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(jì)南 250031)

塑件產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)塑件的一些功能常常需要設(shè)計(jì)一些倒扣特征，這些倒扣特征對(duì)塑件的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有非常大的影響，主要是在塑件注射成型模具設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)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(diǎn)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(chǎng)合。倒鉤在具體的塑件上設(shè)置時(shí)，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(duì)于第一種倒鉤，模具中一般使用斜頂機(jī)構(gòu)進(jìn)行成型和脫模。對(duì)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(jī)構(gòu)的，也有使用螺紋旋轉(zhuǎn)抽芯來(lái)脫模。對(duì)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(jiàn)，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(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)該雙圈環(huán)鉤脫模的強(qiáng)脫三次頂出脫模的多板模具，用于該塑件的成型，實(shí)現(xiàn)了該塑件的自動(dòng)化生產(chǎn)，有較好的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借鑒價(jià)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(jiàn)，塑件外觀為一種臺(tái)階盒蓋，臺(tái)階蓋的中心部位設(shè)置一圈橢圓形臺(tái)筋和一個(gè)橢圓形平臺(tái)。塑件的內(nèi)壁上，由反面視圖可見(jiàn)，設(shè)置一個(gè)矩形外圈直壁，一個(gè)橢圓形中圈夾心直壁，一個(gè)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(gè)圓柱特征和2個(gè)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(diǎn)分析

塑件使用注射成型時(shí)，模具設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)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(duì)此兩個(gè)倒鉤，采用斜頂或內(nèi)縮滑塊難以實(shí)現(xiàn)脫模，原因在于，若采用斜頂，需要設(shè)置多個(gè)斜頂，在具體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，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(shì)必產(chǎn)生機(jī)構(gòu)干涉，設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)更是無(wú)法設(shè)計(jì)和安裝[11-15]。同樣，若采用內(nèi)縮式滑塊，同樣也面臨設(shè)計(jì)空間不夠的問(wèn)題。解決此矛盾的唯一辦法是考慮利用塑件的彈性變形來(lái)進(jìn)行強(qiáng)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(qiáng)制脫模辦法脫模，分兩次進(jìn)行強(qiáng)脫。但強(qiáng)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(qiáng)制推出時(shí)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(shí)施強(qiáng)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(shí)，其凹凸百分率應(yīng)在3%以下，不含玻纖時(shí)，其凹凸百分率在5%以下。對(duì)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(shí)，其凹凸百分率在8% 以下，不含玻纖時(shí)，其凹凸百分率應(yīng)在12%以下。針對(duì)塑件強(qiáng)制脫模時(shí)的凹凸百分率δ要求，其計(jì)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(qiáng)制脫模關(guān)鍵尺寸分析。結(jié)合圖2可見(jiàn)，對(duì)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(zhǎng)軸處的凹凸百分率δ2= [(45.7-43.1)/41.8] ×100%=6.22%。對(duì)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(qiáng)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(qiáng)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(jí)較為合適，這樣便于塑件的兩個(gè)倒鉤使用強(qiáng)制脫模方式進(jìn)行脫模。塑件脫模角度及修飾特征設(shè)計(jì)時(shí)，側(cè)向凹凸必須有圓角和足夠的脫模斜度，尖角無(wú)法強(qiáng)脫。為保證強(qiáng)制推出時(shí)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(duì)兩個(gè)倒鉤的強(qiáng)制脫模分兩次進(jìn)行。

2 注射成型工藝設(shè)計(jì)

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(jìn)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(shí)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(jì)

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

3.1 分型及成型零件設(shè)計(jì)

模具中模腔有兩個(gè)，以其中的一個(gè)模腔設(shè)計(jì)為例，模腔的分型設(shè)計(jì)及成型零件設(shè)計(jì)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(jì)出一個(gè)平面型模腔分型面PL面，用該面對(duì)單模腔進(jìn)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(duì)單模腔鑲件進(jìn)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(jì)。其次，為配合塑件的強(qiáng)制脫模需要，對(duì)型芯鑲件2進(jìn)行二次成型件分割設(shè)計(jì)。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(qiáng)制脫模提供變形空間，即圓心內(nèi)圈直壁倒鉤強(qiáng)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(qiáng)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(gè)作用是驅(qū)動(dòng)塑件的橢圓形中圈夾心直壁倒鉤從型芯鑲件2 上強(qiáng)制頂出。綜上，塑件按以下過(guò)程進(jìn)行得以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)制脫模，橢圓形中圈夾心直壁倒鉤可以強(qiáng)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(qiáng)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(jì)

