路英華，肖國華，李亞峰，勵偉定，徐生

(1.浙江工商職業(yè)技術學院機電工程學院，浙江寧波 315000； 2.寧波凱福萊特種汽車有限公司，浙江寧波 315020)

針對注塑模具結構的設計，首先應考慮塑件材料特性和成型特點(如流長比等)能否適用塑件形狀成型要求[1-3]，其次是考慮澆口位置、澆口形式、澆口數(shù)量及澆口對應的排氣通道等能否保證模腔獲得充分充填和滿足保壓調整以確保塑件成型品質[4-6]，再次是成型件能否方便開設溫度調節(jié)水路以改善塑件成型工況，最后是塑件的脫模方式及脫模步驟能否實現(xiàn)塑件的自動化生產(chǎn)[7-9]。這幾個問題是決定一副模具能否成功實現(xiàn)塑件優(yōu)良成型的關鍵。智能掃地機手柄側蓋塑件形狀不規(guī)則，采用常規(guī)模具設計手段難以獲得品質優(yōu)良的塑件，針對這一問題，筆者設計了一副兩板式模具，在模具中，使用牛角澆口對模腔進行澆注，采用兩次開模和兩次頂出動作以實現(xiàn)塑件的自動脫模，為配合兩次頂出需要，創(chuàng)新設計了一種二次頂出控制機構，為同類型塑件注塑模具的設計提供參考。

1 塑件分析

1.1 塑件結構

智能掃地機手柄側蓋塑件結構如圖1 所示，塑件為一種曲面網(wǎng)格工業(yè)構型塑件，其用途是扣接在掃地圓柱殼主機手柄外側起到封裝手柄內(nèi)壁電子元器件的作用，同時也起到外觀修飾作用。塑件側面呈圓弧形(圖1中K-K所示)，俯視圖呈喇叭形。塑件總高度為72 mm，總長度為118 mm，最大寬度為54 mm，平均壁厚為2 mm。塑件內(nèi)壁上，兩側為鏡像對稱關系，設置有8 個卡扣，一側為A1，A2，A3，A4四個卡扣，另一側為A5，A6，A7，A8四個卡扣，8個卡扣深度都為1 mm。上下兩端都設置有端側面，在下端側面的外壁上(K-K中F區(qū)域所示)，設置有一個寬度和高度均為4 mm的倒扣B1，其內(nèi)有一勾槽，深為4 mm。對應于倒扣B1的反面位置，倒扣B1在塑件的右下尾端形成一個深度為7 mm 的倒扣B2。按主機廠家要求，塑件的成型精度為MT4 (按GB/T 14486-2008)，外表光亮，不能留有明顯的熔接痕和分型痕跡，無后續(xù)處理要求，注塑完畢后即可使用，總產(chǎn)量為25萬件。

圖1 智能掃地機手柄側蓋塑件

1.2 塑件材料

按客戶指定使用聚碳酸酯(PC)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)合金材料進行成型，材料牌號為cycoloyCE1821 (沙伯基礎創(chuàng)新)，合金中PC 與ABS的質量分數(shù)分別為70%和30%，需符合歐盟ROHS環(huán)保要求。該合金材料的典型特點為既具有PC的優(yōu)良耐熱耐候性、尺寸穩(wěn)定性和耐沖擊性能，又具有ABS 優(yōu)良的加工流動性。合金材料收縮率為0.48%～0.53%，流長比Ks=100，經(jīng)計算，塑件形狀所決定的最長流動路徑為161 mm，空腔流長比為Ki=161/2=80.5，小于Ks，材料適合于塑件模腔的充填。塑件形狀的Ki與材料本身的Ks比較表明，使用該改性合金充填本塑件模腔時，模腔內(nèi)料流的流動性可得到保證，用于調節(jié)塑件成型品質的保壓工藝參數(shù)也能有較寬的閾值調整寬度。

1.3 成型和模具設計難點

塑件的成型包含以下幾個難點[10-13]。

(1)塑件外觀要求高，分型和澆注痕跡只能設置在隱蔽處，或者被主裝配件——掃地機主機圓柱殼手柄所包容和遮蓋，顯然，在塑件最大輪廓線邊沿開設側澆口或者在塑件外觀面上開設點澆口都不可行，最好的辦法是在塑件的內(nèi)壁面上開設點澆口。塑件內(nèi)壁面上開設點澆口常用的辦法是采用倒裝式模具結構，即型芯成型件安裝在模具定模一側，而型腔成型件安裝在動模一側，但倒裝式結構帶來的新問題是必須在定模一側設置頂出機構，定模頂出機構一般使用油缸進行驅動，模具結構變復雜，成本增加。

