塑料半保持架注塑模具設計

李建星，王子君，王楓，時連衛，寧仲

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

在塑料制品的注塑模具設計中，塑件有內、外側孔或側凸凹且與開模方向不一致時，需要使用抽芯機構。對于結構復雜的小型塑料制品，側型芯零件一般較小，采用斜導柱側向抽芯機構制作的模具體積較大，造價高。文中針對塑料半保持架介紹了一種采用彎拉桿的抽芯機構，利用模具開合時彎拉桿的側向分力完成側向抽芯。詳細介紹了該模具的設計過程。

1 塑料半保持架結構

保持架是軸承中將滾動體等距離地隔開，以防止運轉過程中滾動體相互碰撞的一個重要組件。塑料半保持架同樣起隔離作用，但不分擔軸承載荷，主要要求其在啟動或運轉時摩擦力矩要低，表面光滑、耐磨和摩擦系數低。該塑料半保持架結構如圖1所示，呈半圓狀，角度為130°，外徑為Φ110.0 mm，寬度25.0 mm，平均壁厚3.0 mm，材料為GRPA66-25。由圖1可以看出，塑料半保持架側面上有12個兜孔，底部的內、外側都有內凹的圓弧，因此，內側抽芯和外側抽芯是該保持架模具的設計關鍵。

圖1 塑料半保持架結構

2 模具結構設計

2.1 澆注系統

塑料保持架模具一般采用潛伏式澆口，也稱隧道澆口，是點澆口在特殊場合下的一種應用形式。潛伏式澆口潛入分型面一側，沿斜向進入型腔，在開模時，不僅能自動剪斷澆口，而且其位置可設在制品側面、端面和背面等隱蔽處，使制品外表面無澆口痕跡。

設計潛伏式澆口時，應掌握好兩個角度，一個是澆口與主分型面的傾斜角度α1，另一個是澆口本身錐角β。α1一般在25°～45°內選取，少數情況下可增大到60°。增大α1有利于澆口凝料的撥出，因此，對質韌帶彈性的塑料，α1取較小值，硬而脆的塑料宜取較大值。β角一般應小于15°，同樣，對質韌帶彈性塑料可取較小值，硬而脆的塑料宜取較大值。對于同一種塑件，如α1較大，β可適當取小，反之則應加大。塑料半保持架的潛伏式澆口α1取35°，β取15°。

潛伏式澆口的進料部分直徑d1一般取Ф0.6～2.0 mm，其經驗公式為

(1)

式中：d1為點澆口直徑，mm；A1為型腔的表面積，即塑件外表面積，mm2；c為塑件厚壁的函數值，壁厚在3.0 mm時c=0.28；n1為塑料材料系數，n1=0.8。

根據文獻[1]的聚酰胺(尼龍)點澆口推薦尺寸表，壁厚為1.5～3 mm的點澆口推薦尺寸為1.0～1.5 mm。因此，塑料半保持架模具應設計兩個潛伏式澆口，澆口直徑d1取1.1 mm較合適，主流道到兩個潛伏式澆口的夾角約為100°。

2.2 抽芯機構

2.2.1 外側抽芯

由于滑塊的外側抽芯距較小，滑塊厚度也較小，采用彎拉桿側向分型抽芯機構最節省位置，且比較簡單。彎拉桿既起鎖緊滑塊的作用，在開模時又起斜導柱的作用。由于滑塊小，其上的斜槽又為通槽，使滑塊的強度大大降低，因此，根據模具結構應盡量增大滑塊的厚度及高度以增加強度。

在設計滑塊時，擋塊前后兩面的角度是一致的，同時傾斜角度應盡可能的小，以減小滑塊和擋塊所受的力，塑料半保持架模具的傾斜角度為15°。滑塊斜槽各處應加圓角，以方便插入擋塊和增加強度。彎拉桿與滑塊孔之間的間隙應稍大一些以免閉模時碰撞，通常大小為0.5 mm。滑塊結構如圖2所示，其成型面三面配合，結構較為復雜。

圖2 滑塊結構

2.2.2 內側抽芯

塑料半保持架有兩處內凹，內凹的抽芯距較短，采用斜頂桿頂出內抽芯較合理。斜頂桿既是頂出件，又是塑件內側凹的成型零件。斜頂桿是滑塊抽芯的一種變異形式，受力情況與滑塊完全相同，但斜頂桿斷面尺寸小于滑塊，長度較長，因此斜角應選取較小值，經計算，塑料半保持架斜頂桿的角度為5°時，即可完成內側抽芯。

塑料半保持架斜頂桿內抽芯機構由頂座、小軸、滾輪、斜頂桿組成，小軸兩端裝有滾輪，滾輪裝在固定于頂出板的頂座上。頂出時，斜頂桿沿斜槽運動，完成內側抽芯并頂出塑料半保持架，與此同時滾輪沿頂座向內滾動。

2.3 脫模機構

塑料半保持架模具在開模的過程中，利用彎拉桿的側向分力完成滑塊側向抽芯，然后利用頂桿頂出機構頂出制品。為了避免滑塊與頂出機構在合模時發生干涉，在設計頂出桿位置時盡量使之與滑塊保持一定的距離。應注意以下幾點[2]：

