IPad支架聯(lián)動抽芯脫模機構(gòu)及注塑模具設計

賀柳操，肖國華，卞 平

(1.湖南機電職業(yè)技術(shù)學院機械工程學院，湖南 長沙 410151;2.浙江工商職業(yè)技術(shù)學院現(xiàn)代模具學院，浙江 寧波 315012; 3.湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，湖北 十堰 442000)

0 前言

脫模機構(gòu)設計是模具結(jié)構(gòu)設計中的重點，對于無側(cè)孔或其他特殊脫模要求的塑料制品，其脫模一般采用頂針等機構(gòu)件頂出即可，但對于結(jié)構(gòu)特征比較特殊的制品，需設計特殊的脫模機構(gòu)[1-4]，此類機構(gòu)的設計，比較典型的有斜導柱滑塊抽芯機構(gòu)[5]、彎銷滑塊抽芯機構(gòu)、T形槽驅(qū)動塊+滑塊抽芯機構(gòu)、油缸+滑塊抽芯機構(gòu)[5-8]、斜滑塊抽芯機構(gòu)、滑塊+頂針板組合機構(gòu)、斜頂機構(gòu)等[9-12]，此類機構(gòu)的設計結(jié)構(gòu)方式取決于很多因素，特別是對于狹小空間內(nèi)實現(xiàn)多個方向脫模以及多個、多種脫模機構(gòu)的設計，應結(jié)合實際模具結(jié)構(gòu)中的限制因素而進行創(chuàng)新性設計[13-14]，才能滿足注塑生產(chǎn)的自動化生產(chǎn)和控制模具制造成本的要求。本文以某IPad支撐支架產(chǎn)品為例，設計出一種新型的脫模機構(gòu)及模具結(jié)構(gòu)，并對此問題進行了設計探討。

1 產(chǎn)品模塑特征分析

iPad支撐架產(chǎn)品如圖1所示，產(chǎn)品材料采用丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯(ABS)/聚碳酸酯(PC)，包括轉(zhuǎn)柄和支架在內(nèi)的一組產(chǎn)品。采用注射成型，2個產(chǎn)品中涉及到脫模機構(gòu)設計的特征在轉(zhuǎn)柄中為T1～T77個特征，在支架上為S1～S77個特征。T1、T3、S1、S3為2個零件對插的鉸接孔；T2、T4、S2、S4為對應的轉(zhuǎn)動圓弧槽；T5、S5為內(nèi)側(cè)筋凸，T6、S6為加強橫筋；T7、S7為三圍型骨架；在轉(zhuǎn)柄T2、T4所在的位置還存在T8、T9通孔。

T1～T7—轉(zhuǎn)柄結(jié)構(gòu)特征 S1～S7—支架結(jié)構(gòu)特征(a)轉(zhuǎn)柄 (b)支架圖1 iPad支撐架產(chǎn)品結(jié)構(gòu)Fig.1 Product structure of iPad support frames

2 結(jié)構(gòu)尺寸

T1～T9—轉(zhuǎn)柄結(jié)構(gòu)特征 S1～S7—支架結(jié)構(gòu)特征(a)轉(zhuǎn)柄A-A剖視圖 (b)支架A-A剖視圖 (c)轉(zhuǎn)柄前視圖 (d)支架前視圖 (e)轉(zhuǎn)柄F-F剖視圖 (f)轉(zhuǎn)柄右視圖 (g)轉(zhuǎn)柄俯視圖 (h)支架俯視圖 (i)支架左視圖圖2 脫模特征結(jié)構(gòu)尺寸Fig.2 Demoulding characteristic structure size

