溫 瑞，路英華

(浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代模具學(xué)院，浙江 寧波 315012 )

0 前言

大型塑件注塑時(shí)，如遇塑件體積較大、充填性能不好的情況，可以采用多點(diǎn)澆注方案來進(jìn)行澆注。多點(diǎn)澆注方案中，采用點(diǎn)澆口進(jìn)行澆注較為合適，因而，相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)須采用三板或者多板模來進(jìn)行設(shè)計(jì)[1-3]。塑件上對(duì)于懸空類特征，如需要側(cè)向抽芯脫模時(shí)，不能一次性進(jìn)行側(cè)邊抽芯脫模，這樣容易導(dǎo)致該特征產(chǎn)生脫模變形，而使塑件的此處特征脫模后尺寸不符合要求。因而，一般需應(yīng)用二次抽芯機(jī)構(gòu)來進(jìn)行抽芯脫模。塑件上為加強(qiáng)塑件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度往往需要設(shè)置較多的薄片加強(qiáng)筋來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，加強(qiáng)筋的增多，給塑件的脫模帶來較多的困難[4-6]：其一是塑件在型芯鑲件上的包緊力增大，其二是型芯上加強(qiáng)筋的成型位置加工困難，其三是脫模頂出元件的位置及頂出元件的形狀受到限制，其四是加強(qiáng)筋位置的冷卻受到設(shè)置受到限制，冷卻變得困難。因而，大型塑件的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)上述問題進(jìn)行綜合考慮，以優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)失誤，避免多次反復(fù)修模而增加模具的制造成本[7-10]。以下，擬結(jié)合某凈化器骨架塑件的模具設(shè)計(jì)對(duì)此作出實(shí)際案例設(shè)計(jì)，以資參考。

1 塑件

某凈化器骨架塑件形狀如圖1所示，塑件材料為改性丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)，收縮率0.6 %。塑件上結(jié)構(gòu)特征形式較多、形狀復(fù)雜、位向分布不統(tǒng)一、出模方向不一，影響到塑件的模具設(shè)計(jì)時(shí)澆注系統(tǒng)和脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，因而模具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于澆口位置和方式的選擇及脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

(a)塑件正面 (b)塑件背面圖1 塑件結(jié)構(gòu)特征圖Fig.1 Structural diagram of the plastic part

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難的地方在于：(1)塑件體積大，且插孔、側(cè)槽、柱臺(tái)孔、插槽等特征數(shù)量多，料流在這些特征位置流動(dòng)變向多，難以獲得穩(wěn)定的料流方向，難以達(dá)到平衡澆注效果；(2)前后端中間隔著一個(gè)大型破孔，前端、后端的體積不對(duì)等，難以獲得充填平衡效果；(3)由于熔融流動(dòng)塑料在塑件背面加強(qiáng)筋、槽筋特征等筋位多，壁厚薄的地方流動(dòng)容易受阻，特別容易產(chǎn)生充填不足。

難以脫模的主要問題表現(xiàn)為：(1)在塑件背面槽筋較多的地方，壁厚薄且冷卻后包緊力大，頂出元件的位置設(shè)置不好置；(2)側(cè)邊的側(cè)槽及轉(zhuǎn)軸槽特征的脫模方向與主體的脫模方向不一致，且結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，成型件不容易抽出，抽出時(shí)容易帶出轉(zhuǎn)槽特征使其扭彎變形，需要設(shè)置特殊的脫模機(jī)構(gòu)；(3)在塑件的兩個(gè)單側(cè)邊，分別設(shè)置有3處側(cè)邊孔，該側(cè)孔細(xì)小而又深，需要用細(xì)長(zhǎng)型芯來成型和進(jìn)行側(cè)抽芯脫模。

塑件另外一個(gè)難點(diǎn)是塑件成型件的加工，塑件上由于局部特征較多，如臺(tái)柱孔、插孔等特征，相應(yīng)的成型件形狀較為復(fù)雜，特別薄壁特征，采用普通的數(shù)控銑加工難以達(dá)到成型的目的，需要采用電加工或者將成型件分拆成多個(gè)成型件方式來簡(jiǎn)化加工。

