陽(yáng)夏冰，楊素華

(武漢城市職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430064)

0 前言

機(jī)器人控制器支架是某機(jī)器人構(gòu)成組件中的一個(gè)重要組成零件，其構(gòu)件需要有一定的成型精度及抗震穩(wěn)定性強(qiáng)度，因而塑件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要好，且變形?。挥制渖闲璩休d較多的其他結(jié)構(gòu)控制元件，因而需要設(shè)計(jì)較多的功能性特征。塑件上，因功能需要而配套設(shè)置的塑件結(jié)構(gòu)或塑件特征，在塑件采用注塑方式成型時(shí)，很難對(duì)塑件進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更改，因而，一個(gè)塑件的更改，特別是結(jié)構(gòu)承載件，都將關(guān)聯(lián)到其他塑件的結(jié)構(gòu)更改，在許多情況下，這種情況是不允許發(fā)生的[1-4]。因此，塑件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)只能通過(guò)塑件的成型模具創(chuàng)新設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行解決。復(fù)雜塑件的成型模具設(shè)計(jì)，難點(diǎn)主要體現(xiàn)在塑件的澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[5-8]以及復(fù)雜成型件的成型采用數(shù)控加工來(lái)得到妥善解決[9-12]。擬結(jié)合某機(jī)器人控制器支架塑件的成型對(duì)此作出說(shuō)明，以資參考。

1 塑件結(jié)構(gòu)分析

圖1為某機(jī)器人控制器支架塑件三維結(jié)構(gòu)圖，塑件材質(zhì)為丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)+聚碳酸酯(PC)改性塑料，塑件形狀為矩形框體+支角型結(jié)構(gòu)體；塑件的內(nèi)壁、外壁上設(shè)計(jì)有不同的結(jié)構(gòu)件安裝特征和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增強(qiáng)特征。內(nèi)壁上，左、右內(nèi)壁分別設(shè)計(jì)有內(nèi)壁筋和卡扣，外壁上，為防止塑件注塑后變形及增強(qiáng)塑件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在左、右外壁上，設(shè)計(jì)了密度較大的側(cè)筋槽；同樣，前端個(gè)支撐角與塑件框體的連接也采用多置式側(cè)方槽來(lái)增強(qiáng)支角與主體框的連接強(qiáng)度。塑件的后端則設(shè)置有較多陣列式側(cè)孔，內(nèi)部側(cè)壁上還搭接了2個(gè)左右螺柱。從塑件的結(jié)構(gòu)特征組成情況看，這些結(jié)構(gòu)特征將直接影響塑件的充填效果和脫模，主要表現(xiàn)為筋位、槽位等特征因?yàn)槠浔诤褫^薄，且交叉多，熔融塑料前鋒比較容易在這些地方冷卻而難以進(jìn)澆，造成塑件缺料等缺陷，脫模困難主要表現(xiàn)為內(nèi)壁上的內(nèi)壁筋及外壁的側(cè)筋槽、側(cè)孔、側(cè)方槽、側(cè)螺柱等都需要設(shè)計(jì)特殊的側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)施脫模，且側(cè)抽芯區(qū)域面積大，抱緊力大，對(duì)成型機(jī)構(gòu)的要求嚴(yán)。

(a)后視軸測(cè)視圖 (b)前視軸測(cè)視圖圖1 塑件結(jié)構(gòu)Fig.1 Shape of the plastic part

如圖2所示，塑件的外形尺寸為259 mm×260 mm×192 mm，為中等大小的塑件。塑件上，前端側(cè)方槽深度為3 mm左右，后端側(cè)孔深度與壁厚深度等同，為1.8 mm；螺柱外徑為Φ8 mm，深度為12 mm，外壁的側(cè)筋槽倒扣深度為3 mm，內(nèi)壁上內(nèi)壁筋的深度為2 mm，卡扣抽芯距為5 mm，2個(gè)左右螺柱的直徑為Φ7 mm。

(a)K向視圖 (b)前剖視圖 (c)右剖視圖 (d)主視圖圖2 塑件特征尺寸Fig.2 Characteristic dimensions of plastic parts

2 模具設(shè)計(jì)難點(diǎn)

