基于自動(dòng)脫螺紋的揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋雙色注塑模設(shè)計(jì)

王靜，劉雪敏，谷海洋

(1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，杭州 310053； 2.浙江長(zhǎng)征職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，杭州 310023； 3.河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 451191)

雙色注塑是將兩種不同類型的塑料或者是同種類型但具有不同顏色的塑料注射進(jìn)入同一個(gè)模具型腔，從而形成具有兩種不同材質(zhì)或顏色的塑料制品的工藝過程[1]。隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高及工業(yè)領(lǐng)域的特殊要求，雙色注塑制品日益得到廣泛的應(yīng)用。相較于普通注塑工藝，雙色注塑制品更加漂亮，但其所對(duì)應(yīng)的模具也更為復(fù)雜，一直以來都是模具設(shè)計(jì)實(shí)踐過程中的難點(diǎn)[2]。劉峰等[3]結(jié)合車載DVD按鍵內(nèi)外層包覆的特點(diǎn)，在內(nèi)外層分別采用點(diǎn)澆口和側(cè)澆口，解決了二次進(jìn)膠問題。石波等[4]采用第一次注塑硬膠產(chǎn)品、第二次注塑軟膠產(chǎn)品的注塑順序，保證了軟膠、硬膠結(jié)合區(qū)域的產(chǎn)品成型質(zhì)量。徐以國(guó)等[5]設(shè)計(jì)了一種用于先推出成型塑件的彈塊機(jī)構(gòu)，通過斜楔彈塊機(jī)構(gòu)與推出機(jī)構(gòu)的配合，實(shí)現(xiàn)先成型塑件留在動(dòng)模側(cè)，后成型塑件通過推桿從定模側(cè)推出等動(dòng)作以保證雙色塑件的成型精度。盧建生等[6]采用倒裝模具結(jié)構(gòu)，以熱流道系統(tǒng)進(jìn)料，動(dòng)模拉鉤帶動(dòng)彈塊，在彈簧彈力的作用下，通過彈塊導(dǎo)向抽芯。魏東坡等[7]采用旋轉(zhuǎn)型芯式兩板模結(jié)構(gòu)，利用液壓驅(qū)動(dòng)的側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)完成側(cè)面異性凸臺(tái)、凹槽等特征的成型，使得零件的脫模動(dòng)作便于控制。雙色模具注塑效率相對(duì)普通單色注塑模具更高，所成型的塑件具有更優(yōu)良的使用性能，因此被越來越多地運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)中。

瓶蓋雖然形狀微小，但卻具有巨大的產(chǎn)業(yè)潛能，在瓶蓋行業(yè)中，大多數(shù)塑料瓶蓋產(chǎn)品都具有螺紋結(jié)構(gòu)，這對(duì)于產(chǎn)品的順利脫模是十分不利的，因此研究瓶蓋內(nèi)部螺紋的自動(dòng)脫模結(jié)構(gòu)對(duì)于提高瓶蓋塑件的生產(chǎn)率具有重要的工程意義。對(duì)于洗發(fā)水瓶蓋模具的設(shè)計(jì)，韓海軍等[8]曾采用鑲拼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一模四腔的模具結(jié)構(gòu)，汪政等[9]則采用整體式型芯結(jié)構(gòu)和組合式型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一模兩腔的模具結(jié)構(gòu)。任天娟[10]采用液壓力驅(qū)動(dòng)鏈條帶動(dòng)鏈輪的方式解決了洗發(fā)水瓶蓋的自動(dòng)脫螺紋問題。謝宇玲等[11]采用由液壓馬達(dá)、齒輪傳動(dòng)和螺母螺桿等組成的自動(dòng)脫模機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)螺紋型芯以“旋轉(zhuǎn)+平移”的方式完成洗發(fā)水瓶蓋的脫螺紋動(dòng)作。以上研究雖然從不同角度解決了洗發(fā)水瓶蓋的脫模問題，但是所針對(duì)的塑件均是要求單色注塑，故對(duì)于基于雙色注塑的洗發(fā)水瓶蓋脫螺紋問題還需進(jìn)一步研究。

筆者以某款揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋為例，基于雙色注塑工藝，介紹一種特殊的脫螺紋雙色注塑模具結(jié)構(gòu)，解決了此類模具設(shè)計(jì)的難題。

