高光后蓋熱流道注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

傅瑩龍，褚建忠，邵明朝

(臺州科技職業(yè)學(xué)院，浙江臺州 318020)

隨著智能馬桶行業(yè)的快速發(fā)展，慢慢開始覆蓋到千家萬戶，水箱后蓋是智能馬桶重要組成零件，作為外觀件其外表面質(zhì)量影響著產(chǎn)品的品質(zhì)好壞，又因后蓋要與底座相互裝配，因此對產(chǎn)品的尺寸有很嚴(yán)格的要求；同時在注塑生產(chǎn)過程中需要實現(xiàn)自動化，由此對水箱后蓋的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計需較高的要求，具備一定的前瞻性與合理性[1]。現(xiàn)以某公司的智能馬桶水箱的后蓋為研究對象，設(shè)計了一副多種抽芯機構(gòu)的一模一腔熱流道模具。

1 塑件結(jié)構(gòu)與工藝分析

圖1 為某款智能馬桶水箱的后蓋結(jié)構(gòu)圖，其外觀尺寸為458 mm×310 mm×148 mm，平均壁厚為3 mm，體積為665 cm3。塑件的材料采用改性聚丙烯，其具備一定的高光性能，密度為0.98 g／cm3，成型收縮率為1.1%。塑件外表面要求高光，無熔接痕、氣孔及飛邊等缺陷；要求內(nèi)側(cè)倒扣，卡扣處以及加強筋完整無缺料等現(xiàn)象出現(xiàn)，同時作為裝配件，對產(chǎn)品卡扣處的尺寸要求較高。由圖1 可以看出，產(chǎn)品正反面有多處的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征，這些特征決定了模具的結(jié)構(gòu)及相關(guān)機構(gòu)的設(shè)計，各特征的基本概況如下：(1) T1 處為垂直產(chǎn)品側(cè)面的通孔，孔徑為16.9 mm；(2) T2 處是多個同一方向的通孔，與T1 處的方向不一致，給模具結(jié)構(gòu)帶來了一定的難度；(3) T3，T4，T5，T6，T7 處均有倒扣及加強筋的結(jié)構(gòu)，各處的倒扣方向與深度各不相同，倒扣處最大脫模距離達(dá)到10 mm；(4) T8 處為該產(chǎn)品的卡扣位置，起到與底座相連的作用，最大抽芯距離達(dá)到3.4 mm。

圖1 塑件結(jié)構(gòu)圖

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

2．1 分型面設(shè)計

以分型面為界，可以將模具分為動模和定模兩部分，在注塑模具設(shè)計中，分型面的選擇直接影響著模具整體結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)的類型以及塑料件的脫膜等，是模具設(shè)計成敗的關(guān)鍵因素之一[2–4]。一般選取產(chǎn)品的最大截面輪廓作為其分型面，如圖2 所示，這樣既可以保證產(chǎn)品的外表面質(zhì)量又可以簡化模具結(jié)構(gòu)。

2．2 澆注系統(tǒng)確定

圖2 分型面設(shè)計方案

圖3 澆注系統(tǒng)設(shè)計

注塑模具的澆注系統(tǒng)一般包括主流道、分流道及澆口[5–6]。由于模具整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，產(chǎn)品尺寸較大，外表面不得有澆口痕跡，因此澆口只能設(shè)在產(chǎn)品的側(cè)面，整個澆注系統(tǒng)如圖3 所示。由于噴嘴到產(chǎn)品澆口的位置較遠(yuǎn)，在此采用了單點式的熱流道澆注系統(tǒng)，包括一級熱流道板與二級熱唧嘴，產(chǎn)品澆口采用改良的大扇形澆口，截面尺寸為20 mm×0.5 mm，由此可以減少注塑時的注塑壓力，降低能耗。

