徐超輝，王 濤

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222)

0 前言

雙色注塑模具是塑料注塑模具中的一種，其特點(diǎn)是在一次注射工作循環(huán)中，完成兩種不同材料的注射成型，但產(chǎn)品只頂出一次，且需要在專(zhuān)用的雙色注塑機(jī)上使用。所選用的兩種材料通常具有不同的熔點(diǎn)和硬度，在首次注射時(shí)完成熔點(diǎn)較高的硬膠類(lèi)材質(zhì)成型，二次注射成型熔點(diǎn)較低的軟膠類(lèi)材料，以確保成型后產(chǎn)品性能穩(wěn)定。此類(lèi)模具常用于家用電器、手柄式電動(dòng)工具、汽車(chē)內(nèi)外飾件及醫(yī)療器械類(lèi)產(chǎn)品的成型加工[1]，雙色注塑模具比單色或簡(jiǎn)單注塑模效率更高，但其設(shè)計(jì)和制造要求較高，造價(jià)昂貴。

劉慶東在設(shè)計(jì)雙色注塑模具中采用頂針板抽芯機(jī)構(gòu)，避免使用開(kāi)模動(dòng)力抽芯的問(wèn)題[2]。洪建明等選用油缸驅(qū)動(dòng)的滑塊內(nèi)外側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，同樣不利用開(kāi)模動(dòng)力抽芯以確保模具復(fù)位前滑塊的準(zhǔn)確位置[3]。陸建軍等運(yùn)用彈塊式定模抽芯機(jī)構(gòu)，開(kāi)模后滑塊與鏟機(jī)分離[4]。周建安等設(shè)計(jì)兩套獨(dú)立的頂出機(jī)構(gòu)分別頂出一次注射的澆注系統(tǒng)和二次頂出的產(chǎn)品及澆注系統(tǒng)[5]。李桂金等則設(shè)計(jì)了壓縮彈簧和T形扣分型的哈夫滑塊結(jié)構(gòu)[6]。結(jié)合現(xiàn)有雙色注塑模具的特點(diǎn)，本文以某汽車(chē)閥體零件為例，介紹了一種特殊的雙色模具結(jié)構(gòu)。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

本產(chǎn)品為某汽車(chē)閥體零件，主要使用在汽車(chē)渦輪增壓器上，兩件產(chǎn)品的外形尺寸分別為：162.6 mm×116.8 mm×61.4 mm和128.3 mm×108.9 mm×59.9 mm。產(chǎn)品要求具有一定的剛性和耐熱性，并且要求與金屬材料有較好的密閉性，因此本產(chǎn)品選用了PP/40 % PS和TPO。其中PP/40 % PS作為產(chǎn)品主體部分，具有良好的剛性，高溫抗應(yīng)力松弛性能良好，耐熱性能較好，可在100 ℃以上使用，如無(wú)外力150 ℃也不變形。TPO作為產(chǎn)品周邊的密封材料，是一種高性能彈性材料，性能類(lèi)似橡膠，為橡膠的換代產(chǎn)品而應(yīng)用于轎車(chē)、電纜、輕紡、建筑、家電等領(lǐng)域，具有密度低，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)品如圖1所示。

(a)PP/40 % PS (b)TPO圖1 雙色塑料分布Fig.1 Distribution of the bicolor plastics

產(chǎn)品整體呈現(xiàn)圓弧狀，兩側(cè)都有孔結(jié)構(gòu)，與主分型面開(kāi)模方向垂直，需要利用側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)完成產(chǎn)品的特征成型。產(chǎn)品PP/40 % PS一側(cè)的側(cè)抽芯部分有一個(gè)矩形小孔需要在側(cè)向分型前完成型芯脫模，以免側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)該特征造成損傷。產(chǎn)品四周密封材料成型位置有凹槽，產(chǎn)品細(xì)節(jié)特征如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品細(xì)節(jié)特征Fig.2 Product detail characteristics

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模具澆口位置及澆口形式直接決定了模具的類(lèi)型，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮多方面影響因素[7]，如澆口凝料的脫模、二次注射澆口痕跡的去除，兩次澆注材料融合等問(wèn)題。雙色模具的澆注系統(tǒng)是兩套獨(dú)立的系統(tǒng)，首次注射成型后澆口凝料必須與半成品材料分離，以便進(jìn)行二次注射，同時(shí)二次成型時(shí)又要考慮成品的外觀質(zhì)量，因此雙色模具的澆口形式多選擇點(diǎn)澆口或潛伏式澆口。

