基于CAX滑塊底部帶滑塊的汽車?yán)€接頭注射模設(shè)計(jì)＊

蔣 燕，方迪成

（汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東汕頭515078）

1 引言

汽車?yán)€接頭塑件是汽車?yán)飨到y(tǒng)的組成零件，大批大量生產(chǎn)。該塑件尺寸小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有多處結(jié)構(gòu)需要側(cè)抽芯，而由于空間受限，多處側(cè)抽芯部位無法單獨(dú)設(shè)置抽芯結(jié)構(gòu)，需要在模具抽芯結(jié)構(gòu)上進(jìn)行巧妙設(shè)計(jì)。另外該塑件尺寸精度要求高，公差值低于0.05mm，要求模具各零件之間定位精度高，需要采取多重定位結(jié)構(gòu)。下面對(duì)模具的澆注系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，以期其成功方案能為類似模具設(shè)計(jì)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

汽車?yán)€接頭塑件的外形尺寸為φ19.25×63.48mm，塑件壁厚約2.25mm，最大厚度處約為5.8mm，體積為7.9×103mm3。塑件的尺寸較小且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。塑件要求精度為MT2。塑件成型后要求：外表面光潔、沒有毛刺、無浮纖，卡扣無損傷、卡接力達(dá)到預(yù)定目標(biāo)值，其他部分不能有明顯注射成型缺陷痕跡。塑件由內(nèi)、外兩個(gè)分型部分組成；塑件四周既有側(cè)凹又有貫穿式的倒勾結(jié)構(gòu)特征，因塑件小空間受限，無法按常規(guī)做四面滑塊的方式脫模，可以考慮滑塊底部帶滑塊的脫模機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)[1～2]。圖1所示為汽車?yán)€接頭結(jié)構(gòu)圖。

圖1 汽車?yán)€接頭

2.2 成型材料分析

所選用材料是PA46+GF25（荷蘭DSM TW241F5），該材料的密度為1.35g/cm3，收縮率為0.5%～1.2%。該材料具有耐沖擊強(qiáng)度高、耐候性佳、抗化學(xué)環(huán)境佳、耐熱溫度高、吸水量小、尺寸穩(wěn)定性佳等特點(diǎn)[3]。常用于汽車工業(yè)、電機(jī)、電子、包裝、休閑運(yùn)動(dòng)與機(jī)械工程等領(lǐng)域。該塑料的流變粘度曲線及PVT曲線如圖2所示。

圖2 PA46+GF25的流變粘度及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(duì)汽車?yán)€接頭進(jìn)行實(shí)體建模，并對(duì)汽車?yán)€接頭3D數(shù)據(jù)中不影響分析的結(jié)構(gòu)（如圓角、倒角）進(jìn)行修整，并將修整后的模型導(dǎo)入Moldflow2019（MFI）中。因塑件壁厚相差較大，固對(duì)汽車?yán)€接頭模型進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型如圖3所示。四面體網(wǎng)格實(shí)體為493，636，體積為7.96cm3，網(wǎng)格最大縱橫比97.26，平均縱橫比3.72，最小縱橫比1.1。

圖3 汽車?yán)€接頭網(wǎng)格模型

3.2 塑件壁厚分析

如圖4所示，汽車?yán)€接頭的壁厚分布比較平均，平均厚度約為2.8mm，因塑件結(jié)構(gòu)及功能的需求，最薄處約為1.3mm，最厚處為5.8mm，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 澆口及澆注系統(tǒng)

應(yīng)用MFI進(jìn)行澆注位置分析，汽車?yán)€接頭塑件理論澆注位置如圖5a所示，在塑件頂端中間位及卡扣部位。綜合考慮模具大批大量生產(chǎn)和注射模結(jié)構(gòu)與分布需要，采用如圖5b所示的開放式熱流道轉(zhuǎn)冷流道大水口單點(diǎn)側(cè)澆口的澆注方案[4]。主流道采用熱流道系統(tǒng)，半徑為R4mm；分流道使用梯形與圓形截面相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，主分流道為梯形，尺寸為4×3.5×3mm，次分流道直徑為φ3mm，側(cè)澆口端面直徑為φ1.2mm。