2．3 動定模的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)定模抽芯機構(gòu)。

由于后蓋正面有兩個側(cè)向通孔，外表要求高光無痕，需采用定模抽芯，由于兩個通孔的脫模方向不一致，如果采用常規(guī)的斜導(dǎo)柱滑塊抽芯結(jié)構(gòu)需采用兩個滑塊，這樣會增加整副模具的尺寸，又因通孔距離很近，容易使滑塊干涉。這里采用了液壓油缸與滑塊的結(jié)構(gòu)，將液壓缸的單方向運動轉(zhuǎn)化為兩個側(cè)向活動型芯的不同方向運動，如圖4 所示。

抽芯距是指側(cè)向活動型芯需要抽出的最小安全距離，一般按式 (1)確定[7–8]。

式中：T為抽芯距；H為產(chǎn)品側(cè)孔最大深度；A為安全距離，取2～4 mm。

可以經(jīng)CAD 軟件測得產(chǎn)品側(cè)孔的最大深度為3.5 mm，代入公式(1)，選取抽芯距為6.5 mm。圖4b 中AB段距離34.8 mm 為液壓缸的抽芯距離，其行程可以由兩個行程開關(guān)調(diào)節(jié)；利用斜楔運動原理，可將與液壓缸連接的滑塊分割成斜面(傾斜角度取10°)配合的上滑塊和下滑塊，兩滑塊用T 形槽連接；當(dāng)液壓缸帶動上滑塊做抽芯運動時，下滑塊在T 形槽的作用之下沿著垂直液壓缸的方向運動，下滑塊的運動距離即BC段的長度為6 mm，也就是圓形側(cè)向型芯的工作行程；方形側(cè)向型芯通過尾部的兩側(cè)掛臺與下滑塊固定的兩塊連接板形成滑動副的連接，因此方形側(cè)向型芯會沿著DB方向做抽芯運動，距離為6.5 mm。為了保證整個機構(gòu)的工作穩(wěn)定性，在兩塊連接板上設(shè)計了導(dǎo)柱導(dǎo)套的導(dǎo)向機構(gòu)。

圖4 液壓滑塊抽芯機構(gòu)及原理圖

(2)動模抽芯機構(gòu)。

塑件反面有多處的倒扣、加強筋、卡扣等特征，這些部位一般都需要設(shè)計斜頂機構(gòu)。斜頂?shù)膬A斜角度是斜頂設(shè)計中的重要參數(shù)，由抽芯距離和頂出行程決定，按式(2)計算。

式中：γ為斜頂角度；L為頂出行程；S為抽芯距 +安全距離[9–10]。

斜頂?shù)慕嵌瘸Ｈ?°～12°，太大則導(dǎo)致斜頂工作過程中因受到很大的扭矩而變形，加劇斜頂與導(dǎo)向塊磨損，甚者會導(dǎo)致斜頂卡死或斷裂，故設(shè)計時斜頂角度越小越好[11–12]。由于需抽芯的部位太多，為了減少斜頂桿的數(shù)量，降低模具制造成本，可將相鄰部位同一抽芯方向設(shè)計在一根斜頂桿上，最終設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖5 所示，基本由斜頂桿+導(dǎo)向銅塊+萬向滑座的機構(gòu)組成，由于各部位的抽芯距離不同，斜頂桿的設(shè)計角度基本在6°～8°，為了與模仁的材料不同，斜頂桿的材料采用塑膠模具鋼H13，經(jīng)真空淬火處理可達(dá) 52HRC[12–15]。在圖 1 的 T5 處有 5 個特征需抽芯又剛好方向一致，但由于面積較大，因此將此部位設(shè)計為大面積的斜頂塊+圓頂桿+萬向滑座的方式，為了保證剛度，圓頂桿的直徑達(dá)20 mm，并在圓頂桿外部設(shè)有黃銅與石墨組合的導(dǎo)套導(dǎo)向，這樣便于后期的維護(hù)與保養(yǎng)。