(2)因塑件的截面面積不同，如圖1 中所示的剖面J-J面和H-H面等，熔料在流動路徑上經(jīng)歷變化截面時容易產(chǎn)生弛豫問題，導致塑件表面可能產(chǎn)生較多的波紋暗影，嚴重影響塑件外觀。

(3)對于塑件內(nèi)壁上的8 個卡扣(A1～A8)，需要專門設置卡扣脫模機構實施脫模，否則塑件難以從模具中自動脫出。

(4)兩個端側面在實際模塑成型中，形成一種互斥型倒扣，即模腔在模具中擺放如能使塑件上端避免形成倒扣，則在塑件下端必定形成倒扣，反之亦然，抑或上端、下端都形成倒扣。上端、下端不同的倒扣取舍同時也影響到A1～A8 八個卡扣脫模機構的設計。

(5)下端F 區(qū)域倒扣B1 的勾槽脫模方向始終都是斜向，如不采用斜向抽芯脫模，塑件的模具結構布置會變得更復雜，加大模具的整體制造成本。

1.4 解決辦法

針對塑件的成型難點，采取了以下幾點設計措施。

(1)塑件在模腔中按圖2 所示進行布局擺放，因而，可以使用分型面I-I面對模腔進行分型，這樣的擺放方式有四個好處：一是可以使?jié)部趶乃芗淖顚捊孛孢M澆，向最小截面方向充填，避免充填過程中弛豫問題的發(fā)生；二是可以使8個卡扣A1～A8的成型特征集中設置在一組收縮滑塊4 和4’上，按分型面I-I的水平方向進行側抽芯，便于內(nèi)置收縮機構的設計，簡化模具結構；三是塑件下端形成的倒扣B2 可以通過一個斜頂5 進行頂出側抽芯即可解決下端內(nèi)壁脫模困難問題；四是可以通過使用1 個斜抽芯型芯解決倒扣B1勾槽脫模難題。按此布局后，模腔的澆注可以使用牛角澆口進行澆注，進膠點可以設置在塑件內(nèi)壁上，保證澆注痕跡不出現(xiàn)在塑件外壁上而影響塑件的外觀。這樣，能避免模具使用倒裝式模具結構。同時，牛角澆口在塑件與流道廢料同步頂出脫模時，可以實現(xiàn)流道廢料與塑件的自動分離。另外，此布局便于冷卻水路W1等的開設，以方便通過調整模具溫度等注塑工藝參數(shù)來調整塑件的成型質量。

(2)使用I-I面做分型面，分型面沿塑件的最大外沿輪廓延拓獲得，以保證分型痕跡的光順性，保證塑件外觀。

(3)在模腔成型件材料選材上做區(qū)分用材。分型后獲得的成型件型腔鑲件1、澆口鑲件2、型芯鑲件3、收縮滑塊4 和4’及倒扣B1 斜滑塊頭6 使用合金鋼材料718H，718H拋光性能比較好，可以使成型塑件獲得非常好的外觀質量。成型件選材時，也可以考慮使用拋光性能和硬度更好的NAK80。然而，NAK80 的耐磨性能不如718H，這是因為模具鋼材的耐磨性不僅取決于硬度值，還與模具鋼組織中是否存在大量堅硬細小且均勻分布的碳化物組織有直接關系。NAK80 碳含量只有0.1%，高硬度的NAK80 碳化物少，所以它的耐磨性不如718H。下端內(nèi)壁倒扣B2斜頂5對應的鋼材選用H13鋼材，原因在于彎曲和磨損是影響斜頂使用壽命的關鍵因素，若選用常用的VIKING，DC53 模具鋼做斜頂材料，雖其有較好的硬度和強度，但韌性不足容易斷裂，而韌性較好的P20，718，S136等模具鋼存在硬度不高、強度低的缺陷，故在使用中易出現(xiàn)磨損和折彎的現(xiàn)象，嚴重時會發(fā)生斷裂。

