塑料彈夾注塑模具的設(shè)計

□ 于維斌 □ 賴幸娜

東莞市機電工程學(xué)校 廣東東莞 523846

1 設(shè)計背景

注塑成型中,保壓冷卻階段的時間占整個成型周期的50%以上,由此,模具溫度變化的均勻性是影響塑件成型質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]。多孔深腔類塑件由于結(jié)構(gòu)特征,在冷卻過程中往往會出現(xiàn)冷卻不均勻、冷卻時間過長等弊端,傳統(tǒng)水路的改進(jìn)空間小,設(shè)計困難,無法進(jìn)行有效改進(jìn)[2]。筆者嘗試將增材制造技術(shù)引入多孔深腔模具的冷卻水路,利用增材制造加工特性設(shè)計隨形水路,進(jìn)而設(shè)計塑料彈夾注塑模具,更好地保證型腔溫度的均勻性,有效提高效率,縮短生產(chǎn)周期[3-5]。

2 塑料彈夾結(jié)構(gòu)與工藝

塑料彈夾的結(jié)構(gòu)如圖1所示,材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯,形狀為八個空心圓柱體通過塑料筋板分兩行均勻排列,各孔圓心間距為17.3 mm。圓柱體外側(cè)為三邊形結(jié)構(gòu),頂端為45°傾斜平面。在圓柱體內(nèi)孔位置有深腔,深腔的中心位置有一個高度為47.5 mm的十字骨結(jié)構(gòu)。塑料彈夾的整體外形尺寸為74.2 mm×50.5 mm×78 mm,壁厚為0.9 mm。結(jié)合塑料彈夾多孔深腔的結(jié)構(gòu)特征和整體外形尺寸,設(shè)計注塑模具型腔的結(jié)構(gòu)為一模兩腔分布。

塑料彈夾在使用過程中,內(nèi)外表面均為工作面,并且在空心圓柱體中心位置有十字骨結(jié)構(gòu),要求有較好的抗沖擊變形、耐磨損性,以及良好的表面粗糙度。因此,除了對塑料彈夾材料的選擇有要求外,對冷卻水路的設(shè)計也提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。冷卻系統(tǒng)應(yīng)保證型腔溫度均勻,利用增材制造加工特性設(shè)計隨形水路,改善塑料彈夾收縮的均勻性[6]。

3 冷卻水路設(shè)計

在模具溫度高導(dǎo)致塑件缺陷且傳統(tǒng)制造無法實現(xiàn)冷卻加工的情況下,可以采用增材制造技術(shù)[7]。傳統(tǒng)水路與隨形水路對比如圖2所示。通過增材制造技術(shù)設(shè)計隨形水路,可以增大冷卻流量,保證型腔溫度均勻,提升冷卻效率,縮短生產(chǎn)周期[8]。

根據(jù)塑料彈夾結(jié)構(gòu)特征,結(jié)合隨形水路的特點,塑料彈夾注塑模具冷卻系統(tǒng)采用隨形水路環(huán)繞的設(shè)計。隨形水路可以緊貼塑料彈夾的形狀環(huán)繞進(jìn)出,達(dá)到充分冷卻的效果。隨形水路設(shè)計方案如圖3所示。

隨形水路分解圖如圖4所示,分為兩個部分。第一個部分主要負(fù)責(zé)多孔深腔部分內(nèi)側(cè)的冷卻,通過水路可以很好地對圓柱深腔的內(nèi)部表面及深孔中心的十字骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速均勻冷卻。由于水路緊貼型腔,因此在開合模的過程中不會發(fā)生干涉。第二個部分對深腔外部筋板連接部分進(jìn)行冷卻,配合第一個部分,均勻地對塑料彈夾進(jìn)行冷卻,達(dá)到內(nèi)外均勻冷卻的目的。按照一模兩腔的注塑模具結(jié)構(gòu),隨形水路對稱分布于型腔兩側(cè)位置。

▲圖1 塑料彈夾結(jié)構(gòu)

▲圖2 傳統(tǒng)水路與隨形水路對比

▲圖3 隨形水路設(shè)計方案

采用增材制造技術(shù),隨形水路可以選用H13、8407、420、S136等鋼材,材質(zhì)洛氏硬度(HRC)范圍在48～54之間。增材制造后,表面粗糙度Ra為9～12.5 μm,可拋光等級為SPI A-3、SPI A-2,增材制造方式為一體式。增材制造水路部分效果圖如圖5所示。

