筆記本電腦屏幕框熱流道注射模具設(shè)計

任長春，盧 勇

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京210046）

0 前言

隨著現(xiàn)代社會信息化和網(wǎng)絡(luò)化程度的提高，筆記本電腦的使用越來越普及。人們對筆記本電腦的要求也越來越高，不僅要求有良好的內(nèi)在品質(zhì)，而且也要求其具有舒適、優(yōu)美的外觀。筆記本電腦的外觀件主要由注塑件構(gòu)成，注塑模具直接影響了筆記本電腦的外觀品質(zhì)，因此對該類塑件的模具設(shè)計提出了更高的要求。筆記本電腦液晶屏幕框作為直接面對操作者的外部安裝件，用于筆記本電腦液晶屏幕面板的固定，要求薄、窄、韌，并具有漂亮的外觀和良好的裝配性。熱流道技術(shù)是應(yīng)用于塑料注射模澆注系統(tǒng)的一種先進(jìn)技術(shù)，利用熱流道技術(shù)可以明顯改善塑料的流動性、減少廢料、提高生產(chǎn)率，并使得薄壁塑件的成型品質(zhì)和精度得到明顯的提升［1－2］。本研究運用 CAD／CAE 技術(shù)，設(shè)計出符合要求的熱流道注射模具，以提高塑件的品質(zhì)，縮短塑件的生產(chǎn)時間，節(jié)約塑料原料。

1 塑件工藝分析

圖1所示為筆記本電腦液晶屏幕框。該零件為薄壁平板型中空框架零件，基本外形尺寸為380 mm×260 mm，內(nèi)框尺寸為345 mm×195 mm，高為4．6 mm，平均壁厚為1．2 mm，塑件一側(cè)邊框上有凸起邊條用作筆記本電腦開合的把手。材料為聚碳酸酯／丙烯腈-丁二烯 -苯乙烯共聚物合金（PC／ABS），收縮率為0．31%。由于塑件是用來安裝液晶面板的外觀件，因此要求塑件尺寸精度高，而且還要求外表面平整、光滑無變形，無影響外觀的收縮痕、劃痕、熔接痕，絕不允許有飛邊、裂紋、缺料等外觀缺陷。

塑件材質(zhì)為PC／ABS塑料合金，同時具備了ABS材料優(yōu)良的成型性和PC材料的力學(xué)性能高及耐溫、抗紫外線等優(yōu)異特性，適于制造薄壁及復(fù)雜形狀制品。因此，對于本塑件的使用性能及成型要求能夠滿足［3］。

圖1 塑件的結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure of the molded part

從圖1可以看出，塑件的頂面為平面且形狀簡單，僅有幾個直通的長孔；底面內(nèi)部形狀復(fù)雜，有26處安裝卡扣和多處凸起支撐位（見圖1的A放大圖），這個面是與其他零件的配合安裝面，無外觀要求，可以作為塑件的推出面。塑件的4個邊框中1個有豁口的邊安裝時將與其他面配合，無外觀要求，另3個邊框?qū)⒆鳛橥獗砻媸褂茫矣?個邊框有凸起的邊條（見圖1的B放大圖），要求外觀質(zhì)量高。

由此可見，模具的設(shè)計重點是解決薄壁框的充型、內(nèi)部22處倒鉤及邊框凸起邊條的成型問題。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于該塑件的外形結(jié)構(gòu)較大，品質(zhì)要求較高，再加上內(nèi)部的倒鉤很多，因此為了簡化模具結(jié)構(gòu)，降低模具的制造成本，采用一模一腔設(shè)計。本模具的設(shè)計采用3D與2D相結(jié)合的設(shè)計方式。3D軟件采用Cimatron E，主要進(jìn)行模具型腔部分的設(shè)計。2D部分采用一般CAD繪圖軟件，進(jìn)行模具裝配圖及零件圖的繪制。

