大型倒裝疊層注射模設計

譚憲綱

（深圳市金三維模具有限公司，廣東深圳518108）

1 引言

疊層模具是當今塑料注射模發展的一項前沿技術，適合成型扁平、淺腔殼體類塑件或小型多腔薄壁塑件，且需求量比較大的產品。對于這類淺腔類塑件，如采用常規的單層注射模結構，注塑機的注射量和開模行程可能只使用了額定的20%~40%，而疊層式注射模能夠在不增加鎖模力的基礎上，在相同的注塑機上采用幾乎相同的能耗和效率條件下能使產量根據層數成倍增加（與常規模具相比，疊層式模具鎖模力只增加8%～15%，產量可以增加90%～95%），極大地提高生產效率和設備利用率，大大降低注射成型成本和加快產品的交付速度。

但是，雙層模具對設計和制造相對于普通模具有更高的技術要求和精度要求，如合理的流道設計、開模同步機構的設計、合適的模具厚度控制等等，而針對大型產品的雙層設計會更加復雜，模具中間的活動部分的承重設計也非常關鍵。

圖1所示冰箱散熱蓋板是全球品牌冰箱中的一個常用部件，大部分款式的冰箱都需要采用此部件，需求量巨大，屬于大型扁平、淺腔殼體類塑件，非常適合做疊層模結構，但由于塑件尺寸較大，外觀要求決定了該模具還需要采用倒裝結構，這樣疊層模具重量達到將近20t，在設計和制造上還是有相當的難度。

2 塑件的結構特性

塑件尺寸大約為495×436×63.5mm，前側為外觀，要求較高，不允許有進膠口痕跡。后側為功能骨位，連接柱子和鉤扣等（見圖1），塑件采用熱塑性材料HIPS，該材料具有較好的抗沖擊性能和剛性，還耐油耐水，可有效的保護冰箱內部結構。

圖1 冰箱散熱蓋板

該塑件有較多的散熱窗口，整體外形也較大，成品需注意控制各窗口處披鋒（飛邊）質量和塑件整體變形公差控制。

3 模具結構設計

3.1 澆注系統設計

首先，根據客戶對塑件的外觀要求，外觀面是不允許有膠口痕跡，所以，不能從塑件的定模面上做澆口。其次，如果選擇從側面進膠，則可能采用的方式是側面扇形澆口，但這種澆口需要人工后期修整，不利于自動化生產，直接否決。這樣就只能在塑件的內表面（即動模型芯側）用熱流道針閥進膠，即通常所說的倒裝模具結構，而在疊層模中，熱流道的分流板和頂出機構就都需要做在疊層模具中間的浮動夾層上，通過多層針閥結構將主流道從注塑機的射嘴口跨越第一層分型面延伸到中間的分流板，并且保證在開模時高溫高壓的熔融塑膠不會泄露。

另外，該塑件平均壁厚2mm及HIPS原料的塑膠特性（如熔融指數3.5g/10min）、塑件結構特點等，初步判斷，采用4點進膠比較合適。

根據上述分析，初步設計的熱流道系統結構方案如圖2所示。

圖2 熱流道系統結構

按照上述流道設計模型，進行詳細的CAE模流分析，從分析結果來看，流道方案是可行的，符合客戶機臺能力，滿足客戶對注射成型效率的要求（客戶要求在75s內）。

圖3是壓力場的分布情況。圖4是熔接線可能出現在塑件上的大致位置，這也得到了客戶的認可。

圖3 壓力場的分布情況

圖4 熔接線可能出現在塑件上的大致位置

3.2 頂出機構設計

塑件結構的動模有多處倒扣位需做斜頂、滑塊等結構出模，并且需結合頂桿、推塊、司筒等組合頂出塑件，雖然有些復雜，但也算是常規的設計，詳細如圖5所示。

圖5 頂出系統結構

由于是倒裝結構，頂出的動力無法直接借助注塑機的頂出機構，所以設計了油缸為頂出機構的驅動動力（見圖6）。

圖6 油缸驅動動力頂出機構

3.3 冷卻系統設計

由于塑件需求量大，客戶對生產周期要求非常短，同時塑件的公差要求也比較高，對產生的變形要做嚴格控制，所以，模具的冷卻系統設計要充分且平衡，除了動定模型腔、型芯的密布式均勻水路，滑塊、斜頂以及熱嘴（高熱區）周邊也設計了獨立水路，如圖7所示。

