強力電錘仿生手柄注塑模具設(shè)計*

韓寶菊

（浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機械工程分院，浙江紹興 312000）

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強力電錘仿生手柄注塑模具設(shè)計*

韓寶菊

（浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機械工程分院，浙江紹興 312000）

摘要：針對強力電錘仿生手柄管位多、筋位多、需要大側(cè)面抽芯脫模復雜結(jié)構(gòu)的特點，經(jīng)過塑料件結(jié)構(gòu)分析、注塑成型工藝分析以及模具設(shè)計計算，設(shè)計了完整的三板模模具結(jié)構(gòu)。模具結(jié)構(gòu)主要采用3種側(cè)抽芯機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括N2螺孔特征前模T型槽抽芯機構(gòu)、手柄端面特征T型槽鑲件抽芯芯機構(gòu)、安裝臺特征斜滑塊上座頂針板二次脫模側(cè)抽芯機構(gòu)；通過計算與分析給出了準確的模具設(shè)計參數(shù)；通過機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，降低了模具的設(shè)計難度以及保證了機構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟性。經(jīng)生產(chǎn)實踐驗證，模具整體結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，制作周期短，較好地滿足了生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞：注塑模具；側(cè)抽芯；脫模；斜滑塊；滑塊二次抽芯；機構(gòu)設(shè)計

聯(lián)系人：韓寶菊，碩士研究生，講師，主要從事機械設(shè)計專業(yè)教學及科研工作

當前，在工具、家電、汽車等所用到的各種手柄產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域，以塑代鋼、以塑代鋁已成為提高產(chǎn)品質(zhì)量、外觀和降低成本的一種優(yōu)選手段，特別是塑料合金成型制品中，塑料薄殼件用途最為廣泛，它在降低塑料件成本、降低加工難度和提高生產(chǎn)效率以及優(yōu)化工業(yè)外觀造型等方面，相對金屬制品設(shè)計更加靈活。手柄塑料薄殼件在質(zhì)量和生產(chǎn)效率上則受制于模具結(jié)構(gòu)、機構(gòu)設(shè)計的簡單性及可靠性。目前，對于結(jié)構(gòu)復雜但功能和工業(yè)設(shè)計外觀適合消費需要的各種手柄，需要更多構(gòu)思精巧且結(jié)構(gòu)簡單的機構(gòu)來為手柄類塑料件的模具設(shè)計提供參考，黎宴林等［1］和吳磊等［2］對需多方位抽芯的家電用淋浴手柄進行了模具結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，汪菊英等［3］、喬女等［4］和王永喜［5］對家電手柄的異型孔位塑料件進行模具結(jié)構(gòu)改進設(shè)計研究，王蘭萍［6］對手柄塑料件做更進一步的注塑CAE仿真優(yōu)化研究。筆者通過分析強力電錘仿生手柄薄壁塑料件的結(jié)構(gòu)和工藝性，給出了該塑料件的模具設(shè)計方案，以供類似塑料件的模具設(shè)計參考。

1　塑料件結(jié)構(gòu)與工藝分析

1.1塑料件結(jié)構(gòu)分析

強力電錘仿生手柄塑料件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。塑料件特征為斜T型狀握持柄，包括仿生握持和安裝臺2個部分。仿生握持部分特征長度為279 mm，外徑為?73 mm，外表面特征設(shè)計有圓環(huán)狀握持手指溝，內(nèi)部設(shè)計有?8 mm，?11 mm螺絲柱柱位，每隔50 mm左右距離設(shè)計了厚度為3 mm的加強筋，以及12 mm×39 mm安裝筋槽和38 mm×11 mm的開關(guān)鍵孔。安裝臺部位為方形殼蓋，內(nèi)部設(shè)計有?7 mm螺絲柱位N3，?15 mm的螺孔過孔N2，最上端長度為112 mm，總寬度為230 mm，下端按拔模2°擴寬，厚度為58 mm，安裝臺上設(shè)計有H1，H2兩個鉸接安裝孔，以及M1所指處規(guī)則排列的散熱孔；仿生握持圓柱部分中心線與安裝臺上表平面在豎直方向和水平方向皆為100°夾角；塑料件平均壁厚3.5 mm，材料為丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料（ABS）／尼龍（PA）6。塑料件公差等級選用GB／T 14486–2008規(guī)定的MT3–A級。

