任長春，夏宗禹，張穎利，陳 京

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，南京 210023；2. 南京東模機(jī)電制造有限公司，南京 210057)

0 前言

隨著筆記本電腦的普及，人們追求產(chǎn)品性能的同時(shí)也對外觀提出了新的要求。對于塑料材質(zhì)筆記本電腦外殼的外觀處理，傳統(tǒng)上一般采用外觀咬花或表面烤漆處理。表面咬花處理也稱表面皮紋或磨砂處理，即在模具型腔表面處理得到所需圖案花紋，塑件注射成型后塑件外觀呈現(xiàn)凹凸的圖案花紋，此工藝得到的塑件外觀圖案單一、塑件無色澤變化，且生產(chǎn)中模具型腔易磨損。塑件表面烤漆處理可以得到漂亮的各種色澤、圖案的外觀，但是塑件需要在注射成型后再次進(jìn)行烤漆處理，勢必延長生產(chǎn)周期及增加成本，并且也會(huì)對環(huán)境造成影響。

隨著模內(nèi)裝飾成型工藝的發(fā)展，一種新型模內(nèi)貼膜工藝(in-molding roller，簡稱IMR)得到應(yīng)用。IMR成型工藝是指先將塑件表面需要的圖案印刷在薄膜上成為油墨層，注射成型前將薄膜吸附于模具型腔內(nèi)再進(jìn)行注射成型，塑件冷卻定型后油墨層吸附于塑件表面并與薄膜脫離，塑件表面即增加了一層帶有圖案的透明油墨層。這種技術(shù)能使塑件表面得到烤漆工藝的鏡面效果，顯示出栩栩如生的圖案花紋，并且增加了塑件表面的抗磨損、抗劃傷能力[1]。由于IMR成型工藝的特殊性，相應(yīng)的注塑模具的設(shè)計(jì)也與普通注塑模有所不同[2]。本文以筆記本電腦蓋板為例闡述一下采用IMR工藝的注塑模設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1 塑件結(jié)構(gòu)工藝分析

圖1所示為筆記本電腦蓋板。由于塑件是筆記本電腦上蓋，作為外觀件要求塑件外表面進(jìn)行IMR成型，外觀質(zhì)量上要求外表面平整、光滑無變形翹曲，絕不允許有飛邊、裂紋、缺料等外觀缺陷；同時(shí)作為結(jié)構(gòu)件需要安裝液晶屏幕面板并與筆記本屏幕壓框相配合，因此對塑件尺寸精度要求也較高。塑件結(jié)構(gòu)具體分析如下：

(1)塑件原料為日本帝人公司出品的聚碳酸酯(PC)/25 %滑石粉(Talc)，牌號(hào)為Teijin DN-5325B，平均收縮率為0.2 %。此材料具有較好的力學(xué)性能，強(qiáng)度高韌性好，抗沖擊性能強(qiáng)，有較好的尺寸穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是流動(dòng)性較差，可提高熔體溫度來增加料流的充模能力。因此，模具的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤為重要。

(2)塑件為薄壁平板型零件，邊緣有凸起的邊框，基本外形尺寸為346.87 mm×227.43 mm×5.3 mm，平均壁厚約為1.8 mm。塑件外表面為純平板設(shè)計(jì)，4個(gè)邊緣設(shè)計(jì)為圓角過渡，該外表面成型時(shí)采用模內(nèi)貼膜工藝進(jìn)行外表面裝飾，如圖1(a)所示。

(3)塑件內(nèi)表面為功能面，需固定液晶屏幕面板及其他電子元件，并與屏幕壓框組裝配合，內(nèi)部有較多的凸起支撐筋位、盲孔、安裝倒扣，如圖1(b)、(c)所示。安裝倒扣為側(cè)向凹凸結(jié)構(gòu)，需要采用側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)；盲孔需采用推管機(jī)構(gòu)進(jìn)行成型與推出。

