池寅生，張翔，孫慶東，曹祥坤

(揚州市職業(yè)大學機械工程學院，江蘇揚州 225009)

飲用瓶屬于中空容器類塑件，其成型方法是先進行注塑或擠出成型瓶坯，再將預熱軟化后的瓶坯置于吹塑模具，經(jīng)拉伸和吹塑成型獲得飲料瓶的精確外形和尺寸。由于注塑瓶坯可以直接成型瓶口螺紋，且具有瓶壁均勻、瓶底無縫合線、光澤度更佳和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，故在實際生產(chǎn)中應用最為廣泛。成型瓶坯的注塑模具通常分成兩種，一種是冷流道系統(tǒng)，另一種是熱流道系統(tǒng)。財力雄厚的大型企業(yè)通常采用熱流道系統(tǒng)的注塑模具成型瓶坯塑件[1]，其優(yōu)點是因無流道凝料而實現(xiàn)了零費料，極大地降低了塑料原料費用，并保證了瓶坯的高質量和高生產(chǎn)效率[2-3]。由于熱流道系統(tǒng)的技術難度高、模具開發(fā)費用和生產(chǎn)耗能較高[4]，故許多中小型企業(yè)常根據(jù)自身實力和產(chǎn)品批量要求，仍在應用冷流道注塑模具成型瓶坯，其優(yōu)點是投入成本少、模具維護和操作相對簡單。筆者針對某小型企業(yè)現(xiàn)狀和一款瓶坯產(chǎn)品，設計了一副較新穎的冷流道瓶坯注塑模具結構方案。該套模具采用點澆口三板式模架、通過哈夫滑塊和彎銷組成的延時側抽芯機構成型了瓶口外螺紋等結構，應用推件板實現(xiàn)了瓶坯的最終脫模，通過冷卻水路的優(yōu)化設計保證了產(chǎn)品質量，對實際生產(chǎn)具有一定的指導作用，同時也為同類結構塑件的注塑模具設計提供一定的借鑒。

1 瓶坯的結構

塑件瓶坯的結構和尺寸如圖1所示。其材質是聚對苯二甲酸乙二酯(PET)樹脂。PET的優(yōu)點是在較低模具溫度下可獲得透明制品。此瓶坯主要結構特征是整體呈圓筒狀，口部有外螺紋，平均壁厚為3 mm。瓶坯主體的內(nèi)外部分無脫模斜度。其質量要求是表面光滑沒有任何的成型缺陷。

圖1 瓶坯結構圖

2 模具總體結構方案

受到某小型企業(yè)現(xiàn)有設備、技術水平和資金等限制，結合模具型腔數(shù)量對瓶坯精度、制造難度和成本的影響，對此瓶坯注塑模具采用了一模兩腔對稱排布的結構方案。根據(jù)瓶坯的表面光滑質量要求，其澆口形式為點澆口，位置處在瓶底中心。由點澆口進膠的特性，該套模具采用三板模結構。三板模中，必須設置能夠控制分型面有序分開和限定分開距離的相關機構，才能保證此模具多次順序分型開模、點澆口的自動拉斷以及凝料的自動推出和塑件的自動脫模，使瓶坯注塑生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化。瓶坯為透明塑件，故模具中采用推件板的推出方式實現(xiàn)其脫模。成型瓶坯口部的外螺紋脫模機構設計是此模具結構設計的難點之處。經(jīng)過方案比較，采用了瓣合模結構，通過彎銷和一對哈夫滑塊構成的側向抽芯機構，實現(xiàn)了外螺紋的成型和脫模。哈夫滑塊的側向抽芯過程和推件板推出瓶坯過程的關聯(lián)耦合也是該套模具結構設計的關鍵問題。

