陳劍玲

(廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530007)

全球?qū)ζ可w和密封產(chǎn)品的需求大約以每年4.6%的速率穩(wěn)步增長(zhǎng)，在食品、飲料和醫(yī)藥品包裝領(lǐng)域中，80%以上的都是使用塑料瓶蓋[1]。當(dāng)具有內(nèi)螺紋的塑料瓶蓋注射成型時(shí)，由于產(chǎn)品牙內(nèi)螺紋與模具的粘模力較大，易出現(xiàn)產(chǎn)品皸裂、內(nèi)螺紋拉裂、螺紋缺失、無法脫模等問題。因此，內(nèi)螺紋塑件的自動(dòng)脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是此類注塑模具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，而且內(nèi)螺紋塑件自動(dòng)脫模機(jī)構(gòu)制造成本高、生產(chǎn)穩(wěn)定性差、經(jīng)濟(jì)效益低。工業(yè)上一般采用活動(dòng)螺紋型芯或旋退脫模機(jī)構(gòu)如馬達(dá)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條、蝸輪蝸桿或液壓油缸驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈條等方式實(shí)現(xiàn)螺紋的自旋脫模，脫螺紋的形式、機(jī)構(gòu)布局、螺紋型芯運(yùn)動(dòng)等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)決定了模具整體布局及生產(chǎn)成本[2–7]。蘇瞧忠[8]針對(duì)內(nèi)有螺紋外有倒扣的濾芯蓋三板式模具，在定模側(cè)采用液壓馬達(dá)通過齒輪副傳動(dòng)完成自旋螺紋脫出，通過加強(qiáng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)避免模具零件熱脹咬死。對(duì)于在動(dòng)模型芯包緊力較大的深腔瓶蓋類模具，可采用“油缸+齒條+齒輪”及二次脫模機(jī)構(gòu)，螺紋芯片由液壓驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向螺母引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)脫模，最后由推管完成二次脫模[9–10]。沈忠良等[11]設(shè)計(jì)了新型蝸桿驅(qū)動(dòng)螺紋機(jī)構(gòu)，將模具動(dòng)作時(shí)的直線動(dòng)力轉(zhuǎn)化成螺紋型芯轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力，利用模具開模動(dòng)力驅(qū)動(dòng)齒輪抽芯，代替油缸驅(qū)動(dòng)且降低模具結(jié)構(gòu)尺寸而達(dá)到自動(dòng)脫模的目的。

由于塑料瓶蓋有外觀質(zhì)量要求或防止劃傷手掌等，不允許澆口痕跡留在內(nèi)螺紋制件的外表面，澆口必須設(shè)在制件的內(nèi)表面，澆注系統(tǒng)的選擇對(duì)此類精密注塑的成品質(zhì)量至關(guān)重要。若采用普通冷流道模具，需在定模側(cè)考慮澆注系統(tǒng)的頂出和內(nèi)螺紋的脫模機(jī)構(gòu)，倒裝模具運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)增多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜并磨損嚴(yán)重。如果采用熱流道設(shè)計(jì)不需將澆注系統(tǒng)取出，可節(jié)約原材料，減少分型開模運(yùn)動(dòng)及熔體長(zhǎng)距離的流動(dòng)壓力，能解決制品難以成型和質(zhì)量不佳的問題[12]。但熱流道系統(tǒng)的安放與脫模機(jī)構(gòu)同在定模側(cè)，順序開模機(jī)構(gòu)和脫模動(dòng)力設(shè)計(jì)也是熱流道倒裝模具實(shí)施的難點(diǎn)。周慧蘭等[13]針對(duì)面像識(shí)別機(jī)外殼模具進(jìn)行冷、熱流道的注塑模流分析，確定熱流道澆注系統(tǒng)方案，最后采用動(dòng)模倒裝定距分型拉桿推板機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)制品反向推出。對(duì)于汽車儲(chǔ)物盒和電視機(jī)面殼等大型制件的倒裝熱流道模具，張維合[14]采用液壓油缸與推桿推板二次推出保證產(chǎn)品平穩(wěn)脫模。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)于熱流道倒裝模具的研究，主要應(yīng)用于平板類或大型制件，熱流道系統(tǒng)和定模推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間相對(duì)寬裕[15–17]。

