游戲機(jī)下視窗IMR工藝模具設(shè)計(jì)

張志添，唐海善

（1.東莞市機(jī)電工程學(xué)校，廣東 東莞 523846；2.艾爾瑪科技股份有限公司，廣東 東莞 523000）

0 引言

IMR（in-mould decoration by roller）是模內(nèi)裝飾技術(shù)的簡稱，它是將裝飾圖案及功能性圖案通過高精度印刷機(jī)印刷在箔膜（film）上，通過高精密送箔裝置將箔膜送入專用成型模內(nèi)進(jìn)行精確定位后，利用注射塑料的高溫及高壓將箔膜上的油墨圖案轉(zhuǎn)寫至塑件表面的一種技術(shù)，IMR箔底材為生產(chǎn)過程中圖案載體，塑件底面無底材。IMR工藝的顯著特點(diǎn)就是成型后的塑件猶如一面鏡子，不能有瑕疵。該裝飾技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低粗糙度外觀面的一次成型，有效避免二次成型帶來的低效率及高成本問題。

1 塑件工藝分析

圖1所示為游戲機(jī)下視窗塑件，最大長寬尺寸為226.7 mm×161.12 mm，材料為透明ABS，收縮率為0.4%～0.7%，要求采用IMR工藝成型。根據(jù)塑件外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，需要考慮箔膜的拉深問題，箔膜的厚度為0.05 mm，收縮率為0.4%，在保證箔膜能完全覆蓋塑件轉(zhuǎn)寫區(qū)域外還要求箔膜不能破裂，所以對塑件的形狀要求高，不能有尖銳的角。除了箔膜破裂的問題還需要考慮油墨的問題，油墨首先印刷在箔膜上面，然后在高溫注射下轉(zhuǎn)印到塑件上，在轉(zhuǎn)印過程中油墨有可能會融化散形，達(dá)不到指定的圖案要求。

圖1 游戲機(jī)塑件

2 分型面與型腔排布

2.1 分型面選擇

根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及澆口位置分布，選定開模方向如圖2所示。模具為倒裝結(jié)構(gòu)，進(jìn)澆方向?yàn)樾托舅诜较颍瑒幽？畚恍枰O(shè)計(jì)斜頂結(jié)構(gòu)，塑件整個表面均覆蓋箔膜，進(jìn)澆位置選擇在待成型塑件背面，采用點(diǎn)澆口，模具采用三板模結(jié)構(gòu)。

圖2 開模方向

2.2 型腔排布

根據(jù)客戶要求，成型塑件需要按1模2腔進(jìn)行排布，如圖3所示，由于模具為倒裝點(diǎn)澆口結(jié)構(gòu)，且需要IMR工藝覆箔膜轉(zhuǎn)寫，箔膜寬的尺寸成為首要考慮的問題。在箔膜寬區(qū)域內(nèi)不能有模具零件對其進(jìn)行干涉，通過計(jì)算得出箔膜的寬度為300 mm，因此在選用模架時應(yīng)優(yōu)先考慮箔膜寬的尺寸，其次考慮模具結(jié)構(gòu)。

圖3 型腔排布

3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

塑件材料為透明ABS，且塑件外觀要求高，不能有熔接痕，另外塑件還要進(jìn)行IMR工藝，因此對表面粗糙度要求也高。設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時不僅需要考慮成型塑件表面粗糙度的問題，還需要考慮高溫沖墨的問題，保證油墨圖案在注射時不因局部瞬間高溫而融化，該工藝對澆注系統(tǒng)的要求較高。

圖4所示為模具澆口結(jié)構(gòu)，在澆口處需要加工一個緩沖球頭，減輕高溫沖墨的問題。澆口需要設(shè)計(jì)在待成型塑件不可見的位置，并有利于充填的區(qū)域。成型塑件背面有鉆石紋，鉆石紋在成型時充填困難，容易產(chǎn)生困氣，因此需要多點(diǎn)進(jìn)澆。根據(jù)實(shí)際情況選定6個進(jìn)澆點(diǎn)，如圖5所示。

圖4 進(jìn)澆方式

圖5 進(jìn)澆位置

4 推出機(jī)構(gòu)

成型塑件為透明件，在能推出的情況下盡可能減少推桿數(shù)量，以減輕推桿印對成型塑件的外觀影響，推桿位置分布在表面圖案能覆蓋的位置，通過觀察成型塑件表面印刷圖案（見圖6），找到能排布推桿的位置，再以推出平衡為原則選定推桿位置及數(shù)量。

圖6 塑件印刷外觀

通過對圖6進(jìn)行分析可知，無法排布大的推桿，在中間區(qū)域空間不足的情況只能排布φ3 mm的推桿，有螺釘柱（凸臺）的3個位置排布推管，推桿需要均勻分布，保證受力平衡，如圖7所示。

圖7 推出機(jī)構(gòu)

外側(cè)4個扣位需要設(shè)計(jì)斜頂結(jié)構(gòu)，如圖8所示。斜頂結(jié)構(gòu)無推出功能，此處設(shè)計(jì)斜頂結(jié)構(gòu)的原因是定模需要覆蓋一層箔膜，箔膜厚度約0.05 mm，容易被利器刺破，所有定模不能設(shè)計(jì)深孔位插穿，要保證箔膜能順利延伸。如果設(shè)計(jì)定模插穿，則在生產(chǎn)時，此處的鋼料會刺破箔膜，導(dǎo)致漏氣，箔膜無法真空吸附于型腔壁面，如再對動模部分結(jié)構(gòu)修改為斜頂結(jié)構(gòu)時，可能受其他模具零件干涉。

圖8 斜頂結(jié)構(gòu)

5 排氣系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)

5.1 排氣系統(tǒng)

