基于模流分析對氣壓瓶蓋模具結構優(yōu)化設計

張景黎，劉國良

（北京電子科技職業(yè)學院 機電工程學院，北京 100176）

0 引言

塑料注射成型模具模流分析技術具有先進性、開拓性、綜合性和實用性，是基于新的模具設計思想和方法在計算機軟件技術、精密測量技術和CAD/CAM技術基礎上產生的一項新技術。在具有各類復雜型腔塑料制品注射成型模具的設計開發(fā)與制造方面，能夠大大縮短模具設計開發(fā)周期、減少試模、修模次數，提高產品質量、提高企業(yè)的競爭力。

本文基于模流分析軟件在氣壓瓶蓋塑料制品的模擬檢測，通過塑料制品的零件結構分析和塑件的工藝分析后，對模具結構設計進行可行性分析。同時，運用模具先進設計制造方法、塑料注射模擬的全過程及其關鍵注射參數進行了研究和探索，并最終完成模具設計與制造、試模與修模、產品試制與注射工藝參數調整、批量成型塑料制品的生產，實現(xiàn)了對薄壁殼體件塑料注射成型模具先進制造技術的應用與創(chuàng)新。

1 塑件成型工藝分析

該塑件為氣壓瓶蓋，其二維圖尺寸如圖1所示，塑件的壁厚為2.5 mm，為中批量生產，材料為ABS，成型工藝性好，可以注射成型。

圖1 塑件制件結構圖 （單位：mm）

根據塑件的用途及塑料的性質分析其表面質量，確定塑件的精度等級要求為IT6，其中塑件的表觀缺陷是其特有的質量指標，包括缺料、溢料與飛邊、凹陷與縮癟、氣孔、翹曲等。模具的腔壁表面粗糙度是塑件表面粗糙度的決定性因素，通常要比塑件高出一個等級。為了便于塑件從模腔中脫出或從塑件中抽出型芯，塑件設計時須考慮其內外壁面應該有足夠的脫模斜度。最小脫模斜度與塑料性能、塑件幾何形狀有關。該塑件壁厚約2.5 mm，大開口處有5°的斜角，小開口處有3°的傾角，這樣足以使型芯很容易抽出。為了使大的側抽芯容易抽出，脫模斜度（型芯）為1°。

2 CAE模流分析

使用MPA模擬軟件，對氣壓瓶蓋注塑成型進行模擬仿真，模擬模具注塑的過程，分析了待成型塑件在模具型腔中的溫度變化、壓力、熔接痕和氣穴分布，為給該套模具結構設計提供重要參考數值。通過計算得出一些數據結果，對模具的方案可行性進行評估，優(yōu)化模具結構設計方案及產品設計方案[1]。

2.1 澆口位置及數量的確定

澆口是連接流道與型腔之間的一段細短通道，是澆注系統(tǒng)的關鍵部分，起著調節(jié)控制料流速度、補料時間及防止倒流等作用。澆口的類型包括側澆口、點澆口、潛伏式澆口、扇形澆口、薄膜澆口等，根據其特性不同使用在不同場合。一般澆口采用長度很短（0.5～2 mm）而截面很狹窄的小澆口，因此流動阻力很大，細微的變化都會對塑料熔體的充填產生很大的影響。澆口設計主要包括澆口的數目、位置形狀和尺寸的設計。澆口的數目和位置主要影響充填模式，而澆口的形狀與尺寸主要影響熔體流動性質。澆口設計應該保證提供一個快速、均勻、平衡、單一方向流動的充填模式，同時避免射流、滯流、凹陷等現(xiàn)象的發(fā)生。

通過分析，本模具的澆口設計為側澆口，與點澆口相比較的優(yōu)勢為可以用兩板模，而點澆口要用三板模，簡化模具結構。這里澆口的斷面形狀設計為圓角梯形，其截面厚度h通常取澆口處壁厚的1/3～2/3，這里取h=1 mm；其截面寬度b取8 h，b=8 mm；澆口長度取l=1 mm。

下面利用MPA軟件分析零件的澆口位置，找到設置澆口的最佳區(qū)域。對澆口位置最佳區(qū)域進行澆口位置及數量分析，由于采用一模一腔，同時采用側澆口，開設在塑件的中部，側澆口采用4個位置進料，開設側面在表面要求不高的面上，所以澆口開設采用如圖2（a）所示的方案。

圖2 CAE模流分析

2.2 物料流動填充分析

塑料在一定溫度與壓力下填充型腔的能力稱為流動性。這是模具設計時必須考慮的一個重要工藝參數。流動性大易造成溢料過多，填充型腔不密實，塑件組織疏松，樹脂、填料分頭聚積，易黏膜、脫模及清理困難，硬化過早等弊病。但流動性小則填充不足，不易成形，成形壓力大。本塑料選用的材料為ABS。查參考資料可以知道ABS流動性中等。物料填充時間指注射過程中熔體從澆口到型腔各個位置所需的流動時間，如圖2（b）所示，物料從4個側澆口填充，向塑件四周流動，匯集在成型塑件的底部匯合，總填充時間為1.749 s。各個時刻熔體在模具型腔內的流動狀態(tài)，在平衡的流動狀態(tài)下，每股支流將同時到達型腔末端，成型的塑件產生熔接痕的地方。

2.3 氣穴分析

圖2（c）所示為塑件的氣穴位置分布。 氣穴主要分布在塑件的底部匯合處和側面抽芯部分，氣穴會造成成型的塑件翹曲，局部變形等成型問題，使塑件局部位置發(fā)生翹曲、填充不充分、產生氣泡等。在后續(xù)模具設計中，要考慮在熔體與物料的匯合處、模具分型面處、鑲件與模板連接處、側滑塊的配合處合理設置排氣孔，合理消除氣穴對產品成型造成的影響[2]。

