掃地機器人塵盒蓋注塑模具設計

趙利平，張艷華，于維斌，張維合

（1.廣東科技學院機電工程學院，廣東 東莞 523000；2.東莞市機電工程學校，廣東 東莞 523000）

0 前言

隨著近年來掃地機器人的流行，市場上掃地機器人種類越來越多。掃地機器人塵盒蓋位于機器人的內部，灰塵較多，天氣干燥容易積累靜電荷，靜電荷極易損害電子零件，縮短產品壽命，所以掃地機器人塵盒蓋采用ABS樹脂本體沒有抗靜電性能，可以通過添加抗靜電劑的方式實現其抗靜電性能［1］。這能夠有效防止天氣干燥時灰塵引起的靜電，保護掃地機器人內部件，使其滿足性能要求。目前市場上的掃地機器人主要由以下幾部分組成：本體、充電電池、充電座和集塵盒。與一般吸塵器紙袋方式不同，掃地機器人都備有收集灰塵的集塵盒，大致分為中央集塵盒和置于后端集塵盒。本文針對中央集塵盒（掃地機器人塵盒蓋）進行機器人塵盒蓋模具設計闡述，詳細介紹了某掃地機器人塵盒蓋注塑模具結構設計，模具設計采用熱流道轉冷流道的澆注系統，創新設計了滑塊二次抽芯機構，采用后模斜頂內縮抽芯機構結合常用滑塊抽芯機構來完成脫模［2?3］，此模具結構有一定創新性和先進性，其結構設計的成功經驗值得同行借鑒。

1 塑件結構和工藝性分析

掃地機器人塵盒蓋零件中（圖1），塑件結構不復雜，但盒蓋塑件多方向扣位較多不容易脫模。該塑件選用ABS添加抗靜電劑方式作為產品材料，塑件外形尺寸中等大小，為130.5 mm×195.6 mm×52.6 mm，平均壁厚為3 mm，質量為98 g。產品技術要求為澆口殘余最大0.5 mm，且不能影響裝配和功能，產品外觀面不得有注塑缺陷，包括縮印、凹陷、飛邊、結合線、流痕及劃痕等。塑件主體結構相對簡單，但不同方向的扣位相對較多，導致整體的模具結構相對復雜。如圖1（a）所示，盒蓋前模部分內部有2個圓孔形凹槽扣位，需采用前模斜頂抽芯機構實現脫模；如圖1（b）所示，盒蓋的側面滑塊1內部有2個圓孔形凹槽扣位，需采用二次滑塊抽芯機構實現脫模；如圖1（c）所示，盒蓋后模內部有2個方形凹槽扣位，要采用后模斜頂內縮抽芯機構實現脫模；如圖1（d）所示，盒蓋的側面滑塊4有個方形大窗口的側孔形扣位，需采用普通滑塊抽芯機構實現脫模；盒蓋的側面滑塊2、3，分別有2個圓柱形凹槽扣位分別需要采用普通滑塊隧道抽芯機構來實現脫模［4?5］。

圖1 掃地機器人塵盒蓋結構Fig.1 Structure of dust box covers of sweeping robots

2 模具結構總體設計

為了塑件的外觀要求和高產能要求，模具設計為采用一模兩穴的模具布局；采用單嘴模熱流道為主流道，轉冷流道的輔助流道，再采用滑塊側分型的面側澆口進料方式；保證產品成型有良好成型效果和外觀要求。針對產品不同方向上的孔位倒扣的脫模問題，模具設計了特殊前模斜頂抽芯機構，前模斜頂抽芯機構新增前模頂針板開模優先頂出結構；后模設計了特殊滑塊二次抽芯機構；同時還設計了普通的后模斜頂抽芯機構和普通的滑塊抽芯機構來脫模。總體的模具結構如圖2所示［6］。

圖2 模具總裝圖Fig.2 Mold assembly drawing

2.1 澆注系統設計

掃地機器人塵盒蓋產品壁厚均勻，結構不復雜，容易填充成型特點，為了提高產品成型良率及外觀質量，解決產品正面不留澆口痕跡，同時保證均衡進料，減少夾線避免融合痕跡。設計時直接采用單嘴模熱流道為主流道，再使用轉冷流道的輔助流道，把進料澆口開設在滑塊4的側面，采用八字形大澆口，單點澆口進料保證充足的進料量，殘留的澆口采用手工剪除。這樣設計既能保證產品成型有良好成型效果，也能隱蔽澆口保證外觀要求，如圖3所示。

