方迪成 汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 汕頭 515078
摘要:介紹了汽車?yán)€接頭注塑模設(shè)計(jì)過程,論述了其工作原理。該模具采用側(cè)澆口,一模四腔,鑲嵌立式注塑;運(yùn)用NX/CAD完成了塑件分型面設(shè)計(jì),創(chuàng)新設(shè)計(jì)了頂針、直頂及滑塊組合的一邊頂出一邊抽芯的模具結(jié)構(gòu)特征;借助Moldflflow2016創(chuàng)建了管道循環(huán)冷卻系統(tǒng),并對(duì)塑件填充時(shí)間、冷卻效果及翹曲變形量進(jìn)行模擬分析,得到合理的注塑成型參數(shù)指導(dǎo)模具實(shí)際生產(chǎn)。經(jīng)使用證明:模具結(jié)構(gòu)合理、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作、產(chǎn)品成型完整、質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞:汽車?yán)€接頭;邊頂出邊抽芯;鑲嵌;立式注塑;組合滑塊
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。本研究在完成對(duì)汽車?yán)€接頭塑件結(jié)構(gòu)和注塑工藝分析的基礎(chǔ)上,先運(yùn)用Moldflflow2016對(duì)塑件進(jìn)行模流成型工藝分析,再運(yùn)用UG NX11及AutoCAD2016設(shè)計(jì)成對(duì)注塑生產(chǎn)該汽車?yán)€接頭的注塑模具。為從事相應(yīng)注塑模具設(shè)計(jì)的技術(shù)人員提供借鑒。
01 塑件結(jié)構(gòu)與材料分析
1.1 塑件結(jié)構(gòu)分析
設(shè)計(jì)的塑件為汽車?yán)€接頭,它是汽車線束系統(tǒng)的重要組成部分,是一種關(guān)鍵裝配件,大批量生產(chǎn)。汽車?yán)€接頭塑件的外形尺寸為Φ16.7mm×25.2mm,塑件平均壁厚約2.0mm,厚度最大處約為3mm,體積為2.2×103mm2。 塑件的尺寸較小,但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。塑件要求精度等級(jí)為MT4,為高精度公差等級(jí)。塑件成型后要求:表面光滑、無毛刺、無浮纖,卡扣無損傷、卡接力達(dá)到預(yù)定目標(biāo)值,其他部位無明顯缺陷痕跡。塑件由內(nèi)、外兩個(gè)分型部分組成:塑件內(nèi)部有一周圈內(nèi)倒鉤結(jié)構(gòu)特征,可以考慮通過抽芯機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn);塑件小端有一長(zhǎng)軟管嵌在其中,須一起注塑成型,需考慮軟管的定位問題[1] 。汽車?yán)€接頭的模型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖切如圖1所示。
1.2 成型材料分析
所選用的材料是PA66+GF14(美國(guó)杜邦Zytel/PA668018),該材料的密度為1.19g/cm3 ,收縮率為0.5%~1%。具有高剛性、高強(qiáng)度、高沖擊韌性,耐熱溫度高,高耐磨、耐疲勞,出色的絕緣/電阻性、抗蠕性、收縮率小、尺寸穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[2]。常用于電器配件、汽車零部件、運(yùn)動(dòng)器材、電動(dòng)工具、軸承保持架、接插件等。材料的流變黏度曲線及PVT性能曲線如圖2所示。
02 模流成型工藝分析
2.1 網(wǎng)格劃分
使用UG NX11軟件對(duì)汽車?yán)€接頭進(jìn)行實(shí)體建模,并運(yùn)用Moldflflow CAD Doctor模塊,對(duì)汽車?yán)€接頭3D數(shù)據(jù)中不影響分析結(jié)果的工藝小圓角、倒角進(jìn)行修整,并將修整后的模型導(dǎo)入MFI 2016中。對(duì)汽車?yán)€接頭模型進(jìn)行雙層面網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格模型如圖3所示。三角形網(wǎng)格實(shí)體為56920,表面面積為25.0289cm2 ,網(wǎng)格最大縱橫比4.24,平均縱橫比1.58,最小縱橫比1.16,共用邊為85380條,網(wǎng)格匹配率95.8%,相互百分比為91.3%。網(wǎng)格劃分質(zhì)量很高,能保證后續(xù)各項(xiàng)分析的精確[3]。