綜合塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模具設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)難點(diǎn)：塑件在模具中布局，應(yīng)緊固外壁、內(nèi)壁的脫模要求；澆注系統(tǒng)的開(kāi)設(shè)應(yīng)能保證外壁上較多加強(qiáng)筋的地方壁薄區(qū)域能得到有效充填；分型面的選用保證塑件能合理脫模的前提下，方便加工；因塑件側(cè)壁多加強(qiáng)筋的緣故，模腔的排氣措施應(yīng)合理布置；所有成型件應(yīng)便于加工；4個(gè)側(cè)壁及內(nèi)壁的脫模機(jī)構(gòu)應(yīng)能準(zhǔn)確可靠地脫出制件，脫模機(jī)構(gòu)應(yīng)有足夠的剛度和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便；相對(duì)而言，塑件的外形尺寸影響了塑件模具的結(jié)構(gòu)尺寸，模具結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大，模具注塑前，模具需要預(yù)加熱到一定的溫度，同時(shí)，模具生產(chǎn)一定時(shí)間后，模具溫度不能太高，因而，須設(shè)計(jì)合理的加熱和冷卻系統(tǒng)。

結(jié)合工廠現(xiàn)有設(shè)備及加工條件，針對(duì)塑膠件的上述問(wèn)題，模具設(shè)計(jì)時(shí)，采用如下措施：模腔布局采用1模1腔，以保證4個(gè)外側(cè)壁能采用獨(dú)立的側(cè)面機(jī)構(gòu)進(jìn)行側(cè)抽芯；澆注系統(tǒng)采用UG中計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)分析后，確定為2個(gè)側(cè)邊加大型扇形澆口進(jìn)行澆注，流道則采用熱流道嘴+短程冷流道方式，以保證熔融塑料在模腔內(nèi)有足夠的流動(dòng)性；因而4個(gè)側(cè)面及內(nèi)壁的側(cè)抽芯面積大，但抽芯距離較短，針對(duì)其脫模困難問(wèn)題，可以采用集中式大面積短距離側(cè)面大滑塊和側(cè)面大斜頂來(lái)實(shí)施側(cè)面抽芯脫模；在主分型面上開(kāi)設(shè)排氣槽，并充分利用四面滑塊及內(nèi)壁成型鑲件的鑲件間隙來(lái)增強(qiáng)排氣；各大型成型件都開(kāi)設(shè)加熱/冷卻管道以保證較好地控制模溫。

3 分型設(shè)計(jì)

結(jié)合上述，綜合運(yùn)用UG10.0軟件的CAD/計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)的集成設(shè)計(jì)功能，進(jìn)行塑件的分型設(shè)計(jì)及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，塑件成型模腔的分型面設(shè)計(jì)及成型件設(shè)計(jì)如圖3所示。塑件在模腔中的布置如圖3(a)所示，采用單腔布局形式，分型面采用塑件的底端最大外沿輪廓作為主分型線，對(duì)前、左、右3條輪廓線做水平向的延拓后，獲得如圖3(b)、3(c)所示的碰穿型分型面，而對(duì)后輪廓線則采用沿開(kāi)模方向的延拓后，獲得如圖3(c)所示的插穿型后分型面。內(nèi)孔分型面則依塑件口部底端的邊沿線進(jìn)行補(bǔ)破空，獲得如圖3(b)中所示的內(nèi)孔破空面，并在其尾端從中分割一區(qū)域，做成插穿孔區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)塑件尾端內(nèi)壁在模腔型腔一側(cè)成型。如圖3(b)、3(c)所示，塑件四周的分型面盡量做到以平面作為分型面，以降低成型件的加工難度，便于模腔裝配時(shí)分型面的修配。對(duì)于內(nèi)、外壁上側(cè)邊插穿孔，其成型件盡量設(shè)置于塑件外壁的成型件上，以避免成型件設(shè)置于塑件內(nèi)壁一側(cè)而帶來(lái)額外的加工難度。模腔的澆注系統(tǒng)基本構(gòu)造如圖3(a)所示，流道設(shè)置于內(nèi)孔破空面上，即型芯鑲件上，澆口及流道都設(shè)置于型腔鑲件上，澆口采用扇形澆口，共2個(gè)，分置于塑件內(nèi)框壁上，流道前段采用熱流道嘴直接進(jìn)行澆注，以縮短流道，保證熔融塑料在模腔內(nèi)的充分流動(dòng)，以減少熔融塑料前鋒在塑件的加強(qiáng)筋等薄壁特征處出現(xiàn)過(guò)早冷凝而導(dǎo)致塑件充填不充分。

(a)分型設(shè)計(jì) (b)分型面前視圖 (c)分型面后視圖圖3 分型面設(shè)計(jì)Fig.3 Design of parting surface

