內牙水管接頭的注塑模具設計及CAE仿真

李波，羅善明，李毅，陳志杭

(1.集美大學海洋裝備與機械工程學院，福建廈門 361021；2.精覃模具制造有限公司，福建廈門 361023)

水管接頭是衛浴產品中應用較為廣泛的零件，一種帶有內螺紋的管狀類零件的產品，其成型工藝為注塑成型。在注塑模具設計過程中，澆注系統和冷卻系統的設計是否合理會嚴重影響產品的質量，以往傳統模式開發模具，只能憑借設計人員的經驗來選取澆口位置以及冷卻方式，后期需要反復修模和試模才能滿足塑件的使用要求，從而增加了模具的開發成本[1]。目前CAE仿真技術日益成熟并且廣泛應用，通過moldflow模流仿真分析軟件確定澆注系統和冷卻系統，設置注塑成型工藝參數模擬注塑成型過程，從而驗證所確定的模流分析模型的合理性[2-4]。筆者采用moldflow 模流分析軟件對塑件的重要成型工藝參數進行了仿真分析，確定了模具的澆注系統和冷卻系統，縮短了模具結構設計的周期，保證了塑件的成型質量。

目前關于內螺紋的脫模難的問題，文獻[5-8]基本都采用螺紋型芯旋轉+推板推出機構，螺紋型芯在傳動機構的驅動下只做旋轉運動，在推件板的作用下，完成內螺紋的脫模。推件板的推出力由注塑機頂出系統提供，其大小由塑件的抱緊力確定，在推出過程中，推件力大小恒定，極有可能損傷內螺紋。另外，如果采用推板推出機構，塑件只能豎立放置，勢必會增加模具高度尺寸，模具加工精度難以保證，從而導致模具制造成本增加。針對此問題，筆者設計了一種齒輪傳動機構+抽芯液壓缸內螺紋自動脫模機構，實現了螺紋型芯邊旋轉邊隨抽芯液壓缸直線方向移動，有效避免了制件內螺紋的損傷和變形。

1 塑件的材質及工藝分析

水管接頭工作環境潮濕，且需要承受壓力較高的水流，要求塑件成型后的翹曲變形量較小，滿足裝配精度要求，避免在使用過程中出現滲水的現象。根據水管接頭的工作環境和成型要求，選用尼龍66(PA66)+50%玻纖(GF)，即添加比例為50%的GF增強PA66，這是一種常用的改性工程塑料，具有優良的力學性能和抗沖擊性能，較好的耐磨性，尺寸穩定性和化學性能良好的特點[9]。

該塑件大批量生產，塑件的體積為2.1 cm3，拔模斜度取1°，塑件的平均壁厚為2.9 mm，塑件表面要求無浮纖現象，變形量要求在0.08 mm以內，塑件的精度取MT4。圖1為水管接頭示意圖。從圖1可以看出，塑件外形為階梯狀的回轉體，長度為34 mm，最大圓弧直徑為14 mm，最小的直徑為8.3 mm。塑件的一端為內螺紋，另一端為中空管，內螺紋的公稱直徑為8 mm，螺距為1.2 mm，因此需要設計自動脫螺紋機構來解決內螺紋脫模難的問題。

圖1 水管接頭Fig. 1 Water pipe joint

2 塑件的模流分析

2.1 塑件前處理

將三維模型導入moldflow軟件中，指定為雙層面的網格類型，設置全局網格邊長為0.35 mm，完成網格劃分，并通過網格處理工具對劃分后的網格進行修復，以保證模流分析的可行性及分析結果的可靠性，修復后的網格匹配率為85.6%，網格縱橫比最大值為10，連通性良好，由此可見，網格質量的各項信息全都符合模流分析的條件。

2.2 最佳澆口的位置

澆口的基本作用是使分流道來的熔體產生加速，以快速充滿型腔，澆口(除直澆口外)在大多數情況下是整個澆注系統中截面最小的部位，合理選擇澆口位置是保證塑件質量的一個重要環節[10]。通過moldflow 軟件的分析，獲得塑件的最佳澆口的位置，見圖2所示。從圖2分析結果可以看出，深藍色區域為最佳澆口位置，位于鄰近凸起環狀帶一側的附近。為保證塑料熔體順利充填型腔，將澆口的位置設置在凸起環狀帶上，在凸起的環狀帶上有一個小平臺特征，避免在外圓面上留下明顯的澆口痕跡，將澆口位置設置在小平臺上。

