空調(diào)掛機(jī)中梁模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

張加鋒，熊建武，龍華，胡智清

（1.長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410124； 2.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410208； 3.湖南財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽 421002)

中型塑料件模具設(shè)計中，從模具制造成本及加工難度考慮，一般希望盡可能將模具的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計得小一些，結(jié)構(gòu)簡單一些，以降低模具的整體成本[1–4]；成型件及機(jī)構(gòu)件盡可能簡單化，以降低加工制造難度和加工成本[5–8]，因而，模具設(shè)計實(shí)踐中，一般在初始設(shè)計方案完成后，需要結(jié)合模具子系統(tǒng)機(jī)構(gòu)布置的需要來對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要包括以下幾個方面[9–15]：1)澆口位置及數(shù)量的優(yōu)化設(shè)置；2)分型方式及模腔布局方式選擇；3)脫模機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式選用；4)模板開閉控制機(jī)構(gòu)簡化；5)模具穩(wěn)定性、可靠性機(jī)構(gòu)的優(yōu)化選用[16–20]。筆者結(jié)合某空調(diào)掛機(jī)中梁塑料件的結(jié)構(gòu)來對相應(yīng)模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 塑料件

塑料件的形狀如圖1 所示。塑料件的主體由5個板面組合而成，板面長度方向上，通過加強(qiáng)筋來增強(qiáng)塑料件的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。塑料件材料為丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)，收縮率為0.6%，板面平均壁厚2 mm，加強(qiáng)筋平均壁厚1.5 mm。塑料件的平均壁厚為2.2 mm，最大壁厚為2.8 mm，最小壁厚為1.5 mm。在塑料件上設(shè)置了眾多的功能特征，主要包括2 個扣位，多處臺面小孔，兩種類型的螺絲柱孔，2 個筋位孔，兩端的斜柱孔，端面?zhèn)炔奂皢味说拈_放槽、斜槽等特征。塑料件主體本身也是由4 個不同板面按一定的夾角組合在一起，各板面上附加上述特征后，塑料件的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，不利于塑料件成型模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計，塑料件的結(jié)構(gòu)形式對其模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，第一是塑料件的澆注，第二是各特征的脫模。因而，模具設(shè)計時，需要有針對性地對塑料件模具的各子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，盡可能地降低模具的制造成本，并保證模具的使用質(zhì)量。

圖1 塑料件

2 塑料件結(jié)構(gòu)分析

塑料件上所設(shè)置的功能特征如圖2 所示。將塑料件上的孔等特征進(jìn)行分類后，可分為以下幾種類型：

圖2 塑料件結(jié)構(gòu)圖

1)長深通孔。主要為孔B1，B2。B1，B2 孔的脫模方向在其中心軸線上，脫模所需的抽芯距離為[27+(2～3)]mm；

2)螺柱孔b1，b2，k1，k2。b1 所需抽芯距為[7+(2～3)] mm，b2 所需抽芯距為[43+(2～3)] mm；k1，k2 的抽芯方向與其外側(cè)面垂直，所需抽芯距為[10+(2～3)] mm。

3)板面淺孔。板面淺孔包括h1～h7 等，其深度一致，大小為板面的厚度值，在其脫模方向，h1，h2，h4，h7 的抽芯距離分別為6 mm，h3 抽芯距離需10 mm，h5，h6 的抽芯距離則需8 mm。

4)側(cè)端面孔。側(cè)端面孔包括d1～d9，這些孔的抽芯方向則垂直于其特征所在的塑料件兩個側(cè)端面上，右側(cè)面上的d1～d4，d7 所需抽芯距為[11+(2～3)] mm，左側(cè)面上的d5，d6，d9 所需抽芯距離為[8+(2～3)] mm。左端、右端側(cè)面的形狀如圖3 所示。

圖3 左、右端側(cè)面的結(jié)構(gòu)特征

塑料件4 個主體板面之間，各板面的位置關(guān)系為：第一板面和第二板面之間的夾角為57°，第二板面和第三板面之間的夾角為21°，第一板面和第四板面兩板面為平行板面，板間距為21 mm，第四橫板寬度為32 mm。第一板面和第四板面設(shè)置有2個獨(dú)立的d8 錐形柱子，其高度為21 mm，其脫模方向必須要沿錐柱的中心線進(jìn)行。第一板面和第二板面之間的空槽需要按一定的角度進(jìn)行抽芯脫模。

