單 志，鄭佳鵬，戴護(hù)民，胡曉岳，張 寧

（廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510515）

1 引言

近幾年技能大賽興起，省賽和國賽舉辦的熱火朝天，其中作為模具專業(yè)的頂級賽項(xiàng)-模具數(shù)字化設(shè)計與制造工藝，深受各高職院校歡迎。高職模具國賽題要求選手設(shè)計溫控器上蓋的注射模涉及到斜頂抽芯、滑塊抽芯、司筒頂出等機(jī)構(gòu)，全面地考察選手的模具設(shè)計能力，各省省賽紛紛效仿。

華塑CAE融合了計算機(jī)技術(shù)、塑料流變學(xué)、彈性力學(xué)、傳熱學(xué)的基本理論[1]，建立塑料熔體在模具型腔中流動、傳熱的物理、數(shù)學(xué)模型，可以在試模之前，優(yōu)化設(shè)計。李桂芹等人，應(yīng)用了華塑CAE軟件輔助了模具設(shè)計[2～3]。文章分析了廣東省2021～2022年度高職模具賽項(xiàng)的溫控器上蓋注射模的設(shè)計要點(diǎn)，并結(jié)合華塑CAE軟件進(jìn)行優(yōu)化，最后成型出合格的塑件，驗(yàn)證了模具設(shè)計的合理性，為廣大模具專業(yè)師生提供設(shè)計參考。

2 塑件結(jié)構(gòu)工藝分析

圖1所示為溫控器上蓋三維模型，塑件總體大約65×62×19mm，平均壁厚1.5mm，A1和A4處有側(cè)孔需要設(shè)計滑塊側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)，A2處還有一處內(nèi)凹，需要設(shè)計斜頂側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)，A3處為固定柱需要設(shè)計推管頂出，另外，模具的設(shè)計方案需考慮加工便捷性、經(jīng)濟(jì)性。該塑件材料為PS料，收縮率0.6%，材料脆性比較大，成型時脫模不慎易開裂[4]。

圖1 塑件結(jié)構(gòu)

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 成型零件設(shè)計

成型零件包括型芯和型腔，是決定塑件內(nèi)外表面的關(guān)鍵零部件[1]。成型零件結(jié)構(gòu)有整體嵌入式、局部鑲拼式以及大面積拼合式，根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和給定的是標(biāo)準(zhǔn)模架等條件，成型零件結(jié)構(gòu)形式選擇整體嵌入式，如圖2所示。

圖2 成型零件結(jié)構(gòu)形式

由于塑件通孔較多，模具碰穿面的成型零件結(jié)構(gòu)需考慮加工經(jīng)濟(jì)性，如圖3所示，型芯設(shè)計方案一在A4處有寬約1mm深約1.3mm的環(huán)形槽，需要電火花加工，型芯設(shè)計方案二避免了該處環(huán)形槽，因此采用設(shè)計方案二。

圖3 型芯設(shè)計方案對比

3.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計及其優(yōu)化

根據(jù)給定的一模一腔條件，澆注系統(tǒng)設(shè)計了主流道、分流道、側(cè)澆口以及冷料穴，具體尺寸如下：主流道小端直徑?3.5mm，α=2°，分流道直徑?6mm，澆口采用側(cè)澆口長1mm，寬4mm，深1mm。

初始方案的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 澆注系統(tǒng)初始方案

經(jīng)模流分析，其填充壓力結(jié)果如圖5所示，填充末端的壓力66.6MPa，偏低，該處可能存在填充不滿的風(fēng)險。

圖5 初始方案壓力場

改進(jìn)措施：一增加注射壓力，二是改善澆注系統(tǒng)?？紤]到增加注射壓力會增加推出困難，塑件脆性較大，脫模時易開裂，因此改善澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖6所示增加兩個進(jìn)膠口。

圖6 澆注系統(tǒng)改進(jìn)方案

再次模流分析后，填充壓力結(jié)果如圖7所示，填充末端壓力為88.48MPa，得到明顯改善。

圖7 改進(jìn)方案壓力場

3.3 頂出系統(tǒng)設(shè)計

塑件有4根固定柱（A3處），此處脫模力相對較大，而頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計應(yīng)在脫模力較大的地方設(shè)置，故此處采用司筒成型，推管推出，推管外徑?4mm，內(nèi)徑?2mm，且均勻布置，如圖8所示。由于塑件側(cè)面幾乎豎直，沒有拔模角度，冷卻成型后，塑件會包緊在型芯上，因此增加兩根直徑?5mm的頂桿，幫助塑件脫模，如圖8所示，頂桿、推管與型芯配合長度10mm，與各模板間隙配合，單邊間隙0.5mm。

