覆蓋件冷熱流道注塑模具設(shè)計

陳杏妹，李海林，王寅飛，譚杰文

（1.廣州城建職業(yè)學(xué)院，廣州 510925；2.廣東省機(jī)械研究所有限公司，廣州 510635）

0 引言

近年來，隨著人們對覆蓋件輕量化、美觀性和安全性的要求，越來越多的覆蓋件被塑料件替代，覆蓋件是大型裝備中重要的零件，它起著保護(hù)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用，更重要的是讓設(shè)備看起來美觀，讓人們有購買和使用的欲望。覆蓋件產(chǎn)品與一般的塑料產(chǎn)品相比具有體積大、曲面多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高等特點。覆蓋件品質(zhì)好壞除了受材料與產(chǎn)品設(shè)計自身的影響外，主要就是由模具的質(zhì)量決定。因此，掌握合理設(shè)計覆蓋件模具是解決產(chǎn)品成型質(zhì)量的首要任務(wù)。目前，我國覆蓋件模具設(shè)計、制造主要存在的問題是模具設(shè)計不科學(xué)，依靠經(jīng)驗，試模周期長，多次進(jìn)行再設(shè)計，多次進(jìn)行試制，從而增加了生產(chǎn)成本，降低了企業(yè)的競爭能力。針對復(fù)雜、高品質(zhì)的覆蓋件模具，其設(shè)計結(jié)果主要依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗與水平，尤其結(jié)構(gòu)復(fù)雜的覆蓋件成型質(zhì)量要求較高，我國目前還在一定程度上依靠國外的技術(shù)支撐來設(shè)計和生產(chǎn)大型的覆蓋件的模具。本文以某企業(yè)貼標(biāo)設(shè)備覆蓋件冷熱流道注塑模具為例，設(shè)計了一模一腔注塑模，詳細(xì)闡述了對覆蓋件的結(jié)構(gòu)和注塑工藝進(jìn)行分析，完成了模具分型面、成型零件、側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)、冷熱流道澆注系統(tǒng)、脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計，所設(shè)計的模具提高了塑料件的品質(zhì)，縮短塑件的生產(chǎn)時間，節(jié)約塑料原料，滿足塑件品質(zhì)與生產(chǎn)要求。

1 塑件外觀要求與結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為覆蓋件塑件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品材料為HIPS，平均壁厚為2.5 mm，外形尺寸為長284 mm、寬160 mm、高92 mm，表面品質(zhì)要求表面無凹痕、翹曲、披鋒、流紋，表面粗糙度值為Ra0.4 μm。產(chǎn)品外表面?zhèn)让嬗型古_與側(cè)孔，需采用側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)進(jìn)行成型，產(chǎn)品內(nèi)側(cè)有4處倒扣，倒扣行程較少可采用斜頂設(shè)計抽芯機(jī)構(gòu)，才能保證該產(chǎn)品順利推出，如何優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本是該模具的設(shè)計難點所在。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

2 成型工藝

該塑件材質(zhì)HIPS（咬花），顏色灰色，質(zhì)量150 g，HIPS 熱塑性工程材料，是PS 的改良性材料，顏色透明，其韌性比PS 提高了4 倍左右，沖擊強度大大提高，尺寸穩(wěn)定性較好，成型加工、著色力強、價格便宜，綜合性能優(yōu)良。適合用于生產(chǎn)各種復(fù)雜形狀產(chǎn)品，成型的產(chǎn)品具有較好的光澤。因加入5%～15%橡膠成份，所以在一定程度上影響了其流動性能，成型溫度和注射壓力都需要提高，注塑加工溫度190～240 ℃之間，模溫50～80 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速12～2 100 r∕min，注塑壓力為68～128 MPa。HIPS 制件中容易出現(xiàn)注塑“白邊”的問題，一般可以通過提高模溫和鎖模力、減少保壓壓力及時間等辦法來改善[1]。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 分型面及主要成型零件

