復(fù)雜連接半套注塑模具設(shè)計*

范希營 郭永環(huán)

(徐州師范大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

注塑成型是指受熱融化的材料由高壓射入模腔，經(jīng)冷卻固化后，得到成形品的方法。該方法適用于形狀復(fù)雜部件的批量生產(chǎn)，是重要的加工方法之一［1］。隨著IT等行業(yè)的迅猛發(fā)展，注塑產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛，產(chǎn)品的形狀結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的二維模具設(shè)計已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，為此，國內(nèi)外許多學(xué)者不斷尋求三維模具設(shè)計方法。王桂龍等提出在冷卻階段，通過快速冷卻已賦形的塑料熔體，以縮短注塑成型周期。在不影響注塑生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，提升注塑件的品質(zhì)［2］。C.K.Mok等為了提高注塑模零件生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計了注塑零件自動化識別系統(tǒng)［3］。但是，該識別系統(tǒng)在注射模加工零部件的部分存在著很大的分歧，是一個需要潛在發(fā)展的方法。W.M.Chan等提出了1種以經(jīng)驗知識為基礎(chǔ)的注塑模具的互動設(shè)計系統(tǒng)(IKB模具設(shè)計)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了最初的模具設(shè)計與知識基礎(chǔ)兩者的互動，具有CAD/CAM商用模具設(shè)計軟件詳細(xì)說明［4］。Mustafa Kurt等在研究成型條件對注塑模具零件收縮率和圓度影響的過程中，用了Pro/E軟件對塑件及注塑模具進(jìn)行了建模，縮短了設(shè)計時間［5］。Yi－Min Deng等研究了可以減少注射成型翹曲的混合抽樣法和遺傳算法，以塑料食品托盤作為案例，通過Moldflow進(jìn)行模擬，加快了設(shè)計的速度［6］。Hamdy Hassan等用三維方法研究注塑模具的冷卻系統(tǒng)的傳熱效果，提出用三維立體的方法，研究聚苯乙烯注塑成型時冷卻通道的位置和形狀對固化作用和溫度分布的影響［7］。Mustafa Kurt等在研究模腔壓力和模具表面溫度對最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響時，為了確定零件的撓度，將使用Pro/E軟件建立的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ATOS自動化系統(tǒng)(三維光學(xué)掃描儀)，加快了實驗的進(jìn)程，減少了實驗時間［8］。以上應(yīng)用了Pro/E等軟件進(jìn)行模具設(shè)計或輔助分析，但是設(shè)計或分析的是某一單項，如對塑件翹曲的影響，而不是對整個模具設(shè)計加以描述。本文以復(fù)雜連接半套為案例，利用Pro/E軟件進(jìn)行復(fù)雜件注塑模具的設(shè)計，以期尋求復(fù)雜件注塑模具快速設(shè)計方法。

1 塑料制件的三維建模及模仁的設(shè)計

如圖1所示為塑件二維及三維視圖。該塑件為連接半套，材料為PA，生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)。要求表面光潔、無裂痕、缺口和擦傷等明顯缺陷。內(nèi)表面為曲面，用頂桿頂塑件的時候需要對頂桿進(jìn)行止轉(zhuǎn)。該塑件有3個卡扣，這是本設(shè)計的難點，可以用斜滑塊機構(gòu)或斜頂機構(gòu)進(jìn)行脫模。考慮到用斜頂對塑件的卡扣進(jìn)行脫模，結(jié)構(gòu)簡單，可以簡化模具的結(jié)構(gòu)，所以本設(shè)計選用斜頂進(jìn)行側(cè)向抽芯。

用Pro/E對塑件的體積進(jìn)行測量(圖2a)，該塑件的體積為V=56.2 cm3。該塑件尺寸為未注公差，PA材料的公差等級選為MT5。PA的密度為ρ=1.10～1.15 g/cm3，取ρ=1.13 g/cm3，計算塑件的質(zhì)量為:W=Vρ=56.2 ×1.13=63.51 g。

根據(jù)工期及產(chǎn)量，確定模具為一模四腔，再次用Pro/E對塑件的體積進(jìn)行測量(圖2b)可知一次注塑所需的塑料為:267.1 cm3。理論注塑量為:

內(nèi)表面有兩個內(nèi)孔為非圓形的凸臺，做嵌件的時候需要對嵌件進(jìn)行止轉(zhuǎn)，以保證凸臺內(nèi)孔的位置精度。做鑲嵌能使模具制造變得簡單(圖3)，節(jié)省制造成本。再把模仁做成單個嵌入，使模具好加工并且容易更換。所以還要在Pro/Moldesign模塊中把小嵌件分割出來。利用Pro/E軟件的Moldesign模塊進(jìn)行分模(圖4)。