模具設計時需要考慮的各特征位置及形狀尺寸如圖2所示。T1、T3為沉臺孔，沉臺孔直徑分別為6 mm和4 mm；對應的S1、S3孔的直徑分別為4 mm。T2、T4、S2、S4對應的鉸接圓弧半徑為5 mm。T5、S5內(nèi)側(cè)筋凸的凸出高度為0.5 mm。T6、S6為加強橫筋，壁厚為1 mm。T7、S7為三圍型骨架，壁厚為2 mm，槽深為7 mm，T8、T9為轉(zhuǎn)柄上T2、T4特征上的分別與T1、T3垂直的直通孔，孔徑為3 mm。依據(jù)特征的結(jié)構(gòu)尺寸特點，為保證特征成型的成型鑲件從特征上與產(chǎn)品在注塑后脫模，相應的成型件需移動的脫離距離為：(1)T1、T3成型件的移動方向為孔的中心線，且向產(chǎn)品外側(cè)，移動距離為[9+(2～3)] mm；(2)T2、T4成型件的移動距離為[10+(2～3)] mm;(3)T7的移動距離為[7+(2～3)] mm；(4)T8、T9成型件的移動距離為[12+(2～3)] mm；(5)S1、S3成型件的移動距離為[3+(2～3)] mm；(6)S2、S4成型件的移動距離為[10+(2～3)] mm；(7)S7成型件的移動距離為[7+(2～3)] mm。考慮到T1、T3特征為貫穿型孔，而T8、T9的成型又分別從兩者中央穿過，故T1、T3的成型件應分別拆分為2個，就T1成型件而言，一個朝外抽芯，一個朝內(nèi)抽芯。依據(jù)特征成型件的移動距離可以初步判斷抽芯機構(gòu)的尺寸，以便更好地規(guī)劃機構(gòu)設計的空間布局。

3 分型布局與脫模機構(gòu)成型分區(qū)

依據(jù)上述特征結(jié)構(gòu)分析，產(chǎn)品模腔的分型設計及布局如圖3(a)所示，考慮到T5、T6、T7、S5、S6、S7特征的脫模需要，分型線的設計分為5個部分，外側(cè)分型線選用2個產(chǎn)品的中央平面，內(nèi)側(cè)及模腔中央分型線選擇下邊沿，以利于外側(cè)采用簡單的滑塊脫模機構(gòu)進行抽芯，而內(nèi)側(cè)則利于成型件的簡化設計及抽芯運動。對應地，成型件的分區(qū)分塊如圖3(b)所示，轉(zhuǎn)柄產(chǎn)品中，K1成型塊完成T8特征的成型；K2、K3組合完成T1、T3特征的成型；K4、K5、K6、K7、K8完成T7特征的成型；K9、K10完成T2、T4特征的成型；K11完成T9特征的成型。K2、K3內(nèi)外拼合構(gòu)成T1特征的成型件，以避免與T8特征成型件干涉；同樣，K9、K10內(nèi)外拼合構(gòu)成T3特征的成型件，以避免與T9特征成型件干涉。K5、K7成型T7的拐彎角落，以先行抽芯的方式抽走，從而為K4、K6、K8成型件的抽芯運動提供運動空間。

K1～K11—轉(zhuǎn)柄成型件組成 M1～M9—支柄成型件組成(a)分型設計 (b)成型件分區(qū)圖3 分型設計和成型件分區(qū)Fig.3 Parting design and molding part division

支柄產(chǎn)品中，M1完成S2外側(cè)成型，M2完成S1及S2的內(nèi)側(cè)成型，M3、M4、M5、M6、M7完成S7特征的成型，M8完成S4的外側(cè)成型，M9完成S4的內(nèi)側(cè)及S2特征的成型。與轉(zhuǎn)柄T7的成型件設計機理相同，M4、M6須先抽芯以空出空間位置提供給M3、M5、M7進行抽芯運動。從成型件的分區(qū)設計來看，K1、K3、K9、K11、M1、M8的抽芯運動只需設計單獨的驅(qū)動機構(gòu)即可實現(xiàn)目的，K4～K8、M2～M7由于空間的限制，需要設計特殊的抽芯驅(qū)動機構(gòu)，以實現(xiàn)這些區(qū)域分塊的抽芯運動。

