掃地機(jī)手柄側(cè)蓋多元構(gòu)件頂出機(jī)構(gòu)注塑模設(shè)計(jì)

路英華，肖國(guó)華，李亞峰，勵(lì)偉定，徐生

(1.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江寧波 315000； 2.寧波凱福萊特種汽車有限公司，浙江寧波 315020)

針對(duì)注塑模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)考慮塑件材料特性和成型特點(diǎn)(如流長(zhǎng)比等)能否適用塑件形狀成型要求[1-3]，其次是考慮澆口位置、澆口形式、澆口數(shù)量及澆口對(duì)應(yīng)的排氣通道等能否保證模腔獲得充分充填和滿足保壓調(diào)整以確保塑件成型品質(zhì)[4-6]，再次是成型件能否方便開設(shè)溫度調(diào)節(jié)水路以改善塑件成型工況，最后是塑件的脫模方式及脫模步驟能否實(shí)現(xiàn)塑件的自動(dòng)化生產(chǎn)[7-9]。這幾個(gè)問題是決定一副模具能否成功實(shí)現(xiàn)塑件優(yōu)良成型的關(guān)鍵。智能掃地機(jī)手柄側(cè)蓋塑件形狀不規(guī)則，采用常規(guī)模具設(shè)計(jì)手段難以獲得品質(zhì)優(yōu)良的塑件，針對(duì)這一問題，筆者設(shè)計(jì)了一副兩板式模具，在模具中，使用牛角澆口對(duì)模腔進(jìn)行澆注，采用兩次開模和兩次頂出動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)塑件的自動(dòng)脫模，為配合兩次頂出需要，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種二次頂出控制機(jī)構(gòu)，為同類型塑件注塑模具的設(shè)計(jì)提供參考。

1 塑件分析

1.1 塑件結(jié)構(gòu)

智能掃地機(jī)手柄側(cè)蓋塑件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，塑件為一種曲面網(wǎng)格工業(yè)構(gòu)型塑件，其用途是扣接在掃地圓柱殼主機(jī)手柄外側(cè)起到封裝手柄內(nèi)壁電子元器件的作用，同時(shí)也起到外觀修飾作用。塑件側(cè)面呈圓弧形(圖1中K-K所示)，俯視圖呈喇叭形。塑件總高度為72 mm，總長(zhǎng)度為118 mm，最大寬度為54 mm，平均壁厚為2 mm。塑件內(nèi)壁上，兩側(cè)為鏡像對(duì)稱關(guān)系，設(shè)置有8 個(gè)卡扣，一側(cè)為A1，A2，A3，A4四個(gè)卡扣，另一側(cè)為A5，A6，A7，A8四個(gè)卡扣，8個(gè)卡扣深度都為1 mm。上下兩端都設(shè)置有端側(cè)面，在下端側(cè)面的外壁上(K-K中F區(qū)域所示)，設(shè)置有一個(gè)寬度和高度均為4 mm的倒扣B1，其內(nèi)有一勾槽，深為4 mm。對(duì)應(yīng)于倒扣B1的反面位置，倒扣B1在塑件的右下尾端形成一個(gè)深度為7 mm 的倒扣B2。按主機(jī)廠家要求，塑件的成型精度為MT4 (按GB/T 14486-2008)，外表光亮，不能留有明顯的熔接痕和分型痕跡，無(wú)后續(xù)處理要求，注塑完畢后即可使用，總產(chǎn)量為25萬(wàn)件。

圖1 智能掃地機(jī)手柄側(cè)蓋塑件

1.2 塑件材料

按客戶指定使用聚碳酸酯(PC)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)合金材料進(jìn)行成型，材料牌號(hào)為cycoloyCE1821 (沙伯基礎(chǔ)創(chuàng)新)，合金中PC 與ABS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為70%和30%，需符合歐盟ROHS環(huán)保要求。該合金材料的典型特點(diǎn)為既具有PC的優(yōu)良耐熱耐候性、尺寸穩(wěn)定性和耐沖擊性能，又具有ABS 優(yōu)良的加工流動(dòng)性。合金材料收縮率為0.48%～0.53%，流長(zhǎng)比Ks=100，經(jīng)計(jì)算，塑件形狀所決定的最長(zhǎng)流動(dòng)路徑為161 mm，空腔流長(zhǎng)比為Ki=161/2=80.5，小于Ks，材料適合于塑件模腔的充填。塑件形狀的Ki與材料本身的Ks比較表明，使用該改性合金充填本塑件模腔時(shí)，模腔內(nèi)料流的流動(dòng)性可得到保證，用于調(diào)節(jié)塑件成型品質(zhì)的保壓工藝參數(shù)也能有較寬的閾值調(diào)整寬度。

