劉紅燕，賀玉強(qiáng)，魏茂強(qiáng)

(1.湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，湖南衡陽 421002； 2.衡陽華菱連軋管有限公司，湖南衡陽 421001；3.淄博市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東淄博 255000)

滾焊機(jī)控制器支架塑件是滾焊機(jī)集成控制模塊中一個(gè)重要的支撐零件，它能有效支撐集成模塊中所需的一些重要電子元器件，防止電子元器件遭受如移動(dòng)振動(dòng)、熱膨脹等方面的外來強(qiáng)制損傷。大型塑件注射成型生產(chǎn)中，利用有限元分析來避免模具設(shè)計(jì)中的失誤是提高設(shè)計(jì)效率和避免模具生產(chǎn)出現(xiàn)重大經(jīng)濟(jì)損失的一個(gè)有效方法[1-4]。CAE輔助分析在大型塑件模具設(shè)計(jì)中的明顯優(yōu)勢是能輔助設(shè)計(jì)人員快速找準(zhǔn)模腔澆注對澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，且還能通過對冷卻系統(tǒng)等的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高塑件的成型品質(zhì)[5-7]。筆者針對滾焊機(jī)控制器支架為一種板上附加多種復(fù)雜子特征而導(dǎo)致塑件澆注困難、成型件設(shè)計(jì)困難、脫模困難問題，設(shè)計(jì)了一副三板模具用于該塑件使用玻纖改性的聚甲醛(POM)塑料進(jìn)行成型，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為解決塑件成型難點(diǎn)而采取的設(shè)計(jì)方法和措施，能為同類塑件的模具設(shè)計(jì)提供有益借鑒。

1 滾焊機(jī)控制器支架塑件

1.1 塑件結(jié)構(gòu)

滾焊機(jī)控制器支架塑件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，塑件的整體尺寸為339 mm×134 mm×65 mm，其主體由兩塊大面積平板B1，B2錯(cuò)位結(jié)合在一起后再附加多個(gè)子特征而構(gòu)成。子特征中，A1，A2為兩個(gè)方臺(tái)，A3，A4為兩個(gè)火箭腳形卡腳，A5，A6為兩個(gè)盒形倒扣；A7是一個(gè)矩形盒，其側(cè)壁上設(shè)置有側(cè)臺(tái)A8、方形側(cè)槽A9、長條側(cè)孔A10，A7上還有個(gè)深筋A(yù)11；A12是平板上的一個(gè)獨(dú)立設(shè)置的方形側(cè)槽；A13，A14是兩個(gè)定位支柱；A15是加強(qiáng)筋；A16，A17是兩個(gè)圓柱；A18為材料標(biāo)識(shí)符號(hào)；A19為環(huán)保標(biāo)識(shí)符號(hào)。Z1區(qū)域?yàn)槎鄺l相連筋結(jié)合區(qū)域，Z2區(qū)域?yàn)橹鶜?盒體結(jié)合區(qū)域。以加強(qiáng)筋A(yù)15為代表的加強(qiáng)筋壁厚均為1 mm，兩塊大面積平板的壁厚2.2 mm，矩形盒A7、圓柱A16，A17的壁厚1.5 mm。塑件成型后要求為注塑成型即可使用，外觀要求一般，綜合性能要求要好。成型后客戶按MT5 (GB/T14486-2008)所規(guī)定的要求驗(yàn)收。

圖1 滾焊機(jī)控制器支架塑件

1.2 塑件材料

塑件材料使用玻璃纖維改性的POM (日本寶理POM GM-20，玻纖增強(qiáng)20%，阻燃級(jí))，該改性塑料具有較好的高剛性和硬度，以及較好的抗沖擊性能、高電阻，防靜電、抗翹曲等特性，優(yōu)異的耐疲勞性能，收縮率1.8%。