由此可見，本模具的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是滿足IMR工藝的需要，薄壁平板件的充型、內(nèi)部多處倒扣結(jié)構(gòu)的側(cè)向成型問題。

(a)塑件外表面 (b)塑件內(nèi)表面 (c)局部放大圖圖1 產(chǎn)品圖Fig.1 Structure of the part

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于塑件外表面采用模內(nèi)貼膜工藝，塑件外表面不能開設(shè)澆口，只能從內(nèi)部進(jìn)膠，因此模具采用動(dòng)定模倒裝結(jié)構(gòu)，模具凹模型腔為動(dòng)模部分，模具凸模型芯為定模部分。模具具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下文所示。

2.1 IMR成型工藝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

IMR注塑模與普通注塑模相比，主要是需要一套薄膜定位、吸附機(jī)構(gòu)，以保證薄膜圖案在模具型腔內(nèi)的準(zhǔn)確定位并保證薄膜與模具型腔壁的緊密貼合[3]。薄膜定位裝置一般由卷膜機(jī)來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，卷膜機(jī)由專業(yè)廠家生產(chǎn)。薄膜吸附機(jī)構(gòu)則需要在注塑模具上設(shè)計(jì)一套薄膜壓緊裝置，并且在模具型腔側(cè)進(jìn)行密封，然后用真空泵通過吸氣管道抽氣，將薄膜緊緊吸附于模具型腔表面。具體設(shè)計(jì)如下：

(1)模內(nèi)貼膜工藝注塑模需要在分型面處凸模型芯鑲件外側(cè)增加一個(gè)壓緊薄膜的環(huán)形可活動(dòng)壓板，稱為壓膜框，如圖2所示。壓膜框固定于凹模一側(cè)，并配有頂出與復(fù)位機(jī)構(gòu)等，其作用是在壓膜框頂出時(shí)薄膜由卷膜機(jī)卷入定位，注射成型前壓膜框復(fù)位，壓膜框與凹模型腔鑲件壓緊薄膜，保證薄膜定位于凹模型腔內(nèi)表面。

圖2 壓膜框組件Fig.2 The fram for pressed film

圖3 分型面及薄膜吸附機(jī)構(gòu)Fig.3 The mold parting surface and adsorbed film structure

(2)在凹模一側(cè)增加了薄膜吸附機(jī)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)為全周吸氣槽、吸氣針、全周密封圈等，如圖3所示。成型時(shí)，真空泵通過吸氣孔、吸氣包、吸氣針、吸氣槽采用抽真空形式將薄膜吸附于凹模型腔表面；為了保證薄膜與模具型腔之間處于真空狀態(tài)，薄膜在壓膜框與凹模型腔鑲件、凹模型腔鑲件與動(dòng)模板之間采用密封圈密封。本模具的薄膜吸附機(jī)構(gòu)的吸氣管道及密封圈設(shè)計(jì)3D圖如圖4所示。由于塑件的外形簡單，可選擇塑件外形最大面為分型面。但是由于IMR工藝的特殊要求，分型面設(shè)置為2段。第一段分型面為型腔到吸氣槽，間隙為與薄膜厚度相當(dāng)；第二段分型面為吸氣槽到壓膜框邊緣，為了便于注射排氣，此處分型面間隙比第一段稍大。

圖4 吸氣管道及密封圈Fig.4 The inspiratory tube and sealing ring

(3)為了保證薄膜傳送的順利，需在壓膜框外側(cè)的定模板、動(dòng)模板位置加大間隙形成通膜槽，模具外表面增加薄膜定位支架。

2.2 成型零件設(shè)計(jì)

