溫控器面殼注塑模具設(shè)計(jì)

黃繼戰(zhàn)，范玉，肖根先

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇徐州 221116； 2.徐州市模具新技術(shù)工程研究中心，江蘇徐州 221116)

面殼類塑料件在電子電器產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，用于安裝電路板及電子元器件，起到保護(hù)、絕緣及防塵作用。此類塑件具有壁厚較薄，精度要求較高，筋位、孔位及柱位等結(jié)構(gòu)較多，內(nèi)外倒扣較多的特點(diǎn)，其模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有典型性，筆者結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以某溫控器面殼為例，對塑件的工藝性進(jìn)行了分析，采用UG NX12.0設(shè)計(jì)了一套三板式的四面抽芯單腔模具，可為同類塑料件的注塑模具設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 塑件工藝性分析

某溫控器面殼塑件如圖1所示，其為批量生產(chǎn)，原料為聚碳酸酯(PC)，它是一種高透明度、非結(jié)晶工程塑料，外觀透明微黃，剛硬而具韌性，具有特別好的沖擊強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、光澤度、阻燃特性以及抗污染性，其收縮率較低，一般為0.5%～0.7%，取為0.6%，但流動性較差[1-2]，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)應(yīng)予以考慮。

圖1 溫控器面殼

該塑件外形尺寸為135 mm×45 mm×22 mm，體積為17.8 cm3，壁厚基本均勻，壁厚均值為1.2 mm，局部最大壁厚為2.9 mm，位于塑件側(cè)壁4個(gè)角落處。本塑件呈矩形結(jié)構(gòu)，配合尺寸精度為MT3，要求無毛邊、疤痕及翹曲變形成型缺陷，頂面為外觀面，要求較高，其它無特別要求。由圖1可知，該塑件外壁a1，a2，b1，b2，c，d處有倒扣，阻礙開模運(yùn)動，內(nèi)壁f1，f2，f3，g1，g2處有矩形槽，g3處有內(nèi)部凸起，阻礙塑件推出運(yùn)動，必須設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)某樾鞠到y(tǒng)，同時(shí)塑件側(cè)壁將在動模仁的型腔產(chǎn)生深狹縫，諸如上述塑件特征為本模具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外，由于配合要求，塑件長方向側(cè)壁外表面斜度為0°，寬方向側(cè)壁外表面斜度為0.6°，塑件側(cè)壁內(nèi)表面設(shè)有斜度0.5°，以便于塑件脫模。

2 模具主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 分型面的設(shè)計(jì)

在塑件模具的設(shè)計(jì)過程中，分型面的設(shè)計(jì)最重要，分型面的位置對模具的開模、結(jié)構(gòu)及制造影響很大[3]。由于塑件配合要求，其長方向外側(cè)壁斜度為0°，4個(gè)外側(cè)壁均具有倒扣，為了便于脫模和滑塊加工，確定采用四面滑塊抽芯機(jī)構(gòu)成型塑件側(cè)壁的外表面及倒扣?？紤]到塑料批量生產(chǎn)、四面滑塊抽芯模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、PC料流動性較差及自動化生產(chǎn)要求，為簡化模具結(jié)構(gòu)，確定采用單一點(diǎn)澆口進(jìn)料的四面抽芯的單腔三板模。

根據(jù)分型面的選擇原則，選擇分型面的位置如圖2 所示，為A-A處，位于塑件最大輪廓處，分型面的形狀為平面型，選擇該處的好處是能保證開模時(shí)使塑件留于動模，有利于塑件推出，能采用動模滑塊抽芯機(jī)構(gòu)，極大簡化了模具結(jié)構(gòu)，便于加工。

圖2 分型面的位置

2.2 成型零件的設(shè)計(jì)

成型零件主要由定模仁、動模仁及成型滑塊等組成，是注塑的關(guān)鍵部件。定模仁和動模仁零件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、硬度、耐磨性[4-5]。考慮到PC 較硬，成型零件應(yīng)采用較好的材料，并結(jié)合塑件產(chǎn)量，成型零件材料選擇為P20。

