基于Moldflow的護(hù)欄支架注塑模設(shè)計

黎作先,盧偉煒*,章國偉

(1. 中特泰來模具技術(shù)有限公司,浙江 寧波 315000 2. 寧波工程學(xué)院,浙江 寧波 315000)

0 引 言

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)工程塑料是一種強(qiáng)度高且易成型的低成本塑料原材料,它不僅具有較好的力學(xué)性能,還具有耐磨、耐腐蝕、耐高溫、耐低溫、耐氧化的優(yōu)良材料性能,使其可以在一定程度上代替金屬制件在工程中使用[1]。本文將介紹一種以ABS工程塑料為原材料的護(hù)欄支架產(chǎn)品的注塑模具設(shè)計方法,通過該模具可高效快速地成型出尺寸精確、表面光潔的高質(zhì)量護(hù)欄支架。同時在模具設(shè)計的過程中還充分考慮了塑件的材料利用率、生產(chǎn)效率和模具成本,使模具設(shè)計更為科學(xué)合理。

1 塑件產(chǎn)品分析

如圖1所示,護(hù)欄支架為香蕉型帶側(cè)孔零件,塑件最大外形尺寸約為128mm×48mm×24mm。其側(cè)壁厚3mm,頂面厚4mm,局部有2mm厚加強(qiáng)肋。小端有直徑為14mm的通孔,與直徑為9mm的側(cè)孔相貫通。頂面有一腰型通孔,長46mm,寬6mm。為滿足護(hù)欄支架長期戶外使用的壽命要求,及連接、承載的功能性和力學(xué)性能要求,選擇ABS工程塑料為其原材料。ABS工程塑料在高溫和低溫下均能保持較好的力學(xué)性能,幾乎不受溫度、濕度的影響,環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)[2]。ABS工程塑料的收縮率約為0.5%,成型溫度為220～260℃。護(hù)欄支架為工程使用零件,故對表面質(zhì)量要求不高,保證塑件表面沒有熔接痕、起泡或斑點(diǎn),表面粗糙度(Ra)達(dá)到0.8μm即可。根據(jù)其使用要求,確定塑件的精度等級為MT3。

(a) 正面

用UG軟件對塑件三維造型后,分析出塑件體積V=38.83cm3, ABS工程塑料的密度為1.02～1.05g/mm3,因此,單個塑件的質(zhì)量約為40g。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 分型面設(shè)計及型腔布置

在設(shè)計護(hù)欄支架的分型面時,應(yīng)重點(diǎn)考慮如下幾點(diǎn):1)分型面應(yīng)選在塑件的最大截面處,且為方便脫模,型芯在動模,型腔在定模;2)應(yīng)盡量不在塑件的外表面留下分模痕跡,以保證塑件的外觀質(zhì)量;3)該塑件有側(cè)型芯,應(yīng)將側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計在動模一側(cè)[3]。因此,設(shè)計護(hù)欄支架的分型面如圖2所示。因塑件形狀的特殊性,該分型面為曲面分型面,使模具的加工和裝配有一定難度,但采用先進(jìn)的數(shù)控加工機(jī)床可以保證模具加工的精度和效率。

圖2 護(hù)欄支架的分型面Fig.2 Parting surface of guardrail bracket

一模多腔是提高模具經(jīng)濟(jì)效益的主要手段,從護(hù)欄支架的尺寸和塑件重量來看,該塑件滿足一模多腔的技術(shù)指標(biāo)和生產(chǎn)條件,綜合考慮產(chǎn)品的工藝性和模具加工成本,護(hù)欄支架模具采用一模四腔呈H形對稱分布,塑件在型腔內(nèi)的布置如圖3所示。

圖3 塑件在型腔內(nèi)的布置Fig.3 The arrangement of plastic parts in the cavity

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

因為護(hù)欄支架對表面質(zhì)量的要求不高,且從簡化模具設(shè)計和方便側(cè)向抽芯的角度考慮,模具采用外側(cè)進(jìn)料的側(cè)澆口形式,加工在分型面的型芯一側(cè)。由經(jīng)驗公式,確定澆口尺寸為1.5mm×2mm×3mm。