由于塑件外形尺寸較大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀也較為復(fù)雜，并且對形狀尺寸精度的要求也較高，因此確定該模具采用單型腔結(jié)構(gòu)。利用3D設(shè)計(jì)軟件直接根據(jù)塑料的平均收縮率0.2 %進(jìn)行分析計(jì)算，得到模具型腔具體形狀及尺寸。為了節(jié)約貴重的塑料模具專用鋼材及縮短模具制造周期，模具型腔采用整體嵌入式設(shè)計(jì)，采用雙側(cè)鎖緊塊固定。由于塑件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有較多的凸起支撐筋位結(jié)構(gòu)，因此凸模型芯部分采用鑲件與小型芯組合形式，便于加工也有利于型腔的排氣。凹模型腔鑲件尺寸為500 mm×350 mm×60 mm，選用420ESR材質(zhì)；凸模型芯鑲件尺寸為450 mm ×360 mm×95 mm，選用NAK80材質(zhì)。因?yàn)榇嬖趬耗た虻脑颍寄Ｐ颓昏偧c凸模型芯鑲件的尺寸并不相同。

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于塑件為淺殼形薄壁大尺寸平板件，為防止塑件翹曲變形，保證其外觀質(zhì)量，正確選擇澆口類型尤為重要。通過對各種澆口的成型分析得出，采用扇形澆口進(jìn)膠是成型塑料平板件最常用的也是效果最好的方式[2]。由于塑件采用IMR成型工藝，凹模型腔部分表面覆膜，因此凹模部分不能開設(shè)澆注系統(tǒng)流道和澆口，澆口設(shè)計(jì)只能考慮從塑件的側(cè)面或塑件的內(nèi)部進(jìn)膠。因此，扇形澆口進(jìn)膠有兩個(gè)進(jìn)膠位置選擇。一種是側(cè)邊進(jìn)膠方式，由于塑件尺寸較大采用單型腔結(jié)構(gòu)，采用側(cè)邊進(jìn)膠方式將使得澆口偏置在模具一側(cè)，模具結(jié)構(gòu)中心與模具受力中心不一致可能造成模具磨損加大和出現(xiàn)塑件壁厚不均的情況[3]。若采用中間進(jìn)膠方式，澆口與塑件表面垂直，易產(chǎn)生沖墨問題，且中間澆口滑塊冷卻水易滲漏，故以側(cè)邊扇形澆口進(jìn)膠為優(yōu)選選擇[4]。

由于該塑件尺寸較大，為了降低充型阻力，減小注塑壓力及模具受力不均勻?qū)δ＞叩哪p，該模具的澆注系統(tǒng)采用熱流道設(shè)計(jì)。綜合以上分析，為保證塑件成型質(zhì)量，提升模具壽命，本模具采用熱流道側(cè)邊扇形澆口進(jìn)膠方式。

(1)熱流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于選擇側(cè)邊進(jìn)膠方式，出現(xiàn)了澆口偏置的情況。為了減少溫度、壓力損失，減小澆口偏置對模具受力不均的影響，采用中心進(jìn)料熱流道偏置設(shè)計(jì)，將主流道位置設(shè)計(jì)在模具結(jié)構(gòu)中心位置，通過熱流道分流道板對熱噴嘴進(jìn)行位置調(diào)整，加熱式噴嘴延伸至澆口位置，如圖5所示。

圖5 熱流道示意圖Fig.5 The hot runner

(2)澆口設(shè)計(jì)。扇形澆口是側(cè)澆口的一種變異類型，其進(jìn)膠特點(diǎn)是寬度逐漸變大，深度由深變淺，料流的流向具有擴(kuò)展性，塑料熔體進(jìn)入型腔后橫向流動(dòng)得到均勻分配，避免了料流取向，降低塑件的內(nèi)應(yīng)力，減少塑件的變形翹曲。由于塑件設(shè)計(jì)為倒裝式側(cè)邊扇形澆口進(jìn)膠，為了防止沖墨現(xiàn)象，在流道中增加了2個(gè)緩沖臺(tái)階；澆口尺寸為寬度120 mm，深度1.2 mm。由于扇形澆口流道從熱噴嘴到澆口的尺寸變化，澆注系統(tǒng)凝料必須采用側(cè)向抽芯與分型機(jī)構(gòu)才能推出，因此采用側(cè)向斜滑塊成型流道，澆口開設(shè)在斜滑塊上，利用液壓油缸進(jìn)行抽芯驅(qū)動(dòng)。由于澆口斜滑塊注射成型時(shí)承受的壓力較大，除了常規(guī)設(shè)計(jì)楔緊塊以外， 在滑塊型芯