1 塑件結(jié)構(gòu)分析

圖1為某款揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋的三維外觀圖，塑件整體結(jié)構(gòu)分為兩部分，主體部分為一典型殼體，內(nèi)部具有螺紋結(jié)構(gòu)，與殼體通過鉸鏈相連接的為一平板蓋結(jié)構(gòu)。塑件殼體內(nèi)部的深螺紋結(jié)構(gòu)會(huì)造成脫模困難，若使用強(qiáng)制脫螺紋結(jié)構(gòu)則會(huì)破壞螺紋，因此模具須考慮采用自動(dòng)脫螺紋結(jié)構(gòu)。第一次注射成型產(chǎn)品的殼體結(jié)構(gòu)，所用材質(zhì)為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)；第二次注射成型產(chǎn)品的平板結(jié)構(gòu)，所用材質(zhì)為聚碳酸酯(PC)。瓶蓋的整體外形尺寸為80 mm×56 mm×20 mm，平均壁厚為2.5 mm。客戶對(duì)產(chǎn)品外觀品質(zhì)要求較高，不能有紋路、劃痕、熔接痕等注塑缺陷。

圖1 塑件結(jié)構(gòu)圖

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)有模具工程中常采用的雙色注塑模具結(jié)構(gòu)可分為兩種類型：分體式和連體式。分體式是指由裝在一臺(tái)注塑機(jī)上的兩幅模具來完成產(chǎn)品的雙色注塑，如圖2a 所示，其中兩副模具的動(dòng)模結(jié)構(gòu)完全相同，但兩者的定模結(jié)構(gòu)不同，在完成第一次注塑后，兩幅模具180°旋轉(zhuǎn)后合模繼續(xù)進(jìn)行第二次注塑形成最終產(chǎn)品。連體式是指完全由一副模具完成兩次注塑過程，如圖2b所示，在同一副模具中，設(shè)計(jì)兩種不同的動(dòng)模，第一次注塑完畢，在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，兩種動(dòng)模沿著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)180°互換位置，然后進(jìn)行第二次注塑形成最終產(chǎn)品。相較于連體式模具，分體式模具由于是兩幅模具各自的獨(dú)立成型，故可以選用標(biāo)準(zhǔn)模架，生產(chǎn)成本較易控制，且模具結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，故一般情況下雙色模具常選用分體式結(jié)構(gòu)。

圖2 雙色注塑模具結(jié)構(gòu)形式

經(jīng)塑件結(jié)構(gòu)分析可知，該產(chǎn)品主體結(jié)構(gòu)是殼體，平板結(jié)構(gòu)通過鉸鏈與主體殼體相連，兩種結(jié)構(gòu)關(guān)系較為分明，且屬于不同材質(zhì)，根據(jù)其在模具中的成型位置，可擬定成型順序?yàn)椋菏紫冗M(jìn)行殼體的第一次注塑，然后進(jìn)行平板蓋的第二次注塑。故可考慮采用分體式雙色模具結(jié)構(gòu)，動(dòng)模設(shè)計(jì)成完全相同的結(jié)構(gòu)，定模結(jié)構(gòu)則不相同。

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證注射成型的順利進(jìn)行，根據(jù)分體式雙色模具的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)分別為產(chǎn)品的殼體和平板蓋部分設(shè)計(jì)進(jìn)膠系統(tǒng)，且第一次注塑的流道凝料應(yīng)在第二次注塑前必須與產(chǎn)品分離。

(1)殼體進(jìn)膠方案設(shè)計(jì)。

根據(jù)客戶要求，采用一模兩腔的型腔布局，考慮到流道凝料與產(chǎn)品自動(dòng)分離的需要，可采用針點(diǎn)式進(jìn)膠。由于產(chǎn)品本身尺寸不大，故設(shè)計(jì)成單點(diǎn)進(jìn)膠即可滿足成型需求，點(diǎn)澆口的位置如圖3所示，其基本位于產(chǎn)品殼體的中心部位，能夠保證充模順暢，且此位置恰巧可以被平板蓋所遮擋，不會(huì)影響外觀質(zhì)量。