單腔模腔的澆注使用一個(gè)側(cè)澆口進(jìn)行澆注，側(cè)澆口使用矩形截面?zhèn)葷部冢瑵部诔叽鐬? 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(jìn)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(jiàn)，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(jìn)行澆注。模具在普通兩板模的基礎(chǔ)上改進(jìn)為多板模[20-22]，由圖4b可見(jiàn)，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(dòng)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(dòng)模板25 和第一墊板23 變?yōu)榛顒?dòng)模板。定模板27、動(dòng)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(jī)構(gòu)設(shè)置中，增加了2組頂出板機(jī)構(gòu)，分別為包括推板15在內(nèi)的第二次頂出機(jī)構(gòu)、包括推板13在內(nèi)的第一次頂出機(jī)構(gòu)。包括推板17 在內(nèi)的第三次頂出機(jī)構(gòu)用于推動(dòng)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(jī)構(gòu)、第二次頂出機(jī)構(gòu)、第三次頂出機(jī)構(gòu)的分離與閉合控制機(jī)構(gòu)為插桿鎖芯機(jī)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(dòng)模板25 內(nèi)的?？虿蹆?nèi)，同樣，型腔鑲件1也緊固安裝在定模板27 內(nèi)的?？虿蹆?nèi)。推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5 所示，動(dòng)模板25 通過(guò)連桿9 與第二次頂出機(jī)構(gòu)連為一體，第一墊板23 通過(guò)連桿32 與第一次頂出機(jī)構(gòu)連為一體。第一次頂出機(jī)構(gòu)的頂出行程由限位柱8 進(jìn)行限制，頂出行程為t1=7 mm；第二次頂出機(jī)構(gòu)的頂出行程由限位柱10進(jìn)行限制，頂出行程為t2=14 mm；第三次頂出機(jī)構(gòu)的頂出行程為t3=15 mm。頂出時(shí)，注塑機(jī)頂桿通過(guò)推動(dòng)第一次頂出機(jī)構(gòu)而帶動(dòng)第二次頂出機(jī)構(gòu)、第三次頂出機(jī)構(gòu)頂出，即第三次頂出機(jī)構(gòu)的推板13上安裝有長(zhǎng)柱型尼龍扣機(jī)33，第一次頂出機(jī)構(gòu)通過(guò)摩擦力來(lái)帶動(dòng)第二次頂出機(jī)構(gòu)、第三次頂出機(jī)構(gòu)頂出。

圖5 推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 插桿鎖芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

插桿鎖芯機(jī)構(gòu)11 的機(jī)構(gòu)零件組成如圖6 所示。機(jī)構(gòu)中，由圖6a 可見(jiàn)，鎖鉤34 與鎖芯37、鎖芯40 配合，分別用于第三次頂出機(jī)構(gòu)與第二次頂出機(jī)構(gòu)的鎖緊、第三次頂出機(jī)構(gòu)與第一次頂出機(jī)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(dòng)。鎖鉤34上分別對(duì)應(yīng)設(shè)置有2個(gè)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(kāi)鎖凸起。鎖鉤34 用螺釘緊固安裝在第一次頂出機(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)的工作原理:結(jié)合圖5、圖6b 可見(jiàn)，注塑結(jié)束后，3個(gè)頂出機(jī)構(gòu)處于鎖閉狀態(tài)，開(kāi)模取件時(shí)，3個(gè)頂出機(jī)構(gòu)即將頂出。模具打開(kāi)后，在注塑機(jī)頂桿推動(dòng)推板17 按F1 向往上頂出過(guò)程中，由于尼龍扣33的摩擦力拉動(dòng)及鎖鉤34上兩個(gè)鉤子的鎖閉作用，推板17 將帶動(dòng)推板15、推板13 同步上行。當(dāng)上行距離為t1時(shí)，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(jī)構(gòu)停止頂出，此時(shí)，插桿41 上的第一個(gè)開(kāi)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(jī)構(gòu)與第三次頂出機(jī)構(gòu)分離。同樣，隨著推板17的繼續(xù)上行，上行距離為t2時(shí)，插桿41 上的第二個(gè)開(kāi)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(jī)構(gòu)與第三次頂出機(jī)構(gòu)分離。兩次分離完成后，第三次頂出板機(jī)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(shí)，過(guò)程相反，鎖鉤34、插桿41 上開(kāi)設(shè)的反向斜面能保證機(jī)構(gòu)可靠復(fù)位。

3.3 模具工作原理

模具安裝在注塑機(jī)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(jī)上閉合，完成充填、保壓、冷卻等過(guò)程后，等待開(kāi)模。

(2)K1 面打開(kāi)。隨著注塑機(jī)動(dòng)模的后退，模具先在K1 面處打開(kāi)，打開(kāi)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(jī)頂桿動(dòng)作，配合以插桿鎖芯機(jī)構(gòu)11 的控制，推動(dòng)推板17、推板15、推板13同步上行，即EJ1面打開(kāi)，與此同時(shí)，動(dòng)模板25、第一墊板23 同步上行，K2 面被同步打開(kāi)，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(kāi)，也即頂出面EJ2面打開(kāi)，中間區(qū)鑲件3從塑件中抽出，抽出7 mm后停止。過(guò)程中，圓心內(nèi)圈直壁倒鉤的強(qiáng)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(kāi)，推動(dòng)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(shí)現(xiàn)塑件的完全脫模。過(guò)程中，橢圓形中圈夾心直壁倒鉤的強(qiáng)制脫模同步完成。

(6)復(fù)位。復(fù)位過(guò)程與開(kāi)模過(guò)程相反。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)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(diǎn)，設(shè)計(jì)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(qiáng)制脫模時(shí)無(wú)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(qiáng)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(qiáng)制脫模，又為橢圓形中圈夾心直壁倒鉤的強(qiáng)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(qiáng)制脫模。通過(guò)分步強(qiáng)制脫模的辦法，解決了塑件雙圈倒鉤成型與脫模難題。進(jìn)而，將模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一種三次開(kāi)模、三次頂出結(jié)構(gòu)四板模。為控制3 個(gè)頂出機(jī)構(gòu)的三次頂出按序頂出，設(shè)計(jì)了一種新型插桿鎖芯機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)三次頂出中兩次頂出機(jī)構(gòu)的分離與閉合，簡(jiǎn)單實(shí)用。模具應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中后，塑件良品率可達(dá)96%以上。