瓶坯三板式注塑模具設(shè)計(jì)

池寅生，張翔，孫慶東，曹祥坤

(揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009)

飲用瓶屬于中空容器類塑件，其成型方法是先進(jìn)行注塑或擠出成型瓶坯，再將預(yù)熱軟化后的瓶坯置于吹塑模具，經(jīng)拉伸和吹塑成型獲得飲料瓶的精確外形和尺寸。由于注塑瓶坯可以直接成型瓶口螺紋，且具有瓶壁均勻、瓶底無縫合線、光澤度更佳和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，故在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。成型瓶坯的注塑模具通常分成兩種，一種是冷流道系統(tǒng)，另一種是熱流道系統(tǒng)。財(cái)力雄厚的大型企業(yè)通常采用熱流道系統(tǒng)的注塑模具成型瓶坯塑件[1]，其優(yōu)點(diǎn)是因無流道凝料而實(shí)現(xiàn)了零費(fèi)料，極大地降低了塑料原料費(fèi)用，并保證了瓶坯的高質(zhì)量和高生產(chǎn)效率[2-3]。由于熱流道系統(tǒng)的技術(shù)難度高、模具開發(fā)費(fèi)用和生產(chǎn)耗能較高[4]，故許多中小型企業(yè)常根據(jù)自身實(shí)力和產(chǎn)品批量要求，仍在應(yīng)用冷流道注塑模具成型瓶坯，其優(yōu)點(diǎn)是投入成本少、模具維護(hù)和操作相對簡單。筆者針對某小型企業(yè)現(xiàn)狀和一款瓶坯產(chǎn)品，設(shè)計(jì)了一副較新穎的冷流道瓶坯注塑模具結(jié)構(gòu)方案。該套模具采用點(diǎn)澆口三板式模架、通過哈夫滑塊和彎銷組成的延時(shí)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)成型了瓶口外螺紋等結(jié)構(gòu)，應(yīng)用推件板實(shí)現(xiàn)了瓶坯的最終脫模，通過冷卻水路的優(yōu)化設(shè)計(jì)保證了產(chǎn)品質(zhì)量，對實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用，同時(shí)也為同類結(jié)構(gòu)塑件的注塑模具設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

1 瓶坯的結(jié)構(gòu)

塑件瓶坯的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示。其材質(zhì)是聚對苯二甲酸乙二酯(PET)樹脂。PET的優(yōu)點(diǎn)是在較低模具溫度下可獲得透明制品。此瓶坯主要結(jié)構(gòu)特征是整體呈圓筒狀，口部有外螺紋，平均壁厚為3 mm。瓶坯主體的內(nèi)外部分無脫模斜度。其質(zhì)量要求是表面光滑沒有任何的成型缺陷。

圖1 瓶坯結(jié)構(gòu)圖

2 模具總體結(jié)構(gòu)方案

受到某小型企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備、技術(shù)水平和資金等限制，結(jié)合模具型腔數(shù)量對瓶坯精度、制造難度和成本的影響，對此瓶坯注塑模具采用了一模兩腔對稱排布的結(jié)構(gòu)方案。根據(jù)瓶坯的表面光滑質(zhì)量要求，其澆口形式為點(diǎn)澆口，位置處在瓶底中心。由點(diǎn)澆口進(jìn)膠的特性，該套模具采用三板模結(jié)構(gòu)。三板模中，必須設(shè)置能夠控制分型面有序分開和限定分開距離的相關(guān)機(jī)構(gòu)，才能保證此模具多次順序分型開模、點(diǎn)澆口的自動拉斷以及凝料的自動推出和塑件的自動脫模，使瓶坯注塑生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動化。瓶坯為透明塑件，故模具中采用推件板的推出方式實(shí)現(xiàn)其脫模。成型瓶坯口部的外螺紋脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是此模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之處。經(jīng)過方案比較，采用了瓣合模結(jié)構(gòu)，通過彎銷和一對哈夫滑塊構(gòu)成的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了外螺紋的成型和脫模。哈夫滑塊的側(cè)向抽芯過程和推件板推出瓶坯過程的關(guān)聯(lián)耦合也是該套模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。

3 分型面與成型零件設(shè)計(jì)

此瓶坯的分型面位置有兩種方案，如圖2所示。圖2a中將其瓶坯內(nèi)孔置于與開模方向垂直，則內(nèi)孔必需側(cè)向抽芯完成其成型。由于孔深達(dá)130 mm，抽芯距很長，只能采用液壓抽芯方式，增加了模具的總體尺寸和制造成本[5]。且瓶口處的螺紋分別位于分型面兩側(cè)的動定模處，給加工也帶來了不便。故采用圖2b方案，將分型面置于瓶口A-A處，這樣只需解決瓶口螺紋的側(cè)抽芯成型問題，而通過應(yīng)用哈夫滑塊構(gòu)成瓣合模結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)。

