劉皓，向雄方

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

注射模設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇見帶有倒扣的異形件，倒扣區(qū)域特殊的形狀結(jié)構(gòu)與主開模方向相互干涉，所以設(shè)計(jì)中常采用斜導(dǎo)柱、滑塊、斜頂、液壓缸等模具結(jié)構(gòu)形式完成側(cè)向脫模。但如果產(chǎn)品同一側(cè)面同時(shí)出現(xiàn)多處倒扣且形狀不規(guī)則、脫模方向不一致時(shí)，如何設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)以保證每個(gè)脫模方向都有較充分且相對(duì)獨(dú)立的側(cè)抽運(yùn)動(dòng)，以及如何實(shí)現(xiàn)這些側(cè)抽機(jī)構(gòu)的順序抽芯使得各抽芯結(jié)構(gòu)件相互之間不干涉，成為設(shè)計(jì)師們的主要阻礙［1］。溫煌英等通過“斜導(dǎo)柱+滑塊內(nèi)置斜推塊”方式解決了多個(gè)方向倒扣出模的問題［2］；毛金明等利用側(cè)向滑塊中內(nèi)置的斜推桿和型芯避免了塑件推出時(shí)發(fā)生干涉［3］；譚偉等采取“斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)方式+液壓缸驅(qū)動(dòng)”相互聯(lián)動(dòng)的方法來實(shí)現(xiàn)不同側(cè)抽結(jié)構(gòu)的順序抽芯［4］；梅益等同樣利用“斜導(dǎo)柱+液壓缸”相互配合的方法完成了對(duì)產(chǎn)品多個(gè)方向的側(cè)抽芯［5］。文中以殼體支撐塑料件為實(shí)例，針對(duì)該產(chǎn)品正面區(qū)域的頂部和底部均有凸臺(tái)而無法從主開模方向?qū)崿F(xiàn)脫模的問題，以及正面凹槽位置同時(shí)存在3 處不同方向抽芯的難題，設(shè)計(jì)了新型分級(jí)復(fù)合側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用“T 型槽+斜面”的組合形式，同時(shí)搭配限位螺釘處預(yù)留空行程的方法實(shí)現(xiàn)了油缸1 次側(cè)抽、3 個(gè)滑塊鑲件按順序完成抽芯。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝分析

殼體支撐產(chǎn)品（圖1）為外形不規(guī)則的電子外觀件，注塑成型后要保證產(chǎn)品表面平整、無收縮凹陷、無印痕及熔接痕、翹曲和飛邊等。同時(shí)產(chǎn)品凹槽處有結(jié)構(gòu)裝配可靠性要求，所以精度誤差要控制在0.05 mm 之內(nèi)以保證產(chǎn)品裝配無晃動(dòng)。產(chǎn)品生產(chǎn)批量大，而且外觀質(zhì)量要求和裝配區(qū)域的尺寸精度要求都較高，因此需要挑選合適的材料。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）有較好的低溫抗沖擊性和尺寸穩(wěn)定性，即使在高溫條件下也極少有蠕變現(xiàn)象，收縮率僅為1.005，熔融溫度為217～237℃，但材質(zhì)整體偏軟，若只選用ABS 明顯不能滿足產(chǎn)品裝配要求；聚碳酸酯（PC）具有強(qiáng)度高、收縮率小、尺寸穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)，相比于ABS 材質(zhì)更硬，但粘性更大、流動(dòng)性更差、對(duì)產(chǎn)品成型會(huì)造成一定影響，同時(shí)所需注射力也較大，對(duì)注射機(jī)的要求更高。綜上，產(chǎn)品選用70%ABS 加30%PC 混合材料，縮水率為1.0045，使用海天MA1600 型號(hào)注射機(jī)以確保足夠注射力。產(chǎn)品最大尺寸為84 mm×75 mm×127 mm；表面為流線型弧面，圓角過渡無尖角存在；平均壁厚為2.5 mm。