上設(shè)計(jì)了3個(gè)方形定位凸臺(tái)與凸模型芯鑲件配合，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 模具澆注系統(tǒng)示意圖Fig.6 The gating system

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，利用專業(yè)3D模流分析軟件Moldex進(jìn)行模流分析，結(jié)果表明該澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)能滿足成型要求。模流分析結(jié)果如圖7所示。

(a)充模時(shí)間分析 (b)充模壓力分析圖7 塑件模流分析圖Fig.7 Modal flow analysis diagram of plastic part

2.4 側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖1可知，該筆記本電腦蓋板內(nèi)部有較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，特別是有多處安裝倒扣用于與其他零件的安裝配合。由于塑件為框體結(jié)構(gòu)，外側(cè)有凸起的邊框，因此這些安裝倒扣均需內(nèi)側(cè)抽芯成型。這些眾多的安裝倒扣另一個(gè)特點(diǎn)是凹凸尺寸較小，抽芯距較短，因此特別適宜采用斜頂抽芯機(jī)構(gòu)[5-7]。由于倒扣數(shù)量較多，可將彼此接近且抽芯方向一致的倒扣設(shè)計(jì)為一個(gè)斜頂，以減小斜頂數(shù)量，簡化模具結(jié)構(gòu)。通過側(cè)向型芯的合并，斜頂設(shè)計(jì)為30根，具體斜頂側(cè)向成型與抽芯方向如圖8所示，圖中剖面線部位為斜頂，箭頭為抽芯方向。

圖8 斜頂布局圖Fig.8 Layout plan of slanted ejector pin

圖9 斜頂Fig.9 The slanted ejector pin

由于模具中設(shè)計(jì)的斜頂數(shù)量多、抽芯距較短，如全部采用斜頂座驅(qū)動(dòng)推出則推桿固定板上沒有足夠安裝空間，因此斜頂?shù)耐瞥霾捎眯表斉c斜頂推桿通過T型導(dǎo)滑槽方式進(jìn)行連接。根據(jù)斜頂?shù)某叽绱笮?，?dǎo)滑槽可開設(shè)在斜頂上，也可開設(shè)斜頂推桿上，具體設(shè)計(jì)如圖9所示。由于斜頂?shù)耐瞥鼍嚯x相同，而斜頂成型的部位抽芯距不同，在設(shè)計(jì)斜頂傾斜角時(shí)在滿足斜頂抽芯不對模具結(jié)構(gòu)干涉的情況下盡量選小值。同時(shí)，為了簡化斜頂加工，斜頂?shù)膬A斜角根據(jù)抽芯距的長短統(tǒng)一取4 °或7 ° 2種規(guī)格。

2.5 推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由上可知，該模具設(shè)計(jì)有較多數(shù)量的斜頂，斜頂有側(cè)向成型的作用，在斜頂推出時(shí)對塑件進(jìn)行側(cè)向抽芯的同時(shí)也對塑件有推出作用。但是，由于該塑件為薄壁框形結(jié)構(gòu)，塑件的內(nèi)部復(fù)雜，除了倒扣位置外還有一些由凸條組成的支撐筋位以及盲孔，因此還需要設(shè)計(jì)其他的專用推出機(jī)構(gòu)進(jìn)行塑件推出。

