金敦水 汪恒兵

(1. 安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系， 安徽 蚌埠 233000；2. 安徽匯精模具研發(fā)科技有限公司，安徽 蚌埠 233000))

模具鑲拼件的數(shù)字化建模設(shè)計(jì)與分析

金敦水1汪恒兵2

(1. 安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系， 安徽 蚌埠 233000；2. 安徽匯精模具研發(fā)科技有限公司，安徽 蚌埠 233000))

為了提升模具設(shè)計(jì)的效率和產(chǎn)品的制造精度，以材料力學(xué)理論研究為基礎(chǔ)，考慮塑料在注塑中的流動(dòng)過程，構(gòu)建了鑲拼件的數(shù)字化模型，分析了鑲拼件設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，并結(jié)合企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際，總結(jié)了鑲拼件設(shè)計(jì)中存在的問題，提出了解決對(duì)策。

鑲拼件； 模具設(shè)計(jì)； 數(shù)字化模型； 材料力學(xué)

隨著塑料模具工業(yè)的快速發(fā)展以及塑料在強(qiáng)度、性能等方面的快速提升，塑料制品的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，特別是在家用電器、儀器儀表、建筑器材和汽車工業(yè)等眾多領(lǐng)域，塑料制品所占的比例迅猛增加。這對(duì)塑料模具設(shè)計(jì)與制造的效率、精度和可持續(xù)性等方面提出了越來越高的要求。同時(shí)，為了滿足外觀和性能的要求，在工業(yè)設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)品部件的結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，從而提升了模具設(shè)計(jì)、制造、裝配和生產(chǎn)等方面的難度。在模具裝配、制造和維修過程中，鑲拼件設(shè)計(jì)的合理性將影響模具的壽命和產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，基于材料力學(xué)基礎(chǔ)理論完成鑲拼件的數(shù)字化分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

1 數(shù)字化建模及結(jié)構(gòu)分析

鑲拼件作為塑料模具成型零部件的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性將決定產(chǎn)品的局部尺寸精度，影響模具安裝、維修和調(diào)試。在模具設(shè)計(jì)中，融熔塑料在模具中的流動(dòng)由于受力有差異，其數(shù)學(xué)模型也不盡相同。常見的數(shù)學(xué)模型有簡(jiǎn)支式鑲件模型和懸臂式鑲件模型。結(jié)合企業(yè)的工作實(shí)際，簡(jiǎn)支式鑲件模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，理論模型合理，能夠準(zhǔn)確反應(yīng)鑲拼件的受力狀況。因此，以材料力學(xué)理論為基礎(chǔ)，將熔融塑料對(duì)鑲拼件的受力過程簡(jiǎn)化，基于簡(jiǎn)支式鑲件模型構(gòu)建數(shù)字化模型，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

按照熔融塑料的流動(dòng)過程，結(jié)合材料力學(xué)理論，其推導(dǎo)過程如下：

(1)

根據(jù)某一截面所受的載荷為0，即∑M1=0得

(2)

聯(lián)合式(1)、(2)可得：

(3)

(4)

(5)

根據(jù)鑲拼件數(shù)學(xué)模型以及塑料結(jié)構(gòu)可知，斜坡角θ一般取值較小，故tanθ可近似取為0。因此，簡(jiǎn)支式鑲拼件的最大彎曲應(yīng)力產(chǎn)生在模型中部，其最大彎曲應(yīng)力σmax計(jì)算公式為：

(6)

在產(chǎn)品成型過程中，由于塑料熔體的流動(dòng)沖擊，易使鑲拼件失效。通過分析簡(jiǎn)支式鑲拼件數(shù)學(xué)模型可知，增長(zhǎng)鑲拼件的直徑D、減小長(zhǎng)度l或者減小斜度都可以有效減小鑲拼件的應(yīng)力。