圖2 澆口位置仿真結果Fig. 2 Gate position simulation results

2.3 模流分析的模型建立

利用moldflow軟件進行模流分析，需要建立模流分析模型，該模型主要包括澆注系統和冷卻系統。根據生產批量的需求和產品結構特點，采用一模兩腔和點澆口的模具結構。若采用常見的側澆口進行澆注，塑料熔體存在爬升現象，導致熔體的流動性變差和充填不足，由于玻纖增強PA66的流動性較差，而且PA66 與玻纖兩種材料的流動性不一致，為保證玻纖均勻分散，不發生淤積和分層而形成浮纖，熔體須快速填充型腔[11]，另外，若采用側澆口進行澆注，需進行二次去除，在塑件的表面留下較為明顯的痕跡。冷卻系統采用常見的直流循環式的冷卻回路，上下模對稱布置，為了提高模具冷卻的均勻性，在冷卻回路增加了隔水板。模流分析模型如圖3所示。

圖3 模流分析模型Fig. 3 Moldflow analysis model

2.4 注塑工藝參數的模擬分析

根據所確定的澆注系統和冷卻系統的模型，選取“填充+保壓+冷卻+翹曲”的分析序列，在模流分析過程中，設置的注塑成型工藝參數見表1。針對塑件成型質量的要求，筆者從充填時間、縮痕指數、氣穴位置、翹曲變形量四個成型工藝參數來進行模擬分析，從而驗證所確定的分析模型是否合理，為后續的模具結構設計提供可靠依據，分析結果如圖4所示。

表1 注射成型工藝參數Tab. 1 Injection molding process parameters

圖4 注塑工藝參數的模擬分析Fig. 4 Simulation analysis of injection molding process parameters

充填時間是指注射開始到塑料熔體充滿模具型腔的時間，此成型工藝參數對塑件的成型周期和塑件質量起著重要作用[12]，從圖4a的充填時間分析結果可以看出，料流充填時間為2.077 s，可以在較短時間內充填型腔，針對玻纖增強PA66 材料，充填時間越短，越不容易在塑件表面出現浮纖現象，且整體不存在充填不完整的現象，在分析的日志中也找不到存在短射的現象，可見充填完整，充填時間較為合理。

縮痕是指塑件在冷卻定型過程中由于收縮過大，塑件表面出現凹陷、塌陷等缺陷?？s痕指數反映了塑件表面上某區域出現縮痕的相對可能性，其數值越大，說明此區域出現該現象的概率越高，合格的塑件要求縮痕指數小于5%[13]。由圖4b的分析結果可知，該塑件最大縮痕指數為0.73%，外表面有輕微縮水，不影響產品的裝配。

從圖4c的分析結果可以看出，氣穴主要分布在水管接頭的兩個端面上，其他區域幾乎沒有，說明兩個端面上存在困氣的現象，但是氣穴基本上都分布在接近端面的邊緣上，靠近塑件的分型面，另外，由圖1中的塑件尺寸可知，該塑件為小型制件，因此排氣量不大，所以可以利用分型面的間隙以及頂桿與模板的間隙進行自然排氣，消除大量的氣穴。

由于水管接頭處在高壓水的工作環境，容易滲水，所以要求其變形量在0.08 mm以內。從圖4d翹曲變形量分析結果可以看出，塑件的最大變形量大約為0.05 mm，發生在水管接頭端面附近的表面，主要由于這些區域凹凸起伏的形狀結構，從而導致壁厚不一致，因此引起塑件收縮不均而發生翹曲變形，根據塑件的結構尺寸和所提出的工藝要求，翹曲變形量在合理范圍之內，能夠保證塑件的成型精度和工藝要求。

