基于正交試驗(yàn)的空氣濾芯蓋模具設(shè)計(jì)及成型工藝優(yōu)化

傅建鋼

（紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000）

注塑模具是實(shí)現(xiàn)塑件自動(dòng)化生產(chǎn)的重要設(shè)備，其工作過程是將熔融塑料注入模具型腔，待熔融塑料冷卻、定型和脫模后即完成一個(gè)塑件的生產(chǎn)。傳統(tǒng)的注塑模具設(shè)計(jì)通常憑借設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，然后根據(jù)模具試模結(jié)果不斷進(jìn)行模具修模。有些問題只有在試模時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，而這些問題的出現(xiàn)意味著模具需報(bào)廢再重新加工。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，模具設(shè)計(jì)人員可以借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)與輔助分析，將生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題提前予以解決，極大地減輕了設(shè)計(jì)者的工作量，提高了模具的設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品的成型精度。陳顯冰等［1］針對(duì)監(jiān)控器底座的特點(diǎn)，利用Moldflow軟件進(jìn)行成型過程分析，完成了模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。楊雙華等［2］以后視鏡外卡框?yàn)槔\(yùn)用Moldflow軟件對(duì)產(chǎn)品澆口位置進(jìn)行模擬分析，完成了一次注塑成型配對(duì)外卡框塑件的模具設(shè)計(jì)。Hassan等［3］研究了注塑成型過程中冷卻系統(tǒng)對(duì)塑件體積收縮率的影響，發(fā)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的位置對(duì)塑件體積收縮率有較大影響。周浩文等［4］研究了工藝參數(shù)對(duì)空調(diào)電路板的翹曲變形量和體積收縮率的影響，獲得了較為理想的工藝參數(shù)組合。傅建鋼等［5-6］運(yùn)用Moldflow分析技術(shù)就工藝參數(shù)對(duì)塑件體積收縮率的影響程度進(jìn)行了研究，有效地降低了塑件的體積收縮率。李桂金等［7］對(duì)塑件注塑模具設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)在改善冷卻效果、提高冷卻效率等方面具有較好的表現(xiàn)。

上述研究所涉及的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)或者模具結(jié)構(gòu)都較為簡單，Moldflow軟件的優(yōu)勢(shì)無法得到充分展現(xiàn)。此外，部分研究者僅從成型工藝層面研究了成型工藝的優(yōu)化，并未將Moldflow軟件分析成果運(yùn)用到模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。本工作以結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的車用空氣濾芯蓋為對(duì)象，使用Moldflow分析技術(shù)，對(duì)塑件進(jìn)行成型工藝分析，優(yōu)化得到較為合理的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，利用UG NX11.0軟件進(jìn)行包含內(nèi)外抽芯機(jī)構(gòu)的注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 塑件結(jié)構(gòu)分析

某車用空氣濾芯蓋塑件結(jié)構(gòu)見圖1，其材質(zhì)為聚碳酸酯（PC），具有優(yōu)異的耐熱性、剛性、抗沖擊性以及較好的加工流動(dòng)性。塑件的外形尺寸為269 mm×279 mm×120 mm，壁厚約為2 mm，為一款中等尺寸的塑件。為了增加塑件強(qiáng)度以及減小塑件變形，在塑件內(nèi)外壁上均設(shè)計(jì)了加強(qiáng)筋。在塑件外壁上，幾個(gè)側(cè)面分別設(shè)置了5～8個(gè)不等的加強(qiáng)筋，兩個(gè)側(cè)面設(shè)置了數(shù)量較多的側(cè)筋槽。加強(qiáng)筋的厚度為2 mm，加強(qiáng)筋間距為25 mm。塑件外壁上設(shè)計(jì)了多個(gè)用于空氣濾芯蓋與汽車車體緊固連接的圓孔，圓孔四周設(shè)計(jì)了增加強(qiáng)度和保證安裝可靠性的加強(qiáng)筋。為了防止塑件頂部發(fā)生變形，在塑件內(nèi)壁上設(shè)計(jì)了密集的側(cè)筋槽。由塑件三維結(jié)構(gòu)可知，加強(qiáng)筋的存在對(duì)塑料填充和塑件脫模會(huì)產(chǎn)生較大影響。其影響主要來源于筋位較多且薄，槽位薄且交叉。這些結(jié)構(gòu)將對(duì)塑料熔體填充帶來較大的困難，容易出現(xiàn)短射；而筋位和槽位的包緊力則增加了脫模難度。