3.1.1 分型面選取

分型面的選取不僅與塑料制品的正常成型和脫模有關(guān)，還與模具結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)成本相關(guān)，在選擇分型面時，應(yīng)遵循以下原則：有利于產(chǎn)品脫模；有利于模具成型零件的加工；有利于簡化模具結(jié)構(gòu)；有利于保證塑件成型質(zhì)量。通過對覆蓋件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝的分析，分型面應(yīng)選取在脫模方向上投影面積最大處，同時為了保證產(chǎn)品外觀質(zhì)量和精度，側(cè)向抽芯分型面滑塊夾線在圓的象限點位置再上移5 mm，如圖2所示，整個產(chǎn)品的分型面設(shè)計如圖3所示[2]。

圖2 分型線

圖3 分型面

3.1.2 成型零件設(shè)計

該模具的型芯、型腔設(shè)計為整體鑲?cè)胧脚c局部鑲拼式的結(jié)構(gòu)形式，其優(yōu)點為節(jié)省貴重模具材料，簡化加工工藝的同時便于模具的拆裝及維修。成型零件與塑料直接接觸而成型制品的模具零部件，直接關(guān)系到模具的質(zhì)量、壽命，決定著所成型塑料制品的質(zhì)量，材料的選擇一般在客戶要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)制品的特點與模具的要求進(jìn)行選用。由于該產(chǎn)品的生產(chǎn)批量大，為了提高模具的壽命，動定模型芯、型腔的材料均選擇NAK80 模具鋼，出廠硬度可以達(dá)到HRC37～43，具有很好的拋光性能、放電加工性及良好的焊接性，熱處理硬度提高到HRC52，適合產(chǎn)能要求高或復(fù)雜且容易變形的模具[3]。為了提高模具的排氣效果，采用在分型面設(shè)置淺槽的方式進(jìn)行排氣，位置設(shè)計在遠(yuǎn)離進(jìn)澆口或設(shè)于較易出現(xiàn)縫合線的外圍，在型腔側(cè)的分型面上每隔50 mm 左右分別設(shè)有長、寬為30 mm×10 mm，深0.2 mm 的排氣槽，對于深的加強筋骨位采用鑲件進(jìn)行排氣[4]。

3.2 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計

圖4所示為側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)是本套模具設(shè)計的核心，覆蓋件外表面有凹凸側(cè)孔及內(nèi)側(cè)有倒扣。覆蓋件外側(cè)面凹凸側(cè)孔側(cè)向開模方向一致，距離比較近，可以采用同一滑塊進(jìn)行抽芯，滑塊成型部份采用“整體式+鑲拼”的形式，增加整體的強度，有利于加工與排氣。雖然側(cè)向分型滑塊抽芯距離不大，但是滑塊的投影面積較大，需要較大的抽芯力，所以采用液壓側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)。液壓缸的主要尺寸有缸筒內(nèi)徑D和缸筒行程L，該抽芯機(jī)構(gòu)采用內(nèi)徑50 mm、行程20 mm 的油缸。采用液壓缸抽芯機(jī)構(gòu)使其模具制造簡單，動作時間及動作順序都可以進(jìn)行控制，運行可靠，可避免損壞模具。覆蓋件內(nèi)側(cè)倒扣斜頂結(jié)構(gòu)采用整體式，其特點是結(jié)構(gòu)緊湊，強度較好，安裝方便，不容損壞[5]。因為產(chǎn)品內(nèi)部有6 處尺寸為6 mm×2 mm 的內(nèi)倒扣，為了加工制造方便，設(shè)計厚度為6 mm的斜頂，斜頂角度4°，避免斜頂機(jī)構(gòu)之間產(chǎn)生干涉，需設(shè)計限位塊進(jìn)行行程限位。為了使斜頂運行平穩(wěn)，一般需要設(shè)計斜頂導(dǎo)向塊，材料一般用40Cr 中碳調(diào)制鋼，或青銅；斜頂材料一般用H13，并作氮化處理，增強模具活動零件的使用壽命[6-7]。

圖4 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)

