180° UPVC塑料彎管旋轉(zhuǎn)抽芯注塑模設(shè)計(jì)

孫友

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222； 2.天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，天津 300350)

彎管塑件注射成型中，彎管內(nèi)壁的脫模是影響模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是模具設(shè)計(jì)和制造的難點(diǎn)[1-4]。彎管內(nèi)壁脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)根據(jù)彎管的管徑、彎管中心軸線的彎曲程度、管口端特征的結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)形式[5-9]。對(duì)于彎管中心線彎曲程度達(dá)到180°彎管塑件的成型，目前采用的結(jié)構(gòu)[10]是將180°彎管型芯分割成6段彎管型芯，6段彎管型芯分為2組，每一組都使用鋼繩牽引分段彎管型芯，且在芯部設(shè)置的導(dǎo)向桿的導(dǎo)向下，從塑件彎管內(nèi)壁中抽出，該案例之所以采用此種結(jié)構(gòu)形式，原因在于彎管的兩端都設(shè)置有直管，塑件直管不能使彎管型芯采用旋轉(zhuǎn)抽芯方式抽出，因而模具結(jié)構(gòu)采用了文獻(xiàn)[10]所述多次抽芯機(jī)構(gòu)及其模具結(jié)構(gòu)。作為同類(lèi)塑件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的180°彎管脫模設(shè)計(jì)方案多樣性的有益補(bǔ)充，筆者也提供了一種帶180°彎管抽芯機(jī)構(gòu)的模具，模具中，所成型塑件也設(shè)置有180°彎管，其彎管的兩端分別設(shè)計(jì)了短長(zhǎng)度直管和張口型接插管頭，針對(duì)此種塑件結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)式180°彎管抽芯機(jī)構(gòu)及其模具。機(jī)構(gòu)構(gòu)思比較新穎實(shí)用，模具結(jié)構(gòu)布置恰當(dāng)，有利于提高180°彎管塑件的單模產(chǎn)量，同時(shí)也降低了模具的制造成本和難度。

1 180°彎管塑件

1.1 塑件結(jié)構(gòu)

180°彎管塑件形狀如圖1 所示，塑件由三部分構(gòu)成，中間主體部分為180°彎管，彎管的兩端端口為兩種不同接口，左邊的為防脫倒扣接頭，右邊的為套蓋接頭。中間180°彎管段的內(nèi)徑為39.7 mm，外徑為49.8 mm，彎管段壁厚為5 mm。防脫倒扣接頭最大外徑為53.1 mm，倒扣總長(zhǎng)度為15.1 mm，平均壁厚為4.3 mm。套蓋接頭最大外徑為57.3 mm，套蓋長(zhǎng)度為18.9 mm，壁厚為4.2 mm。塑件體積為94.863 cm3。塑件品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)依照GB/T 5836.2-2006驗(yàn)收。塑件表面光潔度Ra1.6即可。

1.2 塑件材料

塑件材料選用未增塑聚氯乙烯(UPVC)，該材料又稱(chēng)硬質(zhì)PVC，是由氯乙烯單體經(jīng)聚合反應(yīng)制成的無(wú)定形熱塑性樹(shù)脂添加一定的添加劑(如穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑、填充劑等)組成的，該材料的典型特點(diǎn)是添加的增塑劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于15%。UPVC可以添加的氯化聚氯乙烯樹(shù)脂、聚乙烯(PE)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、乙烯-乙酸乙烯共聚物、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯三元共聚物等進(jìn)行共混改性，以達(dá)到某些方面的使用目的。其材料特性見(jiàn)表1。

表1 UPVC材料特性參數(shù)

2 成型工藝設(shè)計(jì)

