洪維1,2,李朋3,傅瑩龍1,2
(1.臺州科技職業(yè)學(xué)院,浙江臺州318000;2.臺州市模具智能制造重點實驗室,浙江臺州318000;3.寧波潤華全芯微電子設(shè)備有限公司,浙江寧波315000)
摘要:根據(jù)汽車杯托底座產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀與技術(shù)要求,設(shè)計了兩點針閥式熱流道進膠的注塑模具。在模具的動模側(cè)設(shè)計了多組滑塊脫模機構(gòu),且為防止產(chǎn)品側(cè)面的加強筋被滑塊拉傷,在滑塊內(nèi)部設(shè)計了兩處頂針。在定模側(cè)設(shè)計了兩個大斜頂?shù)姆中晚敵鰴C構(gòu),通過兩組定距拉鉤在模具開模時,實現(xiàn)定模斜頂?shù)耐巾敵?解決產(chǎn)品定模側(cè)倒扣特征的脫模問題;通過“斜頂塊+直頂塊+頂針”組成的脫模系統(tǒng)頂出產(chǎn)品。在定模側(cè)設(shè)計了“直通式+隔水片式+噴泉式”的水路,動模側(cè)設(shè)計了“直通式隨形”水路,組成模具的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。經(jīng)實踐生產(chǎn)后,汽車杯托底座產(chǎn)品表面無缺陷,各尺寸符合要求,說明該模具結(jié)構(gòu)合理。本文為相關(guān)產(chǎn)品的模具開發(fā)提供了有價值的技術(shù)參考。
關(guān)鍵詞:汽車杯托底座;注塑模具;定距拉鉤;同步頂出
注塑模具是塑料制品批量化生產(chǎn)的工具。塑料制品根據(jù)不同的功能,需要使用不同的材質(zhì)和形狀結(jié)構(gòu)。各種各樣的塑料制品要求注塑模具設(shè)計要適合產(chǎn)品的成形和脫模,為了保證塑件制品的加工效率,一般要自動化生產(chǎn),這樣對復(fù)雜產(chǎn)品的脫模機構(gòu)有較高的要求。目前隨著新能源汽車的快速發(fā)展,汽車內(nèi)外飾注塑制品的功能性、藝術(shù)性也隨之得到提升,如何靈活運用復(fù)雜的機構(gòu)設(shè)計來生產(chǎn)出合適的產(chǎn)品是設(shè)計師追求的目標。劉錦武等[1]對某產(chǎn)品的連接器保持架利用多向抽芯技術(shù)進行了熱流道模具設(shè)計,許紅伍[2]成功運用瓣合抽芯結(jié)構(gòu)完成了對空間扭曲的導(dǎo)光條模具結(jié)構(gòu)設(shè)計,陶哲等[3]利用計算機輔助分析技術(shù)完成了對復(fù)雜薄壁抑爆球的熱流道模具設(shè)計,王星星等[4]通過響應(yīng)曲面法完成了卡蓋雙澆口工藝參數(shù)的優(yōu)化及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。
以上研究在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、模流分析等方面對本項目有一定的幫助,但本項目研究的汽車杯托底座產(chǎn)品正反面都有較大的倒扣特征,正面的倒扣特征細節(jié)較為復(fù)雜,成型脫模困難。本文利用CAE技術(shù)及產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)設(shè)計出多個不同方向的脫模機。在定模側(cè)設(shè)計了斜頂機構(gòu),巧妙的利用模具的開模動作實現(xiàn)定模頂出機構(gòu)的同步推出;在動模側(cè)的滑塊內(nèi)部設(shè)計了頂針延時脫模機構(gòu),并對設(shè)計中出現(xiàn)的問題進行探討。
1塑料制品結(jié)構(gòu)分析
汽車杯托底座是汽車內(nèi)飾系統(tǒng)中的一個的重要組成零件,其主要作用是與汽車內(nèi)飾系統(tǒng)中的副儀表板固定裝配,承受一定質(zhì)量的壓力。圖1所示為該塑件的結(jié)構(gòu)圖,產(chǎn)品的整體尺寸為268mm×126mm×60mm,平均壁厚為2.5mm,塑件體積為106cm3。