由于塑件為薄壁件，有些位置還有較深的支撐筋位，不便于采用圓形推桿推出。因此，我們利用塑件支撐筋位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用方形推桿來推出塑件。方形推桿的底部仍為圓形，只是在接近型腔處改為與塑件筋位相適應(yīng)的方形結(jié)構(gòu)，根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)8根方形推桿。由于塑件上有10個(gè)用于安裝的盲孔，為了保證盲孔的成型與塑件的推出，在盲孔位置設(shè)計(jì)推管推出，共設(shè)置10根。該模具的推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖10所示。由于模具側(cè)向成型安裝倒扣時(shí)設(shè)計(jì)有30只斜頂，為了精確控制斜頂?shù)耐瞥鼍嚯x，根據(jù)計(jì)算，保證塑件推出和斜頂側(cè)向抽芯的需要，確定推出距離后在推桿固定板上安裝限位塊；由于模具采用倒裝結(jié)構(gòu)，推出機(jī)構(gòu)的推出和復(fù)位采用液壓油缸驅(qū)動(dòng)。

圖10 推出機(jī)構(gòu)示意圖Fig.10 Ejection structure

2.6 排氣系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于采用IMR工藝，該模具凹模型腔部位覆膜，型腔排氣通道只能考慮在凸模一側(cè)。凸模型芯部位鑲件與小型芯之間留有的空隙可以排氣。凸模部分還采用了數(shù)量較多的斜頂、方頂、推管等活動(dòng)零件，凸模型芯側(cè)邊還有一個(gè)澆口斜滑塊，這些活動(dòng)零件之間也會(huì)留有空隙可以排氣。但是，由于塑件為平板零件，根據(jù)模流分析結(jié)果，仍需在最后充模位置設(shè)置排氣塊，具體設(shè)計(jì)如圖11所示。

圖11 排氣塊設(shè)計(jì)Fig.11 Design of exhaust block

模具的冷卻水道的設(shè)置應(yīng)使塑件的冷卻速度均勻，避免塑件在冷卻過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。由于凹模型腔結(jié)構(gòu)比較簡單，動(dòng)模部位設(shè)計(jì)直徑Φ10 mm的橫向平行冷卻水道12根，縱向設(shè)置4根冷卻水道；定模部位由于有斜頂、方頂、推管等推出機(jī)構(gòu)零件，在模腔內(nèi)側(cè)設(shè)置7根直徑Φ8 mm的縱向及橫向平行冷卻水道；為了加強(qiáng)澆口斜滑塊部分的冷卻，也特別在澆口斜滑塊內(nèi)開設(shè)了一根直徑Φ8 mm冷卻水道。在熱噴嘴部分，也設(shè)有一組冷卻水道。具體冷卻水道設(shè)計(jì)如圖12所示。由于模具上斜頂、方頂、推管等零件較多，在設(shè)計(jì)冷卻水道時(shí)注意避開。

圖12 冷卻水道Fig.12 Cooling systems

3 模具整體結(jié)構(gòu)及工作過程

模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖13所示。由于塑件從內(nèi)部進(jìn)膠，模具采用動(dòng)定模倒裝結(jié)構(gòu)，澆注系統(tǒng)與推出機(jī)構(gòu)同側(cè)，推出機(jī)構(gòu)利用液壓油缸推出塑件。因?yàn)椴捎肐MR工藝，模具設(shè)計(jì)有相應(yīng)的壓膜框及壓膜框頂出與復(fù)位機(jī)構(gòu)，因此在動(dòng)模一側(cè)增加有壓膜框頂板、 壓膜框復(fù)位彈簧、導(dǎo)向桿等零件。