UPVC 材料使用注塑方式成型時(shí)，材料的注射成型特性表現(xiàn)有以下特點(diǎn)：UPVC的熔體黏度高，流動(dòng)性差，塑料注塑過(guò)程中注塑壓力和熔體溫度所起的改變作用有限，熔體流動(dòng)性難以得到有效提高[11-14]；其成型溫度與熱解溫度接近，成型控制溫度域比較窄，工藝可控性比較差[15-17]。筆者塑件成型選用的UPVC為浙江金立達(dá)新材料科技股份有限公司生產(chǎn)的UPVC，塑件成型作以下工藝設(shè)計(jì)。

(1)塑料預(yù)先處理。注塑前，原料可以不干燥。如需干燥，將原材料顆粒置于紅外線干燥機(jī)中按80 ℃，1～1.5 h烘干處理。回料配比低于10%。

(2)注塑機(jī)。注塑機(jī)選用寧波華美達(dá)機(jī)械制造有限公司的專(zhuān)用注塑機(jī)(HMD 400M8-5PRECISE)，此類(lèi)注塑機(jī)配置專(zhuān)門(mén)的UPVC 塑化注射系統(tǒng)，以防止材料對(duì)注塑及熔料部件的腐蝕，并配合UPVC 管件產(chǎn)品抽芯的要求備有專(zhuān)用的安全門(mén)裝置。

(3)熔膠溫度。試模前使用空射法度量，噴嘴溫度控制的基本范圍為185～205 ℃，取192 ℃。料流在機(jī)筒內(nèi)滯留時(shí)間不能超過(guò)3 min。機(jī)筒中前段160～170 ℃，中段160～165 ℃，后段140～150 ℃。

(4)注射速度。因本塑件為厚壁塑件，為保證塑件基本的光潔度，射速要慢，模腔注塑時(shí)采用4級(jí)填充速度進(jìn)行注塑，螺桿面速度不超過(guò)0.18 m/s。

(5)注塑壓力。選用注塑壓力140 MPa，背壓3 MPa，冷凍水控制模溫至30～45 ℃，保壓取注塑壓力的30%為基準(zhǔn)。

(6)關(guān)機(jī)。提前10 s左右關(guān)閉機(jī)筒加熱器，停機(jī)后用PE清洗機(jī)筒。

3 模具設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和難點(diǎn)

UPVC 材料是一種比較難于成型的材料，進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)有幾個(gè)要點(diǎn)需要注意。一是澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，UPVC材料熔料流動(dòng)性不好，澆注系統(tǒng)的流動(dòng)長(zhǎng)度要小，流動(dòng)路徑直徑要大，以減小壓力損失進(jìn)而使保壓能傳遞到模腔。鑒于本塑件壁厚5 mm左右的特點(diǎn)，塑件模腔澆口使用扇形澆口較為合適，且澆口進(jìn)膠厚度取1.2 mm以上。流道須采用圓形截面流道，直徑不能小于7 mm；流道路徑須采用光順流道，避免出現(xiàn)尖角，以免出現(xiàn)壓縮或減壓的情況，確保流道順滑流暢；流道末端須設(shè)置冷料井。澆口套入口直徑最小6 mm，注入圓錐形角5°。二是模腔的排氣，防止膜腔內(nèi)局部困氣。三是模具材料要有足夠的防腐蝕能力，可以采用不銹鋼材料，或者成型面表面鍍硬鉻的方式防腐蝕。如采用不銹鋼，不銹鋼中的鉻的含量不少于13%，最好在16%左右，成型表面的硬度不小于HRC55。四是模具生產(chǎn)完后，應(yīng)用溫和的堿液小心將模面清洗干凈后再油質(zhì)噴霧或硅質(zhì)噴霧保護(hù)。

模具設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)在于塑件180°彎管內(nèi)壁的脫模，需要設(shè)計(jì)一種特殊的180°彎管抽芯機(jī)構(gòu)，以配合塑件一模多腔提高單模生產(chǎn)產(chǎn)量要求，以及塑件自動(dòng)化注塑生產(chǎn)要求。

4 模具設(shè)計(jì)