(1)頂出力作用點應盡可能靠近型芯，同時頂出力應施于塑件剛度和強度最大的部位，作用面積也應盡可能大。

(2)頂出機構所有頂桿應與頂出孔和型芯孔保持同心，使其運動靈活、可靠。

(3)頂桿與孔的配合間隙可適當放大，間隙為0.02～0.03 mm，以便于注射成型加工時排氣。

2.4 冷卻系統

在注塑成型過程中，模具的溫度直接影響到塑件成型的質量和生產效率。為了縮短制品模制周期，總是希望模具溫度低一些，但是模溫太低會使塑料件產生流跡、熔接痕和強度差等問題；模溫過高時，雖然熔料流動性好，制品表面粗糙度小，力學性能好，但又會發生大的縮痕，成型周期長、產生縮孔。因此，從成型溫度和使用要求角度，模具應保持一定的溫度，保持模具的熱平衡。

2.4.1 冷卻時間

保壓時間經驗公式為

T保=0.3(S+2S2)=0.3(3+32)=6.3,

(2)

式中：S為塑件平均壁厚，mm。計算保壓時間為6.3 s，取為7.0 s。

冷卻時間依塑料種類、塑件壁厚而異，一般計算式為

(3)

式中：a2為塑料熱擴散系數，mm2/s；TS為成型溫度，℃；TE為脫模溫度，℃；TM為模具溫度，℃。計算得冷卻時間需要22.75 s，取為23.0 s。

2.4.2 注塑產量

每小時注射塑料的質量為

m=bG=90×21.67×10-3=1.95,

(4)

式中：b為每小時注射次數；G為每次的注射量，kg。

2.4.3 水的體積流率

冷卻水的體積流率qV計算式為

=1.09×10-3,

(5)

式中：Q0為在型腔內單位質量熔融塑料凝固所放出的熱量，kJ/kg·℃；ρ為水的密度，kg/m3；Cp為水的比熱容，kJ/kg·℃；T出為水管出口溫度，℃；T進為水管入口溫度，℃。

2.4.4 冷卻水管的平均流速

單位時間水的流速為

(6)

式中：d2為冷卻水管直徑，mm。

由文獻[1]可知，管徑為8 mm的冷卻水管所對應冷卻水的最低流速為1.66 m/s時才能達到湍流狀態，但是由于體積流量qV沒有在表的取值范圍內，所以造成了V平均偏小。可以通過增大體積流量和減小冷卻水管直徑來達到冷卻水的湍流狀態，但是冷卻的最終目的是為了讓制品快速冷卻，提高生產率，同時改變制品的力學性能，因為在V平均較小即層流時就可以達到冷卻效果，所以無需增大體積流量而單純地為了實現湍流狀態。

2.4.5 冷卻水管壁與水交界面的傳熱膜系數

=7 525.02，

(7)

式中：α2為傳熱系數，kJ/m2·h·℃；A0為與冷卻介質溫度有關的物理系數，A0取7.51；ρ為水的密度，kg/m3。

2.4.6 傳熱面積

(8)

式中：A2為傳熱面積，m2；ΔT為模具與冷卻水的平均溫度差，℃；Tcp為模具與冷卻介質的平均溫度，℃。

2.4.7 冷卻水孔數

所需冷卻水孔數的計算式為

(9)

式中：L為冷卻管道開設方向上的模具長度或寬度，m。取n2=2。

為了保證定模、動模溫度的一致，使塑料半保持架制品收縮均勻，優化模具冷卻系統設計，在定模、動模上各設兩條冷卻水道。

3 模具工作過程

塑料半保持架模具裝配圖如圖3所示。模具工作過程為：啟模后，滑塊在彎拉桿的作用下沿滑塊固定架的滑道側向外抽芯，動模停止后，頂板通過頂座推動動模斜頂桿實現內側凹抽芯，同時，頂桿將塑料制品頂出動模型芯完成脫模。合模時，在復位桿的作用下，頂座帶動動模斜頂桿合模到位，滑塊在彎拉桿的作用下，使滑塊側向合模到位并鎖緊滑塊。

1—分型面；2—保持架；3—潛伏式澆口；4—定模型芯1；5—動模型芯套；6—定模型芯2；7—動模型芯；8—動模斜頂桿；9—動模小型芯；10—彎拉桿；11—滑塊蓋板；12—滑塊；13—滑塊固定架；14—頂桿；15—頂座；16—小軸；17—滾輪；18—頂板

4 模具成型零件的加工

(1)為保證塑件表面質量，對成型零件進行淬硬處理，以避免抽芯磨損而使塑件表面出現飛邊。

(2)為了提高側抽芯的精度，防止內、外側滑塊在滑動過程中因磨損影響產品質量，滑塊及滑動固定架均采用淬硬材料制作。用線切割加工保持架橫梁孔時，要求一次定位裝卡后加工出所有的橫梁孔，以保證定模型芯2與動模型芯套的橫梁孔完全對齊。

(3)彎拉桿在生產過程中要承受較大的力，因此，需要進行淬硬處理。

5 結束語

采用彎拉桿側向抽芯機構能夠使模具結構緊湊，整體性強，抽芯動作安全可靠，經濟實用，模具成型零件質量好，生產效率高。