圖3 澆注系統Fig.3 Gating system

2.2 排氣系統設計

塵盒蓋產品頂面的外觀要求高，其頂部四周一圈是料流填充的末端，所以在其模仁四周設計二級排氣槽，有利于氣體的排出。排氣槽的寬度為8 mm，一級排氣槽深度為0.02 mm，二級排氣槽深度位置0.2 mm，既能防止飛料，也起到排氣作用。

2.3 前模斜頂抽芯機構設計

掃地機器人塵盒蓋塑件上表面的內部有2個圓孔形的凹槽扣位，采用普通滑塊抽芯脫模無法完成脫模問題，故設計采用前模斜頂抽芯優先頂出機構來實現脫模，如圖5所示。在模具A板內部設計1個空間來放置前模頂針板機構，分別設計前模斜頂、斜頂導向塊、斜頂座、前模頂針面板、前模頂針底板、前模頂針板導柱、前模頂針板回針、樹脂開閉器、前模頂針板彈簧、頂出限位塊等零件來組成一個完整的前模頂出系統。

圖4 模仁排氣系統Fig.4 Die core exhaust system

圖5 滑塊排氣系統Fig.5 Slider exhaust system

前模斜頂抽芯機構塑件脫模過程為，完成注射成型以后，在A板和B板開模的瞬間，由于前模頂針板回針上設有樹脂開閉器的配合孔，它會和裝在B板上的樹脂開閉器形成摩擦力從而提供延時打開的功能，前模頂針板在前模頂針板彈簧的作用下會優先頂出，直到頂針板頂出行程完成，前模斜頂完成抽芯。此時A板和B板開模尚未完成會繼續打開，樹脂開閉器會在開模的作用力下與頂針板回針完成脫離，直到開模行程完全打開完成開模動作，合模時前模頂針板回位是利用四根前模頂針板回針克服前模頂針板彈簧的彈力強制復位。在整個開合模的過程中，斜頂導向塊為前模斜頂提供導向作用，斜頂座為前模斜頂提供斜度方向的移動空間，前模頂針板導柱為前模頂針板頂出方向提供導向，所有的這些導向零件均是為了保證模具在開合模過程中能夠保證精度，防止卡死現象發生，頂出限位塊為限制前模頂針的頂出行程以保證產品扣位能夠有足夠的行程出模。這些零件共同搭配工作，形成1個精密的頂出系統，很好地解決了塑件上表面內部2個扣位抽芯脫模問題（圖2和圖6）。

圖6 前模斜頂抽芯機構Fig.6 Front mold inclined top core pulling mechanism

2.4 滑塊二次抽芯機構設計

塵盒蓋的側面有1個圓形凹槽扣位，另外旁邊凹槽的兩側有2個圓孔形的凹槽扣位，需要設計1個抽芯機構同時完成2個不同方向的扣位抽芯。本研究創新設計了滑塊二次抽芯機構來實現同時完成2個方向的扣位脫模，如圖7所示。滑塊二次抽芯詳細結構包括一次內滑塊、內滑塊鏟機、二次滑塊、鏟機、滑塊墊板、滑塊座、斜導柱、滑塊壓板、限位塊、限位螺絲、側面耐磨塊、底部耐磨塊、銷釘、樹脂開閉器、彈簧及固定螺絲A～E。一次內滑塊裝于二次滑塊內，與內滑塊鏟機T形槽配合通過螺絲B固定于滑塊座上；二次滑塊通過螺絲A固定于滑塊墊板上與其成為一體，二次滑塊上裝有樹脂開閉器，樹脂開閉器的作用是延時二次滑塊的抽芯時間，滑塊墊板上裝有限位螺絲，限位螺絲的限位行程是11.0 mm，它的作用是用于控制一次內滑塊鏟機移動的距離，即滑塊座與滑塊墊板之間拉開11.0 mm的距離為一次內滑塊抽芯行程；滑塊墊板裝有2個銷釘，滑塊座通過銷釘與之滑動配合，在保證滑塊座沿著銷釘滑動移動的同時又能防止滑塊墊板與滑塊座之間不會錯位；滑塊座上設計彈簧，其作用是讓一次內滑塊在開模的瞬間提前抽芯，并且讓整個滑塊抽芯達到最大抽芯行程后保持位置不動；滑塊座上設計有側面和底部耐磨塊，設計耐磨塊的作用是減少滑塊與其配合面的摩擦，提高滑塊的使用壽命。由于它在生產過程中需要活動且易損壞，所以在制模過程中經常將耐磨塊單獨制作以方便在后續生產過程中維修或更換。側面耐磨塊通過螺絲C固定滑塊座上，它的配合面為鏟機的斜面，底部滑塊通過螺絲E固定于B板上，它的配合面為滑塊座底面。滑塊壓板通過螺絲D將滑塊座固定在B板上。限位塊通過螺絲D固定在B板上，它限制整個滑塊抽芯的行程［7?8］。