3 分型面設(shè)置

塑料件的主要分型面為模腔的開模面，在主分型面既定的情況下，脫模方向與開模方向不同向的各特征的脫模都需要設(shè)置特殊的機(jī)構(gòu)來實(shí)施抽芯脫模，這些脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)置決定了模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，因而在塑料件的主分型面設(shè)計中，應(yīng)盡可能地對分型面的選擇進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，保證抽芯機(jī)構(gòu)數(shù)量盡可能少，以降低模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。結(jié)合圖2、圖3所示，塑料件上的各功能特征的脫模方向可做如下歸類：1)第一脫模方向F1，在該方向的特征有8 處，包括b1，b2，h2 共8 處特征；2)第二脫模方向F2，在該方向的特征有16 處，包括h1，h3 孔特征的中心；3)第三脫模方向F3，在該方向的特征有B1，B2兩個特征；4)第四脫模方向F4，包括d1～d7，h5，h4共9 個特征；5)第五脫模方向F5，包括特征d8、圖1 中所示的斜槽，及k1，k2 特征；6)第六方向F6，包括h6，d9 等特征的脫模；7)第七方向F7，該方向僅僅包含一個h7 特征的脫模。

顯然，本塑料件分型面的選擇要滿足盡可能優(yōu)化減少抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)置，除考慮板面的脫模外，還需針對上述7 個脫模方向特征的數(shù)量來進(jìn)行精簡，即分型面的設(shè)置，應(yīng)盡可能減少抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)置，在對比上述7 個脫模方向的特征數(shù)量及澆注設(shè)置的需要后，做圖4 所示形式的分型安排來實(shí)現(xiàn)塑料件主分型面的設(shè)置。分型中，選取Z 方向?yàn)槟Ｇ坏拈_模主方向，在此開模方向下，主分型面為P0，次分型面為P1，這樣，可達(dá)到三個優(yōu)化設(shè)計的目的，其一是將抽芯成型塊盡可能的小型化；其二是能將所需的抽芯機(jī)構(gòu)數(shù)量最少化；其三便于采用多點(diǎn)式點(diǎn)澆口澆注系統(tǒng)的設(shè)置。

圖4 分型設(shè)置

4 模具結(jié)構(gòu)

在圖4 的分型設(shè)置下，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5 所示。模具的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計遵從以下優(yōu)化設(shè)計思路展開。

4.1 布局優(yōu)化

圖5 模具結(jié)構(gòu)

結(jié)合圖2 及圖4，塑料件脫模所需的側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)較多，且塑料件的整體規(guī)格尺寸相對較大，其長度為747 mm，接近1 m，因而長度方向上的布局?jǐn)?shù)量應(yīng)控制為1 個較為合適，其寬度為107 mm，尺寸相對較小，但依據(jù)圖4 中所示分型，塑料件的兩個側(cè)邊都需要設(shè)置抽芯機(jī)構(gòu)，因而在寬度方向上的布局也采用1 個較為合適，因而，塑料件的布局采用一模一腔布局較為合適，如圖6a 所示。在一模一腔布局下，側(cè)抽芯脫模機(jī)構(gòu)分為S1～S6 共6 個機(jī)構(gòu)來進(jìn)行布置。

4.2 澆注系統(tǒng)優(yōu)化

塑料件長度較長，若采用單一的澆口很難保證模腔的充填效果，結(jié)合塑料件兩頭及中間的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)及質(zhì)量分布特點(diǎn)，在UG 軟件中對塑料件進(jìn)行劃分塊及模流分析優(yōu)化設(shè)計后，塑料件的澆注系統(tǒng)采用三點(diǎn)式點(diǎn)澆口系統(tǒng)進(jìn)行澆注，澆注系統(tǒng)的組成如圖6 所示。模腔左右兩端分別采用G1，G2 點(diǎn)澆口進(jìn)行澆注，G3 作為補(bǔ)充澆口，對模腔的中央部位進(jìn)行澆注，如圖6b 所示。

圖6 布局及澆注系統(tǒng)設(shè)計

4.3 成型件優(yōu)化

依據(jù)分型設(shè)置，模腔的成型件采用鑲件拼合形式進(jìn)行拼裝，成型件設(shè)置如圖7 所示。型腔鑲件的組成如圖7a 所示，考慮到模腔的兩頭及中間部位都需要設(shè)置抽芯機(jī)構(gòu)，且主體鑲件都需要與側(cè)抽芯成型件之間進(jìn)行分型配合，同時考慮到零件加工和配模方便性，成型鑲件優(yōu)化分割成多個子成型鑲件進(jìn)行拼合，型腔鑲件分為4 個子鑲件，型芯鑲件也分為4 個子鑲件。

