基于Pro/E和EMX的自由曲面零件的注塑模設(shè)計(jì)

葛正浩, 李 歡， 秦宇渤

(1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.西安東風(fēng)儀表廠， 陜西 西安 710000)

0 引言

隨著現(xiàn)代科技及工業(yè)的發(fā)展，自由曲面已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，大到汽車外形，飛機(jī)機(jī)身，小到電話機(jī)座，調(diào)料盒等.本文借助曲面造型軟件Pro/E對(duì)自由曲面零件隱形眼鏡盒進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用EMX完成模具的設(shè)計(jì)[1,2].設(shè)計(jì)中采用一模兩腔、側(cè)澆口的形式，成型塊以及斜導(dǎo)柱分型抽芯機(jī)構(gòu).

1 隱形眼鏡盒的三維造型

1.1 塑件結(jié)構(gòu)分析

隱形眼鏡盒的塑件表面為曲面，平均壁厚1.5 mm.塑件要求表面光潔度很高，而且不得有裂痕、缺口、擦傷等明顯缺陷，這就要求模具在各個(gè)面上不能留有明顯的澆口痕跡[3].盒蓋表面是自由曲面，表面有一定的紋理，該盒蓋的材料為：PP(聚丙烯).

1.2 自由曲面模型創(chuàng)建方法

與規(guī)則曲面形體相比，自由曲面的模型比較復(fù)雜，其設(shè)計(jì)、應(yīng)用的過程要困難得多.在自由曲面的設(shè)計(jì)中，其模型的創(chuàng)建主要有以下幾種方式：

(1)利用基本的曲面創(chuàng)建方法直接建立及編輯曲面，像拉伸(Extrude)、旋轉(zhuǎn)(Revolve)、掃掠(Sweep)、混合(Bleed)等.這些方法創(chuàng)建的曲面形狀比較簡單，應(yīng)用范圍很有限；

(2)基于自由曲線交互創(chuàng)建曲面，它是先設(shè)計(jì)好一系列曲線，再根據(jù)相關(guān)條件和要求，交互的完成自由曲面的創(chuàng)建；

(3)對(duì)于給定的型值點(diǎn)或數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值或擬合構(gòu)造曲面.

后兩種方式是自由曲面模型生成的主要形式，也是自由曲面廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域建模的主要途徑.

1.3 塑件的三維建模

Pro/E是國內(nèi)最受歡迎的三維CAD/CAM軟件，應(yīng)用范圍遍及汽車、電子、機(jī)械、模具等[4].本文中借助軟件Pro/E對(duì)隱形眼鏡盒蓋進(jìn)行三維造型，采用基于自由曲線交互創(chuàng)建曲面，將完成自由曲面建模.

如圖1所示為隱形眼鏡盒的整體圖，該眼鏡盒蓋的上表面采用造型曲面功能繪制平面曲線，繪制盒蓋邊緣曲線，形成多個(gè)封閉的四邊形；通過選擇曲線形成曲面，最終完成盒蓋的上表面.之后通過基礎(chǔ)建模工具，如拉伸、旋轉(zhuǎn)等完成盒蓋的底蓋部分，如圖2所示為隱形眼鏡盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)放大圖.

圖1 隱形眼鏡盒整體圖

圖2 隱形眼鏡盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)放大圖

2 隱形眼鏡盒的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

確定模具的結(jié)構(gòu)方案：根據(jù)制件的結(jié)構(gòu)分析、制品尺寸及密度選擇相應(yīng)的注塑機(jī)，確定腔數(shù)為一模兩腔；考慮到制件的外觀，澆口采用側(cè)澆口，澆口位置在塑件側(cè)面；為成型制件內(nèi)側(cè)的凸起(如圖2所示)，需要有側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)； 頂出機(jī)構(gòu)采用推桿，同時(shí)可用成型塊成型兼推出制件.