4 模具結(jié)構(gòu)設計

鑒于2個產(chǎn)品均為細長型條狀產(chǎn)品，單點注塑充填的流動性不好，容易出現(xiàn)產(chǎn)品充填不飽滿等缺陷，擬采用多點式點澆口澆注，因此模具結(jié)構(gòu)采用如圖4所示的三板模結(jié)構(gòu)，冷卻系統(tǒng)采用直徑為8 mm的管道水冷方式，排氣系統(tǒng)采用鑲件間間隙排氣，間隙(δ)≤0.02 mm，脫模機構(gòu)設計采用彎銷先抽芯機構(gòu)、油缸驅(qū)動抽芯機構(gòu)聯(lián)合脫模結(jié)構(gòu)方式，頂出采用頂桿頂出，三板模的模板控制機構(gòu)采用拉桿、彈簧、定距離板、尼龍扣等構(gòu)件聯(lián)合控制，導向系統(tǒng)則采用普通三板模兩副導柱導套聯(lián)合導向方式。

1—灌嘴 2—面板 3—流道板 4—定模板 5—型腔鑲件 6—型芯鑲件 7—動模板 8—中托司 9—墊塊 10—頂針面板 11—頂針推板 12—底板 13—頂桿 14—垃圾釘 15—快速接頭 16—K3滑塊 17—K3成型鑲件 18—K1成型鑲件 19—K1滑塊 20—左油缸支板 21—K4成型鑲件 22—K1油缸 23—K4壓條 24—K4導向塊 25—第一中心滑塊 26—第一油缸接頭 27—第一中心油缸 28—K6成型鑲件 29—K8導向塊 30—K8壓條 31—K8成型鑲件 32—K11油缸 33—K11滑塊 34—K11成型塊 35—K9成型鑲件 36—K9滑塊 37—第一中心滑塊導向條 38—K5彎銷 39—K5滑塊 40—K5滑塊；41—M7聯(lián)結(jié)塊 42—M7成型鑲塊 43—M7導向塊 44—M8成型塊 45—M8油缸 46—M8壓條 47—右油缸支板 48—M8油缸 49—M5成型鑲塊 50—第二中心滑塊 51—第二油缸接頭 52—第二中心油缸 53—M1油缸 54—M1壓條 55—M1滑塊 56—M1成型鑲塊 57—M1聯(lián)結(jié)塊 58—M3成型鑲塊 59—導套 60—導柱 61—拉桿 62—樹脂開閉器 63—彈簧 64—定距控制條 65—復位桿W1～W4—彎銷前模抽芯機構(gòu) P1～P3—分型面(a)前剖視圖 (b)左側(cè)剖視圖 (c)動模俯視圖 (d)定模仰視圖圖4 模具結(jié)構(gòu)Fig.4 Mould structure

5 脫模機構(gòu)設計

模具結(jié)構(gòu)設計中，重點和難點問題是K4～K8、M2～M9成型塊運動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計。

5.1 轉(zhuǎn)柄三聯(lián)動脫模機構(gòu)

16—K3滑塊 17—K3成型鑲件 18—K1成型鑲件 19—K1滑塊 20—左油缸支板 21—K4成型鑲件 22—K1油缸 23—K4壓條 24—K4導向塊 25—第一中心滑塊 26—第一油缸接頭 27—第一中心油缸 28—K6成型鑲件 29—K8導向塊 30—K8壓條 31—K8成型鑲件 32—K11油缸 33—K11滑塊 34—K11成型塊 35—K9成型鑲件 36—K9滑塊 37—第一中心滑塊導向條 38—K5彎銷 39—K5滑塊體 40—K5滑塊頭W1～W2—彎銷前模抽芯機構(gòu) K1～K11—轉(zhuǎn)柄成型件組成 F1～F5—滑塊運動方向(a)W1滑塊機構(gòu)安裝圖 (b)W2滑塊機構(gòu)安裝圖 (c)W1、W2滑塊機構(gòu)在動模側(cè)安裝圖 (d)W1、W2滑塊機構(gòu)在動模側(cè)的安裝效果圖 (e)W1、W2滑塊機構(gòu)安裝軸測圖圖5 轉(zhuǎn)柄中央特征脫模機構(gòu)Fig.5 Stem central feature of the demoulding mechanism

