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范玉，黄继战，范佳琦
[1.江苏建筑职业技术学院，江苏徐州 221116；
2.施耐德电气(上海)有限公司，上海 200042]
正极支架是用于安装充电电池的塑料件，其内部安装有电子元器件实现充电功能，正极支架属于壳体类产品，它的内部与电池相配合，在4个方向需要设计抽芯机构，此类支架类模具结构较为复杂，具有典型性，笔者根据某正极支架塑件的特点进行了成型工艺分析，并设计了相应的抽芯机构和注塑模具，可为同类塑件的工艺优化及模具设计提供借鉴。
1.1 塑件的材料性能分析
该塑件是一种安装电池的塑料支架，生产批量较大，图1为应用UG NX10.0软件设计的塑件三维图，材料为质量分数10%玻璃纤维增强聚苯醚共聚物(PPE/10%GF)，成型工艺性较差，收缩率取为0.4%，密度为1.20～1.26 g/cm3，具有良好热稳定性、耐化学性能、尺寸稳定性及较好力学性能[1-2]。
图1 正极支架
该塑件外形尺寸为162 mm×96 mm×29 mm，体积为94 cm3，壁厚均值为1.8 mm，脱模斜度设为1.2°。塑件表面无特殊要求，尺寸精度要求较高，翘曲变形应小。该塑件内部需要安装电池，外部需要固定，配合尺寸精度选用MT3级。该塑件外侧面有较多的异形孔，笔者通过采用一种特殊的顺序外抽芯机构，成功地解决了模具结构的难点问题，模具采用一模一腔的四边外抽芯三板式模具结构[3]。
1.2 塑件模流分析
Moldflow模流分析软件在注塑模具设计中的作用非常重要，模流分析能够获得最佳的模具设计方案，减少模具后期反复试模和修模的次数，缩短模具的制造周期，提高塑件成型合格率，降低模具的设计制造成本。笔者应用Moldflow模流分析软件，对正极支架注塑工艺进行了优化分析，确定了最优的工艺方案。
将正极支架模型以STL格式导入至Moldflow分析软件中，对其进行双层面网格(Fusion)划分，通过多次网格诊断与优化，来提高网格质量，进而提高分析的准确性、可靠性。单元纵横比对分析计算的准确性有较大的影响，纵横比的推荐最小值为1～2，推荐最大值为15～16。图2为修补合格的网格模型，经网格状态统计可知，该模型共有66 566个三角形单元，最大纵横比为15.6，最小纵横比1.28，平均纵横比2.66，自由边、交叉边均为0，无相交单元和重叠单元，匹配百分率为93.5%，能够满足填充、保压、冷却及翘曲的分析要求[4]。
图2 修补合格的网格模型
1.3 原材料参数属性及成型工艺参数设置
通过Moldflow 2012中文版软件查询得到塑件PPE/10%GF材料的属性，根据PPE/10%GF材料的黏度曲线图及对应的压力体积温度PVT曲线图，得到推荐成型工艺参数：模具的表面温度为80℃、模具温度变化范围70～90℃、熔体温度范围280～300℃、顶出温度131℃、最大剪切应力为0.45 MPa、最大剪切速率5 000 s-1。上述参数供设计师在设定工艺参数时参考[5]。
2.1 分型面的选择
分型面的设计是模具设计的重要环节，模具分型面的选择决定了模具结构的复杂程度，影响塑件质量、开模后塑件的脱模形式，根据模具分型面的选择原则，考虑塑件的装配要求及开模取出塑件的难易程度，分型面一般设在最大轮廓处，根据正极支架塑件特点，模具分型面应选择在如图3所示的A-A处[6]。
图3 分型面位置
2.2 浇注系统设计
浇注系统由主流道、分流道及浇口组成，在模具结构中的作用是引导熔体进入模具型腔，使型腔内的气体顺利地排出，在熔体填充型腔及逐渐凝固的过程中，把压力传到型腔各个部位，以获得尺寸稳定的塑件，选择正确的浇口位置是保证产品成型质量的前提条件。图4为浇口位置分析结果图，图中颜色最深的位置为浇口最佳位置[7]。结合图4并考虑到塑件外观质量要求高的特点，通过分析、比较，最终将点浇口位置确定在塑件上面，采用3个浇注点，塑件装配后浇口痕迹不可见[8]。
图4 浇口位置分析结果图
为了实现该塑件的节材及大批量生产，保证塑件成型质量，正极支架模具浇注系统采用双分型面三个点浇口进料的浇注系统，其速度/压力切换时的压力图，如图5所示。
图5 速度/压力切换时的压力图
图6 为设计的浇口套图。图6中，主流道位于模具中心线上，其端面与喷嘴接触处设计成半球形，球半径为20 mm。为了便于浇注系统凝料的取出，主流道设计成圆锥形，小端直径取5 mm，大端直径取8.2 mm，表面粗糙度值为0.8 μm，主流道末端设置带有拉料杆的冷料穴。分流道截面采用6 mm×5 mm×4 mm的梯形截面，针点浇口直径为1.3 mm。主流道尺寸如图6所示。
图6 浇口套图
2.3 模具成型零件设计
成型零件主要由型腔、型芯及成型滑块组成。型腔和型芯零件应具有足够的强度、刚度、硬度、耐磨性。结合塑件生产批量，成型零件选材为P20模具钢。考虑到型腔加工容易以及为节省优质钢材，采用整体嵌入式结构，由于模具采用了一模一腔的针点浇口进料方式，故模架选择为三板式结构。图7为型腔镶件图，图8为型芯镶件图。根据镶件尺寸，并考虑模具抽芯结构、冷却水道因素，选择标准模架，型号为龙记DCⅠ-3045-A60-B110-C90[8]。