1—上模座板 2—上模仁 3—下模仁 4—模仁楔緊塊 5—圓柱定位塊 6—鎖模片 7—水堵 8—密封圈 9—快速接頭 10—頂針11—頂桿套 12—微動(dòng)開關(guān) 13—定位圈 14—拉料桿 15—澆口法蘭 16—彎銷 17—滑塊頭 18—滑塊體 19—限位螺釘20—滑塊壓條 21—斜導(dǎo)柱 22—斜導(dǎo)柱壓塊 23—第二滑塊 24—延時(shí)推桿 25—推桿擋塊 26—推桿板 27—推桿頂針28—限位螺釘 29—推桿板彈簧 30—轉(zhuǎn)軸槽滑塊頭 31—耐磨板 32—限位銷 33—滑塊壓條 34—小鑲件35—頂出限位塊 36—頂桿 37—支撐柱 38—復(fù)位桿 39—復(fù)位桿彈簧 40—導(dǎo)柱 41—流道板導(dǎo)套42—定模板導(dǎo)套 43—拉桿套 44—長(zhǎng)拉桿 45—樹脂開閉器 46—流道板 47—定模板 48—?jiǎng)幽０?9—墊塊 50—底板 IN1～I(xiàn)N12—冷卻水入口 1OUT～12OUT—冷卻水出口 P1、P2、P3—開模面圖2 模具結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the mould

2 模具設(shè)計(jì)

綜合塑件的澆口位置開設(shè)需要及脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)置需要，模具結(jié)構(gòu)中采用一模一腔布局方式進(jìn)行整體模腔布置較為合適，其結(jié)構(gòu)布局及各機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2中所示。模架采用簡(jiǎn)化型三板模結(jié)構(gòu)形式，模架的打開分3次打開，分別為P1、P2、P3分型面，打開順序?yàn)镻1→P2→P3。模腔的澆注通過5個(gè)點(diǎn)澆口來進(jìn)行澆注，以達(dá)到平衡澆注的目的。

模腔內(nèi)塑件不是平整塑件的緣故，需要做近外形均勻冷卻，因而其冷卻方式主要采用管道+水井方式來進(jìn)行，近外形均勻冷卻管道共13條，分置于定模的有8條，動(dòng)模5條。鑒于塑件上下表面形狀復(fù)雜、高低不一的特點(diǎn)，因而設(shè)計(jì)了如圖2中所示的深井式冷卻管道，水井可依據(jù)塑件表面的高低走向，而設(shè)置不同深度的水井，從而能做到對(duì)塑件的表面進(jìn)行有效冷卻，在水井中設(shè)置隔水片以保證管道流動(dòng)路徑上截面的等效性，水井直徑R與管道直徑r的關(guān)系為：r=10 mm，R=16 mm。

成型件小型化便于加工的緣故，成型件采用鑲件鑲拼方式，型腔和新型各采用一個(gè)大鑲件，然后針對(duì)鑲件上難加工特征，采用分拆小鑲件的方式來拼接。 塑件外沿分型面高低起伏不平，閉合后注塑時(shí)不足以使模腔內(nèi)的高壓氣體順利排出，腔內(nèi)排氣需要利用鑲件間間隙來加強(qiáng)排氣，但其排氣間隙不能超過塑件的飛邊值，因而間隙設(shè)置為δ=0～0.015 mm。

為防止頂出時(shí)塑件的破裂，頂出機(jī)構(gòu)中采用了一種的方頭圓形頂桿36來直接對(duì)深筋特征進(jìn)行頂出，該頂桿的上端設(shè)置為扁型頂針，下端采用增強(qiáng)型圓柱桿，這樣，有利于頂桿的頂出強(qiáng)度的同時(shí)，也減小了零件的加工難度。

塑件上，針對(duì)側(cè)邊上特征，其脫模需要用側(cè)抽芯來進(jìn)行脫模，因而，結(jié)合此處特征的具體特點(diǎn)，其脫模機(jī)構(gòu)采用一種復(fù)合抽芯機(jī)構(gòu)形式來設(shè)計(jì)，對(duì)另一側(cè)邊特征并排孔的脫模則采用一種簡(jiǎn)化型彎銷滑塊抽芯機(jī)構(gòu)來實(shí)施側(cè)抽芯脫模，塑件的完全脫模采用頂桿頂出脫模。