但是，針對(duì)大批量生產(chǎn)及高質(zhì)量要求的內(nèi)螺紋包裝瓶蓋件，因產(chǎn)品模腔狹小，并要求內(nèi)側(cè)澆注，需要在模具的定模側(cè)同時(shí)實(shí)現(xiàn)螺紋脫模機(jī)構(gòu)的自動(dòng)旋退和熱流道系統(tǒng)的安置，無疑增大了模具設(shè)計(jì)和制造的難度，是內(nèi)螺紋塑件熱流道注塑倒裝模具的新挑戰(zhàn)?；谙嚓P(guān)研究成果，筆者進(jìn)行了內(nèi)螺紋瓶蓋自旋脫模的熱流道倒裝注塑模設(shè)計(jì)。

1 塑件結(jié)構(gòu)分析

飲料包裝用瓶蓋產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示，用于飲料包裝瓶的瓶蓋件重約4 g，高約21 mm，外側(cè)表面的直徑為25.70 mm，內(nèi)側(cè)表面的直徑為20.70 mm。瓶蓋的內(nèi)表面底部有幾圈凸起的圓環(huán)，最高4.4 mm，直徑8 mm。產(chǎn)品內(nèi)側(cè)需成型右旋螺紋長(zhǎng)17.8 mm，螺距3 mm，用于旋緊密封藥品，需設(shè)計(jì)內(nèi)螺紋的脫模機(jī)構(gòu)。另外，為便于留在螺紋型芯上的塑件在脫模時(shí)止轉(zhuǎn)，制品口部需成型6個(gè)3 mm×1.2 mm的方形凹槽。為防劃傷手掌及滿足尺寸精度、外觀質(zhì)量要求，根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)合及使用要求，保證尺寸精度和外觀質(zhì)量，不允許從外表面澆注。塑件年產(chǎn)量100萬(wàn)件，材料為聚丙烯（PP），收縮率為1.0%～2.5%，從加工性能分析，熔料流動(dòng)性好、吸水性小、容易成型。

2 模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

瓶蓋產(chǎn)品總尺寸不大，但由于產(chǎn)品外觀質(zhì)量和澆口設(shè)置要求，只能從產(chǎn)品內(nèi)側(cè)中心進(jìn)料，開模后塑件留在定模側(cè)，需在定模側(cè)設(shè)置螺紋旋退和推出機(jī)構(gòu)。由于采用倒裝的脫模機(jī)構(gòu)，如果采用普通冷流道的三板模注射成型，澆注系統(tǒng)流程較長(zhǎng)，注塑壓力損失大，澆注凝料較多。而且，模具需多次分型開模，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)增多，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜并加重磨損。

綜合考慮產(chǎn)量和質(zhì)量需求，為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，模具運(yùn)作時(shí)無澆注系統(tǒng)凝料并能實(shí)現(xiàn)螺紋自動(dòng)旋退頂出，采用倒裝螺紋脫模的熱流道注塑技術(shù)。

在兩板模架的基礎(chǔ)上，增加了熱流道系統(tǒng)和電機(jī)、鏈輪及齒輪旋退螺紋機(jī)構(gòu)，模具的總體裝配機(jī)構(gòu)如圖2所示。模具以一模八腔均衡布置結(jié)構(gòu)，采用H型熱流道系統(tǒng)以延伸式直通的熱噴嘴澆注，塑料在進(jìn)入澆口的流動(dòng)通道內(nèi)一直保持熔融，不僅節(jié)約原材料、提高生產(chǎn)率、優(yōu)化塑料的流動(dòng)性能及產(chǎn)品表面質(zhì)量，而且能顯著降低注塑機(jī)的注塑壓力及鎖模力；也能簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)為單分型面結(jié)構(gòu)，從而減少模具的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和限位分型的復(fù)雜程度。由于制品的脫出方式為定模側(cè)倒裝結(jié)構(gòu)，需設(shè)計(jì)定距拉板組件實(shí)現(xiàn)各分型面的依次打開，采用模具外側(cè)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈條鏈輪，并采用傳動(dòng)模內(nèi)齒輪脫模的螺紋自旋退方式，實(shí)現(xiàn)塑件與型芯的相對(duì)旋轉(zhuǎn)將產(chǎn)品脫出模具。