圖3 殼體進(jìn)膠方案

(2)平板蓋進(jìn)膠方案設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行第二次注塑的澆口設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮產(chǎn)品外觀質(zhì)量的因素之外，還必須留意充模過程中分子定向作用造成的后果，平板蓋進(jìn)膠方案如圖4所示，在平板蓋和殼體之間有鉸鏈結(jié)構(gòu)，此處部位在使用過程中將頻繁被折彎，為增強(qiáng)其使用性能，二次注射的點(diǎn)澆口位置可設(shè)置在鉸鏈一側(cè)靠近殼體的位置，同時(shí)需要在平板蓋充模末端設(shè)計(jì)冷料穴以收集熔體前鋒冷料，保證產(chǎn)品的成型質(zhì)量。

圖4 平板蓋進(jìn)膠方案

2.3 脫螺紋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

脫螺紋結(jié)構(gòu)是模具設(shè)計(jì)工程中比較難處理的一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，由于產(chǎn)品形狀千變?nèi)f化，脫螺紋結(jié)構(gòu)在實(shí)踐中具有各種不同的設(shè)計(jì)考慮[12-17]。如塑件結(jié)構(gòu)分析所述，該塑件脫模所面臨的最大問題在于殼體內(nèi)部螺紋的脫出，同時(shí)還需考慮產(chǎn)品從模具中頂出的問題。由于塑件的殼狀主體內(nèi)部有很深的內(nèi)螺紋，其螺紋結(jié)構(gòu)的螺牙較深，角度較小，牙型比較尖銳，如果采用強(qiáng)制脫螺紋勢(shì)必會(huì)破壞產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，故必須采用自動(dòng)脫螺紋機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)有的自動(dòng)脫螺紋機(jī)構(gòu)按照動(dòng)力傳動(dòng)方式可分為馬達(dá)傳動(dòng)、螺紋傳動(dòng)和齒輪齒條傳動(dòng)，考慮到液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速相對(duì)較慢、動(dòng)作平穩(wěn)、安全可靠，根據(jù)本塑件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，該模具采用液壓馬達(dá)和螺紋傳動(dòng)相結(jié)合的自動(dòng)脫螺紋方式，這樣設(shè)計(jì)可使整體模具結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，節(jié)省模具占用空間。其工作原理如圖5 所示，開模停止后，液壓馬達(dá)1 開始工作，驅(qū)動(dòng)齒輪2 轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪2帶動(dòng)齒輪3轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪3的轉(zhuǎn)動(dòng)通過齒輪4最終帶動(dòng)與齒輪4嚙合的兩個(gè)螺紋型芯5轉(zhuǎn)動(dòng)從而完成脫螺紋動(dòng)作。作為重要成型零件的螺紋型芯頭部和底端均設(shè)計(jì)有螺紋，型芯底座7內(nèi)部設(shè)計(jì)有螺槽，可保證螺紋型芯在脫出塑件6內(nèi)部螺紋的同時(shí)旋入型芯底座7而進(jìn)行軸向高度的調(diào)節(jié)。

圖5 自動(dòng)脫螺紋機(jī)構(gòu)

2.4 頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品在脫螺紋機(jī)構(gòu)動(dòng)作之后，雖然完成了螺紋扣位的抽芯，但產(chǎn)品依然留在動(dòng)模，此時(shí)需設(shè)計(jì)頂出機(jī)構(gòu)將產(chǎn)品頂出模具，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征，采用錐形頂塊加頂針頂出的結(jié)構(gòu)形式，如圖6 所示。產(chǎn)品的主體形狀為典型殼體結(jié)構(gòu)，由于功能的需要，在殼體內(nèi)部設(shè)計(jì)有螺紋，且殼體與平板蓋之間呈現(xiàn)鉸鏈連接。根據(jù)產(chǎn)品的這個(gè)特點(diǎn)，在不影響脫螺紋的前提下，為保證殼狀主體的順利頂出，可在螺紋型芯4內(nèi)部加工出通孔，并設(shè)計(jì)一頂桿結(jié)構(gòu)，頂桿2 頭部設(shè)計(jì)成錐面以方便與螺紋型芯的配合，防止注塑時(shí)發(fā)生跑膠。針對(duì)于產(chǎn)品平板蓋6 的脫模，則采用頂針頂出，但如果直接將頂針布置在平板蓋上，會(huì)有頂針痕跡，為避免此種情況發(fā)生，在平板蓋一端設(shè)計(jì)冷料穴7，使頂針3 頂在冷料穴上，頂板5運(yùn)動(dòng)時(shí)將帶動(dòng)頂桿2 和頂針3 同時(shí)動(dòng)作，這樣即可完成塑件1 的頂出，冷料穴7 也起到了收集前鋒冷料的作用。

