錐齒輪注塑模結(jié)構(gòu)設(shè)計及成型數(shù)值模擬

高 飛，孫一鵬，殷元達，賀 兵，王 浩，林 權(quán)*

（1.武夷學(xué)院 海峽成功學(xué)院，福建 武夷山 354300；2.哈爾濱北方防務(wù)裝備股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000；3.武夷學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

塑料齒輪具有傳動噪聲低、能夠吸振、自潤滑、模具加工生產(chǎn)效率高等優(yōu)點[1-3]，在當(dāng)今電子電氣設(shè)備產(chǎn)品中，注塑齒輪的應(yīng)用越來越廣泛。注塑模是生產(chǎn)塑料齒輪不可或缺的工藝裝備，傳統(tǒng)注塑齒輪模具設(shè)計大多依靠模具設(shè)計師的經(jīng)驗，常因注塑成型缺陷或模具結(jié)構(gòu)不適，導(dǎo)致塑料齒輪成型質(zhì)量不高，增加修模工序，使得產(chǎn)品設(shè)計制造周期長[4-7]。本課題以傳動錐齒輪為例，提出基于模流分析技術(shù)，探討點澆口雙分型注塑模結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 錐齒輪結(jié)構(gòu)工藝

錐齒輪零件圖如圖1 所示，該塑件結(jié)構(gòu)簡單，壁厚不均勻，成型要求內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，不發(fā)生缺料，整體要求沒有毛刺、飛邊、凹陷等缺陷，表面有光澤度要求，尺寸精度不高，未注尺寸公差為MT5 級，批量生產(chǎn)，選用材料為通用工程塑料之一的聚碳酸酯，牌號為LEXAN-3413，塑件的體積為1.52 cm3，密度為1.20 g/cm3，單個塑件質(zhì)量為1.82 g，收縮率為0.6%，分型面選擇在塑件最大輪廓處。

圖1 錐齒輪零件（單位：mm）

2 注塑成型方案設(shè)計

為了滿足實際的生產(chǎn)需要，以及經(jīng)濟性、效益性最大化，塑件采用一模四腔點澆口進料成型方案設(shè)計，如圖2 所示。圖2 中主流道采用小端直徑為3 mm，大端直徑為5.5 mm，高度為70 mm，采用二級分流道設(shè)計方式，一級分流道長度為82 mm，分流道為圓柱式，直徑為6 mm，二級分流道長度為42.5 mm，分流道為圓錐式，始端直徑為5 mm，末端為3.5 mm，澆口采用圓錐式點澆口，始端為3.5 mm，末端為1mm，錐度為2°。注塑成型采用的注塑機型號為HTF80XB，成型參數(shù)選用材料數(shù)據(jù)庫推薦工藝參數(shù)，由于本塑件結(jié)構(gòu)簡單，故采用分型面排氣方式設(shè)計排氣結(jié)構(gòu)。

圖2 注塑成型方案

3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

冷卻系統(tǒng)設(shè)計目的是為了更快更好更均勻地進行產(chǎn)品冷卻定型，并減少成型周期，通過應(yīng)用MoldFlow模流分析中的成型窗口模塊，獲知該塑件注射周期為2～5 s，冷卻周期可設(shè)計為5 s，保壓時間可以設(shè)計為15 s，模具開合模時間可設(shè)計為5 s，因此一個注塑成型周期最多為50 s，因此1 h 內(nèi)注塑成型次數(shù)為72次，由此計算每個小時內(nèi)，模具總的注塑質(zhì)量W，根據(jù)下列公式校核：

式中，W 表示單位時間內(nèi)模具成型總的質(zhì)量，kg/h；M表示一次注塑成型塑件質(zhì)量，kg；n 表示每小時的注塑次數(shù)，得到：

進一步計算周期范圍內(nèi)的釋放熱量，根據(jù)下列公式，得到：

式中，Q 表示單位時間內(nèi)的釋放熱量，kJ/h；W 表示單位時間內(nèi)模具成型總的質(zhì)量，kg/h；Q1表示塑件在固化時候釋放的熱量，取350 kJ/kg。

按照注塑車間室溫條件，采用水冷方式作業(yè)降低模溫，模具進水口溫度約20℃，經(jīng)過模具一個循環(huán)周期后出水口溫度約為25℃，水流速度為湍流狀態(tài)，進出水口溫度誤差為5℃左右，在一個單位時間內(nèi)，熔融狀態(tài)下凝料固化成型時產(chǎn)生的熱量等于冷卻系統(tǒng)水管帶走的熱量，水的體積流量計算如下：