圖2 分型面位置設(shè)置方案

成型零件是注塑模具中的核心零件。針對瓶坯呈回轉(zhuǎn)體的幾何特征，綜合考慮易加工、低成本、塑件易于推出及模具冷卻方案等多種因素，將其成型零件設(shè)計(jì)成如圖3所示的三種形式。圖3a的兩個(gè)圓柱形型腔零件成型瓶坯的外形結(jié)構(gòu)，圖3b的圓柱形型芯零件成型瓶坯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖3c的一對側(cè)向抽芯的哈夫滑塊成型瓶坯瓶口結(jié)構(gòu)。

圖3 成型零件

4 推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

瓶坯為透明塑件且內(nèi)孔直徑較小，決定其不能用推桿推出。該套模具選用了推件板機(jī)構(gòu)將瓶坯脫模，保證了瓶坯表面無任何推出痕跡。推件板結(jié)構(gòu)如圖4所示，此推件板中間開框，為放置兩個(gè)側(cè)抽芯滑塊及其抽芯滑動距離留有空間。與型芯零件的配合部位設(shè)計(jì)成5°錐臺，保證了推件板和型芯的軸心定位，以及推出過程中推件板和型芯不發(fā)生直接接觸。此外，此推件板使用了螺釘與復(fù)位桿連接。模具開模后由注塑機(jī)頂桿推動推板，進(jìn)而帶動復(fù)位桿和推件板完成瓶坯推出及其后的推件板復(fù)位過程。圖5為推件板裝配局部圖。

5 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 推件板

圖5 推件板裝配局部圖

瓶坯口部螺紋成型是該套模具的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)和技術(shù)資料，成型外螺紋的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案主要有兩種，即方案一的哈夫滑塊式側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)和方案二的自動旋轉(zhuǎn)脫螺紋機(jī)構(gòu)[6]。方案二無需側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，但需要在模具中添加實(shí)現(xiàn)旋脫的機(jī)械傳動裝置，此方案的模具復(fù)雜程度和開發(fā)成本都會高于方案一。故采用了方案一(即圖6的側(cè)抽芯機(jī)構(gòu))實(shí)現(xiàn)外螺紋的成型，其組成零件為四根截面為矩形的彎銷、一對可分可合的哈夫滑塊。彎銷固定端置于動模板，滑塊放置在推件板中，在壓塊與推件板底面構(gòu)成的導(dǎo)滑槽中進(jìn)行側(cè)抽芯與復(fù)位的運(yùn)動，如圖7所示。

由于瓶坯豎起放置在定模板中，導(dǎo)致定模板厚度較大，如采用定模板斜導(dǎo)柱方案，則斜導(dǎo)柱總長度必變長而致其側(cè)抽芯時(shí)所受的彎矩力增大，影響其強(qiáng)度和壽命；另一方面，斜導(dǎo)柱方案中還涉及滑塊、限位裝置和鎖緊塊等零件，因此在推件板上會增加很多開槽區(qū)域，進(jìn)一步地削弱了推件板的整體強(qiáng)度。綜上兩點(diǎn)，選用了固定于動模側(cè)的彎銷側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，其具有抽芯力大、無需鎖緊塊、抽芯運(yùn)動和零件強(qiáng)度更加可靠等優(yōu)點(diǎn)，從而達(dá)到減少模具加工量和消除零件強(qiáng)度安全隱患的效果。

在設(shè)計(jì)哈夫滑塊的滑動距離即抽芯距時(shí)可以參考圓形骨架塑件的抽芯距示意圖[7]，如圖8所示，圖8中S′為抽芯距，R為塑件最大外圓半徑，r為最小外圓半徑。該套模具設(shè)計(jì)中，最小抽芯距Smin與瓶坯的R，r和安全余量k有關(guān)，依據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算[8]。式中k取值范圍為2～5 mm，實(shí)際計(jì)算時(shí)選取4 mm。

圖6 彎銷側(cè)抽芯組成零件

圖7 彎銷側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)

圖8 抽芯距示意圖[7]