4.1 模腔分型設(shè)計(jì)

結(jié)合塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及塑件的最終自動(dòng)脫模需要，針對(duì)塑件的單腔模腔作以下分型設(shè)置，如圖2 所示。首先，以圖2 中的分型線P1 作為主分型線在塑件的外壁成型件設(shè)置主分型面以進(jìn)行分型，獲得塑件外壁的成型件上、下型腔鑲件。再以P2分型線設(shè)置內(nèi)分型面對(duì)防脫倒扣接頭的內(nèi)壁成型件進(jìn)行局部分型，分割出局部鑲件-倒扣內(nèi)壁型芯。再以P3 分型線設(shè)置內(nèi)分型面對(duì)套蓋接頭的內(nèi)壁成型件進(jìn)行局部分型，分割出局部鑲件-套管內(nèi)壁型芯。塑件中間段的180°彎管內(nèi)壁可以設(shè)置1 個(gè)獨(dú)立的180°彎管型芯。按此分型設(shè)置，當(dāng)?shù)箍蹆?nèi)壁型芯和套管內(nèi)壁型芯從塑件中抽出后，180°彎管型芯可以采用旋轉(zhuǎn)抽芯方式從塑件內(nèi)壁中抽出。模腔澆口采用單個(gè)扇形澆口，開(kāi)設(shè)在塑件中間段180°彎管外壁且在主分型面上的中心位置。

圖2 單腔模腔分型設(shè)計(jì)

4.2 模腔成型件設(shè)計(jì)

依據(jù)單腔分型設(shè)置，采用一模兩腔布局模具設(shè)計(jì)時(shí)，一模兩腔成型件設(shè)計(jì)如圖3 所示。兩個(gè)模腔中，一個(gè)模腔為模腔C1、另一個(gè)模腔為模腔C2。一模兩腔布局下，由分型線P1獲得的主分型面對(duì)一模兩腔的成型件分型獲得上型腔鑲件1和下型腔鑲件2。再由P2，P3 分型線獲得分型面后分型獲得單腔中的倒扣內(nèi)壁型芯6、套管內(nèi)壁型芯5。為便于180°彎管型芯從塑件內(nèi)抽出，塑件脫模過(guò)程中，必須先將模腔C1中的倒扣內(nèi)壁型芯6、套管內(nèi)壁型芯5，模腔C2 中的倒扣內(nèi)壁型芯6'、套管內(nèi)壁型芯5'先抽出，因而設(shè)置了側(cè)滑塊4，倒扣內(nèi)壁型芯6、套管內(nèi)壁型芯5、倒扣內(nèi)壁型芯6'、套管內(nèi)壁型芯5'鑲嵌在側(cè)滑塊4 上。成型件冷卻設(shè)計(jì)中，針對(duì)上型腔鑲件1、下型腔鑲件2、側(cè)滑塊4上都開(kāi)設(shè)?8 mm冷卻管道，以保證模腔獲得冷卻。冷卻水使用0 ℃冰凍水，以確保模腔溫度維持在30～45 ℃。澆注系統(tǒng)設(shè)置中，澆口套3，主流道R1與分流道R2，R3及澆口G1，G2按照前述模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)中所述進(jìn)行設(shè)置。為保證模腔的排氣暢通，主分型面M0上開(kāi)設(shè)排氣槽，排氣槽深度0.02 mm。件5、件6、件5'、件6'與件1、件2之間的配合采用間隙配合，間隙大小控制在0.02 mm 以下，以便于兩個(gè)模腔C1，C2 的排氣。為防止模腔成型件遭受腐蝕，模腔所有成型件材料都選用不銹鋼440C，440C的退火溫度很低，硬度通常達(dá)到HRC56～58，耐蝕性和韌性都很強(qiáng)。

圖3 模腔成型件設(shè)計(jì)

4.3 180°彎管抽芯機(jī)構(gòu)