3 模具結構設計圖

根據上述MPA模流分析，氣壓瓶蓋模具結構優(yōu)化設計，其結構示意圖如圖3所示[3]。

圖3 模具結構設計圖

4 模具優(yōu)化結構

4.1 模具分型面確定

在注塑過程中，打開模具用于取出塑件或澆注系統(tǒng)凝料的面，通稱為分型面。分型面選擇是否合適對塑件質量、模具制造與使用性能都有很大影響，它決定了模具的機構類型，是模具設計中的一個重要環(huán)節(jié)[4]。 根據前面的模流分析，設計分型面方案（如圖4）。

圖4 分型面方案比較

比較兩種分型方法，第一種分型方案塑件通過推出很容易從模具體中出來，而且模具型腔設計起來簡單，而第二種分型方案要把模具設計成有哈夫塊的形式。由此分析確定采用第一種分型方法。因此，該套模具采用斜導柱側向抽芯結構。

4.2 側向抽芯機構的設計

本模具設計的難點是斜導柱抽芯機構中滑塊結構零件設計，它是斜導柱側向分型抽芯機構中一個重要零部件，注射成型時塑件尺寸的準確性和移動的可靠性都靠它來保證，滑塊的結構主要有整體式和組合式兩種形式。在滑塊上直接制出側型芯或側向型腔的結構稱為整體式，這種結構僅使用于形狀十分簡單的側向移動零件，尤其適用于瓣合式側向分型結構。例如，把側型芯和滑塊分開加工，然后裝配在一起，這種結構稱為組合式。采用組合式的結構可以節(jié)省優(yōu)質鋼材且加工容易，因此應用較為廣泛。

4.2.1 側型芯和滑塊的連接形式

本模具根據塑件結構設有3個側抽芯，有1個小型芯放在一個滑塊上，另外有2個不同的側型芯要放在一個滑塊上。所以2個滑塊的連接接形式不同。只有一個型芯的滑塊可用銷釘固定小型芯的連接方式；有兩個型芯的滑塊的連接方式，把型芯鑲入一固定板后用螺釘、銷釘與滑塊連接和固定[5]。

4.2.2 滑塊的導滑形式

滑塊在側向分型抽芯和復位的過程中，要沿一定的方向平穩(wěn)往復移動。導滑槽應使滑塊運動平穩(wěn)可靠，二者之間上下、左右各有一對平面配合，配合取H 7/f 7，其余各面留有間隙。滑塊的導滑部分應具有足夠的長度，以免運動中產生歪斜，一般導滑部分應大于滑塊寬度的2/3，否則滑塊在開始復位時容易發(fā)生傾斜。因此，導滑槽的長度不能太短，有時為了不增大模具尺寸，可采用局部加長的措施來解決，本模具把動模板的長度增加20 mm就是這個原因。導滑槽應有足夠的耐磨性，由T8、T10或45鋼制造，硬度在HRC50以上。本設計中導滑槽用T8材料，淬火硬度為50～55 HRC。

4.2.3 滑塊的定位裝置

合模時為了保證斜導柱的伸出端可靠地進入滑塊的斜孔，滑塊在抽芯后終止位置必須定位，所以滑塊需要有定位裝置，而且必須靈活、可靠、安全。經分析只有一個側抽的滑塊采用彈簧、活動定位釘定位圖5（a）。有兩個側抽芯的滑塊用彈簧使滑塊停靠在陷位擋塊上定位，彈簧力應為滑塊自重的1.5～2倍。經過估算，彈簧的受力為250 N，所以彈簧應選擇彈簧絲的直徑為2.5 mm，彈簧中徑為14 mm，節(jié)距為4.73 mm，最大工作負荷為284 N的彈簧，其定位方式如圖5（b）所示。

圖5 滑塊的定位裝置

4.3 斜導柱與滑塊的配合間隙

在斜導柱抽芯機構中，斜導柱只起驅動滑塊的作用，至于在閉模狀態(tài)下型腔內熔融塑料對滑塊的壓力應該由楔緊塊承受。為了運動靈活，斜導柱與滑塊一般采用比較松動的配合，可作成單邊0.5 mm的間隙，或取f 9配合。

4.4 楔緊塊的設計

4.4.1 楔緊塊的形式

在注射成型的過程中，側型芯會受到型腔內熔融塑料較大推力的作用，這個力會通過滑塊傳給斜導柱，而一般的斜導柱為一細長桿，受力后很容易變形。因此必須設置楔緊塊，以便在合模狀態(tài)下能壓緊滑塊，承受腔內熔融塑料給予側向成型零件的推力。

4.4.2 楔緊塊的楔角

在側抽芯機構中，楔緊塊的楔角是一個重要的參數。為了保證在合模時能壓緊滑塊，而在開模時它又能迅速脫離滑塊，避免楔緊塊影響導柱對滑塊的驅動，鎖緊角一般必須大于斜導柱的斜角，只有這樣，才能保證模具一開模，楔緊塊就讓開。一般楔角要比斜導柱的傾角大2°～3°。

5 結語

本模具在設計過程中，從制件形狀結構的分析、材料成型工藝及成型設備的選用開始，使用moldflow分析澆口位置，設計澆注系統(tǒng)，然后進行成型零部件計算，并進行了校核，數據基本準確。本模具設計為“一模一腔”，主要的機構有側向分型與抽芯機構、導向與定位機構、脫模機構、冷卻系統(tǒng)等。其中，有斜角的側芯為本模具的設計難點，因此本文設計了有傾角的滑塊結構，二次定位，保證側滑塊運動平穩(wěn)，優(yōu)化了模具結構，這些構成了本模具的特點。