2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)澆注系統(tǒng)模流分析 澆注系統(tǒng)的澆口位置設(shè)計(jì)如圖3(a)所示，共采用5點(diǎn)進(jìn)行澆注，G1/G3-G2/G4構(gòu)成4個(gè)平衡澆注點(diǎn)，但實(shí)際情況是，由于塑件上槽筋等特征的影響，此四點(diǎn)難以做到使模腔的周邊得到平衡注塑，故而，增加第5點(diǎn)即G5點(diǎn)來做平衡，從而滿足模腔的注塑需要。增加第G5點(diǎn)做平衡獲得的模腔充填效果如圖3(b)、(c)所示。從充填時(shí)間可以看出，塑件注塑時(shí)間不超過1 s，充填末端位于塑件主板體的中央位置，這樣能保證塑件四角能得到有效充填，且結(jié)合塑件注射壓力來看，充填末端的壓力在4 MPa以上，充填壓力充分，模腔所需的充填壓力不高，在50 MPa左右。結(jié)合其他的結(jié)果，如前鋒溫度、整體溫度、熔接線、氣孔、及縮痕等結(jié)果來看，該5點(diǎn)式澆注系統(tǒng)能有效保證塑件模腔的注塑效果。

(a)澆注系統(tǒng) (b)充填時(shí)間 (c)充填壓力圖3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.3 Gating system design

(2)結(jié)構(gòu)組件 如圖4所示，澆注系統(tǒng)所使用的零件為定位圈13、 拉料桿14、澆口法蘭15，其中，澆口法蘭15為縮短流道長(zhǎng)度，而反裝于上模座板1的反面，拉料桿14的頭部依據(jù)塑件的材質(zhì)特點(diǎn)而選用蘑菇頭形式的拉料桿。

G1～G5—澆口編號(hào)圖4 澆口位置Fig.4 Gate location

2.2 分型設(shè)置

分型面設(shè)置如圖5所示，分型面設(shè)置中，針對(duì)塑件中間部位的破孔，采用碰穿式破孔補(bǔ)面，將破孔面設(shè)置于成型件型芯一側(cè)，此類特征包括塑件上的螺柱孔，臺(tái)柱孔、插孔等。針對(duì)前、后端中間部位的大破孔區(qū)域，則采用插穿式補(bǔ)孔方式進(jìn)行補(bǔ)孔分型，主分型面盡量設(shè)計(jì)成平直型分型面。針對(duì)側(cè)面的側(cè)槽、轉(zhuǎn)軸槽特征，則分別設(shè)置兩個(gè)枕位型分型面，一是有利于上下成型件的定位，二是便于此兩種特征的側(cè)面抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)置。分型面的四角，設(shè)置成臺(tái)虎口形式，以保證上下腔成型件閉合時(shí)的準(zhǔn)確定位。

2.3 模腔鑲件

分型設(shè)置好后，獲得的成型件上模仁2、下模仁3的形狀如圖6所示，模仁2、下模仁3的四角采用清角形式安裝于相應(yīng)的定模板47和動(dòng)模板48的框槽內(nèi)，上模仁2、下模仁3分別采用兩個(gè)模仁楔緊塊4來進(jìn)行鎖緊定位，通過單邊靠邊定位方式來進(jìn)行定位，有利于降低此2工件在模具中的裝配定位難度。上模仁2為型腔鑲件，下模仁3為型芯鑲件。結(jié)合塑件的成型表面要求，及SKD61的加工性能及使用性能，上模仁2材料選用此材料較為合適，使用時(shí)，須將該材料熱處理至HRC48～52；相對(duì)而言，下模仁3的使用要求相對(duì)低一些，宜選用45#鋼，能有效降低模具的制造成本，使用時(shí)，該材料須熱處理調(diào)質(zhì)至HRC38～42。

圖5 分型設(shè)置Fig.5 Parting settings

圖6 模腔設(shè)置Fig.6 Mould cavity settings

3 側(cè)面抽芯機(jī)構(gòu)

圖7 側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)布置圖Fig.7 Composite core-pulling mechanism

