打印機滾筒導(dǎo)板多點澆口注塑模設(shè)計

張雁亭，梁蓓，肖國華，程文，孫友

(1.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江寧波 315012； 2.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院陽明學(xué)院，浙江寧波 315408；3.天津機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械學(xué)院，天津 300350)

中小型打印機的工業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，打印功能零部件中塑料零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項非常復(fù)雜的工作。這些塑料零部件的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，既要考慮塑件功能作用的可靠性，又要考慮塑件的成型方式，以及成型后塑件形狀的穩(wěn)定性，以免在打印機工作一段時間后，由于零件變形等原因而導(dǎo)致零件的功能失效。打印機滾筒組件及其周邊附件是此類零件中的典型代表件，筆者結(jié)合某新款打印機滾筒導(dǎo)板塑件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特點和動態(tài)使用壽命要求，為其注射成型優(yōu)選了成型材料及成型工藝，并據(jù)此為之設(shè)計了一副3個點澆口三板注塑模具用于其注塑生產(chǎn)。模具中成型件設(shè)計、塑件脫模方式選用、脫模機構(gòu)設(shè)計及模具整體結(jié)構(gòu)布置等都具有較好的模具設(shè)計參考價值，可為同類塑件的成型模具設(shè)計提供有益參考，以下是該塑件模具的具體設(shè)計過程。

1 打印機滾筒導(dǎo)板塑件

圖1為打印機滾筒導(dǎo)板塑件，塑件的正面結(jié)構(gòu)中，設(shè)置有6個矩形槽，1個三角勾，1個直孔，1個矩形孔，1處材料標(biāo)識，構(gòu)建加強筋所形成的8個矩形槽及2個開放槽，3個矩形直孔、1個轉(zhuǎn)角孔和1個異形孔。左側(cè)端面上設(shè)置有2個銷孔柱，這2個銷孔柱為空心孔柱。右側(cè)右端面為多種孔特征構(gòu)成的端面支撐結(jié)構(gòu)，由多個側(cè)圓孔、1個支架、1個多邊通孔、1個凹面、1個弧形孔、3個矩形槽、1個弧形護邊構(gòu)成。塑件的反面有4個矩形槽和多條矮筋。塑件的正面和反面都設(shè)置了較多的加強筋，在塑件正面形成6個矩形槽和2個開放槽，在塑件反面則形成12條矮直筋。塑件平均壁厚1.5 mm，最大壁厚2.6 mm，最小1 mm。塑件外形包裝尺寸為320 mm×100 mm×80 mm，塑件產(chǎn)量為50萬件，成型精度為MT3～4級。

圖1 打印機滾筒導(dǎo)板塑件Fig. 1 Plastic part of printer drum guide plate

2 塑件模塑成型難點

塑件成型的主要難點首先在于塑件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基本的充填比較困難。塑件結(jié)構(gòu)之所以設(shè)計得比較復(fù)雜，一方面出于保證打印機打印滾筒組件功能實現(xiàn)的需要，另一方面基于防止塑件注射成型時發(fā)生潛在品質(zhì)缺陷問題，主要是翹曲變形問題[1-5]。為解決此問題，對塑件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，在塑件正面設(shè)置了8條橫向筋和2條縱向筋，在反面則設(shè)置了12條橫向矮筋。筋條設(shè)置主要影響塑料成型件的加工難度、塑件模腔澆口位置的設(shè)置、模腔的充填。塑件成型還有以下難點：一是塑件左端和右端為非對稱結(jié)構(gòu)特征，充填時難以獲得均衡充填，容易產(chǎn)生局部區(qū)域過保壓、局部區(qū)域欠充填等潛在品質(zhì)缺陷；二是塑件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從整體上看，注塑時局部區(qū)域易產(chǎn)生排氣不通暢而導(dǎo)致充填不足；三是塑件成型精度要求高，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要有較好的成型精度保障措施；四是塑件成型后需要有相對較好的剛性以保證其裝配在打印機中后有穩(wěn)定的工作性能和較長的工作壽命；五是塑件的脫模也存在較多困難，特別是左端和右端端面的脫模，左側(cè)兩個接頭為空心柱管，深度較深，如果使用獨立的成型件成型，成型件剛度和強度不高，容易折斷；六是右側(cè)的右端面結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，包緊力大，成型件難以設(shè)計，需要設(shè)計特殊的脫模機構(gòu)以滿足該局部區(qū)域的脫模。