圖2 定模側(cè)倒裝內(nèi)螺紋自旋脫模的熱流道注塑模具結(jié)構(gòu)

3 模具組成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 成型零件設(shè)計(jì)

由圖2可見，螺紋型芯28、動(dòng)模鑲件22、定模鑲件27和旋退螺紋鑲件31構(gòu)成的封閉型腔用于塑料注入成型瓶蓋產(chǎn)品?？紤]加工及裝配方便，成型零件采用鑲嵌組合設(shè)計(jì)，并在分型面的模具周邊設(shè)有輔助定位塊實(shí)現(xiàn)精密定位。旋退螺紋鑲件31主要成型產(chǎn)品上設(shè)置的6個(gè)防轉(zhuǎn)凹槽結(jié)構(gòu)，其能在開模時(shí)在齒輪帶動(dòng)下將產(chǎn)品自旋脫模。利用壓縮彈簧40在螺紋型芯28和定模墊板36上形成的預(yù)緊力，可防止反復(fù)旋轉(zhuǎn)脫模對(duì)旋退螺紋鑲件31造成松動(dòng)。為適應(yīng)模具高精度、高產(chǎn)量、耐磨和拋光的要求，型芯型腔鑲件材料選用S136，熱處理硬度48～52HRC。裝配定模螺紋型芯鑲件后的熱噴嘴組件如圖3所示。

圖3 裝配定模螺紋型芯鑲件后的熱噴嘴組件

3.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)采用延伸式直通澆口的熱流道系統(tǒng)，見圖2，塑料在有加熱及溫控系統(tǒng)的主噴嘴49、熱流道板54和延伸式熱噴嘴26的流動(dòng)通道里保持熔融，熔體經(jīng)主噴嘴49進(jìn)入熱流道板54，再經(jīng)H型分流道轉(zhuǎn)向均衡進(jìn)入8個(gè)安裝在熱嘴固定板5上的延伸式熱噴嘴26，熔體最后注入由動(dòng)模鑲件22、螺紋型芯28、定模鑲件27和旋退螺紋鑲件31所構(gòu)成的型腔內(nèi)。

(1)熱流道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

熱流道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成如圖4所示，相比于傳統(tǒng)熱流道系統(tǒng)，為順利從產(chǎn)品內(nèi)側(cè)底部澆注，在熱嘴部分做了創(chuàng)新的延伸設(shè)計(jì)，熱流道組件主要由中心主噴嘴3、熱流道板1、延伸式熱嘴9、隔熱承壓塊5、中心定位墊塊10及加熱溫控元件等組成。熱流道板內(nèi)流動(dòng)通道采用H型對(duì)稱布置，單側(cè)一級(jí)流道下設(shè)4個(gè)熱嘴總共需8點(diǎn)澆注。因澆口設(shè)在產(chǎn)品內(nèi)側(cè)狹小的螺紋型芯鑲件內(nèi)，普通熱嘴主體的安放空間受限，故采用延伸式熱嘴9將物料送達(dá)澆口。中心定位墊塊10和圓柱銷11的槽型定位防止熱流道板轉(zhuǎn)動(dòng)及整體偏移，將熱流道板兩側(cè)的8顆緊固螺釘安裝固定在熱嘴固定板上。每個(gè)熱嘴獨(dú)立控溫，加上熱流道板的2組加熱溫控元件，熱流道系統(tǒng)共設(shè)10個(gè)區(qū)，由外置溫控器精確控溫，保證物料在流動(dòng)通道內(nèi)的持續(xù)熔融。