4 型腔設(shè)計

根據(jù)塑料彈夾多孔深腔的結(jié)構(gòu),注塑模具的型腔設(shè)計要求較為復(fù)雜。綜合考慮冷卻系統(tǒng)的設(shè)計布局,單一的型腔結(jié)構(gòu)已無法滿足塑料彈夾生產(chǎn)的需求,型腔需要采用鑲塊疊加配合的形式來完成注塑。鑲塊與型腔相對位置如圖6所示。鑲塊1鑲嵌在動模型芯內(nèi)部,鑲塊2鑲嵌在鑲塊1中間,兩者相互配合形成固定的型腔,完成塑料彈夾多孔深腔及深孔中心十字骨結(jié)構(gòu)的注塑。鑲塊2與鑲塊1配合,主要負(fù)責(zé)塑料彈夾多孔間筋板的形成。鑲塊1、鑲塊2內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu),目的是在中空部分設(shè)置隨形水路。塑料彈夾在冷卻過程中被隨行水路均勻包裹,可以達(dá)到快速均勻冷卻的效果。

▲圖4 隨形水路分解圖

▲圖5 增材制造水路部分效果圖

因為塑料彈夾整體外形尺寸偏小,且生產(chǎn)批量大,所以在型腔布局上采用一模兩腔的對稱布局。根據(jù)型腔鑲塊組成的結(jié)構(gòu),進(jìn)澆方式采用側(cè)面進(jìn)澆。在定模型芯和動模型芯上分別加工澆注流道,形成封閉的澆注系統(tǒng)。注塑模具進(jìn)澆口設(shè)置在動模型芯的側(cè)面。

▲圖6 鑲塊與型腔相對位置

5 注塑模具結(jié)構(gòu)

注塑模具結(jié)構(gòu)如圖7所示。結(jié)合塑料彈夾的結(jié)構(gòu)特征及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計特點,注塑模具選用兩板模結(jié)構(gòu)[9-10]。結(jié)合企業(yè)實際生產(chǎn)需求,采用標(biāo)準(zhǔn)模架。分型面在動模板與定模板之間,控制開合模的零件為拉板、拉板扣機、鎖模塊、回位擊桿、回位桿介子。

注塑模具設(shè)計為一模兩腔結(jié)構(gòu),定模型芯、動模型芯采用具有良好拋光性、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性的S136模具鋼。動模型芯介子由鑲塊1、鑲塊2組成,采用具有良好加工性、拋光性及熱處理穩(wěn)定性的8407模具鋼。鑲塊1與鑲塊2之間采用過盈配合。鑲塊1內(nèi)部留有水路通孔,配合增材制造隨形水路連接水嘴。

澆注系統(tǒng)采用側(cè)面進(jìn)澆的方式,定位圈鑲嵌在定模座板上,澆口套鑲嵌于定模座中,定模型芯、動模型芯上的主流道連接分流道。分流道共16條,左右各8條,呈對稱方式均勻開設(shè)在動模型芯內(nèi)部。

注塑模具的推出機構(gòu)中,由對稱分布在型腔中的16個頂針推出塑料彈夾,由限位柱限定頂針的行程距離,配合斜頂機構(gòu)斜頂、斜頂座,共同完成推出過程。注塑模具型腔分型結(jié)構(gòu)如圖8所示。

6 注塑模具工作原理

塑料彈夾注塑模具完成注塑后,注塑模具在注塑機滑塊的帶動下,在動模與定模交界處的分型面打開。隨著動模的繼續(xù)后移,頂出機構(gòu)中的頂針開始動作,將成型塑料彈夾向外頂出。在成型塑料彈夾向外頂出的同時,流道的凝料和與其連接成一體的成型塑料彈夾在側(cè)面的點澆口斷開。動模繼續(xù)后退,當(dāng)達(dá)到定位拉板極限距離后,開模過程完成。此時通過推出機構(gòu)將成型塑料彈夾完全推出,成型塑料彈夾從動模型芯上完全脫落。

7 結(jié)束語

針對塑料彈夾多孔深腔的結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計了一模兩腔的注塑模具。由于塑料彈夾按照傳統(tǒng)水路工藝難以達(dá)到快速均勻冷卻的效果,因此塑料彈夾注塑模具的冷卻水路采用增材制造的隨形水路。隨形水路按照冷卻功效分為塑料彈夾內(nèi)部冷卻、塑料彈夾外部及筋板冷卻兩部分,按照塑料彈夾的形狀設(shè)計并進(jìn)行增材制造。注塑模具的型腔采用鑲塊組合結(jié)構(gòu),避免開模時產(chǎn)生干涉。注塑模具的結(jié)構(gòu)布局合理,可以有效縮短塑料彈夾的冷卻時間,達(dá)到均勻冷卻的效果,為同類塑件的注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。

▲圖7 注塑模具結(jié)構(gòu)

▲圖8 注塑模具型腔分型結(jié)構(gòu)