2.2 塑件壁厚分析
產(chǎn)品壁厚分析如圖4所示。從圖4可見,汽車?yán)€接頭塑件的整體壁厚分布比較均勻,厚度為2.0mm,幾乎達(dá)到了在塑件的任一切面上厚度均勻一致,避免了壁厚過渡劇變?cè)斐傻某叽绮环€(wěn),也保證了塑件表面不會(huì)出現(xiàn)明顯的瑕疵。圖4中厚度為3.277mm處為塑件與嵌件的過渡位,尺寸為外表面厚度加邊緣厚度及它們之間的距離總和;而0.2161mm為塑件內(nèi)孔與導(dǎo)向錐的尖端厚。
2.3 澆口位置與澆注系統(tǒng)
利用MFI澆口位置分析模塊,得到的汽車?yán)€接頭塑件理論“最佳澆口位置”如圖5a所示,在塑件的卡扣中間位及有嵌件處的末端。綜合考慮塑件主要表面質(zhì)量要求高,不允許在外表面出現(xiàn)澆口痕跡,便于做抽芯結(jié)構(gòu),大批量生產(chǎn)和模具具體結(jié)構(gòu)與布局的需要,設(shè)計(jì)了如圖5b所示的單點(diǎn)側(cè)澆口澆注系統(tǒng)。主流道采用冷流道系統(tǒng),直徑為5mm;分流道采用普通圓形截面流道,直徑為4mm,側(cè)澆口端面直徑為1.2 mm[4-5]。
2.4 成型分析
依據(jù)前述澆注系統(tǒng)方案,針對(duì)影響汽車?yán)€接頭表面質(zhì)量和尺寸的充填時(shí)間、流動(dòng)前沿溫度、速度/壓力切換時(shí)的壓力、凍結(jié)層因子、熔接線、氣穴、鎖模力、平均纖維取向、縮痕、體積收縮率、冷卻回路雷諾數(shù)、變形等進(jìn)行成型仿真分析,結(jié)果如圖6所示。
(1)圖6a為注射充填時(shí)間。從圖6a可以看出,汽車?yán)€接頭塑件沒有出現(xiàn)半透明區(qū)域,說明在填充過程中充填順暢,流動(dòng)平衡,無短射和充填不足情況。而紅色區(qū)域僅表示最后充填。
(2)圖6b為流動(dòng)前沿溫度。從圖6b可以看出,在產(chǎn)品上沒有出現(xiàn)低于299.3℃的淺色區(qū)域,而最高為301.1℃。溫度差為1.8℃,產(chǎn)品溫度分布比較平均,不會(huì)在表面上出現(xiàn)色差。
(3)圖6c為速度/壓力(v/p)切換時(shí)的壓力。結(jié)果顯示,在v/p切換位時(shí),充填最大需要的壓力為78.28MPa,在圖中不存在透明區(qū)域,表明注射壓力合理。
(4)圖6d為4個(gè)注塑產(chǎn)品在充填結(jié)束時(shí)的凍結(jié)層因子分布圖。從圖6d來看,4個(gè)產(chǎn)品的冷凍層分布比較均勻,沒有過快冷凍區(qū)域。雖然水口的冷凍時(shí)間會(huì)比產(chǎn)品快一點(diǎn),在控制好注射時(shí)間的情況下,一般不會(huì)發(fā)生短射,不影響充填。
(5)圖6e為熔接線。從圖6e可以看出,在產(chǎn)品表面局部出現(xiàn)熔接痕,且主要是出現(xiàn)在產(chǎn)品大小端的結(jié)合處,不影響主體外觀。考慮到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)問題,此方式進(jìn)膠,比較適合成型,產(chǎn)品表面質(zhì)量也更有保證。
(6)圖6f為氣穴圖。從圖6f可以看出,只在產(chǎn)品邊緣的地方及大小端結(jié)合處可見散點(diǎn)分布式氣穴。表明模內(nèi)氣體基本可以排出,可以將產(chǎn)品孔位做鑲針及在邊緣采用模具縫隙進(jìn)行排氣即可。
(7)圖6g為鎖模力。從圖6g可以看出,最大鎖模力為24.52t,能滿足常用注射機(jī)鎖模力的要求。
(8)圖6h為產(chǎn)品的平均纖維取向。從圖6h可以看出,纖維取向基本一致且均勻,產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)波浪變形的情況。
(9)圖6i為縮痕圖。從圖6i可以看出,最大縮痕尺寸為0.1494 mm,且縮痕位于產(chǎn)品內(nèi)部,所以該縮痕對(duì)制品質(zhì)量幾乎沒影響。
(10)圖6j為體積收縮率。從圖6j可以看出,產(chǎn)品近外表面部分的平均體積收縮較均勻,收縮最大的地方為卡扣處,因?yàn)榭ń恿Φ男枰z位較厚,不影響整體。
(11)圖6k為冷卻回路雷諾數(shù)。從圖6k可以看出,所示的冷卻回路雷諾數(shù)為10000,說明冷卻效果非常好,水路設(shè)計(jì)合理。