1.3 成型和模具設(shè)計(jì)難點(diǎn)

塑件的成型包含以下幾個(gè)難點(diǎn)[10-13]。

(1)塑件外觀要求高，分型和澆注痕跡只能設(shè)置在隱蔽處，或者被主裝配件——掃地機(jī)主機(jī)圓柱殼手柄所包容和遮蓋，顯然，在塑件最大輪廓線邊沿開設(shè)側(cè)澆口或者在塑件外觀面上開設(shè)點(diǎn)澆口都不可行，最好的辦法是在塑件的內(nèi)壁面上開設(shè)點(diǎn)澆口。塑件內(nèi)壁面上開設(shè)點(diǎn)澆口常用的辦法是采用倒裝式模具結(jié)構(gòu)，即型芯成型件安裝在模具定模一側(cè)，而型腔成型件安裝在動(dòng)模一側(cè)，但倒裝式結(jié)構(gòu)帶來(lái)的新問題是必須在定模一側(cè)設(shè)置頂出機(jī)構(gòu)，定模頂出機(jī)構(gòu)一般使用油缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，模具結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，成本增加。

(2)因塑件的截面面積不同，如圖1 中所示的剖面J-J面和H-H面等，熔料在流動(dòng)路徑上經(jīng)歷變化截面時(shí)容易產(chǎn)生弛豫問題，導(dǎo)致塑件表面可能產(chǎn)生較多的波紋暗影，嚴(yán)重影響塑件外觀。

(3)對(duì)于塑件內(nèi)壁上的8 個(gè)卡扣(A1～A8)，需要專門設(shè)置卡扣脫模機(jī)構(gòu)實(shí)施脫模，否則塑件難以從模具中自動(dòng)脫出。

(4)兩個(gè)端側(cè)面在實(shí)際模塑成型中，形成一種互斥型倒扣，即模腔在模具中擺放如能使塑件上端避免形成倒扣，則在塑件下端必定形成倒扣，反之亦然，抑或上端、下端都形成倒扣。上端、下端不同的倒扣取舍同時(shí)也影響到A1～A8 八個(gè)卡扣脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

(5)下端F 區(qū)域倒扣B1 的勾槽脫模方向始終都是斜向，如不采用斜向抽芯脫模，塑件的模具結(jié)構(gòu)布置會(huì)變得更復(fù)雜，加大模具的整體制造成本。

1.4 解決辦法

針對(duì)塑件的成型難點(diǎn)，采取了以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)措施。

(1)塑件在模腔中按圖2 所示進(jìn)行布局?jǐn)[放，因而，可以使用分型面I-I面對(duì)模腔進(jìn)行分型，這樣的擺放方式有四個(gè)好處：一是可以使?jié)部趶乃芗淖顚捊孛孢M(jìn)澆，向最小截面方向充填，避免充填過程中弛豫問題的發(fā)生；二是可以使8個(gè)卡扣A1～A8的成型特征集中設(shè)置在一組收縮滑塊4 和4’上，按分型面I-I的水平方向進(jìn)行側(cè)抽芯，便于內(nèi)置收縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)；三是塑件下端形成的倒扣B2 可以通過一個(gè)斜頂5 進(jìn)行頂出側(cè)抽芯即可解決下端內(nèi)壁脫模困難問題；四是可以通過使用1 個(gè)斜抽芯型芯解決倒扣B1勾槽脫模難題。按此布局后，模腔的澆注可以使用牛角澆口進(jìn)行澆注，進(jìn)膠點(diǎn)可以設(shè)置在塑件內(nèi)壁上，保證澆注痕跡不出現(xiàn)在塑件外壁上而影響塑件的外觀。這樣，能避免模具使用倒裝式模具結(jié)構(gòu)。同時(shí)，牛角澆口在塑件與流道廢料同步頂出脫模時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)流道廢料與塑件的自動(dòng)分離。另外，此布局便于冷卻水路W1等的開設(shè)，以方便通過調(diào)整模具溫度等注塑工藝參數(shù)來(lái)調(diào)整塑件的成型質(zhì)量。