圖1 塑件結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of plastic parts

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 分型設(shè)計(jì)

運(yùn)用注塑模具設(shè)計(jì)軟件UG NX11.0的模具分型功能開展塑件產(chǎn)品分型設(shè)計(jì)，根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用一模一腔形式進(jìn)行布局。某車用空氣濾芯蓋塑件的主分型面在塑件底部最大輪廓處，塑件分型面處盡可能做成平面，不僅便于成型零件的加工，而且便于裝配時(shí)分型面的修配。塑件分型面及成型零件設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 模具分型Fig.2 Mold parting

由于塑件斜圓柱面存在倒扣情況，因此，需要對(duì)該面進(jìn)行拆分，分別由兩個(gè)滑塊和型芯型腔共同完成圓柱面表面成型。通過分析塑件內(nèi)壁，塑件內(nèi)側(cè)圓孔根部存在倒扣結(jié)構(gòu)，為便于脫模，需要設(shè)置斜頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行塑件內(nèi)側(cè)抽芯。根據(jù)Moldflow軟件的填充分析中氣穴的結(jié)果，在產(chǎn)品表面各氣穴集中處設(shè)計(jì)鑲件，便于排氣，保證塑件的質(zhì)量?；瑝K、斜頂及鑲件的結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖3 滑塊、斜頂及鑲件的結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural diagram of sliding block，inclined top and insert

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于塑件較大，且為一模一腔設(shè)置，為了保證主流道位于整套模具的中心位置，采用點(diǎn)澆口的形式進(jìn)行流道設(shè)計(jì)。澆口位置直接影響塑件的外觀質(zhì)量，利用Moldflow軟件最佳澆口位置分析功能，找到較為合適的澆口位置，此塑件的澆口可設(shè)置于塑件側(cè)壁。分流道上設(shè)置了拉料針，保證分流道凝料能夠自動(dòng)脫出。動(dòng)模側(cè)也設(shè)置了拉料針，保證開模時(shí)澆注系統(tǒng)凝料從分流道中自動(dòng)拉出。

根據(jù)塑件與模具結(jié)構(gòu)的需要設(shè)計(jì)了澆注系統(tǒng)，由Moldflow軟件實(shí)施充填分析。在給定的熔體溫度、模具溫度和注射時(shí)間等成型工藝條件下，從圖4可以看出：PC熔體能夠在2.963 0 s內(nèi)順利充滿整個(gè)型腔，可有效保證塑件整體質(zhì)量。

塑料填充末端會(huì)出現(xiàn)許多氣穴，可通過設(shè)計(jì)排氣槽或者鑲件等措施進(jìn)行排氣；而對(duì)于部分位于塑件內(nèi)側(cè)且不影響塑件使用的氣穴可不予處理。塑料填充中出現(xiàn)的氣穴見圖5。

圖5 氣穴Fig.5 Cavitation

2.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了合理的冷卻系統(tǒng)，以保證產(chǎn)品冷卻的均勻性。本塑件模具在動(dòng)、定模上分別設(shè)計(jì)了四條水路，每條水路通過添加隔水板實(shí)現(xiàn)水路的串聯(lián)。由于塑件表面為斜面，因此，為了保證塑件表面冷卻的均勻性，型腔和型芯中的水路深度依據(jù)塑件表面高度進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其各表面盡可能均勻冷卻，冷卻水路設(shè)計(jì)結(jié)果見圖6。

