基于隨形水路技術(shù)的帶把雙色水杯注塑模具設(shè)計(jì)

李桂金，匡唐清，金 凱

(1.江西科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，南昌 330098；2.華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，南昌 330013)

0 前言

隨著人們生活水平的提高和節(jié)能環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)塑料制品的美觀性要求越來(lái)越高，對(duì)制品成型過(guò)程的低能耗及高效率要求也與日俱增。多物料注塑是指不同的塑料熔體或材料相同但顏色不同的塑料熔體先后或同時(shí)進(jìn)入到模腔中得到具有多種材質(zhì)或多種顏色的塑料制品的注塑工藝[1]。不同材質(zhì)不同顏色塑料結(jié)合在同一制品中出現(xiàn)，美觀、且能充分利用多種塑料的優(yōu)點(diǎn)和性能。其中雙色注塑(本文指清雙色注塑，另一種混雙色注塑一般稱為共注塑)是在雙色注塑機(jī)中經(jīng)模具的開(kāi)合旋轉(zhuǎn)通過(guò)不同的流道系統(tǒng)和型腔先后成型制件的不同位置(多為內(nèi)與外)，不同材質(zhì)或色澤間具有明顯分界線。熱流道技術(shù)通過(guò)加熱保證流道和澆口的熔融狀態(tài)，避免了冷凝料的產(chǎn)生、取出與回收處理，能有效地節(jié)省材料、縮短成型周期、提高產(chǎn)品品量[2]。現(xiàn)在熱流道技術(shù)在注塑模中的應(yīng)用越來(lái)越多。隨著選擇性激光燒結(jié)(SLS)等3D打印技術(shù)的發(fā)展與成熟，在模具內(nèi)部設(shè)置更貼近產(chǎn)品輪廓的隨形水路成為可行[3]。隨形水路能提供良好的散熱效率，具有傳統(tǒng)鉆孔方式制作的水路無(wú)可比擬的冷卻效果，有效縮短冷卻時(shí)間，提高產(chǎn)品產(chǎn)能時(shí)效與品質(zhì)。隨形水路在注塑模具中的應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛。

本文以一帶把雙色水杯為例，介紹其雙色注塑模的設(shè)計(jì)及隨形水路技術(shù)和熱流道技術(shù)在其中的應(yīng)用，并借助模流分析技術(shù)印證這些技術(shù)所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

1 塑件結(jié)構(gòu)與材料選擇

考慮實(shí)用性與美觀性，該水杯設(shè)計(jì)為帶把雙色水杯，如圖1(a)所示。杯體內(nèi)層外表面設(shè)有陽(yáng)文標(biāo)識(shí)，一方面作為標(biāo)識(shí)也增進(jìn)美觀，另一方面與杯體外層的對(duì)應(yīng)鏤空相嵌以增進(jìn)結(jié)合。杯體外層側(cè)面有對(duì)應(yīng)鏤空，底部有2 mm×2 mm的環(huán)形底座。杯體內(nèi)外層主體壁厚均為1.5 mm，外層上邊緣比內(nèi)層上邊緣高3 mm，此處壁厚3 mm。內(nèi)外層分別如圖1(b)、(c)所示。

(a)成品 (b)內(nèi)層 (c)外層圖1 帶把雙色水杯Fig.1 Two-color cups with handles

由于內(nèi)層外表面陽(yáng)文標(biāo)識(shí)以及外層把手與鏤空的設(shè)計(jì)，內(nèi)外層的成型型腔均需采用哈呋滑塊側(cè)分型結(jié)構(gòu)。采用聚丙烯(PP)材料成型。PP材料的流動(dòng)性好，產(chǎn)品質(zhì)量輕、韌性與耐化學(xué)性能好，但其缺點(diǎn)是收縮率較大(1 %～2.5 %)。內(nèi)層為第一次注塑，采用純PP(中國(guó)臺(tái)灣臺(tái)化公司生產(chǎn)，牌號(hào)為K1011，食品級(jí))，外層為第二次注塑，采用高結(jié)晶度共聚PP(HCPP，SABIC公司生產(chǎn)，牌號(hào)CX04-81，通用級(jí))，具有更好的成型性能和透明度，提高了剛度和耐磨性。