圖1　塑料件結(jié)構(gòu)

1.2塑料件注射成型工藝分析

塑料件采用模塑注射成型方法生產(chǎn)，需結(jié)合注塑模成型工藝特點對塑料件進行工藝前期分析。注塑工藝參數(shù)為：模具表面溫度80℃，熔體溫度280℃，模具溫度范圍60～95℃，頂出溫度180℃，剪切應(yīng)力0.5 MPa，最大剪切速率100 000 s–1。塑料件采用UG8.5三維建模后查得體積為33.66 cm3，對應(yīng)的放縮水后模腔體積為33.89 cm3（ABS／PA6縮水率0.7%），固態(tài)密度取1.107 g／cm3，質(zhì)量為37.27 g。注射成型時，結(jié)合注塑工藝特點對模具做如下設(shè)計。

（1）選擇澆口方式及進澆位置時，澆口位置應(yīng)設(shè)置于組裝后不易看到的部位，以免影響塑料件的整體外觀；同時充分保證注塑料流充填從厚寬處向薄窄處流動，以免產(chǎn)生流動遲緩，導致塑料件充填缺陷產(chǎn)生，所以澆口設(shè)置為點澆口進料方式，選擇安裝臺上的一平面作為進澆面并在其上設(shè)置進澆點。

（2）安裝臺（F2端）和握持柄（F1端）成一定角度，不能在同一開模方向分型，所以采用不同的分型面，手持柄部位為主要外觀面，應(yīng)為主分型面，安裝臺為次分型面。

（3）手持柄部位內(nèi)側(cè)包含的特征較多，其中開關(guān)安裝孔、螺孔槽有孔位特征的部位由于模具修配不佳易致孔口飛邊，設(shè)計時應(yīng)將分型面設(shè)置于型芯一側(cè)；開關(guān)板卡筋、線槽卡位、裝配螺絲柱等筋位和柱位特征的部位，應(yīng)考慮排氣和筋位處的包緊頂出問題，卡槽筋、唇邊筋等深筋位部位應(yīng)設(shè)置扁針頂出；手柄端面的倒扣特征應(yīng)設(shè)計側(cè)面抽芯機構(gòu)側(cè)抽芯脫模。

（4）安裝臺部分特征有H1，H2兩個鉸鏈倒扣位，N2螺孔位、N3螺柱位、M1散熱孔以及安裝唇邊特征，H1，H2，M1，N2處碰穿面分型線不能見于外觀面上，所以其分型線只能設(shè)置于側(cè)抽芯型芯一側(cè)；安裝臺型芯側(cè)面上筋位特征少，排氣可考慮沿安裝唇邊排氣，以保證料流流動的暢通；N2螺孔位為貫穿型過孔，必需考慮其脫模問題。圖2為側(cè)抽芯滑塊頭設(shè)計。

