基于ZWCAD的奶瓶蓋多腔螺紋抽芯注塑模設(shè)計(jì)

邵樹鋒，林占強(qiáng)

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興 312000； 2.三門技師學(xué)院，浙江臺(tái)州 317100)

瓶蓋可以分為普通瓶蓋和特殊的專利保護(hù)瓶蓋兩大類型[1–3]。普通瓶蓋一般包括內(nèi)壁帶螺紋特征瓶蓋和內(nèi)壁不帶螺紋特征瓶蓋[5–7]。不帶內(nèi)壁螺紋特征的瓶蓋可以通過(guò)兩板模+推板推出機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)易模具進(jìn)行生產(chǎn)[8–9]。而帶內(nèi)壁螺紋特征的瓶蓋則需要用設(shè)有專門脫螺紋脫模機(jī)構(gòu)的模具進(jìn)行生產(chǎn)，模具結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜的同時(shí)，單副模具內(nèi)模腔的布局?jǐn)?shù)量也明顯減少，即隨著機(jī)構(gòu)設(shè)置的增加，單副模具的產(chǎn)量明顯減少[10–13]。而對(duì)于特殊的專利保護(hù)瓶蓋，涉及到商品保護(hù)和競(jìng)爭(zhēng)需要，需要做出特殊的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和功能設(shè)計(jì)以避免侵權(quán)，此類專利瓶蓋的結(jié)構(gòu)一般將瓶蓋蓋體和蓋帽分成兩部分來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，中間通過(guò)設(shè)置能多次折彎的連接筋連接，蓋體內(nèi)壁一般設(shè)置有內(nèi)壁螺紋、防偽及防開(kāi)啟特征，蓋體頂部亦同時(shí)設(shè)置有與蓋帽密封配合的密封結(jié)構(gòu)，其與蓋帽的密封配合，一般通過(guò)蓋帽的脹大變形來(lái)實(shí)現(xiàn)。顯然，此類瓶蓋的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更難，加工與制造也更復(fù)雜[14–17]。

模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬化，一般借助主流3D軟件如UG，PROE和Cimatron等軟件來(lái)實(shí)施，隨著國(guó)內(nèi)三維設(shè)計(jì)軟件技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)產(chǎn)化軟件ZWCAD的三維模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能越來(lái)越強(qiáng)大，已成為中小模具企業(yè)進(jìn)行自主研發(fā)設(shè)計(jì)、降低軟件著作使用成本的不二選擇[18]。筆者應(yīng)用ZWCAD軟件針對(duì)某專利奶瓶蓋塑件設(shè)計(jì)了一副1模8腔三板注塑模具，用于該塑件的大批量自動(dòng)化注塑生產(chǎn)，模具結(jié)構(gòu)較為新穎、實(shí)用，有較好的設(shè)計(jì)參考價(jià)值。

1 奶瓶蓋塑件分析

奶瓶蓋結(jié)構(gòu)如圖1所示，奶瓶蓋為翻蓋式瓶蓋，瓶蓋由蓋體和蓋帽構(gòu)成，蓋體和蓋帽之間通過(guò)三片彎折筋相連接，該彎折筋能承受550次彎折測(cè)試。如圖1a所示，蓋體中央部位設(shè)置有一個(gè)出孔，閉合時(shí)，該出孔與蓋帽一側(cè)的卡柱過(guò)盈配合，對(duì)奶瓶進(jìn)行封閉。如圖1b所示，蓋體的內(nèi)壁上設(shè)置有3圈齒形內(nèi)螺紋，蓋體中央部位設(shè)置有整圈與瓶口過(guò)盈配合的密封邊，蓋體內(nèi)壁底部設(shè)置整圈等間距排列的止轉(zhuǎn)槽。蓋帽一側(cè)，同樣設(shè)置有整圈密封凸筋，用于與蓋體出孔周邊的凸臺(tái)壓緊配合，以對(duì)出孔周邊進(jìn)行密封。蓋帽翻轉(zhuǎn)扣接于蓋體上后，塑件的形狀如圖1c所示。奶瓶蓋材料選用柔韌性好的食用級(jí)改性聚丙烯(PP)，該食用級(jí)改性PP在常溫及高溫情況下，不會(huì)溶出有害物質(zhì)，加熱時(shí)無(wú)降解發(fā)生，但不可用微波爐進(jìn)行加熱。