模具的實(shí)際抽芯距確定為20 mm。彎銷傾角α一般在15°～25°范圍內(nèi)選取，考慮到彎銷彎曲長度和抽拔力等因素，最終確定為25°。

6 延遲抽芯和瓶坯推出

在該套模具中，由于彎銷和哈夫滑塊都在動模側(cè)，滑塊裝配在推件板上進(jìn)行側(cè)抽芯運(yùn)動，所以側(cè)向抽芯運(yùn)動和塑件推出運(yùn)動必將耦合關(guān)聯(lián)在一起。這兩個(gè)運(yùn)動可以設(shè)計(jì)為同時(shí)完成，或是一先一后相繼完成，這涉及到不同方案的選擇。

因瓶坯總長為130 mm且瓶體無拔模斜度，所以模具推出瓶坯需要較大的推出力和較長的推出行程。該套模具采用的方案為推件板先推出瓶坯一段距離，其后哈夫滑塊伴隨后續(xù)的推出運(yùn)動開始側(cè)抽芯運(yùn)動(又稱延時(shí)抽芯)，達(dá)到抽芯距后側(cè)抽芯運(yùn)動停止，此時(shí)瓶坯也完成了脫模。能夠?qū)崿F(xiàn)延時(shí)側(cè)抽芯的彎銷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 彎銷的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中，通過延長彎銷的豎直段長度，使滑塊在推件板推出行程S1=40 mm之內(nèi)保持靜止，無法產(chǎn)生側(cè)向抽芯動作。此時(shí)，滑塊和推件板可視為一個(gè)整體共同推出瓶坯，有利于傳遞較大的推力并減少瓶口的局部應(yīng)力。當(dāng)推件板推出行程超過40 mm，此時(shí)滑塊將沿彎銷傾斜的工作端(長度約為50 mm)開始進(jìn)行側(cè)抽芯運(yùn)動。

由圖1可知，瓶坯實(shí)際需要的推出行程大于79 mm即可。圖9中彎銷總長為131 mm確保了瓶坯能正常被推出。根據(jù)前述，滑塊實(shí)際抽芯距離為20 mm，利用三角函數(shù)關(guān)系，可以獲得彎銷傾斜端計(jì)算工作長度L，即L=20/sin25°=47.3 mm。

顯然，圖9中設(shè)計(jì)值50 mm大于47.3 mm，滿足滑塊實(shí)際抽芯距離要求，同時(shí)也保證了滑塊側(cè)抽芯結(jié)束后未完全脫離斜銷，這有利于合模中哈夫滑塊能夠準(zhǔn)確回復(fù)原位。

在哈夫滑塊側(cè)抽芯過程中，推件板繼續(xù)推出瓶坯的距離為S2，則S2=20/tan25°=42.9 mm。

由上可知，瓶坯總推出行程的計(jì)算如下所示。

7 冷卻水路設(shè)計(jì)與優(yōu)化

PET屬于結(jié)晶性塑料，其缺點(diǎn)是結(jié)晶速率太低。冷卻水路的不合理布置不僅會降低瓶坯的冷卻速率、延長生產(chǎn)周期，還會導(dǎo)致各類質(zhì)量缺陷，如會影響制品的透明度、力學(xué)性能及吹塑成型[9]。

應(yīng)用Moldflow軟件針對模具冷卻水路的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了注塑模擬和工藝參數(shù)預(yù)測。

為了避免細(xì)小結(jié)構(gòu)處的網(wǎng)格產(chǎn)生畸變，將瓶坯的螺紋刪除簡化。選擇Fusion方式后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終得到的網(wǎng)格匹配率值(88.1%)和最大縱橫比值(8.5)均符合模擬計(jì)算要求。按照表1參數(shù)創(chuàng)建澆注系統(tǒng)單元體，并獲得了如圖10所示的單元網(wǎng)格。

表1 澆注系統(tǒng)參數(shù)

圖10 有限單元網(wǎng)格

瓶坯內(nèi)孔直徑較小，模具中又包括哈夫滑塊和推件板，上述因素給模具型芯的冷卻帶來了極大困難。表2給出了選擇的兩種冷卻水路設(shè)計(jì)方案。對于瓶坯型腔的冷卻均采用了具有強(qiáng)化冷卻效果的螺旋水路，而瓶坯型芯的冷卻采用了不同方法。利用Moldflow軟件進(jìn)行冷卻分析，從計(jì)算結(jié)果中選擇了三個(gè)參數(shù)，分別為回路冷卻液溫度、塑件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間和塑件平均溫度，對冷卻效果的優(yōu)劣進(jìn)行評判。

表2 冷卻水路方案及參數(shù)