為檢驗澆注系統(tǒng)的充型效果,采用Moldflow有限元分析軟件對塑件的充模和保壓過程進(jìn)行了有限元模擬[4]。圖4是塑件的充填時間模擬結(jié)果,從圖中可以看出,由于采用了平衡式流道布置,4個塑件可同時同步充型,型腔完全充滿僅耗時3.036s,說明成型效率較高。

圖5是塑件的充型壓力模擬結(jié)果,從圖中可以看出,主流道入口處壓力最大,約為25MPa,主流道中部和分流道的壓力約為12.5MPa,壓降明顯;熔體以約9MPa的壓力從澆口處進(jìn)入型腔,受型芯阻力和型腔摩擦力的影響,充型壓力逐步減小;熔體從寬端向窄端流動時,局部壓力損失明顯增大,至型腔末端時,充型壓力接近0。模擬結(jié)果說明,采用該澆注系統(tǒng)時充模壓力相對較小,一般注塑設(shè)備均可滿足。

圖5 充型壓力模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of filling pressure

圖6是塑件熔接線的位置圖,從圖中可以看出,在與熔體流動方向相對的型芯末端存在產(chǎn)生熔接線的風(fēng)險。前鋒料夾角越小,產(chǎn)生熔接線的風(fēng)險就越大,在側(cè)孔處有多個熔接線風(fēng)險位置。但該塑件充型時間較短,前鋒料溫差較小,實際生產(chǎn)時不會產(chǎn)生熔接線。

圖6 熔接線模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of weld connection

2.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

為縮短塑件的冷卻定型時間,在塑件的上下兩層分別開設(shè)了環(huán)形冷卻水道。冷卻水道的直徑為10mm,其中心線距離塑件的最小距離為12mm,冷卻水道的布置如圖4所示。

2.4 成型零件設(shè)計

根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)分析,模具的型腔和型芯均設(shè)計為整體嵌入式,如圖7和圖8所示,這樣既方便加工,又可以節(jié)約模具材料成本。型腔鑲塊和型芯鑲塊通過H7/m6的過渡配合和沉頭螺釘分別與定模板和動模板連接定位,而成型小端通孔的圓柱小型芯則作為鑲塊,通過臺肩和H7/m6的過渡配合固定在型芯鑲塊中。該小型芯與成型側(cè)孔的側(cè)向型芯相貫,因此需在其側(cè)面對應(yīng)高度位置加工出與側(cè)向型芯基本尺寸一致的孔,并與側(cè)向型芯形成H7/f6的間隙配合,使側(cè)向型芯可以順滑地插入和拔出,并保證成型時兩孔邊緣無飛邊產(chǎn)生。由于小型芯上側(cè)孔的加工使其安裝的角度唯一,故小型芯的臺肩和型芯鑲塊的固定孔均按馬蹄形止轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計,以保證其裝配的位置精度。所有的成型零件需達(dá)到Ra0.2～0.8μm標(biāo)準(zhǔn),以保證塑件的表面粗糙度。

圖7 型腔鑲塊Fig.7 Cavity insert

圖8 型芯鑲塊Fig.8 Core insert

2.5 側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計

塑件的側(cè)孔深度為9mm,側(cè)向型芯與小型芯相貫部分的高度為1.63mm,再留2～3mm的側(cè)抽芯余量,確定該模具的側(cè)抽距離為13mm。當(dāng)側(cè)抽距離較小時,適合采用斜導(dǎo)柱側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)實現(xiàn)[5]。該模具的側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)如圖9所示。為提高側(cè)向型芯的強(qiáng)度和剛度,將其設(shè)計為兩段式,固定端加粗到其成型端直徑的兩倍,即φ18mm。側(cè)向型芯通過H7/m6的過渡配合嵌入滑塊,再用銷釘連接,在滑塊上側(cè)向型芯的后面有一φ10mm的孔供拆卸側(cè)向型芯用?；瑝K在T形導(dǎo)滑槽內(nèi)運(yùn)動,并通過彈簧定位螺釘限位,滑塊上開φ13mm, 20°的斜孔,該孔與斜導(dǎo)柱間有1mm間隙。斜導(dǎo)柱通過臺肩和H7/m6的過渡配合固定在定模板上,其總長度為133mm。楔緊塊通過頂部的螺紋連接固定在定模板上,其楔角為23°,保證合模時能壓緊滑塊,而開模時又能及時脫離滑塊。

