基于解決塑件頂裂問題的延遲頂出的特殊應(yīng)用

李孔富，陳佳斌，黃金香

（廣州導(dǎo)新模具注塑有限公司，廣東廣州 511430）

1 引言

在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，節(jié)能環(huán)保，低碳可持續(xù)發(fā)展的背景下，塑件的輕量化在促進(jìn)塑件行業(yè)的節(jié)能減排、進(jìn)而實現(xiàn)綠色發(fā)展，推動相關(guān)制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、降本增效、向高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。塑件的輕量化其中一個非常有效的途徑是在保證塑件使用性能的基礎(chǔ)上，改變塑件傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少塑件的相對壁厚，達(dá)到減少塑料使用量，降低塑件重量，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保，綠色發(fā)展的目標(biāo)。結(jié)構(gòu)的變化通常是變復(fù)雜了，而壁厚的減薄使單位面積的強(qiáng)度減弱，受力也會變差，因此，對塑件的生產(chǎn)提出了更高的要求，即對塑料模具的技術(shù)水平提出了更高的要求，那么塑料模具只有不斷向高端化發(fā)展才能滿足這樣的要求。這一變化對塑料模具的一個重要影響就是如何保證塑件能順利脫模。而在實際應(yīng)用研究當(dāng)中，通常的做法是設(shè)計更多的頂出支點、增加頂出支點位置壁厚、降低注射壓力犧牲塑件表面質(zhì)量或增加注射成型周期等手段。本文基于實際應(yīng)用在不改變模具成熟頂出系統(tǒng)的前提下，通過調(diào)整塑件局部壁厚及延時頂出距離方式反復(fù)試模驗證，研究受力支點強(qiáng)度、受力動態(tài)變化的配合來實現(xiàn)塑件在不出現(xiàn)由于頂出造成的開裂、不出現(xiàn)塑件表面質(zhì)量不符合要求、不出現(xiàn)變形量不符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等缺陷的前提下可以順利脫模，實現(xiàn)輕量化塑件發(fā)展及高效生產(chǎn)需求。這一研究成果為塑件的輕量化發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，低碳環(huán)保可持續(xù)發(fā)展注入強(qiáng)大動力和保障。

2 問題描述

2.1 塑件脫模機(jī)構(gòu)

注射模必須設(shè)計有準(zhǔn)確可靠的脫模機(jī)構(gòu)，以便在每一循環(huán)中將塑件從型腔內(nèi)或型芯上自動地脫出模外，脫出塑件的機(jī)構(gòu)稱為脫模機(jī)構(gòu)或推出機(jī)構(gòu)。脫模機(jī)構(gòu)有多種結(jié)構(gòu)形式，如簡單脫模機(jī)構(gòu)，順序脫模機(jī)構(gòu)，二級脫模機(jī)構(gòu)（頂出時采用兩次動作才能把塑料脫模的機(jī)構(gòu)），雙脫模機(jī)構(gòu)，帶螺絲塑件脫模機(jī)構(gòu)等，而每一類脫模機(jī)構(gòu)又會有若干種不同的形式。本文應(yīng)用的延時（脫模）機(jī)構(gòu)為二次脫模機(jī)構(gòu)中的一種比較特殊的應(yīng)用形式。

在塑料模具中頂出系統(tǒng)（脫模機(jī)構(gòu)）設(shè)計是否合理，是衡量模具質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是塑料模具重要的組成部分，設(shè)計中對脫模機(jī)構(gòu)的要求主要有：①結(jié)構(gòu)相對優(yōu)化、動作可靠，機(jī)構(gòu)盡可能簡單，零部件制造方便，修配更換容易，成本相對較低；②不影響塑件外觀質(zhì)量，不能造成塑件變形；③讓塑件可靠地留在動模等。

2.2 頂出開裂問題

塑件的輕量化大部分是通過減薄壁厚來實現(xiàn)，那么塑件的剛度強(qiáng)度相對會變?nèi)?，模具中設(shè)計頂出系統(tǒng)難度大大增加，通常會在頂出位置出現(xiàn)一些難以預(yù)估的頂出應(yīng)力發(fā)白，頂穿，開裂破損或塑件非頂出部分結(jié)構(gòu)開裂等問題，特別是有表面外觀質(zhì)量要求的透明類塑件，頂出位置受到非常大的限制，頂出夾線又不可出現(xiàn)在可見位置。

本文以汽車車燈內(nèi)透鏡為案例，研究分析塑件頂出開裂問題。圖1所示為透明導(dǎo)光類塑件，有非常高的外觀要求，同時由于是汽車車燈功能類零部件，有嚴(yán)格的配光要求，對塑件的輪廓度及變形要求也非常高。

