程國飛，丁立剛，魏文強，黃楚杰，張威

(1.中山火炬職業(yè)技術學院裝備智造學院，廣東中山 528436； 2.中山高林美包裝科技有限公司，廣東中山 528436)

機殼類塑件通常結構復雜，外觀質量與整體剛性要求高，其注射成型模具中分型面比較復雜，成型零件加工難度較大，抽芯部位數量較多，抽芯機構形式多樣，模具整體精度要求較高。因此模具設計過程中應充分考慮塑件的成型工藝與模具的制造工藝，確保模具的制造精度與制造周期滿足客戶的要求。筆者基于CAD／CAE對某款高速鋼制曲線鋸機殼的注塑模具進行了設計。

1 塑件工藝性分析

曲線鋸機殼產品材料為30%玻璃纖維增強尼龍6，收縮率為0.6%。曲線鋸機殼由左、右機殼構成，結構如圖1所示，左右件形狀結構基本對稱。單件最大外形尺寸為259 mm×188 mm×39 mm，殼體壁厚為2.5 mm。其產品結構比較復雜，左、右機殼分別采用“凸、凹”形止口密封，其中左機殼采用“凸”形止口，右機殼采用“凹”形止口；左、右機殼外圍各有一個直徑為8.8 mm的斜孔，另外各有兩個直徑為2.9 mm的側孔；產品外圍輪廓結構中不同部位高度差異較大；內部結構中加強筋數量較多，高度較高；左機殼內部有若干長圓柱，裝配時作為螺紋過孔，如圖1a所示；右機殼內部有若干長圓柱，裝配時作為內螺紋用，如圖1b所示。除此之外，左、右機殼上分別有其它圓柱。

圖1 產品結構

通過對左、右機殼的結構分析可知，設計該塑件注塑模具時應注意以下工藝問題：①澆注系統(tǒng)進膠口的設計應綜合考慮：設計任務要求，左、右機殼設計在同一套模具中，塑件結構復雜，外觀質量要求高；②左、右機殼分別采用凸、凹形的止口配合形式，模具成型零件中應重點考慮止口部位的加工工藝；③塑件內部加強筋較多，脫模阻力較大；④內、外部有若干個圓柱結構，設計頂出機構時應綜合考慮塑件結構，確保塑件頂出平穩(wěn)、可靠；⑤左、右機殼外圍各有一個直徑8.8 mm的斜孔，另有深度分別為7 mm和2 mm的直徑為2.9 mm的側孔，需要在模具中設計合理的抽芯機構；⑥產品外圍輪廓結構中不同部位高度差異較大，應采取合適的結構形式盡量簡化分型面結構；另外，該模具采用一模兩腔的結構形式。因此，如何保證模具型腔的合理布局以及各關鍵機構的合理性和可靠性，成為設計本套模具必須重點考慮的問題[1-2]。

2 模具結構設計

2.1 澆注系統(tǒng)設計

澆注系統(tǒng)的設計方案受產品材料特性、形狀、尺寸、型腔數量和排布形式以及成型零件的結構形式等方面的影響。左、右機殼的成型材料是30%玻璃纖維增強尼龍6，牌號為Kingfa N-103，塑料熔體黏度較大，流動性較差，充模難度較大。因此主流道與分流道不宜過長，流道截面積不應太小，避免塑料熔體流動過程中產生過大的壓力損失。針對本產品采用一模兩腔的結構方案，確定在機殼的較隱蔽處采用兩點側澆口的進料方式，如圖2中X向所示；分流道分別在上、下模鑲件開設[3-4]。澆注系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 澆注系統(tǒng)

為了保證塑件的成型質量，在模具設計前需對澆注系統(tǒng)進行充填平衡分析，確保塑料熔體能夠盡量同時到達并充滿模具的各個型腔[5-6]。采用Moldflow軟件對產品進行“充填”分析，并根據“充填時間”結果不斷對澆口尺寸進行微調，直至達到填充平衡，優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)尺寸列于表1。優(yōu)化設計后左機殼最后充填時間為2.276 s，而右機殼最后充填時間為2.283 s，不平衡率為0.31%，流動趨于平衡，流動狀態(tài)較好，如圖3所示。另外對優(yōu)化后的模型建立冷卻系統(tǒng)后，再進行“冷卻+充填+保壓+翹曲”分析[7-8]，得出產品翹曲變形量(Z方向)為：-0.552 4～0.804 1 mm，如圖4所示。由圖4可知，其中a，c，d和f處向+Z方向翹曲，b和e處向-Z方向翹曲，但該位置均為鎖螺絲位可抑制其變形，對裝配影響較小，可滿足產品品質要求。