如圖5所示，相對轉(zhuǎn)柄的脫模而言，K1、K3、K9、K11可以直接通過單一的滑塊機構(gòu)實現(xiàn)其抽芯運動，而其余的K2、K4～K8、K10等成型件如果同步抽芯，則會產(chǎn)生干涉，使機構(gòu)的運動難以實現(xiàn)。因此，為實現(xiàn)轉(zhuǎn)柄產(chǎn)品內(nèi)側(cè)K2、K4～K8、K10的抽芯，需對各成型塊的運動做合理的機構(gòu)設計。設計上，如果讓K2、K4～K8、K10成型塊同步朝中央收縮來抽芯，則空間上不可實現(xiàn)，因而，需對各塊進行分組按先后順序抽芯。K5、K7滑塊為一組，進行前模先抽芯，K2、K4、K6、K8、K10等成型塊則通過設置聯(lián)動機構(gòu)來實現(xiàn)。以K5前模先抽芯機構(gòu)W1為例，其機構(gòu)組成件包括38～40,38通過螺釘安裝于模具模板2上，K5滑塊體39則對其設置T形槽后安裝于型腔鑲件5內(nèi)，而后其底部與40聯(lián)結(jié)在一起，從而保證K5滑塊體39、K5滑塊頭40能在型腔鑲件5內(nèi)在K5滑塊體39的下端彎銷驅(qū)動下沿F1的正反方向運動，實現(xiàn)K5成型鑲塊的抽芯運動；同樣，K7滑塊的結(jié)構(gòu)與K5滑塊的相同，運動方向為F2方向。對于K2、K4、K6、K8、K10成型塊的結(jié)構(gòu)運動處理為，K2、K4合并為1個運動塊K4成型鑲件21，K8、K10合并為1個運動塊K8成型鑲件31，K6為單獨1個運動塊K6成型鑲件28，3個運動的驅(qū)動由第一中心滑塊25來驅(qū)動，第一中心滑塊25與K6成型鑲件28通過螺釘緊固聯(lián)結(jié)，K4成型鑲件21與第一中心滑塊25、K8成型鑲件31與第一中心滑塊25的聯(lián)結(jié)方式一樣，以K4成型鑲件21與第一中心滑塊25聯(lián)結(jié)為例，K4導向塊24通過螺釘緊固安裝于第一中心滑塊25一側(cè)，K4導向塊24形狀為半邊形T形塊，K4成型鑲件21上設置有與K4導向塊24匹配的T形槽，從而構(gòu)成第一中心滑塊25與K4成型鑲件21的聯(lián)結(jié)為T形槽聯(lián)結(jié)，且T形槽的設置方向與第一中心滑塊25的運動方向F3成一定的夾角，從而，在W1機構(gòu)、W2機構(gòu)的滑塊40前模抽芯后讓出空間后，當?shù)谝恢行幕瑝K25被第一中心油缸27驅(qū)動沿F3方向向外抽芯時，能同步驅(qū)動K1油缸21按F4方向，K8成型鑲件31按F5方向向內(nèi)收縮實現(xiàn)其抽芯運動。

5.2 支架三聯(lián)動脫模機構(gòu)

41—M7聯(lián)結(jié)塊 42—M7成型鑲塊 43—M7導向塊 44—M8成型塊 45—M8油缸 46—M8壓條 47—右油缸支板 48—M8油缸 49—M5成型鑲塊 50—第二中心滑塊 51—第二油缸接頭 52—第二中心油缸 53—M1油缸 54—M1壓條 55—M1滑塊 56—M1成型鑲塊 57—M1聯(lián)結(jié)塊 58—M3成型鑲塊W3～W4—彎銷前模抽芯機構(gòu) M1～M9—支架成型件組成 E1～E5—滑塊運動方向(a)W3滑塊機構(gòu)安裝圖 (b)W4滑塊機構(gòu)安裝圖 (c)W3、W4滑塊機構(gòu)在動模側(cè)安裝圖 (d)滑塊機構(gòu)安裝J-J剖視圖 (e)滑塊機構(gòu)安裝K-K剖視圖 (f)W3、W4滑塊機構(gòu)安裝軸測圖圖6 支架中央特征脫模機構(gòu)Fig.6 Central feature demoulding mechanism of support