(2)使用I-I面做分型面，分型面沿塑件的最大外沿輪廓延拓獲得，以保證分型痕跡的光順性，保證塑件外觀。

(3)在模腔成型件材料選材上做區(qū)分用材。分型后獲得的成型件型腔鑲件1、澆口鑲件2、型芯鑲件3、收縮滑塊4 和4’及倒扣B1 斜滑塊頭6 使用合金鋼材料718H，718H拋光性能比較好，可以使成型塑件獲得非常好的外觀質(zhì)量。成型件選材時(shí)，也可以考慮使用拋光性能和硬度更好的NAK80。然而，NAK80 的耐磨性能不如718H，這是因?yàn)槟＞咪摬牡哪湍バ圆粌H取決于硬度值，還與模具鋼組織中是否存在大量堅(jiān)硬細(xì)小且均勻分布的碳化物組織有直接關(guān)系。NAK80 碳含量只有0.1%，高硬度的NAK80 碳化物少，所以它的耐磨性不如718H。下端內(nèi)壁倒扣B2斜頂5對(duì)應(yīng)的鋼材選用H13鋼材，原因在于彎曲和磨損是影響斜頂使用壽命的關(guān)鍵因素，若選用常用的VIKING，DC53 模具鋼做斜頂材料，雖其有較好的硬度和強(qiáng)度，但韌性不足容易斷裂，而韌性較好的P20，718，S136等模具鋼存在硬度不高、強(qiáng)度低的缺陷，故在使用中易出現(xiàn)磨損和折彎的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 模具中模腔布局

針對(duì)圖2 中所示單腔，在模具中的布局為一模兩腔，兩腔布局后的機(jī)構(gòu)件及輔助零部件在模具模架中的安裝如圖3所示。

圖3 模具結(jié)構(gòu)件安裝

2.2 模架的選用

模具模架選用冷澆口兩板式工字模架，由于收縮滑塊4，4’內(nèi)收抽芯驅(qū)動(dòng)和倒扣B1斜滑塊頭6，6’斜向抽芯驅(qū)動(dòng)的需要，模架中增加了墊板39，并且在動(dòng)模板36 與墊板39 之間增加一次模板開模打開，打開面是K2 面[14-17]。模腔的開模打開面是K1面。模架中，為配合K2面的打開，推出機(jī)構(gòu)中在基本的一次推板43 及其蓋板的上面增加了二次推板42及其蓋板。增加二次推板42及其蓋板的作用是，一次推板43可以通過動(dòng)模板頂出桿10與動(dòng)模板36緊固組合在一起，由一次推板43 推動(dòng)動(dòng)模板36 頂出而打開K2 面，避免為了在模架中增加K2 面打開功能而設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模板打開控制機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)[18-20]。二次推板42 上可以設(shè)置頂出元件?8頂針25等對(duì)塑件實(shí)施最終頂出。

2.3 結(jié)構(gòu)件安裝

如圖3中前視局部剖視圖(A-A視圖)所示，牛角澆口的成型件設(shè)置成鏡像對(duì)稱型成型件——澆口鑲件2和澆口鑲件2’，這樣可便于牛角澆口的加工。

倒扣B1 斜滑塊頭6 和6’分別為兩個(gè)模腔的倒扣B1 成型件，以倒扣B1 斜滑塊頭6’的驅(qū)動(dòng)為例，倒扣B1 斜滑塊頭6’安裝在斜滑塊29 上，斜滑塊29安裝在動(dòng)模板36 上，由安裝在墊板39 上的倒裝式楔緊塊28通過其上的T型導(dǎo)軌進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，只有當(dāng)K2面打開時(shí)，楔緊塊28 才能驅(qū)動(dòng)斜滑塊29 和倒扣B1斜滑塊頭6’實(shí)施斜抽芯，斜向抽芯距為6 mm，斜滑塊29斜向移動(dòng)方向與開模方向的夾角為60°。模具閉合時(shí)，楔緊塊28 依靠其左上端錐度為10°的斜坡面進(jìn)行鎖緊，防止斜滑塊29松退。楔緊塊28的T型導(dǎo)軌在斜滑塊29 完成抽芯抽出后依然停留在斜滑塊29的T型槽內(nèi)，以確保K2面閉合時(shí)，楔緊塊28能準(zhǔn)確驅(qū)動(dòng)斜滑塊29復(fù)位。

