閥芯塑件順序抽芯注塑模具設(shè)計

榮星，胡志超，翁建春，陳亞洲，吳世兵

(1.集美大學(xué)海洋裝備與機(jī)械工程學(xué)院，福建廈門 361021；2.廈門鑫世偉精密模具有限公司，福建廈門 361021)

在設(shè)計注塑模具時，根據(jù)塑料制品結(jié)構(gòu)及塑性特點，需要設(shè)計合理的開合模及抽芯順序；常用的能夠?qū)崿F(xiàn)控制抽芯順序的機(jī)構(gòu)有：多次順序開模[1-6]、電氣控制油(氣)缸[7-10]、通過斜導(dǎo)柱與滑塊斜導(dǎo)柱孔配合間隙大小控制抽芯延時[11]、傳統(tǒng)抽芯與彈簧等輔助機(jī)構(gòu)結(jié)合[12-16]以及上述幾種機(jī)構(gòu)的組合[17-23]等。筆者以某微型閥芯塑膠產(chǎn)品為研究對象，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抽芯機(jī)構(gòu)會出現(xiàn)互相干涉問題，如果選用常用的抽芯順序控制機(jī)構(gòu)，必然會使模具整體尺寸增大、結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，造成用“大機(jī)臺注塑微型塑件”，引起注塑成本增加以及模具制造成本增加，為此，需設(shè)計合理的順序抽芯機(jī)構(gòu)，控制注塑及模具制造成本，同時還需保證模具安全、可靠地工作。

1 某閥芯產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

1.1 基本結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

塑料閥芯材質(zhì)為30%玻璃纖維增強(qiáng)聚鄰苯二甲酰胺(PPA+30%GF)，是一種改性耐高溫尼龍材料，具有較高的拉伸強(qiáng)度和彎曲彈性模量以及出色的穩(wěn)定性、耐久性和熱穩(wěn)定性，同時具有很高的抗蠕變性、尺寸穩(wěn)定性及力學(xué)性能恒定的特性，另外具有很好的耐汽油、油脂和冷卻劑性能。該材料的吸濕率很低，潮濕環(huán)境并不會影響材料的性能，由其成型的塑件制品可承受高達(dá)280℃的高溫，即使在高溫、高濕狀態(tài)下也具有較強(qiáng)的力學(xué)性能，具有較低的摩擦系數(shù)和磨耗系數(shù)。該類塑件的模具成型溫度為135～150℃。由PPA+30%GF制作的閥芯正逐步取代傳統(tǒng)銅制閥芯。

閥芯產(chǎn)品實物照片及結(jié)構(gòu)、尺寸如圖1所示，長為64.82 mm、最大直徑40.2 mm，屬于微型塑件，要求塑件產(chǎn)品不得有飛邊、缺料等缺陷。該閥芯為家用冷熱水混合水龍頭的閥芯，圖1中特征F6和F7型孔為冷、熱水入水孔，特征F8型孔為混合后的出水孔。

圖1 某閥芯塑件結(jié)構(gòu)圖及實物照片

1.2 結(jié)構(gòu)分析

由圖1可見，閥芯產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為表達(dá)方便，將閥芯分為6個方位。閥芯有14處不能正常脫模的特征，閥芯X+側(cè)有F1缺口特征，F(xiàn)2(?25.73 mm階梯盲孔)特征，在球面SR12.86 mm偏Z+方向有F3槽口特征與?15.68 mm階梯盲孔貫穿，在球面SR12.86 mm中心PL平面呈60°對稱分布F4，F(xiàn)5(? 11.18 mm階梯孔)特征，并與X-側(cè)中心平面偏Z+方向2.01 mm的F6，F(xiàn)7(?11.3 mm階梯孔)特征貫穿，X-側(cè)中心平面偏Z-方向9.05 mm的F8(?11.3 mm階梯孔)特征與?15.68 mm階梯盲孔貫穿，X-側(cè)還具有F9，F(xiàn)10，F(xiàn)11傘形盲孔特征；Y+側(cè)方孔F12特征與F6，F(xiàn)8特征貫穿；Y-側(cè)方孔F13特征與F7，F(xiàn)8特征貫穿，F(xiàn)14(?2.31 mm階梯孔)特征與F2特征貫穿。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 模具分型面及抽芯布置

