張維合

（廣東科技學(xué)院，廣東東莞 523083）

LED支架全自動(dòng)精密注塑模具設(shè)計(jì)*

張維合

（廣東科技學(xué)院，廣東東莞 523083）

根據(jù)LED支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用端面環(huán)形澆口、復(fù)合側(cè)向抽芯和推板脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一副精密注塑模具。重點(diǎn)分析和研究了該模具的成型零件、澆注系統(tǒng)、側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)、定距分型機(jī)構(gòu)、溫度控制系統(tǒng)、導(dǎo)向定位系統(tǒng)和脫模系統(tǒng)。模具在側(cè)向抽芯和脫模機(jī)構(gòu)中均有多處創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。

LED支架；注塑模具；復(fù)合側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)；推板脫模

LED是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體，它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理，而采用電場(chǎng)發(fā)光。LED的特點(diǎn)非常明顯，壽命長(zhǎng)、光效高、輻射低與功耗低。LED主要由支架、銀膠、晶片、金線、環(huán)氧樹脂五種物料組成。筆者介紹一副LED支架精密注塑模具，該模具側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)復(fù)雜，脫模機(jī)構(gòu)巧妙，機(jī)械手取件，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)。

1 塑料件外觀要求與結(jié)構(gòu)分析

圖1為某LED產(chǎn)品的支架示意圖，材料為聚丙烯（PP），收縮率取1.8%［1］。

圖1 LED支架零件圖

塑料件屬于回轉(zhuǎn)體零件，造型優(yōu)美，尺寸精度、外觀要求高，表面不允許有澆口和推桿痕跡。塑料件最大外徑為65.80 mm，最大長(zhǎng)度為227.50 mm。其成型模具設(shè)計(jì)難點(diǎn)有兩處：一是澆注系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在澆口的位置和型號(hào)如何選擇；二是脫模系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在塑料件表面不允許有推桿痕跡，塑料件在模具中必須橫向擺放，這樣塑料件內(nèi)部就有四處倒扣，其中倒扣1與倒扣3、倒扣4的抽芯方向垂直，相互干涉，側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)和塑料件如何取出是設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

客戶要求一模出二件，橫向平行排位。由于塑料件屬回轉(zhuǎn)體，表面不允許有澆口痕跡，模具采用端面環(huán)形澆口。又由于定模側(cè)有側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，故模架采用龍記公司有塑料件推板而沒有流道推板的三板模模架（俗稱二板半模架），規(guī)格型號(hào)為：GBH–4055–A90–B70–380–O，推板厚度為90 mm，材料為P20。模具最大外形尺寸為550 mm×400 mm×456 mm，總質(zhì)量約700 kg，屬于中型精密注塑模具［2］，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖2和圖3。

圖2 LED支架注塑模具結(jié)構(gòu)圖

2.1 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)是該模具最復(fù)雜的核心機(jī)構(gòu)。根據(jù)塑料件的結(jié)構(gòu)分析，型腔采用橫向擺放的布置方式［3］，這樣塑料件成型后就有4處倒扣（見圖1），模具必須設(shè)計(jì)4個(gè)側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，它們分別是用于成型倒扣1的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)、用于成型倒扣2的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)、用于成型倒扣3的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)和用于成型倒扣4的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)（見圖2和圖3）。在這4個(gè)側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)中，倒扣1的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的抽芯方向和倒扣3、倒扣4的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的抽芯方向相互垂直，如何避免抽芯時(shí)相互干涉，是該模具抽芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。為解決這一難題，模具采用了復(fù)合抽芯的結(jié)構(gòu)［4］：在長(zhǎng)側(cè)向型芯32內(nèi)設(shè)計(jì)了帶T型扣的小滑塊33，小滑塊33通過T型扣帶動(dòng)內(nèi)側(cè)向型芯41，42，完成倒扣3、倒扣4的抽芯后再由帶T型扣的鎖緊塊9帶動(dòng)長(zhǎng)側(cè)向型芯32完成倒扣1的抽芯。詳見圖3c中C–C局部剖視圖。

圖3 LED支架注塑模具側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)