圖1 塑件3D造型圖

基于塑件的特點結(jié)合實際情況，通過綜合的評估檢討，設(shè)計了一套相對可靠的脫模結(jié)構(gòu)：一是設(shè)計內(nèi)抽滑塊對深型骨位進(jìn)行先行抽芯脫模，最大限度減少塑件粘模力；二是設(shè)計一套可靠的頂出系統(tǒng)，其包含在抽芯側(cè)一側(cè)設(shè)計3支方形推桿，塑件中間位置設(shè)計4支扁頂，非抽芯一側(cè)4支方形推桿，如圖2所示。設(shè)計出來的這一組合結(jié)構(gòu)，是經(jīng)過對這類塑件的充分檢討評估后所確認(rèn)的方案，均可判定為安全可靠的設(shè)計方案。模具制造生產(chǎn)完成后，在進(jìn)行試模調(diào)試過程中，出現(xiàn)的問題卻比預(yù)估的嚴(yán)重得多，在確保塑件質(zhì)量的情況下，塑件出現(xiàn)嚴(yán)重的頂裂問題，如圖3所示，塑件合格率非常低。在試模中出現(xiàn)這個問題，并沒有引起團(tuán)隊太多的重視，認(rèn)為按常規(guī)的方式解決即可。

圖2 頂出示意圖

圖3 頂裂位置示意圖

在模具上就按部就班地啟動了再優(yōu)化方案嘗試去解決出現(xiàn)的問題。首先，采用追加頂出的穩(wěn)妥方案，如圖4所示，模具優(yōu)化完成之后再安排試模確認(rèn)效果，然而這一改動并沒有起到多大的作用。這時團(tuán)隊的解決方案轉(zhuǎn)向了塑件的強(qiáng)度及剛度方面考慮，畢竟這是塑件輕量化后所產(chǎn)生的問題點，從這點出發(fā)，首先采用了增加塑件受力位置的壁厚來對應(yīng)，由于沒有實際的數(shù)據(jù)去支持和需要盡最大要求去保留塑件原有的設(shè)計，這個方案優(yōu)化進(jìn)行了多次，然而，結(jié)果與團(tuán)隊期望的仍有很大的差距，雖然對開裂有一定的改善，但并不能從根本上去解決問題，塑件合格率與目標(biāo)仍有很大的差距。這一問題看似簡單但卻成了這類模具最為棘手的問題之一，這也成了團(tuán)隊對這類塑件模具設(shè)計問題點中一個全新的課題。

圖4 改善頂出示意圖

改善方案詳細(xì)說明：在以往實際生產(chǎn)中，塑件頂出時發(fā)生變形或斷裂問題大多由于頂出不足或頂出不均而引起的。模具頂出系統(tǒng)布置情況如圖3所示。

參照以往同類問題發(fā)生的處理經(jīng)驗，優(yōu)化方案分別采取了以下方法嘗試去解決此問題：

措施一：在容易開裂的這一側(cè)，增加額外的方頂及扁頂各一支，增加這一側(cè)的頂出受力，也進(jìn)一步使頂出力更加平衡，如圖4所示，更改完成之后，試模驗證效果不明顯。

措施二：這一措施分為多次進(jìn)行，每次把出模角度增加0.5°，一共增加到5°，通過增大Ⅰ區(qū)膠位的出模度以減?、駞^(qū)所受的包緊力（見圖5中Ⅰ處放大圖）；每次更正試模驗證，有一些效果，但不明顯。

措施三：同樣在斷裂處加厚斷裂處膠位以增加受力強(qiáng)度（見圖5中Ⅱ處放大圖），每次增0.2mm來驗證，有一些效果，但不明顯。

措施四：增加Ⅱ處R角以改善Ⅱ處受力強(qiáng)度及韌性（見圖5中Ⅱ處放大圖），試模驗證，有一些效果，但

圖5 改善塑件強(qiáng)度示意圖

經(jīng)過以上措施多次嘗試優(yōu)化，頂裂的問題雖稍有改善但問題依舊存在。此類問題如果得不到解決，必將嚴(yán)重影響模具的生產(chǎn)進(jìn)度及增加模具生產(chǎn)成本，同時也會影響公司在客戶心中的良好形象。把這一問題解決好，無疑成了當(dāng)務(wù)之急。

這也讓團(tuán)隊認(rèn)識到這個問題并不簡單，于是組織隊員重新研究總結(jié)分析審核這類塑件的頂出方案，從頂出受力、塑件強(qiáng)度剛度、頂出平衡性等指標(biāo)進(jìn)行更加細(xì)化的分析研究。

3 分析問題與解決方案

從塑件結(jié)構(gòu)來看，塑件整體上主要呈殼狀，對模具動模有較大的包緊力。而且主要分布在A區(qū)（見圖6）。從模具的頂出設(shè)置情況來看（見圖3）理論上足以將塑件安全平衡頂出型腔。在后繼的措施當(dāng)中還采取了增加頂出來加強(qiáng)頂出受力及平衡，也通過多次試驗增加出模角的方式來減小A區(qū)對動模型腔的包緊力；其次加大斷裂處塑件壁厚以加大受力強(qiáng)度、增加R角過渡來加強(qiáng)塑件開裂處頂出時的受力韌性，通過這些措施驗證效果并不是很顯著。這說明頂出過程中塑件開裂必有前面未能考慮到的情況阻礙塑件的頂出。這樣團(tuán)隊組織安排重新分析此塑件在頂出時的受力變形情況以便盡快找出其中的原因及相應(yīng)的解決方案。