2.5 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模具的冷卻系統(tǒng)是由在模具內(nèi)部縱橫交錯(cuò)的直管道加上堵頭和冷卻水嘴構(gòu)成，冷卻系統(tǒng)對(duì)于控制塑件的成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率起著關(guān)鍵作用。在設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí)不但需要充分考慮產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)和型腔布局，還必須注意繞開頂出系統(tǒng)的位置，避免干涉情況的發(fā)生。該產(chǎn)品為典型殼體結(jié)構(gòu)，可采用普通的階梯式冷卻水路滿足塑件的冷卻要求。為保證塑件得到均勻的冷卻，本套模具分別在定模和動(dòng)模里面設(shè)計(jì)有階梯式水路結(jié)構(gòu)，如圖7所示，水道從定/動(dòng)模板進(jìn)入，在模仁里面圍繞產(chǎn)品一周后通過，再?gòu)亩?動(dòng)模板出去，最后外接冷卻水嘴從而構(gòu)成整個(gè)冷卻系統(tǒng)，達(dá)到了冷卻效果要求，同時(shí)也避開了與頂出系統(tǒng)的干涉。

圖7 模具冷卻系統(tǒng)

3 模具工作原理

模具的結(jié)構(gòu)如圖8 所示，模具的具體工作過程如下。

圖8 模具結(jié)構(gòu)

(1)注塑機(jī)將加熱塑化后的ABS 料通過澆口套7注塑到模具型腔之中，經(jīng)過保壓后，冷卻水通過冷卻水嘴5對(duì)塑件進(jìn)行冷卻。

(2)冷卻結(jié)束，模具在尼龍扣塞10的作用下先從分型面PL1處分開，水口推板8與定模板6 分離，此時(shí)塑件與點(diǎn)澆口斷開。

(3)繼續(xù)開模，當(dāng)大拉桿18的掛臺(tái)與定模板6相碰時(shí)，小拉桿17 將隨動(dòng)模部分一起運(yùn)動(dòng)，將推動(dòng)水口推板8一起運(yùn)動(dòng)，模具將從分型面PL2處分開，澆注系統(tǒng)凝料在水口推板8作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫落。

(4)繼續(xù)開模，當(dāng)小拉桿17掛臺(tái)碰到定模底板9時(shí)，定模板6和動(dòng)模板4將掙脫尼龍扣塞10的阻礙，模具從分型面PL3處分開，在注塑機(jī)轉(zhuǎn)盤作用下，整體動(dòng)模進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)后注入PC 料完成二次注塑。開模拉斷點(diǎn)澆口，凝料自動(dòng)脫落。

(5)開模停止后，液壓馬達(dá)13 開始工作，驅(qū)動(dòng)齒輪12轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪12帶動(dòng)齒輪11轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪11的轉(zhuǎn)動(dòng)通過齒輪2最終帶動(dòng)與齒輪2嚙合的兩個(gè)螺紋型芯3轉(zhuǎn)動(dòng)從而完成脫螺紋動(dòng)作。

(6)軟膠材料進(jìn)行二次注塑后，注塑機(jī)頂桿推動(dòng)頂針推板14，從而通過頂針15和頂桿1將產(chǎn)品從動(dòng)模仁16上推出，完成整個(gè)產(chǎn)品脫模。

(7)齒輪12運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)螺紋型芯3復(fù)位，模具旋轉(zhuǎn)180°進(jìn)行下次注塑。

4 結(jié)語

通過對(duì)揭蓋式洗發(fā)水瓶蓋的結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)了一種雙色注塑模具結(jié)構(gòu)。針對(duì)塑件內(nèi)部的螺紋結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)螺紋傳動(dòng)的自動(dòng)脫螺紋機(jī)構(gòu)，保證了脫螺紋動(dòng)作的準(zhǔn)確和穩(wěn)定。為避免頂出干涉，在螺紋型芯內(nèi)部加工出通孔結(jié)構(gòu)，配合帶有錐度結(jié)構(gòu)的頂桿，實(shí)現(xiàn)了塑件的順利推出。實(shí)踐證明該模具結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)作安全可靠，生產(chǎn)效率高，可為同類塑件模具設(shè)計(jì)提供參考。