2 模具設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

為保證成型的連續(xù)性，提高生產(chǎn)效率，該雙色水杯采用雙色注塑。制品的內(nèi)層與外層依次在模具的不同型腔中成型，這就需要模具動(dòng)模整體旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)半成品換位。因此設(shè)計(jì)模具為轉(zhuǎn)盤(pán)式雙色模，動(dòng)模安裝在注塑機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)上。根據(jù)制件的結(jié)構(gòu)分析，內(nèi)外層的成型型腔均需哈呋滑塊側(cè)分型結(jié)構(gòu)，哈呋滑塊應(yīng)留在定模側(cè)。綜合考慮制件大小、動(dòng)模的旋轉(zhuǎn)及模具的哈呋結(jié)構(gòu)，模具設(shè)定為一個(gè)半成品型腔(成型內(nèi)層)和一個(gè)成品型腔(在內(nèi)層上附加外層)，一次開(kāi)模得到一個(gè)成品。模具的哈呋滑塊利用注塑機(jī)開(kāi)模動(dòng)作帶動(dòng)其側(cè)向分型，在側(cè)向分型完成前哈呋滑塊應(yīng)隨動(dòng)模一起運(yùn)動(dòng)，以保證半成品和成品能完全脫離型腔后繼續(xù)隨動(dòng)模運(yùn)動(dòng)。

2.2 熱流道澆注系統(tǒng)與含隨形水路的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在雙色注塑中，半成品還需轉(zhuǎn)到成品型腔再次成型。相對(duì)冷流道而言，熱流道避免了流道冷凝料的取出與去除問(wèn)題，可減少開(kāi)模行程，簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)成型過(guò)程的全自動(dòng)化程度，并提高生產(chǎn)效率。對(duì)此單腔雙色模，半成品及成品型腔各采用一個(gè)開(kāi)放式熱流道噴嘴進(jìn)膠即可。該模具選擇信好熱流道噴嘴—SINGLE-UNI PG 0444，該噴嘴及定位圈如圖2所示。

圖2 熱噴嘴及定位環(huán)Fig.2 Hotnozzle and locating rings

常規(guī)冷卻水路主要是通過(guò)鉆孔再輔以隔水板、噴水管等形式來(lái)實(shí)現(xiàn)；隨形水路是設(shè)計(jì)好帶水路的成型零件后通過(guò)3D打印(金屬粉末選擇性激光燒結(jié))直接形成。對(duì)此雙色模，型腔部分由于是哈呋滑塊結(jié)構(gòu)，若采用隨形水路，因其體積較大，加工成本較高，因而還是采用常規(guī)冷卻水路冷卻，通過(guò)鉆孔再加堵頭形成水路；對(duì)杯底設(shè)置鑲件采用環(huán)形的隨形水路來(lái)冷卻；對(duì)型芯部分則采用螺旋形的隨形水路來(lái)冷卻。考慮到模具動(dòng)模的往復(fù)旋轉(zhuǎn)，動(dòng)模側(cè)水路進(jìn)出口均設(shè)在中部。該模具的冷卻系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 冷卻系統(tǒng)水路Fig.3 Cooling system configured in the mold

為考察隨形水路對(duì)冷卻效果及效率的改善，對(duì)本文采用的水路系統(tǒng)方案及常規(guī)水路系統(tǒng)方案進(jìn)行冷卻模擬比較，兩方案的水路布置分別如圖4和圖5所示。工藝參數(shù)設(shè)定為：第一注射料PP料溫235 ℃；第二注射料HCPP料溫210 ℃；目標(biāo)模溫55 ℃；注水溫度40 ℃。兩方案模擬的模具平均溫度如圖6和7所示。從模具溫度分析結(jié)果看，型芯采用隨形水路能顯著降低型芯模具溫度。并且本文采用的隨形水路方案從目標(biāo)模溫計(jì)算的周期時(shí)間為10 s，而常規(guī)水路方案計(jì)算的周期時(shí)間為17.5 s，顯然采用隨形水路能大大提高冷卻效率，縮短成型周期，從而提高生產(chǎn)率。

圖4 帶隨形水路的冷卻系統(tǒng)模型Fig.4 Cooling system with conformal channels

圖5 傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)模型Fig.5 Traditional cooling systems