通過以上的工藝參數分析，驗證了水管接頭的澆注系統和冷卻系統設計方案是合理的。

3 塑料模具結構設計

3.1 模具結構分析

根據圖1塑件產品圖的結構特點以及生產批量的需求，設計為一模兩腔的模具結構形式。以圖1剖視圖中的PL作為主分型面，由模流分析可知，該模具采用點澆口進膠，所以必須使用三板式的模具結構，在本套模具里采用彈簧分型、拉桿定距的定距分型機構，實現模具的三次順序分型，該機構如圖5 所示。為保證模具的制造精度，須控制模具的總高度，所以將塑件橫置，與豎立放置相比，還可以有效避免螺牙損傷和變形，內螺紋型芯成型M8×75的螺紋，光孔側型芯成型孔深為22 mm 的內孔，螺紋側型芯與光孔側型芯在圖1 中的A面碰穿，內螺紋的抽芯機構設計為齒輪傳動+抽芯液壓缸自動脫螺紋機構，光孔的脫模機構設計為斜導柱側滑塊抽芯機構；該模具的推出機構設計為頂桿推出機構，頂出部位為塑件的外圓表面，為減少在塑件的外圓上留下頂出痕跡，將頂桿設計為成形頂桿，采用帶彈簧的復位桿實現頂桿的先復位。

圖5 彈簧分型拉桿定距機構Fig. 5 Spring parting tie rod spacing mechanism

3.2 側向分型與抽芯機構的設計

3.2.1 側型芯的定位

該塑件一端帶有內牙螺紋，另一端為光孔，帶有螺紋端需要自動脫螺紋機構，另一端的光孔的抽芯采用常見的斜導柱側滑塊的側向抽芯機構來實現。內螺紋側型芯與光孔側型芯在模具復位時在圖1中的A面碰穿，須保證兩側型芯同心，才能保證塑件內孔的同軸度，筆者采用帶有錐度孔定位方式來保證兩側型芯的同軸度，定位內孔和凸臺分別設計在螺紋側型芯和光孔側型芯的端面上，定位結構和尺寸如圖6所示。

圖6 側型芯的定位Fig. 6 Positioning of the side core

3.2.2 斜導柱側向分型與抽芯機構的設計

圖7為側向分型與抽芯機構。斜導柱側抽芯機構主要由光孔側型芯10、側滑塊11、斜導柱12 和楔緊塊組成，由圖1 可知，光孔深為22 mm，為了能夠順利脫模，取抽芯距s為27.5 mm。斜導柱的安裝在定模板上，滑塊安裝在動模板上，斜導柱的安裝角度α為18°，工作長度L為113 mm，按照抽芯距校核公式L=s/sinα，得L=89 mm＜113 mm，所以斜導柱的長度足可以完成所需的抽芯距。另外，滑塊采用彈簧復位，楔緊塊鎖緊，此套模具的楔緊裝置與定模板做成整體式，為了開模時楔緊塊快速離開滑塊的壓緊面，避免楔緊塊與滑塊間產生摩擦，楔緊塊的斜角α'大于斜導柱的安裝角度α，取α'=20°[14]。

圖7 側向分型與抽芯機構Fig. 7 Lateral parting and core-pulling mechanism

3.2.3 內螺紋脫模機構的設計

內螺紋由內螺紋側型芯8 成形，筆者采用齒輪傳動機構+抽芯液壓缸進行內螺紋自動脫模，主動輪和兩個從動輪選用標準齒輪和標準安裝，齒輪尺寸參數見表2[15]。內螺紋的抽芯機構由電動馬達2，主動齒輪7，兩個從動齒輪6 以及抽芯液壓缸1 組成，如圖7 所示，其中，螺紋側型芯8 通過平鍵與從動齒輪6連接。

表2 齒輪尺寸參數Tab. 2 Gear dimension parameter

由電動馬達2驅動主動齒輪7旋轉，主動齒輪7帶動兩個從動齒輪6 同方向旋轉，保證兩個內螺紋的旋向一致，同時，抽芯液壓缸1帶動從動齒輪在主動齒輪上軸向滑動，實現了螺紋型芯邊旋轉邊隨抽芯液壓缸直線方向移動，兩套運動機構保證了塑件的內螺紋成形精度的要求。因為塑件成型后，塑件抱緊在型芯上，所以塑件剛脫離螺紋型芯時，需要較大的脫模力[16]，其后，抽芯液壓缸提供的抽芯力僅需要克服塑件移動的摩擦力即可，與齒輪傳動+推板推出脫螺紋機構相比，可以很好地保證螺牙不受損傷和變形。

表2 為齒輪尺寸參數。由圖1 可知，內螺紋部分的抽芯距為12 mm，由表2可知，主動齒輪與從動齒輪的厚度差為27 mm，當滑塊5 與擋塊3 接觸時，抽芯液壓缸停止抽芯，滑塊與擋塊之間的距離為25 mm (12＜25＜27)，所以既保證了所需的抽芯距離，同時也保證了從動齒輪與主動齒輪在軸向上不脫離。改變抽芯液壓缸中的油液方向，使內螺紋側型芯復位，由楔緊塊4鎖緊，以便下次的澆注。