(3)模具冷卻系統(tǒng)。

由于整副模具是采用模架與模仁組合的鑲拼式結(jié)構(gòu)，特別是動模處斜頂桿與鑲塊較多，給動模的冷卻系統(tǒng)設(shè)計造成了很大的困擾。由于塑件產(chǎn)品是不規(guī)則的曲面結(jié)構(gòu)，很容易因冷卻不均而產(chǎn)生翹曲變形的現(xiàn)象，因此各成型零件必須做到充分及均勻的冷卻。圖6 為定模冷卻水路設(shè)計。設(shè)計了5 條直徑為12 mm 的冷卻水路，分別是1 條環(huán)繞式的冷卻水路IN1 →OUT1；2 條靠近產(chǎn)品后部的水路IN2 → OUT2 ；IN3 → OUT3 ；以及 2 條靠近產(chǎn)品前部的水路 IN4 → OUT4 ；IN5 → OUT5。

圖6 定模冷卻水路

在動模處由于模仁高度較高，為了不與斜頂桿發(fā)生干涉，采用了“隔片式水井+垂直式冷卻水管”，使型芯表面能夠得到充分均勻的冷卻，水路設(shè)計如圖7 所示，共有5 條直徑10 mm 的水路。

圖7 動模冷卻水路

3 模具整體結(jié)構(gòu)及工作過程

綜合上述分析，最終設(shè)計好的模具總裝配圖見圖8。 模具整體尺寸為700 mm×620 mm×700 mm，從尺寸上看屬于中型模具，整體結(jié)構(gòu)屬于一模一腔的兩板式熱流道模具。

圖8 模具裝配圖

模具工作過程如下：待模具加熱到指定溫度后，首先注塑機料筒螺桿對塑料熔體進(jìn)行儲料與塑化，待螺桿到達(dá)指定位置后，在液壓壓力作用下螺桿推動塑料熔體經(jīng)熱流道板19 和熱唧嘴20 進(jìn)入模具型腔，當(dāng)整個型腔充滿熔體后，注塑壓力轉(zhuǎn)向保壓壓力，同時冷卻水通過冷卻水路帶走熱量，對模具進(jìn)行降溫；當(dāng)冷卻時間到達(dá)后，定模的抽芯機構(gòu)開始工作：即抽芯油缸43 回退通過滑塊機構(gòu)使得圓形側(cè)型芯31與方形側(cè)型芯39沿著各自的脫模方向運動，當(dāng)撞桿38 碰到行程開關(guān)40 后，定模側(cè)孔抽芯完成；接著模具在注塑機的作用下開模到設(shè)定的距離，注塑機的頂出油缸推動頂針板，在由多個斜頂組成的頂出系統(tǒng)的推動下產(chǎn)品順利脫模；接著兩個對稱的復(fù)位油缸12 通入高壓油推動與頂針板固定的連接塊3，使頂出系統(tǒng)復(fù)位，當(dāng)頂針板的底面碰到行程開關(guān)后復(fù)位結(jié)束，模具合模；最后抽芯油缸43 推動上滑塊41 使定模抽芯機構(gòu)復(fù)位，當(dāng)撞桿38 接觸到行程開關(guān)37 后，又開始下一輪的注塑循環(huán)。

4 結(jié)語

應(yīng)用三維CAD 技術(shù)完成了一套智能馬桶水箱后蓋的熱流道注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，模具采用一模一腔的結(jié)構(gòu)布置；在定模側(cè)采用了緊湊的油缸滑塊機構(gòu)實現(xiàn)了多個方向的順利脫模，動定模模板采用了整體嵌入式的結(jié)構(gòu)，既降低了材料的成本，又提高了整個模板的強度，延長了使用壽命；在動模側(cè)完成了多個斜頂機構(gòu)的設(shè)計，使產(chǎn)品能夠從模具中順利脫模；優(yōu)化了動定模冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，使成型后產(chǎn)品的翹曲變形量符合要求；模具投產(chǎn)后，產(chǎn)品進(jìn)行批量生產(chǎn)時合格率達(dá)到95%以上，符合客戶的要求，模具運行平穩(wěn)，說明整套模具設(shè)計合理。