式中，qv表示冷卻水的體積流量，m3/min；Q 表示單位時間內(nèi)的釋放熱量，581 kJ/h；ρ 表示冷卻水的密度，取1×103kg/m3；c1表示冷卻水的比熱容，取4.187 kJ/（kg·℃）；q1表示冷卻水的出水口溫度，取25℃；q2表示冷卻水的進水口溫度，取20℃，最后得到水的體積流量qv=0.03 m3，冷卻水道直徑取φ=8 mm，具體冷卻系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示。

圖3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計三維圖

4 注塑成型模流分析

4.1 注塑位置壓力和鎖模力

注塑過程中需要關(guān)注注塑機壓力曲線峰值，壓力不能超過注塑機的最大注塑壓力的80%的安全數(shù)值，圖4 和圖5 分別為注塑位置處壓力曲線和鎖模力曲線，通過分析XY 壓力圖，可知壓力峰值為36 Mpa，在注塑成型機允許的范圍內(nèi)，符合要求。通過分析XY 鎖模力圖，可知鎖模力峰值為8 tonne，同樣在注塑機允許的范圍內(nèi)，符合成型需求。

圖4 注塑位置處壓力

圖5 鎖模力

4.2 型腔壓力

除了關(guān)注注塑位置處壓力和鎖模力XY 變化外，還需注意分析和判斷塑件成型型腔的壓力動態(tài)變化。在一個周期范圍內(nèi)塑件成型壓力應(yīng)盡可能均勻地施加在模具型腔內(nèi)部。塑件成型時間-壓力如圖6 所示，根據(jù)錐齒輪塑件成型時間和壓力分布模流分析結(jié)果可知，該塑件的壓力分布均勻變化，不易造成各型腔的壓力不均。

圖6 塑件成型時間-壓力云圖

4.3 充填時間

充填時間是模流分析中最重要的參數(shù)之一，充填時間直接影響到整個注塑成型周期，在一個充填時間范圍內(nèi)，塑件相同結(jié)構(gòu)特征處，應(yīng)該盡可能在統(tǒng)一的時間段充填，錐齒輪塑件充填時間分布云圖如圖7 所示，從圖7 中可以獲知該產(chǎn)品充填時間為3.57 s，且各型腔充填時間平衡。

圖7 充填時間云圖

4.4 氣穴

塑料熔體通過澆口進入型腔，流經(jīng)每個型腔需要排出模具型腔內(nèi)的空氣，在這過程中容易在塑件的熔料交叉區(qū)域留下氣穴，塑件成型氣穴分布如圖8 所示，氣穴分布特性與塑件自身結(jié)構(gòu)以及模具結(jié)構(gòu)相關(guān)，應(yīng)盡量使氣穴分布于充填末端或模具分型面位置，有利于空氣從充填末端及時排出。從圖8 可獲知，錐齒輪塑件的氣穴大多數(shù)位于充填末端，或者位于錐齒輪大端分型面處，氣穴不會對注塑成型質(zhì)量造成影響。

圖8 氣穴分布三維圖

4.5 零件溫度

塑件在脫模前需要冷卻至玻璃態(tài)溫度以下，保證一定的剛性，有利于推出機構(gòu)對塑件進行推出完成脫模。錐齒輪塑件冷卻后零件溫度分布如圖9 所示，從圖9 中可以獲知，經(jīng)歷一成型周期后達到穩(wěn)定狀態(tài)后，塑件的整體溫度都低于70℃，成型流道溫度普遍低于70℃，符合塑件推出溫度，溫度位于安全范圍之內(nèi)，可以保證塑件產(chǎn)品在推出時候的剛性，而不發(fā)生變形。

圖9 零件溫度分布云圖

4.6 翹曲變形

翹曲變形量注塑成型質(zhì)量重要考量指標之一，錐齒輪注塑件翹曲變形量分布云圖如圖10 所示，結(jié)果顯示零件不斷朝質(zhì)心收縮，最大翹曲變形量不足1 mm，各型腔變形量比較均勻，塑件變形量小，穩(wěn)定性高，有助于提高塑件成型質(zhì)量，適合實際的注塑生產(chǎn)。

圖10 翹曲變形分布云圖

5 模具主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 成型結(jié)構(gòu)設(shè)計

型腔主要是成型產(chǎn)品外表面，型腔的設(shè)計直接決定了產(chǎn)品的表面質(zhì)量，模具型腔設(shè)計主要有整體式和鑲嵌式，鑲嵌式便于加工和裝拆，材料選擇工藝范圍寬，錐齒輪塑件選用鑲嵌式的型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖11所示。