塑件外壁的成型件采用4個(gè)整體式滑塊，如圖4(a)所示，采用4個(gè)整體式側(cè)面滑塊來(lái)分別成型塑件的4個(gè)外壁，基于以下考慮：4個(gè)外壁的特征所需的側(cè)抽芯行程短，對(duì)驅(qū)動(dòng)4個(gè)滑塊側(cè)抽芯的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)行程要求不高，占用的模架空間不多；有利于保證4個(gè)側(cè)面成型件的整體強(qiáng)度及4個(gè)滑塊可在其背面開(kāi)設(shè)大面積鎖緊面，保證注塑時(shí)，在注塑壓力下，側(cè)面滑塊不松動(dòng)；大的成型塊便于開(kāi)設(shè)成型件溫度控制流體管道；采用整體式側(cè)面滑塊便于成型件的加工。4個(gè)滑塊的采用斜面碰合方式進(jìn)行配合，其配合間隙為δ≤0.02 mm，同時(shí)，4個(gè)側(cè)面滑塊成型面方便開(kāi)設(shè)排氣槽。4個(gè)側(cè)面滑塊的頭部在分型面處與主型芯鑲件的配合采用一定的斜度插入方式配合，斜度為3 °，以使4個(gè)滑塊從側(cè)面復(fù)位時(shí)呈錐體插入方式，以保證4個(gè)滑塊復(fù)位的定位準(zhǔn)確性。

塑件的內(nèi)壁則采用1個(gè)中型主型芯鑲件及2個(gè)左、右斜頂塊構(gòu)成，左、右斜頂同樣采用整體式，一是增強(qiáng)強(qiáng)度，一是便于在成型件內(nèi)開(kāi)設(shè)溫度控制管道，便于模具整體溫度的均勻控制。2個(gè)斜頂塊分別各采用2根斜頂桿頂出，溫度控制媒質(zhì)也分別從2根頂桿內(nèi)所開(kāi)設(shè)的管道中接入接出。模腔的上、下主成型件采用整體式鑲件方式，以有利于降低模具成本、減小加工難度，如圖4(b)所示。

(a)外壁側(cè)抽芯成型滑塊 (b)內(nèi)壁斜頂及型芯鑲件圖4 成型件設(shè)計(jì)Fig.4 Design of molded parts

4 模具結(jié)構(gòu)分析

4.1 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。模具采用1模1腔布局。模架采用龍記LKM兩板模非標(biāo)模架，模架在兩板模標(biāo)準(zhǔn)模架的基礎(chǔ)上對(duì)頂出板機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在頂出板機(jī)構(gòu)上增設(shè)了二次頂出機(jī)構(gòu)。模架兩板模的主要構(gòu)件包括件30～件34、件47～件50；二次頂出機(jī)構(gòu)的構(gòu)件主要包括件6～件19，頂針面板14、頂針推板15通過(guò)螺釘緊固在一起構(gòu)成模具的第一次頂出板，其上承載安裝有左斜頂桿座37、右斜頂桿座40、推管20；下層頂出板16則單獨(dú)構(gòu)成一塊頂出板，其上安裝有頂出元件頂針17，油缸8的缸體安裝于下層頂出板16上，其中心桿的頂出一端則安裝于模具的底板34上，油缸8通過(guò)其中心桿頂出從而通過(guò)其本身缸體來(lái)驅(qū)動(dòng)下層頂出板16向上頂出，從而通過(guò)隔離滑塊11頂住耐磨硬塊7而推動(dòng)頂針面板14、頂針推板15一起向上頂出，頂針面板14、頂針推板15從而能驅(qū)動(dòng)左斜頂桿座37、右斜頂桿座40、推管20向上頂出。當(dāng)然，耐磨硬塊7通過(guò)螺釘緊固安裝于頂針推板15的底部。頂出過(guò)程中，安裝于動(dòng)模板32下方的彎銷6能壓迫隔離滑塊11的斜面，從而能迫使其克服彈簧10的彈性阻力而向外滑出，從而在頂出一定距離后，頂針面板14、頂針推板15、下層頂出板16能合并到一起，下層頂出板16推動(dòng)頂針17將塑件從型芯主鑲件3上完全頂出，頂出時(shí)，先由油缸8推動(dòng)下層頂出板16及其上的頂針17、頂針推板15及其上的左斜頂桿座37、右斜頂桿座40、推管20同步頂出，頂出到一定距離后，頂針推板15不能繼續(xù)上行，而由下層頂出板16推動(dòng)頂針17將塑件從型芯主鑲件3上完全頂出。 彈簧擋塊9作為隔離彈簧10的支撐力擋塊，隔離滑塊限位塊13為隔離滑塊11的行程限位擋塊，隔離滑塊11在滑塊槽12內(nèi)滑動(dòng)；彈簧擋塊9、隔離滑塊限位塊13、滑塊槽12通過(guò)螺釘緊固安裝于下層頂出板16上；頂出限位塊18用于防止頂針面板14撞擊動(dòng)模板32的底部， 垃圾釘19用于防止下層頂出板16回退時(shí)撞擊模具底板34而發(fā)生變形；復(fù)位桿彈簧47、復(fù)位桿48用于頂出板的復(fù)位；頂出板導(dǎo)柱49用于3塊頂出板的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向；頂針推板復(fù)位行程開(kāi)關(guān)50用于頂針推板15的復(fù)位信息發(fā)出，機(jī)構(gòu)的控制部分如圖6(a)所示。