圖8 頂出系統(tǒng)設(shè)計

3.4 側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計

（1）斜頂側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)。

圖1中A2處有一內(nèi)凹，由于塑件內(nèi)部空間不大，滑塊側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)沒有空間放置，因此采用斜頂側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖9所示，其中，斜頂導(dǎo)向槽開在動模，圓柱銷被限制在推件固定板的導(dǎo)滑槽做直線運(yùn)用，斜頂桿采用10×10mm方形桿，傾斜角度設(shè)計為8°。

圖9 斜頂抽芯機(jī)構(gòu)裝配圖

該機(jī)構(gòu)的工作過程是：注塑機(jī)開模時，推件板在頂出的過程中，使圓柱銷、斜頂桿沿著斜頂導(dǎo)向槽移動，這樣就將沿模具開模方向豎直直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化成型芯沿模具開模垂直方向的水平運(yùn)動，完成了脫模運(yùn)動。

（2）滑塊側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)。

圖1中的A1和A4處有側(cè)孔，兩處側(cè)孔都是通孔總體大小和深度一樣，故采用一樣的滑塊抽芯機(jī)構(gòu)如圖10所示。鎖緊塊1和斜導(dǎo)柱5固定在定模板里面，斜導(dǎo)柱直徑?9mm，傾斜角13°，鎖緊塊傾斜角15°。壓板3將滑塊4限制在動模板導(dǎo)滑槽里做直線運(yùn)動，限位螺釘限制滑塊抽芯行程為3.75mm。

圖10 滑塊側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)

滑塊與側(cè)型芯一體成形，總體尺寸35×40×54mm，斜導(dǎo)柱孔直徑?11mm，彈簧孔直徑?11mm，深12mm，具體設(shè)計如圖11所示。

圖11 滑塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

模具工作過程：利用注塑機(jī)的開模動作，帶動動模后退，迫使使斜導(dǎo)柱與滑塊產(chǎn)生相對運(yùn)動，將豎直的開模力轉(zhuǎn)換成水平的抽芯力，同時水平安裝的彈簧4輔助滑塊的抽芯運(yùn)動，使滑塊沿著壓板和動模組成的T型槽做直線抽芯運(yùn)動，使之完成脫模。

3.5 導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)

模具由導(dǎo)柱和導(dǎo)套進(jìn)行合模導(dǎo)向。定位有三重定位：第一重定位：導(dǎo)柱導(dǎo)套定位（間隙配合，難以避免磨損，精度較低）；第二重定位：邊鎖精準(zhǔn)定位（配合精度0.01mm，有效補(bǔ)償導(dǎo)柱導(dǎo)套的定位誤差）；第三重定位：型芯型腔鑲塊上的“虎口定位”（精確定位型芯型腔），如圖12所示。

圖12 導(dǎo)向定位設(shè)計

3.6 冷卻系統(tǒng)

結(jié)合模具結(jié)構(gòu)，采用循環(huán)式冷卻水路，如圖13所示，塑件的上、下方均有循環(huán)水路，水路直徑?8mm，經(jīng)CAE分析，冷卻水出入口溫差不大，滿足冷卻要求。

圖13 冷卻系統(tǒng)設(shè)計及其CAE分析

3.7 模具整體結(jié)構(gòu)

模具總裝圖如圖14所示，該幅模具抽芯機(jī)構(gòu)較多，包含了兩個滑塊抽芯和一個斜頂抽芯，設(shè)計時要注意干涉，必要時用運(yùn)動仿真來檢驗(yàn)設(shè)計是否合理。頂出機(jī)構(gòu)為司筒頂出，尺寸小至?2mm，為避免頂桿損壞，應(yīng)加強(qiáng)對成型零件拋光。

圖14 模具總裝圖

3.8 試模驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計，加工制造出成型零件，并進(jìn)行了試模，試模樣件如圖15所示，結(jié)果表明設(shè)計的模架開合模、抽芯等動作可靠，滿足實(shí)際要求。

圖15 試模塑件

4 結(jié)語

該模具的頂出機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，采用了頂桿、推管、斜頂?shù)冉M合頂出機(jī)構(gòu)。外側(cè)通孔的總體尺寸和深度差不多相等，因此，外側(cè)抽芯采用滑塊分型與抽芯機(jī)構(gòu)，且兩側(cè)對稱布置，開模時作用在模具上的側(cè)向力可以相互抵消[5]。澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)經(jīng)CAE分析，并得到優(yōu)化。最后試模證明，模具抽芯與頂出動作可靠，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。