南江萍

(西安交通工程學(xué)院機械與電氣工程學(xué)院，西安 710300)

在智能手機產(chǎn)品研發(fā)和制造過程中，出于產(chǎn)品換代速度快的特點，產(chǎn)品零部件的制造一般多采用更新?lián)Q代的靈活制造策略[1-4]，其優(yōu)點是，針對后代產(chǎn)品的制造，只需在前代產(chǎn)品生產(chǎn)工裝設(shè)備的基礎(chǔ)上，進行部分工裝設(shè)備的改造或工裝設(shè)備中部分部件的改造，即可實現(xiàn)后代產(chǎn)品硬件的快速生產(chǎn)[5-7]。例如，在智能手機外殼注射成型生產(chǎn)中，為適應(yīng)新品手機快速上市的需要，除了在塑件結(jié)構(gòu)上進行必要的結(jié)構(gòu)改進外，塑件成型模具的制造也采用靈活的制造策略，即前代產(chǎn)品的外殼成型模具只需更換少部分核心成型部件即可實現(xiàn)后代外殼的成型生產(chǎn)。筆者結(jié)合某智能手機外殼的生產(chǎn)，設(shè)計了一副能適用于前、后兩代智能手機外殼成型的精密注射成型模具。

1 智能手機前、后兩代外殼結(jié)構(gòu)

某智能手機前、后兩代外殼結(jié)構(gòu)如圖1 所示。前代外殼的基本尺寸為112.7 mm×63 mm，后代外殼的基本尺寸為113 mm×60 mm。兩代塑件材料均使用聚碳酸酯(PC)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)合金材料，收縮率為0.45%～0.51%。鑒于裝配的需要，在圖1a 所示的前代外殼結(jié)構(gòu)中，塑件結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，主要體現(xiàn)為塑件內(nèi)壁上設(shè)置有較多的子特征，包括設(shè)置在塑件左、右兩側(cè)內(nèi)壁上的多個倒勾特征，內(nèi)壁凹槽特征，上、下端內(nèi)壁上的筋特征及螺絲過孔特征等。塑件本體側(cè)壁壁厚0.65 mm，屏幕面壁壁厚0.5 mm。在拔模角度設(shè)置中，位于外觀面一側(cè)的拔模角度取0.6°，內(nèi)表面一側(cè)的拔模角度取0.4°。在加強筋設(shè)置中，其平均壁厚為0.3 mm，高度1.2～1.8 mm，根部的圓角半徑為0.12～0.18 mm，平行加強筋之間的距離控制在1.5 mm 以上。在螺柱設(shè)置中，螺柱孔平均壁厚為0.55 mm，螺柱與屏幕面壁底面結(jié)合處設(shè)置有平均厚度為0.3 mm 的加強筋。塑件尺寸精度要求為MT4 級。以上結(jié)構(gòu)特點是保證前代外殼發(fā)揮其使用功能的基本保證，是塑件需要采用精密注射成型的原因[8-12]，同時也是塑件模具設(shè)計的難點。

圖1 智能手機前、后兩代外殼結(jié)構(gòu)

圖1b 所示的后代外殼結(jié)構(gòu)特點為：其外形尺寸與前代塑件相近，結(jié)構(gòu)比前代塑件簡單，上、下端內(nèi)壁沒有加強筋、螺柱等特征，左、右兩側(cè)內(nèi)壁無倒扣特征，只是左、右兩側(cè)外壁上有多處側(cè)孔，這些側(cè)孔都為簡單側(cè)直孔。

在兩代外殼結(jié)構(gòu)中，前代外殼的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，后代外殼的結(jié)構(gòu)相對較為簡單，沒有內(nèi)壁倒扣等需要實施內(nèi)側(cè)抽芯的特征，因而，兩代外殼的模具可設(shè)計成沿用型模具，即后代模具的設(shè)計只需更換模腔成型件，并舍棄前代模具的一些內(nèi)側(cè)抽芯機構(gòu)，這樣可有效提高智能手機新產(chǎn)品的開發(fā)效率。以下著重介紹前代外殼的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 成型模腔設(shè)計

前代外殼精密模具設(shè)計的核心在于合理地設(shè)計成型模腔，以及成型模腔成型所需的各分系統(tǒng)。模腔布置如圖2 所示。為保證模腔成型的精密性，對其進行如下設(shè)計：

圖2 模腔布置

(1)單個模腔的分型面PL面采用平面分型面，在降低加工難度的同時，也利于排氣間隙的開設(shè)。

(2)模腔成型件材料選用0～200 ℃溫度區(qū)間內(nèi)熱膨脹系數(shù)相對較小的S136 (熱膨脹系數(shù)11.2×10-6K-1)以最大程度保證成型件的成型尺寸精度。S136 的應(yīng)用特點是耐磨損、耐腐蝕、使用壽命長、熱處理硬度可達HRC50～55，拋光性能好，能保證塑件外觀的高光潔度。為保證成型件強度，模腔四周單邊留40 mm 寬度，型腔一側(cè)頂面留45 mm 厚度，型芯一側(cè)底面留50 mm 厚度。

