基于CAE的智能馬桶座蓋注塑模具設(shè)計

葉其武

（廈門瑞爾特衛(wèi)浴科技股份有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

近年來，人們對衛(wèi)浴設(shè)施的要求越來越高，正在從傳統(tǒng)型向智能型方向發(fā)展。馬桶作為衛(wèi)浴設(shè)施建設(shè)不可缺少的一部分，美觀、高光、功能豐富等一系列要求被提出以后，智能馬桶應(yīng)運而生[1]。其中，能夠突顯智能操控的結(jié)構(gòu)為馬桶座蓋，該產(chǎn)品的加工制造質(zhì)量主要取決于注塑模具。為了滿足智能馬桶座蓋的生產(chǎn)要求，必須有一個好的馬桶座蓋注塑模具[2]。該文將以此作為論文研究的切入點，提出馬桶座蓋注塑模具設(shè)計研究。

1 塑件結(jié)構(gòu)與工藝

為了滿足用戶對馬桶座蓋的舒適度要求，該文以543 mm×302 mm×90 mm尺寸的馬桶座蓋為例，對馬桶座蓋注塑模具結(jié)構(gòu)進行設(shè)計研究。其中，馬桶座蓋壁厚度范圍3.5 mm～6.0 mm，壁厚平均值為4 mm，體積為1 107 cm3。依據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)加工需求，打造注塑模具外表面，消除毛刺、欠料、變形等情況。該次模具設(shè)計選取的材料為聚丙烯，該材料密度大小為0.98 g/cm3，模具成型收縮率參數(shù)為1.2%。

由于注塑模具對外觀形狀的設(shè)計要求較高，所以在設(shè)計方案時，必須控制好翹曲變形量參數(shù)，巧妙設(shè)計凸凹形變，在多處增加強筋，已達到控制外形目的。

2 注塑模具設(shè)計

2.1 設(shè)計注意事項

設(shè)計注意事項有3個。1）產(chǎn)品外觀達標。2）材料選取合理。3）綜合分析影響因素及產(chǎn)品需求設(shè)置參數(shù)[3]。

2.2 基于參數(shù)分析的注塑模具快速設(shè)計思路

為了加快馬桶座蓋注塑模具的設(shè)計速度，該文將注塑模具設(shè)計涉及的指標集中到一起，通過對這些指標參數(shù)設(shè)計要求進行綜合分析，擬定一套完整的參數(shù)范圍界定方案，從而形成完整的注塑模具設(shè)計方案。

該文注塑模具的設(shè)計分為3個步驟。1）需要確定澆注系統(tǒng)，依據(jù)CAE分析結(jié)果，通過搭建熱流道系統(tǒng)，實現(xiàn)熱流板受熱偏移管控，緩解縮痕問題。2）分別對注塑模具零件及抽芯機構(gòu)進行設(shè)計。前者需要綜合考慮脫模方式、澆口以及塑料件的外形結(jié)構(gòu)及參數(shù)控制范圍，以滿足馬桶座蓋上方與下方的無痕設(shè)計要求，經(jīng)過一系列推理分析，確定模具排氣槽、推管等設(shè)備的設(shè)計思路。后者需要根據(jù)產(chǎn)品側(cè)孔布設(shè)情況，結(jié)合馬桶座蓋作業(yè)需求，調(diào)節(jié)各個滑塊的布設(shè)角度。3）對注塑模具進行冷卻處理，得到成型的馬桶座蓋。該項指標的設(shè)計關(guān)鍵在于水路直徑大小及冷卻管道部署，根據(jù)馬桶座蓋結(jié)構(gòu)合理布設(shè)，通過沖水帶走模具中產(chǎn)品的熱量。

按照上述設(shè)計思路，利用CAE軟件對注塑模具進行模擬仿真。得到如圖1所示的有限元模型。

圖1 注塑模具有限元模型

2.3 注塑模具具體設(shè)計

2.3.1 澆注系統(tǒng)的確定

依據(jù)圖1模擬的有限元模型，考慮到馬桶座蓋體積較大，導(dǎo)致澆注口與注塑機之間的距離較遠，加大了噴嘴的噴射難度。為了保證智能噴水功能的設(shè)計要求，該文通過構(gòu)建熱流道系統(tǒng)，對二級熱流道和熱流道板進行連接管控，借助4塊隔熱板將定模板與熱流道板隔離開來，從而避免熱量大量損失?？紤]到塑料熔體流動容易對壓力因素造成影響，所以該設(shè)計方案減小了熱流道直徑尺寸，控制管道下表面、上表面以及高直徑分別為10.4 mm、3.7 mm、28 mm。另外，該次設(shè)計還考慮到了熱流道系統(tǒng)的作業(yè)穩(wěn)定問題，選取扇形澆口作為布設(shè)工具，從而避免后期產(chǎn)品產(chǎn)生過大誤差，增加修剪工作量。