一般情況下，倒扣2的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)中的定模滑塊40應(yīng)該設(shè)計(jì)在動(dòng)模側(cè)，這樣可以避免采用三板模架，也不需要定距分型機(jī)構(gòu)［5］。但由于倒扣1的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)側(cè)向抽芯滑塊11在動(dòng)模側(cè)，而且抽芯距離很長(zhǎng)（根據(jù)圖1所示抽芯距離至少要達(dá)到204 mm），如果長(zhǎng)側(cè)向型芯32要從成型塑料件中全部抽出，模架尺寸就要加長(zhǎng)很多，而且塑料件也無法脫模。為方便塑料件脫模以及減小模具尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)將長(zhǎng)側(cè)向型芯32的抽芯距離控制在35 mm （即開模后長(zhǎng)側(cè)向型芯32還在塑料件內(nèi)），成型塑料件脫模后再橫向取出。這樣塑料件橫向取出時(shí)其小端必須有足夠的空間，如果倒扣2的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的定?；瑝K40設(shè)計(jì)在動(dòng)模側(cè)，短側(cè)向型芯31就會(huì)阻礙塑料件取出。這就是為什么將倒扣2的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在定模側(cè)的原因。雖然這樣會(huì)提高模具的制造成本，但圓滿解決了塑料件的脫模問題，而且塑料件還可以采用機(jī)械手取出，模具可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，這是該模具較有創(chuàng)新意義的結(jié)構(gòu)之一，它可以大大提高模具的勞動(dòng)生產(chǎn)率和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

4個(gè)側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)中，倒扣1的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)由彎銷30、定?；瑝K40、短側(cè)向型芯31組成；倒扣2的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)由長(zhǎng)側(cè)向型芯32、長(zhǎng)側(cè)向型芯固定板10、長(zhǎng)側(cè)向抽芯滑塊11、T型扣鎖緊塊9以及定位滾珠36組成；倒扣3和倒扣4的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，由彎銷34、T型扣內(nèi)滑塊33、內(nèi)側(cè)型芯41，42和定位滾珠35組成。這里要說明的是：倒扣1的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)不需要設(shè)計(jì)定位零件，因?yàn)閺濅N30在抽芯過程中自始至終沒有脫離滑塊40，這也是模具設(shè)計(jì)的一種經(jīng)驗(yàn)與技巧［2］。

2.2 成型零件設(shè)計(jì)

為節(jié)省模具成本，方便模具的制造和維修保養(yǎng)，該模具的成型零件和模板采用鑲拼結(jié)構(gòu)。它主要由定模鑲件8、動(dòng)模鑲件12、短側(cè)向型芯31，以及長(zhǎng)側(cè)向型芯32組成。其中定模鑲件8的最大尺寸為：55.5 mm×280 mm×300 mm；動(dòng)模鑲件12的最大尺寸為：125 mm×280 mm×300 mm。由于成型塑料件的尺寸精度要求高，該模具成型零件做到了以下二點(diǎn)：（1）所有成型零件均采用S136鋼材，所有成型零件的成型表面均進(jìn)行氮化處理，以提高型腔的耐磨性［6］；（2）在動(dòng)、定模鑲件的分型面上設(shè)計(jì)內(nèi)模管位，以提高模具的剛性，見圖2a定模排位圖，其剖視圖見圖3c的C–C局部剖視圖。

2.3 定距分型機(jī)構(gòu)

模具共有三個(gè)分型面（見圖4），其中定模固定板29和定模A板4之間的分型面Ⅰ必須首先打開，完成倒扣2的定模側(cè)向抽芯，其開模距離為75 mm。之后定模A板4和推板39之間的分型面Ⅱ打開，成型塑料件離開定模型腔，并完成倒扣1、倒扣3和倒扣4的側(cè)向抽芯，其開模距離為200 mm。最后推板39和動(dòng)模B板13之間的分型面Ⅲ打開，成型塑料件脫離動(dòng)模型腔，開模距離為50 mm。為保證模具中各分型面的開模距離和開模順序，必須設(shè)計(jì)定距分型機(jī)構(gòu)，以保證模具的正常生產(chǎn)［7］。該模具定距分型機(jī)構(gòu)采用內(nèi)置彈簧1、內(nèi)置小拉桿3、尼龍塞2和外置扣基5相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。分型面Ⅰ的打開順序和打開距離由內(nèi)置彈簧1、內(nèi)置小拉桿3和外置扣基5中的拉鉤47控制。分型面Ⅱ的打開順序和打開距離由尼龍塞2、外置式定距分型機(jī)構(gòu)中的推塊48和注塑機(jī)控制。分型面Ⅲ的打開順序和打開距離由注塑機(jī)、復(fù)位桿38和限位柱37控制。

2.4 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模具澆注系統(tǒng)包括主流道、分流道和澆口見圖5。由于塑料件外觀要求高，表面不允許有澆口痕跡，因此模具采用端面環(huán)形澆口，熔體從整個(gè)端面進(jìn)入型腔，塑料件成型后環(huán)形澆口由專用夾具切除。這樣既不會(huì)在塑料件外表面留下澆口痕跡，又易于保證成型塑料件的尺寸精度［8］。環(huán)形澆口厚度為0.6 mm。因?yàn)闈部谠谒芰霞亩嗣?，為減小分流道長(zhǎng)度，主流道不能在模具中心，而是在偏離模具中心70 mm處，詳見圖2。