閥芯F1～F14這些槽、孔等結(jié)構(gòu)特征給塑件脫模帶來一定的難度，為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動化生產(chǎn)，在設(shè)計模具分型及抽芯機(jī)構(gòu)時需采用特殊的結(jié)構(gòu)[24]，以保證模具能夠按照要求進(jìn)行順序抽芯，并安全、可靠地工作。

根據(jù)閥芯結(jié)構(gòu)特點，遵循分型面為制品最大投影面的設(shè)計規(guī)則[8]，按照圖1所示中心平面PL作為主分型面，抽芯設(shè)計布置如圖2所示。圖2中，在X+方向型芯M1.1成型F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3特征，型芯M2.1成型F5特征，型芯M3.1成型F4特征；在Y+方向型芯M4.1成型F12特征；在X-方向型芯M5.1成型F9，F(xiàn)10，F(xiàn)11特征，型芯M5.2，M5.3，M5.4分別成型F6，F(xiàn)7，F(xiàn)8特征，型芯M5.2，M5.3，M5.4內(nèi)套于型芯M5.1組合為一組抽芯；在Y-方向型芯M6.1成型F13特征，型芯M6.2成型F14特征，型芯M6.1，M6.2通過固定板M6.3組合為一組抽芯。

圖2 模具抽芯平面布局

2.2 抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計

由于閥芯屬于微型塑件，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為實現(xiàn)順序抽芯，若采用電氣控制油缸機(jī)構(gòu)會增加模具整體尺寸；如采用多次順序開模、抽芯結(jié)合彈簧等輔助機(jī)構(gòu)，會使模具結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，還需增加模具順序開模動作控制機(jī)構(gòu)，模具整體尺寸也會相應(yīng)增加；如采用斜導(dǎo)柱與滑塊斜導(dǎo)柱孔配合間隙大小控制抽芯延時設(shè)計，經(jīng)過計算需大大增加滑塊的尺寸才能滿足抽芯距離的要求，造成模具整體尺寸增大，增加模具制造成本。為降低注塑及模具制造成本，并保證注塑的可行可靠，通過設(shè)計不同結(jié)構(gòu)和尺寸的彎銷實現(xiàn)抽芯順序的控制。

根據(jù)閥芯結(jié)構(gòu)特點，抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計為動模側(cè)抽芯，共設(shè)計六套抽芯機(jī)構(gòu)，如圖3和圖4所示(為表達(dá)清楚，圖3b中閥芯及部分零件為剖視圖，圖4中滑塊體均為剖視圖)。圖3中，X+方向包含M1，M2，M3三套抽芯機(jī)構(gòu)，M2，M3抽芯機(jī)構(gòu)套裝于抽芯機(jī)構(gòu)M1之內(nèi)；抽芯機(jī)構(gòu)M1的型芯M1.1通過固定板M1.2固定于滑塊體M1.3，隨著模具的開合模動作，固定于定模側(cè)的彎銷M1.4起到驅(qū)動和鎖緊抽芯機(jī)構(gòu)M1的作用；抽芯機(jī)構(gòu)M2的型芯M2.1通過固定板M2.2固定于滑塊體M2.3，隨著模具的開合模動作，固定于定模側(cè)的彎銷M2.4起到驅(qū)動和鎖緊抽芯機(jī)構(gòu)M2的作用；抽芯機(jī)構(gòu)M3的型芯M3.1通過固定板M3.2固定于滑塊體M3.3，隨著模具的開合模動作，固定于定模側(cè)的彎銷M3.4起到驅(qū)動和鎖緊抽芯機(jī)構(gòu)M3的作用；Y+方向的抽芯機(jī)構(gòu)M4的型芯M4.1通過固定板M4.2固定于滑塊體M4.3，隨著模具的開合模動作，固定于定模側(cè)的斜導(dǎo)柱M4.5驅(qū)動抽芯機(jī)構(gòu)M4，固定于定模側(cè)的楔緊塊M4.4起到鎖緊抽芯機(jī)構(gòu)M4作用；X-方向的抽芯機(jī)構(gòu)M5的型芯M5.2，M5.3，M5.4鑲套于型芯M5.1之內(nèi)，并通過固定板M5.5固定于滑塊體M5.6，隨著模具的開合模動作，固定于定模側(cè)的彎銷M5.7起到驅(qū)動和鎖緊抽芯機(jī)構(gòu)M5的作用；Y-方向的抽芯機(jī)構(gòu)M6的型芯M6.1，M6.2通過固定板M6.3固定于滑塊體M6.4，隨著模具的開合模動作，固定于定模側(cè)的斜導(dǎo)柱M6.6驅(qū)動抽芯機(jī)構(gòu)M6，固定于定模側(cè)的楔緊塊M6.5起到鎖緊抽芯機(jī)構(gòu)M6作用。