本產(chǎn)品外形規(guī)則，左右結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱(chēng)，兩次澆注時(shí)澆口位置設(shè)計(jì)在產(chǎn)品頂部中心區(qū)域的相同坐標(biāo)點(diǎn)，均為熱流道點(diǎn)澆口形式。注射成型后產(chǎn)品可與澆口熔融材料自動(dòng)分離，不會(huì)在產(chǎn)品表面留下明顯痕跡，滿足外觀要求，如圖3所示。噴嘴排布采用平行排列方式，中心距離160 mm，選用住友德馬格SE230HS-CI全電動(dòng)雙色注塑機(jī)進(jìn)行注射成型。

圖3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.3 Design of injection system

2.2 成型零件設(shè)計(jì)

雙色模具成型零件設(shè)計(jì)應(yīng)參照模具結(jié)構(gòu)的選擇，本套模具采用整體式兩板模結(jié)構(gòu)，成型零件被設(shè)計(jì)在一套模具中。模具動(dòng)模部分需要在每次注射結(jié)束后旋轉(zhuǎn)180 °交換工位，故兩次注射的動(dòng)模型芯部分完全相同，模具的導(dǎo)向部分對(duì)稱(chēng)分中設(shè)計(jì)，以保證模具運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確和平穩(wěn)。

雙色模具定模型腔設(shè)計(jì)是注射成型的關(guān)鍵，除兩次成型型面不同外，還應(yīng)考慮首次成型后的材料收縮導(dǎo)致半成品尺寸變化對(duì)二次成型的影響。為滿足模具開(kāi)合過(guò)程中不劃傷、不破壞產(chǎn)品的要求，二次成型的部分非成型型面應(yīng)略大于首次成型型面尺寸，即產(chǎn)品與二次成型型面有一定的間隙，不對(duì)首次成型的外形產(chǎn)生影響，同時(shí)還要確保二次注射成型時(shí)不產(chǎn)生漏膠現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 兩次成型定模型腔對(duì)比Fig.4 Comparison of the two molding cavities

本產(chǎn)品二次成型部分為環(huán)形密封圈，產(chǎn)品細(xì)節(jié)特征如圖2中A視圖所示，定模型面由型腔及左右抽芯滑塊組成。該部分在模具型腔內(nèi)的擺放角度需考慮開(kāi)模方向，使產(chǎn)品在脫模過(guò)程中不發(fā)生干涉，如圖5所示。本次設(shè)計(jì)二次成型材料選用了軟膠材料，可以在一定程度上緩解脫模時(shí)模具本體對(duì)產(chǎn)品的影響。

圖5 二次成型示意圖Fig.5 The second forming diagram

成型零件選用NIMAX模具鋼，此材料是一種常用低碳塑膠模具鋼，機(jī)械加工性能和拋光性能良好，且具有高硬度、高韌性等特點(diǎn)，結(jié)合合理的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使模具性能更加穩(wěn)定，并延長(zhǎng)使用壽命。

2.3 側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙色模具側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常一次注射成型側(cè)抽芯不發(fā)生移動(dòng)，在二次成型后再側(cè)向分型，旨在滿足二次成型時(shí)封膠的要求，同時(shí)防止滑塊合模時(shí)破壞產(chǎn)品，因此一般不選用開(kāi)模力驅(qū)動(dòng)的側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，即不采用斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)。本產(chǎn)品雙色模具設(shè)計(jì)了一種特殊的彈簧力側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)整體由側(cè)滑塊、限位柱、導(dǎo)向塊、導(dǎo)滑槽等基本組件構(gòu)成，各組件均安裝在定模部分。在限位柱上裝有壓縮彈簧，在雙色模具開(kāi)閉過(guò)程中始終保持壓縮狀態(tài)，如圖6所示。

1—導(dǎo)向塊 2—限位柱 3—一號(hào)模仁滑塊 4—壓縮彈簧 5—二號(hào)模仁滑塊 6—導(dǎo)滑槽 7—側(cè)抽芯鑲件圖6 側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)Fig.6 Side core-pulling structure

雙色模具開(kāi)模時(shí)，滑塊3和滑塊5在壓縮彈簧的彈力作用下沿著導(dǎo)向塊滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)側(cè)向分型并脫出產(chǎn)品。限位柱2底部設(shè)有墊圈可實(shí)現(xiàn)滑塊的運(yùn)動(dòng)限位。模具開(kāi)模后，滑塊壓緊在限位柱底部的墊圈處，并停留在定模部分。限位柱本體不與滑塊斜孔接觸，不提供側(cè)向分型所需抽芯力。本產(chǎn)品側(cè)孔長(zhǎng)度約為41 mm，為了保證抽芯距離，導(dǎo)向塊角度選用25 °，設(shè)計(jì)的有效長(zhǎng)度大于102 mm?？紤]材料收縮的影響，兩次成型的側(cè)抽芯型面也有所區(qū)別，在二次成型處，不設(shè)置型芯鑲件，以免和合模時(shí)破壞產(chǎn)品。