圖4 延伸式熱流道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

生產(chǎn)時(shí)的延伸式熱嘴頭部如圖5所示，為平穩(wěn)將熔融塑料從產(chǎn)品內(nèi)側(cè)表面送入型腔，熱嘴嘴尖相比常規(guī)熱嘴延長(zhǎng)20 mm，為保證延長(zhǎng)部分的嘴尖無加熱和溫控元件導(dǎo)致物料溫差，此嘴尖需采用熱傳導(dǎo)性能優(yōu)異的鈹銅合金加工。

圖5 注塑后的延伸式熱嘴頭部

(2)熱流道系統(tǒng)的定位和隔熱措施。

隔熱支承塊和中心定位塊的結(jié)構(gòu)和裝配如圖6所示?？紤]受熱膨脹的影響，中心定位塊和熱嘴以精度H7/g6與熱嘴固定板過渡配合定位。隔熱支承塊10和圓柱銷9，熱流道板8和定位銷4采用H7/m6將熱流道板可靠定位并防轉(zhuǎn)。

圖6 隔熱支承塊和中心定位塊的結(jié)構(gòu)和裝配

為避免熱量散失和保證加熱器在額定功率下工作，熱流道系統(tǒng)與其它模具零件之間應(yīng)能較好的隔熱，除定位、支撐、型腔密封等需要接觸的部位外，熱流道系統(tǒng)應(yīng)盡量減少貼合面積，隔熱方式可采用空氣隔熱或絕熱材料隔熱[18]。

熱噴嘴的隔熱空氣間隙為3 mm，并且熱嘴主體上的隔熱襯套會(huì)進(jìn)一步減少熱嘴內(nèi)加熱器的熱量散失。熱流道系統(tǒng)支撐板不僅需設(shè)置加熱器出線槽和壓線槽，還需設(shè)計(jì)隔熱空氣間隙10 mm以上，如圖6所示。熱流道板與定模座板之間的隔熱支承塊，以及流道板與熱嘴固定板之間的中心定位塊，不僅對(duì)熱流道板起定位和支承作用，還可以盡量減少與定模座板的接觸面積。

3.3 內(nèi)螺紋自旋脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該模具采用電機(jī)、鏈輪和齒輪機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)旋退螺紋鑲件實(shí)現(xiàn)內(nèi)螺紋的自旋脫模。內(nèi)螺紋自旋脫模機(jī)構(gòu)如圖7所示，螺紋自動(dòng)旋退機(jī)構(gòu)采用模數(shù)m=1.5的齒輪系（齒輪21，22，24，26）互相嚙合，由4組滾動(dòng)軸承23支撐各個(gè)傳動(dòng)軸上載荷和扭矩。開模時(shí)，模具外側(cè)電機(jī)28通過鏈輪A（件1）、鏈條5和鏈輪B（件8），驅(qū)動(dòng)鏈輪從動(dòng)軸6上的齒輪A（件26） 沿線依次傳遞力矩給齒輪B（件24）、齒輪C（件22）和齒輪D（件21）。在2個(gè)從動(dòng)齒輪B，D驅(qū)動(dòng)下，8個(gè)脫模齒輪16帶動(dòng)旋退螺紋鑲件20使瓶蓋塑件17作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使塑件從螺紋型芯18上脫出。采用電機(jī)-鏈輪-齒輪傳動(dòng)的自旋脫模機(jī)構(gòu)，雖然模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件精度要求高，加工費(fèi)時(shí)，但易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，適合大批量制品生產(chǎn)。

圖7 鏈輪齒輪傳動(dòng)的內(nèi)螺紋自旋脫模機(jī)構(gòu)