圖5 最佳澆口位置分析

3.4 成型分析

依據(jù)確定的澆注系統(tǒng)方案，對(duì)于影響汽車?yán)€接頭注塑質(zhì)量的各種參數(shù)進(jìn)行成型仿真分析[5]，仿真結(jié)果如圖6所示。①圖6a顯示注射的填充時(shí)間，圖中所示汽車?yán)€接頭塑件無半透明區(qū)域，說明充填過程流動(dòng)順暢平衡、無短射和澆不足情況；②圖6b顯示充填前沿溫度，塑件上沒有低于315.4℃的淺色區(qū)域，而最高為321.9℃，溫度差僅為2.4℃，塑件溫度分布均勻，不會(huì)在塑件表面產(chǎn)生色差；③圖6c顯示速度/壓力切換時(shí)的壓力，結(jié)果表明在V/P切換位時(shí)，填充最大壓力為44.01MPa，且圖中沒有透明區(qū)域，意味著填充壓力合適；④圖6d為2個(gè)塑件在填充完成時(shí)的凍結(jié)因子分布圖，從圖6d中可看出2個(gè)塑件冷凍層分布均勻，無過速冷凍區(qū)域，且水口凍結(jié)前塑件已經(jīng)凍結(jié)，充填效果非常好；⑤圖6e顯示在塑件表面部分出現(xiàn)了少量熔接痕，但由于該塑件是結(jié)構(gòu)功能件，且熔接痕位置不影響塑件強(qiáng)度，同時(shí)該進(jìn)膠方式比較適合成型；⑥圖6f為氣穴圖，從圖6f中可以看出在塑件邊緣的地方及末端結(jié)合處分布散點(diǎn)式氣穴，說明模具內(nèi)空氣已基本排出，同時(shí)可以在邊緣及末端利用模具零件間的縫隙排氣即可；⑦圖6g顯示需要最大鎖模力為4.854t，常用注塑機(jī)即可滿足；⑧圖6h為塑件的平均纖維取向，從圖上來看纖維取向基本一致且均勻，塑件不會(huì)出現(xiàn)波浪變形的情況；⑨從圖6i表示縮痕，其最大尺寸為0.2325mm，且縮痕位于塑件頂部，對(duì)制品質(zhì)量影響可以忽略；⑩從圖6j來看，塑件外表面體積收縮均勻，收縮最大的地方為R轉(zhuǎn)接處，不影響整體；○1圖6k所示的冷卻回路雷諾數(shù)為10，000，冷卻效果好，冷卻水路合適；○12從圖6l可見，塑件的變形最大位置在塑件的的末端，引起塑件的變形主因是收縮不均勻，模具通過收縮補(bǔ)償后基本上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變形的糾正[6～8]。

綜合以上分析，擬采用的汽車?yán)€接頭注射模澆注方案可行。

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 分型面設(shè)計(jì)

針對(duì)汽車?yán)€接頭的形狀結(jié)構(gòu)，選擇如圖7中塑件中心面為分型面，模具型腔選擇如圖6塑件分布的一模兩腔結(jié)構(gòu)。設(shè)置如圖7所示的分型面，既有利于利用滑塊結(jié)合面，鑲件與滑塊、司筒套裝與滑塊的裝配間隙排氣，也便于塑件在模具中定位，還能簡化抽芯機(jī)構(gòu)，簡化后續(xù)生產(chǎn)中塑件的脫模及處理塑件飛邊。

圖6 汽車?yán)€接頭模流仿真分析

圖7 分型面的設(shè)計(jì)

4.2 型腔型芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將汽車?yán)€接頭塑件按照圓中心面分開，主體部分在兩個(gè)大滑塊上成型，下端側(cè)凹為兩個(gè)小滑塊，中間部分為司筒套裝，作動(dòng)模，定模部分無塑件膠位，模具結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 汽車?yán)€接頭的模具結(jié)構(gòu)2D圖

（1）型腔結(jié)構(gòu)。模具型腔部分由定模板3及熱咀29組成，如圖9所示。流道在定模板3及熱咀29上經(jīng)過。熱咀29穿過定模板3固定在定模座板2上。在定模板3的選材上，采用高級(jí)優(yōu)質(zhì)中碳鋼S50C，它具有良好的機(jī)械加工性、切削性特佳，適用于塑膠模架、配板及機(jī)械配件，出廠硬度為170～220HB。