2 模具總圖及冷卻水道的設(shè)計

目前設(shè)計模具的一般流程是用三維軟件進(jìn)行分模，生成模具最復(fù)雜的部分型芯和型腔，然后在二維圖中繪制模具整體結(jié)構(gòu)方案。如果想細(xì)化模具組件，在三維環(huán)境中用創(chuàng)建特征的方法創(chuàng)建每一個零件。這對于結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的模具來說是合適的，但本文的連接半套結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會使設(shè)計人員的工作量非常大。Pro/E的外掛程序模具專家系統(tǒng)EMX，可以把模具設(shè)計人員從細(xì)化模具的手工勞動和重復(fù)勞動中解放出來，可以用于設(shè)計和細(xì)化模架。

在Pro/Moldesign模塊下，調(diào)入所設(shè)計的三維產(chǎn)品實體模型創(chuàng)建模腔的幾何外形，產(chǎn)生模具模芯和腔體以及精加工的塑料零件和完整的模具裝配體文件。之后，就可以導(dǎo)入 EMX，建立與之相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模座及滑塊、頂桿等輔助零件，最終方便設(shè)計出理想的高質(zhì)量模具，如圖5、圖6所示。

對于注射模具，冷卻時間占整個注射成型周期的2/3以上，因而在保證塑件質(zhì)量和成型工藝順利進(jìn)行的前提下，通過降低模具溫度來縮短冷卻時間，是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。本塑件在注塑成型時不要求有太高的模溫因而在模具上可不設(shè)加熱系統(tǒng)，而通過下列計算可知需要設(shè)計冷卻系統(tǒng)。

設(shè)定模具平均工作溫度為40℃，用常溫θ2(冷卻水入口溫度)為20℃的水作為模具冷卻介質(zhì)，其出口溫度θ1為27℃，根據(jù)式(1)得產(chǎn)量W為(粗算注射成型周期為1 min)22.4 kg/h。已知PA的單位熱流量Q1=7.0×102kJ/kg，則塑件在固化時每小時釋放的熱量Q=WQ1=22.4×7×102kJ/h=1.57×104kJ/h。根據(jù)冷卻水的體積流量公式qv=WQ1/［ρc1(θ1－θ2)］，冷卻水在管道內(nèi)的流速公式v=4qv/(πd2)，冷卻管道孔壁與冷卻水之間的傳熱膜系數(shù)公式h=3.6f(pv)0.8/d0.2，以及冷卻管道總傳熱面積公式A=60Wθ/(hΔθ)得出模具上應(yīng)開設(shè)的冷卻管道的孔數(shù)n=A/(πdL)=9。在不與頂出系統(tǒng)和其他連接件發(fā)生干涉的情況下，盡量在型腔附近設(shè)置冷卻系統(tǒng)。由于塑件的外輪廓比較復(fù)雜，直通式水道不好布置，所以選用回轉(zhuǎn)式冷卻水道，如圖7所示。

3 結(jié)語

(1)在Pro/E模具設(shè)計模塊支持下，使用EMX外掛程序包進(jìn)行注塑模具設(shè)計，設(shè)計生成的注射模模架效率高，通過對模架與模具零件進(jìn)行干涉情況檢查，便于快速調(diào)整設(shè)計方案，縮短了模具設(shè)計周期，降低了復(fù)雜注塑模具開發(fā)成本。

(2)通過理論計算，對注射模的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，并且進(jìn)行了冷卻水路的平衡布置，實現(xiàn)了模具溫度的合理控制。

［1］Zdlei.http://baike.baidu.com/view/667031.htm［OL］.2011.

［2］王桂龍，趙國群，李輝平，等.變模溫注塑熱響應(yīng)模擬與模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.機械工程學(xué)報，2009，45(6):216 －221.

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［4］CHAN W M，YAN L，XIANG W，et al.A 3D CAD knowledge－based assisted injection mould design system［J］.Int J Adv Manuf Technol，2003，19:387 －395.

［5］Mustafa Kurt，Yusuf Kaynak，Kamber Omer S，et al.Influence of molding conditions on the shrinkage and roundness of injection molded parts［J］.Int J Adv Manuf Technol，2010，26:571 －578.

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［8］Mustafa Kurt，Saban Kamber O，Yusuf Kaynak，et al.Experimental investigation of plastic injection molding:assessment of the effects of cavity pressure and mold temperature on the quality of the .nal products［J］.Materials and Design，2009，30:3217 －3224.