塑料密封蓋模具及脫模裝置的設(shè)計(jì)

□ 石環(huán)城

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1 問(wèn)題的提出

在加工圖1所示塑料密封蓋時(shí)，由于傳統(tǒng)的機(jī)械脫模限位不準(zhǔn)確等原因，經(jīng)常導(dǎo)致注塑件出現(xiàn)內(nèi)螺紋變形問(wèn)題。液壓傳動(dòng)具有無(wú)級(jí)調(diào)速、自動(dòng)控制、過(guò)載保護(hù)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，筆者采用低速大轉(zhuǎn)矩?cái)[線液壓馬達(dá)與拖板脫模機(jī)構(gòu)配合設(shè)計(jì)脫模裝置，進(jìn)而解決注塑件脫模的問(wèn)題。

2 塑料密封蓋成形工藝

塑料密封蓋材料為聚丙烯，內(nèi)螺紋為梯形螺紋，頂部為小型錐管螺紋。密封蓋外表面有止轉(zhuǎn)凸紋條，設(shè)計(jì)脫模裝置時(shí)可以利用其起部分止轉(zhuǎn)作用。聚丙烯為熱塑性塑料，其性能決定了塑料密封蓋的成形參數(shù)和特性，見(jiàn)表1。注塑機(jī)類型為螺桿式。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 分型面位置

分型面位置決定了模具的脫模結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗芗芊馍w有內(nèi)螺紋，所以需要采用螺紋脫模裝置，在設(shè)計(jì)中這是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)。為滿足注塑件外觀和精度要求，便于模具制造［2］，增強(qiáng)模具排氣效果以有利于脫模，模具分模線及進(jìn)膠點(diǎn)應(yīng)盡可能隱蔽，分型面應(yīng)該從凸紋條底部圓角的上界線分型，而不是注塑件的下端面。采用潛膠方式的一模兩腔，選用圖2所示分型方式較為合理。

▲圖1 塑料密封蓋

表1 塑料密封蓋成形參數(shù)和特性

3.2 型腔布局

型腔布局［3］設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下基本要求：① 型腔應(yīng)在相同溫度下同時(shí)充填；②型腔流程應(yīng)盡可能短，以減少?gòu)U料；③各型腔間距應(yīng)盡可能大，以便設(shè)置冷卻水道、推桿，并具有足夠的面積，以承受注射壓力；④型腔布置和澆口開(kāi)設(shè)部位應(yīng)對(duì)稱，以防止模具承受偏載而產(chǎn)生溢料現(xiàn)象。

綜合考慮以上要求，模具型腔采用的布局方式如圖3所示。

▲圖2 分型方式

▲圖3 型腔布局

3.3 注射系統(tǒng)

3.3.1 進(jìn)料形式

圓環(huán)形注塑件采用切向或潛伏方式進(jìn)料，可減少熔接痕跡，提高熔接部位強(qiáng)度，有利于排氣。若采用正對(duì)圓心進(jìn)料，將會(huì)增多熔接痕跡，影響制品的表面質(zhì)量。為提高塑料密封蓋質(zhì)量，減少熔接痕跡，提高熔接部位強(qiáng)度，有利于排氣［4］，并降低加工成本，本模具采用潛伏進(jìn)膠方式進(jìn)料，這樣能保證密封蓋外表面精度要求，提高其表面質(zhì)量。

3.3.2 澆口套

澆口套材料采用T10A鋼，熱處理洛氏硬度（HRC）為50～55。澆口套流道尺寸根據(jù)注塑機(jī)噴嘴尺寸計(jì)算得出。由于注塑機(jī)球頭半徑R為15 mm，孔徑d0為 4 mm， 所以澆口套球面半徑 SR＝R＋1＝16 mm，球面深度為 3 mm，孔徑 d＝d0＋1＝5 mm，澆口套下端孔徑為7.6 mm。主流道結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.3.3 冷料穴

冷料穴作用為收集注塑成形時(shí)流動(dòng)熔體前端的冷料頭，避免冷料頭進(jìn)入型腔影響注塑件質(zhì)量，或防止冷料頭堵塞澆口造成制品缺料［5］。設(shè)計(jì)時(shí)采用螺紋頭拉料桿冷料穴，如圖5所示。當(dāng)一次注塑完成后，經(jīng)保壓、冷卻，冷料頭由螺紋頭拉料桿拉出。

4 脫模裝置設(shè)計(jì)

4.1 脫模扭矩和功率

對(duì)于厚壁內(nèi)螺紋注塑件，旋轉(zhuǎn)脫模所需最小扭矩Mmin［6］為：

▲圖4 主流道結(jié)構(gòu)

▲圖5 螺紋頭拉料桿冷料穴

式中：E為塑料彈性模量，取E=1.6 GPa；ε為制品成形平均收縮率，取ε=1.5%；r為型芯平均半徑，取r=32.5 mm；L為型芯螺紋長(zhǎng)度，取L=25 mm；f為制品和型芯之間靜摩擦因數(shù)，取f=0.5；S為螺距，S＝5 mm；θ為厚壁螺紋注塑件無(wú)量綱特征因數(shù)，取θ=22.6；ψ為螺紋形狀因數(shù)，取 ψ=0.004；λ 為螺紋升角，取 λ=1.4°。

