周慧蘭，周新建，黃 鍵

（華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330013）

0 前言

面像識別機(jī)主要應(yīng)用于單位門禁、公司考勤、銀行監(jiān)控系統(tǒng)或出入境邊檢系統(tǒng)等，由于主要應(yīng)用于正式公眾場合，對于產(chǎn)品的包裝外殼觀要求很高，外殼表面不能有任何澆口的痕跡，因此對外殼模具的設(shè)計(jì)要求也很高，需要應(yīng)用精密注塑模技術(shù)[1]設(shè)計(jì)模具才能獲得高要求制品，為此本研究采用熱流道技術(shù)[2]

和倒裝推出機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)注塑模具的設(shè)計(jì)。

1 塑件工藝和注射成型分析

1.1 塑件工藝分析

面像識別機(jī)外殼的結(jié)構(gòu)及外觀如圖1所示，材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），制品厚度（t）為2.0 mm，最大長寬高尺寸195 mm×79.5 mm×38.5 mm。由于本制品主要用于公眾場合，表面要求極高，外表面不允許出現(xiàn)飛邊和毛刺，且壁薄，多孔，故本模具采用熱流道系統(tǒng)，以獲得高品質(zhì)制品。

圖1 面像識別機(jī)外殼Fig.1 Facerecognizing machine cover

1.2 注射成型模流分析

應(yīng)用Moldflow軟件對制品進(jìn)行注射成型分析[3]，制品采用的材料為ABS材料（牌號為GF20）。

（1）最佳澆口對比方案

方案一：采用單澆口形式，根據(jù)模流分析結(jié)果確定的單澆口位置如圖2（a）所示；

方案二：采用多澆口結(jié)構(gòu)，初步采用三點(diǎn)進(jìn)澆，澆口位置通過模流分析確定的位置如圖2（b）所示。

圖2 最佳澆口分析Fig.2 The best gate

（2）最佳質(zhì)量分析

通過成型窗口分析對比，如圖3、4所示，發(fā)現(xiàn)采用多澆口結(jié)構(gòu)的填充質(zhì)量比單澆口要好。最終獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：模溫50℃，料溫245℃，注射時間0.8 s。對應(yīng)的多澆口的其他分析結(jié)果是：熔體流前溫降0.4℃、最大剪應(yīng)力0.1838 MPa、最大剪切速率2175 s-1，均較小且滿足要求。

圖3 質(zhì)量（molding window分析）：XY圖Fig.3 The quality analysis

圖4 成型窗口切片圖Fig.4 Molding windows slice

（3）最大壓力降分析

通過壓力降對比，如圖5所示，可知多澆口結(jié)構(gòu)最大壓力降為30 MPa，單澆口最大壓力降為42 MPa，多澆口比單澆口壓力降低不少，因此多澆口成型的制件比單澆口成型的制件的應(yīng)力要更為均勻，最終的翹曲變形也小，從而有利于提高制件的成型品質(zhì)。

圖5 壓力降分析Fig.5 Pressure drop analysis

（4）熔接痕分析

根據(jù)確定的澆口位置及工藝參數(shù)，應(yīng)用模流分析可以快速充填分析其熔接痕，最終分析結(jié)果如圖6所示，通過對比發(fā)現(xiàn)采用多澆口熔接痕比單澆口略多一點(diǎn)，但其前沿溫降較小，可以保證熔接的外觀品質(zhì)，且制件為非結(jié)構(gòu)件，對強(qiáng)度要求不太苛刻，因此影響不大。

圖6 熔接痕分析Fig.6 Weldline analysis

（5）澆注系統(tǒng)分析

由于該制件尺寸大，壁薄且中間部位空缺部分較多，充模阻力大，根據(jù)前面分析的結(jié)果可知三澆口方案比單澆口方案的充填效果要好，故本設(shè)計(jì)決定采用三澆口結(jié)構(gòu)，通過模流分析得到相應(yīng)的澆注系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 最佳澆注系統(tǒng)Fig.7 The best gating system