如圖6所示，支架上的M1、M8各采用單獨的滑塊進行抽芯；M4、M6采用前模抽芯機構(gòu)，其機構(gòu)W3、W4的工作方式與W1、W2相同。M2、M3成型塊組合為零件58，M7、M9組合為零件42，M5為零件49,49與58、42與49結(jié)合方式和25與21的結(jié)合方式相同。機構(gòu)基本原理與轉(zhuǎn)柄脫模類似，即在W3機構(gòu)、W4機構(gòu)的類似滑塊40前模抽芯后讓出空間后，當M5成型鑲塊49被第二中心油缸52驅(qū)動沿E3方向向外抽芯時，能同步驅(qū)動M7成型鑲塊42按E5方向，M3成型鑲塊58按E4方向向內(nèi)收縮實現(xiàn)其抽芯運動。

6 模具工作原理

模具為三板模具結(jié)構(gòu)，分3次打開，分別為P1～P3，在模板順序開閉控制零件61～64的組合控制下，依次打開，結(jié)合圖4，在注塑機動模板的拉動下，模具工作原理如下：

(1)P1打開。注塑完畢，模具動模部分在注塑機動模板的拉動下后退，模具在P1分型面處打開，流道廢料與產(chǎn)品分離；W1、W2、W3、W4上各自對應的K5彎銷、K7彎銷、M4彎銷、M6彎銷驅(qū)動對應的K5滑塊、K7滑塊、M4滑塊、M6滑塊抽芯。

(2)P2打開。流道廢料從流道板3上彈出。

(3)P3打開。P3為模腔的主分型面，P3打開時，K5滑塊、K7滑塊、M4滑塊、M6滑塊跟隨型腔鑲件5運動，與成型塊脫離，給旁邊的成型滑塊讓出運動空間，產(chǎn)品從型腔鑲件5上脫模；同時，K3滑塊16和K9滑塊36在其斜導柱的驅(qū)動下完成K3、K9的脫模。

(4)油缸抽芯。第一步動作，待P3打開距離結(jié)束，油缸22、32、48、53驅(qū)動各自對應的滑塊19、34、45、55完成對應成型特征的脫模；第二步動作，油缸27驅(qū)動第一中心滑塊25完成K4成型鑲件21、K6成型鑲件28、K8成型鑲件31的抽芯；油缸52驅(qū)動第二中心滑塊50完成M7聯(lián)結(jié)塊41、M5成型鑲塊49、M3成型鑲塊58的抽芯，以實現(xiàn)對應特征的脫模。

(5)產(chǎn)品完全脫模。抽芯完畢，注塑機頂桿通過推動頂針面板10、頂針推板11而推動頂針13將產(chǎn)品從型芯鑲件6上完全頂出。

(6)復位。復位時，模具各機構(gòu)的動作與開模時過程相反，即頂出機構(gòu)復位→油缸27、油缸52驅(qū)動對應機構(gòu)復位→油缸22、32、48、53驅(qū)動對應機構(gòu)復位→P3閉合→P2閉合→P1閉合，K5滑塊、K7滑塊、M4滑塊、M6滑塊復位→模具閉合，等待下一個注塑循環(huán)的開始。

7 結(jié)論

(1)結(jié)合轉(zhuǎn)柄和支架2個產(chǎn)品注塑時脫模困難的問題，設計了3種不同的脫模機構(gòu)；

(2)3種機構(gòu)設計中，針對側(cè)邊簡單結(jié)構(gòu)特征采用斜導柱驅(qū)動滑塊抽芯機構(gòu)和小油缸驅(qū)動滑塊抽芯機構(gòu)；針對中央部位模具結(jié)構(gòu)空間狹小難以設計機構(gòu)的問題，采用組合式機構(gòu)設計，將前模彎銷驅(qū)動滑塊機構(gòu)與后模三聯(lián)動油缸驅(qū)動三滑塊同步抽芯機構(gòu)相結(jié)合，先由前模脫模機構(gòu)實現(xiàn)產(chǎn)品拐角處的抽芯并讓出后模機構(gòu)運動空間后，再由后模三聯(lián)動機構(gòu)實現(xiàn)往內(nèi)部收縮型3個滑塊的同步聯(lián)動抽芯；

(3)最終的模具采用三板模結(jié)構(gòu)，點澆口澆注方式；模具結(jié)構(gòu)簡單，脫模機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計新穎實用，為同類產(chǎn)品的脫模設計提供了有益借鑒。

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