圖4為針對(duì)180°彎管型芯7的抽芯驅(qū)動(dòng)設(shè)置一種180°旋轉(zhuǎn)抽芯機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的工作機(jī)理為油缸20驅(qū)動(dòng)線滑塊22在導(dǎo)軌24的導(dǎo)向下按F2向移動(dòng)，線滑塊22 上設(shè)置有鋼條23，鋼條23 上再設(shè)置有齒條21，線滑塊22按F2向移動(dòng)將驅(qū)動(dòng)齒條21也按F2向移動(dòng)，齒條21 將帶動(dòng)異形齒輪18 繞其軸心按轉(zhuǎn)動(dòng)方向T0 向轉(zhuǎn)動(dòng)，異形齒輪18 的軸心線與塑件中間彎管段彎管的管道圓弧中心同軸，從而在異形齒輪18 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將帶動(dòng)其上的尾端軸17、導(dǎo)向芯桿11一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而安裝在尾端軸17、導(dǎo)向芯桿11 上端的180°彎管型芯7 亦將跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，從塑件彎管內(nèi)壁中抽出。塑件套蓋接頭端面設(shè)置有擋板9，以保證塑件不隨180°彎管型芯7轉(zhuǎn)動(dòng)。為避免套蓋接頭端面的成型鑲件下止口鑲件10 阻礙180°彎管型芯7 的轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)置了頂出油缸12，其作用是在180°彎管型芯7 轉(zhuǎn)動(dòng)抽芯前，頂出油缸12 推動(dòng)推板19、蓋板15及其上的導(dǎo)向芯桿11、尾端軸17 及其底座16 按F3方向向上頂出，待180°彎管型芯7 脫離下止口鑲件10的限制和塑件從下型腔鑲件2上脫出后，油缸20再驅(qū)動(dòng)180°彎管型芯7轉(zhuǎn)動(dòng)抽芯。從而在擋板9的輔助阻擋下，180°彎管型芯7 從塑件中旋轉(zhuǎn)抽芯抽出，抽出后，塑件自動(dòng)掉落。頂出油缸12動(dòng)作前，側(cè)滑塊4須先按F1向完成側(cè)抽芯。

圖4 180°彎管抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.4 模具整體結(jié)構(gòu)

圖5 為模具整體結(jié)構(gòu)圖。如圖5 所示，模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成一種兩板模結(jié)構(gòu)，一模兩腔布局。模具中，為滿足側(cè)滑塊4的抽芯移動(dòng)需要，在模具動(dòng)模板25的一側(cè)加裝了滑動(dòng)底座28，由兩個(gè)長(zhǎng)距離抽芯油缸29 通過(guò)聯(lián)接頭32 共同驅(qū)動(dòng)側(cè)滑塊4 實(shí)施側(cè)抽芯動(dòng)作。為保證側(cè)滑塊4 的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，側(cè)滑塊4的兩側(cè)加裝了導(dǎo)軌30。側(cè)滑塊4 在模具閉模時(shí)，有楔緊塊37 進(jìn)行鎖緊。模具中，動(dòng)模板25 的下方設(shè)置有動(dòng)模墊板26，便于異形齒輪18的安裝。模具動(dòng)模與模具定模閉合時(shí)，使用3 根導(dǎo)柱31 進(jìn)行導(dǎo)向，閉合的準(zhǔn)確精度由4組精定位塊(件34和件33)和楔緊塊37控制[18]。

圖5 模具整體結(jié)構(gòu)

4.5 模具工作原理[18]

結(jié)合圖4和圖5所示，模具安裝在注塑機(jī)上后，其擺放方位及開(kāi)模狀態(tài)如圖6 所示，注塑工作原理具體如下。

(1)模具閉合注塑。如圖5a 所示，模具在K0 面處閉合，閉合后，注塑機(jī)機(jī)筒按第2節(jié)所述成型工藝對(duì)塑件模腔進(jìn)行注塑，經(jīng)充填、保壓、冷卻等過(guò)程后，等待開(kāi)模。

