龍孟偉，梅 益*，吳 巧，劉洪波，周國進(jìn)，王 黔

（1. 貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州省貴陽市 550025；2. 貴州吉利汽車部件有限公司，貴州省貴陽市 550081）

塑料制件已成為我國制造業(yè)的一大組成單元，其質(zhì)量和成本取決于模具的質(zhì)量。隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，模具行業(yè)正向著規(guī)?；⒕?xì)化方向發(fā)展［1］。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)在模具設(shè)計(jì)、制造方式的優(yōu)越性可提高模具的質(zhì)量［2］。本工作以一種塑料殼體（編號(hào)為FHB5.20）為例，對(duì)此類復(fù)雜薄壁注塑件進(jìn)行結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)分析，結(jié)合Moldflow軟件分析了塑件的注塑工藝，在UG-NX 9.0軟件的MoldWizard應(yīng)用模塊下，完成了斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)、頂出機(jī)構(gòu)等整套模具的設(shè)計(jì)，并在Moldflow軟件中進(jìn)行模擬分析以及進(jìn)一步優(yōu)化。

1 FHB5.20殼體結(jié)構(gòu)與成型工藝分析

1.1 FHB5.20殼體結(jié)構(gòu)分析

FHB5.20殼體是具有凸起、階梯、凹槽等結(jié)構(gòu)的薄壁塑件，整體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，三維結(jié)構(gòu)見圖1。在UG-NX 9.0軟件的MoldWizard應(yīng)用模塊中指定材料為聚酰胺（PA）6，并分析該單個(gè)制件的體積和質(zhì)量，零件尺寸為65.7 mm×22.4 mm×17.4 mm，整個(gè)塑件體積為5 055.48 mm3，質(zhì)量為7.08 g，平均壁厚為1.22 mm，屬于薄壁件。該塑件的尺寸精度為±0.1 mm，屬于一般精度要求。為保證塑件順利脫模，設(shè)計(jì)塑件脫模斜度為1°。

1.2 塑件成型工藝分析

圖1 FHB5.20殼體的三維結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Three-dimensional drawing of FHB5.20 shell

PA 6具有良好的力學(xué)性能，強(qiáng)度較高、熱導(dǎo)率低、吸濕性大，可在-60～100 ℃使用，成型性能好［3］；密度1.30～1.52 g/cm3，收縮率0.7%～1.0%，成型溫度230～280 ℃，熔融狀態(tài)的熱穩(wěn)定性差；加工溫度超過300 ℃，且停留時(shí)間超過30 min的情況下，易分解；成型壓力80～130 MPa，模具溫度應(yīng)控制適當(dāng)，一般為60～90 ℃，收縮方向性明顯，易出現(xiàn)縮孔、凹痕、變形等缺陷，成型條件較穩(wěn)定；宜采用螺桿式注塑機(jī)［3］。

結(jié)合FHB5.20殼體結(jié)構(gòu)和所用PA 6的特性，為保證塑件質(zhì)量和生產(chǎn)效率，模具設(shè)計(jì)為一模兩件，不僅提高了生產(chǎn)效率，還避免了一模一件產(chǎn)生的壓力中心偏移；與點(diǎn)澆口進(jìn)料相比，采用側(cè)澆口進(jìn)料，在脫模時(shí)能自動(dòng)切斷，且對(duì)于殼體類零件，其流動(dòng)填充效果較好；推桿一次頂出塑件。澆注系統(tǒng)的凝結(jié)料一般為塑件體積的20%，塑件體積為5 055.48 mm3；選用注塑機(jī)時(shí)，因?qū)嶋H注射容量應(yīng)為額定注射容量的20%～80%，選定注塑機(jī)的額定注射容量為56 cm3左右，因此，選擇SZ.100/60型注塑機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)［4］見表1。

表1 SZ.100/60型注射機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of SZ.100/60 injection machine

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 FHB5.20殼體分型面的選取

結(jié)合零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成型工藝，采用圖2的分型，在零件中心最大截面處進(jìn)行多階梯分型，整個(gè)零件需要建立三個(gè)抽芯機(jī)構(gòu)。此分型面的設(shè)計(jì)從小凸起中間進(jìn)行分型，便于塑件脫模和簡化模具結(jié)構(gòu)，避免了強(qiáng)制脫模，不會(huì)破壞產(chǎn)品的形狀。