圖11 模具型腔結(jié)構(gòu)

型芯是成型產(chǎn)品內(nèi)表面，以及存在產(chǎn)品包緊力最大的區(qū)域，因此型芯設(shè)計需要考慮脫模問題。型芯設(shè)計方式也有整體式和組合鑲嵌式。錐齒輪塑件采用組合鑲嵌式，鑲件安裝于主型芯上，有利于模具加工和零件選材，節(jié)省成本，同時也保證了維修和拆裝方便，具體型芯結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖12 所示。

圖12 模具型芯結(jié)構(gòu)

5.2 頂出機構(gòu)設(shè)計

產(chǎn)品成型冷卻后通常收縮包緊在型芯上，此時需要設(shè)計頂出系統(tǒng)使產(chǎn)品脫模。常用的頂出機構(gòu)有兩種類型：第一，頂桿、推管、斜頂頂出系統(tǒng)，對于塑件內(nèi)壁沒有太大要求，但一般產(chǎn)品通過頂桿頂出則會在頂出的地方留下痕跡；第二，采用推板推出，沒有設(shè)計頂桿，推板沿著產(chǎn)品最大輪廓截面處推出，常用于對內(nèi)壁有較高要求的產(chǎn)品，其優(yōu)點在于成型時間短、脫模順暢，缺點就是成本稍貴和結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

6 模具結(jié)構(gòu)總圖及工作原理

錐齒輪注塑模總裝圖如圖13 所示，該模具通過定位環(huán)16 定位，利用壓板和螺絲固定頂板15 和底板1裝載于注塑機。注塑成型周期開始時，塑料原料通過料斗進入料筒蝸桿，經(jīng)過加熱塑化成為熔融的膠料，膠料通過澆口襯套18 主流道，再經(jīng)由分流道和澆口，進入模具型腔內(nèi)。經(jīng)過充填、保壓、冷卻成型，模具在脫料板14 和定模板13 之間第一次打開，打開的距離由通用小拉桿8 控制距離，該距離大于澆注系統(tǒng)的總高度，完成第一次分型。模具第二次分型打開，在頂板15 和脫料板14 之間，分型高度約10 mm，該距離由通用小拉桿8 頂部螺釘間距控制，此次開模將澆注系統(tǒng)和拉料桿17 實現(xiàn)分離，分離后機械手或人工取出澆注系統(tǒng)廢料。開模距離滿足塑件脫模和取件要求后停止運動。注塑機的頂棍通過頂棍孔頂向推桿板3、推桿固定板4、推管7，同步繼續(xù)往上運動、頂出塑件，完成脫模。注塑機頂棍退回，頂出系統(tǒng)在復(fù)位桿27 和彈簧26 的作用下，完成復(fù)位。模具合模，準備下一次注塑周期。裝配技術(shù)要求對各分型面進行研修，應(yīng)使垂直分型面接觸吻合，水平分型面稍留有間隙，間隙在0.01～0.02 mm 之間；模具所有活動部位應(yīng)保證位置準確，動作可靠，不得有歪斜和卡滯現(xiàn)象，要求固定的零件不得相對竄動；裝配后需要進行試模驗收，脫模機構(gòu)不得有干涉現(xiàn)象。

圖13 錐齒輪注塑模具裝配總圖

7 結(jié)束語

運用MoldFlow 模流分析軟件，對錐齒輪注塑件進行注塑成型數(shù)值模擬，首先進行了一模四腔的型腔布局設(shè)計，繼而創(chuàng)建了點澆口澆注系統(tǒng)和直流循環(huán)冷卻系統(tǒng)，然后通過充填、保壓、冷卻、翹曲分析，獲知了產(chǎn)品注塑位置處壓力峰值為36 MPa，鎖模力峰值為8 tonne，充填時間為3.57 s，錐齒輪塑件的氣穴大多數(shù)位于充填末端，或者位于錐齒輪大端分型面處，不會對注塑成型質(zhì)量造成影響，最大翹曲變形量不足1 mm 等成型特性，符合產(chǎn)品生產(chǎn)成型技術(shù)要求。最后基于模流分析結(jié)果，進行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用了螺釘拉桿定距的雙分型小澆口注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，通過生產(chǎn)實踐證明，該模具結(jié)構(gòu)可靠，產(chǎn)品合格。