圖1a位置1、3、6、9處有圓柱孔，位置5、8處有圓弧過渡的凸臺(tái)面，均無法沿+Z軸方向?qū)崿F(xiàn)脫模，需設(shè)置側(cè)向抽芯鑲件或滑塊；位置2處有1.2 mm×5 mm × 4 mm 的長方形凸臺(tái)，無法沿+Z軸方向脫模，且與位置11處的凹槽脫模形成干涉，阻礙位置11區(qū)域沿Z軸方向脫模。同時(shí)位置11處凹槽結(jié)構(gòu)特殊，如果設(shè)置滑塊沿-Y軸方向直接脫模會(huì)損壞產(chǎn)品結(jié)構(gòu)致使產(chǎn)品報(bào)廢。所以必須使位置11處的成型零件沿+Z軸方向完成凹槽脫模后，再沿著-Y軸方向移動(dòng)至安全位置，為產(chǎn)品的頂出留出安全空間。位置12處的凸臺(tái)側(cè)面有長方形與圓柱形成型形狀且凸臺(tái)較長，如果在動(dòng)模板上設(shè)計(jì)滑塊借助開模力完成脫模，無法滿足成型要求。

圖1 產(chǎn)品圖

通過圖2a 可以看出：產(chǎn)品A區(qū)（圖1 位置1、3）和D區(qū)（圖1 位置11）可以沿+Z軸方向脫模，B區(qū)（圖1位置2）的凸臺(tái)沿-Y軸方向設(shè)置滑塊，進(jìn)一步證實(shí)了上述分析的正確性；從圖2b分析看出：產(chǎn)品位置4和位置7斜度大，沿豎直方向可能無法順利脫模；另一方面，由于產(chǎn)品頂部至底部的高低落差大其背面（A區(qū)）和左右肩部區(qū)域并不適合設(shè)置拔模斜度，無法沿豎直方向脫模，否則成型產(chǎn)品尺寸誤差超出規(guī)定的0.05 mm，所以設(shè)計(jì)滑塊結(jié)構(gòu)從水平方向設(shè)置左右面的脫模方向。

圖2 Z軸、X軸分別為參考矢量的拔模分析圖

通過分析圖2 得到產(chǎn)品各脫模方向的空間分布：上方區(qū)域沿+Z軸方向脫模，下方區(qū)域沿-Z軸方向脫模；左邊區(qū)域沿-X軸方向脫模，右邊區(qū)域沿+X軸方向脫模；背部（A區(qū)）脫模方向設(shè)置在+Y軸方向上，B、C區(qū)脫模方向設(shè)置在-Y軸方向上；D區(qū)凹槽部分的脫模方向設(shè)置在+Z軸方向上；E區(qū)凸臺(tái)部分的脫模方向位于-YOZ面的投影面上且與-Y軸夾角為74°。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 左右后面?zhèn)瘸樾驹O(shè)計(jì)

產(chǎn)品四周由滑塊成形，因此構(gòu)建分型線時(shí)相鄰滑塊間的邊界線要重合，防止產(chǎn)品成型不合格［6］；在產(chǎn)品肩部的上方位置有寬1.25 mm、深0.64 mm的凹槽，所以設(shè)置X軸方向滑塊的分型面時(shí)應(yīng)避開該凹槽，防止脫模時(shí)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象（圖3）。

圖3 產(chǎn)品主副分型面

復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀的異形件一次性成型不僅會(huì)增加模具結(jié)構(gòu)和造型的復(fù)雜度，還會(huì)給模具加工制造帶來難度，有些形狀憑借目前水平暫時(shí)無法制造，所以在不修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前提要求下最佳的做法是“劃分區(qū)域，分別成型”［7］。文中根據(jù)產(chǎn)品的形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了主分型面和多個(gè)副分型面，如圖3所示。通過主分型面PL1，副分型面PL2、PL3、PL4將產(chǎn)品的成型分為內(nèi)外2 個(gè)部分，內(nèi)部通過模仁成型，外部通過滑塊成型如圖4所示。PL4上有2處直徑為3 mm 的圓孔，所以在設(shè)計(jì)滑塊時(shí)為了能夠減少滑塊數(shù)量、降低模具復(fù)雜程度，可以在滑塊中增加鑲針1次完成抽芯［8］；最后通過分型線位置與脫模方向設(shè)計(jì)出正確的滑塊。