2．1 分型面的選擇

為了脫模的方便，一般塑件的分型面均選取在塑件的最大面。本塑件的最大面除了一邊框凸起的邊條外，其余都是塑件的底面。如果采用塑件的最大面為分型面，則分型面會在邊框凸起邊條旁呈現(xiàn)一段落差，會產(chǎn)生較明顯的分型線痕跡，影響美觀。因此，在有凸起邊條的邊框位置及兩側(cè)邊框位置采用側(cè)滑塊成型設(shè)計（如圖2所示），將分型線全部調(diào)整到塑件頂面位置，并處于同一位置，形成一圈，不影響美觀。由于凸起邊條的對邊邊框為筆記本屏幕的鉸鏈位置，外觀要求低，因此為了簡化模具結(jié)構(gòu)，此邊采用最大面為分型面。模具的型腔采用整體凹模、凸模嵌入式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的型芯采用鑲件形式。

圖2 分型面示意圖Fig．2 The mould joint

2．2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

由于該塑件尺寸較大，為了降低充模阻力，提高塑件的品質(zhì)，減少廢料的產(chǎn)生，該模具的澆注系統(tǒng)采用熱流道設(shè)計。由于塑件為薄壁框形零件，塑件的進(jìn)膠方式一般均設(shè)計為多點進(jìn)膠［4］。經(jīng)過 Mlodflow軟件分析，該塑件的澆注設(shè)計為熱流道與普通流道結(jié)合，用8點潛伏式澆口方式進(jìn)膠，如圖3所示。

（1）熱流道系統(tǒng)設(shè)計。熱流道系統(tǒng)一般有熱噴嘴、熱流道板、溫控箱及相關(guān)附件組成。由于該塑件為多點潛伏式澆口設(shè)計，熱流道系統(tǒng)采用單腔多點式設(shè)計，4個熱噴嘴分別與分流道相連。熱噴嘴位置的設(shè)計為對稱式，熱流道板設(shè)計采用X型設(shè)計，如圖4所示。

圖3 澆注系統(tǒng)示意圖Fig．3 The gating system

圖4 熱流道板示意圖Fig．4 The hot runner

（2）澆口設(shè)計。由于塑件外觀品質(zhì)要求高，不允許在塑件外表面留下痕跡。因此采用潛伏式澆口設(shè)計，澆口選在塑件的底面位置，不影響塑件的美觀。為了減少料流阻力，采用了牛角式圓弧形澆口設(shè)計。此種澆口形狀復(fù)雜，難以直接在型腔上加工，因此必須制作單獨的澆口鑲件。為了減小加工難度，澆口鑲件設(shè)計成瓣合式，如圖5所示。

圖5 澆口鑲件Fig．5 The insert for gating

2．3 側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計

2．3．1 外側(cè)滑塊抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計

由前述分型面選擇時確定，模具的3個邊框方向為了保證凸起邊條的成型品質(zhì)及分型線與左右兩側(cè)邊框保持一致，將這3個邊框的成型設(shè)計為側(cè)滑塊成型，向模外做側(cè)向抽芯動作，側(cè)型芯如圖6所示。圖6中間側(cè)型芯為成型塑件邊框凸起邊條的側(cè)型芯，側(cè)型芯成型凸起邊條截面特征如圖2（a）所示。圖6兩側(cè)側(cè)型芯用于凸起邊條兩側(cè)邊框的成型。根據(jù)塑件的形狀和型腔布局，設(shè)計中采用斜導(dǎo)柱滑塊機(jī)構(gòu)?；瑝K機(jī)構(gòu)選用組合式，側(cè)型芯與驅(qū)動滑塊分開加工再進(jìn)行拼合。由于抽芯距小，但滑塊體積較大，故采用2根Φ25的斜導(dǎo)柱驅(qū)動，斜導(dǎo)柱傾斜角α選取15°。為了便于采用標(biāo)準(zhǔn)件及制造方便，斜導(dǎo)柱的安裝用螺栓固定在定模板上。