將相關(guān)參數(shù)代入式（1），求得 Mmin＝140.93 N·m。

旋出螺紋型芯所需扭矩Mco為：

式中：φ為由試驗(yàn)確定的安全因數(shù)，φ＝1.2。

將相關(guān)參數(shù)代入式（2），求得 Mco=169.12 N·m。

旋轉(zhuǎn)脫模所需功率P為：

式中：n為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，取n=160 r/min。

將相關(guān)參數(shù)代入式（3），求得P=2.78 kW。

4.2 液壓馬達(dá)

密封蓋內(nèi)螺紋螺距為5 mm，中徑為65 mm，螺紋長(zhǎng)度為25 mm，將螺紋型芯脫出注塑件螺紋段需要旋轉(zhuǎn) 5 圈。 螺紋展開(kāi)長(zhǎng)度 Lc=65×3.14×（25/5）=1 020.5 mm，若采用液壓缸驅(qū)動(dòng)的齒輪齒條脫模方式，模具體積較大，造價(jià)較高。為此，采用低速大轉(zhuǎn)矩?cái)[線液壓馬達(dá)［7］解決密封蓋內(nèi)螺紋脫模問(wèn)題。該液壓馬達(dá)低速性能好、短期超載能力強(qiáng)，與其它同排量液壓馬達(dá)相比，具有體積小、質(zhì)量輕、輸出扭矩大等優(yōu)點(diǎn)。

液壓馬達(dá)功率Pe為：

式中：ω為轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；T為扭矩。

當(dāng)Pe為定值時(shí)，ω與T成反比，所以增速必減扭，減速必增扭［8］。齒輪傳動(dòng)比設(shè)計(jì)基于傳動(dòng)平穩(wěn)性考慮，傳動(dòng)比越小，齒輪傳動(dòng)越容易實(shí)現(xiàn)，而且運(yùn)行平穩(wěn)。傳動(dòng)比一般不超過(guò)1∶3?？紤]型腔及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸，脫模裝置采用1∶1齒輪傳動(dòng)比，模數(shù)取2 mm，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪均為41齒，則兩輪理論中心距為82 mm。為了避免齒輪卡死，實(shí)際中心距為82.25 mm。

因螺紋型芯旋轉(zhuǎn)5圈即可脫模，為保證模具的正常使用壽命，螺紋型芯脫模轉(zhuǎn)速約為2.6 r/s，故液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為160 r/min。該液壓馬達(dá)排量為314.9 mL/r，額定轉(zhuǎn)矩為298 N·m，效率為65%。因Pe＝P/65%＝2.78/65%＝4.28 kW，故選用轉(zhuǎn)矩298 N·m的BM-R315型液壓馬達(dá)，其輸出功率為5 kW，可滿足要求。

4.3 二次脫模機(jī)構(gòu)

模具及脫模裝置總裝配圖如圖6所示。脫模裝置二次脫模機(jī)構(gòu)主要包括限位螺釘、拉緊螺釘、拖板機(jī)構(gòu)和行程開(kāi)關(guān)［9-10］等構(gòu)件。

限位螺釘有四個(gè)，功能為限位推件板和定模板的分型距離，防止拖板機(jī)構(gòu)越位。拖板機(jī)構(gòu)有四套，功能為輔助脫模機(jī)構(gòu)二次分型。裝配時(shí)注意：在合模狀態(tài)下，L形板上端面和滑塊下端面的開(kāi)模方向位移應(yīng)不小于15 mm，滑塊斜面和C形板斜面的開(kāi)模方向位移應(yīng)不小于25 mm，這樣才能保證二次脫模順利進(jìn)行。拉緊螺釘配合彈性膠墊使用，各有四個(gè)。拉緊螺釘起拉緊推件板的作用，調(diào)節(jié)拉緊螺釘時(shí)，可以通過(guò)拉緊力拉緊推件板和動(dòng)模板，從而使定模板和推件板首先分型。行程開(kāi)關(guān)有一副，通過(guò)調(diào)節(jié)行程開(kāi)關(guān)的回位行程，可以控制液壓馬達(dá)的啟動(dòng)和停止，同時(shí)可以間接控制螺紋型芯的旋轉(zhuǎn)脫螺紋時(shí)間。

▲圖6 總裝配圖

注塑機(jī)控制模具分型時(shí)，行程開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，同時(shí)定模板與推件板分開(kāi)，這個(gè)過(guò)程中注塑件并未完全脫離凹模，注塑件上的凸紋條與凹模間具有止轉(zhuǎn)力，齒輪組可以帶動(dòng)凸模旋轉(zhuǎn)脫模。當(dāng)定模板與推件板分開(kāi)15 mm時(shí)，拖板機(jī)構(gòu)的L形板上端面拉住滑塊下端面，推件板克服與彈性膠墊之間阻尼產(chǎn)生的相對(duì)移動(dòng)，從而與動(dòng)模板分開(kāi)。拖板機(jī)構(gòu)的C形板斜面與滑塊斜面接觸并產(chǎn)生位移，推動(dòng)滑塊移動(dòng)，直到滑塊脫離L形板上端面，且限位螺釘與推件板接觸限位，此時(shí)凸模已經(jīng)全部脫出注塑件螺紋，行程開(kāi)關(guān)關(guān)閉，推件板將注塑件推出，完成注塑件二次分型脫模。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了塑料密封蓋模具及脫模裝置。模具結(jié)構(gòu)緊湊，加工制造方便，便于維修，且為一模兩腔，注塑件成形質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高。脫模裝置配合拖板機(jī)構(gòu)和行程開(kāi)關(guān)的使用，與眾多螺紋脫模結(jié)構(gòu)相比，在傳動(dòng)、冷卻等方面均能達(dá)到較好的效果，值得推廣。