2.1 分型面的設(shè)計(jì)

由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、模具的制造、排氣等多種因素的影響，因此在選擇分型面時(shí)應(yīng)綜合分析[5,6].通過對(duì)眼鏡盒的結(jié)構(gòu)分析，該塑件的模具有三個(gè)分型面，一個(gè)主分型面(如圖3所示為眼鏡盒的主分型面)，其他均為側(cè)向分型(如圖4所示為眼鏡盒的側(cè)向分型面).為了模具結(jié)構(gòu)簡單，而且又要便于模具加工和順利脫模，可確定該模具的主分型面在制件的上邊沿上，便于分型.在開模時(shí)，將塑件留在設(shè)有頂出裝置的動(dòng)模一側(cè)，以利于頂出脫模.采用pro/e中的制造版塊、模具型腔進(jìn)行分型面設(shè)計(jì)及型芯、型腔的設(shè)計(jì).

圖3 主分型面

圖4 制件的內(nèi)側(cè)分型面

2.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)應(yīng)能夠順利地引導(dǎo)熔體迅速有序地充滿型腔，獲得外觀清晰、質(zhì)量優(yōu)良的塑件.為使凝料能從其中順利拔出，主流道通常設(shè)計(jì)成圓錐形.通過查閱資料[1]得pp流動(dòng)性好，主流道小端直徑d=3 mm，大端D=6 mm.為減小料流轉(zhuǎn)向過渡時(shí)的阻力，主流道大端呈圓角過渡，其圓角半徑r=2 mm.如圖5所示為眼鏡盒的澆注系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用側(cè)澆口[7,8]，側(cè)澆口開設(shè)在分型面上，從制件邊緣進(jìn)料.冷料穴設(shè)在與主流道末端相對(duì)的動(dòng)模板上；鉤料裝置采用Z形頂桿式鉤料桿.

圖5 澆注系統(tǒng)(側(cè)澆口)

2.3 成型零部件的設(shè)計(jì)

本模具分型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何分割型芯.在綜合考慮加工和脫模等因素后，由于制件的表面較為復(fù)雜，應(yīng)采用鑲塊形式成型[1,3]，如圖6 所示為側(cè)滑塊，為成型與眼鏡盒底相連的連接部位；如圖7所示為凸模的成型塊，為成型凸起部分，保證眼鏡盒的閉合.借用pro/e軟件對(duì)成型零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖8所示為隱形眼鏡盒的型腔鑲塊，采用數(shù)控加工可制造.如圖9所示為眼鏡盒的型芯鑲塊，聯(lián)合側(cè)滑塊和凸模成型塊一起成型眼鏡盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu).

圖6 側(cè)滑塊

圖7 成型塊

圖8 型腔鑲塊

圖9 型芯鑲塊

2.4 側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[1,7,9]

本模具設(shè)計(jì)中采用斜導(dǎo)柱側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)(如圖10所示為側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)).該機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作安全可靠、加工制造方便.為保證橫向運(yùn)動(dòng)的順暢平穩(wěn)，本設(shè)計(jì)采用T型槽導(dǎo)滑.為避免閉模時(shí)斜導(dǎo)柱與滑塊上斜孔對(duì)不準(zhǔn)發(fā)生碰撞現(xiàn)象，采用彈簧加限位圓頭銷的限位方法，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)使用壽命較長.

1.滑塊 2.斜導(dǎo)柱 3.限位銷 4.楔緊塊 5.耐磨墊塊 6.彈簧 7.導(dǎo)滑槽圖10 側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)

2.5 脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

當(dāng)注射成型側(cè)壁帶有凹穴、凸臺(tái)等的塑料制件時(shí)，模具上成型該處的零件就必須制成可側(cè)向移動(dòng)的零件，以便在脫模之前先抽掉側(cè)向成型零件[1,3]. 結(jié)合本產(chǎn)品，采用推桿推出和成型塊成型凸臺(tái)的同時(shí)頂出制件(如圖11所示為該模具的脫模機(jī)構(gòu)).