1.3 模具設(shè)計(jì)問題

塑件的結(jié)構(gòu)對于注塑成型而言，典型特點(diǎn)是一種非規(guī)則外形塑件，模具設(shè)計(jì)時(shí)其關(guān)鍵難點(diǎn)有以下幾個(gè)：

(1) 材料收縮率大，且塑件整體尺寸也較大，壁厚分布不均，冷卻收縮時(shí)容易引起較大的外形尺寸變形，較大的殘余內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致塑件局部位置長期使用后容易產(chǎn)生裂紋。

(2) 使用玻纖改性的POM注塑成型時(shí)，澆口位置必須選擇好，否則塑件的外觀較差，難以滿足基本的外觀要求，其次是浮纖問題，需要在注塑工藝中進(jìn)行調(diào)試解決。

(3) 塑件上Z1區(qū)域、Z2區(qū)域及矩形盒A7等結(jié)構(gòu)構(gòu)成縱橫交錯(cuò)，且薄壁較多，容易引起充填不足問題發(fā)生。

(4) 分型設(shè)計(jì)困難，矩形盒A7上附加的側(cè)臺(tái)A8、方形側(cè)槽A9、長條側(cè)孔A10的脫模，特征集中在矩形盒A7薄壁上，脫模方向與兩塊大面積平板的脫模方向不一致，需要進(jìn)行其它方向的脫模設(shè)置，分型設(shè)置較為困難。Z1區(qū)域、Z2區(qū)域縱橫交錯(cuò)的加強(qiáng)筋和圓柱殼特征也導(dǎo)致此兩處的分型設(shè)計(jì)較為困難[8-10]。

(5) 成型件設(shè)計(jì)中，卡腳A3，A4的成型在成型件上對應(yīng)的深槽成型特征槽寬小，難以加工；成型件上Z1，Z2區(qū)域眾多的深筋、兩個(gè)圓柱A16，A17也面臨同樣問題。

(6) 局部位置脫模困難，特別是Z1，Z2區(qū)域筋特征的脫模，加強(qiáng)筋成型深度較深，難以脫模；兩個(gè)盒形倒扣A5，A6的脫模最為棘手，一是此兩處倒扣的側(cè)向倒扣深度較深，需要較大的側(cè)抽芯距，二是此兩處倒扣位于塑件外觀面上，成型件位于定模一側(cè)，成型件側(cè)抽芯時(shí)所需驅(qū)動(dòng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)不好設(shè)置；三是其內(nèi)部的倒扣孔貼緊大面積平板B1特征，側(cè)抽芯時(shí)倒扣成型件容易擦傷大面積平板B1表面而容易損傷塑件。

(7) 大面積平板B1，B2反面設(shè)置的加強(qiáng)筋等特征深度較深，使得B1，B2反面所開設(shè)的水路難以對平板B1，B2的反面進(jìn)行有效冷卻，從而導(dǎo)致塑件成型后冷卻時(shí)因冷卻不均而導(dǎo)致塑件發(fā)生較大的翹曲變形。

2 解決辦法

結(jié)合塑件成型難題，采用以下辦法對上述問題加以克服，以獲得成型較佳的塑件，各措施如下。

2.1 澆注、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)措施

結(jié)合塑件材料特性，優(yōu)化使用3個(gè)澆口對塑件模腔進(jìn)行分區(qū)澆注，如圖2所示，從圖2a中CAE分析結(jié)果可以看出，經(jīng)CAE澆口位置和數(shù)量優(yōu)化后獲得3個(gè)點(diǎn)澆口；G1，G2，G3位置選擇得當(dāng)，模腔總的充填時(shí)間為1.742 s左右，料流能在近乎相同的時(shí)間內(nèi)到達(dá)3個(gè)澆口各自對應(yīng)的充填末端，模腔的充填性能較好，澆口進(jìn)膠口直徑為1.2 mm，能有效保證模腔獲得充分充填，且充填較為均衡，能避免非均衡充填所帶來的殘余應(yīng)力隱患，避免大平板B1，B2與加強(qiáng)筋及各附加特征之間的潛在應(yīng)力裂紋問題發(fā)生。圖2b中冷卻后翹曲變形結(jié)果可以看出，本塑件防止翹曲變形的關(guān)鍵部位在于防止平板B1，B2的翹曲變形，B1，B2變形過大，不利于電子元器件的安裝。