圖9 定模側(cè)模具結(jié)構(gòu)3D圖

（2）型芯結(jié)構(gòu)。模具型芯部分由滑塊6、24、31、33、滑塊鑲針7、23、滑塊鑲件9、25及司筒套裝15、16組成，如圖8、圖10、圖11、圖12、圖13所示。其中滑塊6、24成型塑件主體部分膠位，滑塊31、33、滑塊鑲針7、23、滑塊鑲件9、25成型部分卡扣結(jié)構(gòu)，司筒套裝15、16成型塑件內(nèi)部孔位部分。

圖10 動(dòng)模側(cè)模具結(jié)構(gòu)3D圖Ⅰ

圖11 動(dòng)模側(cè)模具結(jié)構(gòu)3D圖Ⅱ

圖13 滑塊結(jié)構(gòu)3D圖Ⅱ

因?yàn)槠嚴(yán)€接頭的塑膠材料為PA46+GF25，具有較強(qiáng)度耐磨性，且滑塊6、24、31、33、滑塊鑲針7、23、滑塊鑲件9、25均為活動(dòng)件，選用易加工、易拋光、韌性耐磨性俱佳的熱作模具鋼，需熱處理并保證硬度48HRC以上。

司筒套裝15、16因同時(shí)承擔(dān)成型及頂出的作用，可采用中碳高鉻合金工具鋼SKD61，其熱處理后具有較高的硬度及耐磨性，并具有高淬透性、尺寸穩(wěn)定的特點(diǎn)。熱處理后應(yīng)保證中心硬度不低于38HRC，表面氮化處理且硬度不低于900HV。

4.3 導(dǎo)向與定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于汽車?yán)€接頭為圓形塑件，為了保證塑件的同心度以及保證合模準(zhǔn)確和模具長時(shí)間使用后的維修方便，本模具設(shè)計(jì)了由原身虎口及導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)合的導(dǎo)向定位系統(tǒng)，如圖8、圖9、圖10、圖12、圖13及圖14所示。它既能實(shí)現(xiàn)模具在運(yùn)行過程中的快速、精確導(dǎo)向，也能防止長期生產(chǎn)后因?yàn)槟＞吣p而造成錯(cuò)位。

圖14 模具定位結(jié)構(gòu)示意圖

4.4 抽芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因汽車?yán)€接頭是一個(gè)四周既有側(cè)凹又有貫穿式的倒勾結(jié)構(gòu)特征的細(xì)小塑件（見圖1），無法按常規(guī)動(dòng)抽芯的同時(shí)，帶動(dòng)穿插在其中的小滑塊在其底部滑動(dòng)一起完成抽芯動(dòng)作（大滑塊相當(dāng)于小滑塊的彎銷式鏟機(jī)，驅(qū)動(dòng)小滑塊進(jìn)行滑動(dòng)抽芯），解決了塑件因空間狹小的限制無法出模的問題。

圖15 臥式注塑結(jié)構(gòu)

滑塊底部帶滑塊的抽芯結(jié)構(gòu)主要由斜導(dǎo)柱5、滑塊6、24、31、33、滑塊鑲針7、23、滑塊鑲件9、25、波子螺絲10、限位塊11、滑塊壓塊12、32、彈簧34、限位柱35及導(dǎo)向塊44等組成，如圖12、圖13、圖16及圖17所示。斜導(dǎo)柱5固定在定模板3上，滑塊6、24固定在動(dòng)模板13上，滑塊6、24限制在動(dòng)模板13、滑塊壓塊32及導(dǎo)向塊44之間移動(dòng)；滑塊31、33固定在動(dòng)模板13上，滑塊31、33限制在動(dòng)模板13、滑塊6、24及滑塊壓塊12之間移動(dòng)。它們是在注塑機(jī)開模力的作用下，圖8中定、動(dòng)模板3、13分開，滑塊6、24在斜導(dǎo)柱5的撥動(dòng)作用力下沿著滑塊壓塊32及導(dǎo)向塊44向后移動(dòng)，與此同時(shí)滑塊31、33則在滑塊6的撥動(dòng)力及彈簧34的作用力下沿著滑塊壓塊12向后移動(dòng)（注：滑塊6相當(dāng)于滑塊31、33的彎銷式鏟機(jī)，驅(qū)動(dòng)滑塊31、33進(jìn)行滑動(dòng)抽芯），直到在波子螺絲10與限位塊11的限制下滑塊6、24完成預(yù)定的抽芯距離，滑塊31、33也同樣在彈簧34的預(yù)壓力及限位柱35的限制下完成預(yù)定的抽芯距離，抽芯完成。