圖3 抽芯機(jī)構(gòu)空間布局

圖4 各抽芯機(jī)構(gòu)組成及關(guān)鍵尺寸

2.3 抽芯機(jī)構(gòu)開合模順序設(shè)計

從圖2和圖3可見，型芯M2.1與型芯M3.1交叉，造成抽芯機(jī)構(gòu)M2與抽芯機(jī)構(gòu)M3運動發(fā)生干涉，為此，在型芯M2.1對應(yīng)位置開孔，讓型芯M3.1穿過，并將抽芯機(jī)構(gòu)M1、抽芯機(jī)構(gòu)M2、抽芯機(jī)構(gòu)M3抽芯動作先后順序設(shè)計為：抽芯機(jī)構(gòu)M3先進(jìn)行抽芯動作，使型芯M3.1脫模并脫離型芯M2.1，接下來抽芯機(jī)構(gòu)M2進(jìn)行抽芯動作，使型芯M2.1脫模，最后抽芯機(jī)構(gòu)M1進(jìn)行抽芯動作，使型芯M1.1脫模。

型芯M4.1插入型芯M5.2，M5.4，型芯M6.1插入型芯M5.3，M5.4，造成抽芯機(jī)構(gòu)M4，M6與抽芯機(jī)構(gòu)M5運動發(fā)生干涉，因此必須在抽芯機(jī)構(gòu)M4的型芯M4.1脫離M5.2，M5.4以及抽芯機(jī)構(gòu)M6的型芯M6.1脫離型芯M5.3，M5.4之后，抽芯機(jī)構(gòu)M5才能開始進(jìn)行抽芯動作。

在塑料模具設(shè)計中，斜導(dǎo)柱與滑塊斜導(dǎo)柱孔配合間隙大小、彎銷與滑塊體滑槽配合間隙大小會影響到開模和合模啟動的響應(yīng)速度，但不會影響開合模的最終結(jié)果，因此在計算校核過程中不予考慮。

(1)抽芯機(jī)構(gòu)M1，M2，M3的開合模順序。

開模時，隨著動定模分開，如圖4c所示，固定于定模側(cè)的彎銷M3.4的斜面S3驅(qū)動內(nèi)套在滑塊體M1.3內(nèi)的抽芯機(jī)構(gòu)M3整體向模具外側(cè)滑動；此時，由于固定于定模側(cè)的彎銷M2.4，M1.4和滑塊體M2.3，M1.3的配合面與開模方向平行，故抽芯機(jī)構(gòu)M2，M1保持不動。當(dāng)開模距離達(dá)到82.2 mm時，彎銷M3.4斜面S3脫離滑塊體M3.3對應(yīng)斜面，抽芯機(jī)構(gòu)M3整體停止向模具外側(cè)滑動。抽芯機(jī)構(gòu)M3向模具外側(cè)移動tan25o×82.2 mm=38.33 mm，達(dá)到使型芯M3.1脫模，并脫離型芯M2.1解除運動干涉的目的。

如圖4b所示，當(dāng)開模距離達(dá)到86.08 mm時，彎銷M2.4的斜面S2驅(qū)動內(nèi)套在滑塊體M1.3內(nèi)的抽芯機(jī)構(gòu)M2整體向模具外側(cè)滑動；此時，由于固定于定模側(cè)的彎銷M1.4和滑塊體M1.3的配合面與開模方向平行，故抽芯機(jī)構(gòu)M1保持不動。當(dāng)開模距離達(dá)到134.34 mm時，彎銷M2.4斜面S2脫離滑塊體M2.3對應(yīng)斜面，抽芯機(jī)構(gòu)M2整體停止向模具外側(cè)滑動。抽芯機(jī)構(gòu)M2向模具外側(cè)移動tan25o×(134.34 mm-86.08 mm)=22.5 mm，達(dá)到使型芯M2.1脫模的目的。

如圖4a所示，當(dāng)開模距離達(dá)到144.86 mm時，彎銷M1.4的斜面S1驅(qū)動抽芯機(jī)構(gòu)M1及其套裝在其內(nèi)部的抽芯機(jī)構(gòu)M2，M3整體向模具外側(cè)滑動；當(dāng)開模距離達(dá)到243.25 mm時，彎銷M1.4斜面S1脫離滑塊體M1.3對應(yīng)斜面，抽芯機(jī)構(gòu)M1及M2，M3整體停止向模具外側(cè)滑動。抽芯機(jī)構(gòu)M1，M2，M3整體向模具外側(cè)移動tan22o×(243.25 mm-144.86 mm)=39.75 mm，達(dá)到使型芯M1.1脫模的目的。