圖6 側(cè)滑塊Fig．6 The side－sliding block

2．3．2 內(nèi)側(cè)斜推桿抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計

該塑件底面內(nèi)部有22處安裝卡扣形成了倒鉤結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行側(cè)向分型。但是由于該塑件框架的外圍有1．1 mm的凸起邊框，所以這些倒扣均位于塑件的內(nèi)部，將無法采用側(cè)滑塊抽芯形式。由于倒鉤數(shù)量多，倒鉤的抽芯距短，抽芯方向多，因此采用斜推桿抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計［4－6］。斜推桿的特點在于模具內(nèi)占用空間小，同時起著側(cè)向成型和推出塑件的作用，在斜推桿向前推出塑件的同時完成側(cè)向抽芯動作，并且兼有排氣功能。斜推桿的設(shè)計如圖7所示。圖7中斜推桿頂部的凸起為成型塑件的倒鉤部位，尾部的T形槽為斜推桿與推桿的推出滑動部位。由于抽芯距短，斜推桿數(shù)量又多，在推桿固定板上沒有足夠的空間安裝斜推桿座，因此斜推桿的推出直接采用斜推桿與推桿直接相連接的簡化形式，但為了增加斜推桿的剛度和強(qiáng)度，保證斜推桿運動的可靠性，此類連接的斜推桿橫截面尺寸選擇要大。斜推桿的傾斜角α取決于側(cè)向抽芯距和頂出行程，但α不能太大，否則在推出過程中斜推桿因承受的彎矩太大導(dǎo)致磨損或者卡死的現(xiàn)象。由于該模具的抽芯距較小，又為了減小斜推桿及模板中斜推桿孔的制造難度，斜推桿傾斜角根據(jù)抽芯距的大小取4°或5°兩種規(guī)格。

圖7 斜推桿Fig．7 The slanted ejector pin

2．4 推出機(jī)構(gòu)設(shè)計

2．4．1 分流道推桿設(shè)計

該模具的澆注系統(tǒng)雖然采用了熱流道技術(shù)，但是熱噴嘴的位置在分流道，因此仍舊有分流道凝料。又由于模具選用了潛伏式牛角式澆口進(jìn)膠方式，需要在推出塑件的時候能夠在澆口位置把塑件和澆注系統(tǒng)凝料分離，并且將潛伏式澆口的牛角式圓弧形澆口凝料拉出。因此，必須對澆注系統(tǒng)凝料設(shè)計推出機(jī)構(gòu)。根據(jù)分流道及澆口設(shè)計特點，設(shè)計了16根推桿對分流道凝料進(jìn)行推出。具體的設(shè)計安排是在8個潛伏式澆口位置均設(shè)置一根推桿，保證足夠的推出力把潛伏式澆口處拉斷；在分流道熱噴嘴的位置及分流道拐彎處設(shè)置推桿，保證分流道凝料的推出，分流道推桿的分布見圖3。選用較大直徑的推桿，在靠近分流道端部進(jìn)行圓弧加工處理。

2．4．2 塑件推出機(jī)構(gòu)設(shè)計

由于該模具內(nèi)有較多數(shù)量的斜推桿，塑件在進(jìn)行側(cè)向抽芯的同時也對塑件有推出作用。但是，由于該塑件為薄壁框形結(jié)構(gòu)，塑件的內(nèi)部除了倒鉤位置還有一些由凸條組成的筋位，因此還必須設(shè)計其他專門的推出機(jī)構(gòu)進(jìn)行推出。

由于塑件為薄壁件，框體的外圍有1．1 mm的邊框，并且有些位置還有較深的筋位，不便于采用頂針頂出。因此，利用斜推桿的特點，采用小角度斜推桿設(shè)計，來推出塑件。此處的小角度斜推桿，采用的傾斜角為0．8°，只是為了在推出塑件的時候不受筋位及凸起邊框的影響，斜推桿在頂出塑件的同時遠(yuǎn)離筋位。這種設(shè)計有效解決了該類結(jié)構(gòu)塑件的推出問題。根據(jù)其特點，設(shè)計了10個小角度斜推桿來對塑件進(jìn)行推出。

由于側(cè)向成型倒鉤時有22只斜推桿，推出機(jī)構(gòu)中有小角度推出斜推桿，為了精確控制斜推桿的推出距離，根據(jù)計算，確定推出距離后需要在推桿固定板上安裝限位塊；同時推出機(jī)構(gòu)還配備先復(fù)位彈簧和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。該模具推出機(jī)構(gòu)的三維圖如圖8所示。