如圖3中左視局部剖視圖(B-B視圖)所示，每個(gè)模腔中設(shè)置了收縮滑塊4，4’，用于8個(gè)卡扣的成型。收縮滑塊4，4’上都設(shè)置有T型導(dǎo)軌35，通過該T型導(dǎo)軌35，中心型芯34 可以同步驅(qū)動(dòng)收縮滑塊4，4’做內(nèi)收式抽芯。收縮滑塊4，4’通過滑動(dòng)壓塊33 安裝在型芯鑲件8，9的組合件上。當(dāng)K2面打開時(shí)，中心型芯34拉動(dòng)收縮滑塊4，4’做內(nèi)收抽芯移動(dòng)，完成塑件上8個(gè)卡扣的抽芯脫模。

兩個(gè)模腔中的下端內(nèi)壁倒扣B2斜頂5，5’都通過二次推板42的斜頂座24驅(qū)動(dòng)實(shí)施頂出側(cè)抽芯動(dòng)作。塑件的最終頂出脫模由二次推板42 上所布置的多根?4 頂針23，?8 頂針25 及下端內(nèi)壁倒扣B2斜頂5，5’共同頂出而實(shí)現(xiàn)完全脫模。

2.4 二次頂出控制機(jī)構(gòu)工作原理

為控制一次推板43、二次推板42能分兩次實(shí)施頂出而設(shè)計(jì)了二次頂出控制機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)的組件包括件16～21，其工作原理如圖4 所示。當(dāng)模具動(dòng)模(動(dòng)模板36 以下所有零部件)按圖4 中F向下行后退一定距離后，到達(dá)狀態(tài)I位置，此時(shí)兩次推桿16被注塑機(jī)擋板擋住。由于兩次推桿16 的上端與二次推板42緊固組合在一起，因而，二次推板42也保持不動(dòng)。同時(shí)，由于兩次推桿16通過其上的圓環(huán)槽M與卡位活動(dòng)塊18的配合，能拉住一次限位管19同步不動(dòng)，而一次限位管19 上端用螺紋緊固安裝在一次推板43 下端面，從而一次推板43 也能維持不動(dòng)，這樣一次推板43 上的動(dòng)模板頂出桿10、二次推板42 上的?8頂針25等都保持同步不動(dòng)。兩次推桿16頂住二次推板42使其保持不動(dòng)，在模具下行方向F向上一直沒有相對(duì)移動(dòng)，停留在狀態(tài)I所示位置。

圖4 二次頂出控制機(jī)構(gòu)工作原理

隨著動(dòng)模的繼續(xù)下行，動(dòng)模包括動(dòng)模座板44、墊板39 等繼續(xù)下行(F向)，動(dòng)模座板44 帶著其上的調(diào)節(jié)限位管17 一起下行，下行一定距離后，卡位活動(dòng)塊18 被迫進(jìn)入調(diào)節(jié)限位管17 內(nèi)的凹槽L 內(nèi)，從而，兩次推桿16 和一次限位管19 之間失去卡位活動(dòng)塊18 的連接而能相對(duì)滑動(dòng)，動(dòng)模座板44 通過卡位活動(dòng)塊18 帶動(dòng)一次限位管19 下行，從而帶動(dòng)一次推板43 下行，而二次推板42 只能繼續(xù)停留在原位置，模具處于狀態(tài)II所示位置，此過程中，K2面被打開。

在此過程中，隨著動(dòng)模動(dòng)模座板44、墊板39 等的同步繼續(xù)下行，動(dòng)模座板44 通過調(diào)節(jié)限位管17拉動(dòng)一次推板43一起繼續(xù)下行，從而拉動(dòng)動(dòng)模板36也一起下行，進(jìn)而在二次推板42 上的多根頂針(件23、件25)及下端內(nèi)壁倒扣B2 斜頂5，5’等的頂托下，動(dòng)模板36上的型芯鑲件3，8，9和收縮滑塊4，4’等從塑件中分離而出，最終塑件留于頂針(件23、件25)及下端內(nèi)壁倒扣B2 斜頂5，5’等上而自動(dòng)脫落，模具處于狀態(tài)III所示位置。