2 模具結構設計

2.1 模具中模腔布局

針對圖2 中所示單腔，在模具中的布局為一模兩腔，兩腔布局后的機構件及輔助零部件在模具模架中的安裝如圖3所示。

圖3 模具結構件安裝

2.2 模架的選用

模具模架選用冷澆口兩板式工字模架，由于收縮滑塊4，4’內(nèi)收抽芯驅動和倒扣B1斜滑塊頭6，6’斜向抽芯驅動的需要，模架中增加了墊板39，并且在動模板36 與墊板39 之間增加一次模板開模打開，打開面是K2 面[14-17]。模腔的開模打開面是K1面。模架中，為配合K2面的打開，推出機構中在基本的一次推板43 及其蓋板的上面增加了二次推板42及其蓋板。增加二次推板42及其蓋板的作用是，一次推板43可以通過動模板頂出桿10與動模板36緊固組合在一起，由一次推板43 推動動模板36 頂出而打開K2 面，避免為了在模架中增加K2 面打開功能而設計結構復雜的模板打開控制機構，簡化模具結構[18-20]。二次推板42 上可以設置頂出元件?8頂針25等對塑件實施最終頂出。

2.3 結構件安裝

如圖3中前視局部剖視圖(A-A視圖)所示，牛角澆口的成型件設置成鏡像對稱型成型件——澆口鑲件2和澆口鑲件2’，這樣可便于牛角澆口的加工。

倒扣B1 斜滑塊頭6 和6’分別為兩個模腔的倒扣B1 成型件，以倒扣B1 斜滑塊頭6’的驅動為例，倒扣B1 斜滑塊頭6’安裝在斜滑塊29 上，斜滑塊29安裝在動模板36 上，由安裝在墊板39 上的倒裝式楔緊塊28通過其上的T型導軌進行驅動，只有當K2面打開時，楔緊塊28 才能驅動斜滑塊29 和倒扣B1斜滑塊頭6’實施斜抽芯，斜向抽芯距為6 mm，斜滑塊29斜向移動方向與開模方向的夾角為60°。模具閉合時，楔緊塊28 依靠其左上端錐度為10°的斜坡面進行鎖緊，防止斜滑塊29松退。楔緊塊28的T型導軌在斜滑塊29 完成抽芯抽出后依然停留在斜滑塊29的T型槽內(nèi)，以確保K2面閉合時，楔緊塊28能準確驅動斜滑塊29復位。

如圖3中左視局部剖視圖(B-B視圖)所示，每個模腔中設置了收縮滑塊4，4’，用于8個卡扣的成型。收縮滑塊4，4’上都設置有T型導軌35，通過該T型導軌35，中心型芯34 可以同步驅動收縮滑塊4，4’做內(nèi)收式抽芯。收縮滑塊4，4’通過滑動壓塊33 安裝在型芯鑲件8，9的組合件上。當K2面打開時，中心型芯34拉動收縮滑塊4，4’做內(nèi)收抽芯移動，完成塑件上8個卡扣的抽芯脫模。

兩個模腔中的下端內(nèi)壁倒扣B2斜頂5，5’都通過二次推板42的斜頂座24驅動實施頂出側抽芯動作。塑件的最終頂出脫模由二次推板42 上所布置的多根?4 頂針23，?8 頂針25 及下端內(nèi)壁倒扣B2斜頂5，5’共同頂出而實現(xiàn)完全脫模。

2.4 二次頂出控制機構工作原理

為控制一次推板43、二次推板42能分兩次實施頂出而設計了二次頂出控制機構，機構的組件包括件16～21，其工作原理如圖4 所示。當模具動模(動模板36 以下所有零部件)按圖4 中F向下行后退一定距離后，到達狀態(tài)I位置，此時兩次推桿16被注塑機擋板擋住。由于兩次推桿16 的上端與二次推板42緊固組合在一起，因而，二次推板42也保持不動。同時，由于兩次推桿16通過其上的圓環(huán)槽M與卡位活動塊18的配合，能拉住一次限位管19同步不動，而一次限位管19 上端用螺紋緊固安裝在一次推板43 下端面，從而一次推板43 也能維持不動，這樣一次推板43 上的動模板頂出桿10、二次推板42 上的?8頂針25等都保持同步不動。兩次推桿16頂住二次推板42使其保持不動，在模具下行方向F向上一直沒有相對移動，停留在狀態(tài)I所示位置。