2.3 成型零件

根據(jù)總體方案分析，半成品型腔和成品型腔為哈呋滑塊側(cè)分型結(jié)構(gòu)，兩型腔通過(guò)對(duì)位結(jié)構(gòu)拼接為一體。半成品型腔內(nèi)雕刻有陰文標(biāo)識(shí)，下端有3 mm長(zhǎng)寬的環(huán)形凸緣(因內(nèi)層比外層大端面低3 mm)。兩型腔底部設(shè)有鑲塊(成型水杯底座)，內(nèi)設(shè)環(huán)形水路，成品型腔鑲塊下端邊緣有環(huán)形切口，以成型外層的底座。動(dòng)模型芯內(nèi)設(shè)螺旋形水路。成型零件如圖3、圖4中所示。

(a)哈夫塊 (b)型芯圖6 帶隨形水路的模具平均溫度Fig.6 Mold average temperature field of the mold with conformal cooling channels

(a)哈夫塊 (b)型芯圖7 常規(guī)水路的模具平均溫度Fig.7 Mold average temperature field of the mold with traditional cooling systems

哈呋滑塊選取預(yù)硬化型塑料模具鋼P(yáng)20(3Cr2Mo)，調(diào)質(zhì)處理(即預(yù)硬化)后冷加工即可直接使用。型腔鑲塊及型芯下部基座通過(guò)機(jī)加工而得，以基座為基礎(chǔ)再進(jìn)行金屬粉末的選擇性激光燒結(jié)3D打印得到上面含隨形水路的成型部分，金屬粉末采用EOS MaragingSteel MS1 - 馬氏體時(shí)效鋼，具有良好的熱傳導(dǎo)性，典型應(yīng)用就是插入式隨形冷卻注塑模，固溶時(shí)效處理后其硬度可達(dá)55HRC。

2.4 其他設(shè)計(jì)方案

(1)哈呋滑塊動(dòng)作控制與定位裝置

安裝固定在定模的斜導(dǎo)柱所套的壓縮彈簧及安裝固定在動(dòng)模的T形扣提供開(kāi)模時(shí)哈呋滑塊移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力；安裝固定在定模上的T形抽芯塊用于哈呋滑塊的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向，限位塊用于哈呋滑塊的運(yùn)動(dòng)限位；哈呋滑塊與定模板及動(dòng)模推板間存在接觸滑動(dòng)，設(shè)置耐磨塊以便保護(hù)與更換；兩哈呋滑塊上設(shè)有對(duì)位位，在定模板上還設(shè)有定位塊以保證合模時(shí)哈呋滑塊的對(duì)位與定位，如圖8所示。

圖8 哈呋滑塊的動(dòng)作控制與定位Fig.8 Control and locating mechanism of the mold half module motion

T形扣及定位塊需要足夠的強(qiáng)度以防止折斷或者磨損失效，采用高強(qiáng)度的熱作模具鋼42CrMo。耐磨塊及T形抽芯塊需要較好的耐磨性，采用DF2鋼材(錳 - 鉻 - 鎢合金鋼)熱處理后達(dá)到54～56 HRC較高硬度。

(2)頂出與復(fù)位

考慮到雙色注塑中半成品需隨動(dòng)模旋轉(zhuǎn)到成品型腔繼續(xù)成型，該側(cè)不頂出，只有成品才能頂出，因此兩腔設(shè)置獨(dú)立的頂出機(jī)構(gòu)。制件采用推板推出，采用復(fù)位彈簧復(fù)位。

(3)模架與注塑機(jī)的選擇

由于滑塊高度較高，模具整體高度較高，并且采用了熱噴嘴，因此模架選擇龍記DDI型5060模架。綜合考慮動(dòng)模旋轉(zhuǎn)模板尺寸、各型腔注膠量要求、容模厚度、鎖模力及開(kāi)模行程需求等，塑機(jī)選擇富強(qiáng)鑫FB-280R雙色注塑機(jī)，該注塑機(jī)為轉(zhuǎn)盤(pán)式注塑機(jī)，動(dòng)模可隨轉(zhuǎn)盤(pán)整體旋轉(zhuǎn)。