圖2 分型位置示意Fig.2 Schematic diagram of typing position

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)是熔融塑料運(yùn)送到各型腔的通道，在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)，既要考慮澆口形狀與尺寸，也要注意澆口的位置。通過Moldflow軟件進(jìn)行最佳澆口位置分析（見圖3），結(jié)合分型面及塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，比較各類型澆口的優(yōu)缺點(diǎn)、適用類型及特點(diǎn)，最終采用冷流道、U形截面的分流道、側(cè)澆口進(jìn)行澆注。側(cè)澆口設(shè)計(jì)在分型面處，根據(jù)側(cè)澆口的尺寸［長度（L）=0.7～2.0 mm，寬度（b）=1.5～5.0 mm，厚度（t）=0.5～2.0 mm［5］］及經(jīng)驗(yàn)公式得L，b，t分別為2.0，4.0，2.0 mm。針對(duì)在成型過程中，主流道與噴嘴和熔體冷、熱交替接觸，易造成損壞，設(shè)計(jì)成錐度為3°，主流道的長度為55 mm［5］，便于單獨(dú)加工及更換的圓錐形主流道襯套（俗稱澆口套），制成高壽命零件；小端直徑為4.5 mm，球面半徑為11.0 mm，大端直徑為8.0 mm。分流道是主流道至澆口間的進(jìn)料通道，可通過截面積變化和流向變化實(shí)現(xiàn)熔體的均衡分配，一般都開設(shè)在分型面上，便于開模時(shí)能順利地去除凝結(jié)料；對(duì)于PA 6，本設(shè)計(jì)采用易制造、熱量損失和流動(dòng)阻力小的U形截面分流道，底圓半徑為6.7 mm，高度為6.7 mm。采用冷流道、U形截面的分流道、側(cè)澆口進(jìn)行澆注，最終在UG-NX 9.0軟件的MoldWizard模塊中設(shè)計(jì)完成的澆注系統(tǒng)見圖4。凝結(jié)料采用拉料桿去除。

圖3 最佳澆口位置（藍(lán)色區(qū)域）示意Fig.3 Optimum gate position（blue area）

圖4 澆注系統(tǒng)Fig.4 Gating System

2.3 側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)好分型面后，塑件的某些部分無法利用型芯或型腔成型，導(dǎo)致整個(gè)塑件無法取出，或者會(huì)對(duì)塑件的結(jié)構(gòu)造成干涉，影響塑件的結(jié)構(gòu)及使用功能。圖5中，1，2，3處分別是塑件需要抽芯的部分。塑件1處的抽芯距離為3.7 mm，抽拔力29.85 N，抽芯成型部分為上下兩個(gè)橫凸起及中間凸起；塑件2處的抽芯成型部分為圓柱狀，抽芯距離8.3 mm，抽拔力120.00 N；塑件3處的抽芯部分為階梯狀，抽芯距離29.4 mm，抽拔力1 424.00 N。塑件1、塑件2、塑件3處抽芯均在動(dòng)模中進(jìn)行，均采用斜導(dǎo)柱進(jìn)行抽芯，為制造方便，經(jīng)計(jì)算，斜導(dǎo)柱的直徑采用16.0 mm，斜導(dǎo)柱的傾斜角取15°。在UGNX 9.0軟件的MoldWizard模塊中設(shè)計(jì)完成的抽芯結(jié)構(gòu)見圖6，抽芯方向見圖6中箭頭指示方向。該抽芯方式的設(shè)計(jì)不僅避免了強(qiáng)制脫模對(duì)塑件1處成型的干涉，而且解決了塑件2處、塑件3處無法利用型芯或型腔成型的問題，塑件成型較好。

圖5 各抽芯結(jié)構(gòu)特征示意（側(cè)視）Fig.5 Characteristic drawing of each core structure

圖6 抽芯機(jī)構(gòu)示意Fig.6 Core-pulling mechanism

2.4 推出機(jī)構(gòu)及冷水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用UG-NX 9.0軟件設(shè)計(jì)完成的抽芯結(jié)構(gòu)、冷卻水道、澆注系統(tǒng)等總體模具結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 完成后的模具結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Completion diagram of die structure

脫模力是指將塑件從包緊的型芯上脫出時(shí)需要克服的阻力。脫模力的大小與塑件的厚薄及形狀有關(guān)。通過UG-NX 9.0軟件對(duì)制品三維圖進(jìn)行壁厚檢查，得出平均壁厚為1.22 mm，經(jīng)計(jì)算脫模力為368.3 N。本塑件選擇注射模中應(yīng)用最為廣泛的推桿推出，經(jīng)計(jì)算推桿直徑為3 mm，推桿設(shè)在阻力較大處并均勻?qū)ΨQ布置，避免塑件產(chǎn)生彎曲形變。PA 6在溫度過高時(shí)易分解，需嚴(yán)格控制模具溫度，在型腔、型芯的工件內(nèi)，合理設(shè)置冷卻水管的位置，通過調(diào)節(jié)水流量及流速控制模具溫度。設(shè)計(jì)采用環(huán)形冷卻水道進(jìn)行冷卻，水管直徑6 mm，且避開各抽芯機(jī)構(gòu)的位置。