圖7 成型件設(shè)置

側(cè)面的分型設(shè)置如圖8 所示。側(cè)面分型中采用P3 分型線來對塑料件的左端進(jìn)行分型，分型后由一個側(cè)面成型塊來進(jìn)行分型，該成型塊設(shè)計成側(cè)面滑塊機(jī)構(gòu)形式；同樣，采用P4 分型線來對塑料件的右端進(jìn)行分型，該成型塊同樣設(shè)計成滑塊機(jī)構(gòu)形式；通過此兩個滑塊機(jī)構(gòu)來達(dá)到對左右兩端的側(cè)面特征進(jìn)行抽芯脫模的目的。

4.4 脫模機(jī)構(gòu)優(yōu)化

圖8 側(cè)面分型

在圖6 的優(yōu)化單腔布置下，模具上設(shè)置了6 個位于模具動模一側(cè)的側(cè)抽芯滑塊機(jī)構(gòu)、2 個位于定模一側(cè)的斜頂機(jī)構(gòu)和1 個位于動模一側(cè)的斜頂機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)塑料件功能特征的脫模，6 個側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)分別為S1～S6，3 個斜頂機(jī)構(gòu)分別為D1～D3，如圖9 所示。S1 滑塊機(jī)構(gòu)對用于第六方向F6 抽芯滑塊機(jī)構(gòu)；S2 滑塊機(jī)構(gòu)用于第四方向F4 抽芯滑塊機(jī)構(gòu)。S3 滑塊機(jī)構(gòu)用于第三方向F3 的B2 鑲件的抽芯，S4 滑塊機(jī)構(gòu)用于第三方向F3 的B1 鑲件的抽芯。S5 滑塊機(jī)構(gòu)用于第二方向F2 的16 個孔成型鑲件的抽芯。S6 滑塊機(jī)構(gòu)用于第五方向F5 的特征成型件的抽芯。機(jī)構(gòu)S1，S2 為水平側(cè)滑塊抽芯機(jī)構(gòu)，S3～S6 機(jī)構(gòu)為斜滑塊抽芯機(jī)構(gòu)。

為了降低模具加工的整體難度，且保證機(jī)構(gòu)的脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計，機(jī)構(gòu)設(shè)置做如下安排：

第一，與脫模方向F1 同向的特征其脫模方向設(shè)置為與模具的開模方向相同。

第二，脫模方向F2 所對應(yīng)的16 個孔的抽芯由S5 機(jī)構(gòu)來實(shí)施，S5 機(jī)構(gòu)為一個通過水平滑塊驅(qū)動隧道滑塊來進(jìn)行抽芯的機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)組件包括圖5 所示的62～68；機(jī)構(gòu)中，將h1 孔、h3 孔的成型件設(shè)置成型針形式的隧道型針64，由一個滑塊體小滑塊63來進(jìn)行驅(qū)動。。

圖9 側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)

第三，脫模方向F3 所對應(yīng)的B1，B2 兩個接插管接頭的抽芯方向相同，將兩個特征的管內(nèi)型芯分別設(shè)計成B1 鑲件和B2 鑲件后，將該鑲件設(shè)置成隧道滑塊體形式，進(jìn)而可以由外部的斜導(dǎo)柱驅(qū)動的動力滑塊機(jī)構(gòu)來進(jìn)行驅(qū)動。該方向下的抽芯機(jī)構(gòu)包括2 個，分別為S3，S4 機(jī)構(gòu)。以S3 機(jī)構(gòu)為例，其結(jié)構(gòu)組成包括圖5 所示的52～58。

第四，對于脫模方向F4 向的特征的脫模采用分型面P3面所分割出的右側(cè)滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行抽芯脫模，其結(jié)構(gòu)組件包括圖5 所示的41～49，其成型件的左滑塊45 的頭部集成d1～d7，h5，h4 特征，成型區(qū)域包含P3分型面所分開整個側(cè)面區(qū)域。

第五，脫模方向F5 的抽芯由滑塊機(jī)構(gòu)S6 來實(shí)施，該機(jī)構(gòu)為斜滑塊機(jī)構(gòu)，相應(yīng)的成型特征包括k1，k2 及空間槽，機(jī)構(gòu)組成件包括件59～件61。