定模仁又稱為前模仁、母模仁、定模鑲件等，一般用于塑件外表面的成型，其結(jié)構(gòu)形式主要有整體式和組合式兩種。由于定模仁的小型芯結(jié)構(gòu)簡單和高度較小，所以定模仁采用整體式結(jié)構(gòu)，以保證塑件的外觀質(zhì)量和裝配要求。根據(jù)模具一模一腔的布局、分型面的位置和塑件的尺寸，定模仁尺寸由經(jīng)驗(yàn)法選取為120 mm×180 mm×30 mm。采用UG 軟件分模，并進(jìn)行完善后的定模仁如圖3 所示。為了保證動定模仁的對合精度，設(shè)計(jì)了4個(gè)虎口，如圖3中橢圓形區(qū)域所示，在設(shè)計(jì)虎口時(shí)，要設(shè)計(jì)出斜度以保證開合模的順暢，該處斜度設(shè)為5°，深度方向要避空，以防干涉，該處深度為8.5 mm，避空距離為0.5 mm。定模仁是嵌入定模板的，其背面設(shè)計(jì)有6 個(gè)M8 的螺紋孔，采用螺釘對它們進(jìn)行固定，需要注意的是對應(yīng)動模仁的4 個(gè)角，在定模板上要設(shè)計(jì)出避空結(jié)構(gòu)，該處采用?16 mm 的圓柱孔避空。另外，在分型面上沿型腔邊周邊設(shè)有排氣槽。

圖3 定模仁

動模仁又稱為后模仁、公模仁、動模鑲件等，用以成型塑件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式也有整體式和組合式兩種。為模具加工的便利及后期模具的裝調(diào)、維修方便，動模仁采用組合式結(jié)構(gòu)[6]。動模仁的長、寬尺寸與定模仁尺寸相等，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法動模仁厚度確定為55 mm，即動模仁尺寸為120 mm×180 mm×55 mm。在模具分型面以下，動模仁的側(cè)壁型腔與型芯一起形成狹窄空間來成型塑件四周側(cè)壁，該狹窄空間寬度等于側(cè)壁厚度(均值為1.2 mm)，深度高達(dá)20.5 mm，其加工非常困難，且成型時(shí)易形成困氣，因此，對動模仁進(jìn)行合理分割成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)?？紤]到塑件四面?zhèn)缺诰毻獬樾?，為了降低加工難度及排氣，動模仁的側(cè)壁型腔盡量在交線處分割成4個(gè)滑塊來構(gòu)成，這樣，即使成型塑件側(cè)壁外表面有接痕，也不明顯，此處塑件側(cè)壁外表面非外觀面，故可以接受。動模仁成型塑件內(nèi)壁5 處倒扣的部位，根據(jù)設(shè)計(jì)的斜頂角度需拆分成斜頂?shù)某尚筒糠?，成型塑件兩個(gè)柱位孔的部位，為了便于加工和脫模，需要一個(gè)拆分成小型芯、另一個(gè)拆分為推管頂針?；谏鲜霾捎肬G 軟件分模，再進(jìn)行完善后的動模仁如圖4所示。動模仁的虎口與定模仁相配合，見圖4橢圓區(qū)域所示。動模仁嵌入動模板，采用4個(gè)螺釘對它們進(jìn)行鎖定，動模板也采用?16 mm的圓柱孔避空，使動模仁裝配到位。

圖4 動模仁爆炸圖

由于模具采用了一模一腔的單點(diǎn)澆口進(jìn)料方式，并考慮塑件批量生產(chǎn)因素，故模架類型選擇為簡化型小水口標(biāo)準(zhǔn)模架。根據(jù)動定模仁尺寸，并考慮滑塊抽芯結(jié)構(gòu)和冷卻水道等因素，選擇模架型號為龍記FCI-2530-A70-B80-C100-L290。

2.3 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理，將直接影響模具能否注塑出合格的塑料制品[7]，故重要性不言而喻。圖5為設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)。考慮到塑件體積較小(17.8 cm3)、四面抽芯不便采用側(cè)澆口、頂部為外觀面、塑件產(chǎn)量以及成型時(shí)塑件與澆注凝料自動分離等因素，模具選擇單一點(diǎn)澆口從塑件頂部進(jìn)料，澆口的位置設(shè)置如圖5a所示，其在長度方向上偏離塑件中心6 mm，在寬度方向上與塑件中心重合，好處是注塑時(shí)有利于熔體流動順暢，不易形成熔接痕，便于排氣。澆口的位置在長度方向上偏離中心的原因如下：雖然本塑件結(jié)構(gòu)基本對稱，理論上澆口位置應(yīng)設(shè)在塑件中心，但由于塑件頂部在靠近長度方向中心的兩側(cè)厚度不一，如圖5b 所示，分別為1.8 mm和1.3 mm，故將澆口位置偏離中心，可使壁厚均勻過渡，避免壁厚不均造成縮痕缺陷，且便于模具加工。澆口的形狀和尺寸直接影響熔體的流動狀態(tài)、充模情況和塑件質(zhì)量[3]。為了使點(diǎn)澆口拉斷后不致凸出塑件表面影響使用，將點(diǎn)澆口入口端低于塑件表面，澆口形狀與尺寸如圖5b所示。