1.推料桿 2.型腔 3.成型塊 4.型芯 5.頂桿圖11 脫模機(jī)構(gòu)

3 模具工作過程

通過對(duì)模具結(jié)構(gòu)的分析，借助pro/E和EMX軟件對(duì)眼鏡盒模具進(jìn)行設(shè)計(jì).如圖12所示為pro/E的分模模擬圖，可動(dòng)態(tài)觀察模具內(nèi)部成型零件的開模和閉模動(dòng)作.前面已經(jīng)對(duì)眼鏡盒的結(jié)構(gòu)和模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析， 之后采用注塑模的專業(yè)軟件EMX對(duì)模具整體進(jìn)行設(shè)計(jì)和裝配，整體效果如圖13所示[10].將模具實(shí)體圖轉(zhuǎn)換為CAD三視圖，如圖14所示為模具的CAD三視圖，A-A是模具主視圖，依次為模具的俯視圖，B-B為側(cè)視圖.

圖12 Pro/E分模模擬圖

圖13 借助EMX完成的模具整體圖

1.動(dòng)模底板 2、3.螺釘 4.支撐板 5.導(dǎo)柱 6.型腔固定板 7.導(dǎo)套 8.定模底板 9.頂桿 10.成型塊 11.推桿12.定位環(huán) 13.主流道襯套 14.拉料桿 15.型腔 16.型芯 17.回程桿 18.型芯固定板 19.螺釘 20.垃圾釘 21.墊塊 22.推板 23.推桿固定板 24.冷卻流道 25、26.螺釘 27.側(cè)滑塊 28.斜導(dǎo)柱 29.限位銷 30.楔緊塊 31.耐磨墊塊 32.彈簧 33.T型導(dǎo)滑槽圖14 模具三視圖

模具工作過程為：在合模狀態(tài)下，側(cè)滑塊(27)處的限位銷(29)完全處于銷孔內(nèi)，彈簧(32)也處于壓縮狀態(tài).開模時(shí)，借助導(dǎo)套(7)、導(dǎo)柱(5)的導(dǎo)向作用，分型面先分型，流道拉料桿(14)將主流道凝料帶出；在此同時(shí)，在斜導(dǎo)柱(28)驅(qū)動(dòng)下，側(cè)滑塊在T型導(dǎo)滑槽內(nèi)進(jìn)行橫向抽芯，運(yùn)動(dòng)到一定位置時(shí)，滑塊底部的限位孔和限位銷對(duì)齊，限位銷在彈簧的作用下卡入限位孔內(nèi)，保證滑塊停留在準(zhǔn)確位置.因保證盒子順利關(guān)閉的盒蓋凸起卡在成型塊鑲件(10)和型芯鑲件(16)內(nèi)，塑件即隱形眼鏡盒離開型腔鑲件(15)留在動(dòng)模上，當(dāng)注射機(jī)的頂出桿作用在模具的推板(22)上時(shí)，成型塊被頂桿(9)頂出，在推桿(11)和成型塊的復(fù)合作用下，塑件完全從模具中脫出.合模時(shí)，借助回程桿(17)復(fù)位，側(cè)滑塊朝相反方向滑動(dòng)，由于限位銷和彈簧的作用，保證了斜導(dǎo)柱與滑塊上斜孔對(duì)準(zhǔn)，避免發(fā)生碰撞現(xiàn)象.

4 結(jié)束語

在隱形盒模具設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和表面質(zhì)量要求，合理地選擇了側(cè)澆口的進(jìn)料方式，避免充模產(chǎn)生的縮痕、氣泡等缺陷.采用成型塊兼頂桿和推桿的脫模機(jī)構(gòu)，以減輕推出過程中塑件產(chǎn)生的變形等缺陷，符合產(chǎn)品外觀的質(zhì)量要求.采用側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)成型制件的側(cè)面凸起部位，同時(shí)使型芯鑲件便于加工，降低成本，使模具在成型過程中保證產(chǎn)品質(zhì)量，縮短成型周期，取得了較好的效果.

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