(12)圖6l為總變形。從圖6l可以看出,產(chǎn)品的變形最大位置在產(chǎn)品的大端開口處,因?yàn)檠b配的需求,此處要保持比較好的韌性,所以不能有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。在實(shí)際使用時(shí),可通過卡扣的卡接力實(shí)現(xiàn)對(duì)變形的糾正。綜上所述,汽車?yán)€接頭擬采用的模具澆注系統(tǒng)方案是可行的。
03 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 分型面設(shè)計(jì)
分裂面的設(shè)計(jì)如圖7所示。
以塑件圓中心面作為分型面,一分為二,紅色為分型線。模具型腔采用如圖6所示塑件布置的一模四腔結(jié)構(gòu)形式,使用UG及CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
設(shè)置如圖7所示的分型面,既有利于利用模具結(jié)合面(包括定、動(dòng)模結(jié)合面,各型芯、鑲件與主型芯、型腔的結(jié)合面)處細(xì)小間隙進(jìn)行排氣。同樣也更有利于塑件在模具中安放和定、動(dòng)模的設(shè)置,同時(shí)也為抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了方便,從而降低塑件的脫模難度和模具的設(shè)計(jì)難度,及便于模具長(zhǎng)時(shí)間使用后,塑件合模面產(chǎn)品飛邊的處理[6-7]。
3.2 型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
將成型汽車?yán)€接頭塑件按照?qǐng)A中心面分開,上半部分的模腔部分作定模,做型腔;而下半部分的模腔部分作動(dòng)模,做型芯,卡扣部分做滑塊側(cè)抽芯出模,模具2D結(jié)構(gòu)如圖8所示。
3.2.1 型腔結(jié)構(gòu)
模具型腔部分由定模仁5、定模板3及唧咀4定模鑲件組成,如圖9所示。其中定模仁5成型產(chǎn)品上半部分外表面膠位,部分流道在定模板3及唧咀4定模鑲件上經(jīng)過。定模仁5及唧咀4定模鑲件都固定在定模板3上。在定模仁5的選材上,采用熱作模具鋼葛利茲2343 ESR,它具有優(yōu)良的韌性、延展性、機(jī)加工性、高抗熱疲勞性、耐磨性、拋光性、淬透性及熱處理尺寸穩(wěn)定性,且特別適用于大批量生產(chǎn)的塑料模具,在使用時(shí)亦對(duì)它進(jìn)行熱處理,保證熱處理硬度HRC50~52。
因?yàn)槠嚴(yán)€接頭的塑膠材料為PA66+GF14,具有較強(qiáng)度耐磨性,所以定模板3及唧咀4定模鑲件均采用耐磨性及拋光性能佳且性價(jià)比高的預(yù)硬模具鋼LKM P20,出廠硬度為HRC30~42。
3.2.2 型芯結(jié)構(gòu)
模具型芯部分由唧咀4動(dòng)模鑲件、滑塊6、直頂18、滑塊鑲針21、動(dòng)模仁25及動(dòng)模板28組成,如圖10所示。其中動(dòng)模仁25成型產(chǎn)品下半部分外表面膠位,滑塊鑲針21及直頂18成型卡扣及產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分,部分流道在唧咀4動(dòng)模鑲件、滑塊6、直頂18及動(dòng)模板28上經(jīng)過。唧咀4動(dòng)模鑲件、鏟機(jī)7及動(dòng)模仁25都固定在動(dòng)模板28上。由于汽車?yán)€接 頭批量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、模具使用時(shí)間長(zhǎng),同時(shí)為防止成型合模面磨損和型腔塌邊等,動(dòng)模仁25及直頂18均選用拋光性能優(yōu)良、易切削、高韌性、耐磨性及高延展性的熱作模具鋼葛利茲2343ESR,并進(jìn)行熱處理,保證熱處理硬度為HRC48~50。因?yàn)槠嚴(yán)€接頭的塑膠材料為PA66+GF14,具有較強(qiáng)度耐磨性,所以動(dòng)模板28及唧咀4動(dòng)模鑲件均采用耐磨性及拋光性能佳且性價(jià)比高的預(yù)硬模具鋼LKM P20,出廠硬度為HRC30~42。
3.3 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,為了保證產(chǎn)品的同心度以及保證合模準(zhǔn)確和模具長(zhǎng)時(shí)間使用后的維修方便,本模具設(shè)計(jì)了由導(dǎo)柱導(dǎo)套及原身虎口組成的導(dǎo)向與定位組合系統(tǒng),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(zhǎng)期生產(chǎn)后因?yàn)槟>吣p而造成錯(cuò)位。