模具的工作原理為：模具閉合后，薄膜由凹模型腔鑲件32、密封圈、壓膜框21固定密封，真空泵通過吸氣通道、全周吸氣槽等將薄膜吸附在凹模型腔內(nèi)，熔融塑料通過熱流道分流板5直接從熱噴嘴8中進(jìn)入扇形澆口后注入模具型腔，待保壓冷卻后，注射機(jī)開模帶動(dòng)動(dòng)模部分向后移動(dòng)打開分型面，熱噴嘴8與澆口凝料脫離，薄膜與塑件脫離，油墨轉(zhuǎn)印在塑件表面，塑件留在凸模型芯鑲件31上。隨著動(dòng)定模分型，注塑機(jī)頂桿推動(dòng)壓膜框頂出板36、壓膜框?qū)驐U17、壓膜框21向前移動(dòng)，此時(shí)薄膜通過傳送機(jī)構(gòu)進(jìn)行移動(dòng)，把新膜移動(dòng)到凹模型腔位置；注塑機(jī)頂桿回位，壓膜框?qū)驐U17上的復(fù)位彈簧18帶動(dòng)壓膜框21、壓膜框頂出板36復(fù)位，薄膜被壓緊。在薄膜移動(dòng)定位的同時(shí)，斜滑塊液壓油缸11帶動(dòng)滑塊座14、斜滑塊型芯15側(cè)向移動(dòng)分型；然后推出液壓油缸24帶動(dòng)推板6及推桿固定板7向前運(yùn)動(dòng)。在推出的過程中，斜頂30在推出塑件的同時(shí)進(jìn)行側(cè)向抽芯，推管22及方形推桿23也一起向前運(yùn)動(dòng)推出塑件及澆口凝料。產(chǎn)品脫模后，在推出液壓油缸24的驅(qū)動(dòng)下推出機(jī)構(gòu)復(fù)位；側(cè)滑塊在液壓油缸11的作用下復(fù)位。隨后，注塑機(jī)帶動(dòng)動(dòng)模部分合模，待動(dòng)定模完全閉合鎖模后，將會(huì)開始下一次注射過程。

1—隔熱板 2—定位圈 3—定模座板 4—熱流道板 5—熱流道分流板 6—推板 7—推桿固定板 8—熱噴嘴 9—限位塊 10—耐磨塊 11—斜滑塊液壓油缸 12—楔緊塊 13—耐磨塊 14—滑塊座 15—斜滑塊型芯 16—?jiǎng)幽Ｗ?17—壓膜框?qū)驐U 18—復(fù)位彈簧 19—壓膜框?qū)驐U導(dǎo)套 20—直身鎖 21—壓膜框 22—推管 23—方形推桿 24—推出液壓油缸 25—澆口套 26—熱流道導(dǎo)柱 27—墊塊 28—斜頂推桿 29—熱流道導(dǎo)套 30—斜頂 31—凸模型芯鑲件 32—凹模型腔鑲件 33—墊塊 34—壓膜框頂出板導(dǎo)柱 35—壓膜框頂出板導(dǎo)套 36—壓膜框頂出板 37—支承柱 38—?jiǎng)幽０?39—鎖緊塊 40—定模板 41—推板導(dǎo)柱 42—推板導(dǎo)套 43—支承柱 44—墊板 圖13 模具結(jié)構(gòu)圖Fig.13 Structure of the mould

4 結(jié)論

(1)采用IMR成型工藝的注塑模需要設(shè)計(jì)一套薄膜定位與吸附裝置，以保證印有圖案的薄膜準(zhǔn)確吸附于凹模型腔內(nèi)側(cè)；

(2)采用扇形澆口側(cè)面進(jìn)膠能有效保證平板塑件的成型質(zhì)量，采用熱流道澆注系統(tǒng)能夠減小塑料熔體壓力、溫度損失，提高了塑件成型質(zhì)量；

(3)采用斜頂可以成型塑件內(nèi)側(cè)大量小抽芯距的倒扣成型，斜頂在側(cè)向成型的同時(shí)可以用于塑件的推出；

(4)該IMR注塑模具的設(shè)計(jì)可以對采用模內(nèi)貼膜工藝的注塑模具設(shè)計(jì)有一定借鑒作用。