側(cè)面抽芯機(jī)構(gòu)包括兩種機(jī)構(gòu)，一種為將塑件的側(cè)槽和轉(zhuǎn)軸槽集成在一個(gè)側(cè)面進(jìn)行抽芯的滑塊頂針復(fù)合式二次抽芯機(jī)構(gòu)，一種是彎銷驅(qū)動(dòng)時(shí)簡(jiǎn)化型彎銷滑塊抽芯機(jī)構(gòu)。應(yīng)用于塑件側(cè)抽芯的滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)置如圖7所示。2個(gè)滑塊頂針復(fù)合式二次抽芯機(jī)構(gòu)用于塑件左右兩端的側(cè)面抽芯脫模，1個(gè)簡(jiǎn)化型彎銷滑塊抽芯機(jī)構(gòu)用于塑件后端的側(cè)抽芯脫模。

(1)滑塊頂針復(fù)合式二次抽芯機(jī)構(gòu)

結(jié)合圖2所示，如圖8所示，機(jī)構(gòu)的組成包括件21～件32。機(jī)構(gòu)中，用一個(gè)成型鑲件1成型一端的2處側(cè)槽，一個(gè)成型鑲件2成型一端的1處轉(zhuǎn)軸槽，為減少滑塊機(jī)構(gòu)的數(shù)量，將鑲件1和鑲件2合并在第二滑塊23上，并由2個(gè)斜導(dǎo)柱21對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)， 第二滑塊23底部設(shè)置了2個(gè)導(dǎo)向條來進(jìn)行抽芯運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向，3個(gè)耐磨板31來降低滑塊安裝偏差所導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)卡滯阻力。

2—上模仁 3—下模仁 21—斜導(dǎo)柱 22—斜導(dǎo)柱壓塊 23—第二滑塊 24—延時(shí)推桿 25—推桿擋塊 26—推桿板 27—推桿頂針28—限位螺釘 29—推桿板彈簧 30—轉(zhuǎn)軸槽滑塊頭 31—耐磨板 32—限位銷 33—滑塊壓條 47—定模板 48—?jiǎng)幽０?P3—開模面(a)滑塊頂針復(fù)合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 (b)機(jī)構(gòu)安裝剖切圖 (c)復(fù)合機(jī)構(gòu)工作原理圖圖8 滑塊頂針復(fù)合式二次抽芯機(jī)構(gòu)Fig.8 Compound secondary core-pulling mechanism with slider and ejector pin

特別地，鑲件2所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)軸槽是容易產(chǎn)生脫模變形，因而，在第二滑塊23上附加設(shè)計(jì)了頂針頂出二次抽芯機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)的安裝情況如圖8a、8b所示，推桿板26安裝于第二滑塊23所開設(shè)的槽內(nèi)，其一端安裝推桿頂針27，一端安裝有延時(shí)推桿24，推桿板彈簧29安裝于推桿板26與轉(zhuǎn)軸槽滑塊頭30之間，用于驅(qū)動(dòng)推桿板26緊貼于第二滑塊23的槽內(nèi)壁，推桿擋塊25用螺釘緊固安裝于定模板47上，斜導(dǎo)柱21用壓板壓緊安裝于模具的定模板47上。機(jī)構(gòu)的原理為：如圖8c所示，當(dāng)模具模腔的開模面P3打開時(shí)，模具動(dòng)模板48下行，第二滑塊23跟隨模具動(dòng)模板48下行，斜導(dǎo)柱21驅(qū)動(dòng)第二滑塊23在其邊下行的過程中，邊向外抽芯，與此同時(shí)，第二滑塊23下行過程中，將帶動(dòng)其上的延時(shí)推桿24也同步下行，但由于推桿擋塊25的有直身段(a—b點(diǎn))將驅(qū)動(dòng)延時(shí)推桿24頂住，保持其與塑件之間相對(duì)不移動(dòng)，推桿24在第二滑塊23的側(cè)抽芯方向上不能跟隨第二滑塊23向外移動(dòng)，因而抽芯頂針將能頂住塑件的轉(zhuǎn)軸槽壁，而安裝于第二滑塊23上的轉(zhuǎn)軸槽滑塊頭30跟隨第二滑塊23一起向外移動(dòng)，則能與塑件脫離，由于延時(shí)推桿24的頂住，塑件轉(zhuǎn)軸槽壁不會(huì)被成型轉(zhuǎn)軸槽滑塊頭30連帶抽出而變形；當(dāng)P3面開模打開一定距離后(a點(diǎn)→b點(diǎn))，推桿擋塊25將與延時(shí)推桿24脫離接觸，從而，在彈簧29的推出下，推桿頂針27將從塑件上側(cè)抽芯，并能跟隨第二滑塊23一起抽出，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸槽壁的完全脫模，這樣，能有效避免轉(zhuǎn)軸槽滑塊頭30抽芯時(shí)，將使轉(zhuǎn)軸槽產(chǎn)生脫模變形。