圖7 滑塊二次抽芯機構Fig.7 Slider secondary core pulling mechanism

抽芯過程為，在一次完整注射成型周期中，當塑件注射成型完成開模瞬間，在裝于鏟基上斜導柱的作用力下，滑塊座帶動內滑塊鏟機向側邊移動，在彈簧的作用下滑塊座與滑塊墊板會先拉開直到滑塊座碰觸到限位螺絲，此距離經過計算是11.0 mm，在這11.0 mm的運動距離中，一次滑塊由于樹脂開閉器和后模仁之間摩擦力會保持不動作，保證一次內滑塊會在內滑塊鏟機T形斜槽的帶動下完成第一次側向抽芯；斜導柱帶著滑塊座繼續側向移動，此時樹脂開閉器與后模仁的摩擦力無法阻止斜導柱施加給滑塊座的力會脫離后模仁，同是限位螺絲帶著滑塊墊板和二次滑塊在斜導柱的和彈簧的作用力下繼續側向移動，直到斜導柱脫離滑塊座，此過程中彈簧始終頂住滑塊座直到整個滑塊行程到達限位塊的終點，此時滑塊的二次抽芯全部完成。待產品取出合模時，由于彈簧的作用，整個滑塊與斜導柱的相對位置沒有改變，所以在合模時有效避免了斜導柱和滑塊卡死的現象，保證模具生產的順暢性。

2.5 滑塊抽芯機構設計

塵盒蓋的側面圖1（d）所示滑塊2～4分別有2個圓柱形的凹槽扣位和1個大窗口的扣位，分別需要采用普通滑塊抽芯機構結合通過采用普通隧道滑塊抽芯機構來實現多方向扣位脫模過程，如圖1（d）和圖8所示。普通滑塊結構基本一致，均包含滑塊、滑塊座、耐磨塊、彈簧、鏟機、斜導柱和滑塊壓板。滑塊抽芯機構塑件脫模過程為，完成注射成型以后，在A板和B板的開模動力作用之下，裝在前模鏟機內的斜導柱在會帶動滑塊座（普通滑塊和隧道滑塊）沿斜導柱的斜度方向移動從而完成滑塊抽芯的脫模任務。這些滑塊一般都會把滑塊和滑塊座做成分體結構，然后用螺絲固定方式連接成1個整體，此種方法在方便加工的同時也能讓方便后續生產過程中維修和更換。這些零配件同步搭配工作，保證滑塊結構能夠順利實現抽芯脫模功能［9?10］。

圖8 后模滑塊結構Fig.8 Rear mold slider structure

2.6 后模斜頂機構設計

塵盒蓋后模內部有2個方形的凹槽扣位，需要采用后模斜頂內縮抽芯機構來實現脫模。同時，產品有1圈環形的深筋位，粘模力很大，會有頂出困難的潛在問題，如圖1（c）和圖9所示。所以設計10°的斜頂來實現后模內部2個方形凹槽扣位脫模；設計3°的斜頂來實現后模環形的深筋位的頂出脫模；兩者搭配使用，可以順利完成產品的頂出脫模功能［11］。斜頂設計的基本結構包括斜頂、斜頂座及斜頂導向塊。斜頂可以脫模扣位或在深骨位上作頂塊加強頂出作用。其工作原理為膠件注塑完成，模具開模后，注塑機頂桿開始工作，推動后模頂針面板和后模頂針底板，帶動斜頂座向上運動，斜頂通過T形槽與斜頂座相連，向上運動時后模斜頂實現頂出功能，斜頂座的作用防止斜頂在頂出和復位時卡死，它可讓斜頂在向上頂出和復位的同時沿著T形槽滑動。其中，斜頂導向塊和后模頂針板導柱，均為斜頂提供精確的導向作用。