圖6 冷卻水路Fig.6 Cooling water circuit

2.4 側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該塑件側(cè)孔為斜孔，為便于斜孔抽芯，設(shè)計(jì)了與斜孔軸線方向一致的滑塊滑行平臺(tái)，平臺(tái)上設(shè)置了兩根壓條，保證滑塊沿指定方向滑動(dòng)。由于該塑件斜孔側(cè)向抽芯距離較大，故由固定在滑行平臺(tái)右端的液壓缸進(jìn)行側(cè)向抽芯，抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果見圖7。為便于滑塊零件加工和降低生產(chǎn)成本，斜孔成型部分采用鑲件形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，滑塊內(nèi)的鑲件材料采用模具鋼2344，具有較高的耐磨性和韌性，使用前通過熱處理使其硬度到洛氏硬度（HRC）52～55。

圖7 抽芯機(jī)構(gòu)Fig.7 Core pulling mechanism

3 成型工藝優(yōu)化及模流分析

3.1 正交試驗(yàn)優(yōu)化

冷卻水路直徑、保壓時(shí)間和保壓壓力等是決定塑件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程通常依靠經(jīng)驗(yàn)來確定這些因素，而經(jīng)驗(yàn)的局限性使其對(duì)塑件的質(zhì)量影響很大。如果使用Moldflow軟件對(duì)每組參數(shù)進(jìn)行分析，因參數(shù)眾多導(dǎo)致分析工作量巨大。在模具基本結(jié)構(gòu)確定后，為了明確冷卻水路直徑、保壓時(shí)間和保壓壓力等對(duì)塑件的影響，以三個(gè)因素作為試驗(yàn)因素，分別為每個(gè)因素設(shè)計(jì)三個(gè)水平，設(shè)計(jì)了L9（33）的正交試驗(yàn)，各因素與水平設(shè)置見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

翹曲變形量是表征塑件成型后變形情況的一個(gè)重要指標(biāo)，正交試驗(yàn)得到的最大翹曲變形量分別為2.13，2.01，1.94，1.78，1.85，2.27，1.89，2.09，2.54 mm。從表2可以看出：保壓壓力對(duì)塑件最大翹曲變形量影響最大，保壓時(shí)間次之，冷卻水路直徑最小。以最大翹曲變形量為指標(biāo)優(yōu)化得到的最佳工藝組合為A2B3C3，即冷卻水路直徑為10 mm，保壓壓力為注射壓力的120%，保壓時(shí)間為25 s時(shí)，該塑件具有較小的翹曲變形量。

表2 最大翹曲變形量極差分析Tab.2 Range analysis of maximum warpage deformation

3.2 冷卻系統(tǒng)分析

冷卻系統(tǒng)主要用于塑件冷卻，冷卻效果的好壞直接影響塑件生產(chǎn)效率和質(zhì)量。通過將冷卻水注入循環(huán)回路中，使其帶走模板內(nèi)的熱量，降低熔體溫度，從而縮短塑件冷卻時(shí)間。根據(jù)正交試驗(yàn)分析，確定了冷卻水路直徑為10 mm，冷卻水溫度為室溫25 ℃。塑件精度要求越高，則對(duì)冷卻水路進(jìn)出口的溫差要求越高。為了減小因冷卻不均而引起的塑件缺陷，要求冷卻水進(jìn)出口溫差控制在5 ℃以內(nèi)。從圖8可以看出：動(dòng)模側(cè)四條水路和定模側(cè)四條水路的進(jìn)出口溫差均在2 ℃以內(nèi)，表明該冷卻水路具有較好的冷卻效果，能夠滿足塑件的冷卻要求。