該產(chǎn)品正反面及側(cè)面的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,產(chǎn)品正面的A區(qū)域為二次可見皮紋面,產(chǎn)品反面整體為蜂窩狀的加強筋結(jié)構(gòu)組成,以增加產(chǎn)品的抗壓強度。為了不在產(chǎn)品正面產(chǎn)生縮痕的缺陷,加強筋厚度不能>1/3的產(chǎn)品壁厚。反面的B處有一內(nèi)凹深度3.5mm的倒扣特征;產(chǎn)品正面的D處有一齒輪狀的結(jié)構(gòu)特征,其側(cè)向脫模的抽芯距離達8mm,局部壁厚達6mm,并且該處有一直徑達16mm的側(cè)向通孔;產(chǎn)品側(cè)面的C處特征較為復(fù)雜,其中一側(cè)向凹槽里面每隔5mm排布著整圈的加強筋結(jié)構(gòu),加強筋的深度達2.8mm,另一側(cè)向凹槽設(shè)計有深度達15mm的兩條加強筋。這些結(jié)構(gòu)給產(chǎn)品的成型及模具設(shè)計都帶來了較大的難度。
塑件的材料選用上海金發(fā)科技生產(chǎn)的牌號為PA6-GF30HSBK006,該材料的成分為尼龍6(PA6)中添加了質(zhì)量分數(shù)為30%的玻璃纖維(GF),其部分物料參數(shù)如表1所示,這種材料結(jié)合了PA6的良好力學(xué)性能和GF的增強效果,被廣泛應(yīng)用于汽車、電子、航空航天等領(lǐng)域[5-6]。
2產(chǎn)品澆注系統(tǒng)的設(shè)計
汽車杯托底座的外觀面品質(zhì)要求高,不能出現(xiàn)澆口痕跡、縮影等成型缺陷,因此不能從產(chǎn)品的外表面直接進膠,考慮到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,模具采用一模一腔的形式,為了能夠更好地控制產(chǎn)品的成型過程,降低產(chǎn)品注塑成型內(nèi)應(yīng)力、縮短成型周期、提高成型效率,本次模具設(shè)計采用了兩組針閥式的熱流道系統(tǒng),將兩個搭接式的澆口設(shè)計在產(chǎn)品的非外觀面,如圖2所示,從產(chǎn)品后端的非外觀面進膠,有利于保證注塑成型時的流動平衡[7-8]。
整個模具澆注系統(tǒng)由熱主流道、分流板,閥式熱流道、冷流道、澆口組成。熱流道采用單一閥式噴嘴結(jié)構(gòu),主流道直徑為15mm,熱流道系統(tǒng)由熱噴嘴、加熱器、溫控箱等組成,冷流道采用U形截面的設(shè)計[9-10]。
3模具結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1成型零件的設(shè)計與分析
產(chǎn)品形狀復(fù)雜,上、下表面都有倒扣的特征,產(chǎn)品的分型面形狀為復(fù)雜的空間曲面。由于產(chǎn)品的成分中含有玻璃纖維,所以要求模仁的材料具有良好的耐磨性[11-12]。如圖3所示,定模整體采用鑲拼式的結(jié)構(gòu)。模仁材料采用德國喜利茲的SW1.2343M,這種模具鋼具有良好的韌性和強度,良好的耐磨性和淬透性,良好的高溫性能,在室溫和500~600℃時的力學(xué)性能幾乎相同。外圍的模框采用性價比較高的P20預(yù)硬的塑膠模具鋼,并在模框四周設(shè)計了4個虎口定位,并在模框上表面設(shè)置厚度為12mm承壓板,承壓板材料選用H13淬火處理,可以保證模具使用壽命達到20萬模次以上。
圖4為動模成型零件的設(shè)計,為了產(chǎn)品成型時型腔中的氣體能夠順利排出,在動模仁的分型面上每隔40mm左右設(shè)有排氣槽,排氣槽由一級排氣槽(厚度為0.02mm)與二級排氣槽(厚度為0.5mm)組成,其中二級排氣槽與外界大氣相連通[13-14]。
3.2動模抽芯機構(gòu)的設(shè)計