圖9 后模斜頂結構Fig.9 Inclined roof structure of rear formwork

2.7 成型零件的設計

塵盒蓋前后模芯采用組合式結構，可以節省成本、提高制作效率，也有利于保證產品的尺寸精度。冷流道部位也采用鑲件的組合式結構，既可以節省材料成本，也可以為隧道滑塊2或3提供放置空間。如圖10所示分別在前模仁和后模仁的4個角位置設計虎口定位結構，來承受注塑時產生的側向力，同時也可以保證合模時的裝配精度。模具A板和B板之間增加定位對鎖，配合模具的導柱，能更好保障整套模具的合模精度［12?13］。

圖10 后模組合式結構Fig.10 Combined structure of rear formwork

2.8 冷卻系統設計

塵盒蓋的產品尺寸不大，而且其四周都有滑塊，其內部的底部也有許多斜頂。在設計冷卻系統時，前模采用直通式冷卻水道，均勻排布，后模采用水道+水井式冷卻方式，可以冷卻均勻防止產品變形。滑塊4尺寸較大，也設計1組運水來輔助冷卻，如圖2所示。設計水道時需要避開其四周的滑塊、螺絲等相關零件。

2.9 推出機構設計

塵盒蓋流道冷料井位置采用圓頂針頂出，其后模內部有1圈環形的深筋位，粘模力很大，設計3°的斜頂來實現后模環形的深筋位的頂出脫模斜；頂印不在產品內部不會影響塑件外觀。兩者搭配使用，可以順利完成產品的頂出脫模功能。

2.10 模架設計

塵盒蓋模具設計的原則是，使用標準模架，方便直接購買和降低模架成本，縮短制模周期。經過上述的模具結構確定設計普通的兩板模架，選用DI?4070?A150?B100?C140的標準模架。其中A板均采用150 mm厚度，需要設計前模的頂針板空間來安裝前模頂針板。前后模的頂針均設計導柱來保證斜頂的精確運動。模具的總體閉合高度為461 mm，如圖2所示。

2.11 精密定位機構設計

設計精密定位機構來保證整套的精確合模和工作。為了保證前模構和后模的精確合模，在設計了導柱的基礎上增加A板和B板的對鎖，保證A板和B板的準確定位和合模。為了保證前模斜頂機構和后模斜頂機構的精確復位，均設計了前模頂針板導柱和后模頂針板導柱，保證斜頂機構可以準確定位、順暢工作。

3 模具注射成型過程

（1）首次合模。所有的抽芯機構進入閉合的工作狀態。（2）注塑。熔融狀態的抗靜電ABS塑料注入模里面成型塵蓋盒產品。（3）A板和B板開模。在A板和B板開模的瞬間實現3個同步進行的開模動作。開模動作1，前模斜頂開模動作，在A，和B板開模的瞬間，在開模作用力，前模頂針板拉桿和開閉器之間的摩擦力，和前模彈簧的彈出力三者共同作用下，推動前模頂針板的斜頂進行抽芯脫模動作。開模動作2，滑塊二次抽芯動作，在A板和B板的開模動力作用之下，斜導柱帶動滑塊座進行開模動作；與此同時，在開閉器與后模仁之間產生摩擦力和彈簧頂出力的作用之下，固定在滑塊座上面的內鏟機會帶動內滑塊往內收縮，實現內孔二次抽芯脫模功能。開模動作3，滑塊普通抽芯動作，在A板和B板的開模動力作用之下，斜導柱帶動滑塊座進行開模動作，實現滑塊抽芯脫模功能。（4）頂出產品。完成上述的抽芯動作以后，注塑機的頂桿開始工作，推動后模頂針面板和后模頂針底板，帶動斜頂座，再間接推動后模斜頂實現脫模和頂出產品的雙重功能。（5）取出制件，取出流道和澆口的殘留。（6）注塑模等待再次合模。重復上述的開模和合模的工作，形成連續生產。

4 結論

（1）塑件成型倒扣多，方向各不相同，模具采用了滑塊二次抽芯機構實現同時脫2個方向倒扣，成功解決了塑件倒扣抽芯問題，這是此套模具結構設計最大創新點；（2）采用單嘴熱流道系統轉冷流道的方法靈活選擇滑塊側面進膠點，保證產品成型良率的同時也保證產品的外觀質量；采用前模斜頂頂出機構設計方案，很好地解決產品的前模倒扣問題；采用后模斜頂內縮抽芯機構設計，很好地解決產品環形深筋位的粘模力問題；

（3）根據上述方案設計和制造出來的塵盒蓋注射模具，在實際試模和打樣中，塑件經檢驗均符合設計要求，模具結構設計合理，生產塑件質量穩定，可滿足生產要求。