劉瓊， 林富坤， 林永南

(1. 福建工程學院 材料科學與工程學院， 福建 福州350118；2. 廈門安普利生物工程有限公司， 福建 廈門 361022)

塑料螺紋產品在工程塑料中應用廣泛，由于有些螺紋具有側向凹凸溝槽，使其在脫模機構上的設計相對復雜，容易出現(xiàn)產品螺紋遭到破壞或根本無法脫出的現(xiàn)象[1-3]。在材料允許的情況下可以采用強制脫螺紋，目前主要采用旋轉脫螺紋的方法。側凹、側孔的抽芯結構多為滑塊或哈呋塊，螺紋的抽芯機構則采用馬達與鏈條自動進行脫螺紋、動力驅動下帶動鏈條或齒輪傳動脫螺紋機構[4-6]。

塑料管接頭是一個對稱的空心回轉體，側面有凹槽，其側凹方向與模具的開模方向不同，無法按照一般的脫模方式來脫出塑件，為脫模帶來難度。頸部設有加強筋，增大了連接管的剛性。針對該塑件，采用側抽機構來進行側凹處的成型與側型芯的脫出。借助CAE分析技術，在多型腔成型時，使型腔單行排列且將側凹處擺放在同一方向，并將多個側抽滑塊進行整體設計，采用哈呋塊結構成型，避免了抽芯時發(fā)生干涉等問題；利用螺紋型芯旋轉再加上該塑件自身的止轉結構能夠實現(xiàn)自動脫螺紋，這種脫螺紋的方式省去了頂出機構，簡化了結構設計，節(jié)約了成本。

1 塑件結構及工藝分析

1.1 塑件分析

由圖1可以看出，管接頭尺寸較小，其塑料熔體的流動行程比較短，外形上具有良好的軸對稱性，因此該塑件適合采用注塑成型。

塑件頭部有環(huán)狀凹槽，頸部有加強筋形成的凹槽，這種設計增大了連接管的剛性；由于塑件形狀對稱，可以選擇在其上半部分采用哈呋塊結構來進行整體抽芯；塑件上部腔體為階梯孔，可采用階梯狀型芯成型，且型芯可以作為鑲拼塊形式；塑件下半部分有內螺紋，這種設計可在管道連接處起到緊固的作用，此處為保證螺紋的質量，需要采用螺紋型芯進行旋轉脫螺紋。

圖1 塑料連接管二維圖(單位：mm)Fig.1 Two dimensional drawing of plastic connecting pipes(unit: mm)

1.2 塑件的精度與表面質量

該塑料連接管的尺寸由于沒有其他特別的要求，可按照一般尺寸精度，即MT3級精度查取相對應的尺寸的公差數值。

管接頭的表面質量要求其形狀對稱，外表美觀，無凹坑、斑點，熔接痕等缺陷。由于塑件內表面螺紋結構尺寸微小，模流分析結果顯示在此處常會出現(xiàn)熔接痕，這種缺陷不可避免[7]。

1.3 塑料材料性能分析

塑料管接頭的材料為ABS塑料，強度、韌性好，成型加工也相對容易[8]。其玻璃轉移溫度大約是105 ℃，密度約為1.04～1.06 g/cm3。ABS不具有定形性，所以熔點不固定。它能夠有效抵抗酸性、堿性與鹽溶液等無機溶液的腐蝕，而對于有機溶劑也具備一定的承受能力，在-25 ℃～60 ℃的環(huán)境下其性能表現(xiàn)正常；這種塑料成型出來的產品擁有光順的表面，對其染色和電鍍等的加工十分便利。

2 模流分析

在進行模具結構方案設計之前，為了更合理地確定流道設置，使用Moldflow軟件進行成型模擬與分析。在模流分析的過程中，分流道采用了直流道和S型流道兩種形狀進行對比，這里主要對以下幾個方面進行結果分析。

(1)充填時間。圖2顯示了兩種形狀流道的充填時間分析。直流道的充填時間為0.443 7 s，而S形流道的充填時間較直流道要長許多，為0.606 9 s，增大了約1.5倍，起到了緩沖效果，有利于獲得更好的外形塑件。

(a) 直流道

(b) S 形流道圖2 直流道與S形流道充填時間分析Fig.2 Analysis of filling time for straight and S-shaped channels

(2)翹曲變形。翹曲變形是塑料制品成型后最常見的一種缺陷。從圖3可以看出，兩種方案翹曲變形最大處集中在尾部六角，而頸部較穩(wěn)定，形變量較少。S型流道的塑件在各部位翹曲產生的變形量明顯比直流道減少許多，其中最大翹曲處減少0.002 mm。

(a)直流道

(b) S 形流道圖3 直流道與S型流道翹曲變形分析Fig.3 Analysis of warpage deformation of straight and S-shaped channels

(3)縮痕指數與體積收縮率?？s痕指數與體積收縮率均反映了塑件壁厚收縮的程度。通過模擬分析，兩種方案均在下半部分壁厚較厚處發(fā)生收縮，尤其在下部棱的部位最明顯。在總體的體積收縮率方面直流道最大達到了6.778%，而S流道則減小到6.627%，其改善效果較為顯著，如圖4所示。

