扣模具結(jié)構(gòu)a——動模側(cè)結(jié)構(gòu)圖 b——定模側(cè)結(jié)構(gòu)圖 c——模具結(jié)構(gòu)剖面圖Ⅰ d——模具結(jié)構(gòu)剖面圖Ⅱ1.定模座板 2.導(dǎo)套 3.導(dǎo)柱 4.定模板 5.喉塞 6.定模型腔 7.動模型芯 8.動模板 9.模腳 10.支撐柱 11.限位塊 12.頂桿固定板Ⅰ 13.頂桿墊板Ⅰ 14.動模座板 15.螺絲 16.頂桿墊板Ⅱ 17.頂桿固定板Ⅱ 18.快速水咀 19.防水膠圈 20.塑件 21.螺絲 22.定位圈 23.唧咀 24.頂桿Ⅰ 25.定模鑲件Ⅰ 26.定模鑲件Ⅱ 27.定模鑲件Ⅲ 28.動模鑲件Ⅰ 29.動模鑲件Ⅱ 30.動模鑲件Ⅲ 31.頂桿Ⅱ 32.頂桿Ⅲ 33.彈簧 34.復(fù)位桿Ⅰ 35.垃圾釘 36.復(fù)位桿Ⅱ 37.定模鑲件Ⅳ 38.定位銷 39.尼龍膠塞 40.動模鑲件Ⅳ 41.導(dǎo)套 42.導(dǎo)套 43.鎖模塊

（1）型腔結(jié)構(gòu)。

模具型腔部分由定模型腔6、定模鑲件25、26、27、37及唧咀23組成，如圖9所示。其中定模型腔6和定模鑲件25、26、27、37成型塑件上半部分膠位，流道在定模鑲件26及唧咀23上經(jīng)過。定模鑲件25、26、27、37固定在定模型腔6上，定模鑲件26與定模型腔6之間采用定位銷38進(jìn)行精準(zhǔn)定位，定模型腔6及唧咀23都固定在定模板4上。在定模型腔6和定模鑲件25、26、27、37的選材上，采用預(yù)硬塑料模具鋼ASSAB 718，它具有優(yōu)秀的機(jī)械性能、可加工性、高的淬透性、良好的電加工性能、皮紋加工性和極佳的拋光性能，且特別適用于大批量生產(chǎn)的塑料模具，出廠硬度為290～310HB[10]。

圖9 定模側(cè)模具結(jié)構(gòu)

（2）型芯結(jié)構(gòu)。

模具型芯部分由動模型芯7、動模鑲件28、29、30、40組成，如圖10所示。其中動模型芯7、動模鑲件28、29、30、40成型塑件下半部分膠位，流道在動模鑲件29上經(jīng)過。動模鑲件28、29、30、40固定在動模型芯7上，動模鑲件29與動模型芯7之間采用定位銷38進(jìn)行精準(zhǔn)定位，動模型芯7固定在動模板8上。動模型芯7、動模鑲件28、29、30、40同樣選用各項性能優(yōu)良的預(yù)硬塑料模具鋼ASSAB 718。

4.3 導(dǎo)向與定位結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于汽車線束卡扣上下部分為對稱式塑件，為了保證塑件的側(cè)壁的一致性、卡扣處的同心度以及保證合模準(zhǔn)確和模具長時間使用后的維修方便，本模具設(shè)計了由模架上采用導(dǎo)柱導(dǎo)套及模仁上采用原身虎口構(gòu)成的定位與導(dǎo)向復(fù)合系統(tǒng)，如圖9、圖10所示。它既能實現(xiàn)模具在運行過程中的快速、精確導(dǎo)向，也能防止長期生產(chǎn)后因為模具磨損而造成錯位。

圖10 動模側(cè)模具結(jié)構(gòu)

4.4型芯、型腔雙邊頂出及倒扣強(qiáng)行脫模結(jié)構(gòu)設(shè)計

因汽車線束卡扣是一個卡接處有一周圈內(nèi)倒勾結(jié)構(gòu)特征及塑件主體段因結(jié)構(gòu)需求無脫模角度（見圖1），卡接葉片膠位薄及空間小無法采用滑塊式抽芯，而塑件主體段無脫模角度，如果直接開模，型腔部分會因粘模產(chǎn)生拉傷甚至無法脫模。在本設(shè)計中將創(chuàng)新設(shè)計一種由型芯、型腔雙邊頂出及倒扣強(qiáng)行脫模的臥式注射模結(jié)構(gòu)，如圖8、圖11所示。

圖11 臥式注射模結(jié)構(gòu)

其原理就是型芯與型腔兩側(cè)都設(shè)計頂出機(jī)構(gòu)，開模后利用頂出力的作用以及PA66材料本身的高機(jī)械強(qiáng)度（卡接葉片膠位薄，只有0.5～0.6mm厚）及高硬度，塑件不會因強(qiáng)行脫模而產(chǎn)生損傷。

