大型倒裝疊層注射模設(shè)計(jì)

譚憲綱

（深圳市金三維模具有限公司，廣東深圳518108）

1 引言

疊層模具是當(dāng)今塑料注射模發(fā)展的一項(xiàng)前沿技術(shù)，適合成型扁平、淺腔殼體類塑件或小型多腔薄壁塑件，且需求量比較大的產(chǎn)品。對(duì)于這類淺腔類塑件，如采用常規(guī)的單層注射模結(jié)構(gòu)，注塑機(jī)的注射量和開模行程可能只使用了額定的20%~40%，而疊層式注射模能夠在不增加鎖模力的基礎(chǔ)上，在相同的注塑機(jī)上采用幾乎相同的能耗和效率條件下能使產(chǎn)量根據(jù)層數(shù)成倍增加（與常規(guī)模具相比，疊層式模具鎖模力只增加8%～15%，產(chǎn)量可以增加90%～95%），極大地提高生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率，大大降低注射成型成本和加快產(chǎn)品的交付速度。

但是，雙層模具對(duì)設(shè)計(jì)和制造相對(duì)于普通模具有更高的技術(shù)要求和精度要求，如合理的流道設(shè)計(jì)、開模同步機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、合適的模具厚度控制等等，而針對(duì)大型產(chǎn)品的雙層設(shè)計(jì)會(huì)更加復(fù)雜，模具中間的活動(dòng)部分的承重設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵。

圖1所示冰箱散熱蓋板是全球品牌冰箱中的一個(gè)常用部件，大部分款式的冰箱都需要采用此部件，需求量巨大，屬于大型扁平、淺腔殼體類塑件，非常適合做疊層模結(jié)構(gòu)，但由于塑件尺寸較大，外觀要求決定了該模具還需要采用倒裝結(jié)構(gòu)，這樣疊層模具重量達(dá)到將近20t，在設(shè)計(jì)和制造上還是有相當(dāng)?shù)碾y度。

2 塑件的結(jié)構(gòu)特性

塑件尺寸大約為495×436×63.5mm，前側(cè)為外觀，要求較高，不允許有進(jìn)膠口痕跡。后側(cè)為功能骨位，連接柱子和鉤扣等（見(jiàn)圖1），塑件采用熱塑性材料HIPS，該材料具有較好的抗沖擊性能和剛性，還耐油耐水，可有效的保護(hù)冰箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1 冰箱散熱蓋板

該塑件有較多的散熱窗口，整體外形也較大，成品需注意控制各窗口處披鋒（飛邊）質(zhì)量和塑件整體變形公差控制。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先，根據(jù)客戶對(duì)塑件的外觀要求，外觀面是不允許有膠口痕跡，所以，不能從塑件的定模面上做澆口。其次，如果選擇從側(cè)面進(jìn)膠，則可能采用的方式是側(cè)面扇形澆口，但這種澆口需要人工后期修整，不利于自動(dòng)化生產(chǎn)，直接否決。這樣就只能在塑件的內(nèi)表面（即動(dòng)模型芯側(cè)）用熱流道針閥進(jìn)膠，即通常所說(shuō)的倒裝模具結(jié)構(gòu)，而在疊層模中，熱流道的分流板和頂出機(jī)構(gòu)就都需要做在疊層模具中間的浮動(dòng)夾層上，通過(guò)多層針閥結(jié)構(gòu)將主流道從注塑機(jī)的射嘴口跨越第一層分型面延伸到中間的分流板，并且保證在開模時(shí)高溫高壓的熔融塑膠不會(huì)泄露。

另外，該塑件平均壁厚2mm及HIPS原料的塑膠特性（如熔融指數(shù)3.5g/10min）、塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，初步判斷，采用4點(diǎn)進(jìn)膠比較合適。

根據(jù)上述分析，初步設(shè)計(jì)的熱流道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。

圖2 熱流道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按照上述流道設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行詳細(xì)的CAE模流分析，從分析結(jié)果來(lái)看，流道方案是可行的，符合客戶機(jī)臺(tái)能力，滿足客戶對(duì)注射成型效率的要求（客戶要求在75s內(nèi)）。

圖3是壓力場(chǎng)的分布情況。圖4是熔接線可能出現(xiàn)在塑件上的大致位置，這也得到了客戶的認(rèn)可。

圖3 壓力場(chǎng)的分布情況

圖4 熔接線可能出現(xiàn)在塑件上的大致位置

3.2 頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

塑件結(jié)構(gòu)的動(dòng)模有多處倒扣位需做斜頂、滑塊等結(jié)構(gòu)出模，并且需結(jié)合頂桿、推塊、司筒等組合頂出塑件，雖然有些復(fù)雜，但也算是常規(guī)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)如圖5所示。

圖5 頂出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于是倒裝結(jié)構(gòu)，頂出的動(dòng)力無(wú)法直接借助注塑機(jī)的頂出機(jī)構(gòu)，所以設(shè)計(jì)了油缸為頂出機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力（見(jiàn)圖6）。

圖6 油缸驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頂出機(jī)構(gòu)

3.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于塑件需求量大，客戶對(duì)生產(chǎn)周期要求非常短，同時(shí)塑件的公差要求也比較高，對(duì)產(chǎn)生的變形要做嚴(yán)格控制，所以，模具的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要充分且平衡，除了動(dòng)定模型腔、型芯的密布式均勻水路，滑塊、斜頂以及熱嘴（高熱區(qū)）周邊也設(shè)計(jì)了獨(dú)立水路，如圖7所示。

