基于CAE分析的轉盤斜齒輪自潤滑脫模機構模具結構設計

卞 平，肖國華

(1,湖北工業職業技術學院，湖北 十堰 4420003；2.浙江工商職業技術學院現代模具學院，浙江 寧波 315012)

0 前言

圓盤狀套蓋塑件注射成型時其模具的設計有幾個共同的難點特征：(1) 表面外觀質量要求高的塑件，因塑件整圈外沿基本一致，其澆注系統澆口位置的設置較為困難；(2)外壁有凹槽倒扣等特征時，需要設計的特殊的前模側面脫模機構；(3)內壁存在螺紋或者倒扣時，需要設計脫螺紋機構及特殊的倒扣側抽芯機構來脫模；(4)塑件的完全頂出采用頂桿頂出時，受設計空間限制，頂桿的數量不能設置較多，少量的頂針容易將塑件頂白；(5)塑件為圓周型，難以做到均衡冷卻。因而，圓盤狀套蓋塑件的模具的設計風險也比較大，需要結合塑件的成型仿真分析及可視化三維軟件來進行虛擬設計，以避免設計盲區，減少生產實際中的設計失誤所導致的生產浪費。

本文擬結合攪碎機轉盤的注射成型要求，在基于CAE成型仿真分析的基礎上，運用三維設計軟件UG10.0及其上的模具設計外掛HB Mould6.3對其進行實時三維可視化優化設計，以避免設計失誤，實現模具結構的最優設計。

1 塑件結構

塑件結構如圖1所示，塑件材料為改性聚丙烯(PP)；塑件上端為軸套，下端為端蓋，端蓋內部為行星斜齒輪。塑件的外壁不允許有澆注痕跡；塑件精度要求為MT4。結合客戶要求及塑件本身的形狀特點，影響塑件模具結構設計的問題有以下幾方面：

圖1 塑件外形Fig.1 Shape of the product

(1)澆口位置的開設 主要是塑件上端的軸套直徑小且高，與下端的套蓋外徑大且矮，形成注塑體積不均衡問題，澆口位置的開設影響塑件的分型，同時也決定料流的流動特性和塑件的最終注塑質量。

(2)塑件上由于凸緣和孔腳之間形成的內凹導致塑件的分型脫模變得復雜，需要采用側面抽芯脫模機構來實現內凹特征的脫模。

(3)內壁上設計有斜齒輪的脫模難脫模，需要做特殊的旋轉脫模處理，可以采用塑件的自潤滑旋轉來實施脫模，但孔腳上4個內孔型芯將阻礙塑件在斜齒型芯上地旋轉，因而，要實現塑件的自潤滑旋轉脫模必須先對4個孔腳上的4個內孔進行先行抽芯脫模，以保證塑件在斜齒型芯上的無阻礙自旋轉，這是本塑件模具結構設計的難點所在。

(4)塑件上內壁面較深，包緊力大，因而塑件的頂出脫模如采用頂針頂出一次性脫模容易將塑件頂白。

(5)塑件為圓環型，冷卻管道一般采用鉆孔方式做成的直通管道難以對塑件做到均衡冷卻。

因此，塑件的模具設計首要的問題是確定塑件的澆注系統。其次是塑件的脫模機構的設計。

2 澆注系統CAE分析

2.1 CAE模型

結合塑件的量產要求，采用一模兩腔是本塑件模具布局的首選。結合注塑經驗，單個模腔的澆注采用如圖2(a)所示的三點式點澆口平衡澆注方案來進行。澆注系統設計的可行性和優化采用Moldflow2015 模流分析軟件來進行。所構造的CAE模型如圖2(b)所示，模型中，對于相同塑件同模注塑而言，CAE考察觀察其結果時，只需考察其中一個塑件模型即可。運用該模型對澆注系統進行充填、保壓、變形等方面的仿真分析，以確保該澆注下塑件潛在的注塑問題能得到及早消除。

CAE模型中，網格為雙層面網格，網格規模為9 425個三角形單元左右，節點數為3 238個，縱橫比最大為9.5，最小為1.23，平均為5.32；網格匹配率為91.23 %，模型能較好地滿足CAE分析的要求。