由于制件壁薄，多孔，充型阻力大，如果采用普通澆注系統(tǒng)，很難達(dá)到較理想的充填效果，為了盡快充滿型腔，就要盡可能地保持熔體的溫度。通過冷流道和熱流道的填充時間及注射壓力對比分析，如圖8、9所示，發(fā)現(xiàn)采用熱流道時制件前端的充填時間為0.8～0.87 s，最大注射壓力為56 MPa；而冷流道的充填時間為0.9～0.97 s，最大注射壓力為60 MPa，可見，采用熱流道結(jié)構(gòu)的充填時較短且充填壓力比冷流道小，這樣將有助于減小制件中的應(yīng)力，減小翹曲變形。此外，熱流道模具制件體積為78 cm3，流道體積為9 cm3，采用熱流道可節(jié)省材料消耗及能耗近11%。因而本設(shè)計(jì)使用熱流道澆注系統(tǒng)，放棄傳統(tǒng)的冷流道澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖8 冷流道充填分析和注射壓力Fig.8 Filling time and pressure of coolrunner

圖9 熱流道充填分析和注射壓力Fig.9 Filling time and pressure of hotrunner

由于制件的外表面精度較高，本設(shè)計(jì)將進(jìn)澆口設(shè)置在制件的內(nèi)表面，然而由于采用熱流道澆注系統(tǒng)，不便采用潛伏澆口，而是采用點(diǎn)澆口，所以本設(shè)計(jì)將采用動模倒裝形式，由于主流道的路徑很長，所以采用熱流道板來代替分流道系統(tǒng)，使得流道的溫降最低化。

2 熱流道模具結(jié)構(gòu)

2.1 主流道設(shè)計(jì)

主流道通常位于模具中心塑料熔體的入口處，它將注塑機(jī)噴嘴注射出的熔體導(dǎo)入分流道或型腔中。主流道結(jié)構(gòu)如圖10所示。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，由于注射機(jī)噴嘴球半徑為R1＝10 mm，所以澆口襯套凹球面半徑R1＝11 mm。

圖10 主流道結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of mainrunner

2.2 分流道設(shè)計(jì)

由于制品外表面要求很高，設(shè)計(jì)采用一模一腔的多澆口熱流道板結(jié)構(gòu)。

本設(shè)計(jì)制件體積不大，但是表面品質(zhì)要求較高，即注射時間不宜過長，且保壓過程時間比較長，溫度不能降過低，因此綜合考慮采用直徑為4 mm的分流道。

根據(jù)模流分析結(jié)果，本設(shè)計(jì)決定采用三澆口的多點(diǎn)注射方式，且3個位置不呈中心對稱，因此熱流道板不能選擇自然平衡類型，且必須單獨(dú)制作，屬于非標(biāo)準(zhǔn)件，熱流道板的實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 熱流道板Fig.11 Hotrunner plate

熱流道板與定模板之間用空氣間隙隔熱，空氣隙的距離應(yīng)不小于8 mm，在大型模具中，應(yīng)采用如圖12的方法以減小熱流道板系統(tǒng)與模具之間的傳熱，當(dāng)然也必須考慮到該部位所承受的接觸壓力。熱流道板在模架裝配中的安裝示意圖如圖13所示。

圖12 支撐墊Fig.12 Supporting pad

圖13 熱流道板安裝示意圖Fig.13 Fixing diagram of hotrunner plate

2.3 熱流道用噴嘴

噴嘴控制塑料熔體精確地到達(dá)注射部位，熱流道用噴嘴一般包括兩種：開放式熱流道用噴嘴和針閥式熱流道用噴嘴[4]。

由于制品成型難度較大，開放式熱流道用噴嘴不能有效的減少中部位置的熔接痕，且開放式熱流道用噴嘴要求模具注塑周期短，通過模流分析可知本制品的成型周期稍長，所以本設(shè)計(jì)采用針閥式熱流道用噴嘴。

針閥式熱流道用噴嘴的澆口部分的封閉加熱系統(tǒng)需要與溫控系統(tǒng)連接，連接部位如圖14所示，熱流道板與噴嘴的安裝示意圖如圖15所示。

圖14 針閥澆口Fig.14 Needle gate

圖15 熱流道板與噴嘴Fig.15 Hotrunner plate and nozzle

3 模具結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 模具總體結(jié)構(gòu)和模具工作原理