图7 型腔镶件图
图8 型芯镶件图
2.4 模具侧抽芯机构设计
该正极支架在四个侧壁上具有倒扣特征，为使塑件在顶出之前完成侧抽芯，模具上需在4个方向上设计侧抽芯机构[2]。
(1)侧抽芯距的确定。
抽芯距是侧抽芯机构设计的重要参数之一，一般规定：
式(1)中S为抽芯距，T为产品侧孔深度，l(2～5 mm)为安全距离。
(2)宽度方向侧抽芯方案的确定。
由图1可知，塑件的宽度一侧有两个十字槽、两个长方孔，十字槽与长方孔如果同时抽芯存在干涉，导致模具结构复杂，成为本模具设计的难点。笔者创新设计了图9所示的一套斜导柱滑块抽芯方案，采用在成型滑块开设道轨方法，完成两个相互垂直方向的抽芯，设计了实现二次顺序脱模的抽芯机构。其工作原理为：开模时，由于斜导柱驱动力的作用，斜滑块(图9b)在导滑槽导向的作用下向后运动，由于斜滑块与成型滑块(图9c)是活动连接，此时成型滑块没有脱模动作，固定于斜滑块上的斜导块带动小斜滑块(图9d)向另一侧运动，完成长方孔抽芯后，限位螺钉起作用，带动成型滑块一起向后移动，侧型芯完全脱离塑件后，抽芯结束[9]。
图9 宽度方向顺序脱模机构三维图及各主要零件图
(3)侧抽芯力的计算。
塑料熔体在模腔内冷却收缩时逐渐包紧侧型芯，产生包紧力。因此，抽芯力须克服包紧力和因包紧力而产生的摩擦力。将相关参数代入侧抽芯的计算公式计算可得：长度方向一组抽芯机构侧抽芯力为2 816 N，宽度方向侧抽芯力为5 625 N。
(4)侧抽芯机构的结构。
设计的侧抽芯机构共包含宽度和长度两个方向的机构，宽度方向抽芯机构如图9所示。长度方向有4个侧孔，设置两套相同的抽芯机构完成2个塑件长度方向的抽芯功能，采用“滑块+斜导柱”外侧动模抽芯机构。图10为长度方向抽芯机构图。
图10 长度方向脱模机构图
2.5 冷却系统设计及翘曲变形分析
流动状态湍流时传热效率高，当雷诺数大于2 200时流体处于过渡流状态，大于4 000时流体处于湍流状态，冷却分析时的默认值为10 000。有效而均匀的冷却对保证塑件质量、提高生产效率非常重要，所以冷却系统设计是注塑模具设计中的重要组成部分[6]。冷却水路的直径设计为10 mm，其回路冷却液温度分析结果如图11所示。图11表明，冷却水入口温度为25.01℃，出口温度为26.59℃，最大温差为1.58℃，小于温差允许值3℃，说明模具冷却效果良好[10]。
图11 冷却回路液温度
翘曲变形是指塑件的形状偏离模具型腔的形状所规定的范围，在模具注塑过程中，翘曲是由于塑件收缩率不均匀而产生的，它是塑件常见的缺陷之一[11]。通过塑件翘曲分析，预测成型后的翘曲变形，从而确定改进方案及措施。塑件翘曲分析结果如图12所示。由图12可知，所有因素对塑件造成的翘曲总变形范围为0.084～0.643 7 mm，在塑件边缘及距离浇口较远处变形较大，由于塑件尺寸较大，变形结果可以接受。收缩不均为该塑件翘曲变形的主要影响因素，收缩不均引起的变形可以通过调整保压方法进行优化，模具结构不受影响[11-12]。
图12 翘曲变形
2.6 模具整体结构设计
结合上述模流分析结果，利用UG NX10.0软件对塑件进行模具优化设计，绘制的模具3D结构图如图13所示，该模具的滑块机构能够实现两个相互垂直方向的脱模，完成顺序脱膜。
图13 模具3D结构图
模具总体结构为一模一腔的三板式模具，绘制的模具工程图如图14所示。对于注塑机，选择螺杆式，其型号为XS-ZY-125/90，该注塑机的最大注射量为125 cm3，注塑压力为120 MPa，最大锁模力为900 kN[13]。
图14 正极支架模具的结构
合模时，在导柱19、导套2的共同作用下模具闭合，熔融的塑料从喷嘴经流道及三个针点浇口注入注塑模具的模腔，保压冷却后，注塑机带动动模部分向后移动，因阻尼扣塞27对型腔固定板8的摩擦阻力，在两个分型面中，分型面B打开将非常困难，分型面A在克服针点浇口与塑件11的连接力后首先打开，凝料留在水口推板32上，打开的距离应保证用机械手可将浇注系统凝料从浇口套41里取出；
模具第一次分型后，动模移动距离达到定距拉杆28的限位距离时，分型面B打开，同时进行侧向抽芯，在斜导柱的作用下，斜滑块7、斜滑块10、斜滑块12向后移动，脱开塑件，同时，斜滑块4带动斜导块5拨动小斜滑块6向与之垂直的方向运动，小斜滑块6脱开塑件后，在限位螺栓17起作用后，斜滑块4带动成型滑块15脱开塑件，实现顺序脱膜，顶出机构推动推杆垫板37及推杆固定板36向前运动，推杆35推出塑件11。塑料件11脱模后，在预复位弹簧及复位杆的作用下，推出机构复位[14-15]。
应用Moldflow软件对塑件进行填充、冷却及翘曲注塑工艺过程仿真，设计了合理的浇注系统、冷却系统，应用UG12.0设计了正极支架模具结构图及其外抽芯机构，实现了顺序脱膜。实践证明，设计的正极支架注塑模具结构具有新颖性，生产出的正极支架塑件质量达到设计要求。
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