2 典型結(jié)構(gòu)形式分析

當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)較深或較薄特征時(shí)，常見的設(shè)計(jì)方式是將其拆分成鑲拼件結(jié)構(gòu)形式。目前在提高模具性能和使用壽命過程中，鑲拼件起到了重要的作用。不僅可以節(jié)約性能優(yōu)良的模具鋼材、方便加工，而且在鑲拼件設(shè)計(jì)時(shí)增加排氣，有利于產(chǎn)品的成型，縮短模具制造周期。目前，為了便于更換和維修，在塑料模具設(shè)計(jì)時(shí)一般都把型芯和型腔設(shè)計(jì)成大鑲件，而且模架適用于其他局部尺寸不一樣的產(chǎn)品的型芯和型腔，提高了模架的使用效率。對(duì)于部分型芯和型腔強(qiáng)度要求較高的產(chǎn)品，通過在深孔凸起和圓形部件處增加鑲拼件，降低模具成本，縮短加工周期。對(duì)于碰穿和擦穿成型的特殊類型的孔，通過設(shè)計(jì)成鑲拼件的結(jié)構(gòu)形式，降低加工難度，提高模具的使用壽命。其典型的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 擦穿鑲拼件和碰穿鑲拼件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

在滑塊和斜頂結(jié)構(gòu)的模具設(shè)計(jì)中，將加工難度較高和參與成型磨損較嚴(yán)重的部位設(shè)計(jì)成鑲拼件結(jié)構(gòu)，從而保證模具組件有足夠的強(qiáng)度和剛度，并且降低了塑料模具的加工成本，提高了生產(chǎn)效率。

對(duì)于具有一定塑性的、倒扣尺寸較小的、不方便用斜頂或滑塊機(jī)構(gòu)的塑件，通過使用活動(dòng)鑲拼件來完成設(shè)計(jì)和制造。模具分型時(shí)，通過頂出機(jī)構(gòu)將塑件和鑲拼件一并頂出，然后采取手動(dòng)方式取出塑件，最后將鑲拼件在模具型腔中復(fù)位，為下次產(chǎn)品注塑成型做好準(zhǔn)備[2]。

3 典型案例分析

在鑲拼件設(shè)計(jì)中根據(jù)模具的排氣情況、加工困難程度、容易磨損位置和重要的配合位置等多種因素來確定是否需要設(shè)計(jì)拆分鑲拼件。鑲拼件設(shè)計(jì)過程中主要考慮的因素有鑲拼件的固定方式、鑲拼件的數(shù)量、鑲拼件的位置和鑲拼件的材料等。

(1) 對(duì)于部分存在筋位的產(chǎn)品，典型結(jié)構(gòu)如圖3中的A和B所示。因?yàn)闊o法排氣，該產(chǎn)品在注塑過程中槽內(nèi)氣壓較高，從而出現(xiàn)塑料無法填滿的情況，使產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷，注塑成型后的產(chǎn)品無法滿足要求。利用鑲拼件的排氣功能，在設(shè)計(jì)時(shí)加上鑲拼件設(shè)計(jì)，使氣體通過鑲拼件的配合面實(shí)現(xiàn)排氣；同時(shí)考慮鑲拼件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)合鑲拼件的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，增大鑲拼件的橫向尺寸設(shè)計(jì)，降低斜度，完成鑲拼件的設(shè)計(jì)。具體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐表明，此結(jié)構(gòu)能很好地解決此類產(chǎn)品排氣和注塑不能填滿的問題，且產(chǎn)品尺寸和精度均滿足要求[3]。

圖3 典型產(chǎn)品鑲拼件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖4 深筋位、柱位鑲拼件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

(2) 對(duì)于部分結(jié)構(gòu)單一的塑料產(chǎn)品，企業(yè)為了提高模具設(shè)計(jì)與制造的效率，將型芯設(shè)計(jì)成鑲拼件形式，分成兩部分同時(shí)加工，可以提高加工速度并且解決了排氣的問題。典型結(jié)構(gòu)如圖5所示。另外由于部分產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致了模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異性，增加了模具的加工難度。通過設(shè)計(jì)合理的鑲拼件結(jié)構(gòu)，解決了加工難度和排氣的問題，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。典型結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 排氣鑲拼件典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖6 塑件底部異形鑲拼件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