圖1 塑件結(jié)構(gòu)

2 成型方案布置

2.1 單腔分型

奶瓶蓋塑件的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，針對(duì)單個(gè)瓶蓋塑件而言，在進(jìn)行模腔澆注時(shí)，瓶蓋塑件的澆注系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合塑件的具體形狀來(lái)進(jìn)行實(shí)施，因奶瓶蓋的蓋帽和蓋體中間部位的連接筋壁厚僅為0.3 mm，且要做到蓋體和蓋帽之間能夠?qū)崿F(xiàn)平衡注塑，顯然將澆口開(kāi)設(shè)在圖2中所示的G1位置較為合適，即塑件的單腔采用偏心單點(diǎn)點(diǎn)澆口，這一點(diǎn)，經(jīng)CAE仿真分析后得到驗(yàn)證。明確澆口的位置后，塑件的單腔分型設(shè)置為：在蓋體一側(cè)，以蓋體的上邊沿的L1分型面來(lái)進(jìn)行分型；蓋帽一側(cè)，以L2分型面來(lái)進(jìn)行分型。

圖2 塑件結(jié)構(gòu)尺寸圖及分型

2.2 8腔澆注系統(tǒng)布置

依據(jù)奶瓶蓋的生產(chǎn)要求，單副模具中的模腔布局采用1模8腔的形式，如圖3所示。根據(jù)塑件的單腔為偏心單點(diǎn)點(diǎn)澆口的設(shè)置情況，模具中8腔的澆注系統(tǒng)設(shè)置為如圖3所示的5級(jí)流道系統(tǒng)形式來(lái)進(jìn)行澆注，即主流道→一級(jí)流道→二級(jí)流道→三級(jí)流道→垂直流道→點(diǎn)澆口。點(diǎn)澆口的進(jìn)澆截面直徑為0.8 mm。一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)流道的截面皆采用“U”形截面。

圖3 8腔澆注系統(tǒng)設(shè)置

2.3 單腔成型件

結(jié)合圖2所示的單腔分型設(shè)置及圖3所示的8腔澆注系統(tǒng)布置，單腔的成型件設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 單腔成型件設(shè)置

依據(jù)單腔的L1，L2分型面設(shè)計(jì)，單腔的型腔成型件中，蓋體的出孔特征的成型件單獨(dú)設(shè)置為一個(gè)圓柱形小鑲件，以便于模腔的拋光加工。

如圖4所示，對(duì)于型芯成型件，在綜合考慮脫模、冷卻等需要后，其設(shè)置為：外壁使用型芯鑲件成型。內(nèi)壁使用“螺紋套管型芯”方式成型并實(shí)施脫模，其具體設(shè)置為：內(nèi)壁底端均布的止轉(zhuǎn)槽使用“型芯鑲套”成型，內(nèi)壁螺紋特征使用螺紋型芯成型和旋轉(zhuǎn)脫模。內(nèi)壁密封邊由螺紋型芯和內(nèi)套型芯共同成型，考慮到塑件的最終脫模需從型芯成型件一側(cè)脫出，因而，中央部位再次設(shè)置中央型芯來(lái)解決這一問(wèn)題。對(duì)應(yīng)的脫模動(dòng)作為：第一步先使螺紋型芯旋轉(zhuǎn)抽芯抽出，第二步再通過(guò)中央型芯將塑件從型芯鑲件內(nèi)、內(nèi)套型芯外頂出。

中央型芯內(nèi)部開(kāi)設(shè)內(nèi)壁隔水片噴管(中心水路)對(duì)型芯進(jìn)行冷卻。

2.4 8腔成型件結(jié)構(gòu)

將8個(gè)單腔模腔的型腔成型件合并后，8腔整體型腔設(shè)計(jì)為如圖5a所示的型腔鑲件，8腔整體型芯成型件設(shè)計(jì)為如圖5b所示的型芯鑲件。在8腔整體式模腔設(shè)計(jì)中，一方面考慮到PP料注塑過(guò)程中有可能產(chǎn)生較多的分解氣體，另一方面，蓋體和蓋帽的連接筋厚度僅為0.3 mm，必需增強(qiáng)排氣，因而模腔需要做全周式排氣，排氣槽布置如圖5a所示。為保證模腔閉合的穩(wěn)定性和減小閉合偏差，圖5a中的型腔鑲件兩側(cè)設(shè)置有4處與圖5b中對(duì)應(yīng)的定位配合錐臺(tái)。