圖4 直流道與S流道體積收縮率分析Fig.4 Analysis of volume shrinkage for straight and S-shaped channels

通過以上對不同分流道進行模流對比分析可知，采用“S”型分流道能夠明顯降低產品的翹曲變形缺陷發(fā)生，而且壁厚收縮變形也明顯降低。能夠保證產品良好的外觀質量。因此進行注射模結構設計時采用“S”型分流道結構。

3 注射模結構設計

3.1 注射機型號的確定

利用UG造型[9-10]得到產品的體積為：V塑=2.56 cm3。ρ為ABS材料的密度，取1.05 g/cm3。澆注系統(tǒng)凝料的體積估算為0.6倍的塑件體積大小。

所以一次注入的塑料熔體總體積為：

V總=nV塑+V澆=11.776 cm3，其中，n為型腔數目，n=4。

從而得出注射機的公稱注射量為：V公=V總/0.8=14.72 cm3，為保證模具能完整放置于注射機的拉桿空間中，選用注射機型號為XS-ZY-250。

3.2 分型面位置的確定

當模具打開時，需要脫離型腔中的塑件，并分離注塑時產生的塑料凝料，在這個過程里它們所接觸的面稱為分型面。分型面的位置和形式由許多影響因素決定，如塑件幾何形狀、澆口類型、型腔的排列分布等。

通過對塑件的整體形狀和外形特點加以分析，可初步得出如圖5所示3種分型面選擇方案。

通常分型面的選擇必須要以保證產品質量、有利于脫模、簡化模具結構等為前提進行選擇。從圖5可以看出，方案1不利于側抽機構的設計，方案3增加了脫螺紋的難度，因此這兩種方案不作選取，最終選擇分型面方案為方案2。因為塑件可分為上下兩部分，上部由哈呋塊抽芯，下部帶有內螺紋，需要依靠螺紋型芯旋轉脫模，所以開模方向設置在中間平面位置，塑件將會留在動模上的型腔中，又考慮(到塑件成型的質量和脫模的方便性，分型面會向下偏移1 mm左右。

圖5 3種分型面方案Fig.5 Three mould joint schemes

3.3 型腔排列方式的確定

塑料連接管采取一模四腔的結構注塑成型，型腔排列方式采用直線中心對稱式排列，此時分流道對應設置為單排列式，如圖6所示。

圖6 型腔排列方式Fig.6 Cavity arrangement

3.4 成型零部件的設計

(1)滑塊的設計

抽芯時，滑塊作為運動的零件，在開模時的驅動力由斜導柱提供，并在導滑槽中滑動，以此達到對側孔、側凹等部位的抽芯目的。由于塑料連接管側凹分布均勻，且尺寸相對較小，所以本次設計中將滑塊設計為整體式哈呋塊結構。

(2)齒輪傳動零件的設計

塑料連接管的下部設有內螺紋，因此注塑時需要使用螺紋型芯來成型。成型后的螺紋型芯將以旋轉的方式脫出螺紋，此時需要使用齒輪來作為傳動機構。在齒輪傳動的設計中，選用直齒圓柱齒輪。利用一個主動齒輪帶動6個從動齒輪旋轉，其中2個從動齒輪起傳動作用，保證螺紋型芯的旋向一致，以此實現(xiàn)脫螺紋的動作，如圖7所示。

圖7 齒輪系的設置Fig.7 Gear system setup

這里齒輪模數的取值為m=2.5，主動齒輪的齒數Z1=25，從動齒輪的齒數Z2=20，齒輪軸的齒數Z3=14。由此可以計算出主動齒輪和從動齒輪的直徑。

3.5 模具結構圖

通過以上模流分析結果，采用S型流道，點澆口進澆。型腔采用哈呋塊成型，一模四腔的結構。利用液壓油缸帶動齒輪齒條傳動機構實現(xiàn)內側螺紋旋轉脫模。模具的總裝配圖如圖8所示。

圖8 模具裝配圖Fig.8 Drawing of the die assembly

4 結語

通過對塑料管接頭的形狀及結構分析，結合模流分析的結果對該產品進行了模具設計。得出了以下結論：

1)多型腔成型的模具其成型塑件的質量難以穩(wěn)定。在該塑件的模具設計中選用S型分流道，使塑料熔體在流動過程中的速度大大減緩，經過Moldflow的模擬分析，這種流道的設計能夠使塑料熔體及時充滿型腔，并有效地減少了塑件表面的波狀紋路，降低了塑件翹曲變形的程度，提高了塑料連接管的成型質量。

2)模具結構設計中，采用哈呋塊結構成型，避免了抽芯時發(fā)生干涉問題。利用螺紋型芯旋轉再加上該塑件自身的止轉結構能夠實現(xiàn)自動脫螺紋，這種脫螺紋的方式省去了頂出機構，簡化了模具結構，節(jié)約了生產成本。