針對上述問題，采用的基本解決辦法如下：塑件材料選用改性塑料聚碳酸酯(PC)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)，從材料基礎(chǔ)特性方面減少塑件變形的潛在問題，同時也使模腔內(nèi)的充填料流有較好的流動性；其次是模腔使用多點澆口進(jìn)行澆注，以使模腔的各充填末端獲得均衡充填，減小塑件因充填不均衡而產(chǎn)生的翹曲變形；再次是在模腔的主要成型件上采用重定位的辦法設(shè)置模仁虎口或分型面斜面定位措施，提高分型面閉合定位精度，保證塑件的成型精度；第四是開設(shè)諸如排氣槽等排氣通道，加強模腔內(nèi)的排氣，以避免模腔內(nèi)局部區(qū)域充填不足問題的發(fā)生；第五是局部位置設(shè)置鑲拼鑲件，降低成型件的加工難度和增強排氣；第六是針對左側(cè)、右側(cè)的脫模，設(shè)計滑塊側(cè)抽芯機構(gòu)實施側(cè)抽芯脫模；第七是均衡設(shè)置多根頂針以均衡頂出，避免塑件頂出變形；第八是優(yōu)化注塑工藝參數(shù)，保證塑件各局部位置成型的均衡性和一致性。

3 模具設(shè)計

3.1 成型材料優(yōu)選

成型材料優(yōu)選PC/ABS高耐熱材料(中國臺灣奇美PC-365)，該材料具有高耐熱、高沖擊性能等特點。熱變形溫度為95 ℃，能滿足塑件在多數(shù)量紙張打印工況下塑件溫度升高而保持尺寸穩(wěn)定性的要求。該材料熔體流動速率為13 g/10 min，比聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和PC等流動性要好，密度為1.1 g/cm3，吸水率為0.4%，成型收縮率為0.5%，斷裂伸長率為85%，彎曲強度為73 MPa，彎曲彈性模量為2 255 MPa，能滿足塑件的剛性使用要求，低溫時也具備高沖擊強度。該材料化學(xué)性能穩(wěn)定，特別是室內(nèi)紫外線穩(wěn)定性、電性能良好，耐燃性(UL 94 5VB)優(yōu)異，色彩范圍廣泛，可適用于各種不同的辦公環(huán)境。

3.2 單腔模腔設(shè)計

(1)模腔分型設(shè)計。模具中，單腔模腔的成型件一般使用比模架模板材料更為貴重的合金鋼制成，以滿足不同塑料材料用于不同形狀塑件的成型需要[6-10]。因而，從制造成本考慮，模腔的成型件構(gòu)成中，一般用貴重合金鋼以鑲件鑲拼形成組成模腔后，各成型鑲件再分別安裝在模具模架的定模板、動模板或其他機構(gòu)件中，而后在模具閉合時構(gòu)成模腔。本塑件模腔的設(shè)計也參照此設(shè)計方法來進(jìn)行。圖2為模腔分型設(shè)計，如圖2a所示，在三維設(shè)計UG軟件中，根據(jù)成型收縮率0.5%，將塑件按1.005倍放大后獲得模腔模型，先確定開模方向為F0方向，再在模腔模型上的最大外沿輪廓處獲取主分型線，最后對主分型線進(jìn)行延拓而獲得圖2a中所示的由多個不同面組成的主分型面。在開模方向F0向上，使用主分型面對模腔進(jìn)行分型分割而分別獲得型腔鑲件和型芯鑲件。在確定主分型面的基礎(chǔ)上，按側(cè)抽芯需要設(shè)置右側(cè)分型面和左側(cè)分型面從而獲得側(cè)抽芯成型件，如圖2b所示。