圖2　側(cè)抽芯滑塊頭設(shè)計

2　模具設(shè)計

2.1分型及成型件、模腔布局設(shè)計

塑料件分型面設(shè)計如圖3所示。為保證塑料件成型精度，并使塑料件成型冷卻收縮后留于開模方向型芯上，選取塑料件曲面最大外沿輪廓來設(shè)計分型面。此分型面有利于保證塑料件脫模，便于塑料件抽芯脫模，同時不影響塑料件外觀與配合面質(zhì)量，飛邊易修整。分型面劃分為4個部分：握持柄分型面、手柄端面分型面、安裝臺分型面、N2螺孔分型面。安裝臺分型面設(shè)計時對g1、g2兩個進澆點做了合理安排，H1／H2鉸接扣位的分型設(shè)置于安裝臺側(cè)型芯內(nèi)側(cè)；握持柄型腔鑲件上設(shè)計有N2螺孔分型面，主要對N2進行側(cè)抽芯脫模，分型后各成型零件的對應(yīng)關(guān)系為：握持柄分型面將主型腔和主型芯分開，安裝臺分型面將安裝臺側(cè)型芯從主型芯上分開，N2螺孔分型面將N2螺孔型芯從主型腔上分開，手柄端面分型面將手柄端面?zhèn)刃托緩闹餍托旧戏珠_，H1／H2鉸接扣位分型面則將H1／H2鉸接扣位斜頂從安裝臺側(cè)型芯上分開。

根據(jù)塑料件分型特點，塑料件安裝臺和手柄端面分別需要側(cè)抽芯脫模，所以塑料件模腔布局以一模一腔比較適宜；根據(jù)澆口位置的特點，以及N2螺孔需要主型腔側(cè)抽芯的情況，模具結(jié)構(gòu)宜采用三板模點澆口注塑。模腔設(shè)計，主型腔尺寸為220 mm×250 mm×85 mm，主型芯尺寸為220 mm×250 mm×50 mm，安裝臺側(cè)型芯尺寸為115 mm×190 mm×45 mm。

圖3　分型面設(shè)計

2.2澆注系統(tǒng)設(shè)計

合理的澆注系統(tǒng)設(shè)計能滿足塑料件的成型需要，同時有效地降低后期修模、改模成本，提高生產(chǎn)效率。本澆注系統(tǒng)分2個澆口澆注，分別為圖3所示g1，g2兩點。澆口為圓錐形點澆口，入水直徑?0.8 mm，拔錐角度15°，錐形高度2 mm；直流道分兩段，下段開設(shè)于主型腔上，下段底端直徑?3.5 mm，高度h1=38 mm，下段頂端直徑?6 mm，上端開設(shè)于主型腔固定板上，上段底端直徑?7 mm，上段頂端直徑?8 mm，下段頂端小于上段底端是保證直澆道下段能順利從主型腔內(nèi)拔出；水平流道開設(shè)于主型腔固定板上，為梯形截面流道，其尺寸為上邊寬6 mm，底邊寬4 mm，深4 mm，底邊圓角R0.8 mm，過直澆道口后留有8 mm長冷料末端；主澆道由非標準法蘭式灌嘴形成，注塑機入口端直徑?3.5 mm，流道端直徑?8 mm，高度39 mm，流道總體積6.13 cm3，折合成熔體質(zhì)量為5.9 g，灌嘴中心與模具中心重合，不能偏心。為保證流道廢料開模時能可靠地與塑料件分離，直流道中央上部設(shè)計有直徑?6 mm蘑菇頭型拉料桿。

2.3排氣系統(tǒng)設(shè)計

注塑時，模腔的排氣依靠排氣槽和型芯上的機構(gòu)件間隙完成；型腔一側(cè)的排氣主要依靠排氣槽完成，如圖3所示，型腔側(cè)排氣槽的設(shè)計為距分型線5 mm寬度，深度0.02 mm，排氣槽外端的引氣槽寬度10 mm，深度0.5 mm；型芯側(cè)的排氣分為兩個部分，握持柄部分的型芯側(cè)排氣依靠相應(yīng)的頂針及鑲件裝配間隙完成，安裝臺部分的型芯側(cè)排氣依靠鑲針及斜頂安裝間隙來完成，其間隙值不能大于材料的飛邊值，設(shè)計為0.015 mm。