螺紋型芯轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)U由式(1)確定[19–20]：

式中：U——螺紋型芯轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)；

Us——安全系數(shù)，為保證完全旋出螺紋所加 工余量，一般取0.25～1；

L——螺紋牙長(zhǎng)；

P——螺紋牙距。

根據(jù)產(chǎn)品圖中螺紋參數(shù)要求，L=13.8 mm，P=3 mm，取Us=0.4帶入式(1)計(jì)算得螺紋型轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)U=(13.8/3+0.4)=5圈。

3.4 順序開模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具的順序開模、螺紋旋退和塑件推出需要限位機(jī)構(gòu)完成。由圖2可見，生產(chǎn)時(shí)，注塑后的塑件經(jīng)保壓、冷卻和定型后，模具在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)開模導(dǎo)柱12和導(dǎo)套6，7，8，9的作用下，由開模彈簧4作用首先從A-A分型面打開，產(chǎn)品從動(dòng)模鑲件22上將外表面脫出。行至一段距離時(shí)，限位螺釘3作用定模墊板36和定模板32停止，B-B分型面打開，在內(nèi)螺紋自旋脫模組件的鏈輪鏈條和齒輪系的傳動(dòng)下，從動(dòng)齒輪46與脫模齒輪嚙合，在旋退螺紋鑲件31作用下，塑件與螺紋型芯28發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)自旋脫模。動(dòng)模開模繼續(xù)前行，當(dāng)定距螺釘B（件30）觸及定距拉板25限定位置時(shí)，C-C分型面打開。當(dāng)定模板32運(yùn)行至定距螺釘A（件34）設(shè)定距離，由推件板17將產(chǎn)品局部旋凹結(jié)構(gòu)從螺紋型芯28上完全推出，開模狀態(tài)見圖2b。

3.5 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)排氣機(jī)構(gòu)及冷卻水道設(shè)計(jì)

該熱流道模具需要控制塑件在模溫80℃下注射成型，這有利于改善成型工藝、穩(wěn)定尺寸精度和提高制品表面質(zhì)量。如圖2所示，該模具型腔鑲件和型芯鑲件周圍均布置環(huán)形水道，并加設(shè)管套密封和密封圈。

3.6 導(dǎo)向及支承零件設(shè)計(jì)

為保證動(dòng)、定模之間的開、合模導(dǎo)向和推出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向，該模具采用直徑為35 mm的直導(dǎo)柱導(dǎo)套機(jī)構(gòu)。因動(dòng)模側(cè)不需推出機(jī)構(gòu)，并且為保證動(dòng)模部分的剛度和強(qiáng)度，減少熱噴嘴射膠時(shí)對(duì)模具型腔的作用力，故在動(dòng)模側(cè)熱嘴對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)8個(gè)?65 mm支撐柱。

4 結(jié)語(yǔ)

基于飲料包裝瓶蓋件的結(jié)構(gòu)、外觀及工藝要求，設(shè)計(jì)了定模側(cè)澆注的倒裝內(nèi)螺紋自旋脫模的熱流道注射模。采用8點(diǎn)延伸式熱流道系統(tǒng)在產(chǎn)品內(nèi)側(cè)澆注，限位螺釘拉板順序開模，以電機(jī)鏈輪鏈條齒輪驅(qū)動(dòng)方式，方便快速實(shí)現(xiàn)內(nèi)螺紋塑件的自旋脫模。該模具總體結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，對(duì)模具設(shè)計(jì)和制造要求更高，但簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)模具定模側(cè)脫模時(shí)的多次順序分型取件的機(jī)構(gòu)設(shè)置，經(jīng)模具投入生產(chǎn)驗(yàn)證工作穩(wěn)定順暢，比傳統(tǒng)模具，產(chǎn)品成型脫出的螺紋平穩(wěn)完整，不僅減少螺紋損壞使外觀質(zhì)量更優(yōu)，而且降低原材料成本，生產(chǎn)效率提升了30%適合大批量全自動(dòng)化生產(chǎn)。