表1 優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)具體尺寸

圖3 充填時間

圖4 翹曲變形量(Z方向)

綜上所述，該澆注系統(tǒng)的形狀、尺寸、進料方式和布點位置均較為合理，能夠滿足模具的注射成型要求。

2.2 成型零件設計

由于塑件成型材料中含有較高比例的玻璃纖維，對材料起到增強作用，力學強度好，硬度高，脫模時摩擦力較大，因此選用ASSAB 8402 (鉻-鉬-釩合金模具鋼)作為成型零件的材料。曲線鋸機殼外表面由不同的曲面結構構成，模具型腔表面很難由數控機床直接加工完成，因而先在數控銑削的基礎上進行電火花成型加工，再進行型腔表面拋光；同時為了保證型腔的整體結構，確保產品的外觀質量，型腔鑲件以整體鑲拼式為宜。對于下模型芯，由于左、右機殼分別采用凸、凹形的止口配合結構，為了簡化該部位成型零件中的加工工藝，應在電火花線切割加工的基礎上進行鑲拼；此外，由于塑件內部加強筋較多，其對應的成型零件應在電火花成型加工的基礎上進行表面拋光，而組合式的鑲拼結構能夠簡化模具型芯上溝槽位的電火花成型加工與表面拋光的加工工藝，因此型芯鑲件確定采用組合式結構[9-10]。

2.3 頂出機構設計

塑料制品冷凝收縮對型芯產生包緊力，制品脫模時，所需的脫模力必須克服包括制品與模具零件間的摩擦阻力、制品與模具零件間的粘附力、脫模機構的運動阻力以及大氣壓力的阻力組成的脫模阻力。脫模力可用式(1)進行估算[11]，以便設計頂出零件。

式中：Ft——脫模力，N；

p——塑件對型芯包緊產生的單位正壓力， MPa，其經驗值一般取8～20 MPa；

s——塑件包緊型芯的側面積，cm2；

α——型芯斜度，(°)；

?——摩擦系數，一般取0.15～1.0。

對于該模具，p取10 MPa，α為2°，?取0.2，利用三維軟件分析測得單個塑件的側面積s為1 096.58 cm2，代入式(1)計算得出模具的脫模力為359.4 kN。結合塑件的結構分析可知，左、右機殼內部各有若干個長圓柱，在模具中應在圓柱孔的下方設置推管頂出機構，確保此部位能夠順利脫模。而其它部位則可根據塑件對型芯的包緊力適當布置圓推桿即可。因此該模具采用推管和推桿聯(lián)合頂出方式。

2.4 側抽芯機構的設計

(1)前模抽芯機構的設計。

左、右機殼外圍各有一個直徑為8.8 mm的斜孔，因此模具結構中必須設計側抽芯機構。而根據斜孔的位置與角度可知，該抽芯機構只能設置在上模部分(即前模抽芯)。根據模具的型腔布局，為優(yōu)化抽芯機構的結構形式，確定直接在鎖緊楔的斜面一側上設置T形槽，并利用T形槽與活動型芯的臺階配合，驅動活動型芯抽芯與復位，從而大大簡化模具的整體結構[12-13]。該側抽芯機構如圖5所示。

注塑時，鎖緊楔7壓緊活動型芯5，防止活動型芯5由于受注塑壓力作用而產生松動。開模時，為實現(xiàn)先完成對活動型芯5的抽芯動作，使定模座板45與定模板38打開20 mm的距離，由于鎖緊楔7固定在定模座板45上，可利用鎖緊楔7的T形槽驅動活動型芯5的臺階，活動型芯5在配合孔的導向下完成5 mm的抽芯距離，如圖5b所示。合模時，定模座板45與定模板38閉合，鎖緊楔7驅動活動型芯5開始復位，閉模后鎖緊楔7壓緊活動型芯5之后進入下一個注塑周期。

另外，由于直徑為2.9 mm、深度為7 mm的側孔處于塑件的頂部，該結構同樣需要采用前模抽芯，其結構方式和動作原理與上述斜孔抽芯機構類似，在此不再贅述。

圖5 斜孔側抽芯機構

(2)斜滑塊抽芯機構的設計。

塑件上直徑為2.9 mm、深度為2 mm的側孔也需要設置側抽芯機構。由于抽芯距較小，綜合考慮成型零件、澆注系統(tǒng)的布局，確定采用斜滑塊抽芯機構，如圖6所示。