(2)K0 面打開(kāi)。注塑機(jī)動(dòng)模板帶動(dòng)模具動(dòng)模按F3'方向在K0面處打開(kāi)，打開(kāi)過(guò)程中，上型腔鑲件1與塑件分離，同步地，側(cè)滑塊4的鎖緊被解除。

(3)側(cè)滑塊4抽芯。如圖6所示，模具動(dòng)模按F3'向后退到一定位置，停止后退，油缸29動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)側(cè)滑塊4完成側(cè)抽芯。

(4)塑件頂出。待側(cè)滑塊4 完成側(cè)抽芯后，油缸12動(dòng)作，推動(dòng)擋板9，180°彎管型芯7及塑件按F3向頂出，塑件與下型腔鑲件2 分離，停留在擋板9 和180°彎管型芯7上。

(5)180°彎管型芯7 抽芯。油缸20 動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)180°彎管型芯7 旋轉(zhuǎn)抽芯，在擋板9 的輔助阻擋下，驅(qū)動(dòng)180°彎管型芯7從塑件內(nèi)壁中抽出。最終由于重力作用，塑件從擋板9 上自動(dòng)掉落，實(shí)現(xiàn)完全脫模。

(6)復(fù)位。油缸20驅(qū)動(dòng)180°彎管型芯7先復(fù)位，而后油缸12驅(qū)動(dòng)180°彎管型芯7、擋板9二次復(fù)位，最后模具在K0面處閉合完全復(fù)位，開(kāi)啟下一注塑循環(huán)。

5 結(jié)論

(1)為解決塑件180°彎管內(nèi)壁的脫模難題，設(shè)計(jì)了一種180°彎管型芯抽芯機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)依靠模具開(kāi)模面的打開(kāi)驅(qū)動(dòng)側(cè)滑塊先抽芯，為180°彎管型芯的抽芯讓出空間，通過(guò)頂出油缸推動(dòng)頂針推板將180°彎管型芯頂出后，再依靠擋板的輔助擋位，實(shí)現(xiàn)了180°彎管型芯從塑件彎管內(nèi)壁中的抽芯。180°彎管型芯的驅(qū)動(dòng)通過(guò)油缸驅(qū)動(dòng)齒條，再驅(qū)動(dòng)異形齒輪旋轉(zhuǎn)抽芯而帶動(dòng)180°彎管型芯轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2)模具結(jié)構(gòu)為一模兩腔，兩板模結(jié)構(gòu)。澆注系統(tǒng)中，使用扇形澆口以滿足塑件壁厚為5 mm 的充填要求。流道使用圓形截面流道，流道直徑為8 mm。模腔必須開(kāi)設(shè)排氣槽，排氣槽深度0.02 mm。模腔成型零件材料選用不銹鋼440C。

(3)結(jié)合模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為保證塑件成型質(zhì)量，設(shè)計(jì)了塑件的注射成型工藝，具體要求為材料按80 ℃，1～1.5 h 烘干預(yù)處理，回料配比低于10%。噴嘴溫度192 ℃，料流在機(jī)筒內(nèi)滯留時(shí)間不能超過(guò)3 min。模腔注塑時(shí)采用4 級(jí)填充速度充填。注塑壓力140 MPa。模溫30～45 ℃，冷凍水控制。

(4)塑件的180°彎管抽芯脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，更加簡(jiǎn)單實(shí)用，綜合油缸動(dòng)力、模具的開(kāi)模機(jī)械動(dòng)力成功地實(shí)現(xiàn)了塑件的自動(dòng)化注塑生產(chǎn)，相比于現(xiàn)有的同類(lèi)塑件180°彎管抽芯機(jī)構(gòu)模具，模具結(jié)構(gòu)布局合理，有效提高了塑件的單模產(chǎn)量，有較好生產(chǎn)借鑒意義。