3 模擬分析

為了使設(shè)計(jì)的模具更精確、高效地成型塑件，CAE技術(shù)通過模擬塑件在模具中的成型過程，能在模具制造前預(yù)測(cè)塑料熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)以及成型后塑件可能會(huì)出現(xiàn)的質(zhì)量問題。利用CAE技術(shù)，使設(shè)計(jì)過程變得簡單，從而提高生產(chǎn)效率。設(shè)計(jì)基于Moldflow分析軟件，導(dǎo)入塑件模型劃分網(wǎng)格，并按上文設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)，選擇相應(yīng)的PA 6，設(shè)置注塑機(jī)參數(shù)，其余工藝參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)值（系統(tǒng)根據(jù)選擇的PA 6，推薦相應(yīng)的注塑工藝參數(shù)［6］，模具表面溫度、熔體溫度分別為80，270 ℃，充填壓力約為95 MPa）。根據(jù)推薦參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)并選擇“冷卻+填充+保壓+翹曲”分析模擬塑件的整個(gè)成型過程，然后通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）方法進(jìn)行優(yōu)化，模具表面溫度、充填壓力、熔體溫度為設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化后塑件主要成型工藝參數(shù)（如充填時(shí)間、達(dá)到頂出溫度的時(shí)間）及主要質(zhì)量要素（如體積收縮率、翹曲變形量）有一定程度變化，總體結(jié)果更為理想。

圖8a中，充填時(shí)間優(yōu)化后，從1.133 s到1.179 s，變化不大；圖8b中，達(dá)到頂出溫度的時(shí)間從32.030 s變?yōu)?9.330 s，提高了2.700 s，縮短了成型時(shí)間，從而提高了產(chǎn)量；圖8c中，體積收縮率由10.390%變?yōu)?.634%；圖8d中，翹曲變形量由0.522 7 mm變?yōu)?.307 8 mm；此時(shí)，模具表面溫度78 ℃，熔體溫度266 ℃，充填壓力102 MPa。可見，在縮短成型周期的同時(shí)，提高了塑件的質(zhì)量和精度，最終得到較好的成型工藝參數(shù)，即模具表面溫度78 ℃，熔體溫度266 ℃，充填壓力102 MPa時(shí)，成型周期短，得到的塑件質(zhì)量較好，滿足質(zhì)量及精度要求。

圖8 模擬及DOE優(yōu)化結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of simulation and DOE optimization results

4 模具工作原理

FHB5.20殼體屬于薄壁塑件，單個(gè)塑件需在三個(gè)不同方向同時(shí)進(jìn)行側(cè)向抽芯，采用一模兩件時(shí)需要四個(gè)不同方向同時(shí)抽芯，均采用斜導(dǎo)柱抽芯。在整個(gè)注塑周期內(nèi)，動(dòng)模板和定模板經(jīng)導(dǎo)柱、導(dǎo)套等導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以確保動(dòng)模運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)，進(jìn)一步保證開合模工作正常，從而生產(chǎn)出合格的塑件。FHB5.20殼體的注塑模具總裝配示意見圖9，其工作過程為：注射前，動(dòng)、定模具在注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)下閉合，注塑機(jī)將塑化好的PA 6熔體通過澆注系統(tǒng)注入型腔，充模完成后，冷卻系統(tǒng)對(duì)塑件進(jìn)行冷卻；注射后開模，開模過程中，動(dòng)模板移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的力作用于斜導(dǎo)柱上，帶動(dòng)側(cè)型芯滑塊在導(dǎo)滑槽中向外移動(dòng)，且由限位擋塊對(duì)側(cè)抽出來的型芯進(jìn)行限位；當(dāng)抽芯完成后，動(dòng)模板移動(dòng)到相應(yīng)位置，推板帶動(dòng)推桿推出塑件，同時(shí)拉料桿拉出凝結(jié)料，完成一個(gè)周期的成型；然后，動(dòng)模座板、動(dòng)模板等動(dòng)模部分在導(dǎo)柱的引導(dǎo)下合模，且由復(fù)位桿進(jìn)行復(fù)位，同時(shí)各側(cè)型芯復(fù)位，最終完成模具的合模，開始下一注射過程。

圖9 FHB5.20殼體的注塑模具總裝配示意Fig.9 Completion diagram of die structure of FHB5.20 shell

5 結(jié)論

a）分析了FHB5.20殼體的結(jié)構(gòu)特征和成型工藝，給出了模具設(shè)計(jì)方案、分型面的選擇、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、抽芯部位分析及抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，在UGNX 9.0軟件的MoldWizard應(yīng)用模塊下合理地完成了整個(gè)模具的設(shè)計(jì)。

b）借助Moldflow軟件進(jìn)行模擬分析，最終確定了該塑件主要成型工藝參數(shù)。

c）完成的模具設(shè)計(jì)各機(jī)構(gòu)間不產(chǎn)生相互干涉，模具結(jié)構(gòu)緊湊；模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)約了時(shí)間及相關(guān)成本，且改善了塑件的質(zhì)量。