第六，脫模方向F6 的抽芯由S1 機(jī)構(gòu)來實(shí)施，分型線設(shè)置如圖6a 所示，其成型件為由P4分型線分割出的側(cè)面右滑塊30 來成型，滑塊30 所對應(yīng)的成型特征包含h6，d9 特征及P4分型線所分開整個側(cè)面區(qū)域。

第七，脫模方向F7 有兩個特征需要進(jìn)行側(cè)抽芯，斜頂機(jī)構(gòu)中，D1，D2 斜頂機(jī)構(gòu)位于型腔一側(cè)，分別對應(yīng)于j4 筋板、j2 筋板上用于實(shí)現(xiàn)該方向下h7孔特征的抽芯脫模。D1，D2 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，以D1機(jī)構(gòu)為例，其結(jié)構(gòu)件包括件36～件40。該斜頂為一種新型前模斜頂機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)利用彈簧驅(qū)動斜頂座來驅(qū)動D3 斜頂桿將塑件從型腔中頂出，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)塑件彎鉤特征及h7 孔特征在前模側(cè)向抽芯脫模的目的。D3 斜頂位于型芯一側(cè)，D3 斜頂機(jī)構(gòu)用于頂出h4 孔的型芯從而進(jìn)行側(cè)抽芯脫模。機(jī)構(gòu)布局時，若h4 孔的抽芯按第四方向F4方向抽芯，則會被B1 特征所阻擋，因而需要特別設(shè)置一個斜頂鑲件h4 來進(jìn)行頂出脫模。綜上，采用上述脫模機(jī)構(gòu)的布置方式有利于模具整體結(jié)構(gòu)的簡化。

5 模具工作原理

結(jié)合圖5 所示，模具安裝于注塑機(jī)上，閉合、注塑、保壓、冷卻后等待開模。開模過程為：

1) PL1 打開。模具首先在PL1 面處開模時，實(shí)現(xiàn)流道廢料與塑料件先分離。

2) PL2 打開。模具在PL2 分型面處打開時，實(shí)現(xiàn)流道廢料的自動脫模。

3) PL3 打開。模具在PL3 處打開時，D2，D3機(jī)構(gòu)完成前模頂出側(cè)抽芯；而后，S1～S6 機(jī)構(gòu)的各自的斜導(dǎo)柱驅(qū)動對應(yīng)的滑塊進(jìn)行側(cè)抽芯，完成對應(yīng)特征的側(cè)抽芯脫模。

4)頂出。開模完畢，注塑機(jī)頂桿推動頂出板及其上的頂桿74 及D1 斜頂將塑料件從型芯鑲件71上頂出，實(shí)現(xiàn)塑料件的完全脫模。

5)閉合復(fù)位。其過程與開模過程相反。

6 結(jié)語

針對塑料件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計困難的問題，設(shè)計了其一模一腔三板注塑模具。模腔的澆注采用優(yōu)化后的三點(diǎn)式點(diǎn)澆口澆注系統(tǒng)，保證了模腔充填的飽滿性和充填末端的均衡性。為簡化模具結(jié)構(gòu)及脫模機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)置，在充分分析塑料件結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，對塑料件的局部特征做了脫模方向分類，依據(jù)此分類，塑料件的分型采用主、次兩個分型面進(jìn)行垂直開模方向上的分型，并設(shè)置6 個滑塊機(jī)構(gòu)及3 個斜頂機(jī)構(gòu)來對塑料件進(jìn)行局部特征的抽芯脫模，6 個滑塊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式都采用擋塊外置定位和彈簧拉桿輔助驅(qū)動，以減小機(jī)構(gòu)對模架空間的占用，減小模架的結(jié)構(gòu)尺寸，降低生產(chǎn)成本?；瑝K機(jī)構(gòu)中，針對抽芯機(jī)構(gòu)布置空間受限制的問題，采用二級式隧道滑塊結(jié)構(gòu)，提高了模架空間的利用率，有利于模具整體成本的降低?；瑝K機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計，大大降低了模具的加工、安裝難度和制造成本。針對定模部分脫模困難的問題，設(shè)計了一種新型定模斜頂機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)利用彈簧驅(qū)動斜頂座來驅(qū)動斜頂桿將塑料件從型腔中頂出，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)塑料件彎鉤特征及孔特征在定模側(cè)向抽芯脫模的目的，此機(jī)構(gòu)構(gòu)思巧妙，結(jié)構(gòu)簡單，有利于簡化模具的整體結(jié)構(gòu)。模具結(jié)構(gòu)及脫模機(jī)構(gòu)設(shè)置簡單實(shí)用、工作可靠性高，可為同類塑料件的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有益參考。