圖9 斜導(dǎo)柱式側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)Fig.9 Side parting core pulling mechanism with inclined guide post

2.6 脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計

如圖10所示,模具采用推桿脫模機(jī)構(gòu),即在每個塑件的內(nèi)表面布置8個直徑為4mm的標(biāo)準(zhǔn)式推桿,推桿與型芯鑲塊間采用H7/g6的間隙配合,且表面粗糙度至少為Ra0.8μm。在模溫的作用下推桿直徑略有膨脹,使推桿與型芯間的間隙比設(shè)計值略小,這樣既能保證推出運(yùn)動順滑可靠、排氣順暢,也能避免間隙過大形成溢料飛邊。因在側(cè)向型芯的正下方有一個推桿,為避免合模時側(cè)向型芯與該推桿發(fā)生干涉,模具采用彈簧式先復(fù)位機(jī)構(gòu),即在4個均布的復(fù)位桿上分別安裝彈簧,合模時推板與注塑機(jī)頂桿脫離接觸后,在彈簧回復(fù)力的作用下使固定在推桿固定板上的所有推桿、復(fù)位桿和拉料桿都迅速復(fù)位,此時斜導(dǎo)柱還未驅(qū)動滑塊復(fù)位,推桿便復(fù)位結(jié)束,從而避免了與側(cè)向型芯的干涉。

圖10 推桿的布置Fig.10 The placement of the putter

3 模具整體結(jié)構(gòu)及其工作過程

模具整體結(jié)構(gòu)如圖11所示。模具的工作過程為:開模時,在Z字頭拉料桿19的作用下,主流道凝料從澆口套21內(nèi)被拔出,并留在動模一側(cè);塑件冷卻后包緊型芯鑲塊12,也留在動模一側(cè);動模板5和定模板7從分型面處分開,塑件的外表面從型腔鑲塊10內(nèi)露出;同時,在斜導(dǎo)柱15的作用下,側(cè)型芯滑塊14分別向模具的外側(cè)平穩(wěn)移動,在運(yùn)動到彈簧限位釘17處停止移動,完成側(cè)向分型與抽芯動作;當(dāng)開模距離達(dá)到50mm時,注塑機(jī)頂桿推動推板3運(yùn)動,使安裝在推桿固定板4上的推桿11頂出塑件和澆道凝料,推板導(dǎo)柱24和推板導(dǎo)套25保證了推出動作的順滑可靠;合模時,注塑機(jī)頂桿退回,套在復(fù)位桿22上的復(fù)位彈簧23由開模時的壓縮狀態(tài)恢復(fù)為原長,推動推桿固定板4和推板3回到初始位置。

1-動模座板;2-墊塊;3-推板;4-推桿固定板;5-動模板;6-導(dǎo)柱;7-定模板;8-導(dǎo)套;9-定模座板;10-型腔鑲塊;11-推桿;12-型芯鑲塊;13-楔緊塊;14-滑塊;15-斜導(dǎo)柱;16-側(cè)向型芯;17-彈簧限位釘;18-小型芯;19-拉料桿;20-定位圈;21-澆口套;22-復(fù)位桿;23-復(fù)位彈簧;24-推板導(dǎo)柱;25-推板導(dǎo)套;26-垃圾釘

4 結(jié)語

針對護(hù)欄支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計了一種曲面分型一模四腔兩板模。模具采用側(cè)澆口澆注系統(tǒng),經(jīng)Moldflow有限元軟件分析,該澆注系統(tǒng)的尺寸和澆口的位置可以使熔體快速充滿型腔,并能將熔接痕的風(fēng)險降到最低;模具采用上下兩層環(huán)形冷卻水道,實踐證明,冷卻效果良好;模具的型芯和型腔均采用鑲塊式結(jié)構(gòu),既節(jié)約了模具材料成本,又能更好地保證模具加工和熱處理質(zhì)量;斜導(dǎo)柱式側(cè)向分型和抽芯機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了側(cè)孔的成型,頂桿推出機(jī)構(gòu)將塑件從型芯推出,彈簧復(fù)位設(shè)計避免了合模時推桿和側(cè)向型芯的干涉。經(jīng)實踐驗證,采用該套模具成型后的護(hù)欄支架質(zhì)量良好,達(dá)到了客戶的技術(shù)要求。