2.4 特殊結(jié)構(gòu)及其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品中矩形小孔如圖2視圖B所示，孔的結(jié)構(gòu)和位置較為特殊，需要在定模部分設(shè)計(jì)相應(yīng)的抽芯機(jī)構(gòu)，本套模具獨(dú)立的斜楔機(jī)構(gòu)并由液壓缸驅(qū)動(dòng)控制。在產(chǎn)品注射成型后，活動(dòng)擋塊由液壓缸拖動(dòng)向外側(cè)移動(dòng)，壓縮彈簧彈性回復(fù)使成型型芯部分退出矩形小孔區(qū)域。在小孔抽芯完成后，雙色模具整體再進(jìn)行開(kāi)模動(dòng)作。該斜楔機(jī)構(gòu)還設(shè)有限位零件確保型芯的工作位置準(zhǔn)確，如圖7所示。

圖7 斜楔機(jī)構(gòu)Fig.7 Wedge mechanism

本套雙色模具型芯型腔的型面起伏較大，冷卻水道設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮冷卻的均勻性，因此在模仁較厚的位置設(shè)計(jì)豎直冷卻孔并安裝隔板，使得冷卻循環(huán)水在此處折返流動(dòng)充滿型芯型腔本體，達(dá)到良好的冷卻效果[8]。冷卻系統(tǒng)還包括各模板中的冷卻水道，例如在定模座板即熱流道安裝模板中也設(shè)計(jì)相應(yīng)的冷卻水道，以保證模具正常工作時(shí)候的溫度穩(wěn)定。

3 模具工作過(guò)程

雙色模具首次合模后，熔融塑料PP+PS40通過(guò)熱流道澆口注入1號(hào)的模仁中，完成硬質(zhì)材料的一次注射，此時(shí)產(chǎn)品的主體部分成型，在2號(hào)模仁中軟質(zhì)材料TPO不進(jìn)行注射。斜楔機(jī)構(gòu)由獨(dú)立的液壓缸驅(qū)動(dòng)先脫離小孔成型區(qū)域，模具主分型面再完成開(kāi)模。產(chǎn)品由包緊力作用停留在動(dòng)模一側(cè)，彈簧力推動(dòng)滑塊沿導(dǎo)向塊運(yùn)動(dòng)完成側(cè)抽芯過(guò)程，當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，限位柱仍然停留在滑塊中不發(fā)生分離，頂出機(jī)構(gòu)不運(yùn)動(dòng)，開(kāi)模運(yùn)動(dòng)結(jié)束。

模具動(dòng)模部分旋轉(zhuǎn)180 °后合模并進(jìn)行二次注射，1#模仁中繼續(xù)注入PP/40 % PS材料成型主體部分，為下次注射做好準(zhǔn)備。2#模仁中注入TPO材料成型環(huán)形密封部分，兩部分材料在該模仁中融合成一體。經(jīng)保壓冷卻后模具開(kāi)模，注塑機(jī)在2#模仁位置頂出最終產(chǎn)品，以后各次注射重復(fù)此工作過(guò)程[9]。模具整體三維效果圖如圖8所示。

圖8 雙色模具結(jié)構(gòu)Fig.8 Bicolor mold structure

4 結(jié)論

(1)本產(chǎn)品模具選用熱流道雙色兩板模結(jié)構(gòu)，兩次注射的澆口均采用點(diǎn)澆口形式，產(chǎn)品與澆口熔融材料可直接分離，滿足產(chǎn)品的外觀要求；

(2)模具設(shè)計(jì)了一種特殊的彈簧力側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，將側(cè)滑塊、限位柱、導(dǎo)向塊、導(dǎo)滑槽等設(shè)計(jì)安裝在定模部分。開(kāi)模時(shí)限位柱與滑塊產(chǎn)生相互運(yùn)動(dòng)但不發(fā)生脫離，有效保證了雙色模具在頻繁開(kāi)模旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和位置精度；

(3)模具利用液壓抽芯機(jī)構(gòu)解決產(chǎn)品上特殊位置孔的成型問(wèn)題，使產(chǎn)品特征完整。