3.3 模具整體結構及工作過程

水管接頭的模具為三板式模具結構，有三個分型面，如圖8中的P1，P2，P3，具體工作過程為：

圖8 模具結構圖Fig. 8 Mold structure drawing

3.3.1 注塑過程

模具閉合，注塑機通過主流道、水平分流道及豎直分流道和點澆口向2 個型腔內澆注，使料流充滿型腔。

3.3.2 保壓和冷卻過程

塑料熔體充滿型腔后，按照設置的注塑工藝參數在型腔內進行保壓和冷卻，進而獲得健全完整的塑件。

3.3.3 開模過程

隨著注塑機的開模，在圖8 中的彈簧9 的預緊力作用下，首先使模具在第一個分型面P1 處分型，在拉料桿15的作用下，豎直分流道與塑件在模腔的點澆口處拉斷，流道與塑件分離。P1 分型面打開120 mm 以后，在定距拉桿4 的拉力作用下，使脫料板19 下行，此時，P2 分型面開始打開，脫料板19 將主流道凝料從澆口襯套17中拉出以及拉料桿15端部上的分流道凝料刮下來，完成澆注系統凝料的自動脫模。P2分型面打開8 mm后，在定距套11的作用下，脫料板19停止移動。動模部分在開模力的作用下，繼續后移，P3分型面被迫打開，在側型芯的干涉作用下，使塑件留在動模部分。

3.3.4 抽芯

通過斜導柱40帶動側型芯滑塊43，使其在動模板5的導滑槽內向外移動，直至光孔側型芯39與塑件完全脫開，完成光孔的側向抽芯。同步地，電動馬達34帶動主動齒輪24，主動齒輪驅動兩個從動齒輪22，使兩個內螺紋側型芯同向旋轉，使其與塑件分離，同時，在抽芯液壓缸的直線運動作用下，完成塑件內螺紋的側向抽芯。

3.3.5 頂出

達到開模行程后，動模部分停止后移，注塑機中心頂桿推動推板29，從而驅動固定在推桿固定板上的頂桿33將塑件完全從模具中頂出。

3.3.6 復位

內螺紋側型芯由抽芯液壓缸驅動復位，由楔緊塊鎖緊；光孔側型芯由斜導柱40和彈簧45復位，由定模板41 (定模板與楔緊裝置做成整體式)鎖緊；頂桿由復位桿23復位，況且在復位桿上安裝了預復位彈簧25，實現了頂桿先復位，防止在合模過程中，推桿與側型芯相互碰撞干涉的現象。復位完成后，繼續下一個周期的注塑過程。

4 結論

水管接頭為衛浴產品的零件，針對某種帶有內螺紋的水管接頭，應用模流分析軟件moldflow驗證所確定的分析模型的合理性，并設計了自動脫螺紋的注塑模具結構，主要工作如下：

(1)首先，結合最佳澆口位置分析結果和塑件的結構特點，確定塑件的模流分析模型，該模型包括澆注系統和冷卻系統。然后，利用該分析模型，設置注塑成型工藝參數進行模流分析，分析結果顯示，塑料熔體充填時間為2.077 s，充填過程中無短射現象且兩型腔的一致性較好；塑件最大縮痕指數為0.73%，未出現明顯縮痕或縮孔的現象；氣穴主要分布在塑件端面的邊緣上，利用分型面和頂桿的間隙進行自然排氣，排氣情況良好；塑件最大翹曲變形量為0.051 mm，滿足成型工藝的要求。

(2) 由于采用點澆口進行澆注，注塑模具設計為一模兩腔，三板式的模具結構，采用彈簧定距拉桿結構實現模具的三次分型；由于塑件為圓形管狀類零件，分型面選擇在回轉體的軸心面上，采用斜導柱側抽芯機構實現塑件光孔部分的抽芯，采用齒輪傳動機構和抽芯液壓缸兩套運動機構實現內螺紋的自動脫模。通過實際生產證明，該機構運行穩定可靠，有效避免了螺牙損傷和變形，降低了模具開發成本，對同類型塑件的注塑模具設計具有一定的參考價值。