圖16 抽芯部件的示意圖

圖17 滑塊結(jié)構(gòu)局部剖面圖

4.5 其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

頂出與先復(fù)位機(jī)構(gòu)采用常規(guī)結(jié)構(gòu)，使用頂棍拉桿式先復(fù)位結(jié)構(gòu)。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)在定模板3、滑塊6、24上采用循環(huán)冷卻水路布置。排氣系統(tǒng)利用模具中的分型面、司筒與司筒孔、滑塊與滑塊及鑲件與滑塊等配合間隙來排氣。

5 模具工作過程

開模時(shí)：模具在注塑機(jī)作用下，定、動(dòng)模板3、13分開，滑塊6、24在斜導(dǎo)柱5的撥動(dòng)作用力下沿著滑塊壓塊32及導(dǎo)向塊44向后移動(dòng)，與此同時(shí)滑塊31、33則在滑塊6的撥動(dòng)力及彈簧34的作用力下沿著滑塊壓塊12向后移動(dòng)，注：滑塊6相當(dāng)于滑塊31、33的彎銷式鏟機(jī)，驅(qū)動(dòng)滑塊31、33進(jìn)行滑動(dòng)抽芯，直到在波子螺絲10與限位塊11的限制下滑塊6、24完成預(yù)定的抽芯距離，滑塊31、33也同樣在彈簧34的預(yù)壓力及限位柱35的限制下完成預(yù)定的抽芯距離，抽芯完成。繼續(xù)開模，一直到預(yù)定位置。然后注塑機(jī)頂棍推動(dòng)頂桿板18、19向上運(yùn)動(dòng)，固定在頂桿板18、19上的司筒15跟隨推動(dòng)塑件27向上運(yùn)動(dòng)；套在復(fù)位桿37上的彈簧36被壓縮；繼續(xù)頂出，直到碰到限位塊38結(jié)束頂出，然后將塑件27取出。

合模時(shí)：開模完成后，頂棍復(fù)位，連接在頂棍上的頂棍拉桿39拉著頂桿板18、19回位，開模被壓縮彈簧36恢復(fù)，頂桿板18、19跟隨回位，并帶動(dòng)固定在其上的司筒15、復(fù)位桿37等部件回位（注：在此過程中，在斜導(dǎo)柱5還沒有插入滑塊6、24之前，頂棍拉桿39強(qiáng)制使頂出機(jī)構(gòu)率先完全回復(fù)到位）；繼續(xù)合模，直到滑塊6、24、31、33回位，實(shí)現(xiàn)分型面閉合。

6 結(jié)論

通過對(duì)汽車?yán)€接頭塑件結(jié)構(gòu)、成型材料性能和塑件壁厚的注塑工藝分析，并借助MFI軟件對(duì)汽車?yán)€接頭進(jìn)行模流CAE分析，在綜合模具特殊結(jié)構(gòu)、“最佳澆注位置”等特定條件，設(shè)計(jì)了開放式熱流道轉(zhuǎn)冷流道大澆口和單點(diǎn)側(cè)澆口的澆注方案，和塑件壁厚的注塑工藝分析，并借助MFI軟件對(duì)汽車?yán)€接頭進(jìn)行模流CAE分析，在綜合模具特殊結(jié)構(gòu)、“最佳澆注位置”等特定條件，設(shè)計(jì)了開放式熱流道轉(zhuǎn)冷流道大澆口和單點(diǎn)側(cè)澆口的澆注方案，并在對(duì)汽車?yán)€接頭尺寸精度和表面質(zhì)量的注塑參數(shù)進(jìn)行了模擬分析。應(yīng)用CAX軟件進(jìn)行整副注射模設(shè)計(jì)，完成了包括：分型面，型芯型腔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)、側(cè)向分型、頂出及先復(fù)位機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)以及排氣系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)，對(duì)類似模具設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。