圖2 模腔分型設(shè)計Fig. 2 Mould cavity parting design

(2)鑲件設(shè)計。模腔成型件中，針對塑件的槽特征、孔特征等，需要設(shè)置局部小鑲件以降低模具加工難度和保證模腔排氣的暢通，小鑲件的設(shè)置如圖3a所示。在型腔鑲件一側(cè)設(shè)置的鑲件中，針對塑件上文字標(biāo)識特征的成型必須設(shè)置文字鑲件I11以便于雕刻機對成型件上的文字進(jìn)行雕刻成型，由于雕刻機的機臺一般尺寸較小，很難容納大尺寸成型件，因而只能從型腔鑲件等大尺寸成型件上通過線切割而加工出空孔，然后再鑲嵌文字鑲件。針對其他小尺寸孔特征成型所設(shè)置的小鑲件主要也是便于加工，因為這些局部特征的成型部位也都具有筋位深、寬度小等特點，局部位置的深度可能很深，一般數(shù)控機床的加工刀具難以進(jìn)入，如果采用電火花加工，費時且加工價格較貴，故也同樣采用小鑲件鑲拼形式。設(shè)計小鑲件I1～I(xiàn)6，I10時，為便于成型件裝配和減少鑲件間隙，一般在鑲件矩形底面的一條邊上設(shè)置掛臺，以方便鑲件安裝在型腔鑲件上，掛臺單邊寬度5 mm。為防止小鑲件安裝在型腔鑲件上后，注塑過程中熔融塑料流入小鑲件與型腔鑲件之間的縫隙，造成塑件產(chǎn)生飛邊缺陷，小鑲件做成兩個階梯形式，下半段階梯的尺寸與塑件孔尺寸相同(即圖3中所示孔邊尺寸)，上半段階梯尺寸比下半段階梯大一個整圈孔邊擴距，孔邊擴距設(shè)置為1 mm?？走厰U距設(shè)置的主要原因在于：由于實際生產(chǎn)中，很難做到小鑲件的尺寸與型腔鑲件內(nèi)容納小鑲件的預(yù)留孔尺寸一致，從而導(dǎo)致在模腔閉合注塑時熔料進(jìn)入這些間隙內(nèi)使塑件產(chǎn)生飛邊，而采用孔邊擴距設(shè)計措施可有效防止這一問題產(chǎn)生。針對右側(cè)端面成型鑲件的設(shè)置如圖3b所示，針對左側(cè)端面接頭成型鑲件的設(shè)置如圖3c所示。型芯鑲件上的淺筋部位可以使用電火花加工成型，因為這些地方電加工所需時間少，故型芯鑲件可以采用整體式鑲件以保證其有足夠的強度[11-15]。小鑲件安裝間隙小于0.02 mm，以保證其排氣效果的同時，避免塑件產(chǎn)生飛邊。為保證模腔閉合時的復(fù)位閉合精度，單腔模腔中設(shè)置了模仁定位錐臺用于型腔鑲件和型芯鑲件的閉合定位控制。型芯鑲件、型腔鑲件及各參與成型的小鑲件材料選用S136，S136鋼材的硬度、韌性和耐腐蝕性能都非常優(yōu)秀，適用于生產(chǎn)高質(zhì)量、長壽命的模具。