圖6 型腔剖示圖

從塑件斷裂的位置和方向來看，可推斷開裂的主要原因是塑件的深腔骨位頂出時無法從型腔中脫出（有受真空吸附原因）,而在方頂向上推動過程中，B區(qū)膠位發(fā)生趨勢變形（見圖7），而當(dāng)變形大到一定程度超過塑件屈服強(qiáng)度時，Ⅱ處便會出現(xiàn)開裂。

圖7 側(cè)壁變形趨勢圖

理論上頂出是平衡的，塑件就可以平穩(wěn)的脫離型腔的，目前，塑件無法順利脫離，必然是有什么阻礙了深腔骨位的脫模。這樣團(tuán)隊對深腔骨位的受力及可能發(fā)生的變形現(xiàn)象進(jìn)行分解分析：若不考慮動模鑲件的影響，塑件作為一個整體考慮，由于塑件中間粘模力相對較大，在頂出時從受力分布確認(rèn)塑件有發(fā)生圖8所示的變形情況，據(jù)此可以判斷，深腔骨位有向外變形的趨勢，而動模鑲件恰恰又阻止了這一變形趨勢的發(fā)生，同時由于真空吸附效應(yīng)，深腔骨位更加難以脫離型腔，在這些因素的綜合影響下，塑件Ⅱ處的受力是非常集中的，那么出現(xiàn)斷裂的機(jī)率就會很大了。

因此，要解決這一問題的關(guān)鍵就是要解決深腔骨位的受力變形及粘模風(fēng)險。在前面的優(yōu)化方案中可知，增加塑件受力強(qiáng)度還達(dá)不到這一目標(biāo)，說明單依靠塑件自身強(qiáng)度是無法抵消頂出時塑件向外變形及粘模的受力，要解決這一問題，最好借助外力改變塑件受力發(fā)生的彈性變形趨勢才有可能解決這個問題，如圖9所示，也只有這個改變才能從根本上抵消頂出時塑件因發(fā)生變形而開裂的情況，當(dāng)然，在模具中需要使塑件脫離型腔可利用的外力只有頂出力，因此，要達(dá)到這樣的目的在頂出系統(tǒng)中檢討解決方案是最適合的，綜合各種機(jī)構(gòu)的功能及其優(yōu)缺點，采用延遲頂出的機(jī)構(gòu)理論上可以實現(xiàn)這一變形控制。

圖8 深腔骨位理論變形趨勢圖

圖9 深腔骨位優(yōu)化變形趨勢圖

如圖10所示，模具上對B區(qū)所有的方頂設(shè)計成延遲動作頂出（見圖11），方案是在方頂杯頭下方增設(shè)一限位塊，限位塊杯頭與頂桿墊板開框處留有間隙避空，這個間隙距離就是延時頂出的距離，這一設(shè)計方案對調(diào)整這處的間隙非常方便，通過多次的研究及實驗，當(dāng)設(shè)計間隙為1.5mm，即延遲頂出行程為1.5mm時，塑件頂出開裂問題基本解決，塑件合格率大幅度提高，也不會因這個問題出現(xiàn)塑件報廢的情況。

延時頂出動作原理：頂出時B區(qū)頂出機(jī)構(gòu)因與頂針板設(shè)計了間隙，在間隙距離內(nèi)不受力，沒有運動，這樣A區(qū)在頂出力驅(qū)動下先行頂出1.5mm后；頂桿墊板才與限位塊貼合受力，驅(qū)動B區(qū)所有的方頂運動參與頂出塑件；這樣塑件A區(qū)部分先受力脫離型腔時塑件發(fā)生輕微的彈性變形，深腔骨位也會如前面預(yù)想一樣產(chǎn)生趨勢變形效果（見圖9），深腔骨位也可以從型腔側(cè)壁離開，避免真空吸附，繼而在塑件B區(qū)受力脫離型腔過程中，彈性變形會隨之恢復(fù)，塑件順利脫出型腔，塑件頂裂問題得到解決。

圖10 頂出結(jié)構(gòu)剖面圖

圖11 延時方頂位置圖

4 結(jié)束語

本文采用在塑料模具中設(shè)計延時頂出系統(tǒng)，解決了塑件由于輕量化發(fā)展要求而出現(xiàn)塑件頂出開裂的問題，分析指出了塑料輕量化設(shè)計發(fā)展要求減薄塑件壁厚是導(dǎo)致頂出開裂的主要原因。本文提出延時頂出的特殊使用方法，以及分析了其改進(jìn)措施。該方法利用了生產(chǎn)模具優(yōu)化改造方式，采用各種方案各自分步驗證的模式進(jìn)行驗證，并根據(jù)生產(chǎn)合格率的提升程度來確認(rèn)并獲得最終的結(jié)果。最后，通過多次試模驗證尋找最合理的延時距離，證明在合理的延時距離可以達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，也證明了這一方法的有效性。本文方法具備成本低、執(zhí)行快、驗證方便，安全可靠，推廣容易等特點，可以繼續(xù)開展其它塑件模具因頂出開裂問題的研究。