3.4 抽芯與頂出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
因汽車?yán)€接頭是一個(gè)內(nèi)部有倒鉤且?guī)ц偳兜漠a(chǎn)品,如圖11所示。如果采用普通滑塊式抽芯會(huì)因直接強(qiáng)制脫模而使產(chǎn)品受到損傷產(chǎn)生缺陷。在本設(shè)計(jì)中,將創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種由頂針、直頂及滑塊組合的一邊頂出一邊抽芯的鑲嵌立式注塑模具結(jié)構(gòu),如圖8、圖11所示。其原理就是讓塑膠產(chǎn)品先脫離模仁后,有向外翻的變形空間再進(jìn)行抽芯,這樣產(chǎn)品就不會(huì)因強(qiáng)制脫模而產(chǎn)生損傷,而且這種方式對(duì)嵌件的長(zhǎng)度甚至形狀都沒有任何的限制,提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)想象空間。
一邊頂出一邊抽芯結(jié)構(gòu)主要由滑塊6、鏟機(jī)7、等高螺絲8、彈簧 (9、10、11)、頂針(12、13)、直頂18及滑塊鑲針21組成,如圖12、圖13所示。它們是在注射機(jī)的開模力的作用下,圖8中定動(dòng)模3、5、25、28分開,滑塊6與直頂18在彈簧9、10、11的作用力下產(chǎn)生往上頂?shù)膭?dòng)作,制品19、20會(huì)跟隨向上脫離動(dòng)模仁25一定的距離[注:此動(dòng)作有一個(gè)讓位的作用,即對(duì)塑膠產(chǎn)品主體19里面的倒鉤在滑塊6后續(xù)抽芯動(dòng)作中不會(huì)因動(dòng)模仁25的阻擋限制而產(chǎn)生強(qiáng)制脫模的現(xiàn)象],接著頂針板15、16在注射機(jī)的頂棍的作用力下運(yùn)動(dòng),在頂針板15、16上的頂針12、13開始向上運(yùn)動(dòng),滑塊6在頂針12與彈簧9、10的雙作用力下沿著鏟機(jī)7的斜面動(dòng)作,直到完成抽芯;
與此同時(shí)在限位塊29的限制下模具完成預(yù)定頂出距離,直頂18在等高螺絲8的限制下達(dá)到預(yù)定位置,完成頂出動(dòng)作。在此過程中直頂18起到頂出、對(duì)滑塊鑲針21導(dǎo)向以及防止塑膠產(chǎn)品主體19跟隨滑塊6一起后退的作用。
因?yàn)榛瑝K6、鏟機(jī)7及直頂18均為活動(dòng)件且模具為大批量生產(chǎn),所以三者均采用具有高淬透性、高韌性、高耐磨性且性價(jià)比高的熱作模具鋼LKM H13,并進(jìn)行熱處理,保證熱處理硬度為HRC48~52。
3.5 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.5.1 復(fù)位機(jī)構(gòu)
為保證開合模順序的準(zhǔn)確無誤、側(cè)向分型機(jī)構(gòu)及頂出機(jī)構(gòu)的動(dòng)作靈活順暢,本模具在設(shè)計(jì)時(shí)采用在導(dǎo)柱導(dǎo)套附近布置4根直徑為15 mm的回針31進(jìn)行合模復(fù)位。回針31固定于上頂針板15上,并在回針31上加裝4支彈簧32,如圖10、圖14。
3.5.2 冷卻系統(tǒng)
為確保模具溫度在使用時(shí)始終處于生產(chǎn)工藝指定的溫度范圍,本模具在定模板3與定模仁5、動(dòng)模仁25與動(dòng)模板28上采用循環(huán)冷卻水路布置,如圖8所示。本模冷卻系統(tǒng)能保證型腔各處冷卻均勻,成型周期短,塑件質(zhì)量高。
3.5.3 嵌件定位機(jī)構(gòu)
為保證嵌件_軟管20在注射時(shí)不產(chǎn)生偏移、保證塑件總長(zhǎng)度達(dá)到預(yù)定的尺寸,本模具在定模仁5、動(dòng)模仁25上各設(shè)計(jì)0.4 mm高的定位齒,合模時(shí)上下定位齒會(huì)壓入嵌件_ 軟管20中,注射時(shí)嵌件_軟管20就不會(huì)隨著塑料的流動(dòng)而移動(dòng);在動(dòng)模板28上固定一塊托板24,在托板上嵌入兩件支承塊22與一件擋板23,嵌件_軟管20放在支承塊22槽中,端頭由擋板23擋住,以此保證嵌件_軟管20露在塑膠產(chǎn)品主體19外的長(zhǎng)度達(dá)到預(yù)定的尺寸,如圖8、圖9、圖10與圖15所示。