圖4 二次頂出控制機構工作原理

隨著動模的繼續(xù)下行，動模包括動模座板44、墊板39 等繼續(xù)下行(F向)，動模座板44 帶著其上的調節(jié)限位管17 一起下行，下行一定距離后，卡位活動塊18 被迫進入調節(jié)限位管17 內(nèi)的凹槽L 內(nèi)，從而，兩次推桿16 和一次限位管19 之間失去卡位活動塊18 的連接而能相對滑動，動模座板44 通過卡位活動塊18 帶動一次限位管19 下行，從而帶動一次推板43 下行，而二次推板42 只能繼續(xù)停留在原位置，模具處于狀態(tài)II所示位置，此過程中，K2面被打開。

在此過程中，隨著動模動模座板44、墊板39 等的同步繼續(xù)下行，動模座板44 通過調節(jié)限位管17拉動一次推板43一起繼續(xù)下行，從而拉動動模板36也一起下行，進而在二次推板42 上的多根頂針(件23、件25)及下端內(nèi)壁倒扣B2 斜頂5，5’等的頂托下，動模板36上的型芯鑲件3，8，9和收縮滑塊4，4’等從塑件中分離而出，最終塑件留于頂針(件23、件25)及下端內(nèi)壁倒扣B2 斜頂5，5’等上而自動脫落，模具處于狀態(tài)III所示位置。

第一次頂出距離為30 mm，第二次頂出距離為50 mm，頂出過程直到墊板39被二次推板42的蓋板上端面所擋住而停止。復位時，機構的動作相反。

2.5 輔助機構件在模具中的布置

成型件、脫模機構件、輔助功能件、水路等在模架中的布置如圖5所示。

圖5 結構件在模架中的平面布置

模具中，模腔為一模兩腔布局，對于型腔鑲件1、型芯鑲件3 等，使用鑲件鑲入模板中的方式進行安裝，這樣有益于成型零部件的加工，也有利于節(jié)省成型件貴重材料，節(jié)省模具制造成本。

推板導柱13、導柱46、導套49、定距拉桿38、樹脂開閉器54、復位桿55等輔助功能零件均采用1模4件平衡式布置，以確保模具工作的平穩(wěn)性。4個導柱46 中有1 個導柱為非對稱安裝，以防止定模、動模配模閉合時裝錯而損壞成型件。

3 模具工作原理

結合圖3 和圖4，模具工作原理如圖6 所示，具體工作過程為：

圖6 模具工作原理

(1)注塑，模具在注塑機中閉合完成注塑過程；

(2)K1面打開，注塑完成后，注塑機動模拉動模具動模按F向下行，模具先在K1 面處打開，打開過程中，塑件從型腔鑲件1中脫出，留于動模一側；

(3)K2面打開(第一次頂出)，動模繼續(xù)后退到一定位置時，兩次推桿16 被注塑機擋板頂住，隨著動模的繼續(xù)下行，K2面被打開，4個收縮滑塊4及2個斜滑塊29等完成抽芯動作，此過程對應于二次頂出機構的第一次頂出；

(4)第二次頂出，隨著動模繼續(xù)下行，動模板36跟隨下行，其上的型芯鑲件3，8，9 和收縮滑塊4，4’等從塑件中分離而出，最終塑件留于頂針(件23、件25)及下端內(nèi)壁倒扣B2 斜頂5 等上而自動脫落，在此過程中下端內(nèi)壁倒扣B2斜頂5同步完成側抽芯；

(5)復位，過程與開模過程相反。

4 結語

(1)針對智能掃地機手柄側蓋塑件使用PC/ABS合金成型難題，使用牛角澆口對模腔進行澆注，實現(xiàn)了塑件與廢料的自動分離，保證了模腔內(nèi)熔料流動的充分性，使塑件的外觀品質得到充分保證。

(2)在設計模具時，使用推板二次頂出的辦法增加一次模具模板的打開：第一次頂出時，倒扣B1可以使用斜滑塊抽芯脫模，8個卡扣可以使用收縮滑塊側抽芯脫模；第二次頂出時，內(nèi)壁排位凹槽形成的倒扣B2可以使用斜頂側抽芯脫模，從而有效簡化了模具結構。

(3)在二次頂出控制機構設計中，通過調節(jié)限位管上的卡位活動塊的移位動作，實現(xiàn)調節(jié)限位管與兩次推桿的組合、調節(jié)限位管與一次限位管的組合，達到控制一次推板、二次推板組合與分離的動作目的，優(yōu)化簡化了二次頂出推板控制機構件設計，機構動作可靠，有效降低了模具制造成本。