狹窄空間側孔的斜頂抽芯機構設計＊

熊 毅 陳建學 李帥杰

（①河南工業職業技術學院，河南 南陽 473009；②河南省材料成形裝備智能技術工程研究中心，河南 南陽 473009；③機械工業教育發展中心，北京 100032）

側孔是塑料制品中常見結構，側向結構的存在會導致產品脫模困難[1]，需設計側向抽芯機構，從而使模具結構更復雜。對于產品的內部側向結構，一般采用斜頂桿，以簡化抽芯結構，使模具更緊湊。但是，斜頂桿在側抽芯過程中，要相對產品做橫向移動，需防止與產品相應結構干涉[2]。

文章討論外殼產品下表面圓環上的側向方孔抽芯問題，將成型圓環及其頂部4 個方孔設計成整體式鑲件，這樣使得下模仁結構簡單，加工方便；圓環側向方孔采用斜頂成型，為避免斜頂與產品頂部干涉，將抽芯方向設計為沿圓環徑向向內，把斜頂機構開設在鑲件中，以解決斜頂和鑲件布局困難的問題。

1 產品結構及分型

1.1 產品結構及成型要點

圖1 為某外殼產品，材料為ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料）[3]，收縮率為6‰，平均壁厚約2 mm，總體尺寸為119 mm×70.1 mm×22.8 mm。產品的壁厚均勻，整體為殼體結構，其上表面外形簡單，由多個曲面與平面組成，有5 處方孔結構，較易成型，內表面上存在較多的圓柱孔、方孔和加強筋結構，型芯的結構設計、推桿設計比較困難。

圖1 產品結構

產品內表面中心位置的圓環上存在一個側向的方孔，尺寸為：6 mm×2 mm、深度為1.5 mm，需設計斜頂機構進行側向抽芯。產品的側面存在有一個側向肋板結構，其在成型時會使得上方圓柱結構無法脫模，此處側凹尺寸為：6.94 mm×8.61 mm、深度為3.05 mm。需設計滑塊側抽芯機構使得脫模順利進行，對于上表面存在的深孔結構，考慮到上模仁的加工難度，故需要對其開設鑲件。

綜上所述，產品的大部分結構由上下模仁成型，對產品的兩處側向結構，分別由斜頂機構、斜導柱側抽芯機構完成成型與抽芯，對于模仁中較難加工、易磨損部位，通過鑲件以減少成型零件的加工難度與成本。

1.2 模具分型

分型面即模具動定模結合面，模具分型則是確定分型面及設計成型零件的過程，是模具設計的第一步[4]。因產品整體結構并不復雜，按照產品最大邊界、利于塑件脫模等原則[5]，最終確定分型線為外側面最大邊線，如圖2a 所示。圖2b 中所示的產品孔洞，在分型時需進行面片修補。因產品分型線不在同一個平面，無法自動生成分型面，故需在分型面突變處手動設置引導線將分型線分割為若干段，再對每一分段采用有界平面或拉伸等方法構建分型面，以保證分型面簡單、平整。分型完成后，模具上下模仁結構如圖2c 所示。

圖2 模具分型

2 內側抽芯結構優化

2.1 結構設計

圖3a 為下模仁用來成型塑件復雜方孔的結構，其上的4 個用來成型垂直方向上并排方孔的結構需開設為鑲件。由于側向方孔位于產品內部，由側型芯成型，采用斜頂結構進行側向抽芯，隨產品脫離下模仁時完成抽芯。

圖3 內側抽芯機構

根據上述分析，最終將成型圓環的結構設計為鑲件。即把4 個矩形凸起結構與側型芯以及中間的圓柱結構全部放在1 個大鑲件上，如圖3b 所示，這樣可以把型腔的加工量簡化，便于加工，減少了型腔的加工難度與成本。將成型圓環結構側孔的側型芯也放在了鑲件上，將斜頂機構開設在鑲件上；因為緊鄰鑲件的右側，模仁上有凸起結構，斜頂桿在抽芯運動時，會與其干涉，因此選擇抽芯方向朝向圓形鑲件徑向向內，解決了斜頂干涉問題，如圖3c 所示。

2.2 抽芯參數計算

（1）抽芯力的計算

斜頂抽芯主要克服的阻力來源有3 個方面：塑件側孔壁對側型芯的粘附力、斜頂與型芯的摩擦阻力、斜頂頂部與塑件橫向摩擦阻力。其中，第一方面占主導，其余兩個部分忽略不計，計算公式如下：

式中：FC為抽芯力，N；A為側孔對側型芯的包緊面積，m2；p為單位面積包緊力，模內冷卻一般取0.8×107～1.2×107，Pa；μ為塑料對鋼的摩擦系數，為0.1～0.3；α為脫模斜度。

