譚憲綱

（深圳市金三維模具有限公司，廣東深圳518108）

1 引言

疊層模具是當今塑料注射模發(fā)展的一項前沿技術(shù)，適合成型扁平、淺腔殼體類塑件或小型多腔薄壁塑件，且需求量比較大的產(chǎn)品。對于這類淺腔類塑件，如采用常規(guī)的單層注射模結(jié)構(gòu)，注塑機的注射量和開模行程可能只使用了額定的20%~40%，而疊層式注射模能夠在不增加鎖模力的基礎(chǔ)上，在相同的注塑機上采用幾乎相同的能耗和效率條件下能使產(chǎn)量根據(jù)層數(shù)成倍增加（與常規(guī)模具相比，疊層式模具鎖模力只增加8%～15%，產(chǎn)量可以增加90%～95%），極大地提高生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率，大大降低注射成型成本和加快產(chǎn)品的交付速度。

但是，雙層模具對設(shè)計和制造相對于普通模具有更高的技術(shù)要求和精度要求，如合理的流道設(shè)計、開模同步機構(gòu)的設(shè)計、合適的模具厚度控制等等，而針對大型產(chǎn)品的雙層設(shè)計會更加復雜，模具中間的活動部分的承重設(shè)計也非常關(guān)鍵。

圖1所示冰箱散熱蓋板是全球品牌冰箱中的一個常用部件，大部分款式的冰箱都需要采用此部件，需求量巨大，屬于大型扁平、淺腔殼體類塑件，非常適合做疊層模結(jié)構(gòu)，但由于塑件尺寸較大，外觀要求決定了該模具還需要采用倒裝結(jié)構(gòu)，這樣疊層模具重量達到將近20t，在設(shè)計和制造上還是有相當?shù)碾y度。

2 塑件的結(jié)構(gòu)特性

塑件尺寸大約為495×436×63.5mm，前側(cè)為外觀，要求較高，不允許有進膠口痕跡。后側(cè)為功能骨位，連接柱子和鉤扣等（見圖1），塑件采用熱塑性材料HIPS，該材料具有較好的抗沖擊性能和剛性，還耐油耐水，可有效的保護冰箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1 冰箱散熱蓋板

該塑件有較多的散熱窗口，整體外形也較大，成品需注意控制各窗口處披鋒（飛邊）質(zhì)量和塑件整體變形公差控制。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計

首先，根據(jù)客戶對塑件的外觀要求，外觀面是不允許有膠口痕跡，所以，不能從塑件的定模面上做澆口。其次，如果選擇從側(cè)面進膠，則可能采用的方式是側(cè)面扇形澆口，但這種澆口需要人工后期修整，不利于自動化生產(chǎn)，直接否決。這樣就只能在塑件的內(nèi)表面（即動模型芯側(cè)）用熱流道針閥進膠，即通常所說的倒裝模具結(jié)構(gòu)，而在疊層模中，熱流道的分流板和頂出機構(gòu)就都需要做在疊層模具中間的浮動夾層上，通過多層針閥結(jié)構(gòu)將主流道從注塑機的射嘴口跨越第一層分型面延伸到中間的分流板，并且保證在開模時高溫高壓的熔融塑膠不會泄露。

另外，該塑件平均壁厚2mm及HIPS原料的塑膠特性（如熔融指數(shù)3.5g/10min）、塑件結(jié)構(gòu)特點等，初步判斷，采用4點進膠比較合適。

根據(jù)上述分析，初步設(shè)計的熱流道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。

圖2 熱流道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按照上述流道設(shè)計模型，進行詳細的CAE模流分析，從分析結(jié)果來看，流道方案是可行的，符合客戶機臺能力，滿足客戶對注射成型效率的要求（客戶要求在75s內(nèi)）。

圖3是壓力場的分布情況。圖4是熔接線可能出現(xiàn)在塑件上的大致位置，這也得到了客戶的認可。

圖3 壓力場的分布情況

圖4 熔接線可能出現(xiàn)在塑件上的大致位置

3.2 頂出機構(gòu)設(shè)計

塑件結(jié)構(gòu)的動模有多處倒扣位需做斜頂、滑塊等結(jié)構(gòu)出模，并且需結(jié)合頂桿、推塊、司筒等組合頂出塑件，雖然有些復雜，但也算是常規(guī)的設(shè)計，詳細如圖5所示。

圖5 頂出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于是倒裝結(jié)構(gòu)，頂出的動力無法直接借助注塑機的頂出機構(gòu)，所以設(shè)計了油缸為頂出機構(gòu)的驅(qū)動動力（見圖6）。

圖6 油缸驅(qū)動動力頂出機構(gòu)

3.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

由于塑件需求量大，客戶對生產(chǎn)周期要求非常短，同時塑件的公差要求也比較高，對產(chǎn)生的變形要做嚴格控制，所以，模具的冷卻系統(tǒng)設(shè)計要充分且平衡，除了動定模型腔、型芯的密布式均勻水路，滑塊、斜頂以及熱嘴（高熱區(qū)）周邊也設(shè)計了獨立水路，如圖7所示。