圖5 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分流道起分流和轉(zhuǎn)向的作用，考慮到模具為單腔模和PC 料流動性較差等因素，故確定主流道中心與點(diǎn)澆口中心對齊，這樣模具只有豎直分流道來連接主流道和澆口，如圖5c 所示，此時(shí)分流道長度最短，無彎折，非常有利于充模，解決了充填困難的問題。定模板的分流道下圓孔直徑為5.6 mm，定模仁的分流道上圓孔直徑為4.8 mm，分流道錐度為2°。

由上可知，主流道偏離模具中心6 mm，由澆口套成型，設(shè)計(jì)如下：澆口套與注塑機(jī)噴嘴頭相配合的凹坑球半徑為11 mm，主流道小端直徑取3 mm，錐度為3°，澆口套下部的上段部分外徑為12 mm，為了減小澆口套與水口板之間的摩擦，澆口套下部與水口板配合部分的錐度取6°，并在澆口套的底部設(shè)有倒扣，以便開模時(shí)將流道凝料緊固在定模一側(cè)，使流道凝料與塑件自動斷開。

2.4 抽芯與頂出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

當(dāng)塑件產(chǎn)品有側(cè)孔、側(cè)凹的形狀時(shí)，一般都需要設(shè)計(jì)側(cè)向的抽芯機(jī)構(gòu)，這樣塑件才可以順利脫模取出[8]。頂出系統(tǒng)的作用是模具開模后平穩(wěn)可靠地將塑件推離動模型芯。

(1)滑塊抽芯的設(shè)計(jì)。

由前述塑件工藝分析可知，對于成型塑件的四周側(cè)壁的外表面及倒扣，需采用側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)。抽芯距是抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，抽芯距一般按塑件的倒扣距離加上2～5 mm 的安全距離來確定[1]。由塑件測量其左、右側(cè)面的倒扣距離分別為1.5 mm和1.48 mm，上、下側(cè)面的倒扣距離均為4.31 mm，則左、右側(cè)面的抽芯距取為5 mm，上、下側(cè)面的抽芯距取為10 mm。

由于抽芯距離較小，四面抽芯均采用“斜導(dǎo)柱+滑塊”的外側(cè)動模抽芯機(jī)構(gòu)?；瑝K結(jié)構(gòu)有整體式和組合式之分，為節(jié)省昂貴材料和方便加工，本設(shè)計(jì)采用滑塊的成型部分和機(jī)體嵌入配合、螺釘固定的組合方式，各滑塊的成型部分由成型塑件四周側(cè)壁的動模仁型腔合理分割而成，除了右側(cè)面成型塑件側(cè)孔的側(cè)型芯拆分小鑲件外，其余各滑塊的成型部分均為整體結(jié)構(gòu)，再者，為了減少合模時(shí)它們之間的摩擦，各滑塊的成型部分之間均采用7°的斜面配合。此外，鑒于滑塊高度和模具結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及剛度要求，與一般設(shè)計(jì)不同，本設(shè)計(jì)將斜導(dǎo)柱孔設(shè)置于各滑塊的尾端，如圖6所示。

圖6 四面外抽芯結(jié)構(gòu)

斜導(dǎo)柱是側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零件，起驅(qū)動作用。由于左、右側(cè)面的滑塊較寬(120 mm)，上、下側(cè)面的滑塊寬度較小(70 mm)，故分別采用雙斜導(dǎo)柱和單斜導(dǎo)柱驅(qū)動。斜導(dǎo)柱主要參數(shù)設(shè)計(jì)為：所有斜導(dǎo)柱直徑均為10 mm，斜角均為16°，工作長度為抽芯距除以斜角的正切值；為避免楔緊塊與滑塊合模時(shí)產(chǎn)生干涉及開模時(shí)減少磨損，楔緊角取18°，選材為T10A淬火，硬度為50～60HRC。