針對(duì)圖5a中的型腔鑲件，設(shè)計(jì)了4條復(fù)合平行式水路對(duì)該鑲件進(jìn)行冷卻 (I1–O1，I2–O2，I3–O3，I4–O4)，同樣，對(duì)圖5b中的型芯鑲件，也設(shè)置了2條“回”形式水路進(jìn)行冷卻 (I5–O5，I6–O6)。

圖5 成型件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 模具整體設(shè)計(jì)

在前述澆注系統(tǒng)及成型件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，模具的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在以下幾個(gè)難點(diǎn)：

(1)蓋帽的外表面在圖5b中的型芯鑲件上成型，而其內(nèi)表面則在圖5a中的型腔鑲件上成型，因而，在型腔鑲件與型芯鑲件開(kāi)模打開(kāi)時(shí)，型腔鑲件一側(cè)需要設(shè)置一個(gè)機(jī)構(gòu)將蓋帽從型腔鑲件上頂出，以使塑件能可靠地留在型芯鑲件上。

(2)對(duì)于蓋體內(nèi)壁內(nèi)螺紋脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)能同步推動(dòng)8個(gè)模腔內(nèi)的螺紋型芯同步旋轉(zhuǎn)脫模，即8個(gè)模腔內(nèi)塑件的內(nèi)螺紋起始點(diǎn)必需一致。

3.1 模具整體設(shè)計(jì)

模具的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。模具為改裝型三板模結(jié)構(gòu)，由3板模改進(jìn)為6板模，以便于模具內(nèi)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)。

圖6 模具整體結(jié)構(gòu)

模具分5次分型打開(kāi)，在原始3板模3次打開(kāi)的基礎(chǔ)上，在模具定模一側(cè)，增加了1次定模側(cè)推出板推出分型打開(kāi)；在動(dòng)模一側(cè)，增加了1次動(dòng)模板5向上浮動(dòng)頂出打開(kāi)。

在模具中，采取以下措施解決上述整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的難題：

(1)對(duì)于蓋帽從型腔鑲件中的頂出，在定模板4內(nèi)增設(shè)了一塊有動(dòng)模一側(cè)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的定模頂出板機(jī)構(gòu)。

(2)為保證8個(gè)模腔內(nèi)的內(nèi)螺紋脫模機(jī)構(gòu)動(dòng)作的同步性，采取以下措施來(lái)解決：

①設(shè)置由油缸22驅(qū)動(dòng)的齒條機(jī)構(gòu)對(duì)8個(gè)內(nèi)螺紋型芯同步驅(qū)動(dòng)。

②對(duì)模架進(jìn)行改裝，模架在普通3板模模架的基礎(chǔ)上增設(shè)了零件6～零件8三塊墊板，以便于內(nèi)螺紋型芯及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝。

3.2 模架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

定模頂出機(jī)構(gòu)的安裝如圖7所示，模架做了以下改進(jìn)，在普通3板模模架基礎(chǔ)上，增設(shè)了用于安裝螺紋型芯機(jī)構(gòu)的零件6～零件8三塊墊板，此三塊墊板通過(guò)螺絲緊固在一起，主要用于螺紋型芯機(jī)構(gòu)的安裝。而動(dòng)模板5則設(shè)置為浮動(dòng)式動(dòng)模板，便于帶動(dòng)型芯鑲件上浮，以配合螺紋型芯脫螺紋動(dòng)作。

圖7 定模頂出機(jī)構(gòu)的安裝

3.3 定模頂出機(jī)構(gòu)