圖7 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4 同步機構(gòu)設(shè)計

為使塑件收縮一致，塑件在各型腔中的停留時間相當，需要設(shè)計一套機構(gòu)來保證疊層模的兩個分型面必須精確同步開模，并精密控制開模距離。在本模具上采用是精密齒輪齒條進行同步控制，如圖8a所示結(jié)構(gòu)。

圖8 同步機構(gòu)

以上同步機構(gòu)動作是通過注塑機開、合模動力傳動的。齒條固定在動模和定模部分，注塑機開模時動模側(cè)齒條跟著動模運動，同時齒條也帶動了齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪轉(zhuǎn)動時又帶動了定模側(cè)的齒條運動，整個動作過程都是相連在一起同時進行的，開模距離在兩處分層型腔中是相同的（圖8b）。由于模具比較大，為保證平衡，在模具的兩側(cè)對稱各設(shè)計了兩套同步齒輪機構(gòu)。

3.5 承重結(jié)構(gòu)設(shè)計

疊層模的一個特點是中間浮動夾層在開模后需要有支撐結(jié)構(gòu)來承受它的重量，并且需要在開模方向上能自由滑動。對于大型疊層模，由于中間浮動部分比較重，通常會設(shè)計一種支撐結(jié)構(gòu)，利用注塑機的格林柱或床身的滑軌來承受重量，如圖9所示。

圖9 模具承重支撐結(jié)構(gòu)

但以上方式首先是要鎖定生產(chǎn)機臺，不僅試模困難，注塑廠家也不能調(diào)配更換生產(chǎn)機臺，同時對安裝模具調(diào)試工人也有較高的技術(shù)要求，而本模具需要出口到國外進行注塑生產(chǎn)，上述承重方案并不合適。此設(shè)計方案利用模具本體來做支撐基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)支承梁和模具設(shè)計成了一個整體，脫離了對注塑機的依賴，模具在安裝調(diào)試時和普通模具差不多，操作簡單方便。同時，在試模生產(chǎn)時，只要滿足容模量、鎖模力等基本能力的注塑機都可以。結(jié)構(gòu)簡圖如圖10所示。

該模具中間部分重達12t，開模后主要支撐靠導柱和承重梁組合受力，承重梁為主要受力點，所以設(shè)計十分重要。

承重梁設(shè)計固定在定模側(cè)并沉入模板30mm，以增加承重受力面，材料選用P20,韌性和剛性都較好，承重塊選用耐磨性和剛性都較好的材料油鋼系列，承重塊和支承梁接觸面則做自潤滑耐磨塊，以減小滑動時的磨擦力，支撐點的滑動距離需精確核算，不能超出核算結(jié)果范圍，通過計算支撐點最大滑動的安全距離為320mm（見圖10b）。

圖10 承重塊及支承梁結(jié)構(gòu)簡圖

3.6 模具厚度控制

根據(jù)模流分析結(jié)果，及客戶注塑廠設(shè)備情況，客戶最終決定采用1,600t的注塑機來生產(chǎn)此套模具。根據(jù)客戶機臺參數(shù)，其生產(chǎn)機臺容模厚度為1,550mm，在綜合考慮模具強度要求（模板厚度）、塑件頂出距離、機械手取件空間等，最終控制模具的總硬厚度為1,548mm，剛好滿足容模量要求，圖11是總設(shè)計示意圖。

圖11 模具總裝結(jié)構(gòu)

由于有雙分型面，取件機械手也需要雙臂機械手，為確保承重梁的案例受力，盡可能的減少開模距離，通過對機械手的優(yōu)化設(shè)計，最終確定型腔開模距離為300mm。同時，模具頂部也需保證有足夠空間可以讓機械手運動，所以，熱流道系統(tǒng)接線插座、壓縮空氣管路的排布需要結(jié)合吊模梁做優(yōu)化設(shè)計，充分利用兩者的結(jié)合部空間。如將熱流道系統(tǒng)線路通過電纜從模具兩側(cè)連接到定模處接線盒，有效的避開了機械手的運動線路，吊模梁也設(shè)計在中間部份能避開機械手的運動線路。圖12是熱流道系統(tǒng)接線排布和吊模梁的結(jié)合設(shè)計示意圖。

圖12 熱流道系統(tǒng)接線排布及吊模梁結(jié)合設(shè)計結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

本副模具最終外形尺寸達到850×2,300×1,548mm，總重量約為17t，屬于大型倒裝疊層模具。經(jīng)過兩個月時間的制造，首次試模成功，最終達到甚至超越了各項技術(shù)指標，實際生產(chǎn)周期小于65s。實現(xiàn)了客戶高效率、低成本、自動化生產(chǎn)的目標。模具交付到國外后，為客戶帶來較好的經(jīng)濟效益，獲得了客戶的高度贊揚。