(a)澆注系統 (b)兩腔塑件CAE模型圖2 CAE模型Fig.2 CAE Mode

采用Moldflow2015中的 【充填+保壓+翹曲】方式來進行本塑件的注塑流動分析。方案的工藝參數設置為模溫40 ℃，熔體溫度240 ℃，注射時間1.1 s，速度/壓力切換點為98.25 %，保壓控制控制分兩段保壓：(1)0～4 s，40 MPa；(2)4～8 s，35 MPa。冷卻時間制定為15 s；分離翹曲因素。

(a)充填時間 (b)充填壓力 (c)前沿溫度 (d)熔接線圖3 CAE分析結果IFig.3 CAE analysis result I

2.2 CAE分析結果

方案運行分析后，其主要結果如圖3所示。結果中，如圖3(a)所示，充填總的時間為1.236 s。塑件上充填平衡時刻為0.742 6 s，過了0.7426 s后，塑件下端繼續充填，而上端則處于初步保壓狀態，1.174 s時，下端已經達到充填飽滿狀態。注塑由充填轉變為保壓時注塑壓力狀態為最高40 MPa，充填末了壓力為7.04 MPa，注塑過程對注塑機的壓力要求不高，流動路徑上壓力損失小，且在產品的下端充填末端有足夠的充填壓力，注塑時的V/P轉換時在 1.153 s，產品填充至98.86 %時切換，壓力為 29.4 MPa，模腔內充填所需的壓力為28.75 MPa左右。注塑時塑件的上、下端的壓力分布基本平衡，料流充填基本能達到順序注塑狀態，說明流道平衡效果比較好，如圖3(b)所示。

產品上的溫度分布范圍在237.6～240.5 ℃之間，流動前沿溫差為2.9 ℃，在10 ℃之內，料流的流動性好，塑件上熔接線少，料流熔合效果好，如圖3d所示。關注其它結果時發現， 模腔內最大剪切速率28 307 s-1，最大產生在0.823 s時刻，產品95 %的剪切速率為38 307 s-1， 未超過材料許用極限100 000 s-1， 剪切速率在材料的許用范圍之內，最大剪切應力39.34 MPa，產品95 %的剪切應力0.22 MPa，在材料許用范圍0.5 MPa以內。分析的鎖模力值最大為9.93 t，未超出注塑機的載荷要求，如圖4(a)所示。

氣孔分析顯示產品無困氣現象，分型面排氣已足夠模腔排氣。體積收縮率1.87 %，產品體積收縮均勻。產品大面上的縮痕指數比較均勻且數值較低，最大值出現在下端外沿位置處，縮痕程度不影響外觀件建議接受，如圖4(b)所示。產品大部分區域收縮小，局部區域收縮較大，為12.2 %，需要加強冷卻。產品總的變形量為 0.054～0.4491 mm，如圖4(d)所示，經變形量與塑件同方向上的尺寸對比后，塑件的尺寸精度能控制在MT4精度范圍內。從CAE結果分析看出，該澆注系統能較好地滿足本塑件的澆注。

(a)鎖模力 (b)縮痕指數 (c)體積收縮 (d)翹曲變形圖4 CAE分析結果IIFig.4 CAE analysis result II

3 分型設計

顯然，采用圖2所示的點澆口澆注系統后，點澆口所在的位置需劃分為型腔面，結合塑件的脫模需要，最終確定的分型設計如圖5所示。分型面包括三個類型的面：定模分型面、哈弗分型面、 動模分型面。定模分型面主要便于塑件軸套上端的脫模和澆口的開設，哈弗分型面用于塑件外壁內凹的側向抽芯脫模，動模分型面便于塑件從模具上完全脫模，該分型面為塑件的主分型面。按此分型設計，塑件的脫模過程設定為：第一步，流道廢料與塑件分離；第二步，流道廢料自動脫模；第三步，孔腳特征處四個孔的成型件先抽芯，以保證塑件能在斜齒型芯上旋轉自潤滑脫模；第四步，塑件從型腔鑲件中脫模；第五步，塑件從哈弗分型面所分出的哈弗滑塊中脫模；第六步，塑件從型芯鑲件上按斜齒方向旋轉脫模脫出。