圖5 澆注系統(tǒng)立體圖

這里需要注意的是：由于主流道偏離模具中心較遠(yuǎn)，模具必須設(shè)計(jì)3個(gè)K.O.孔（即注塑機(jī)頂棍孔），以保證推板推出平衡。

2.5 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該LED產(chǎn)品訂單大，模具設(shè)計(jì)壽命為300萬次，屬于長(zhǎng)壽命模具，溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是重中之重。該模具溫度控制系統(tǒng)采用“直通式水管+隔片式水井”組合形式。其中動(dòng)模鑲件12采用雙層冷卻水管，這在注塑模具中是較少用的［6］。所有的側(cè)向抽芯都通有冷卻水道，其中短側(cè)向型芯31還采用了隔片式水井冷卻。該模具的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)先進(jìn)合理，冷卻均勻、充分，將成型周期控制在30 s左右，有效保證了模具的生產(chǎn)效率。

2.6 脫模系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于塑料件表面不允許有推桿痕跡，所以不能采用常規(guī)的推桿脫模機(jī)構(gòu)，氣動(dòng)脫模更不可能。綜合考慮各項(xiàng)因素，決定采用推板脫模機(jī)構(gòu)，這樣動(dòng)模滑塊就要在推板39上而不能在動(dòng)模B板13上滑行。推板39通過復(fù)位桿38和推件固定板19固定在一起，由注塑機(jī)頂棍推出和拉回。倒扣1的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的滑塊在推板39上滑動(dòng)，倒扣1的深度為204 mm，一般情況下，在側(cè)向抽芯過程中，長(zhǎng)側(cè)向抽芯的抽芯距離應(yīng)該不小于206 mm（安全距離最少2 mm），但模具設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)側(cè)向型芯32卻只抽出35 mm，這樣設(shè)計(jì)有3個(gè)原因：一是抽芯距離越短，抽芯機(jī)構(gòu)就越簡(jiǎn)單；二是沒有完全從塑料件中抽出的側(cè)向型芯32在推板推出過程中，可以順便將塑料件推出，使塑料件脫離動(dòng)模鑲件12；三是長(zhǎng)側(cè)向型芯32大小頭直徑相差較大，即塑料件的內(nèi)孔脫模斜度很大，抽出35 mm后塑料件就已經(jīng)完全脫離了長(zhǎng)側(cè)向型芯32，不影響塑料件取出。

2.7 導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該模具有3個(gè)分型面以及4個(gè)側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，活動(dòng)零件較多，為保證其運(yùn)動(dòng)可靠，設(shè)計(jì)了8根導(dǎo)柱，16根導(dǎo)套（詳見圖2），所有的側(cè)向滑塊都在T型槽內(nèi)滑動(dòng)（詳見圖3）。推件固定板19和推件底板20也設(shè)計(jì)了4組導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，由推件板導(dǎo)柱15和推件板導(dǎo)套16組成。在定位方面，定模鑲件和動(dòng)模鑲件在相互接觸的分型面上設(shè)計(jì)了2個(gè)對(duì)稱的凹凸定位結(jié)構(gòu)（俗稱內(nèi)模管位），見圖3c中的C–C視圖?？梢哉f，所有活動(dòng)零件都有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，使其按照既定的軌跡運(yùn)動(dòng)；所有的成型零件和固定模板都有定位機(jī)構(gòu)，使其在強(qiáng)大的鎖模力和注塑壓力作用下能保持足夠的剛性，不至于變形，有效保證了塑料件的精度和模具的生產(chǎn)壽命。

3 模具工作過程

（1）注塑充模：熔體由注塑機(jī)料筒高速注塑進(jìn)入模具澆口套6內(nèi)的主流道，再由分型面Ⅱ上的分流道進(jìn)入定、動(dòng)模鑲件8，12和長(zhǎng)側(cè)向型芯固定板10之間的分流道，最后經(jīng)環(huán)形澆口進(jìn)入型腔（見圖2b）。

（2）保壓及冷卻：熔體充滿型腔后，保壓、冷卻、固化。

（3）開模：當(dāng)成型塑料件固化至足夠剛性后，注塑機(jī)拉動(dòng)動(dòng)模固定板18開模：

①分型面Ⅰ打開：在外置式定距分型機(jī)構(gòu)5的作用下，模具首先從分型面Ⅰ處打開，打開距離75 mm，由內(nèi)置小拉桿3控制。在這一過程中，彎銷30撥動(dòng)定?；瑝K40，進(jìn)而帶動(dòng)短側(cè)向型芯31進(jìn)行側(cè)向抽芯。同時(shí)彎銷34撥動(dòng)T型扣內(nèi)滑塊33，T型扣內(nèi)滑塊33通過T型槽帶動(dòng)內(nèi)側(cè)型芯41和42向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)脫離倒扣3和4。T型扣內(nèi)滑塊33側(cè)向抽芯距離為20 mm，由定位滾珠35控制。