3.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計

澆注系統(tǒng)設(shè)計直接影響塑膠產(chǎn)品的品質(zhì)、尺寸精度和成型周期。覆蓋件是外觀件要求較高的產(chǎn)品，表面不能有進(jìn)膠痕跡，由于該模具為一模一腔，產(chǎn)品尺寸較大，運用CAE 軟件對覆蓋件進(jìn)行充填、保壓、冷卻、翹曲模擬分析預(yù)判可能出現(xiàn)的產(chǎn)品缺陷，優(yōu)化進(jìn)膠方案，減少試模改模的次數(shù)。最終采用冷熱流道混合澆注系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖5所示，優(yōu)點是主澆注系統(tǒng)采用熱流道結(jié)構(gòu)，避免了普通澆注系統(tǒng)中主流道產(chǎn)生大量的水口料，提高材料的利用率，有利于壓力傳遞，加快注射速度，保證產(chǎn)品的充填質(zhì)量，在一定程度上克服了產(chǎn)品因充填時補料不足而產(chǎn)生縮孔、凹陷等缺陷[8-9]。潛伏式頂針進(jìn)膠不影響產(chǎn)品外觀，澆口能自動切斷，能實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，降低勞動成本，潛伏式澆口需要用電火花的方法進(jìn)行加工，結(jié)構(gòu)如圖6所示[10-11]。

圖5 熱流道系統(tǒng)設(shè)計

圖6 潛伏式澆口

3.4 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

注塑成型過程中，模具的冷卻時間占整個成型周期的2∕3 以上，冷卻系統(tǒng)設(shè)計合理可減少冷卻時間，提高生產(chǎn)率；冷卻不均勻?qū)е聼醾鬟f不均而產(chǎn)生殘余應(yīng)力，影響產(chǎn)品尺寸的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性。在模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計中，要考慮成型品的形狀，避開與模具其他成型零部件發(fā)生干涉來設(shè)計冷卻孔道尺寸、位置。在動、定模設(shè)置冷卻通道大小為D=φ10 mm，水路間距約3D，水路離產(chǎn)品距離約1.5D。由于滑塊成型接觸面較大需要設(shè)置大小φ8 mm 的冷卻回路增強零件側(cè)面抽芯部分的冷卻效果，冷卻系統(tǒng)設(shè)計如圖7所示[12-13]。

圖7 冷卻系統(tǒng)

3.5 脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計

該模具采用“推桿+斜頂”組合進(jìn)行脫模，其中圓推桿12支φ10 mm×350 mm，扁推桿1支10 mm×6 mm×350 mm，推管φ6 mm ×φ3 mm×350 mm，斜頂6 支，推出力要平衡，推桿布置要均勻，防止推出后膠件變形；推桿一般設(shè)計在脫模力最大的地方；推出力必須作用在制品能承受最大推出力的部位，盡可能選直徑大的頂針，以防塑件變形或損壞，一般在保證膠件能可靠脫模的情況下，應(yīng)盡可能減少推桿的數(shù)量，脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計要避免與其他機(jī)構(gòu)干涉[14-15]。

4 模具整體結(jié)構(gòu)及工作過程

4.1 模具整體結(jié)構(gòu)

該模具一模一腔，外形尺寸為500 mm×500 mm×646 mm，定模面板處設(shè)置隔熱板；模具的型芯、型腔均采用整體鑲?cè)肱c局部鑲拼的結(jié)構(gòu)形式，采用液壓滑塊抽芯機(jī)構(gòu)與斜頂相組合的聯(lián)合抽芯系統(tǒng)。在完成模具的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善模具其他輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計，如定位結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、復(fù)位結(jié)構(gòu)、限位結(jié)構(gòu)等，模具完整的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 模具結(jié)構(gòu)

4.2 模具工作過程

（1）注塑充填時塑料熔料在注射壓力作用下流經(jīng)定位環(huán)13、澆口套14、熱流道板15、熱射嘴17 流入分流道，通過側(cè)向潛伏式澆口后開始填充模具型腔，充滿型腔后，在注塑機(jī)的活塞或螺桿的作用下，熔液仍維持著加壓，使得料筒內(nèi)的熔料持續(xù)流入模腔，以彌補模腔內(nèi)的塑料收縮需求，并能阻止熔液回流現(xiàn)象，熔料在冷卻系統(tǒng)的冷卻作用下固化成型。