2.4冷卻系統(tǒng)設(shè)計

依據(jù)塑料件生產(chǎn)量，成型周期為20 s，經(jīng)計算，注塑機的注射速率是111.81 g／min，塑料件冷卻脫模釋放的單位熱流量為4 662.36 kJ／kg，所需冷卻水進出口溫度溫差控制在5 ℃內(nèi)冷卻較有效，故進口溫度為25 ℃，出口溫度為30 ℃。在不考慮空氣對流、熱輻射、模具與塑料件接觸的熱傳導的前提下，計算出所需冷卻水體積流量為3.72×10–3m3／min。每注射一次熔融塑料后，所需冷卻水體積為1 237.4 mL，所以為保證表面粗糙度（Ra）在0.4～0.8μm之間，水管直徑為d<8 mm即可滿足要求。依據(jù)冷卻水道的導熱總面積A而計算模具所需冷卻水管的總長度L及冷卻水道的數(shù)量x：設(shè)每條水道的長度為l=135 mm，則冷卻水道的條數(shù)x=0.82條，故一條?8 mm理論上可滿足本模具型腔的冷卻要求，考慮到實際情況，主型腔上設(shè)置有?8 mm管道一條，流程長為932 mm，安裝臺側(cè)型芯設(shè)置?8 mm，流程長為420 mm，主型芯上?8 mm，流程長為480 mm。

2.5脫模機構(gòu)設(shè)計

塑料件的脫模首先是型腔面的脫模，其次是抽芯部分的脫模，最后是主型芯部分頂出脫模，型腔面的脫模依靠模具開模動作自動完成，而側(cè)抽芯及主型芯部分的脫模需分別設(shè)計側(cè)抽芯機構(gòu)來完成［7］。

（1）抽芯脫模機構(gòu)設(shè)計。

圖4為螺孔端側(cè)抽芯機構(gòu)。N2所示螺孔在塑料件上有兩處，其型芯的脫模必需在模具定模一側(cè)進行，即在主型腔上進行，N2螺孔型芯側(cè)抽芯機構(gòu)設(shè)計見圖4a，機構(gòu)抽芯距離為S=7 mm，機構(gòu)工作原理為：模具第一次分型在PL1分型面處打開時，T型槽壓塊2與第一T型槽滑塊體5開始分離，T型槽壓塊2通過T型槽拉動第一T型槽滑塊體5沿N2螺孔型芯中心線方向抽出，完成N2特征型腔側(cè)的脫模。脫模完畢，第一T型槽滑塊體5通過限位設(shè)計及滑塊體彈簧共同作用被限位在某一位置，等待閉模時T型槽壓塊2的再次插入壓回復位。

圖4　螺孔端側(cè)抽芯機構(gòu)設(shè)計

手柄端面?zhèn)刃托緜?cè)抽芯機構(gòu)設(shè)計。手柄端面在塑料件上有一處，其型芯的脫模在模具動模一側(cè)進行，手柄端面?zhèn)刃托緜?cè)抽芯機構(gòu)設(shè)計如圖4b所示，機構(gòu)抽芯距離為S=2 mm，機構(gòu)工作原理為：模具第三次分型在PL3處打開，即模具主型腔與主型芯打開時，T型槽鑲塊9通過T型槽帶動第二T型槽滑塊體12向左抽出，完成手柄端面特征型芯側(cè)的脫模。脫模完畢，第二T型槽滑塊體12上滑塊體彈簧將第二T型槽滑塊體12緊緊推住貼緊于限位螺釘11右側(cè)，等待閉模時T型槽鑲塊9的再次插入壓回復位。

安裝臺側(cè)型芯抽芯機構(gòu)設(shè)計。塑料件安裝臺特征的側(cè)抽芯脫模機構(gòu)考慮了以下幾個問題：①安裝臺抽芯方向與模具水平分型面之間的夾角為10°，故滑塊機構(gòu)為斜滑塊機構(gòu)，塑料件在抽芯方向上的高度為18 mm，因此沿抽出方向的抽出行程為s=20 mm；②N2螺孔位、N3螺柱位需要頂出脫模；③H1／H2鉸接扣位需要設(shè)計斜頂頂出脫模；④整個安裝臺需要從安裝臺側(cè)型芯上脫出，且需要平衡頂出，所以需要設(shè)置平衡頂出頂針。