②分型面Ⅱ打開：分型面Ⅰ打開75 mm后，外置式定距分型機(jī)構(gòu)上的推塊48推動(dòng)活動(dòng)塊51脫離拉鉤47，由于有尼龍塞2和彈簧14的作用，模具接著從分型面Ⅱ處打開，打開距離為200 mm，由注塑機(jī)控制。分型面Ⅱ打開的過程中，T型扣鎖緊塊9撥動(dòng)長(zhǎng)側(cè)向抽芯滑塊11，進(jìn)而拉動(dòng)長(zhǎng)側(cè)向型芯32作側(cè)向抽芯，抽芯距離35 mm，由定位滾珠36控制。

③分型面Ⅲ打開：完成分型面Ⅰ和Ⅱ的開模行程后，注塑機(jī)頂棍通過三個(gè)K.O.孔推動(dòng)推件底板20，復(fù)位桿38推動(dòng)推板39，模具最后從分型面Ⅲ處打開，打開距離為50 mm，由限位柱37控制。在這一過程中，成型塑料件在長(zhǎng)側(cè)向型芯32的帶動(dòng)下脫離動(dòng)模型腔。

（4）取件：成型塑料件被長(zhǎng)側(cè)向型芯32推出50 mm后，機(jī)械手將塑料件橫向取出。

（5）合模復(fù)位：塑料件取出后，注塑機(jī)頂棍后退，推板39在復(fù)位彈簧14的作用下復(fù)位，推動(dòng)動(dòng)模合模，在合模過程中，彎銷30推動(dòng)定?；瑝K40及短側(cè)向型芯31復(fù)位，彎銷34和T型扣鎖緊塊9分別推動(dòng)T型扣內(nèi)滑塊33和長(zhǎng)側(cè)向抽芯滑塊11復(fù)位。

（6）再注塑：模具接著下一次注塑成型。

4 結(jié)語

（1）模具鑲件采用內(nèi)模管位結(jié)構(gòu)和型腔表面滲氮處理，有效保證了成型塑料件的尺寸精度和模具壽命。

（2）模具采用復(fù)合抽芯機(jī)構(gòu)，解決了同一結(jié)構(gòu)中相互垂直的倒扣脫模問題。

（3）模具采用機(jī)械手橫向取件，使深腔類塑料件的脫模得到了極大簡(jiǎn)化，并實(shí)現(xiàn)了注塑模具全自動(dòng)生產(chǎn)的目的。

（4）模具冷卻充分，定位可靠，自動(dòng)化程度高。投產(chǎn)以來，運(yùn)行穩(wěn)定，成型塑料件各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，是復(fù)雜、精密、長(zhǎng)壽命注塑模具的一個(gè)成功實(shí)例。

［1]張維合.注塑模具設(shè)計(jì)實(shí)用教程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：135–148. Zhang Weihe. Injection mould design practical tutorial［M］. Beijing：Chemical Industry Press，2007：135–148.

［2]張維合.注塑模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)技巧與實(shí)例［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015：117–153. Zhang Weihe. Injection mould design experience skills and examples［M］. Beijing：Chemical Industry Press，2015：117–153.

［3]張維合.注塑模具復(fù)雜結(jié)構(gòu)100例［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：130–146. Zhang Weihe. Injection mould complex structure in 100 cases［M］. Beijing：Chemical Industry Press，2010：130–146.

［4]張維合.注塑模具設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：112–132. Zhang Weihe. Injection mould design practical guide ［M］. Beijing：Chemical Industry Press，2011：112–132.

［5]屈華昌.塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996：115–127. Qu Huachang. Plastic forming technology and mould design［M］. Beijing：China Machine Press，1996：115–127.

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Design of Automatic and Precision Injection Mould for LED Bracket

Zhang Weihe
（Guangdong University of Science & Technology， Dongguan 523083， China）

According to the structure characteristics of the LED bracket，a pair of injection mould was designed by the end face annular gate，the co-side core pulling mechanism and the push plate ejection mechanism. The molding parts，the gating system，the side core pulling mechanism，the fixed distance parting mechanism，the temperature control system，the guiding and positioning system and the ejection system were analyzed and studied. Mold has many innovative architecture in side core pulling mechanism and the release mechanism.

LED bracket；injection mold；co-side core pulling mechanism；push plate stripping

TQ320.66+2

A

1001-3539（2016）07-0079-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.07.015

*廣東科技學(xué)院2015年重點(diǎn)科研項(xiàng)目（GKY-2015KYZD-2）
聯(lián)系人：張維合，副教授，從事模具教學(xué)與研究

2016-04-15