注塑填充階段，由于斜滑塊40頂部呈楔形結構，合模后下模鑲件23壓緊斜滑塊40背面，防止斜滑塊40由于受注塑壓力作用而產生松動；開模階段，上、下模兩部分分開，斜滑塊40抽芯機構尚未啟動；開模完畢后，在注塑機頂出桿作用下，推桿墊板18與推桿固定板17推動壓塊29和斜滑塊40，斜滑塊40在耐磨塊28和下模鑲件23配合孔的導向下完成側向抽芯；復位階段，壓塊29和斜滑塊40在推桿墊板18與推桿固定板17的帶動下復位。斜滑塊40復位完成后，模具上、下模兩部分開始合模，進入下一個注塑周期[14-15]。

圖1中的圓孔口1和圓孔口2的外表面與塑件中相鄰部位的外表面有一臺階高度差(用于固定電線保護圈)，為簡化分型面結構，確定采用活動鑲件作為該處的成型零件，并設計斜導柱抽芯機構實現(xiàn)該活動鑲件的抽芯脫模與合模復位。抽芯機構的斜導柱和滑塊分別設置在上、下模，具體結構如圖7中的斜導柱12、滑塊13所示。

圖6 斜滑塊側抽芯機構

2.5 冷卻系統(tǒng)的設計

由于塑件表面積較大，壁厚較厚，而且塑件材料PA6是結晶性塑料，故模具中應設置足夠數量的冷卻回路，以對模具型腔、型芯等主要成型零件進行充分的冷卻。根據模具型腔采用整體鑲拼的結構特點，為了降低進出水的溫差，加強模具的冷卻效果，故在左、右機殼兩個型腔的對應部位各設置兩條直通式循環(huán)回路，如圖4中的IN1-OUT1，IN2-OUT2，IN3-OUT3和IN4-OUT4所示。根據下模型芯采用組合式鑲拼的結構特點，設置兩條直通式循環(huán)回路，如圖4中IN6-OUT6，IN9-OUT9所示；另外設置4條隔水片的循環(huán)回路，如圖4中IN5-OUT5，IN7-OUT7，IN8-OUT8和IN10-OUT10所示。

3 模具的整體結構及工作原理

根據模具的結構方案選用的模架型號為DCT5085-110×120×120-200[16]，并進一步完善了模具各關鍵部件和其它輔助零件的設計，最終設計出曲線鋸上、下機殼注塑模具，模具主要結構如圖7所示。

圖7 模具裝配圖

模具的工作原理如下：

(1)注塑充模。在注塑壓力作用下，塑料熔料流經主流道、分流道、側澆口后開始填充模具型腔，并在注塑壓力作用下保壓，在冷卻系統(tǒng)作用下冷卻、固化。

(2)開模及滑塊抽芯。在注塑機動模板帶動下，模具首先在定模座板45與A板38之間即圖8中“I-I”處打開；在鎖緊楔7和41的驅動下，活動型芯5和44分別實現(xiàn)脫模抽芯，完成前模抽芯動作。接著模具在A板38與B板37之間的分型面即圖8中“II-II”處打開，塑件和流道凝料從型腔脫離；在斜導柱12的驅動下，滑塊13實現(xiàn)側向抽芯。

圖8 模具動作示意圖

(3)頂出塑件。開模完畢后，推桿墊板18與推桿固定板17在注塑機頂出桿作用下，帶動推管16，24，26和斜滑塊40及其它頂出零件運動，將塑件與澆注系統(tǒng)凝料從下模型芯頂出，并實現(xiàn)斜滑塊40的抽芯動作；頂出行程達30 mm后，模具頂出動作停止。

(4)頂出機構復位。頂出動作結束后，推桿墊板18與推桿固定板17在復位彈簧33的作用下，帶動斜滑塊40、回程桿35及推管16，24，26，32等零件組成的頂出機構完成復位動作。

(5)模具合模及滑塊復位。在注塑機帶動下，模具首先在A板38與B板37之間合模，滑塊13在斜導柱12和鎖緊楔14的驅動下復位并鎖緊；接著模具在定模座板45與A板38之間合模，在鎖緊楔7和41的驅動下，活動型芯5和44分別復位并鎖緊，完成一個注塑周期。

4 結論

(1)在分析塑件結構特點的基礎上，借助有限元模流分析技術，合理設計出模具的澆注系統(tǒng)和模具的結構方案。

(2)針對塑件外表面的多處圓孔和外圍輪廓結構，合理設計出各部位的側抽芯機構，妥善解決了模具復雜結構的脫模問題。

(3)根據塑件的結構特點，合理設計出成型零件、頂出機構和冷卻系統(tǒng)等關鍵部件，確保模具具備良好的制造工藝性。

(4)經過實際生產證明，該模具結構緊湊、動作可靠、性能穩(wěn)定，成型塑件完全符合設計要求。