合模時，當(dāng)動定模間距小于243.25 mm時，彎銷M1.4的斜面S1′驅(qū)動抽芯機(jī)構(gòu)M1及其套裝在其內(nèi)部的抽芯機(jī)構(gòu)M2，M3整體向模具中心滑動，直至彎銷M1.4和滑塊體M1.3的配合面與開模方向平行時，整體停止滑動；當(dāng)動定模間距小于134.34 mm時，彎銷M2.4的斜面S2′接觸到滑塊體M2.3的對應(yīng)斜面，將驅(qū)動內(nèi)套在滑塊體M1.3內(nèi)的抽芯機(jī)構(gòu)M2向模具中心滑動，直至彎銷M2.4和滑塊體M2.3的配合面與開模方向平行時，抽芯機(jī)構(gòu)M2停止滑動；當(dāng)動定模間距小于82.2 mm時，彎銷M3.4的斜面S3′接觸到滑塊體M3.3的斜面，將驅(qū)動內(nèi)套在滑塊體M1.3內(nèi)的抽芯機(jī)構(gòu)M3向模具中心滑動，直至動定模完成合模，此時，彎銷M2.4的鎖緊斜面與滑塊體M2.3的斜面配合并鎖定抽芯機(jī)構(gòu)M2，彎銷M1.4的鎖緊斜面與滑塊體M1.3的斜面配合并鎖定抽芯機(jī)構(gòu)M1。

(2)抽芯機(jī)構(gòu)M4，M5，M6的開合模順序。

抽芯機(jī)構(gòu)M4，M6設(shè)計為斜導(dǎo)柱(傾斜角度、長度、直徑一致且對稱設(shè)計)驅(qū)動抽芯機(jī)構(gòu)，如圖4d所示，開模時，隨著動定模分開，固定于定模側(cè)的斜導(dǎo)柱M4.5，M6.6驅(qū)動抽芯機(jī)構(gòu)M4，M6向模具外側(cè)滑動；由圖1中C-C視圖可知，當(dāng)開模間距大于14.53 mm/tan23o=34.23 mm后，型芯M4.1，M6.1才分別脫離型芯M5.2，M5.3，M5.4解除干涉，因此設(shè)計開模距離達(dá)到40.95 mm時(如圖4e所示)，在彎銷M5.7斜面S5驅(qū)動下，抽芯機(jī)構(gòu)M5才開始執(zhí)行抽芯動作，實現(xiàn)差速運動的目的；當(dāng)動定模分開距離達(dá)到57.6 mm時，抽芯機(jī)構(gòu)M4，M6向模具外側(cè)移動tan23o×57.6 mm=24.45 mm，斜導(dǎo)柱M4.5，M6.6脫離滑塊體M4.3，M6.4，抽芯機(jī)構(gòu)M4，M6停止向模具外側(cè)滑動。當(dāng)動定模分開距離達(dá)到146.53 mm時，抽芯機(jī)構(gòu)M5向模具外側(cè)移動tan22o×(146.53 mm-40.95 mm)=42.66 mm，達(dá)到使型芯M5.1，M5.2，M5.3，M5.4脫模的目的。

合模時，當(dāng)動定模分開距離小于146.53 mm時，彎銷M5.7的斜面S5′驅(qū)動抽芯機(jī)構(gòu)M5向模具中心滑動實施合模；當(dāng)動定模分開距離小于57.6 mm時，斜導(dǎo)柱M4.5，M6.6驅(qū)動抽芯機(jī)構(gòu)M4，M6向模具中心滑動實施合模；當(dāng)開模距離小于40.95 mm時，彎銷M5.7與滑塊體M5.6配合面與開模方向平行，抽芯機(jī)構(gòu)M5停止向模具中心滑動直至合模到位；當(dāng)開模間距小于34.23 mm時，型芯M4.1開始插入型芯M5.2，M5.4，型芯M6.1開 始 插入 型芯M5.3，M5.4，直至型芯M4.1與型芯M6.1端面碰穿，楔緊塊M4.4，M6.5鎖緊抽芯機(jī)構(gòu)M4，M6，彎銷M5.7鎖緊抽芯機(jī)構(gòu)M5，完成動定模合模。