(3) 澆注系統(tǒng)是模具設(shè)計(jì)中必不可少的組成部分，其一般設(shè)計(jì)在動(dòng)模板的型芯和定模板的型腔中。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，部分不可或缺的鑲拼件的位置設(shè)計(jì)會(huì)影響冷卻水路的設(shè)計(jì)。為了保證產(chǎn)品的生產(chǎn)精度，就必須改變鑲拼件的固定方式。鑲拼件的

固定方式主要有：螺釘和銷釘固定、臺(tái)階固定、雙圓柱面固定、壓塊固定。圓柱形的鑲拼件在設(shè)計(jì)固定結(jié)構(gòu)時(shí)必須設(shè)計(jì)止轉(zhuǎn)銷來定位鑲拼件的位置精度。將鑲拼件的臺(tái)階固定方式改成螺釘固定，既能保證鑲拼件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也能滿足模具的水路設(shè)計(jì)[4-5]。

4 結(jié) 語

(1) 通過分析鑲拼件在塑料成型過程中的作用，以材料力學(xué)理論為建?；A(chǔ)，結(jié)合塑料流動(dòng)過程中鑲拼件的受力狀況分析，構(gòu)建了鑲拼件的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行分析，得到了鑲拼件結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)依據(jù)，為鑲拼件的合理設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

(2) 在理論分析的基礎(chǔ)上，詳述了鑲拼件的典型結(jié)構(gòu)形式，通過優(yōu)化鑲拼件結(jié)構(gòu)，降低了塑料模具設(shè)計(jì)和制造的難度。結(jié)合企業(yè)的典型案例進(jìn)行了分析和研究，總結(jié)了鑲拼件設(shè)計(jì)中存在的問題，并提出了解決對(duì)策，保證了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，提升了設(shè)計(jì)效率。

[1] 劉雄，杜群貴，王新繼，等．基于ANSYS的注塑模鑲件結(jié)構(gòu)分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36(9)：89-91.

[2] 賈乃智.注塑模成型鑲件的設(shè)計(jì)[J].模具制造，2011，10(10)：55-57.

[3] 焦瑞萍，池成忠，黃能會(huì).注塑模具結(jié)構(gòu)中的鑲件設(shè)計(jì)[J].塑料工業(yè)，2010，38(2)：33-35.

[4] 李小敏，劉衛(wèi)東.注塑模具鑲件的設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2009，4(4)：168-169.

[5] 竇宇，王金卓，王義林.基于UG的修邊翻邊鑲件參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究[J].模具工業(yè)，2015，41(11)：7-11.

Design and Analysis of Digital Modeling for Mold Insert Piece

JINDunshui1WANGHengbing2

(1. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Anhui Vocational College of Electronics &Information Technology, Bengbu Anhui 233000, China;2. Anhui Precision Mold Development Technology Co. Ltd., Bengbu Anhui 233000,China)

In order to improve the manufacturing precision and design efficiency of products, a digitalized model for insert piece is constructed, based on mechanics of materials and the plastic flow process in the injection molding. This paper also determines the theoretical basis of inlaid design by summarizing the problems in design and puts forward the some countermeasures, combined with the actual production of enterprises.

insert piece; mould design; digital model; mechanics of materials

2016-07-14

2013年安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目“模具設(shè)計(jì)與制造省級(jí)特色專業(yè)”(2013TSZY085)；2015年安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目“模具設(shè)計(jì)與制造教學(xué)團(tuán)隊(duì)”(2015JXTD094)；2015 年安徽省重點(diǎn)教研項(xiàng)目“基于‘三創(chuàng)’能力培養(yǎng)下高職第二課堂的研究與實(shí)踐 —— 以模具設(shè)計(jì)與制造專業(yè)為例”(2015JYXM600)；2015年安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院教研項(xiàng)目“高速銑削加工機(jī)理及工藝參數(shù)研究”(ADZX1513)

金敦水(1984 — )，男，安徽巢湖人，碩士，講師，研究方向?yàn)槟＞咴O(shè)計(jì)與制造。

TH162

B

1673-1980(2017)01-0118-03