如圖7所示，在定模板4上增設(shè)了流道板41和定模推出板47，流道板41和定模推出板47為各自獨(dú)立的模板，流道板41通過(guò)螺釘緊固安裝于定模板4上，而定模推出板47則可以在定模板4對(duì)應(yīng)的槽內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)。定模推出板47上安裝有拉桿柱44，拉桿柱44的下端安裝有樹脂開(kāi)閉器45，在第一墊板6與動(dòng)模板5分離打開(kāi)時(shí)(P5分型開(kāi)模面打開(kāi))，第一墊板6能通過(guò)樹脂開(kāi)閉器45的摩擦吸緊力拉動(dòng)拉桿柱44及定模推出板47下行。在定模推出板47上，通過(guò)三角壓板42壓緊安裝有定模頂桿43，用于蓋帽從型腔鑲件34內(nèi)的頂出脫模。

3.4 動(dòng)模頂出機(jī)構(gòu)

動(dòng)模一側(cè)的頂出機(jī)構(gòu)主要由圖7所示的頂針蓋板9、頂針推板10組成，其結(jié)構(gòu)與一般頂出機(jī)構(gòu)相同，用于圖8中的中央型芯65的頂出。

圖8 脫螺紋機(jī)構(gòu)的安裝

3.5 內(nèi)螺紋脫螺紋機(jī)構(gòu)

針對(duì)蓋體內(nèi)壁的內(nèi)螺紋，采用油缸+齒條驅(qū)動(dòng)的齒輪螺紋型芯機(jī)構(gòu)實(shí)施脫模。以單個(gè)模腔為例，機(jī)構(gòu)包括動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和螺紋型芯機(jī)構(gòu)兩個(gè)子機(jī)構(gòu)。

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)子機(jī)構(gòu)的組成零件包括圖6中的零件16～零件28，該子機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)圖8中的螺紋型芯機(jī)構(gòu)(零件59～零件70)。為保證所驅(qū)動(dòng)的8個(gè)模腔的螺紋型芯60可靠地啟動(dòng)和止位，必需對(duì)由油缸22驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)推板24進(jìn)行精準(zhǔn)控制，該控制主要由前后兩組行程開(kāi)關(guān)來(lái)執(zhí)行，螺紋型芯60的復(fù)位控制由圖6中的復(fù)位觸點(diǎn)塊18、復(fù)位行程開(kāi)關(guān)19來(lái)執(zhí)行，止位由推出行程開(kāi)關(guān)16、推出觸點(diǎn)塊17來(lái)執(zhí)行。齒條28和70為兩條結(jié)構(gòu)一樣的齒條，以齒條70為例，其尾端安裝于活動(dòng)推板24上，前端由模板內(nèi)安裝的齒條導(dǎo)向塊69進(jìn)行導(dǎo)向控制，齒條70上齒與齒輪63嚙合，用于驅(qū)動(dòng)螺紋型芯60轉(zhuǎn)動(dòng)。

螺紋型芯子機(jī)構(gòu)的組成零件包括圖8中的零件59～零件68，組成零件的安裝情況為：螺紋型芯60的下端從上往下依次套裝有上端面軸承62、隔墊68、齒輪63、螺紋型芯軸承64、下端面軸承(與上端面軸承62相同)。螺紋型芯60轉(zhuǎn)動(dòng)抽芯時(shí)，因螺紋型芯60在開(kāi)模方向上不能上下移動(dòng)，因而，為配合螺紋的脫模，動(dòng)模板5需向上浮動(dòng)頂出，配合螺紋型芯的旋轉(zhuǎn)，使塑件邊脫螺紋，邊往上移動(dòng)。

為保證中央型芯65獲得足夠的冷卻，該型芯中心內(nèi)部設(shè)置了一條隔水片式的噴泉冷卻水道，水路的接入、接出都設(shè)置在頂針推板10上。

4 模具工作原理

模具的工作原理如圖9所示，塑件在模具中注塑完畢后，模具打開(kāi)取件時(shí)，模架的模板分五次打開(kāi)，P1，P2，P3為三板模的常用三次開(kāi)模，P4為增加的定模側(cè)推出板推出分型打開(kāi)，P5為增加的動(dòng)模板5向上浮動(dòng)頂出打開(kāi)。具體動(dòng)作工作順序?yàn)椋篜1→P2→P3(P4同步)→P5；閉合順序?yàn)橄喾错樞颉?/p>

圖9 模具工作原理

結(jié)合圖7、圖8和圖9所示，各步驟對(duì)應(yīng)的模具機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)的具體情況為：