圖2 模腔CAE優(yōu)化分析

通過CAE分析中分子流向可以看出，三個(gè)澆口在各自充填的區(qū)域內(nèi)分子的流動(dòng)方向穩(wěn)定，無紊流和流向交錯(cuò)問題，塑件表面成型質(zhì)量有較好的保證。模腔開設(shè)有12條管道，其中定模一側(cè)設(shè)置4條油路管道W1～W4，動(dòng)模一側(cè)設(shè)置8條水路管道W5～W12，通過優(yōu)化控制冷卻參數(shù)、注塑成型工藝參數(shù)和保壓參數(shù)，塑件最終的翹曲變形可以控制在2.8 mm內(nèi)，經(jīng)查詢，POM塑料成型件尺寸在315～355 mm內(nèi)，按國標(biāo)GB/T 14486-2008中規(guī)定MT5精度a類公差為2.80 mm，板B1，B2長度兩端的翹曲變形小于2.80 mm，塑件成型尺寸能滿足MT5 (GB/T14486-2008)所規(guī)定的要求驗(yàn)收。對于使用玻纖增強(qiáng)POM材料的本塑件的成型，解決塑件成型時(shí)表面浮纖問題采用差異化模溫進(jìn)行解決，即型腔一側(cè)模溫95～100 ℃，型芯一側(cè)模溫80～85 ℃。

2.2 分型及成型件設(shè)計(jì)措施

圖3為模腔單腔分型設(shè)計(jì)。如圖3所示，模腔的主要分型使用平板B1，B2的最大外沿輪廓作為分型面進(jìn)行分型，獲得如圖3中所示的主分型面，主分型面上開設(shè)多處排氣槽和引氣槽用于模腔內(nèi)高壓空氣的排出。由主分型面分型獲得的主要成型件為型腔鑲件和型芯鑲件。為防止加纖改性的POM熔料摩擦損傷成型件，型腔鑲件和型芯鑲件及各個(gè)二級(jí)分割成型件的模具鋼改料都選用合金鋼S136，且熱處理硬度至HRC58～62。

圖3 模腔單腔分型設(shè)計(jì)

在主分面分型的基礎(chǔ)上再結(jié)合局部特征的脫模需要和克服局部特征的成型件加工困難問題進(jìn)行多次二級(jí)分型[11-15]。主要如下：

(1) 針對A3、A4卡腳，如圖4a所示，因其壁厚薄，但成型深度較深，電火花成型件強(qiáng)度較差且難以深入其內(nèi)部的緣故，該處二級(jí)分型分割出A3鑲件、A4鑲件，以A3鑲件為例，其二級(jí)分型線使用A3卡腳筋位的中位線，這樣能使A3鑲件位置所在型腔鑲件上的鑲件孔采用線切割加工，而該鑲件孔又能為另一側(cè)的A3卡腳成型區(qū)域使用電火花加工提供方便，火花頭可以使用大一點(diǎn)、高強(qiáng)度的火花頭深入卡腳槽底端實(shí)施加工。

圖4 局部成型件設(shè)計(jì)

