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，創(chuàng)新設(shè)計了頂針、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)，并對塑件填充時間、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)自動操作、產(chǎn)品成型完整、質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求。
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對塑件進(jìn)行模流成型工藝分析，再運(yùn)用UG NX11及AutoCAD2016設(shè)計成對注塑生產(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。塑件要求精度等級為MT4，為高精度公差等級。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)動器材、電動工具、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軟件對汽車?yán)€接頭進(jìn)行實(shí)體建模，并運(yùn)用Moldflflow CAD Doctor模塊，對汽車?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造成的尺寸不穩(wěn)，也保證了塑件表面不會出現(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，針對影響汽車?yán)€接頭表面質(zhì)量和尺寸的充填時間、流動前沿溫度、速度/壓力切換時的壓力、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，不會在表面上出現(xiàn)色差。
（3）圖6c為速度/壓力(v/p)切換時的壓力。結(jié)果顯示，在v/p切換位時，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個注塑產(chǎn)品在充填結(jié)束時的凍結(jié)層因子分布圖。從圖6d來看，4個產(chǎn)品的冷凍層分布比較均勻，沒有過快冷凍區(qū)域。雖然水口的冷凍時間會比產(chǎn)品快一點(diǎn)，在控制好注射時間的情況下，一般不會發(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?？紤]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，可通過卡扣的卡接力實(shí)現(xiàn)對變形的糾正。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
3.1 分型面設(shè)計
分裂面的設(shè)計如圖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。
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、動模的設(shè)置，同時也為抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計提供了方便，從而降低塑件的脫模難度和模具的設(shè)計難度，及便于模具長時間使用后，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
將成型汽車?yán)€接頭塑件按照圓中心面分開，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，在使用時亦對它進(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動模鑲件、滑塊6、直頂18、滑塊鑲針21、動模仁25及動模板28組成，如圖10所示。其中動模仁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動模鑲件、滑塊6、直頂18及動模板28上經(jīng)過。唧咀4動模鑲件、鏟機(jī)7及動模仁25都固定在動模板28上。由于汽車?yán)€接 頭批量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、模具使用時間長，同時為防止成型合模面磨損和型腔塌邊等，動模仁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，所以動模板28及唧咀4動模鑲件均采用耐磨性及拋光性能佳且性價比高的預(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
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)確和模具長時間使用后的維修方便，本模具設(shè)計了由導(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，也能防止長期生產(chǎn)后因?yàn)槟＞吣p而造成錯位。
3.4 抽芯與頂出結(jié)構(gòu)設(shè)計
因汽車?yán)€接頭是一個內(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)計中，將創(chuàng)新設(shè)計一種由頂針、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)品就不會因強(qiáng)制脫模而產(chǎn)生損傷，而且這種方式對嵌件的長度甚至形狀都沒有任何的限制，提高了產(chǎn)品的設(shè)計想象空間。
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)膭幼?，制?9、20會跟隨向上脫離動模仁25一定的距離[注：此動作有一個讓位的作用，即對塑膠產(chǎn)品主體19里面的倒鉤在滑塊6后續(xù)抽芯動作中不會因動模仁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，在頂針板15、16上的頂針12、13開始向上運(yùn)動，滑塊6在頂針12與彈簧9、10的雙作用力下沿著鏟機(jī)7的斜面動作，直到完成抽芯；
與此同時在限位塊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，完成頂出動作。在此過程中直頂18起到頂出、對滑塊鑲針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
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)的動作靈活順暢，本模具在設(shè)計時采用在導(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?；蒯?1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、動模仁25與動模板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在注射時不產(chǎn)生偏移、保證塑件總長度達(dá)到預(yù)定的尺寸，本模具在定模仁5、動模仁25上各設(shè)計0.4 mm高的定位齒，合模時上下定位齒會壓入嵌件_ 軟管20中，注射時嵌件_軟管20就不會隨著塑料的流動而移動；在動模板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)計的模具圖如圖15所示。模具在使用時，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：模具在注射機(jī)的開模力的作用下，定動模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)膭幼?，制?9、20會跟隨向上脫離動模仁25一定的距離（注：此動作有一個讓位的作用，即對塑膠產(chǎn)品主體19里面的倒鉤在滑塊6后續(xù)抽芯動作中不會因動模仁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，在頂針板15、16上的頂針12、13開始向上運(yùn)動，滑塊6在頂針12與彈簧9、10的雙作用力下沿著鏟機(jī)7的斜面動作，直到完成抽芯；與此同時直頂18也在頂針13與彈簧11的雙作用力下向上動作[在此過程中直頂18起到頂出、對滑塊鑲針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，頂針12、13一起下滑，此時滑塊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：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，動模部分先向回運(yùn)動，一直處于彈起狀態(tài)的滑塊6與直頂18的端面會先接觸定模板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)計過程中，通過對汽車?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，對影響對汽車?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)計時，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，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)計的局限性，對指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)具有重要參考價值。
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