綜合上述問題，本滑塊機構(gòu)上必需設(shè)計沿滑出抽芯方向上的頂出零件。安裝臺側(cè)抽芯機構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

側(cè)抽芯機構(gòu)的動作分兩步進行，兩次抽芯：①模具型腔打開后，斜導柱15帶動斜滑塊18、安裝臺側(cè)型芯25沿抽芯方向滑出，安裝臺側(cè)型芯25逐步與塑料件分離，與此同時，在滑塊推板彈簧22的彈力頂托下，滑塊頂針板27將維持原位置不動，將維持滑塊頂針24的相對位置不動，起到頂托塑料件的作用，完成機構(gòu)的第一次抽芯，此時安裝臺側(cè)型芯25將通過斜頂桿孔作用于滑塊斜頂桿26，滑塊斜頂桿26沿抽芯方向不移動，但沿垂直抽芯方產(chǎn)生移動，完成H1、H2處扣位的側(cè)抽芯；②待安裝臺側(cè)型芯25脫離塑料件后，安裝臺側(cè)型芯25沿抽芯方向運動將碰到相對不移動的滑塊頂針板27，帶動其一起沿抽芯方向運動，從而帶動滑塊頂針24、滑塊斜頂桿26完全與塑料件分離，完成第二次抽芯，從而達到安裝臺特征完全抽芯的目的。

經(jīng)計算，斜導柱15直徑為?24 mm，單導柱夠用。導柱與抽芯方向的垂直線夾角為13°。

（2）頂出脫模機構(gòu)設(shè)計。

塑料件在握持柄分型面上的頂出高度為36.5 mm，故在模具上最終頂出高度設(shè)計為40 mm，以滿足頂出要求，頂出設(shè)計時頂桿需平衡布局，機構(gòu)采用推板推出方式。開關(guān)板卡筋、卡槽筋、唇邊筋、線槽卡位等深骨位處設(shè)置方形頂桿，其余平衡位置設(shè)置?6 mm頂針，螺絲柱位等管位處設(shè)置推管推出。頂出機構(gòu)行程由限位塊控制，限位塊規(guī)格為?40 mm×20 mm。推出機構(gòu)復位由復位桿及其上的復位彈簧控制，推板下方設(shè)置均衡布局的8個?20 mm×5 mm垃圾釘。

2.6模架及配件選用

模具結(jié)構(gòu)如圖6所示。

模架選用典型的龍記簡化型細水口標準模架，規(guī)格為LKM FCI4545–A130–B130–C120。模具總高度516 mm，澆口套為非標準自制型法蘭灌嘴澆口套，快速接頭選用NPT1／8″管牙接頭，安裝時用白色防水生膠布纏繞管牙。密封圈65采用“O”型圈P14型號，主型腔、主型芯、安裝臺型芯冷卻水管道直徑?8 mm，而A板39、B板42內(nèi)的管道直徑取?10 mm。平衡塊61保證閉模時模腔的各處配合均衡，以確保型腔的形狀和尺寸精確，得到合格的塑料件。模具為三板模結(jié)構(gòu)，分三次分型開模，對應(yīng)的分型面分別為PL1，PL2，PL3；由于流道廢料總高度141 mm，定距拉桿55的定距設(shè)計為155 mm，以確保料頭自動脫料。樹脂開閉器上端A板39內(nèi)開設(shè)通氣孔?2 mm，以免閉合后打開時A板39，B 板42被吸住打不開。鎖模片36保證模具裝配好后可靠地閉合在一起，以免吊裝、運輸過程中模具被打開，鎖模片規(guī)格為20 mm×8 mm×350 mm，并配有2個M8螺釘。

圖6　模具結(jié)構(gòu)