圖5 塑件分型設計Fig.5 The injection molding analysis of parting

因而，本塑件在確定圖2所示的澆注系統和以動模分型面為主分型面后，冷卻系統設計、側抽芯機構的設計、完全脫模方式是本模具設計的重點，這影響到模具整體的結構設計。

4 模具結構

4.1 模架及布局

模具整體結構設計如圖6所示，結合塑件的尺寸和周邊外形特點， 及側抽芯脫模的需要，模架選用龍記LKM三板模點澆口模架，模腔布局一模兩腔；為保證塑件的自動脫模自動化注塑生產，模具有6次分型打開，其中模架開模分型面有5個，分別為P1、P2、P3、P4、P6，哈弗滑塊側滑分型有1個，為P5；打開順序依次為：P1→P2→P3→P4→P5→P6。模架開模分型面中，P1分型面為模架第一次打開分型面，用于流道廢料從模腔中拔出，實現塑件與流道廢料在點澆口處崩斷分離；P2分型面為模架第二次打開分型面，用于流道板將留于拉料桿27上的流道廢料從澆口襯套1中拔出自動脫模；P3為第三次打開分型面，用于孔腳型針22的先抽芯，即用于塑件孔腳處4個孔與其對應的成型件孔腳鑲針22與塑件的分離；P4第四次模架分型打開面，定模板5和動模推板7打開，用于塑件與型腔成型件的分離，塑件留于型芯鑲件20上；P5為第五次打開面，該分型面為成型件的，不屬于模架模板的分型打開面，用于哈弗滑塊19的側向打開；P6為模架第六次分型打開面，用動模推板7將塑件從型芯鑲件20上完全頂出脫模。

1—澆口襯套 2—定位圈 3—面板 4—脫料板 5—定模板 6—動模導柱 7—動模推板 8—動模板 9—動模墊板 10—模腳 11—頂針蓋板 12—頂針推板 13—底板 14—動模推板頂桿 15—孔腳型針壓板 16—定模板導柱 17—中央型芯鑲件 18—型腔鑲件 19—哈弗滑塊 20—型芯鑲件 21—哈弗滑塊限位鉤 22—孔腳型針 23—型芯冷卻鑲件 24—型芯鑲件鎖緊螺桿 25—頂出限位塊 26—動模板頂出限位拉桿 27—拉料桿 28—脫料板撐開彈簧 29—定模板拉桿 30—脫料板拉桿 31—樹脂開閉器 33—動模板彈簧 P1～P6—定模開模面 P5—哈弗滑塊分型面(a)模具結構視圖 (b)動模、定模三維視圖圖6 模具結構Fig.6 Mould structure

4.2 成型件

成型件分為型腔一側的成型件和型芯一側的成型件，型腔側的成型件包括中央型芯鑲件17、型腔鑲件18、及兩個哈弗滑塊19；型芯側的成型件主要包括型芯鑲件20、動模推板7。成型件采用鑲件鑲拼安裝有利于成型件的加工和降低模具制造費用。

4.3 哈弗滑塊機構

圖7 哈弗滑塊機構的安裝Fig.7 Installation of a harvard slider mechanism

為實現塑件外壁內凹的脫模，在定模一側的定模板內設計了對應的前模哈弗滑塊脫模機構，如圖7所示，哈弗滑塊機構的主體成型件包括左半滑塊和右半滑塊，以右半滑塊為例，其安裝情況為：定模板對應導向柱位置開設導向柱安裝槽，導向柱通過螺釘緊固安裝于右半滑塊的兩側后，可以通過導向柱的導向，在定模板內在驅動彈簧的驅動下斜向向下滑出，實現塑件外壁內凹槽的側向抽芯脫模；右半滑塊斜向向下滑出的限位由限位釘限制，防止其從定模板槽內脫落；左、右半滑塊閉合時，由限位鉤對兩個半滑塊進行鎖緊定位，以防止其竄動，產生飛邊，限位鉤通過螺釘緊固安裝于動模板8上，以保證哈弗滑塊側分型時能可靠地在動模推板7上進行。