第一次頂出距離為30 mm，第二次頂出距離為50 mm，頂出過程直到墊板39被二次推板42的蓋板上端面所擋住而停止。復(fù)位時(shí)，機(jī)構(gòu)的動(dòng)作相反。

2.5 輔助機(jī)構(gòu)件在模具中的布置

成型件、脫模機(jī)構(gòu)件、輔助功能件、水路等在模架中的布置如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)件在模架中的平面布置

模具中，模腔為一模兩腔布局，對(duì)于型腔鑲件1、型芯鑲件3 等，使用鑲件鑲?cè)肽０逯械姆绞竭M(jìn)行安裝，這樣有益于成型零部件的加工，也有利于節(jié)省成型件貴重材料，節(jié)省模具制造成本。

推板導(dǎo)柱13、導(dǎo)柱46、導(dǎo)套49、定距拉桿38、樹脂開閉器54、復(fù)位桿55等輔助功能零件均采用1模4件平衡式布置，以確保模具工作的平穩(wěn)性。4個(gè)導(dǎo)柱46 中有1 個(gè)導(dǎo)柱為非對(duì)稱安裝，以防止定模、動(dòng)模配模閉合時(shí)裝錯(cuò)而損壞成型件。

3 模具工作原理

結(jié)合圖3 和圖4，模具工作原理如圖6 所示，具體工作過程為：

圖6 模具工作原理

(1)注塑，模具在注塑機(jī)中閉合完成注塑過程；

(2)K1面打開，注塑完成后，注塑機(jī)動(dòng)模拉動(dòng)模具動(dòng)模按F向下行，模具先在K1 面處打開，打開過程中，塑件從型腔鑲件1中脫出，留于動(dòng)模一側(cè)；

(3)K2面打開(第一次頂出)，動(dòng)模繼續(xù)后退到一定位置時(shí)，兩次推桿16 被注塑機(jī)擋板頂住，隨著動(dòng)模的繼續(xù)下行，K2面被打開，4個(gè)收縮滑塊4及2個(gè)斜滑塊29等完成抽芯動(dòng)作，此過程對(duì)應(yīng)于二次頂出機(jī)構(gòu)的第一次頂出；

(4)第二次頂出，隨著動(dòng)模繼續(xù)下行，動(dòng)模板36跟隨下行，其上的型芯鑲件3，8，9 和收縮滑塊4，4’等從塑件中分離而出，最終塑件留于頂針(件23、件25)及下端內(nèi)壁倒扣B2 斜頂5 等上而自動(dòng)脫落，在此過程中下端內(nèi)壁倒扣B2斜頂5同步完成側(cè)抽芯；

(5)復(fù)位，過程與開模過程相反。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)針對(duì)智能掃地機(jī)手柄側(cè)蓋塑件使用PC/ABS合金成型難題，使用牛角澆口對(duì)模腔進(jìn)行澆注，實(shí)現(xiàn)了塑件與廢料的自動(dòng)分離，保證了模腔內(nèi)熔料流動(dòng)的充分性，使塑件的外觀品質(zhì)得到充分保證。

(2)在設(shè)計(jì)模具時(shí)，使用推板二次頂出的辦法增加一次模具模板的打開：第一次頂出時(shí)，倒扣B1可以使用斜滑塊抽芯脫模，8個(gè)卡扣可以使用收縮滑塊側(cè)抽芯脫模；第二次頂出時(shí)，內(nèi)壁排位凹槽形成的倒扣B2可以使用斜頂側(cè)抽芯脫模，從而有效簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)。

(3)在二次頂出控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過調(diào)節(jié)限位管上的卡位活動(dòng)塊的移位動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)限位管與兩次推桿的組合、調(diào)節(jié)限位管與一次限位管的組合，達(dá)到控制一次推板、二次推板組合與分離的動(dòng)作目的，優(yōu)化簡(jiǎn)化了二次頂出推板控制機(jī)構(gòu)件設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)動(dòng)作可靠，有效降低了模具制造成本。