①P1打開(kāi)。模具動(dòng)模在注塑機(jī)拉動(dòng)下，模具動(dòng)模下行，此時(shí)，在定模板彈簧73的撐開(kāi)下，模具首先在P1處打開(kāi)，P1打開(kāi)時(shí)，垂直流道與模腔中的塑件在模腔的點(diǎn)澆口處崩斷，流道與塑件分離。P1打開(kāi)一定距離后，定模板拉桿48拉住定模板4，而定模板4繼續(xù)跟隨動(dòng)模下行，從而拉動(dòng)脫料板3下行，此時(shí)，P2打開(kāi)。

②P2打開(kāi)。P2打開(kāi)時(shí)，脫料板3將流道廢料從法蘭套36及拉料桿40上刮出，完成流道廢料的自動(dòng)脫模。P2打開(kāi)一定距離后，流道板定距套50限制板脫料3、定模板4繼續(xù)跟隨模具動(dòng)模下行，模具將被迫在P3處打開(kāi)。

③P3打開(kāi)。P3打開(kāi)時(shí)，塑件蓋體的模腔打開(kāi)，而蓋帽則由于其內(nèi)壁包緊于型腔鑲件上，因而需要從型腔一側(cè)將其頂出，P3打開(kāi)時(shí)，需要P4做同步閉合動(dòng)作。

④P4閉合。P4閉合由P3的打開(kāi)來(lái)驅(qū)動(dòng)，P3打開(kāi)的同時(shí)，樹脂開(kāi)閉器45依靠摩擦力拉住拉桿柱44、定模推出板47一起下行，推動(dòng)定模頂桿43將蓋帽從型腔鑲件34中推出，塑件留于型芯鑲件35上，此為定模板4內(nèi)部的P4的閉合。

⑤螺紋抽芯。P3打開(kāi)、P4閉合動(dòng)作完成后，塑件留于型芯鑲件上，油缸22動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)齒條70帶動(dòng)螺紋型芯60轉(zhuǎn)動(dòng)，在動(dòng)模板彈簧75的輔助頂托下，動(dòng)模板5上浮運(yùn)動(dòng)，從而在螺紋型芯60轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，塑件跟隨動(dòng)模板5一起上浮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁螺紋的順利脫模。

⑥模內(nèi)組裝。脫螺紋完畢后，注塑機(jī)輔助機(jī)械手伸出，將蓋帽翻轉(zhuǎn)彎折，蓋帽扣于蓋體上，實(shí)現(xiàn)瓶蓋的模內(nèi)組裝動(dòng)作。

⑦頂出。注塑機(jī)頂桿推動(dòng)頂出板頂針蓋板9和頂針推板10向上頂出，從而推動(dòng)中央型芯65將塑件從型芯鑲件35上頂出，實(shí)現(xiàn)塑件的完全脫模。

⑧復(fù)位。復(fù)位過(guò)程與開(kāi)模過(guò)程完全相反。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種1模8腔瓶蓋三板注塑模具，模具分五次分型打開(kāi)，定模側(cè)增加1次打開(kāi)，用于蓋帽從型腔鑲件內(nèi)頂出脫模，動(dòng)模一側(cè)增加1次打開(kāi)，以輔助塑件內(nèi)螺紋的螺紋抽芯脫模。

(2)在模具中，通過(guò)設(shè)置偏心單點(diǎn)點(diǎn)澆口，保證了模腔內(nèi)塑件的均衡注塑。

(3)通過(guò)設(shè)置定模頂出機(jī)構(gòu)，保證了蓋帽從型腔內(nèi)的自動(dòng)頂出脫模。通過(guò)設(shè)置一種油缸+齒條驅(qū)動(dòng)的齒輪螺紋型芯機(jī)構(gòu)，保證了8個(gè)模腔內(nèi)塑件內(nèi)螺紋脫模的同步性。

(4)通過(guò)對(duì)模架的改造，方便了脫螺紋機(jī)構(gòu)的安裝及塑件自動(dòng)化注塑生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。

(5)模具機(jī)構(gòu)設(shè)置巧妙，結(jié)構(gòu)布置合理，制造成本相對(duì)較低，具有較好的工程設(shè)計(jì)參考價(jià)值。