1—熱流道嘴 2—型腔鑲件 3—型芯主鑲件 4—后滑塊 5—后滑塊導(dǎo)柱 6—彎銷 7—耐磨硬塊 8—油缸 9—彈簧擋塊 10—彈簧11—隔離滑塊 12—隔離滑塊槽 13—隔離滑塊限位塊 14—頂針面板 15—頂針推板 16—下層頂出板 17—頂針 18—頂出限位塊19—垃圾釘 20—推管 21—前滑塊導(dǎo)柱 22—前滑塊 23—左滑塊 24—左滑塊導(dǎo)柱壓緊塊 25—左滑塊導(dǎo)柱 26—右滑塊27—右滑塊導(dǎo)柱壓緊塊 28—右滑塊導(dǎo)柱 29—滑塊壓條 30—面板 31—定模板 32—?jiǎng)幽０?33—模腳 34—底板 35—左斜頂塊36—左斜頂頂桿 37—左斜頂桿座 38—右斜頂塊 39—右斜頂桿 40—右斜頂桿座 41—平衡塊 42—導(dǎo)套壓塊 43—導(dǎo)套 44—導(dǎo)柱45—快速接頭 46—鎖模片 47—復(fù)位桿彈簧 48—復(fù)位桿 49—頂出板導(dǎo)柱 50—頂針推板復(fù)位行程開(kāi)關(guān) P/L—分型面 E/L—頂出分型面(a)前剖視圖A—A (b)第一右側(cè)剖視圖B—B (c)第二右側(cè)剖視圖C—C (d)動(dòng)模俯視圖 (e)定模仰視圖 (f)模具軸測(cè)視圖圖5 模具結(jié)構(gòu)Fig.5 Mold structure

澆注系統(tǒng)采用熱流道嘴+冷流道扇形澆口形式進(jìn)行澆注。冷卻/加熱系統(tǒng)中，采用Φ8管道，冷卻水采用常溫水進(jìn)行冷卻，模具加熱時(shí)，往冷卻管道中注入80 ℃熱水進(jìn)行加熱，模溫控制在(65±3) ℃；管道設(shè)置時(shí)，型腔鑲件2、型芯主鑲件3、后滑塊4、前滑塊22、左滑塊23、右滑塊26、左斜頂塊35、右斜頂塊38都設(shè)置有獨(dú)立的水路。

側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)包括外壁側(cè)抽芯的4個(gè)滑塊和內(nèi)壁側(cè)抽芯的2個(gè)斜頂塊；針對(duì)外壁4個(gè)滑塊機(jī)構(gòu)，都采用斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)型滑塊機(jī)構(gòu)，為保證4個(gè)滑塊機(jī)構(gòu)的滑塊的滑動(dòng)都采用滑塊壓條進(jìn)行導(dǎo)向的方式，為保證驅(qū)動(dòng)力足夠驅(qū)動(dòng)平衡，每個(gè)滑塊都采用雙斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如圖6(b)所示。同樣，為保證內(nèi)壁的2個(gè)對(duì)稱型斜頂塊的平衡頂出，每個(gè)斜頂塊都采用雙斜頂桿進(jìn)行頂出。型腔鑲件2選用SUJ2，高頻淬火至HRC58-60； 型芯主鑲件3選用2344，熱處理硬度處理至HRC52-54；后滑塊4、前滑塊22、左滑塊23、右滑塊26、左斜頂塊35、右斜頂塊38選用8407，熱處理硬度至HRC50-52。頂針17、推管20選用T8A工具鋼。