綜上所述，采用UG NX12.0軟件設(shè)計(jì)的四面抽芯機(jī)構(gòu)如圖6 所示，斜導(dǎo)柱全部通過壓板固定在定模板上。在滑塊定位方面，S1 和S2 的定位零件均采用了“擋塊+滑塊側(cè)面彈性鋼珠”的組合結(jié)構(gòu)，S4的定位零件則是擋塊，S3 的滑塊處于模具上方，為防止開模后滑塊由于重力作用而跌落，定位零件采用了“彈簧+螺釘+擋塊”的組合結(jié)構(gòu)。由于塑件側(cè)壁由滑塊組成的型腔成型，在注塑時(shí)，各滑塊要承受非常大的側(cè)向壓力，故4 個(gè)滑塊的楔緊零件均與定模板集成為一體，在定模板上挖槽形成。

本塑件的分型面為平面型形狀，一般模具Z方向的零點(diǎn)位于分型面上，此時(shí)加載模架，則定模板和動模板的配合面與分型面的距離均為0.5 mm，配合間隙為1 mm，這樣，定模板和動模板的開框深度分別為定模仁高度值30 mm減去0.5 mm、動模仁的高度值55 mm減去0.5 mm。

為了更好地將楔緊零件與定模板集成為一體，本設(shè)計(jì)打破常規(guī)，將模具Z方向的零點(diǎn)沿Z負(fù)向偏離分型面15 mm，而X，Y方向零點(diǎn)不變，為模具中心，這樣加載模架，則定模板和動模板的配合面與塑件分型面的距離分別為14.5 mm 和15.5 mm，配合間隙不變，此時(shí)，定模板的開框深度為30 mm 加14.5 mm 等于44.5 mm，動模板的開框深度變?yōu)?5 mm減15.5 mm等于39.5 mm。通過上述設(shè)計(jì)，簡化了抽芯結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了模具的強(qiáng)度和剛度，縮小了模具體積。需要注意的是，由于塑件的分型面和模具定模板和動模板的配合面錯(cuò)位，故要注意排氣的設(shè)計(jì)。

(2)斜頂抽芯機(jī)構(gòu)和頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

針對塑件內(nèi)部存在8 處倒扣，本模具共設(shè)計(jì)5套斜頂抽芯機(jī)構(gòu)：其中塑件左側(cè)面內(nèi)部f1，f2，f3處倒扣尺寸均為0.85 mm，由3 套斜頂抽芯機(jī)構(gòu)成型；上側(cè)面內(nèi)部e1，e2處倒扣尺寸均為0.88 mm，由1 套斜頂抽芯機(jī)構(gòu)成型；下側(cè)面內(nèi)部g1，g2，g3處倒扣的最大尺寸為1.71 mm，由1套斜頂抽芯機(jī)構(gòu)成型。斜頂抽芯機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)如下：頂出距離為40 mm，各斜頂均為整體結(jié)構(gòu)；左側(cè)面f2，f3處斜頂斜角取3°，抽芯距約為2 mm；其余斜頂斜角取4°，抽芯距約為3 mm。另外，為使斜頂在頂出時(shí)穩(wěn)定可靠，各斜頂均采用T型斜頂座固定和輔助導(dǎo)向塊導(dǎo)向。綜上所述，設(shè)計(jì)的斜頂抽芯結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 斜頂抽芯與頂出機(jī)構(gòu)

上述5 處斜頂抽芯機(jī)構(gòu)兼具頂出的作用，在此基礎(chǔ)上，頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為：在塑件內(nèi)部底面靠近右側(cè)邊緣設(shè)置6 根頂桿，塑件內(nèi)部底面靠近上側(cè)的柱孔位采用頂管推出，另一個(gè)柱孔位因頂管與連接柱干涉，故采用2根頂桿推出，頂桿直徑統(tǒng)一取5 mm。由于存在斜頂機(jī)構(gòu)和主流道偏心，在頂板4 個(gè)邊角上均設(shè)置復(fù)位桿和頂出導(dǎo)柱導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。為了保證頂出距離，設(shè)置4 個(gè)高度為20 mm 的限位塊。由于在滑塊底部有斜頂和頂桿，頂出機(jī)構(gòu)須要有先復(fù)位機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)的先復(fù)位機(jī)構(gòu)由復(fù)位開關(guān)、連接柱和注塑機(jī)組成，原理是頂出塑件后由注塑機(jī)頂棍拉回頂出機(jī)構(gòu)先復(fù)位，需要說明的是只有當(dāng)注塑機(jī)接收到復(fù)位開關(guān)的復(fù)位到位信號后，注塑機(jī)才會進(jìn)行下一個(gè)合模動作[9]?；谏鲜觯O(shè)計(jì)的頂出機(jī)構(gòu)如圖7所示。