模具的總體結(jié)構(gòu)如圖16所示，在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時采用了動模倒裝結(jié)構(gòu)和熱流道系統(tǒng)的應(yīng)用，整個模具的工作原理為：模具開模時，動模固定板（24）與定模固定板（20）分離，動模固定板（24）繼續(xù)開模運(yùn)動，帶動拉桿（10）一起運(yùn)動，拉桿上開有導(dǎo)向槽，長度為20 mm，當(dāng)動模固定板運(yùn)動20 mm距離后，拉桿碰觸推板（6）上安裝的支架（45），使得推板固定板（8）運(yùn)動，從而帶動頂出機(jī)構(gòu)一起運(yùn)動，整體運(yùn)動40 mm后，完成開模行程。模具合模時，動模固定板（24）開始往回運(yùn)動，導(dǎo)柱導(dǎo)套優(yōu)先接觸，并對模具進(jìn)行導(dǎo)向，復(fù)位桿觸碰動模固定板，復(fù)位看開始復(fù)位運(yùn)動，從而帶動頂出機(jī)構(gòu)復(fù)位，直到動模固定板（24）和定模固定板（20）閉合，完成模具的閉合。

3.2 動模倒裝結(jié)構(gòu)

由于制件外表面精度較高，所以進(jìn)澆口設(shè)置在制件的內(nèi)表面，但是由于采用熱流道系統(tǒng)，不便采用潛伏澆口，所以本設(shè)計(jì)將采用動模倒裝形式，如圖16所示。

正常模具的分模動力來源是靠注塑機(jī)的推桿推動推板來進(jìn)行開模以及頂出操作的，但是本設(shè)計(jì)的模具是倒裝模具，動模部分沒有給注塑機(jī)的推桿提供行程位置，因此不能靠注塑機(jī)的推桿來直接帶動推板，而是采用動模倒裝結(jié)構(gòu)利用開模動作實(shí)現(xiàn)制件的推出。

由于本設(shè)計(jì)是動模倒裝形式，頂出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動動力不能由注塑機(jī)直接提供，而是采取定距分模的結(jié)構(gòu)[5]來實(shí)現(xiàn)。即先讓主分型面分離，當(dāng)移動到足夠距離后，由拉桿拉動推板開始頂出制件，本模架的頂出力由分型面打開時靠拉桿提供，而且要保證主分型面優(yōu)先分離，推板從動的形式。

圖16 模具總體結(jié)構(gòu)Fig.16 Total sturcture of the mould

拉桿必須保證分型面優(yōu)先移動20 mm，然后頂出機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動直至頂出動作完成。

因此拉桿上必須開槽，推板通過銷釘與拉板的開槽接觸，且拉板在開模過程中不能與模具主體接觸，因此在動模安裝部位加裝一個墊板，使拉板與模具表面保持5 mm的間隔，每個拉板通過2個螺釘與動模連接。

3.3 定距分型機(jī)構(gòu)

定距分型機(jī)構(gòu)的工作過程：動模與定模分離，拉桿固定在動模上，分離到40 mm時候，拉桿上的限位孔與推板的導(dǎo)柱碰裝，拉桿拉動推板運(yùn)動，推板帶動頂出機(jī)構(gòu)運(yùn)動，從而完成頂出制件的運(yùn)動，復(fù)位的時候動模合攏，復(fù)位銷被動模壓回初始位置，復(fù)位銷安裝在推板上，從而使推板回到初始工作位置。

4 結(jié)論

（1）通過采用模流分析軟件Moldflow對面像識別機(jī)外殼的注射成型進(jìn)行了模流分析，確定了模具的澆注系統(tǒng)方案和結(jié)構(gòu)，并確定了熱流道澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

（2）由于制件外表面精度要求很高，薄壁且多孔，設(shè)計(jì)的模具采用多澆口熱流道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)制品的充分成型，利用動模倒裝結(jié)構(gòu)和定距分型機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)制品的反向頂出。

[1]申開智，塑料成型模具[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2007：380-399.

[2]張建雨，馮 剛.注射模熱流道的技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用[J].塑料工業(yè)，2011，39（11）：56-58.Zhang Jianyu，F(xiàn)eng Gang.Technical Features and Application of Hotrunner Technologyininjection Molding[J].China Plasticsindustry，2011，39（11）：56-58.

[3]王 剛，單 巖.Mold Flow模具分析應(yīng)用實(shí)例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：10-15.

[4]王金水 葛正浩.注塑模的熱流道系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].塑料制造，2009，（9）：67-70.Wang Jinshui，Ge Zhenghao.Hotrunner System andits Applicationininjection Mould[J].Plastics Manufacture，2009，（9）：67-70.

[5]王鵬駒，張 杰.塑料模具設(shè)計(jì)師手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：236-238.