方案一是每個(gè)瓶坯下方設(shè)置一個(gè)直通水路，其模擬結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，達(dá)到推出塑件所需的時(shí)間長達(dá)15 s左右，且整個(gè)塑件的平均溫度也較高。其原因是此水路開設(shè)在墊板上與型芯距離較遠(yuǎn)，熱傳導(dǎo)受阻致型芯冷卻效果較差。方案二是將直通水路改為水井式，即在型芯軸線位置鉆孔成為水井，利用隔水板將水井孔一分為二，5℃的冷卻水依次進(jìn)入和流出型芯內(nèi)部，其模擬結(jié)果如圖12所示。將圖11和圖12比較，方案二達(dá)到推出塑件所需的時(shí)間縮短了近一半，而且塑件的平均溫度也有了明顯下降，極大地提高了冷卻效率。然而，方案二的最大問題是瓶坯型芯前端直徑為16 mm，在內(nèi)部鉆深250 mm直徑為12 mm孔后會嚴(yán)重削弱型芯的強(qiáng)度。

圖11 方案一分析結(jié)果

圖12 方案二分析結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，與通用的模具合金鋼相比，鈹銅合金具有極高的導(dǎo)熱特性。在模具零件不易冷卻情況下，采用鈹銅冷卻棒或加工成型芯可使模具平均溫度降低20%左右，冷卻時(shí)間可以縮短40%，能有效控制模具溫度、簡化模具結(jié)構(gòu)和提高塑件質(zhì)量[10]。因此，最終將方案二進(jìn)行了改進(jìn)，如圖13所示。在瓶坯型芯中心部位加工一個(gè)直徑為4.1 mm的孔，將直徑4 mm鈹銅合金冷卻棒伸入其中，將PET熔體傳給型芯的熱量快速傳遞出來；冷卻棒的另一端則浸入直徑20 mm的水井中接受5℃冷卻水的循環(huán)冷卻。在型芯細(xì)長場合下，此種冷卻方式是較為常用的一種冷卻方式。

圖13 鈹銅冷卻棒冷卻方式

8 模具工作原理

圖14為瓶坯三板注塑模具的裝配圖。模具閉合后，PET熔料通過噴嘴注塑進(jìn)入型腔內(nèi)。完成保壓和冷卻過程后，注塑機(jī)施加開模力。模具在受壓彈簧的彈力和主分型面處尼龍開閉器阻力的雙重作用下，將在位置I處首先分開。此時(shí)，由于拉料桿的拉力迫使點(diǎn)澆口與瓶坯斷開分離，且澆注系統(tǒng)凝料留在推料板上。當(dāng)定模板接觸到定距拉桿的頭部后，模具的第一次開模已達(dá)到最大距離。在定距拉桿的拉動下，推料板與定模座板在位置II分離，澆注系統(tǒng)凝料被推料板從澆口套和拉料桿上推出，實(shí)現(xiàn)了自動脫模。當(dāng)限位螺釘頭部接觸到孔底部時(shí)，推料板也停止運(yùn)動。最終，開模力直接作用在尼龍開閉器上，其摩擦阻力無法抵抗開模力而導(dǎo)致瓶坯模具的動模和定模在位置III處分開，實(shí)現(xiàn)了模具第三次開模。到達(dá)開模行程后，注塑機(jī)頂桿推動推板以至帶動復(fù)位桿推動推件板向前運(yùn)動，使得推件板先推出瓶坯40 mm，在此過程中由于彎銷設(shè)計(jì)了延遲抽芯，所以哈夫滑塊無側(cè)抽芯運(yùn)動。當(dāng)滑塊上斜孔與彎銷傾斜段相接觸，哈夫滑塊開始向兩側(cè)作抽芯運(yùn)動且側(cè)抽芯距離為20 mm。在此過程中，推件板繼續(xù)推動瓶坯離開型芯，最終瓶坯塑件完全脫模而掉落。隨后，在復(fù)位彈簧的回復(fù)力下，推出機(jī)構(gòu)和哈夫滑塊完成復(fù)位，模具進(jìn)行閉合動作，開始下一注塑周期過程。

9 結(jié)語

提出了一整套應(yīng)用三板式冷流道注塑瓶坯的模具結(jié)構(gòu)方案和設(shè)計(jì)方法。該套模具的特點(diǎn)是針對瓶坯口部外螺紋設(shè)計(jì)了由哈夫滑塊和彎銷組成的延時(shí)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，其側(cè)抽芯運(yùn)動由推件板推出觸發(fā)并與推件板推出瓶坯過程相互完好關(guān)聯(lián)。模具中瓶坯型芯零件的冷卻水路優(yōu)化保證了產(chǎn)品質(zhì)量。此套模具的結(jié)構(gòu)方案對同類結(jié)構(gòu)塑件的模具設(shè)計(jì)具有一定的參考和實(shí)用價(jià)值。

圖14 瓶坯三板注塑模具裝配圖