(3)為保證型腔鑲件、型芯鑲件復(fù)位閉合精度，型腔鑲件、型芯鑲件的四角使用4 個定位錐臺進行定位，且使用兩個小導(dǎo)柱進行導(dǎo)向，以確保型腔鑲件、型芯鑲件復(fù)位精度為0.01 mm。

(4)塑件的壁厚相對較薄，為薄壁塑件，模腔充填時，模腔內(nèi)氣體的充分排出是保證塑件成型尺寸精確的前提，因而型腔鑲件、型芯鑲件都須采取充分排氣措施，型腔鑲件分型線的周圍，必須設(shè)置多個排氣間隙，排氣間隙深度為0.01 mm，腔內(nèi)氣體經(jīng)引氣槽引出模腔外；在型芯鑲件一側(cè)，借助多個頂出件的安裝間隙進行排氣。

(5)采用多點澆注。因塑件壁厚非常薄，料流在模腔內(nèi)的流動較為困難，為保證模腔得到充分充填，模腔采用均布式6 個澆口進行充填，如圖3 所示，其中，澆口G1和G2為潛伏式澆口，進澆口直徑為0.8 mm；澆口G3～G6為點澆口，進澆口直徑為0.8 mm。為平衡澆口G1和G2與塑件自動分離時的受力，設(shè)置了潛伏式澆口G7和G8，以防止G1和G2拉壞塑件。潛伏式澆口G1和G2分別由兩條垂直分流道間接供料，點澆口G3～G6分別由各自對應(yīng)的垂直分流道直接供料。在各澆口的流道設(shè)置中，先由主流道Rz給6 個水平分流道R1～R6供料，再由各水平分流道給各自對應(yīng)的垂直分流道Rv1～Rv6供料；流道必須排氣，水平分流道R1～R6的末端設(shè)置有深度為0.01 mm 的排氣間隙及相應(yīng)的深度為0.5 mm 的引氣槽。

圖3 澆口設(shè)置

(6)使用差異化冷卻方式對模腔進行冷卻，如圖4 所示，型腔鑲件使用C1和C2兩條冷卻水管道進行冷卻，型芯鑲件使用一條冷卻水管道C3進行冷卻，這樣設(shè)置可確保型腔鑲件中的外觀面能獲得更為快速的冷卻，先收縮而脫離型腔鑲件成型面，在獲得高光外觀效果的同時，確保內(nèi)表面后收縮而留于型芯鑲件上；同時，也便于型腔鑲件、型芯鑲件采用不同溫度的冷卻水進行調(diào)節(jié)。冷卻水管道使用?10 mm 管道，對于管道C1和C2，其進、出口溫差小于3℃，對于管道C3小于5℃。

圖4 冷卻水管道

(7)為盡可能減小塑件的頂出變形，采用多個頂出元件均衡頂出塑件。鑒于塑件為薄壁塑件的緣故，在頂出時，由于塑件各區(qū)域間的頂出受力不同，塑件上各頂出區(qū)域之間的變形將會產(chǎn)生較大差異，從而導(dǎo)致塑件最終被頂出脫模時產(chǎn)生很大的變形，而造成成型塑件整體尺寸超差，使塑件變成殘次品，因而，在塑件脫模機構(gòu)設(shè)置中，除針對卡勾、側(cè)槽等特征設(shè)置必要的斜頂頂出機構(gòu)外，在塑件前、后端內(nèi)壁區(qū)域，針對筋特征、孔特征等設(shè)置了圓頂桿、方頂桿等類型頂出元件，以最大可能減小塑件因局部區(qū)域頂出力差異而造成的變形，如圖5 所示。針對局部區(qū)域，設(shè)置了I1～I4等鑲件實施局部抽芯脫模。為減小頂出脫模時塑件在型芯鑲件上的真空吸附力，型芯鑲件中央部位設(shè)置了兩處引氣槽，通過對應(yīng)的排氣間隙將大氣氣壓引入真空區(qū)域以平衡頂出時的真空吸附力。另外，多個頂出機構(gòu)元件的設(shè)置，增加了型芯鑲件一側(cè)的排氣間隙，有利于注塑時封閉模腔內(nèi)氣體的迅速排出。

圖5 脫模機構(gòu)

(8)為了保證塑件關(guān)鍵尺寸的成型精度達到MT4 級，模腔成型件中的型腔鑲件、型芯鑲件、芯部鑲件及斜頂頭等的關(guān)鍵尺寸精度應(yīng)控制在IT5～IT6。