3 模具整體結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

模具3D爆炸圖如圖9所示。模具總體結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。模具的工作原理：成品成型完成后，隨著動(dòng)模座的開(kāi)始后移，壓縮彈簧49和固定在動(dòng)模的T形扣件35將哈呋滑塊43向動(dòng)模方向推拉，哈呋滑塊43與流道板16分開(kāi)，即PL1處分開(kāi)；同時(shí)，在T形抽芯塊41及斜導(dǎo)柱的作用下，PL1分開(kāi)的同時(shí)兩哈呋滑塊也相對(duì)側(cè)向分開(kāi)，即PL2處分開(kāi)；隨著兩哈呋滑塊的側(cè)向分開(kāi)，T形扣35與哈呋滑塊43的扣位面逐漸減小至無(wú)，在哈呋滑塊觸及限位塊40時(shí)，哈呋滑塊停止運(yùn)動(dòng)，動(dòng)模座繼續(xù)后移，則PL3處分開(kāi)，成品與半成品隨動(dòng)模型芯向后運(yùn)動(dòng)，直到完成開(kāi)模；雙色注塑機(jī)在成品側(cè)的頂棍頂出，推動(dòng)推板13將成品推出脫模，而半成品側(cè)無(wú)頂出動(dòng)作；成品脫模后，注塑機(jī)頂棍退回，在矩形黃彈簧7的回復(fù)作用下推板被復(fù)位推桿3拉回，完成復(fù)位；而后動(dòng)模旋轉(zhuǎn)180 °，半成品轉(zhuǎn)到成品側(cè)；開(kāi)始合模，哈呋滑塊在動(dòng)模推板的推頂作用下隨著T形抽芯塊和斜導(dǎo)柱的導(dǎo)向方向壓回，彈簧49被壓縮，T形扣與哈呋滑塊的扣位面逐漸形成并增大，直到兩哈呋滑塊完成對(duì)位、定位，合模完成；模具進(jìn)入下一次注塑周期，以此循環(huán)。

圖9 模具3D爆炸圖Fig.9 3D explosion chart of the mold

1—?jiǎng)幽Ｗ?2—垃圾釘 3—復(fù)位推桿 4—推板桿固定板 5—推板支撐板 6—定位銷 7—矩形黃彈簧 8—墊塊 9—拉桿導(dǎo)柱 10—帶頭導(dǎo)套 11—帶頭導(dǎo)套 12—直導(dǎo)套 13—推板 14—帶肩導(dǎo)柱 15—帶頭導(dǎo)套 16—流道板 17—直導(dǎo)套 18—緊固螺釘 19—定模座板 20—隔熱板 21—型腔鑲件1 22—開(kāi)放式熱流道單噴嘴 23—定位圈 24—內(nèi)六角螺釘 25—十字沉頭螺釘 26—熱流道澆口套 27—噴嘴固定環(huán) 28—內(nèi)六角螺釘 29—型腔鑲件2 30—螺塞 31—定位塊 32—內(nèi)六角螺釘 33—水管接頭 34—型芯鑲件 35—T形扣 36、37—內(nèi)六角螺釘 38—十字沉頭螺釘 39—耐磨塊1 40—限位塊 41—T形抽芯塊 42—內(nèi)六角螺釘 43—哈呋滑塊 44—內(nèi)六角螺釘 45—鎖模塊 46—加熱電源接口引線端 47—十字沉頭螺釘 48—耐磨塊2 49—矩形藍(lán)彈簧 50—斜導(dǎo)柱 51—O形密封圈 52—緊固螺釘 53—緊固螺釘(a)主視圖 (b)左視圖圖10 模具總體結(jié)構(gòu)Fig.10 Mold structure

4 結(jié)論

(1)此帶把雙色水杯采用轉(zhuǎn)盤(pán)式雙色注塑模成型，過(guò)程連續(xù)，效率高；

(2)此雙色注塑模采用熱噴嘴，簡(jiǎn)化了模具的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化；型腔采用傳統(tǒng)水路，底座鑲塊及型芯采用隨形水路，改善了冷卻效果，將成型周期從傳統(tǒng)水路方案的17.5 s縮短到10 s，顯著提高了生產(chǎn)效率；鑲塊及型芯采用機(jī)加工與3D打印加工，既保證了加工效率又滿足了設(shè)計(jì)要求;

(3)此雙色注塑模采用了哈呋滑塊結(jié)構(gòu)，并設(shè)置了對(duì)位、定位及T形扣等裝置，保證了模具動(dòng)作的可靠與穩(wěn)定。

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