(2)針對A5，A6為兩個(gè)盒形倒扣，如圖4b所示，需要從型腔鑲件上單獨(dú)分割出A5滑塊、A6滑塊實(shí)施側(cè)抽芯，由于A5滑塊、A6滑塊有一定的側(cè)抽芯空間和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)空間需要，若采用常規(guī)的斜導(dǎo)柱來驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)滑塊，機(jī)構(gòu)難以設(shè)計(jì)，因而，較為優(yōu)化可以采用的方式是再從型腔鑲件上分別分型分割出A5驅(qū)動(dòng)塊和A6驅(qū)動(dòng)塊，并通過設(shè)置T型導(dǎo)軌滑動(dòng)驅(qū)動(dòng)副的方式使A5驅(qū)動(dòng)塊驅(qū)動(dòng)A5滑塊、A6驅(qū)動(dòng)塊驅(qū)動(dòng)A6滑塊實(shí)施側(cè)抽芯，同時(shí)，A5，A6驅(qū)動(dòng)塊的底部也采用塑件上表面的成形，抽芯時(shí)，A5滑塊、A6滑塊會(huì)在塑件上表面留下一定的抽芯滑移痕跡。

(3)針對矩形盒A7上的側(cè)臺(tái)A8、方形側(cè)槽A9、長條側(cè)孔A10，將其囊括使用A7分型線進(jìn)行二次分型，分割出A7滑塊的成型滑塊頭，由A7滑塊實(shí)施側(cè)抽芯而實(shí)現(xiàn)矩形盒A7的一個(gè)側(cè)面、側(cè)臺(tái)A8、方形側(cè)槽A9、長條側(cè)孔A10的成型和脫模。照此方法，方形側(cè)槽A12也使用A12滑塊實(shí)施成型和側(cè)抽芯脫模。

(4)針對圓柱A17、Z1區(qū)域、Z2區(qū)域，都屬于深筋位區(qū)域，由于冷卻管道都是直線管道，難于對這些深筋位所在的板B1，B2的局部區(qū)域?qū)嵤┯行Ю鋮s，同時(shí)也便于這些深筋位的加工，如同A3的成型件設(shè)計(jì)一樣，這3個(gè)區(qū)域的成型件都使用鑲件形式進(jìn)行鑲拼，因而，型芯鑲件上須再次分割出A17鑲件、Z1鑲件和Z2鑲件。A17鑲件中設(shè)置水井對其進(jìn)行冷卻，Z1鑲件和Z2鑲件則可以單獨(dú)加工直線型管道進(jìn)行冷卻，這樣既能有效保證降低成型件的加工難度，又能使成型件獲得良好的冷卻。

2.3 脫模設(shè)計(jì)措施

圖5為脫模頂出機(jī)構(gòu)件設(shè)計(jì)。如圖5a所示，針對Z1區(qū)域、Z2區(qū)域的深筋特征難以脫模的問題，使用增強(qiáng)扁形針實(shí)施頂出脫模。增強(qiáng)扁形針的設(shè)計(jì)特點(diǎn)為：如圖5b所示，其頂端頭部設(shè)計(jì)成截面為方形，一半用于塑件筋位的成型和頂出，另一半則用于增強(qiáng)頭部的強(qiáng)度。頂針的下端還是使用圓柱形狀，有利于增強(qiáng)整體強(qiáng)度，且其下端必須采取削邊定位措施，以防止裝錯(cuò)而導(dǎo)致塑件成型失效。采用增強(qiáng)扁形針后，對應(yīng)的型芯鑲件的頂針孔采用慢走絲線切割加工，制造成本有所提高。鑒于塑件深筋位較多的緣故，塑件的頂出既要考慮頂出平衡性，也同時(shí)要考慮筋位包緊力的大小，以防止頂針折斷，因而，如圖5a中所示，塑件的頂出元件布置中，筋位邊上都設(shè)置有多根Φ10 mm圓頂針以加強(qiáng)塑件頂出脫模的可靠性。

圖5 脫模頂出機(jī)構(gòu)件設(shè)計(jì)