3 模具結(jié)構(gòu)與工作過程

3.1 模具結(jié)構(gòu)

模具結(jié)構(gòu)如圖6 所示[13-15]。模具模腔布局為一模兩腔。模架使用三板模模架，有三次分型打開(開模面P1，P2，P3)。在模具中，包括斜頂10 在內(nèi)的兩個模腔中的所有斜頂都采用萬能斜頂結(jié)構(gòu)形式，即斜頂10 由桿式斜頂座12 頂出，桿式斜頂座12 的頂端設(shè)置有T 型槽，斜頂10 通過其下端的T 型截面導(dǎo)軌安裝在桿式斜頂座12 頂端的T 型槽內(nèi)，且可以滑動，這樣設(shè)置可以在保證斜頂10 的側(cè)抽芯行程前提下，有效縮減模具的整體周圍尺寸，節(jié)省成本。由于桿式斜頂座12 頂出時穩(wěn)定性的需要，需要設(shè)置黃銅耐磨板11 對其進行導(dǎo)向，黃銅耐磨板11 上開設(shè)對應(yīng)的導(dǎo)向孔與桿式斜頂座12 的圓桿部分的配合為滑動間隙配合，而其頂桿14 等其它頂出元件穿過黃銅耐磨板11 上對應(yīng)的孔時須采用避空方式穿過。在兩個模腔的成型件中，第一個模腔的成型件包括零件17～19，第二個模腔的成型件包括零件24～26，兩個模腔的成型件都使用獨立形式鑲件，便于成型模腔的修配和更換。為充分保證料流的流動性，澆口套22 使用套環(huán)23 固定在流道板3上，可有效縮短流道長度。

圖6 模具結(jié)構(gòu)

在模具中，其中一個模腔設(shè)置的兩個斜導(dǎo)柱滑塊機構(gòu)為S1和S2，S1用于塑件左側(cè)外壁按鍵側(cè)孔的側(cè)抽芯，S2用于塑件前端內(nèi)壁的豎直抽芯；對應(yīng)另一個模腔的兩個斜導(dǎo)柱滑塊機構(gòu)為S1′和S2′。模架中使用8 個導(dǎo)柱(4 個副導(dǎo)柱、4 個主導(dǎo)柱)進行導(dǎo)向，其中4 個副導(dǎo)柱36 用于增強定模固定板4 和動模固定板6 的導(dǎo)向，4 個主導(dǎo)柱37 用于流道板3、定模固定板4 和動模固定板6 運動的基礎(chǔ)導(dǎo)向。模具的順序開閉使用常規(guī)的控制元件開閉器35、短拉桿38、彈簧39、長拉桿40 進行控制。

3.2 工作過程

模具工作過程為：

(1)注塑。模具閉合，經(jīng)注塑、保壓、冷卻等過程后，等待開模。

(2)P1面打開。模具動模后退，彈簧39 撐開，模具首先在P1面處打開，打開時，流道廢料與塑件分離。

(3)P2面打開。動模繼續(xù)后退，模具在P2面處打開，流道廢料從流道板3 上脫落。

(4)P3面打開。動模繼續(xù)后退，模具在P3面處打開，塑件從型腔鑲件18，24 中脫出，留于動模一側(cè)成型件上；同步地，4 個滑塊機構(gòu)完成側(cè)抽芯動作。

(5)頂出。動模繼續(xù)后退，推板8 被注塑機頂桿頂住，隨著動模的繼續(xù)后退，塑件被斜頂、頂桿等從芯部鑲件19，25 上頂出而完全脫模。

(6)復(fù)位閉合。塑件脫模完畢，注塑機動模板推動模具動模按上述過程反向復(fù)位，復(fù)位后，模具開啟下一注塑循環(huán)。

4 結(jié)論

針對智能手機外殼換代的需要，設(shè)計了一副能適用于前、后兩代智能手機外殼制造的精密注射成型模具。在成型模腔設(shè)計中，成型件選用熱膨脹系數(shù)小、耐磨、拋光性能好的S136 合金鋼，型腔鑲件、型芯鑲件閉合時增加定位錐臺和小導(dǎo)柱增強定位，模架設(shè)置主導(dǎo)柱、副導(dǎo)柱兩套導(dǎo)向機構(gòu)增強定位，模腔流道末端增設(shè)排氣間隙，采用多澆口澆注系統(tǒng)以確保模腔獲得充分充填，型腔鑲件加強冷卻以獲得差異性溫度控制，多個頂出元件均衡頂出，以減小塑件的頂出變形，成型件關(guān)鍵尺寸制造誤差控制在IT5～IT6 級。