3 分型面與成型零件設計

此瓶坯的分型面位置有兩種方案，如圖2所示。圖2a中將其瓶坯內(nèi)孔置于與開模方向垂直，則內(nèi)孔必需側向抽芯完成其成型。由于孔深達130 mm，抽芯距很長，只能采用液壓抽芯方式，增加了模具的總體尺寸和制造成本[5]。且瓶口處的螺紋分別位于分型面兩側的動定模處，給加工也帶來了不便。故采用圖2b方案，將分型面置于瓶口A-A處，這樣只需解決瓶口螺紋的側抽芯成型問題，而通過應用哈夫滑塊構成瓣合模結構即可實現(xiàn)。

圖2 分型面位置設置方案

成型零件是注塑模具中的核心零件。針對瓶坯呈回轉體的幾何特征，綜合考慮易加工、低成本、塑件易于推出及模具冷卻方案等多種因素，將其成型零件設計成如圖3所示的三種形式。圖3a的兩個圓柱形型腔零件成型瓶坯的外形結構，圖3b的圓柱形型芯零件成型瓶坯的內(nèi)部結構，圖3c的一對側向抽芯的哈夫滑塊成型瓶坯瓶口結構。

圖3 成型零件

4 推出機構設計

瓶坯為透明塑件且內(nèi)孔直徑較小，決定其不能用推桿推出。該套模具選用了推件板機構將瓶坯脫模，保證了瓶坯表面無任何推出痕跡。推件板結構如圖4所示，此推件板中間開框，為放置兩個側抽芯滑塊及其抽芯滑動距離留有空間。與型芯零件的配合部位設計成5°錐臺，保證了推件板和型芯的軸心定位，以及推出過程中推件板和型芯不發(fā)生直接接觸。此外，此推件板使用了螺釘與復位桿連接。模具開模后由注塑機頂桿推動推板，進而帶動復位桿和推件板完成瓶坯推出及其后的推件板復位過程。圖5為推件板裝配局部圖。

5 側向抽芯機構設計

圖4 推件板

圖5 推件板裝配局部圖

瓶坯口部螺紋成型是該套模具的設計重點和難點。根據(jù)文獻和技術資料，成型外螺紋的模具結構設計方案主要有兩種，即方案一的哈夫滑塊式側抽芯機構和方案二的自動旋轉脫螺紋機構[6]。方案二無需側抽芯機構，但需要在模具中添加實現(xiàn)旋脫的機械傳動裝置，此方案的模具復雜程度和開發(fā)成本都會高于方案一。故采用了方案一(即圖6的側抽芯機構)實現(xiàn)外螺紋的成型，其組成零件為四根截面為矩形的彎銷、一對可分可合的哈夫滑塊。彎銷固定端置于動模板，滑塊放置在推件板中，在壓塊與推件板底面構成的導滑槽中進行側抽芯與復位的運動，如圖7所示。

由于瓶坯豎起放置在定模板中，導致定模板厚度較大，如采用定模板斜導柱方案，則斜導柱總長度必變長而致其側抽芯時所受的彎矩力增大，影響其強度和壽命；另一方面，斜導柱方案中還涉及滑塊、限位裝置和鎖緊塊等零件，因此在推件板上會增加很多開槽區(qū)域，進一步地削弱了推件板的整體強度。綜上兩點，選用了固定于動模側的彎銷側抽芯機構，其具有抽芯力大、無需鎖緊塊、抽芯運動和零件強度更加可靠等優(yōu)點，從而達到減少模具加工量和消除零件強度安全隱患的效果。

在設計哈夫滑塊的滑動距離即抽芯距時可以參考圓形骨架塑件的抽芯距示意圖[7]，如圖8所示，圖8中S′為抽芯距，R為塑件最大外圓半徑，r為最小外圓半徑。該套模具設計中，最小抽芯距Smin與瓶坯的R，r和安全余量k有關，依據(jù)下列公式進行計算[8]。式中k取值范圍為2～5 mm，實際計算時選取4 mm。

圖6 彎銷側抽芯組成零件

圖7 彎銷側抽芯機構

圖8 抽芯距示意圖[7]