2．5 排氣系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)設(shè)計

由于該模具的成型零件的設(shè)計上有較多的斜頂桿、側(cè)型芯及鑲件可以排氣，但是由于模具型腔中間有大面積的凹模、凸模接觸面，在分型面上的間隙排氣受到影響，并且為了保證模具合模密封性，在凹模、凸模大面積接觸面位置進(jìn)行避空處理，開設(shè)排氣通道，并在模板上避開冷卻水道開設(shè)通氣孔。

圖8 推出機(jī)構(gòu)示意圖Fig．8 3D picture for the push－out device

由于是熱流道模具，模具的冷卻水道設(shè)計應(yīng)該加強(qiáng)對型腔部分的冷卻。動模、定模上每隔30 mm開設(shè)一條冷卻水道。由于側(cè)型芯較大，在側(cè)向型芯上也需要開設(shè)冷卻水道。由于模具上斜推桿、頂桿等零件較多，在設(shè)計冷卻水道時注意避開。

3 模具整體結(jié)構(gòu)及工作過程

為了減小模具安裝尺寸，采用普通直澆口直身式模架6580，模具的整體結(jié)構(gòu)如圖9所示。模具的工作過程是：注射時，塑料通過澆口套29、熱流道分流板27、熱噴嘴25進(jìn)入分流道，再通過潛伏式澆口進(jìn)入模具型腔，保壓冷卻后開模，斜導(dǎo)柱7驅(qū)動側(cè)型芯滑塊11在動模板的導(dǎo)滑槽內(nèi)做向外側(cè)的抽芯動作，熱噴嘴處塑料與分流道凝料分離。模具打開后，注塑機(jī)頂桿推動推板14，推板向前運動帶動頂桿18、斜推桿22和小角度斜推桿35將塑件和分流道凝料一起推出，并且將澆注系統(tǒng)凝料與塑件在澆口處拉斷脫離。合模時首先有復(fù)位彈簧20帶動推出機(jī)構(gòu)先復(fù)位，然后側(cè)向型芯滑塊11在斜導(dǎo)柱7的驅(qū)動下復(fù)位，模具在注塑機(jī)的鎖模力作用下合模，完成一個注射成型周期。

4 結(jié)論

（1）采用側(cè)向滑塊成型的方式有效調(diào)整了塑件分型面位置，使得塑件的外觀品質(zhì)得到改善；

（2）采用熱流道技術(shù)能夠縮短塑料熔體的有效流動距離，采用潛伏式牛角形澆口減小了塑料熔體的流動阻力，提高了塑件的品質(zhì)，降低了塑件的成型周期，減少了原材料的消耗，降低了生產(chǎn)成本；

（3）采用斜推桿可以完成進(jìn)行塑件內(nèi)側(cè)大量倒鉤的成型，在成型的同時兼有推出塑件的作用。

圖9 模具結(jié)構(gòu)圖Fig．9 Structure of the mould

［1］ 張維和．注塑模具設(shè)計實用教程［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：60－61．

［2］ 劉朝福．注塑模具設(shè)計師速查手冊［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：440－441．

［3］ 覃鵬翺．塑料模具設(shè)計技巧［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2010：20－23．

［4］ 劉旭明．手提電腦顯示屏框注射模設(shè)計［J］．模具工業(yè)，2009，35（9）：46－49．Liu Xuming．Design of Injection Mould for Portable PC LCD Frame［J］．Die and Mould Industry，2009，35（9）：46－49．

［5］ 高雨茁，王華山．顯示器前面板的注射模設(shè)計［J］．工程塑料應(yīng)用，2010，38（2）：72－74．Gao Yuzhuo，Wang Huashan．Injecion Mould Design for Monitor Front Panel［J］．Engineering Plastics Application，2010，38（2）：72－74．

［6］ 凌忠良．基于注塑模具的斜滑桿抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計［J］．中國塑料，2011，25（11）：101－103 Ling Zhongliang．Design of Core－pulling Mechanismwith Angular Slide Pole Based on Injection Moulds［J］．China Plastics，2011，25（11）：101－103．