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)零件布局

模具使用一模一腔布局，結(jié)構(gòu)零部件布置如圖6所示。型腔鑲件8和型芯鑲件13鑲嵌于定模板和動(dòng)模板的?？虿壑?，安裝時(shí)側(cè)邊間隙都保證有0.02 mm，以便于安裝和拆卸。導(dǎo)柱5外圍設(shè)置的平衡塊11起到平衡鎖模力作用，具體為當(dāng)模具閉合時(shí)，型腔鑲件8和型芯鑲件13在分型面處閉合，為防止鎖模力過大使兩者產(chǎn)生擠壓而損壞，安裝在動(dòng)模板上的平衡塊11與定模板僅有0.02 mm的間隙，當(dāng)鎖模壓力過大時(shí)，平衡塊11與定模板接觸而分擔(dān)部分鎖模壓力。型腔鑲件8和型芯鑲件13的兩個(gè)側(cè)邊都設(shè)置有模仁擠緊塊2等，這樣設(shè)置可以使型腔鑲件8和型芯鑲件13都向模具的基準(zhǔn)靠攏，保證閉模時(shí)兩者閉合的準(zhǔn)確性。A12滑塊9、A7滑塊10布置在動(dòng)模一側(cè)，A3滑塊12、A4滑塊1布置在定模一側(cè)。

圖6 模具結(jié)構(gòu)件布置

3.2 結(jié)構(gòu)件安裝

模具結(jié)構(gòu)為一種三板模結(jié)構(gòu)，如圖7所示。選用三板模結(jié)構(gòu)主要基于兩點(diǎn)問題的考慮，一是A4滑塊1、A3滑塊12的定模側(cè)先抽芯脫模，二是滿足塑件需開設(shè)三個(gè)點(diǎn)澆口的需要。模具開模分3次開模，依次為L1→L2→L3，閉模順序相反。A4滑塊1的側(cè)抽芯驅(qū)動(dòng)同A3滑塊12的驅(qū)動(dòng)原理一樣，都為定模先抽芯機(jī)構(gòu)，以A4滑塊1的驅(qū)動(dòng)為例，模具在L1面打開時(shí)，模腔處于閉合狀態(tài)，固定靜止的A3驅(qū)動(dòng)塊33通過其下端的斜T型導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)A4滑塊1向左移動(dòng)完成抽芯，抽芯完畢時(shí)，依靠彈簧32的張力A4滑塊1停留在最最左端位置，以等待模具閉合時(shí)A3驅(qū)動(dòng)塊33的斜T型導(dǎo)軌順利插入A4滑塊1的T型槽中而驅(qū)動(dòng)其復(fù)位。A4滑塊1的主要機(jī)構(gòu)件包括件1、件32～件34，A3滑塊12的主要機(jī)構(gòu)件包括件12、件26～件28。

圖7 定模先抽芯機(jī)構(gòu)安裝

圖8為二次頂出控制機(jī)構(gòu)工作原理。如圖8所示，A12滑塊9、A7滑塊10都是斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)型滑塊機(jī)構(gòu)，安裝在模具動(dòng)模一側(cè)，鑒于節(jié)省模架空間結(jié)構(gòu)以降低模具制造成本考慮，兩個(gè)滑塊結(jié)構(gòu)相似，兩者在L3面打開時(shí)，由各自的斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)完成抽芯，抽芯后的定位依靠2個(gè)彈簧38的張力驅(qū)動(dòng)而停留在底座39的最右端位置，以備復(fù)位時(shí)斜導(dǎo)柱6、7能準(zhǔn)確插入兩個(gè)滑塊的斜導(dǎo)柱孔內(nèi)。模具開模時(shí)，首先由撐開彈簧41撐開，從而L1面打開，隨著動(dòng)模的下行及樹脂扣4的鎖緊，模具第一次打開190 mm后，定模板16通過長拉桿3拉動(dòng)脫料板15下移，L2面打開，下移距離為8 mm后，樹脂扣4的摩擦力被克服，模具的L3面打開，打開距離120 mm。