4.4 冷卻

冷卻設計中，如圖8所示，針對型腔鑲件18采用1條包圍式直通水路C1進行冷卻；兩個型芯鑲件20分別采用獨立的C2、C3環形槽水路進行冷卻，環形槽水路開設于型芯冷卻鑲件23，型芯冷卻鑲件23與型芯鑲件20通過設置密封橡膠圈后緊固組合在一起；左半滑塊、右半滑塊分別采用各自單獨的直通式水路C4、C5進行冷卻。

圖8 冷卻設計Fig.8 Cooling design

5 模具工作原理

5.1 工作原理

模具在注塑機上的安裝如圖9所示,模具的工作的過程為:

(1)閉模注塑 模具安裝于注塑機上后,閉合,注塑機通過噴嘴將熔融塑料注入模腔中。

(2)開模 開模時，分6個步驟實現塑件的自動化生產：

①P1打開 模具動模后退，P1打開，廢料頭與塑件在點澆口位置處斷開分離，塑件留在模腔內，廢料頭則被前模拉料桿及澆口襯套拉住，留于脫料板4上。

3—面板 4—脫料板 5—定模板 6—動模導柱 7—動模推板 8—動模板 9—動模墊板 10—模腳 11—頂針蓋板 12—頂針推板 13—底板 P1、P2、P4—定模開模面 P3—哈弗滑塊分型面 (a)模具開模側視圖 (b)模具開模狀態三維視圖圖9 模具工作原理Fig.9 Working principle of the mould

②P2打開 模具動模繼續后退，P2打開，脫料板4將廢料頭從拉料桿和澆口襯套上刮出，實現流道廢料的自動脫模。

③P3打開 模具動模繼續后退，注塑機頂桿頂住頂針板，在撐開彈簧的作用下，動模首先在P3打開，打開時，動模板8和動模墊板9分開，塑件的孔腳四個孔先與孔腳型針22脫離脫模，脫模完畢，動模板8被動模板頂出限位拉桿26拉住，不能繼續上行。

④P4打開 模具動模繼續后退，P4打開，打開時，定模板5與動模推板7分離。

⑤P5打開 P4打開的同時，在哈弗滑塊驅動彈簧的驅動下，左半滑塊、右半滑塊同步向兩側側向抽出，即P5分型面打開，在限位鉤的拉住下，左、右半滑塊只能沿著動模推板7的面上滑動，而從定模板5內的腔中脫出，脫出到一定到距離，左、右半滑塊與塑件分離，塑件不能勾住左、右半滑塊，從而，左、右半滑塊可以與動模推板7分離；塑件留于型芯鑲件20上。

⑥P6打開 模具動模繼續后退，注塑機頂桿頂住頂針板向上頂出，從而動模推板頂桿14及動模推板7向上頂出，從而動模推板7推動塑件在型芯鑲件20上沿著斜齒自潤滑轉動脫模，塑件從型芯鑲件上掉落，自動脫模。

⑦復位 復位過程與開模過程相反。

5.2 注意事項

(1)加熱水道密封性要保證，以防止露出高溫熱水腐蝕模具成型件及燙傷操作人員。

(2)裝配時，哈弗滑塊的導向槽的滑動間隙合理設置為0.03～0.05 mm，以防彈簧推出時運動卡死，同時亦須保證閉模時,哈弗滑塊能可靠地被定模板5的背面斜坡面可靠地壓緊,防止注塑壓力驅動而導致松退而產生飛邊。

6 結論

(1)結合塑件的成型需要，在運用CAE輔助分析確定澆注系統的基礎上，運用UG三維軟件設計了塑件一模兩腔布局的六板模點澆口結構模具；

(2)模具能實現塑件和流道廢料的自動化脫模注塑生產；模具結構中，模架機構能實現5次模板打開動作和1次哈弗滑塊分型側抽芯脫模動作；機構設計中，在哈弗滑塊下方設置的限位鉤能保證哈弗滑塊機構的兩個半邊滑塊體同步實施對塑件外壁內凹的側面分型脫模；動模一側的兩次頂出機構分兩次來實現塑件的完全脫模，實現了塑件內壁斜齒特征在型芯上自潤滑旋轉脫模，保證了塑件的自動化注塑生產的順利進行；

(3)模具結構設計合理，機構構思精巧，可為同類塑件的注塑生產提供有益借鑒。