圖7 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4 同步機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使塑件收縮一致，塑件在各型腔中的停留時(shí)間相當(dāng)，需要設(shè)計(jì)一套機(jī)構(gòu)來(lái)保證疊層模的兩個(gè)分型面必須精確同步開模，并精密控制開模距離。在本模具上采用是精密齒輪齒條進(jìn)行同步控制，如圖8a所示結(jié)構(gòu)。

圖8 同步機(jī)構(gòu)

以上同步機(jī)構(gòu)動(dòng)作是通過(guò)注塑機(jī)開、合模動(dòng)力傳動(dòng)的。齒條固定在動(dòng)模和定模部分，注塑機(jī)開模時(shí)動(dòng)模側(cè)齒條跟著動(dòng)模運(yùn)動(dòng)，同時(shí)齒條也帶動(dòng)了齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)又帶動(dòng)了定模側(cè)的齒條運(yùn)動(dòng)，整個(gè)動(dòng)作過(guò)程都是相連在一起同時(shí)進(jìn)行的，開模距離在兩處分層型腔中是相同的（圖8b）。由于模具比較大，為保證平衡，在模具的兩側(cè)對(duì)稱各設(shè)計(jì)了兩套同步齒輪機(jī)構(gòu)。

3.5 承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

疊層模的一個(gè)特點(diǎn)是中間浮動(dòng)夾層在開模后需要有支撐結(jié)構(gòu)來(lái)承受它的重量，并且需要在開模方向上能自由滑動(dòng)。對(duì)于大型疊層模，由于中間浮動(dòng)部分比較重，通常會(huì)設(shè)計(jì)一種支撐結(jié)構(gòu)，利用注塑機(jī)的格林柱或床身的滑軌來(lái)承受重量，如圖9所示。

圖9 模具承重支撐結(jié)構(gòu)

但以上方式首先是要鎖定生產(chǎn)機(jī)臺(tái)，不僅試模困難，注塑廠家也不能調(diào)配更換生產(chǎn)機(jī)臺(tái)，同時(shí)對(duì)安裝模具調(diào)試工人也有較高的技術(shù)要求，而本模具需要出口到國(guó)外進(jìn)行注塑生產(chǎn)，上述承重方案并不合適。此設(shè)計(jì)方案利用模具本體來(lái)做支撐基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)支承梁和模具設(shè)計(jì)成了一個(gè)整體，脫離了對(duì)注塑機(jī)的依賴，模具在安裝調(diào)試時(shí)和普通模具差不多，操作簡(jiǎn)單方便。同時(shí)，在試模生產(chǎn)時(shí)，只要滿足容模量、鎖模力等基本能力的注塑機(jī)都可以。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖10所示。

該模具中間部分重達(dá)12t，開模后主要支撐靠導(dǎo)柱和承重梁組合受力，承重梁為主要受力點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)十分重要。

承重梁設(shè)計(jì)固定在定模側(cè)并沉入模板30mm，以增加承重受力面，材料選用P20,韌性和剛性都較好，承重塊選用耐磨性和剛性都較好的材料油鋼系列，承重塊和支承梁接觸面則做自潤(rùn)滑耐磨塊，以減小滑動(dòng)時(shí)的磨擦力，支撐點(diǎn)的滑動(dòng)距離需精確核算，不能超出核算結(jié)果范圍，通過(guò)計(jì)算支撐點(diǎn)最大滑動(dòng)的安全距離為320mm（見(jiàn)圖10b）。

圖10 承重塊及支承梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.6 模具厚度控制

根據(jù)模流分析結(jié)果，及客戶注塑廠設(shè)備情況，客戶最終決定采用1,600t的注塑機(jī)來(lái)生產(chǎn)此套模具。根據(jù)客戶機(jī)臺(tái)參數(shù)，其生產(chǎn)機(jī)臺(tái)容模厚度為1,550mm，在綜合考慮模具強(qiáng)度要求（模板厚度）、塑件頂出距離、機(jī)械手取件空間等，最終控制模具的總硬厚度為1,548mm，剛好滿足容模量要求，圖11是總設(shè)計(jì)示意圖。

圖11 模具總裝結(jié)構(gòu)

由于有雙分型面，取件機(jī)械手也需要雙臂機(jī)械手，為確保承重梁的案例受力，盡可能的減少開模距離，通過(guò)對(duì)機(jī)械手的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定型腔開模距離為300mm。同時(shí)，模具頂部也需保證有足夠空間可以讓機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，所以，熱流道系統(tǒng)接線插座、壓縮空氣管路的排布需要結(jié)合吊模梁做優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分利用兩者的結(jié)合部空間。如將熱流道系統(tǒng)線路通過(guò)電纜從模具兩側(cè)連接到定模處接線盒，有效的避開了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)線路，吊模梁也設(shè)計(jì)在中間部份能避開機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)線路。圖12是熱流道系統(tǒng)接線排布和吊模梁的結(jié)合設(shè)計(jì)示意圖。

圖12 熱流道系統(tǒng)接線排布及吊模梁結(jié)合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語(yǔ)

本副模具最終外形尺寸達(dá)到850×2,300×1,548mm，總重量約為17t，屬于大型倒裝疊層模具。經(jīng)過(guò)兩個(gè)月時(shí)間的制造，首次試模成功，最終達(dá)到甚至超越了各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，實(shí)際生產(chǎn)周期小于65s。實(shí)現(xiàn)了客戶高效率、低成本、自動(dòng)化生產(chǎn)的目標(biāo)。模具交付到國(guó)外后，為客戶帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益，獲得了客戶的高度贊揚(yáng)。