圖4 成型滑塊及模仁

2.2 產(chǎn)品正面?zhèn)瘸榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品正面的結(jié)構(gòu)形狀較復(fù)雜，倒扣和干涉也較多。如果正面區(qū)域整體沿Z軸豎直方向脫模會(huì)受表面長方形凸臺(tái)和圓弧過渡角的干涉，如果整體沿-Y軸方向脫模則會(huì)破壞凹槽結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品報(bào)廢；為了使凹槽結(jié)構(gòu)順利脫模，正面滑塊的凹槽處必須存在豎直向上的脫模方向，同時(shí)還要考慮與上方凸臺(tái)的干涉，在凹槽區(qū)域豎直脫模后需立即沿-Y軸方向移動(dòng)；E區(qū)的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)需要斜向側(cè)抽芯（沿-Y軸夾角74°方向脫模）。采用“劃分區(qū)域、分別成型”的方法，將產(chǎn)品劃分成圖5中B、C、D、E成形區(qū)域。B區(qū)由2 個(gè)直徑為3 mm 的橢圓形斜面孔以及1 個(gè)長5.5 mm、寬1.8 mm、高3.9 mm 上小下大的凸臺(tái)組成，采用內(nèi)置鑲針的復(fù)合滑塊設(shè)計(jì)方式，沿-Y軸方向側(cè)抽芯。B區(qū)滑塊采用鏟基驅(qū)動(dòng)方式，利用壓塊將滑塊固定于前模模板上，開模時(shí)前模模板通過驅(qū)動(dòng)鏟基帶動(dòng)滑塊沿-Y軸方向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)抽芯。C區(qū)兩側(cè)各有1 個(gè)圓槽和3 段長方形凹槽，同樣采用滑塊內(nèi)置鑲針的設(shè)計(jì)沿-Y軸方向脫模（圖6）。E區(qū)孔槽結(jié)構(gòu)形狀多但無倒扣和干涉，所以側(cè)抽芯滑塊沿著-Y軸夾角74°的方向移動(dòng)就可以順利脫模。

圖5 產(chǎn)品正面分區(qū)

圖6 C區(qū)和B區(qū)成型滑塊結(jié)構(gòu)

對(duì)于D區(qū)，需要設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)使B區(qū)與D區(qū)滑塊不發(fā)生碰撞，同時(shí)又存在1個(gè)豎直向上的脫模方向使D區(qū)凹槽順利脫模。采用“劃分區(qū)域、分別成型”的方法將D區(qū)劃分為2塊更小的區(qū)域，如圖5所示。為了防止與B區(qū)滑塊發(fā)生碰撞，D1區(qū)脫模時(shí)選擇和B區(qū)平行的脫模方向（-Y軸方向），D2區(qū)則采用與Z軸平行的豎直脫模方向來保證凹槽順利脫模。D區(qū)寬度僅14 mm，為了在有限區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)D1、D2、E區(qū)同時(shí)脫模并最大范圍內(nèi)減小模具結(jié)構(gòu)的總體尺寸、減少滑塊數(shù)量，3 個(gè)區(qū)域的零件成形設(shè)計(jì)成滑塊中內(nèi)置鑲件的復(fù)合滑塊結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)D、E區(qū)的抽芯成型。由于B區(qū)滑塊的干涉，D區(qū)無法借助開模力來脫模，且E區(qū)的脫模距離相對(duì)較長，考慮采用液壓缸來為C、D、E區(qū)提供脫模力。首先確定D1區(qū)成形鑲件運(yùn)動(dòng)的方向與液壓油缸保持一致，并直接固定在滑塊上。接著對(duì)水平運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行分解，如圖7所示。由于D1區(qū)沿水平方向運(yùn)動(dòng)，將液壓缸為D1區(qū)提供的水平方向力分解為豎直和傾斜方向的力，得到D2凹槽區(qū)域所必需的豎直脫模方向。為了保證鑲件之間的相互連接，在D2區(qū)成型鑲件表面設(shè)置3處T形槽，實(shí)現(xiàn)鑲件之間的連接固定和指定方向移動(dòng)。如圖8所示，鑲件X1通過鍵槽直接固定在滑塊Se上，當(dāng)滑塊在液壓油缸的作用下沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)時(shí)X1也保持同一方向運(yùn)動(dòng)。鑲件X1和X2通過頂部T形槽連接固定，當(dāng)X1沿水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過運(yùn)動(dòng)分解此時(shí)X1與X2之間會(huì)沿傾斜運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。與此同時(shí)，X2在力的作用下沿另一個(gè)分解方向開始運(yùn)動(dòng)，而在T形槽的限制下鑲件只能沿Z軸方向進(jìn)行滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了滑塊鑲件在不發(fā)生干涉的情況下沿指定方向脫模，確保了產(chǎn)品的成型不被損壞。

