程文，王書平

(1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波 315800； 2.山東非金屬材料研究所，濟南 250031)

塑件產(chǎn)品設(shè)計中，為實現(xiàn)塑件的一些功能常常需要設(shè)計一些倒扣特征，這些倒扣特征對塑件的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計有非常大的影響，主要是在塑件注射成型模具設(shè)計中，需要設(shè)計相應(yīng)機構(gòu)來實現(xiàn)塑料上這些倒扣特征的成型與脫模[1-5]。倒鉤是塑件倒扣特征中的一種，其特點是在塑件內(nèi)壁的底部或中部設(shè)置鉤形局部特征，用于有類似上下殼蓋裝配連接的應(yīng)用場合。倒鉤在具體的塑件上設(shè)置時，有幾種類型，一種是局部位置小寬度倒鉤，另一種是斷續(xù)環(huán)周形倒鉤，還有一種是連續(xù)環(huán)周形倒鉤[6-10]。對于第一種倒鉤，模具中一般使用斜頂機構(gòu)進行成型和脫模。對于斷續(xù)環(huán)周形和連續(xù)環(huán)周形，可使用哈夫斜頂、哈夫滑塊等機構(gòu)的，也有使用螺紋旋轉(zhuǎn)抽芯來脫模。對于同心圓環(huán)壁底部都設(shè)置連續(xù)環(huán)周形倒鉤的塑料件成型與脫模，此類情況非常少見，筆者結(jié)合某濕巾包裝蓋內(nèi)壁設(shè)置有同心橢圓形和圓形雙圈環(huán)壁，且雙圈環(huán)壁底部都設(shè)置有連續(xù)環(huán)周形倒鉤的塑件結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一種針對該雙圈環(huán)鉤脫模的強脫三次頂出脫模的多板模具，用于該塑件的成型，實現(xiàn)了該塑件的自動化生產(chǎn)，有較好的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計借鑒價值。

1 濕巾包裝蓋塑件

1.1 塑件結(jié)構(gòu)

濕巾包裝蓋塑件結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，由圖1 中正視圖可見，塑件外觀為一種臺階盒蓋，臺階蓋的中心部位設(shè)置一圈橢圓形臺筋和一個橢圓形平臺。塑件的內(nèi)壁上，由反面視圖可見，設(shè)置一個矩形外圈直壁，一個橢圓形中圈夾心直壁，一個圓心內(nèi)圈直壁。在橢圓形中圈夾心直壁和圓心內(nèi)圈直壁的底部，都設(shè)置整圈倒鉤。矩形外圈直壁包圍的內(nèi)部設(shè)置有1個圓柱特征和2個定位筋特征。塑件整體包裝尺寸為86.6 mm×63 mm×7.4 mm。塑件平均壁厚1.2 mm，最大壁厚2 mm，最小壁厚1 mm。

圖1 濕巾包裝蓋塑件圖

1.2 塑件模塑成型難點分析

塑件使用注射成型時，模具設(shè)計的最大難點在于橢圓形中圈夾心直壁和圓心內(nèi)圈直壁的底部倒鉤特征的脫模。針對此兩個倒鉤，采用斜頂或內(nèi)縮滑塊難以實現(xiàn)脫模，原因在于，若采用斜頂，需要設(shè)置多個斜頂，在具體機構(gòu)設(shè)計時，橢圓形中圈夾心直壁倒鉤的斜頂和圓心內(nèi)圈直壁倒鉤的斜頂勢必產(chǎn)生機構(gòu)干涉，設(shè)計空間不夠，特別是在橢圓形中圈夾心直壁和圓心內(nèi)圈直壁內(nèi)壁最接近位置，斜頂機構(gòu)更是無法設(shè)計和安裝[11-15]。同樣，若采用內(nèi)縮式滑塊，同樣也面臨設(shè)計空間不夠的問題。解決此矛盾的唯一辦法是考慮利用塑件的彈性變形來進行強制脫模，即橢圓形中圈夾心直壁倒鉤和圓心內(nèi)圈直壁倒鉤都采用強制脫模辦法脫模，分兩次進行強脫。但強脫的前提是，塑件成型后橢圓形中圈夾心直壁倒鉤和圓心內(nèi)圈直壁倒鉤不能被破壞。這需要選用合理的塑料材料、合理的成型精度、合適的變形比(凹凸百分率)，并且強制推出時必須有足夠讓位的空間才能保證兩處倒鉤特征不被破壞。