(2)側(cè)邊彎銷滑塊抽芯機(jī)構(gòu) 針對(duì)側(cè)邊多孔的同步抽芯需要，設(shè)計(jì)了一種由件16～件20機(jī)構(gòu)的構(gòu)成零件包括的側(cè)邊彎銷滑塊抽芯機(jī)構(gòu)，如圖9所示，機(jī)構(gòu)通過兩個(gè)彎銷16來驅(qū)動(dòng)滑塊體18進(jìn)行抽芯，其上用螺釘緊固安裝的滑塊頭17用于對(duì)塑件的整體側(cè)面及3個(gè)側(cè)孔進(jìn)行成型。彎銷16的下端設(shè)置有反鎖面，以保證滑塊體18在注塑時(shí)不松退。

16—彎銷 17—滑塊頭 18—滑塊體 19—限位螺釘 20—滑塊壓條圖9 彎銷滑塊機(jī)構(gòu)Fig.9 Bending pin slider mechanism

4 模具工作原理

結(jié)合圖2所示，將模具安裝于注塑機(jī)上后，模具的工作過程為：

(1)模具閉合。模具經(jīng)充填、保壓、冷卻等環(huán)節(jié)后，等待開模。

(2)斷料P1打開。動(dòng)模后退，模具在P1打開，流道廢料與塑件在點(diǎn)澆口處崩斷分離。

(3)脫料P2打開。動(dòng)模繼續(xù)后退，模具在P2面處打開，流道廢料從拉料桿14上刮落，流道廢料自動(dòng)脫模。

(4)模腔打開P3打開。繼續(xù)動(dòng)模后退，模具在P3面處打開，此時(shí)，斜導(dǎo)柱21驅(qū)動(dòng)第二滑塊23，彎銷16驅(qū)動(dòng)滑塊18同步進(jìn)行抽芯，完成塑件上對(duì)應(yīng)特征的側(cè)抽芯脫模。

(5)塑件頂出。動(dòng)模繼續(xù)后退，頂桿36等將塑件從下模仁3上頂出，完成塑件的完全脫模。

(6)復(fù)位。動(dòng)模前進(jìn)，模具按P2→P3→P1次序依次閉合，對(duì)應(yīng)的脫模機(jī)構(gòu)也依次復(fù)位，模具閉合，等待下一次注塑循環(huán)。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)塑件的成型需要，設(shè)計(jì)了其一模一腔三板模注塑模具，模具中澆注系統(tǒng)采用5點(diǎn)點(diǎn)澆口進(jìn)行平衡式澆注，冷卻采用水井+管道復(fù)合方式進(jìn)行冷卻，塑件的頂出采用一種改進(jìn)型柱體方頭型頂桿來頂出；

(2)針對(duì)側(cè)邊特殊特征的脫模，設(shè)置了2種抽芯機(jī)構(gòu)來進(jìn)行抽芯脫模，一種為滑塊頂針復(fù)合式二次抽芯機(jī)構(gòu)，一種為彎銷滑塊抽芯機(jī)構(gòu)，滑塊頂針復(fù)合式二次抽芯機(jī)構(gòu)巧妙地在側(cè)滑塊上設(shè)置了延時(shí)頂針，通過利用定模上的推桿擋塊來對(duì)頂桿進(jìn)行延時(shí)頂出，先保證側(cè)面成型塊先抽芯，然后滑塊上的側(cè)面頂針再抽芯的方式，避免了因一次性側(cè)面抽芯時(shí)容易導(dǎo)致塑件脫模時(shí)的變形。