型芯、型腔雙邊頂出結(jié)構(gòu)主要由頂桿板12、13、16、17、頂桿24、32、鑲件25、26、27、28、29、30、37、40、頂桿24、32、復(fù)位桿34、36、彈簧33及尼龍膠塞39組成，尼龍膠塞39固定在復(fù)位桿36上，復(fù)位桿36固定在頂桿板16、17上，尼龍膠塞39頭部與動模板8過盈配合；頂桿板16、17通過間隙配合置于固定板1及定模板4之間。頂桿24穿過定模鑲件25、26、27、37、定模型腔6及定模板4固定在頂桿板16、17上；頂桿31、32穿過動模鑲件28、29、30、40、動模型芯7及動模板8固定在頂桿板12、13上，如圖8、圖12、圖13、圖14及圖15所示。

圖12 抽芯與頂出各關(guān)鍵部件

圖13 定模側(cè)頂出結(jié)構(gòu)

圖14 定模側(cè)頂出結(jié)構(gòu)背面

圖15 動模側(cè)頂出結(jié)構(gòu)

4.5 其它結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）復(fù)位機(jī)構(gòu)。

為保證開合模順序的準(zhǔn)確無誤及頂出機(jī)構(gòu)的動作靈活順暢，本模具在設(shè)計時使用在導(dǎo)柱導(dǎo)套附近安置4根直徑為?15mm的復(fù)位桿34進(jìn)行合模復(fù)位。復(fù)位桿34固定于上頂桿板12上，并在復(fù)位桿34上加裝4支彈簧33，如圖10、圖16所示。

圖16 動模頂出、復(fù)位裝配結(jié)構(gòu)

（2）冷卻系統(tǒng)。

為保證模溫在生產(chǎn)中一直處于注射成型工藝要求的溫度區(qū)間，本模具在定模板4與定模型腔6、動模型芯7與動模板8上采用循環(huán)冷卻水路布置，如圖8所示。本模冷卻系統(tǒng)能確保型腔各處均勻冷卻，成形周期較短，塑件質(zhì)量符合設(shè)計要求。

5 模具工作過程

模具在使用時，先拆除鎖模塊43，將模具冷卻系統(tǒng)與外部冷卻源連接好。

開模時：模具在注塑機(jī)的開模力的作用下，圖8中定動模4、6、7、8分開，尼龍膠塞39在摩擦力的作用下帶動復(fù)位桿36隨著動模板8向下運動，固定在頂桿板16、17上的頂桿24在復(fù)位桿36的作用力下隨著產(chǎn)生往下頂?shù)膭幼鳎芗?0會跟隨向下脫離定模型腔6及定模鑲件25、26、27、37（注：此動作就是利用頂出力的作用：①消除塑件20因無脫模角度而產(chǎn)生的粘模力；②讓塑件20上的倒勾從定模鑲件25、27、37中強(qiáng)行脫離），繼續(xù)開模，尼龍膠塞39在開模力的作用下脫離動模板8；開模動作完成后，接著頂桿板12、13在注塑機(jī)的頂棍的作用力下向上運動，在頂桿板12、13上的頂桿31、32開始向上運動，套在復(fù)位桿34上的彈簧33在頂出力的作用下向上壓縮，繼續(xù)頂出，直到在限位塊11的限制下完成頂出，然后取出塑件20。

合模時：在開模狀態(tài)下，注塑機(jī)上的頂棍回收，壓縮狀態(tài)下的彈簧33釋放回彈，頂桿板12、13跟隨回位，并帶動固定在其上的復(fù)位桿34、頂桿31、32等部件回位。繼續(xù)合模，直到復(fù)位桿34開始與定模板4端面接觸閉合；與此同時尼龍膠塞39插入動模板8，復(fù)位桿36也開始與動模板8端面接觸閉合，頂桿板16、17及固定在其上的頂桿24也跟隨回位，最終實現(xiàn)分型面閉合。

6 結(jié)論

在進(jìn)行汽車線束卡扣注射成型工藝模擬分析與注射模設(shè)計過程中，通過對汽車線束卡扣塑件結(jié)構(gòu)、注射材料特性和塑件壁厚分析，利于MoldFlow軟件，對線束卡扣完成了模流仿真分析。全面考慮“最佳澆口位置”、大批大量生產(chǎn)和特殊塑件結(jié)構(gòu)等因素，設(shè)計了應(yīng)用側(cè)澆口的澆注方案。在注射成型模擬仿真中對影響線束卡扣表面質(zhì)量和尺寸精度的因素進(jìn)行了分析與探討。在NX12軟件中完成了以下內(nèi)容的設(shè)計：分型面選擇，型芯、型腔結(jié)構(gòu)，定位與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、頂出機(jī)構(gòu)、復(fù)位機(jī)構(gòu)以及冷卻系統(tǒng)等，圍繞汽車線束卡扣注射模設(shè)計要點及難點進(jìn)行了詳細(xì)闡述。在此過程中，采用了由導(dǎo)柱導(dǎo)套及原身虎口組成的定位與導(dǎo)向復(fù)合系統(tǒng)，使用了由型芯、型腔雙邊頂出及倒扣強(qiáng)行脫模的臥式注射模結(jié)構(gòu)等，使塑件成型品質(zhì)得到保證。

該案例具有比較強(qiáng)的實用性，解決了塑件無脫模角度、膠位薄且空間小的倒扣強(qiáng)行脫模問題，不但可以提高大批大量生產(chǎn)過程中的良品率，節(jié)約模具設(shè)計制造成本，對類似塑件生產(chǎn)具有一定參考價值。