2.4 模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖5為模具整體結(jié)構(gòu)。因需在閥芯塑料模具四面六方向設(shè)計側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)，故采取一模一腔的布局，選用兩板模架。為保證動模與定模之間精準(zhǔn)導(dǎo)向定位，除了導(dǎo)柱導(dǎo)套定位外，在動定模的配合面設(shè)計了定位錐臺用于定位，進(jìn)一步保證閥芯的外表面及外螺紋合模線的精準(zhǔn)，通過彎銷、斜導(dǎo)柱精準(zhǔn)控制抽芯等運動機(jī)構(gòu)的運動位置，保證開合模、抽芯、頂出及復(fù)位等動作按照設(shè)計的順序正常工作，生產(chǎn)出合格的塑件[25]。

圖5 模具整體結(jié)構(gòu)

定模型腔13、動模型芯11成型閥芯塑件12外表特征，定模鑲件14成型?15.68 mm階梯盲孔，內(nèi)部結(jié)構(gòu)依靠六組動模側(cè)抽芯成型機(jī)構(gòu)。

關(guān)于澆注方式，采用大水口轉(zhuǎn)定模側(cè)潛伏式澆口方式進(jìn)行澆注，開模時，潛伏式料頭在定模側(cè)與產(chǎn)品之間斷開，留在動模側(cè)，頂料針19頂出料頭，閥芯塑件12采用5支頂針9頂出，實現(xiàn)全自動注塑。

塑料PPA+30%GF成型時需保證模具溫度為135～150℃范圍內(nèi)某一恒定溫度，才能保證其材質(zhì)具有穩(wěn)定的性能；根據(jù)模具結(jié)構(gòu)特點，水路設(shè)計為傳統(tǒng)的打孔水路，在細(xì)小零件(如圖2，型芯M2.1，M3.1，M5.2，M5.3)上無法加工打孔回路時，采用隔片式冷卻水井，這種傳統(tǒng)的水路穩(wěn)定可靠，有利于模溫機(jī)控制模具溫度，同時加工難度小、成本低。

3 模具工作過程

圖6為開模距離與抽芯機(jī)構(gòu)滑動距離之間關(guān)系圖。

圖6 開模距離與抽芯機(jī)構(gòu)滑動距離之間關(guān)系圖(單位mm)

在圖6中，U表示動定模之間開模距離，V表示抽芯機(jī)構(gòu)滑動距離；在完成注射成型后，啟動開模，抽芯機(jī)構(gòu)M3，M4，M6隨即動作，抽芯機(jī)構(gòu)M5，M2，M1在不同的開模距離先后啟動抽芯，各抽芯機(jī)構(gòu)在不同的開模距離處結(jié)束滑動，達(dá)到所設(shè)計的抽芯距離；抽芯機(jī)構(gòu)M5，M2，M1按照不同的開模距離分段啟動和結(jié)束，避免了運動干涉；在開模距離為40.95～57.6 mm這一階段，雖然抽芯機(jī)構(gòu)M4，M6，M5同時運動，但抽芯機(jī)構(gòu)M5啟動時，抽芯機(jī)構(gòu)M4，M6的型芯M4.1，M6.1已離開干涉區(qū)域。

開模完成后，注塑機(jī)的頂出油缸推動推板7，從而使5支頂針9、頂料針19做頂出運動，從動模型腔頂出閥芯塑件及料頭。

接下來進(jìn)行動定模合模，在合模過程中，各抽芯機(jī)構(gòu)運動順序與開模相反，在不同開模距離啟動或停止，直至完全合模。

4 結(jié)語

對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的閥芯塑料模具，通過設(shè)計不同結(jié)構(gòu)和尺寸的彎銷抽芯機(jī)構(gòu)，控制各個抽芯機(jī)構(gòu)的抽芯動作順序，實現(xiàn)抽芯機(jī)構(gòu)之間的相對運動；通過斜導(dǎo)柱與彎銷控制的抽芯機(jī)構(gòu)組合運動，實現(xiàn)抽芯機(jī)構(gòu)差速運動，解決了抽芯機(jī)構(gòu)運動相互干涉問題。模具結(jié)構(gòu)簡單可靠，控制了模具整體外形尺寸，使之適合在小型精密注塑機(jī)臺注射成型，在注塑機(jī)上安裝調(diào)試方便快捷，降低了注塑成本，節(jié)約了模具制造成本。