頂出機(jī)構(gòu)中，針對(duì)塑件的頂出脫模分2次進(jìn)行頂出，第1次通過(guò)頂針17、左斜頂桿座37、右斜頂桿座40、推管20同步頂出，第二次頂針17單獨(dú)頂出，通過(guò)2次頂出來(lái)實(shí)現(xiàn)塑件的完全脫模。

模具的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由4副導(dǎo)柱導(dǎo)套來(lái)執(zhí)行，單副導(dǎo)柱導(dǎo)套中，其構(gòu)件主要包括導(dǎo)套壓塊42、導(dǎo)套43、導(dǎo)柱44，采用正裝裝配方式；為防止模具打開(kāi)時(shí)，導(dǎo)柱44將導(dǎo)套43拔出，而對(duì)導(dǎo)套43采用導(dǎo)套壓塊42壓緊安裝方式進(jìn)行安裝。

(a)二次頂出控制機(jī)構(gòu) (b)滑塊側(cè)面抽芯機(jī)構(gòu)圖6 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.6 Mechanisms design

4.2 模具工作原理

(1)閉模注塑。模具閉合，注塑機(jī)通過(guò)熱流道嘴1向模腔內(nèi)進(jìn)行注塑，注塑經(jīng)保壓、冷卻后，等待開(kāi)模；

(2)模具打開(kāi)。模具開(kāi)模時(shí)，注塑機(jī)動(dòng)模帶動(dòng)模具動(dòng)模后退，模具在P/L分型面處打開(kāi)，打開(kāi)時(shí)，塑件從模具型腔中脫出，即塑件留于動(dòng)模一側(cè)，與型腔鑲件2脫離；同步地，4個(gè)側(cè)面滑塊的斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)4個(gè)滑塊側(cè)面完成塑件的4個(gè)側(cè)面脫模；

(3)頂出。頂出時(shí)，無(wú)須注塑機(jī)頂桿推動(dòng)，油缸8推動(dòng)兩次頂出板完成塑件的完全頂出；

(4)復(fù)位。復(fù)位時(shí)，頂出機(jī)構(gòu)先復(fù)位，而后是模具注塑機(jī)動(dòng)模板的推動(dòng)下，復(fù)位閉合，等待下一注塑循環(huán)。

5 主要成型件加工

模具加工制造時(shí)，模具零部件的加工包括普通機(jī)加工、數(shù)控銑加工和電加工。模具主要零件中，定模板31、動(dòng)模板32需要普通機(jī)加工和數(shù)控加工，而頂出板等零件采用普通機(jī)加工即可，而對(duì)于成型零件中，型腔鑲件2需要采用普通機(jī)加工打孔、數(shù)控加工、手工拋光即可實(shí)現(xiàn)后工件的成型；滑塊4、前滑塊22、左滑塊23、右滑塊26、左斜頂塊35、右斜頂塊38需要采用普通機(jī)加工打孔、數(shù)控加工、電火花成型、手工拋光等工藝進(jìn)行成型加工。

6 結(jié)論

(1)針對(duì)機(jī)器人控制器支架塑件成型的需要，結(jié)合UG軟件的CAD功能，在充分分析塑件的成型方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了其1模1腔熱流道+冷流道復(fù)合澆注系統(tǒng)兩板結(jié)構(gòu)注塑模具；

(2)模具結(jié)構(gòu)中，針對(duì)塑件內(nèi)外壁難脫模的問(wèn)題，對(duì)于4個(gè)外壁面的成型，采用整體式雙導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行短距離抽芯脫模，對(duì)于內(nèi)壁的倒扣則采用整體式雙頂桿斜頂塊來(lái)抽芯脫模，對(duì)于螺絲柱則采用推管推出脫模，塑件的完全脫模采用頂針頂出脫模，因此，為配合塑件的脫模需要，模具的整體結(jié)構(gòu)形式為1次開(kāi)模、2次頂出的結(jié)構(gòu)形式；

(3)為滿足2次頂出的需要，特別設(shè)計(jì)了一種頂出板2次頂出控制機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)利用滑塊的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)2次頂出板的開(kāi)閉，具有較好的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新性；運(yùn)用UG軟件的CAD集成功能，減少了模具設(shè)計(jì)中中間數(shù)據(jù)的傳遞環(huán)節(jié)所帶來(lái)的誤差，有利于提高模具生產(chǎn)零部件的加工精度，能有效降低模具生產(chǎn)成本和縮短模具制造周期。