圖8 冷卻系統(tǒng)分析Fig.8 Cooling system analysis

3.3 翹曲分析

注塑成型得到的塑件產(chǎn)生翹曲變形是不可避免的，一般可通過合理布置冷卻水路和調(diào)整成型工藝參數(shù)等方式將塑件翹曲變形量控制在合理范圍。從圖9可以看出：該塑件的最大翹曲變形量為1.600 0 mm，出現(xiàn)在塑件邊角部位。該最大翹曲變形量遠(yuǎn)小于正交試驗(yàn)所得到的最大翹曲變形量，達(dá)到了優(yōu)化目的。這表明，澆注系統(tǒng)和冷卻水路設(shè)計(jì)符合生產(chǎn)要求，故該方案可用于模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其塑件的注塑成型。

圖9 翹曲變形量Fig.9 Warpage deformation

4 模具工作過程及生產(chǎn)驗(yàn)證

本模具選用龍記三板模架。模具工作過程：（1）閉模。注塑模安裝到注塑機(jī)上，塑料原料由注塑機(jī)料斗加入，在注塑機(jī)內(nèi)加熱塑化后經(jīng)由主流道、分流道及澆口進(jìn)入模具型腔。為防止塑料倒流以及補(bǔ)充塑件的收縮，需由注塑機(jī)提供保壓壓力進(jìn)入保壓階段。澆口凝固后，冷卻系統(tǒng)里注入冷卻水進(jìn)行冷卻。（2）開模。首先，塑件冷卻定型后，模具在注塑機(jī)帶動(dòng)下，動(dòng)模部分開始沿著開模方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)動(dòng)模部分和定模部分在產(chǎn)品分型面處分離。塑件此時(shí)緊緊包裹在型芯上，同時(shí)在側(cè)滑塊的作用下，塑件隨著動(dòng)模一起沿開模方向運(yùn)動(dòng)，初步完成模具開模動(dòng)作。然后，兩個(gè)側(cè)型芯滑塊在液壓缸的作用下，開始側(cè)向抽芯動(dòng)作，完成側(cè)孔和側(cè)表面的脫模。最后，注塑機(jī)頂桿碰到頂針板，在頂桿推動(dòng)下，頂針固定板向前運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)頂針和斜頂?shù)软敵鰴C(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)，由斜頂完成塑件內(nèi)側(cè)抽芯，由頂針將塑件從型芯上推離出來。（3）復(fù)位。模具開始合模，動(dòng)模部分向右移動(dòng)，頂針板逐漸離開頂桿，頂出機(jī)構(gòu)在復(fù)位彈簧的作用下開始復(fù)位，當(dāng)復(fù)位桿碰到定模板時(shí)，在復(fù)位彈簧和復(fù)位桿共同作用下完成頂針和斜頂?shù)软敵鰴C(jī)構(gòu)的復(fù)位。距離完成合模還有一定距離時(shí)，兩個(gè)側(cè)向機(jī)構(gòu)也開始閉合，直至分型面完全閉合。經(jīng)生產(chǎn)表明：模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，生產(chǎn)的汽車空氣濾芯蓋滿足使用要求，可為同類塑件的模具設(shè)計(jì)提供參考。

5 結(jié)論

a）運(yùn)用Moldflow軟件建立澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，對(duì)充填、冷卻和翹曲變形等成型過程進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一模一腔的車用空氣濾芯蓋塑件模具。

b）根據(jù)塑件側(cè)孔長抽芯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及脫模的要求，采用液壓缸用于側(cè)型芯的脫模。為完成塑件內(nèi)部圓弧區(qū)域的脫模，采用了斜頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)部抽芯。

c）采用正交試驗(yàn)法，得到了較佳的冷卻水路尺寸、保壓壓力和保壓時(shí)間等工藝參數(shù)，優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)和成型工藝。

d）經(jīng)生產(chǎn)表明，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，生產(chǎn)的車用空氣濾芯蓋滿足使用要求，可為同類塑件的模具設(shè)計(jì)提供參考。