塑件上的倒鉤可以看成是一種塑件上的側(cè)向凹凸，側(cè)向凹凸的尺寸需滿足一定的凹凸百分率才能實施強制脫模。通常硬質(zhì)塑料如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料等，在含玻纖時，其凹凸百分率應(yīng)在3%以下，不含玻纖時，其凹凸百分率在5%以下。對于軟質(zhì)塑料，如聚乙烯、聚丙烯(PP)、聚甲醛、聚氯乙烯等，在含玻纖時，其凹凸百分率在8% 以下，不含玻纖時，其凹凸百分率應(yīng)在12%以下。針對塑件強制脫模時的凹凸百分率δ要求，其計算公式為:

式中:δ——凹凸百分率；

Da——凹凸最大尺寸；

Db——壁外徑；

Dc——壁內(nèi)徑。

圖2 為塑件強制脫模關(guān)鍵尺寸分析。結(jié)合圖2可見，對于橢圓形中圈夾心直壁倒鉤的短軸處的凹凸百分率δ1=[(25.4-24.0)/21.5]×100%=6.52%；長軸處的凹凸百分率δ2= [(45.7-43.1)/41.8] ×100%=6.22%。對于圓心內(nèi)圈直壁倒鉤的凹凸百分率δ3=[(16.8-15.8)/14.3]×100%=6.99%。顯然，若采用強制脫模，綜合材料成本等因素，塑件材料選用PP 較為合適。

圖2 塑件強制脫模關(guān)鍵尺寸分析

又由于塑件為日常生活用途，塑件成型精度可以選用較低的精度，取MT6-8 級較為合適，這樣便于塑件的兩個倒鉤使用強制脫模方式進行脫模。塑件脫模角度及修飾特征設(shè)計時，側(cè)向凹凸必須有圓角和足夠的脫模斜度，尖角無法強脫。為保證強制推出時必須有足夠讓位的空間才能保證兩處倒鉤特征不被破壞，針對兩個倒鉤的強制脫模分兩次進行。

2 注射成型工藝設(shè)計

PP 材料選用A Schulman 公司的Polyflam RPP1058UHF，材料收縮率為0.9%～1.2%。采用其推薦的注射成型工藝參數(shù)進行塑件的注射成型。具體工藝參數(shù)為:模具表面溫度50 ℃，熔體溫度230 ℃，注塑壓力80 MPa，注射時間1.2 s，背壓2.5 MPa。保壓2 段保壓，第一段40 MPa/4 s，第二段20 MPa/5 s。常溫水冷，頂出溫度93 ℃。

3 模具設(shè)計

依據(jù)塑件的模塑成型特點分析，結(jié)合塑件的產(chǎn)量需求，擬使用1 模2 腔布局對塑件進行生產(chǎn)。具體的模具設(shè)計如下。

3.1 分型及成型零件設(shè)計

模具中模腔有兩個，以其中的一個模腔設(shè)計為例，模腔的分型設(shè)計及成型零件設(shè)計如下。首先，以塑件的最大外沿輪廓為分型線，使用UG 軟件設(shè)計出一個平面型模腔分型面PL面，用該面對單模腔進行分割[16-19]。單模腔的成型件中，主要成型件使用鑲件鑲拼后安裝在模板?？虿壑械慕Y(jié)構(gòu)形式，因而，使用分型面PL面對單模腔鑲件進行分型后獲得的型腔鑲件1、型芯鑲件2。圖3為單腔模腔分型及成型件設(shè)計。其次，為配合塑件的強制脫模需要，對型芯鑲件2進行二次成型件分割設(shè)計。在此分割中，先分割出圓心內(nèi)圈直壁心部鑲件4，該心部鑲件4的作用是為圓心內(nèi)圈直壁倒鉤的強制脫模提供變形空間，即圓心內(nèi)圈直壁倒鉤強制脫模前，心部鑲件4必須先從塑件圓心內(nèi)圈直壁的內(nèi)壁上抽走。然后再分割出夾在橢圓形中圈夾心直壁和圓心內(nèi)圈直壁之間的中間區(qū)鑲件3，該鑲件的作用同心部鑲件4 的作用一樣，即在橢圓形中圈夾心直壁倒鉤強制脫模前，必須先將中間區(qū)鑲件3抽出，這樣橢圓形中圈夾心直壁才有變形空間。設(shè)置中心頂桿5、中間區(qū)頂桿6、外區(qū)頂桿7的作用是將塑件從型芯鑲件2 上完全頂出，其中，外區(qū)頂桿7 擔(dān)負(fù)的另一個作用是驅(qū)動塑件的橢圓形中圈夾心直壁倒鉤從型芯鑲件2 上強制頂出。綜上，塑件按以下過程進行得以實現(xiàn)自動化完全脫模:第一步，抽走心部鑲件4，圓心內(nèi)圈直壁倒鉤可以強制脫模；第二步，抽走中間區(qū)鑲件3，圓心內(nèi)圈直壁倒鉤實現(xiàn)強制脫模，橢圓形中圈夾心直壁倒鉤可以強制脫模；第三步，中心頂桿5、中間區(qū)頂桿6、外區(qū)頂桿7、橢圓形中圈夾心直壁倒鉤從型芯鑲件2 上強制脫模，塑件的其余部分則被中心頂桿5、中間區(qū)頂桿6、外區(qū)頂桿7 聯(lián)合從型芯鑲件2上頂出而完全脫模。