模具的實際抽芯距確定為20 mm。彎銷傾角α一般在15°～25°范圍內(nèi)選取，考慮到彎銷彎曲長度和抽拔力等因素，最終確定為25°。

6 延遲抽芯和瓶坯推出

在該套模具中，由于彎銷和哈夫滑塊都在動模側，滑塊裝配在推件板上進行側抽芯運動，所以側向抽芯運動和塑件推出運動必將耦合關聯(lián)在一起。這兩個運動可以設計為同時完成，或是一先一后相繼完成，這涉及到不同方案的選擇。

因瓶坯總長為130 mm且瓶體無拔模斜度，所以模具推出瓶坯需要較大的推出力和較長的推出行程。該套模具采用的方案為推件板先推出瓶坯一段距離，其后哈夫滑塊伴隨后續(xù)的推出運動開始側抽芯運動(又稱延時抽芯)，達到抽芯距后側抽芯運動停止，此時瓶坯也完成了脫模。能夠實現(xiàn)延時側抽芯的彎銷結構設計如圖9所示。

圖9 彎銷的結構尺寸設計

設計中，通過延長彎銷的豎直段長度，使滑塊在推件板推出行程S1=40 mm之內(nèi)保持靜止，無法產(chǎn)生側向抽芯動作。此時，滑塊和推件板可視為一個整體共同推出瓶坯，有利于傳遞較大的推力并減少瓶口的局部應力。當推件板推出行程超過40 mm，此時滑塊將沿彎銷傾斜的工作端(長度約為50 mm)開始進行側抽芯運動。

由圖1可知，瓶坯實際需要的推出行程大于79 mm即可。圖9中彎銷總長為131 mm確保了瓶坯能正常被推出。根據(jù)前述，滑塊實際抽芯距離為20 mm，利用三角函數(shù)關系，可以獲得彎銷傾斜端計算工作長度L，即L=20/sin25°=47.3 mm。

顯然，圖9中設計值50 mm大于47.3 mm，滿足滑塊實際抽芯距離要求，同時也保證了滑塊側抽芯結束后未完全脫離斜銷，這有利于合模中哈夫滑塊能夠準確回復原位。

在哈夫滑塊側抽芯過程中，推件板繼續(xù)推出瓶坯的距離為S2，則S2=20/tan25°=42.9 mm。

由上可知，瓶坯總推出行程的計算如下所示。

7 冷卻水路設計與優(yōu)化

PET屬于結晶性塑料，其缺點是結晶速率太低。冷卻水路的不合理布置不僅會降低瓶坯的冷卻速率、延長生產(chǎn)周期，還會導致各類質量缺陷，如會影響制品的透明度、力學性能及吹塑成型[9]。

應用Moldflow軟件針對模具冷卻水路的結構形式進行了注塑模擬和工藝參數(shù)預測。

為了避免細小結構處的網(wǎng)格產(chǎn)生畸變，將瓶坯的螺紋刪除簡化。選擇Fusion方式后進行網(wǎng)格劃分，最終得到的網(wǎng)格匹配率值(88.1%)和最大縱橫比值(8.5)均符合模擬計算要求。按照表1參數(shù)創(chuàng)建澆注系統(tǒng)單元體，并獲得了如圖10所示的單元網(wǎng)格。

表1 澆注系統(tǒng)參數(shù)

圖10 有限單元網(wǎng)格

瓶坯內(nèi)孔直徑較小，模具中又包括哈夫滑塊和推件板，上述因素給模具型芯的冷卻帶來了極大困難。表2給出了選擇的兩種冷卻水路設計方案。對于瓶坯型腔的冷卻均采用了具有強化冷卻效果的螺旋水路，而瓶坯型芯的冷卻采用了不同方法。利用Moldflow軟件進行冷卻分析，從計算結果中選擇了三個參數(shù)，分別為回路冷卻液溫度、塑件達到頂出溫度的時間和塑件平均溫度，對冷卻效果的優(yōu)劣進行評判。

表2 冷卻水路方案及參數(shù)