由圖1的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析可以得出,產(chǎn)品成型時需側(cè)抽芯的部位較多,因此在產(chǎn)品的C、D兩處的兩個側(cè)面方向設(shè)計了多組的“滑塊+斜導(dǎo)柱”的側(cè)抽芯機構(gòu),如圖5所示。其中斜導(dǎo)柱的直徑根據(jù)經(jīng)驗公式設(shè)計為25mm,工作角度都設(shè)計為15°,滑塊的承壓面角度設(shè)計為17°,并且每個承壓面都設(shè)計了耐磨板,提高滑塊的工作壽命。滑塊的整體材料也采用SW1.2343M,其中一組滑塊成型部位的加強筋結(jié)構(gòu)較多。為防止滑塊運動時,產(chǎn)品粘住滑塊,造成產(chǎn)品拉傷,在滑塊內(nèi)部設(shè)計了一組頂針結(jié)構(gòu),如圖6所示。
在鏟機的鎖模斜面位置設(shè)計了一小部分的直面用來控制頂針的運動,其工作原理為:模具開模距離小于10mm時,由于鏟機的直面部位一直頂住頂針尾座,使得頂針牢牢地頂住產(chǎn)品,此時滑塊與產(chǎn)品開始分離;當開模距離達到10mm時,滑塊的運動距離為10×tan15°=2.7mm,成型部位已與產(chǎn)品完全分離,同時彈簧開始推動頂針尾座使頂針與產(chǎn)品分離。
3.3定模同步頂出機構(gòu)的設(shè)計
圖1產(chǎn)品C、D兩處內(nèi)部的齒輪狀結(jié)構(gòu)部位在定模成型且側(cè)向脫模抽芯距離達8mm,必須在定模側(cè)設(shè)計相應(yīng)的脫模機構(gòu),才能保證產(chǎn)品順利生產(chǎn)。如圖7所示,在定模側(cè)設(shè)計了模具拉鉤及斜頂機構(gòu),還包括頂出彈簧、復(fù)位桿、導(dǎo)柱等零件。模具拉鉤機構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示,斜頂?shù)娜f向滑座固定在定模頂針板上,通過模具拉鉤機構(gòu)控制定模頂針板的運動順序,實現(xiàn)模具開模時的產(chǎn)品同步側(cè)向脫模。
其工作工作過程:當模具開模時,動模板帶動固定在其上面的拉桿運動,這時拉桿通過內(nèi)部的兩個小擋塊帶動定模頂針板一起運動,同時定模頂針板上的頂出彈簧也會施加相應(yīng)的彈力將其推出,此時定模頂針板上的滑座推動斜頂桿做脫模運動;當模具開模行程到達70mm時,模具拉鉤中的兩個小擋塊剛好落入固定塊上的卡槽內(nèi)與拉桿分離,定模頂針板停止運動,同時拉鉤內(nèi)部的彈簧推動小卡塊將兩個小擋塊固定住,防止小擋塊復(fù)位后影響下次合模,此時由斜頂?shù)墓ぷ鹘嵌葹?0°,得出其抽芯距離為70×tan10°=12.3mm,符合脫模要求;合模時,動模板的復(fù)位桿使定模的頂出系統(tǒng)復(fù)位。
3.4動模頂機出構(gòu)的設(shè)計
模具的頂出機構(gòu)一般包括直頂系統(tǒng)與斜頂系統(tǒng),其中斜頂系統(tǒng)主要用于成型產(chǎn)品動模側(cè)有較小尺寸的側(cè)凹、側(cè)孔及卡扣特征等結(jié)構(gòu),一般分為整體式斜頂和分體式斜頂兩類,分體式斜頂由斜頂塊、斜頂桿、導(dǎo)向套、萬向滑座等元件組成。該產(chǎn)品長度方向的邊緣兩側(cè)即圖1中的B處存在距離較長深度的側(cè)凹倒扣,適用于設(shè)計分體式斜頂系統(tǒng),如圖9所示,由4個斜頂塊組成,其中1個斜頂塊的長度方向尺寸達176mm,為其設(shè)計了兩根直徑為16mm的斜頂桿,每根斜頂桿都有銅套導(dǎo)向,提高運動時的穩(wěn)定性,斜頂桿的工作角度都設(shè)計為12°。由于產(chǎn)品反的蜂窩狀的加強筋較多,成型時會產(chǎn)生較大的包緊力,因此均勻布置了7根直徑為8mm,3根直徑6mm的直頂針,為防止發(fā)生頂白現(xiàn)象,在產(chǎn)品寬度方向的邊緣處設(shè)計了兩個直頂塊機構(gòu),使產(chǎn)品推出時受力更加均勻[15]。
3.5模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計及分析