2.3.2 零件設(shè)計

該方案中注塑模具零件的設(shè)計，依據(jù)智能馬桶座蓋使用功能需求，結(jié)合產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計等一系列指標要求，采用鑲拼方式布設(shè)結(jié)構(gòu)。模具零件加工采用的材料為NAK80鋼材，該材料具有較好的抗腐蝕性、拋光性、耐用性，滿足模具外觀拋光設(shè)計需求。圖2為模具零件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

圖2中，模具定模模仁外觀長度為650 mm，寬度為550 mm，高度為215 mm。利用型號為M20的螺絲將模具各個邊框固定。為了保證模具內(nèi)部的空氣正常流通，該設(shè)計在模仁上方布設(shè)了排氣槽，各個排氣槽之間的間隔為54 mm，深度參數(shù)為0.48 mm，長度和寬度依次為20 mm、10 mm。

圖2 模具零件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

以上為定模仁零件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，動模仁零件結(jié)構(gòu)設(shè)計與之相似，零件外觀長度為650 mm，寬度為550 mm，高度為225 mm。同樣采用型號為M20螺絲將其固定。由于動模仁與定模仁在模具中起到的作用不同，所以需要設(shè)定推出機構(gòu)，起到動態(tài)控制的作用。綜合分析模具注塑操作需求，設(shè)置推管直徑參數(shù)為6 mm。另外，還需要添加避空，其直徑大小為8 mm。其中，有效導(dǎo)向高度參數(shù)值大小為24.5 mm。

2.3.3 抽芯機構(gòu)設(shè)計

智能馬桶座蓋需要液壓撥塊和直斜頂組合2種抽芯機構(gòu)，根據(jù)產(chǎn)品服務(wù)功能需求利用CAE軟件對抽芯機構(gòu)進行仿真設(shè)計。該文以直斜頂組合抽芯機構(gòu)為例，用于動模注塑馬桶座蓋外形控制。圖3為動模抽芯機構(gòu)設(shè)計方案。

圖3 動模抽芯機構(gòu)設(shè)計方案

圖3中的設(shè)計方案具有防止注塑材料頂出的作用。當(dāng)注塑材料注入模具中，馬桶座蓋內(nèi)部形狀能夠得到有效控制，避免形變產(chǎn)生。其中，產(chǎn)品內(nèi)部抽芯結(jié)構(gòu)間距為38 mm，直徑大小為18 mm，配備的斜頂桿角度設(shè)置為18°。關(guān)于斜頂塊與頂桿之間的連接，利用過盈連接方式建立連接。為了避免中間轉(zhuǎn)動，利用彈簧墊和螺絲加以固定。

2.3.4 模具冷卻處理

模具冷卻處理是產(chǎn)品生產(chǎn)加工的關(guān)鍵步驟，利用水管沖洗，帶走部分熱量，達到冷卻的目的。該方案設(shè)計的冷水管直徑為12 mm，考慮到模具冷卻系統(tǒng)作業(yè)容易受到頂塊干擾，在冷水管處打盲孔，直徑為16 mm，與冷水管建立連接，從而實現(xiàn)多水路同時冷卻的目的。通常情況下，冷卻系統(tǒng)工作1 min左右，可以完成一次產(chǎn)品冷卻處理。

3 模具外觀及作業(yè)情況測試分析

為了避免注塑模具的設(shè)計方案存在問題，導(dǎo)致馬桶座蓋產(chǎn)品質(zhì)量不合理問題的產(chǎn)生，該文對模具性能進行測試，通過觀察測試結(jié)果，檢驗該設(shè)計方案是否可靠。

該次檢測以模具生產(chǎn)出的馬桶座蓋外觀、作業(yè)情況為研究指標，分別對這2項指標進行測試，得到結(jié)果分別見表1和表2。

表1 馬桶座蓋外觀檢測結(jié)果

表2 馬桶座蓋作業(yè)情況測試結(jié)果

通過觀察表2中的檢驗結(jié)果可知，該文研發(fā)的注塑模具生產(chǎn)加工出的馬桶座蓋支持智能設(shè)備添加，滿足智能馬桶座蓋的生產(chǎn)要求。另外，在實際應(yīng)用中，馬桶座蓋上下吻合程度較好，滑塊角度設(shè)計較好，為馬桶座蓋上下折疊、靈活調(diào)節(jié)提供了保證。從整體感受情況來看，利用CAE工具構(gòu)建的智能馬桶座蓋注塑模具方案可靠性較高，應(yīng)用舒適度評價較高，可以考慮大量生產(chǎn)，為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

該文依據(jù)智能馬桶座蓋的生產(chǎn)加工需求，以注塑模具為重點研究對象，選取CAE軟件作為研究工具，通過構(gòu)建仿真模型，為注塑模具的方案設(shè)計研究奠定基礎(chǔ)。該方案將注塑模具劃分為澆注系統(tǒng)、零件、抽芯機構(gòu)、模具冷卻處理4個模塊，根據(jù)智能馬桶座蓋的功能需求，擬定注塑模具設(shè)計方案。測試結(jié)果表明，該注塑模具設(shè)計方案符合馬桶座蓋外觀生產(chǎn)標準，并且作業(yè)情況較好，滿足批量生產(chǎn)要求。