圖8 二次頂出控制機(jī)構(gòu)工作原理

3.3 模具工作原理

結(jié)合圖7～圖8所示，模具工作過程為：

(1) 閉模模具閉合，注塑機(jī)完成注塑過程等待開模。

(2)L1面打開模具動(dòng)模下行，L1面先打開，完成流道廢料與塑件的分離，A4滑塊1、A3滑塊12開始并完成側(cè)抽芯動(dòng)作。

(3)L2面打開動(dòng)模繼續(xù)下行，L2面打開將流道廢料從模具拉料針31上推出而自動(dòng)脫落。

(4)L3面打開動(dòng)模繼續(xù)下行，L3面打開，塑件從型腔鑲件8上脫出，留于型芯鑲件13上，同步地，A12滑塊9、A7滑塊10由斜導(dǎo)柱7、6驅(qū)動(dòng)完成側(cè)抽芯。

(5) 頂出動(dòng)模下行到一定位置后，注塑機(jī)頂桿推動(dòng)推板18及其上的圓頂針增強(qiáng)扁形針20、圓頂針22等將塑件從型芯鑲件13上頂出而自動(dòng)脫落，塑件完全脫模。

(6) 復(fù)位復(fù)位過程與開模過程相反。

3.4 注塑工藝問題解決辦法

塑件采用玻纖改性POM注塑時(shí)，主要工藝問題為塑件表面產(chǎn)生浮纖問題及收縮率較大問題。浮纖問題產(chǎn)生是由于熔融塑料在接觸模壁時(shí)固化太快，玻璃纖維無法被完全包圍而產(chǎn)生。為克服浮纖問題，注塑工藝參數(shù)方面有以下措施：提高料溫和模溫，采用高壓高速注塑，同時(shí)采用快速冷熱成型技術(shù)(RHCM)。RHCM技術(shù)在本模具中即型腔鑲件和型芯鑲件分別采用熱油加熱和水冷，據(jù)此模腔可以做到在高模溫狀態(tài)下，型腔界面處玻璃纖維完全可以被塑料熔體包覆而消除冷卻后的浮纖問題。該辦法也可以使得冷卻后的玻璃纖維定向趨于一致，保證了收縮均勻性，進(jìn)而保證了塑件的成型品質(zhì)。模具方面的措施是將型腔鑲件所成型的外觀面做成亞光面，降低玻纖外露的視覺效果。

因而，在模具實(shí)施注塑試模時(shí)，工藝上對應(yīng)的具體工藝參數(shù)措施為：料溫溫度190～210 ℃，模腔使用兩種不同介質(zhì)進(jìn)行溫度控制，型腔鑲件8使用熱油溫度95～100 ℃，型芯使用水冷，溫度80～85 ℃。注射壓力100 MPa，背壓0.5 MPa。由于材料收縮率較大，保壓采用三段保壓，第一段90 MPa-15 s，第二段70 MPa-10 s，第三段50 MPa-10 s。

4 結(jié)論

(1) 針對滾焊機(jī)控制器支架大型塑件使用玻纖改性POM塑料的成型需要，借助于CAE輔助分析，設(shè)計(jì)了一副三板模具用于塑件的成型；模腔布局1模1腔，三點(diǎn)點(diǎn)澆口澆注，澆口直徑為1.2 mm。

(2) 針對塑件上表面兩個(gè)盒形倒扣的脫模，使用兩個(gè)成型件改造成定模先抽芯滑塊和滑塊驅(qū)動(dòng)件的辦法實(shí)現(xiàn)盒形倒扣的側(cè)抽芯脫模；針對深筋位的難脫模且頂出元件強(qiáng)度不夠問題，設(shè)計(jì)了一種增強(qiáng)扁形針用于深筋位的頂出脫模。

(3) 為解決塑件表面成型浮纖問題，采用差異化模溫進(jìn)行冷卻，型腔使用油冷，溫度95～100 ℃，型芯使用水冷，溫度80～85 ℃。模腔注塑壓力100 MPa，螺桿背壓0.5 MPa。三段長時(shí)間保壓，以降低塑件收縮變形。