方案一是每個瓶坯下方設置一個直通水路，其模擬結果如圖11所示。由圖11可知，達到推出塑件所需的時間長達15 s左右，且整個塑件的平均溫度也較高。其原因是此水路開設在墊板上與型芯距離較遠，熱傳導受阻致型芯冷卻效果較差。方案二是將直通水路改為水井式，即在型芯軸線位置鉆孔成為水井，利用隔水板將水井孔一分為二，5℃的冷卻水依次進入和流出型芯內(nèi)部，其模擬結果如圖12所示。將圖11和圖12比較，方案二達到推出塑件所需的時間縮短了近一半，而且塑件的平均溫度也有了明顯下降，極大地提高了冷卻效率。然而，方案二的最大問題是瓶坯型芯前端直徑為16 mm，在內(nèi)部鉆深250 mm直徑為12 mm孔后會嚴重削弱型芯的強度。

圖11 方案一分析結果

圖12 方案二分析結果

根據(jù)文獻報道，與通用的模具合金鋼相比，鈹銅合金具有極高的導熱特性。在模具零件不易冷卻情況下，采用鈹銅冷卻棒或加工成型芯可使模具平均溫度降低20%左右，冷卻時間可以縮短40%，能有效控制模具溫度、簡化模具結構和提高塑件質量[10]。因此，最終將方案二進行了改進，如圖13所示。在瓶坯型芯中心部位加工一個直徑為4.1 mm的孔，將直徑4 mm鈹銅合金冷卻棒伸入其中，將PET熔體傳給型芯的熱量快速傳遞出來；冷卻棒的另一端則浸入直徑20 mm的水井中接受5℃冷卻水的循環(huán)冷卻。在型芯細長場合下，此種冷卻方式是較為常用的一種冷卻方式。

圖13 鈹銅冷卻棒冷卻方式

8 模具工作原理

圖14為瓶坯三板注塑模具的裝配圖。模具閉合后，PET熔料通過噴嘴注塑進入型腔內(nèi)。完成保壓和冷卻過程后，注塑機施加開模力。模具在受壓彈簧的彈力和主分型面處尼龍開閉器阻力的雙重作用下，將在位置I處首先分開。此時，由于拉料桿的拉力迫使點澆口與瓶坯斷開分離，且澆注系統(tǒng)凝料留在推料板上。當定模板接觸到定距拉桿的頭部后，模具的第一次開模已達到最大距離。在定距拉桿的拉動下，推料板與定模座板在位置II分離，澆注系統(tǒng)凝料被推料板從澆口套和拉料桿上推出，實現(xiàn)了自動脫模。當限位螺釘頭部接觸到孔底部時，推料板也停止運動。最終，開模力直接作用在尼龍開閉器上，其摩擦阻力無法抵抗開模力而導致瓶坯模具的動模和定模在位置III處分開，實現(xiàn)了模具第三次開模。到達開模行程后，注塑機頂桿推動推板以至帶動復位桿推動推件板向前運動，使得推件板先推出瓶坯40 mm，在此過程中由于彎銷設計了延遲抽芯，所以哈夫滑塊無側抽芯運動。當滑塊上斜孔與彎銷傾斜段相接觸，哈夫滑塊開始向兩側作抽芯運動且側抽芯距離為20 mm。在此過程中，推件板繼續(xù)推動瓶坯離開型芯，最終瓶坯塑件完全脫模而掉落。隨后，在復位彈簧的回復力下，推出機構和哈夫滑塊完成復位，模具進行閉合動作，開始下一注塑周期過程。

9 結語

提出了一整套應用三板式冷流道注塑瓶坯的模具結構方案和設計方法。該套模具的特點是針對瓶坯口部外螺紋設計了由哈夫滑塊和彎銷組成的延時側抽芯機構，其側抽芯運動由推件板推出觸發(fā)并與推件板推出瓶坯過程相互完好關聯(lián)。模具中瓶坯型芯零件的冷卻水路優(yōu)化保證了產(chǎn)品質量。此套模具的結構方案對同類結構塑件的模具設計具有一定的參考和實用價值。

圖14 瓶坯三板注塑模具裝配圖