圖3 單腔模腔分型及成型件設(shè)計

單腔模腔的澆注使用一個側(cè)澆口進行澆注，側(cè)澆口使用矩形截面?zhèn)葷部?，澆口尺寸? mm×0.8 mm。模腔冷卻設(shè)置中，型腔鑲件1使用5條平行水路進行冷卻，型芯鑲件2使用2條平行水路，水路管道直徑為8 mm。

圖4 為模具結(jié)構(gòu)圖。由圖4a 可見，模具的基本結(jié)構(gòu)使用一種兩板模結(jié)構(gòu)，一模兩腔布局，澆注系統(tǒng)使用冷流道側(cè)澆口形式進行澆注。模具在普通兩板模的基礎(chǔ)上改進為多板模[20-22]，由圖4b可見，即在兩模的基礎(chǔ)上增設(shè)第一墊板23和第二墊板21，這樣在給動模板25 和第一墊板23 分別加上2 組導(dǎo)套24 和導(dǎo)套22 后，動模板25 和第一墊板23 變?yōu)榛顒幽０?。定模?7、動模板25的基本作用為分別安裝型腔鑲件1、型芯鑲件2。模具的頂出機構(gòu)設(shè)置中，增加了2組頂出板機構(gòu)，分別為包括推板15在內(nèi)的第二次頂出機構(gòu)、包括推板13在內(nèi)的第一次頂出機構(gòu)。包括推板17 在內(nèi)的第三次頂出機構(gòu)用于推動中心頂桿5、中間區(qū)頂桿6、外區(qū)頂桿7 頂出。第一次頂出機構(gòu)、第二次頂出機構(gòu)、第三次頂出機構(gòu)的分離與閉合控制機構(gòu)為插桿鎖芯機構(gòu)11。

圖4 模具結(jié)構(gòu)圖

心部鑲件4緊固安裝在第二墊板21上，中間區(qū)鑲件3 緊固安裝在第一墊板23 上，型芯鑲件2 緊固安裝在動模板25 內(nèi)的模框槽內(nèi)，同樣，型腔鑲件1也緊固安裝在定模板27 內(nèi)的模框槽內(nèi)。推出機構(gòu)設(shè)計如圖5 所示，動模板25 通過連桿9 與第二次頂出機構(gòu)連為一體，第一墊板23 通過連桿32 與第一次頂出機構(gòu)連為一體。第一次頂出機構(gòu)的頂出行程由限位柱8 進行限制，頂出行程為t1=7 mm；第二次頂出機構(gòu)的頂出行程由限位柱10進行限制，頂出行程為t2=14 mm；第三次頂出機構(gòu)的頂出行程為t3=15 mm。頂出時，注塑機頂桿通過推動第一次頂出機構(gòu)而帶動第二次頂出機構(gòu)、第三次頂出機構(gòu)頂出，即第三次頂出機構(gòu)的推板13上安裝有長柱型尼龍扣機33，第一次頂出機構(gòu)通過摩擦力來帶動第二次頂出機構(gòu)、第三次頂出機構(gòu)頂出。

圖5 推出機構(gòu)設(shè)計

3.2 插桿鎖芯機構(gòu)設(shè)計

插桿鎖芯機構(gòu)11 的機構(gòu)零件組成如圖6 所示。機構(gòu)中，由圖6a 可見，鎖鉤34 與鎖芯37、鎖芯40 配合，分別用于第三次頂出機構(gòu)與第二次頂出機構(gòu)的鎖緊、第三次頂出機構(gòu)與第一次頂出機構(gòu)的鎖緊。鎖芯37、鎖芯40 分別由彈簧36、彈簧39 輔助驅(qū)動。鎖鉤34上分別對應(yīng)設(shè)置有2個鉤子。鎖板35、鎖板38 分別安裝在推板15、推板13 的側(cè)端面。插桿41也分別設(shè)置有兩處鎖閉槽和開鎖凸起。鎖鉤34 用螺釘緊固安裝在第一次頂出機構(gòu)的推板17上，插桿41用螺釘緊固安裝在底板12的一端。