圖3 模腔成型小鑲件設(shè)計Fig. 3 Design of sub-inserts for cavity mould

3.3 成型件、機構(gòu)件排位設(shè)計及模架選用

單腔模腔設(shè)計完成后，需要在其外部加裝模架及輔助機構(gòu)以保證模腔能在注塑機上實現(xiàn)其成型功能，因而在模具設(shè)計中，需要做如圖4a所示的排位設(shè)計，以優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計和節(jié)約模具制造成本。模架的選用以能包容模腔成型件和安裝脫模機構(gòu)等機構(gòu)件為標(biāo)準(zhǔn)。由于模腔要采用三點點澆口進(jìn)行澆注，故模架選用三板點澆口模架。為保證模架能順利實現(xiàn)三板模功能，在模架單邊尺寸大于模腔成型件尺寸50 mm的基本前提下，為節(jié)省模具模架材料，需要對模具中用到的結(jié)構(gòu)零件做預(yù)先布置，以合理選用模架。模腔布局采用一模一腔布局，需要布置的機構(gòu)件有：4根復(fù)位桿的位置P1，右側(cè)滑塊的位置P2，4根推板導(dǎo)柱的位置P3，4根模架副導(dǎo)柱的位置P4，2個精定位塊的位置P5，冷卻水路的位置P6，螺絲的位置P7，左側(cè)滑塊的位置P8等。最終模架選用龍記標(biāo)準(zhǔn)模架LKM FCI 4050模架。模具結(jié)構(gòu)排位的俯視圖如圖4b所示。由于模具工作一段時間后導(dǎo)向機構(gòu)件出現(xiàn)磨損，為防止模腔的復(fù)位閉合時精度變差，模具中布置了4套主導(dǎo)柱/導(dǎo)套、4套副導(dǎo)柱/導(dǎo)套及2個精定位塊等用于保證模腔閉合的復(fù)位定位精度。

圖4 模具結(jié)構(gòu)排位圖Fig. 4 Layout diagram of mould structure

3.4 模具結(jié)構(gòu)

最終的三板模模具結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。由于塑件為大型塑件的緣故，采用多腔布局將加大對注塑機的射出量要求；同時模具結(jié)構(gòu)尺寸也變大，對注塑機的容模具尺寸要求也將提高；另外從塑件的成型精度要求(MT3～4級)考慮，一模一腔布局能更好地保證成型塑件達(dá)到此精度。因而從生產(chǎn)數(shù)量、塑件成型精度及裝備的經(jīng)濟性要求出發(fā)，模具采用一模一腔較為合適。澆注系統(tǒng)中使用了3個點澆口G1，G2，G3用于模腔的澆注，如圖5定模仰視圖中所示。因澆注系統(tǒng)熱量大，故在脫料板12上澆口套10的兩側(cè)設(shè)置了2條冷卻管道(11In-11Out，12In-12Out)用于主澆道廢料的冷卻。點澆口G1，G2，G3的進(jìn)膠圓孔直徑為1.3 mm，水平流道使用截面尺寸為6 mm×5 mm×10°的梯形截面流道；3個點澆口進(jìn)行澆注時，使點澆口所對應(yīng)的各充填末端的壓差控制在3 MPa內(nèi)，能有效避免充填時局部區(qū)域出現(xiàn)過保壓問題。

針對模腔的冷卻，在動模一側(cè)設(shè)置了6條管道用于動模一側(cè)成型件的冷卻，其中1In-1Out，2In-2Out，3In-3Out，5In-5Out用于型芯鑲件2的冷卻，7In-7Out，8In-8Out，9In-9Out，10In-10Out用于型腔鑲件1的冷卻。4In-4Out用于左滑塊3的冷卻，6In-6Out用于右滑塊4的冷卻。冷卻管道直徑為10 mm，進(jìn)口水溫常溫25 ℃。

針對塑件左端、右端側(cè)面特征的脫模，設(shè)計了2個斜導(dǎo)柱滑塊機構(gòu)S1，S2分別用于兩側(cè)端的側(cè)抽芯脫模。其中機構(gòu)S1為常用型斜導(dǎo)柱滑塊機構(gòu)，其組件包括左滑塊3、件14～件18，彈簧17用于左滑塊3抽芯后的定位及抽芯時的輔助驅(qū)動力。機構(gòu)S2的基本機構(gòu)與機構(gòu)S1相同，所不同的是右滑塊4上鑲嵌的成型件有所不同。塑件的最終脫模使用多根頂針20頂出脫模，多根頂針20均衡布置在塑件包緊力較大的加強筋位置處和深壁處，頂針布置如圖5動模俯視圖中所示。因塑件兩側(cè)布置有側(cè)抽芯機構(gòu)，為防止頂出時左滑塊3、右滑塊4下方的頂針與滑塊上的成型頭部產(chǎn)生干涉，頂針20等頂出后，必須先復(fù)位，而后左滑塊3、右滑塊4才能復(fù)位，因而，頂針20的推板22兩端都安裝有行程開關(guān)23，只有在行程開關(guān)23的復(fù)位信號發(fā)出后，注塑機才能推動模具動模復(fù)位閉合。