將此處孔的尺寸6 mm×2 mm×1.5 mm 代入公式，取p=1.0×107Pa、α=0°、μ=0.2，最終計算得：

因抽芯力很小，考慮到圓形鑲件尺寸不大，斜頂桿截面尺寸按允許的最小值[6]，確定為6 mm×6 mm。

（2）抽芯距及斜頂傾斜角度分析

將側型芯從成形位置到不妨礙塑件脫模推出位置所移動的距離稱為抽芯距。為了安全起見，抽芯距通常比塑件側孔深度大2～3 mm，該處側方孔深度為1.5 mm，故抽芯距取4 mm。為了保證安全，斜頂角度一般取3°～12°，且在滿足抽芯距條件下盡量小。斜頂的實際抽芯距離取決于推出行程和斜頂角度，模具推出行程為30，其關系如下。

故斜頂的傾斜角度為：

圓整后，取A=5°。

3 模具結構設計

3.1 澆注系統

為了簡化模具結構、提高產品質量[7]，同時考慮到模具的加工工藝性以及脫模方便，最終確定采用普通流道側澆口進料(圖4)。側澆口有著很高的加工工藝性，并且與塑件分離方便，還能防止熔體的回流。最終澆口與分流道的位置確定于分型面上，便于在開模的時候流道中凝膠由拉料桿進行自動取出。

圖4 澆注系統

3.2 冷卻系統

為了保證塑件能夠均勻冷卻，產品的冷卻系統最終選擇為回字型循環式冷卻水道進行冷卻[8]。如圖5a 為定模冷卻系統結構，水道的直徑為8 mm，布局均勻（如圖5b），同時要防止水道與其他結構發生干涉，且便于安裝，故水道從定模板進入，從垂直方向進入模仁，在模板和模仁間加防水O 型環，水孔在模仁側面的邊界上應安裝止水栓，防止漏水。

圖5 定模冷卻系統

3.3 多元推出機構

由于產品邊界輪廓復雜，宜采用推桿推出。推桿應選在脫模阻力最大的地方，一般在塑件邊沿以及局部凸臺或筋位。首先處理產品局部脫模阻力較大的部位，對產品內表面上的6 處圓柱凸臺結構，每個部位布置2～3 個推桿以保證受力平衡，共需要12～18 個推桿。為保證塑件的推出安全可靠，采用標準推管機構，如圖6a 為圓柱凸臺對應的6 個推管，推管工作端面與整個凸臺圓周接觸，保證推出平穩。推管機構中，中心型芯固定在動模座板，推管固定在推桿固定板，推出時推管相對于中心型芯運動，使凸臺脫離中心型芯。為了保證產品整體推出平衡，對于其他區域，推桿沿產品邊沿布局，如圖6b 所示，最終確定為5 個推桿。圖6c 為推桿推管整體的平面布局情況。

圖6 推出機構

在推出機構設計中，若全部采用推桿，則至少需要18 個，采用推桿+推管的多元推出機構后，推出原件減少至11 個，并且省略了在孔位處設計鑲件，推出時更可靠、更平穩。

3.4 外側抽芯機構

產品的外側面上還存在有一個側向肋板結構，如圖7a 所示，成型后會導致上方的圓柱結構無法正常脫模，即塑件中的肋板結構無法正常脫離上模仁，如圖7b 所示，故需要設置側抽芯機構，將阻礙肋板脫出的部分從上模仁中拆分成側型芯，并側向抽出，根據側型芯所在的位置，最終確定采用斜導柱側抽芯機構進行完成抽芯[9]，如圖7c 所示。

圖7 外側抽芯機構

4 工作原理

如圖8 所示，模具整體為1 模2 腔橫向布局的兩板式注塑模，其中存在有兩處側抽芯機構，一處為斜頂機構，一處為斜導柱側抽芯機構。具體的工作原理如下：

圖8 模具整體結構

合模：在注射機鎖模機構的作用下，模具閉合，噴嘴對準模具入口，如圖8a、8b。

注塑：熔融塑料在注塑機壓力下從噴嘴流出，流經主流道、分流道、澆口進入模具型腔，充滿型腔并保壓。

冷卻：冷卻水從水道快速流動對塑件進行冷卻，塑件冷卻至玻璃化溫度以下。

開模抽芯：模具在注塑機作用下，動模與定模分開，斜導柱帶動滑塊與側型芯進行側向移動，直到側型芯脫離塑件完成側向肋板的抽芯，如圖8c。

頂出內抽芯：推件板在注塑機頂棍的作用下推動推桿與推管向上頂出，同時斜頂斜向運動，將側型芯進行側向抽出，最終實現塑件的順利脫模，如圖8d。

復位：塑件取出之后，模具閉合，滑塊在斜導柱的作用下帶動側型芯回到原位置，復位彈簧發揮作用，使得推件板帶動推出機構與斜頂回到原位置，模具完成復位。

5 結語

（1）針對塑件內部薄壁圓環的側向方孔結構，在鑲件中設計了斜頂并沿圓環徑向內抽芯，解決了斜頂沿徑向向外抽芯時與模仁中的凸起部位干涉的問題。

（2）針對塑件內部存在的大量圓柱孔與方孔結構，采用了推管與推桿配合的方式，減少了7 個推出原件，保證了塑件的脫模質量。