圖6 插桿鎖芯機構(gòu)設(shè)計

機構(gòu)的工作原理:結(jié)合圖5、圖6b 可見，注塑結(jié)束后，3個頂出機構(gòu)處于鎖閉狀態(tài)，開模取件時，3個頂出機構(gòu)即將頂出。模具打開后，在注塑機頂桿推動推板17 按F1 向往上頂出過程中，由于尼龍扣33的摩擦力拉動及鎖鉤34上兩個鉤子的鎖閉作用，推板17 將帶動推板15、推板13 同步上行。當(dāng)上行距離為t1時，限位柱8被上端的第二墊板21擋住，推板13 不能繼續(xù)上行，第一次頂出板機構(gòu)停止頂出，此時，插桿41 上的第一個開鎖斜坡面g1 完成鎖芯40的F2 向的推移，使鎖鉤34 與鎖芯40 之間的鎖閉狀態(tài)解除，第一次頂出機構(gòu)與第三次頂出機構(gòu)分離。同樣，隨著推板17的繼續(xù)上行，上行距離為t2時，插桿41 上的第二個開鎖斜坡面g2 完成鎖芯37 的F2向的推移，使鎖鉤34 與鎖芯37 之間的鎖閉狀態(tài)解除，第二次頂出機構(gòu)與第三次頂出機構(gòu)分離。兩次分離完成后，第三次頂出板機構(gòu)繼續(xù)頂出15 mm(t3=29 mm)，直至塑件完全頂出脫模。復(fù)位時，過程相反，鎖鉤34、插桿41 上開設(shè)的反向斜面能保證機構(gòu)可靠復(fù)位。

3.3 模具工作原理

模具安裝在注塑機上后，模具工作原理如圖7所示，其具體工作原理如下。

圖7 模具工作原理

(1)閉模注塑。模具在注塑機上閉合，完成充填、保壓、冷卻等過程后，等待開模。

(2)K1 面打開。隨著注塑機動模的后退，模具先在K1 面處打開，打開后，塑件從型腔鑲件1 中脫出，留于型芯鑲件2上。

(3)第一次頂出。注塑機頂桿動作，配合以插桿鎖芯機構(gòu)11 的控制，推動推板17、推板15、推板13同步上行，即EJ1面打開，與此同時，動模板25、第一墊板23 同步上行，K2 面被同步打開，心部鑲件4 從塑件中抽出。抽出7 mm 后停止。第一次頂出完成。

(4)第二次頂出。推板17、推板15繼續(xù)上行，K3面打開，也即頂出面EJ2面打開，中間區(qū)鑲件3從塑件中抽出，抽出7 mm后停止。過程中，圓心內(nèi)圈直壁倒鉤的強制脫模完成。

(5)第三次頂出。推板17繼續(xù)上行，也即頂出面EJ3 面打開，推動中心頂桿5、中間區(qū)頂桿6、外區(qū)頂桿7等將塑件從型芯鑲件2上頂而實現(xiàn)塑件的完全脫模。過程中，橢圓形中圈夾心直壁倒鉤的強制脫模同步完成。

(6)復(fù)位。復(fù)位過程與開模過程相反。

4 結(jié)語

針對某濕巾包裝蓋塑件存在兩圈連續(xù)型倒鉤的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一副冷流道側(cè)澆口模具用于塑件的成型。模具的模腔布局為一模兩腔，結(jié)構(gòu)為四板式結(jié)構(gòu)。為確保塑件兩圈連續(xù)倒鉤強制脫模時無損傷脫模，塑件的脫模設(shè)置為分4次分步脫模，分別為從型腔鑲件內(nèi)的脫模、心部鑲件抽芯脫模、中間區(qū)鑲件抽芯脫模及最終頂桿頂出脫模。心部鑲件抽芯為第一次圓心內(nèi)圈直壁倒鉤強制脫模提供變形空間；中間區(qū)鑲件抽芯脫模既完成第一次圓心內(nèi)圈直壁倒鉤強制脫模，又為橢圓形中圈夾心直壁倒鉤的強制脫模提供變形空間；最后依靠頂桿完成塑件的最終頂出脫模和橢圓形中圈夾心直壁倒鉤的強制脫模。通過分步強制脫模的辦法，解決了塑件雙圈倒鉤成型與脫模難題。進而，將模具結(jié)構(gòu)設(shè)計為一種三次開模、三次頂出結(jié)構(gòu)四板模。為控制3 個頂出機構(gòu)的三次頂出按序頂出，設(shè)計了一種新型插桿鎖芯機構(gòu)，機構(gòu)能實現(xiàn)三次頂出中兩次頂出機構(gòu)的分離與閉合，簡單實用。模具應(yīng)用于生產(chǎn)實際中后，塑件良品率可達96%以上。