04 模具工作過程
模具為二板式結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)的模具圖如圖15所示。模具在使用時(shí),先拆除鎖模塊37;將模具冷卻系統(tǒng)與外部冷卻源連接好。
開模時(shí):模具在注射機(jī)的開模力的作用下,定動(dòng)模3、5、25、28分開,滑塊6與直頂18在彈簧9、10、11的作用力下產(chǎn)生往上頂?shù)膭?dòng)作,制品19、20會(huì)跟隨向上脫離動(dòng)模仁25一定的距離(注:此動(dòng)作有一個(gè)讓位的作用,即對(duì)塑膠產(chǎn)品主體19里面的倒鉤在滑塊6后續(xù)抽芯動(dòng)作中不會(huì)因動(dòng)模仁25的阻擋限制而產(chǎn)生強(qiáng)制脫模的現(xiàn)象),接著頂針板15、16在注射機(jī)的頂棍的作用力下運(yùn)動(dòng),在頂針板15、16上的頂針12、13開始向上運(yùn)動(dòng),滑塊6在頂針12與彈簧9、10的雙作用力下沿著鏟機(jī)7的斜面動(dòng)作,直到完成抽芯;與此同時(shí)直頂18也在頂針13與彈簧11的雙作用力下向上動(dòng)作[在此過程中直頂18起到頂出、對(duì)滑塊鑲針21導(dǎo)向以及防止塑膠產(chǎn)品主體19跟隨滑塊6一起后退的作用],在限位塊29的限制下模具完成預(yù)定頂出距離,直頂18也在等高螺絲8的限制下達(dá)到預(yù)定位置,完成抽芯與頂出動(dòng)作。在注射機(jī)的頂棍往回收后,頂針板15、16在彈簧32與回針31的回位機(jī)構(gòu)的作用下隨著頂棍一起向下運(yùn)動(dòng),頂針12、13一起下滑,此時(shí)滑塊6與直頂18在彈簧9、10、11的支撐下保持不跟隨頂針12、13的下滑而下降,然后取出制品19、20。
合模時(shí):在開模狀態(tài)下,將嵌件_軟管20直接插在滑塊鑲針21上;在注射機(jī)的合模力的作用下,動(dòng)模部分先向回運(yùn)動(dòng),一直處于彈起狀態(tài)的滑塊6與直頂18的端面會(huì)先接觸定模板3與定模仁5,直到壓縮彈簧9、10、11回位,直到實(shí)現(xiàn)分型面閉合。
05 結(jié)論
在完成汽車?yán)€接頭注塑工藝分析與模具設(shè)計(jì)過程中,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分析,借助Moldflflow2016軟件,對(duì)汽車?yán)€接頭進(jìn)行了模流CAE分析。在統(tǒng)籌考慮“最佳澆口位置”、大批量生產(chǎn)和特殊模具結(jié)構(gòu)等的特定情形下,擬定了采用側(cè)澆口的澆注系統(tǒng)方案。在注塑成型工藝分析中,對(duì)影響對(duì)汽車?yán)€接頭表面質(zhì)量和尺寸的因素進(jìn)行了分析與探討。在用UG與CAD進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí),完成了包括:模具分型面選取,型腔、型芯結(jié)構(gòu),導(dǎo)向與定位機(jī)構(gòu)、側(cè)向分型和頂出機(jī)構(gòu)、復(fù)位機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)以及嵌件定位機(jī)構(gòu)等的設(shè)計(jì),圍繞汽車?yán)€接頭注塑模具特點(diǎn)、要點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了細(xì)致闡述。在此過程中,采用了由導(dǎo)柱導(dǎo)套及原身虎口組成的導(dǎo)向與定位組合系統(tǒng),使用了由頂針、直頂及滑塊組合的一邊頂出一邊抽芯的鑲嵌立式注塑模具結(jié)構(gòu)等,使塑件成型質(zhì)量得到提高。
該案例具有較強(qiáng)的實(shí)用性,解決了產(chǎn)品內(nèi)部倒鉤順利脫模、產(chǎn)品外觀、嵌件的長(zhǎng)度限制。不僅可以減少量產(chǎn)過程中的不良率,節(jié)省模具成本,還可以解決嵌件設(shè)計(jì)的局限性,對(duì)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)具有重要參考價(jià)值。
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