（2）開模與外側(cè)滑塊抽芯，在注塑機(jī)動定模作用力帶動下，模具動模部分與定模部分在分型面處分離，塑件與澆注系統(tǒng)凝料從定模分離；模具滑塊在油缸的控制下實現(xiàn)抽芯脫模。

（3）推出塑件，開模結(jié)束后，推桿底板24 與推桿固定板23，在注塑機(jī)頂出桿連接的頂棍26 作用力推動下，帶動推桿39、扁推桿21、推管28 與斜頂30 運動，將塑件與澆注系統(tǒng)水口料從動模型芯推出潛伏式澆口被切斷；推出行程達(dá)80 mm后，限位塊22接觸到動模板38時，頂出桿停止推出動作，塑件及澆道凝料在聯(lián)合推出下完成脫模。

（4）推出機(jī)構(gòu)復(fù)位，推出動作完成后，注塑機(jī)頂出桿回拉，推桿底板24與推桿固定板23在復(fù)位彈簧9復(fù)位桿8 作用下，帶動帶動推桿39、扁推桿21、推管28 與斜頂30完成復(fù)位動作。

（5）滑塊復(fù)位與模具合模，滑塊抽芯機(jī)構(gòu)在油缸控制下驅(qū)動裝置帶動滑塊復(fù)位，滑塊復(fù)位后注塑機(jī)帶動模具動、定模合模并鎖緊，完成一個注塑周期，然后進(jìn)入下一個注塑周期。

5 應(yīng)用效果分析

該模具成型塑件尺寸穩(wěn)定，光潔度符合要求，膠位完整無遺漏，表面光澤平滑，推桿與斜頂殘留凹痕較淺，不存在脫模不良的問題，披鋒沒有超過規(guī)定要求，經(jīng)整機(jī)組裝性能測試滿足客戶要求。該模具安全可靠，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，開、合模穩(wěn)定可靠，動作互相協(xié)調(diào)，定位準(zhǔn)確，保證模具正常穩(wěn)定工作。模具沒有粘前模現(xiàn)象，能自動剪切水口，推出機(jī)構(gòu)進(jìn)退順利，脫模良好，抽芯機(jī)構(gòu)運行暢順；模具冷卻系統(tǒng)沒漏水情況，各主要受力零件有足夠的剛性和強度，模具安裝、調(diào)整方便，工作安全。該模具對成型條件及操作要求不苛刻，加料、取出料方便，滿足注塑成型塑件質(zhì)量要求，成型周期短。該模具能實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量滿足客戶需求，生產(chǎn)效率高，現(xiàn)已進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，產(chǎn)品實物如圖9所示。

圖9 產(chǎn)品實物

6 結(jié)束語

（1）模具采用由熱流道和冷流道混合組成的半熱流道系統(tǒng)，解決大產(chǎn)品一模一腔模具澆注系統(tǒng)偏心的問題，該半熱流道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，所成型制品質(zhì)量穩(wěn)定，注塑周期短且節(jié)約了生產(chǎn)成本，較好地解決了塑件的充填困難問題，顯著提高了注射成型產(chǎn)品的質(zhì)量。

（2）采用潛伏式進(jìn)膠澆口，能在開模過程中自動切斷澆口，解決產(chǎn)品外觀不允許進(jìn)膠痕跡與人工剪水口的問題，降底人工成本。

（3）優(yōu)化模具冷卻系統(tǒng)，使成型周期成功控制在45 s 內(nèi)，效率提高了約10%，大大提高了成型質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

（4）經(jīng)生產(chǎn)實踐證明，本模具抽芯和脫模過程穩(wěn)定，保證了塑件的自動化注塑生產(chǎn)的安全性與穩(wěn)定性。