模具的開模面設(shè)置有3個，分別為K1，K2，K3面，此三個面的打開順序為K1→K2→K3，閉合順序為K2→K3→K1。模具打開閉合的控制機構(gòu)件為常用型定距拉桿組件，單組組件包括件32、件33、件34、件36，共有4組，布置在模具定模一側(cè)。

3.5 模具工作原理

模具的工作原理與普通三板模工作原理相同，結(jié)合圖5所示，具體過程如下。

(1)閉模。注塑模具閉合，在注塑機上完成充填、保壓、冷卻等過程后，等待開模。

(2)K1面打開。注塑機動模板驅(qū)動K3面以下的模具動模后退，在彈簧33的撐開及扣機36的共同作用下，模具首先在K1面處打開，打開時，3個點澆口崩斷，塑件與流道廢料實現(xiàn)分離。

(3)K2面打開。模具動模繼續(xù)下行，K1面打開172 mm時，由于扣機36的吸合，模具在K2面處打開，脫料板12將流道廢料從拉料桿8上推出而自動脫落，K2面打開距離10 mm。

(4)K3面打開。動模繼續(xù)下行，克服扣機36的吸合力而使模具在K3面處打開，K3面打開時，滑塊機構(gòu)S1，S2的斜導(dǎo)柱驅(qū)動左滑塊3、右滑塊4完成側(cè)抽芯。

(5)頂出脫模。動模下行到一定距離后，注塑機頂桿頂住推板22使之維持不動，從而也維持推板上的各頂針20頂住塑件不動，隨著動模的繼續(xù)下行，塑件從型芯鑲件2上脫出而從頂針20上自動脫落，實現(xiàn)完全脫模。

(6)復(fù)位。復(fù)位時，復(fù)位彈簧39推動推板22先復(fù)位，只有行程開關(guān)23發(fā)出復(fù)位信號后，模具動模才能繼續(xù)上行復(fù)位，直到完全閉合。模具開啟下一個注塑循環(huán)。

4 注塑工藝制定

塑件的注塑工藝制定如下：加工前必須干燥，以保持濕度低于0.04%，干燥條件是100 ℃/3 h；機筒溫度進(jìn)料段70 ℃，熔融溫度250 ℃，恒定桶溫度200 ℃；模具溫度80 ℃，注塑壓力120 MPa，保壓壓力60 MPa，以免產(chǎn)品收縮；為了更大程度地減小產(chǎn)品內(nèi)部應(yīng)力，以防止產(chǎn)生摩擦熱，背壓設(shè)置為6 MPa；施加中等注射速度以優(yōu)化摩擦熱，多級注塑，采用從慢速到快速注塑方式；充填后螺桿前端位置預(yù)留2.2D(D為螺桿直徑)長度用于實施保壓，保壓完畢螺桿前端的剩余緩沖墊量為5 mm；因為熔體對過熱敏感，料筒內(nèi)熔體停留時間不超過5 min。

5 結(jié)論

結(jié)合打印機滾筒導(dǎo)板塑件的注塑要求，設(shè)計了一副三板模具用于該塑件的成型。模具模腔布局一模一腔，使用3個點澆口對模腔進(jìn)行澆注以使模腔各區(qū)域獲得較為均衡的充填，3個澆口充填末端壓差控制在3 MPa以內(nèi)。對于模腔成型件，使用多個小鑲件參與成型，降低成型件加工難度的同時，有利于模腔排氣，鑲件間隙小于0.02 mm。鑲件設(shè)計中，須設(shè)計孔邊擴距，孔邊擴距設(shè)置為1 mm，以降低配模難度，避免鑲件間隙飛邊發(fā)生。PC/ABS熔體熱量大，模具中須加大冷卻密度，主澆道須開設(shè)冷卻管道進(jìn)行冷卻，以提高廢料和塑件的冷卻速度，提高生產(chǎn)效率。模具分三次開模，使用定距拉桿機構(gòu)控制模具的開閉順序，塑件最終脫模使用頂針頂出脫模。