圖7 運(yùn)動(dòng)分解原理圖

鑲件X4隨滑塊Se沿Y軸水平運(yùn)動(dòng)，X2如果與X4同一時(shí)間一起運(yùn)動(dòng)，則勢(shì)必對(duì)D區(qū)凹槽產(chǎn)生影響，所以X2先完成凹槽區(qū)域的脫模后才能隨著X4一同水平運(yùn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)順序脫模，在滑塊Se中的螺絲釘預(yù)留1段空行程，如圖8所示。當(dāng)液壓缸抽動(dòng)Se沿-Y軸水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于空行程S2的存在固定在滑塊上的X1會(huì)先隨著Se一起產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并通過T 形槽帶動(dòng)X2一同運(yùn)動(dòng)，X2將水平運(yùn)動(dòng)分解為2個(gè)方向的相對(duì)滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)D區(qū)凹槽順利脫模，此時(shí)X4不發(fā)生任何運(yùn)動(dòng)。只有當(dāng)Se走完S2后，X4和Se在螺絲釘?shù)墓潭ㄏ虏乓煌交瑒?dòng)，實(shí)現(xiàn)順序脫模。復(fù)位時(shí)，S8先開始滑動(dòng)，對(duì)X1水平方向的運(yùn)動(dòng)反方向分解后X2在T 形槽的限制下豎直向下先行復(fù)位，隨后Se推動(dòng)X4一同沿+Y軸方向滑動(dòng)?？招谐逃?jì)算公式為

圖8 正面滑塊鑲件圖

式中：S6為凹槽脫模行程，取8 mm；α為水平面與頂部T形槽間的夾角，取20°；S2為限位螺絲與滑塊Se之間空行程，計(jì)算得22.3 mm，取整為23 mm。

2.3 抽芯液壓缸

側(cè)型芯抽芯力一般采用式（2）進(jìn)行估算：

式中：F為測向抽芯力；L為產(chǎn)品側(cè)型芯成型部分截?cái)嗝娣e的平均周長；h為側(cè)型芯成型部分的高度；p為產(chǎn)品單位面積的收縮應(yīng)力，受產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀、材料種類、成型工藝影響，一般取7.85～11.77 MPa；μ為塑件對(duì)剛的摩擦系數(shù)，通常取0.15～0.2；α為側(cè)向脫模斜度，取0°。

利用UG 注塑模向?qū)K中的注塑模工具分析得出Lh為10 021.26 mm2，經(jīng)計(jì)算F約24.01kN。選用HOB標(biāo)準(zhǔn)型液壓缸，缸徑為50 mm，行程為

式中：S2為位限位螺釘中空行程的距離，取23 mm；S4為產(chǎn)品凸臺(tái)長度，取30 mm；S5為安全余量，取10～15 mm。計(jì)算得S為68 mm，取整得70 mm。液壓缸型號(hào)取HOB50×70，缸芯通過卡槽與滑塊連接固定，如圖8所示。

2.4 產(chǎn)品正面分級(jí)抽芯

1）一級(jí)抽芯 開始側(cè)抽時(shí)液壓缸缸芯首先抽動(dòng)滑塊Se沿-Y軸方向運(yùn)動(dòng)，通過T 型槽和銷釘固定在Se上的鑲件X1和X3隨之側(cè)向移動(dòng)。同時(shí)通過T型槽與X1相連接的X2在驅(qū)動(dòng)作用下沿斜面豎直向上運(yùn)動(dòng)完成凹槽的脫模。X1運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?Z軸方向，X2運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?Y軸方向，X3運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?Y軸夾角74°方向，1次抽芯完成3種不同方向的脫模。

2）二級(jí)抽芯 當(dāng)液壓缸繼續(xù)側(cè)抽時(shí)Se中限位螺絲走完23 mm限位行程，內(nèi)置鑲針的復(fù)合鑲件X4才開始隨著Se沿著-Y軸方向滑動(dòng)。預(yù)留23 mm的行程是為了保證滑塊Se中的3 塊鑲件先于X4完成脫模，防止凹槽處發(fā)生干涉影響產(chǎn)品成型。

3）三級(jí)抽芯Se與X4順利脫模后，液壓缸繼續(xù)側(cè)抽帶動(dòng)2 個(gè)滑塊在滑道上沿-Y軸方向整體滑動(dòng)直至限位螺絲處停止，使2個(gè)滑塊整體與產(chǎn)品完全分離保證產(chǎn)品安全頂出。

2.5 模具其他結(jié)構(gòu)

1）澆注系統(tǒng) 采用直澆口、兩點(diǎn)式進(jìn)澆，其中主流道末端設(shè)置冷料穴，澆料經(jīng)分流道2次分流進(jìn)入型腔；澆口的選擇主要根據(jù)產(chǎn)品的表面質(zhì)量要求和形狀結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)決定，如圖9 所示，進(jìn)澆點(diǎn)選擇產(chǎn)品上表面的圓形凹槽處。