3　模具工作原理

模具工作原理為：固態(tài)塑料在注塑機料筒中加熱塑化，熔融狀態(tài)的塑料經(jīng)注塑機噴嘴注射，經(jīng)由灌嘴34及澆注系統(tǒng)流道注入模具型腔中，而后進行保壓、冷卻和脫模。脫模時，模具分三次分型打開，依次為PL1→PL2→PL3。模具動模部分在注塑機拉桿的帶動下后退，由于模具定距分型控制機構(gòu)的控制，在脫料板彈簧54的推動下，模具首先在PL1分型面處打開，從而流道廢料在點澆口處崩斷，廢料留于脫料板37上；與此同時，S1滑塊組件完成N2螺孔型芯3在前模主型腔40內(nèi)的前模抽芯脫模動作。而后，動模繼續(xù)后退到一定距離即155 mm距離后，模具PL2分型面打開，動模將通過定距拉桿55拉動脫料板37一起運動，將流道廢料從勾料針65、灌嘴34中拔出，完成料頭的自動脫落。料頭脫落后，小拉桿53拉住脫料板37，從而A板39不能繼續(xù)跟隨動模后退，樹脂開閉器56將不能繼續(xù)閉合A板39，B板42，模具模腔分型面PL3將打開，S2，S3滑塊組件動作，完成側(cè)抽芯；最后模具頂出組件在注塑機頂桿的推動下，將塑料件從主型芯41上完

全頂出，完成塑料件的自動化注射成型過程。模具閉模時分型面閉合次序依次為PL2→PL3→PL1，模具閉合，準備下一次注射循環(huán)。

4　結(jié)論

（1）通過對特征眾多的強力電錘仿生手柄進行塑料件結(jié)構(gòu)分析、模塑成型工藝分型，確定了塑料件的注塑模具結(jié)構(gòu)，介紹了模具設(shè)計的基本過程、設(shè)計分析、參數(shù)計算以及模具配件的選用。

（2）對模具的側(cè)抽芯機構(gòu)進行了創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)了在一副模具中同時帶有3種側(cè)抽芯機構(gòu)，分別是前模N2螺孔T型槽滑塊抽芯機構(gòu)、手柄端面?zhèn)刃托綯型槽鑲件滑塊結(jié)構(gòu)，以及在安裝臺側(cè)抽芯用到的斜滑塊上做頂針板二次脫模側(cè)抽芯機構(gòu)。

（3）通過計算與分析，給出了準確的模具設(shè)計參數(shù)，降低了模具設(shè)計難度并保證了機構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟性。經(jīng)生產(chǎn)實踐驗證，模具整體結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，制造周期短，能較好地滿足生產(chǎn)需求。

參 考 文 獻

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Injection Mould Design of Strong Hammer Boionic-Handle

Han Baoju
（Mechanical Engineering Branch， Zhejiang Industry Polytechnic College， Shaoxing 312000， China）

Abstract：Aimed to a strong-electric hammer with bionic-handle which with complex structures and lots characteristics such as tube， rib and great area side face that needed to be core side pulled，through analysis of the structure of plastic parts， injection molding process analysis and mould design calculation，a complete three board injecting mould structure design was given. Mould structure was designed mainly for adopting three kinds of core side pulled mechanism that included the first mechanism which called N2 screw character that used T type groove core side pulled mechanism， and the second mechanism which called the end face of the handle features which used T type groove insert core side pulled mechanism， and the third mechanism which called installation plate character with a side pulled core mechanism which located on a inclined sliding block seat where installed ejector plate secondary demoulding. Through calculation and analysis， the accurate parameter of mould design was given， through the mechanism innovation design， the difficulty of the mould design was reduced and the reliability and economy were ensureed. The production practice proves that the mold has a simple structure， good reliability and shorted the production cycle， which can meet the demand of production.

Keywords：injection mould； side core-pulling； demoulding； inclined-slider； secondary core-pulling； mechanism design

中圖分類號：TQ320.662

文獻標識碼：A

文章編號：1001-3539（2016）05-0060-05

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.05.015

收稿日期：2016-02-17

*浙江省自然科學基金項目（501096），浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院重大項目（1023401092012004）