汽車杯托底座形狀復(fù)雜,產(chǎn)品材料中加有30%的玻璃纖維,為防止產(chǎn)品成型時表面出現(xiàn)嚴重的浮纖現(xiàn)象,一般用模溫機通過模具的水路系統(tǒng)將模具加熱至80～100℃,必須要充分保證模具型腔水路布置均勻。模具的冷卻水路設(shè)計及CAE分析結(jié)果如圖10所示,在定模側(cè)采用了兩組“直通式+隔水片式+噴泉式”的水路,主回路采用直徑8mm的水路,隔水片水路直徑為12mm,兩個斜頂塊的噴泉式水路內(nèi)徑為4mm,外經(jīng)～為8mm;動模側(cè)設(shè)計了5組直徑為8mm的“直通式隨形”水路,其中的大斜頂塊單獨設(shè)計了一條直徑為6mm的循環(huán)水路。從圖11的回路冷卻液分析結(jié)果可以看出,回路中的冷卻液溫度在25.0027.16℃,溫差為2.16℃,<3℃,且產(chǎn)品周圍的溫度分布比較均勻,表明冷卻液流經(jīng)模具的型腔、型芯各區(qū)域時產(chǎn)品內(nèi)外表面的溫度差異較小,冷卻效果好。
4模具的裝配圖及實際生產(chǎn)過程
汽車杯托底座模具的裝配結(jié)構(gòu)如圖11所示,整個模具澆注系統(tǒng)采用兩點順序閥熱流道結(jié)構(gòu),定模的兩個斜頂機構(gòu)通過安裝在模具兩側(cè)的模具拉鉤在開模時實現(xiàn)同步頂出,模具尺寸為760mm×700mm×745mm,屬于中型精密注塑模具。模具實際生產(chǎn)過程如下:模具通過定位圈定位后安裝到注塑機上,將熱流道接線口與電控箱相連接,并將所有水路的快速接頭與模溫機相連;將模具溫度加熱到90℃,接著注塑機料筒里的螺桿將熔融的PA通過熱流道推進型腔,經(jīng)保壓冷卻后,模具開始開模;在開模行程的前70mm中,模具拉鉤機構(gòu)帶動定模頂針板做同步運動,通過定模頂針板上的萬向滑座推動斜頂機構(gòu)運動,實現(xiàn)產(chǎn)品定模側(cè)的脫模,同時定模A板上的斜導(dǎo)柱分別帶動動模B板上的滑塊做側(cè)向抽芯運動;開模完成后注塑機的頂桿推動頂針板,使整個脫模系統(tǒng)運動將產(chǎn)品頂出,隨后機械手將產(chǎn)品取走,頂出系統(tǒng)在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位,接著合模開啟下一循環(huán)。
在完成模具三維結(jié)構(gòu)設(shè)計后,模具實物通過后期的加工制造裝配。再基于Moldflow的CAE分析結(jié)果,利用海天MA4700注塑機(該注塑機的最大注射壓力為158MPa,最大注射容量為1860cm3,最大模厚為780mm),選用B型螺桿,經(jīng)多次調(diào)整注塑工藝參數(shù)反復(fù)試模后,確定第一個閥澆口打開2.2s后第二個閥澆口再打開,模具溫度為90°,塑料熔體溫度為280°,注射壓力為55MPa,冷卻時間為25s。在上述工藝條件下進行注塑成型,獲得汽車杯托底座產(chǎn)品實物,如圖12所示。
產(chǎn)品正面無任何脫模缺陷,表面皮紋機理清晰可見,無肉眼可見的熔接線,產(chǎn)品反面的加強筋位置無短射、缺膠等現(xiàn)象。
5結(jié)論
1)模具采用了兩點針閥式熱流道系統(tǒng)結(jié)構(gòu),通過外部的順序閥來控制澆口的打開時間,從而控制產(chǎn)品外觀面熔接痕的位置,使表面質(zhì)量都達到了要求;通過多組滑塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計解決了產(chǎn)品側(cè)向脫模困難的情況,并在其中一組滑塊的內(nèi)部設(shè)計了帶頂針的結(jié)構(gòu),使得滑塊脫模時不會拉傷產(chǎn)品的加強筋。
2)在模具定模側(cè)設(shè)計了斜頂機構(gòu),通過安裝在模具側(cè)邊的兩套定距拉鉤,在開模的同時,實現(xiàn)定模斜頂機構(gòu)的同步頂出;合模時,定模的頂出系統(tǒng)通過復(fù)位桿被動模推回復(fù)位。
3)模具實際試模后,產(chǎn)品的成型質(zhì)量及周期均達到技術(shù)要求,產(chǎn)品的皮紋表面無明顯的熔接痕缺席,產(chǎn)品C、D兩處的齒輪狀結(jié)構(gòu)及加強筋無缺料現(xiàn)象;證明該模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,該定模同步斜頂頂出技術(shù)可行。
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