圖9 模具澆注系統(tǒng)

2）冷卻系統(tǒng) 采用直徑為6 mm 和8 mm 的圓管。產(chǎn)品左右后面設(shè)置與產(chǎn)品等高的6 mm圓形管置于型腔滑塊中，防止因?yàn)樯舷赂叩吐洳钶^大而引起產(chǎn)品上下部分冷卻不均，產(chǎn)品正面則由于滑塊和運(yùn)動(dòng)的特殊結(jié)構(gòu)并未設(shè)置冷卻水路。上方與下方的8 mm圓形冷卻水路分別設(shè)置在動(dòng)、定模仁中，動(dòng)模仁中運(yùn)水位置的設(shè)置避開頂針孔和螺絲，留足安全余量以防止水管破裂，同時(shí)注意滑塊運(yùn)動(dòng)對(duì)軟管的擠壓，保證無漏水現(xiàn)象，如圖10所示。

圖10 模具澆冷卻系統(tǒng)

3）頂出系統(tǒng) 考慮到產(chǎn)品特殊的形狀結(jié)構(gòu)和嚴(yán)格的外觀要求，為保證產(chǎn)品表面的平整和光滑，采用頂桿頂出的結(jié)構(gòu)，從殼體產(chǎn)品內(nèi)部頂出。如圖11 所示，沿產(chǎn)品內(nèi)部邊緣均勻設(shè)置了直徑為5 mm和6 mm的頂桿。

圖11 模具頂桿布局圖

3 模具工作原理

如圖12 所示，模具設(shè)計(jì)為三板式，一模一腔、四面?zhèn)瘸槌尚尾季?，總體尺寸為410 mm×794 mm×581 mm，模具經(jīng)注射、保壓、冷卻、成型后開模。開模時(shí)前后模板產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，設(shè)置在前模模板上的滑塊Sa、Sb、Sc、Sd在斜導(dǎo)柱和鏟基的驅(qū)動(dòng)下分別向各自脫模方向滑動(dòng)完成三面?zhèn)瘸樾?。?dāng)完成左右后面?zhèn)瘸樾竞笠簤河透撞砰_始工作，此時(shí)模具的分級(jí)復(fù)合側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)在液壓缸的作用下按照一、二、三級(jí)側(cè)抽芯次序在產(chǎn)品正面依次完成分級(jí)復(fù)合抽芯。注塑機(jī)頂桿上的推力通過模具的頂針底板和頂針面板并施加在各頂針上，使得塑件產(chǎn)品受力與后模模仁分離，完成最終頂出。合模時(shí)模具各零件的運(yùn)動(dòng)順序與開模時(shí)的順序相反，在注塑機(jī)回拉頂針底板和面板時(shí)帶動(dòng)頂針先復(fù)位。液壓缸比前后模板先行復(fù)位，即在液壓缸推動(dòng)滑塊Se使鑲件X1、X2、X3和X4復(fù)位后頂桿再推動(dòng)后模模板向前模模板靠攏，當(dāng)前后模再次發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)Sa、Sb、Sc、Sd在斜導(dǎo)柱和鏟基的驅(qū)動(dòng)下完成復(fù)位。至此完成開模與合模過程，并進(jìn)入下1 個(gè)工作循環(huán)。為了避免Sd與前模模板在開合模運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生碰撞，操作人員應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定順序執(zhí)行操作，即開模時(shí)先開模后抽油缸；合模時(shí)先推油缸再合模。

圖12 模具主要結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

文中分析了產(chǎn)品形狀特點(diǎn)，利用運(yùn)動(dòng)方向力的分解，將液壓缸提供的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)分解成豎直運(yùn)動(dòng)和斜向運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合滑塊內(nèi)置鑲件的結(jié)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)了3 個(gè)不同方向的同時(shí)脫模。相比于各區(qū)域單獨(dú)成型的模具設(shè)計(jì)，復(fù)合結(jié)構(gòu)在保證產(chǎn)品成型合格的同時(shí)提升了生產(chǎn)效率、降低了模具成本。為解決各結(jié)構(gòu)的脫模順序問題，在滑塊中設(shè)計(jì)了1段具有空行程的限位螺絲，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的正面分級(jí)脫模，保證了脫模時(shí)產(chǎn)品的完整性，又精簡了模具結(jié)構(gòu)。