圖7 冷卻系統結構

3.4 同步機構設計

為使塑件收縮一致，塑件在各型腔中的停留時間相當，需要設計一套機構來保證疊層模的兩個分型面必須精確同步開模，并精密控制開模距離。在本模具上采用是精密齒輪齒條進行同步控制，如圖8a所示結構。

圖8 同步機構

以上同步機構動作是通過注塑機開、合模動力傳動的。齒條固定在動模和定模部分，注塑機開模時動模側齒條跟著動模運動，同時齒條也帶動了齒輪轉動，齒輪轉動時又帶動了定模側的齒條運動，整個動作過程都是相連在一起同時進行的，開模距離在兩處分層型腔中是相同的（圖8b）。由于模具比較大，為保證平衡，在模具的兩側對稱各設計了兩套同步齒輪機構。

3.5 承重結構設計

疊層模的一個特點是中間浮動夾層在開模后需要有支撐結構來承受它的重量，并且需要在開模方向上能自由滑動。對于大型疊層模，由于中間浮動部分比較重，通常會設計一種支撐結構，利用注塑機的格林柱或床身的滑軌來承受重量，如圖9所示。

圖9 模具承重支撐結構

但以上方式首先是要鎖定生產機臺，不僅試模困難，注塑廠家也不能調配更換生產機臺，同時對安裝模具調試工人也有較高的技術要求，而本模具需要出口到國外進行注塑生產，上述承重方案并不合適。此設計方案利用模具本體來做支撐基礎，結構支承梁和模具設計成了一個整體，脫離了對注塑機的依賴，模具在安裝調試時和普通模具差不多，操作簡單方便。同時，在試模生產時，只要滿足容模量、鎖模力等基本能力的注塑機都可以。結構簡圖如圖10所示。

該模具中間部分重達12t，開模后主要支撐靠導柱和承重梁組合受力，承重梁為主要受力點，所以設計十分重要。

承重梁設計固定在定模側并沉入模板30mm，以增加承重受力面，材料選用P20,韌性和剛性都較好，承重塊選用耐磨性和剛性都較好的材料油鋼系列，承重塊和支承梁接觸面則做自潤滑耐磨塊，以減小滑動時的磨擦力，支撐點的滑動距離需精確核算，不能超出核算結果范圍，通過計算支撐點最大滑動的安全距離為320mm（見圖10b）。

圖10 承重塊及支承梁結構簡圖

3.6 模具厚度控制

根據模流分析結果，及客戶注塑廠設備情況，客戶最終決定采用1,600t的注塑機來生產此套模具。根據客戶機臺參數，其生產機臺容模厚度為1,550mm，在綜合考慮模具強度要求（模板厚度）、塑件頂出距離、機械手取件空間等，最終控制模具的總硬厚度為1,548mm，剛好滿足容模量要求，圖11是總設計示意圖。

圖11 模具總裝結構

由于有雙分型面，取件機械手也需要雙臂機械手，為確保承重梁的案例受力，盡可能的減少開模距離，通過對機械手的優化設計，最終確定型腔開模距離為300mm。同時，模具頂部也需保證有足夠空間可以讓機械手運動，所以，熱流道系統接線插座、壓縮空氣管路的排布需要結合吊模梁做優化設計，充分利用兩者的結合部空間。如將熱流道系統線路通過電纜從模具兩側連接到定模處接線盒，有效的避開了機械手的運動線路，吊模梁也設計在中間部份能避開機械手的運動線路。圖12是熱流道系統接線排布和吊模梁的結合設計示意圖。

圖12 熱流道系統接線排布及吊模梁結合設計結構

4 結束語

本副模具最終外形尺寸達到850×2,300×1,548mm，總重量約為17t，屬于大型倒裝疊層模具。經過兩個月時間的制造，首次試模成功，最終達到甚至超越了各項技術指標，實際生產周期小于65s。實現了客戶高效率、低成本、自動化生產的目標。模具交付到國外后，為客戶帶來較好的經濟效益，獲得了客戶的高度贊揚。