2.5 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本塑件原料為PC，壁厚均值為1.2 mm，屬于薄壁件，且高度較高(22 mm)，為此共設(shè)計(jì)6 組階梯式冷卻回路，其中定模2 組、動模2 組、滑塊2 組，冷卻水道布置如圖8 所示。動、定模冷卻水管直徑均為8 mm，滑塊冷卻水管直徑為6 mm。為了增強(qiáng)動模型芯的冷卻效果，其中動模的1 組冷卻回路還采用了“水井+隔片”的冷卻方式，水井直徑為12 mm。本模具冷卻系統(tǒng)能保證各處冷卻均勻，成型周期短，塑件質(zhì)量高[10]。

圖8 冷卻水道布局

3 模具整體結(jié)構(gòu)

基于以上模具主要結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)，利用UG NX12.0設(shè)計(jì)、優(yōu)化的模具3D圖如圖9所示。由模具3D 圖生成，并修改完善的模具裝配2D 圖如圖10所示。

圖9 模具3D結(jié)構(gòu)圖

圖10 模具裝配2D圖

4 模具工作過程

結(jié)合圖10，本模具的工作過程如下。

(1)模具合模。注塑機(jī)接收到來自復(fù)位開關(guān)1的頂出機(jī)構(gòu)復(fù)位到位信號后，推動動模合模，同時(shí)斜導(dǎo)柱和楔緊塊聯(lián)合作用使滑塊11、滑塊26、滑塊38、滑塊49準(zhǔn)確復(fù)位。

(2)注塑。模具閉合后鎖緊，從注塑機(jī)噴嘴中射出的塑料熔體依次通過主流道、豎直分流道、點(diǎn)澆口進(jìn)入密封的模腔，模具經(jīng)過充填、保壓和冷卻定型后準(zhǔn)備好開模。

(3)模具開模。注塑后，在開模彈簧45和尼龍膠扣48 作用下，模具首先從分型面PL1 處打開，點(diǎn)澆口被拉斷，澆注系統(tǒng)凝料與塑件自動分離，打開距離為120 mm，由4根大拉桿54來控制。接著模具再從分型面PL2處打開，水口板20將澆注系統(tǒng)凝料強(qiáng)制從澆口套43 中拉出并自動脫落，打開距離為8 mm，由4 根小拉桿44 來控制。最后模具從分型面PL3處打開，成型塑件跟隨動模脫離定模，同時(shí)滑塊11、滑塊26、滑塊38、滑塊49分別在斜導(dǎo)柱14、斜導(dǎo)柱23、斜導(dǎo)柱40、斜導(dǎo)柱47 作用下進(jìn)行側(cè)向抽芯。分型面PL3 打開距離為80 mm，為推出塑件提供空間，由注塑機(jī)控制。

(4)模具脫模。注塑機(jī)頂棍通過頂棍連接柱57推動頂板4 和頂桿固定板5，進(jìn)而推動5 個(gè)斜頂和6支頂桿將塑件推離動模仁，與此同時(shí)，斜頂完成塑件內(nèi)部抽芯。塑件脫模后，注塑機(jī)通過頂棍連接柱57拉回頂出機(jī)構(gòu)先行復(fù)位，到位后復(fù)位開關(guān)反饋給注塑機(jī)到位信號，至此模具完成一次工作過程[11-15]。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一套溫控器面殼的三板式的四面滑塊抽芯單腔模具。針對塑件四面?zhèn)缺诰械箍?，且由動模仁成型而產(chǎn)生較深狹窄空間的設(shè)計(jì)難題，采用4 個(gè)滑塊來成型塑件側(cè)壁的外表面及倒扣，巧妙地將模具動、定模的配合面沿Z負(fù)向偏移15 mm，斜導(dǎo)柱置于滑塊尾端驅(qū)動，使楔緊塊由定模板挖槽而形成。本設(shè)計(jì)簡化了模具結(jié)構(gòu)，縮小了模具體積，且模具剛性好。生產(chǎn)證明，該模具設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)先進(jìn)、運(yùn)行可靠，生產(chǎn)的塑件質(zhì)量優(yōu)良，達(dá)到了預(yù)期效果，可為同類塑件的模具設(shè)計(jì)提供參考。