圖9所示為排氣系統(tǒng)，排氣槽加工在模具的動模，在分型面四周均需設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)，ABS溢邊值為0.04 mm，因此排氣槽深度為0.02 mm，而主排氣槽深度為0.2 mm。排氣槽均勻分布，在流道末端熔接處等容易困氣的位置多開設(shè)排氣槽，排氣需避開定模吸氣位置。

圖9 排氣系統(tǒng)

5.2 吸氣系統(tǒng)

圖10所示為吸氣系統(tǒng)，吸氣槽加工在模具的定模，在分型面四周均需設(shè)計(jì)吸氣系統(tǒng)，根據(jù)ABS溢邊值為0.04 mm，吸氣槽深度為0.02 mm，而主吸氣槽深度為0.2 mm。吸氣槽均勻分布，在深腔處及覆箔困難處多開設(shè)吸氣槽。吸氣的主要作用是吸附箔膜，使箔膜完全貼符于型腔壁面，外側(cè)又通過壓板壓住箔膜，防止箔膜被吸成卷。相比于傳統(tǒng)模具多了吸氣工序，吸氣是IMR工藝不可或缺的工序。

圖10 吸氣系統(tǒng)

5.3 冷卻系統(tǒng)

模具為1模2腔結(jié)構(gòu)，采用分離式型芯。每個型腔單獨(dú)加工對應(yīng)的動、定模型芯，2個型腔的型芯為旋轉(zhuǎn)復(fù)制件，因此在冷卻布局上采用相同結(jié)構(gòu)，如圖11所示，定模型芯使用5組冷卻水路冷卻，動模型芯使用4組冷卻水路冷卻。

圖11 冷卻系統(tǒng)

成型塑件采用點(diǎn)澆口普通流道進(jìn)澆，由于普通流道較長，模具為倒裝結(jié)構(gòu)，流道需要穿過推板，中間無冷卻水道，僅靠自然冷卻會造成冷卻時間長，影響塑件成型周期，流道的冷卻水路設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵。流道冷卻系統(tǒng)如圖12所示，每個進(jìn)澆點(diǎn)均設(shè)計(jì)一個分流道管，其作用：①冷卻流道，使冷卻水盡可能環(huán)繞流道；②方便加工分流道，分流道需要用電火花加工，較深的分流道加工時間長，并且容易產(chǎn)生積碳，加工分流道后可以降低電火花加工的深度。

圖12 流道冷卻系統(tǒng)

6 成型零件材料選擇

模具成型零件如圖13所示，塑件材質(zhì)為透明ABS，模具零件材料應(yīng)選擇防腐蝕的材料，另外ABS材料的硬度較高，成型塑件脫模時容易拉傷，而IMR工藝對塑件表面粗糙度要求高。綜上分析，模具零件材料需選用光澤度高、易加工的鋼料，定模零件材料熱處理硬度48～50 HRC，動模零件材料熱處理硬度46～48 HRC，斜頂結(jié)構(gòu)采用FDAC材料氮化處理，推管、推桿采用SKD61鋼。型芯精加工后還需要鐳雕加工鉆石紋，鉆石紋只能一次性加工，中途不可停機(jī)，否則加工的紋理會有錯位，無法達(dá)到塑件的品質(zhì)要求。

圖13 模具成型零件

7 模具工作原理

模具為倒裝結(jié)構(gòu)，如圖14所示，定模一側(cè)有壓板7進(jìn)行開合模，因此開合模時與普通三板模有區(qū)別。

圖14 模具結(jié)構(gòu)

7.1 開模動作

（1）開模時動、定模板通過拉?？?鎖緊，PL1面打開，直到定距拉桿9達(dá)到最大限位行程。

（2）PL1面完全打開后，PL2面打開，流道凝料取出，繼續(xù)開模，直到拉桿22達(dá)到最大行程，在機(jī)械作用力下拉動動、定模板脫離拉?？?的作用力。

（3）PL2面打開后，拉模扣8的作用力已無法阻止機(jī)床的機(jī)械開模力，此時PL3面打開，動、定模打開后繼續(xù)開模，此時進(jìn)入開模與推桿推出同步進(jìn)行的狀態(tài)。

（4）動、定模打開后，拉桿16穿過固定板，拉動定模推板21，此時定模推板21推動推管和推桿推出塑件，直到拉桿16達(dá)到最大行程。

（5）壓板7僅起到壓箔膜作用，使箔膜外圈被壓緊密封，滾動箔膜轉(zhuǎn)軸，進(jìn)入下一注射周期，此處和普通三板模不同，此時推出的不是成型塑件，而是壓板，推出壓板后箔膜松動，可以滾動箔膜進(jìn)行下一次注射。

7.2 合模動作

（1）開始合模時，動模復(fù)位桿13、定模復(fù)位桿18通過觸碰動、定模板分型面，受機(jī)床滑塊的機(jī)械力強(qiáng)行壓回位，鎖在動模復(fù)位桿13上面的壓板7會同步回位。

（2）動、定模合模時，受到拉模扣8的阻力，PL2和PL1處優(yōu)先合模。

（3）在PL2和PL1完成合模后，機(jī)械力強(qiáng)行將動、定模合模到位。

（4）合模完成，進(jìn)入下一注射周期。

8 結(jié)束語

塑件已成功應(yīng)用于整機(jī)上，實(shí)物如圖15所示，通過模具直接在注塑機(jī)上成型，沒有經(jīng)過二次加工。通過觀察可知：塑件為全透明，僅表面有金色的油墨覆蓋，表面金色油墨的順利轉(zhuǎn)寫正是通過設(shè)計(jì)的模具實(shí)現(xiàn)，模具結(jié)構(gòu)影響塑件的成型質(zhì)量。

圖15 塑件實(shí)物