分級復合側(cè)抽芯注射模設計

劉皓，向雄方

（湖北汽車工業(yè)學院 機械工程學院，湖北 十堰 442002）

注射模設計中經(jīng)常遇見帶有倒扣的異形件，倒扣區(qū)域特殊的形狀結構與主開模方向相互干涉，所以設計中常采用斜導柱、滑塊、斜頂、液壓缸等模具結構形式完成側(cè)向脫模。但如果產(chǎn)品同一側(cè)面同時出現(xiàn)多處倒扣且形狀不規(guī)則、脫模方向不一致時，如何設計模具結構以保證每個脫模方向都有較充分且相對獨立的側(cè)抽運動，以及如何實現(xiàn)這些側(cè)抽機構的順序抽芯使得各抽芯結構件相互之間不干涉，成為設計師們的主要阻礙［1］。溫煌英等通過“斜導柱+滑塊內(nèi)置斜推塊”方式解決了多個方向倒扣出模的問題［2］；毛金明等利用側(cè)向滑塊中內(nèi)置的斜推桿和型芯避免了塑件推出時發(fā)生干涉［3］；譚偉等采取“斜導柱驅(qū)動方式+液壓缸驅(qū)動”相互聯(lián)動的方法來實現(xiàn)不同側(cè)抽結構的順序抽芯［4］；梅益等同樣利用“斜導柱+液壓缸”相互配合的方法完成了對產(chǎn)品多個方向的側(cè)抽芯［5］。文中以殼體支撐塑料件為實例，針對該產(chǎn)品正面區(qū)域的頂部和底部均有凸臺而無法從主開模方向?qū)崿F(xiàn)脫模的問題，以及正面凹槽位置同時存在3 處不同方向抽芯的難題，設計了新型分級復合側(cè)抽芯機構，該結構采用“T 型槽+斜面”的組合形式，同時搭配限位螺釘處預留空行程的方法實現(xiàn)了油缸1 次側(cè)抽、3 個滑塊鑲件按順序完成抽芯。

1 產(chǎn)品結構和工藝分析

殼體支撐產(chǎn)品（圖1）為外形不規(guī)則的電子外觀件，注塑成型后要保證產(chǎn)品表面平整、無收縮凹陷、無印痕及熔接痕、翹曲和飛邊等。同時產(chǎn)品凹槽處有結構裝配可靠性要求，所以精度誤差要控制在0.05 mm 之內(nèi)以保證產(chǎn)品裝配無晃動。產(chǎn)品生產(chǎn)批量大，而且外觀質(zhì)量要求和裝配區(qū)域的尺寸精度要求都較高，因此需要挑選合適的材料。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）有較好的低溫抗沖擊性和尺寸穩(wěn)定性，即使在高溫條件下也極少有蠕變現(xiàn)象，收縮率僅為1.005，熔融溫度為217～237℃，但材質(zhì)整體偏軟，若只選用ABS 明顯不能滿足產(chǎn)品裝配要求；聚碳酸酯（PC）具有強度高、收縮率小、尺寸穩(wěn)定性良好等優(yōu)點，相比于ABS 材質(zhì)更硬，但粘性更大、流動性更差、對產(chǎn)品成型會造成一定影響，同時所需注射力也較大，對注射機的要求更高。綜上，產(chǎn)品選用70%ABS 加30%PC 混合材料，縮水率為1.0045，使用海天MA1600 型號注射機以確保足夠注射力。產(chǎn)品最大尺寸為84 mm×75 mm×127 mm；表面為流線型弧面，圓角過渡無尖角存在；平均壁厚為2.5 mm。

圖1a位置1、3、6、9處有圓柱孔，位置5、8處有圓弧過渡的凸臺面，均無法沿+Z軸方向?qū)崿F(xiàn)脫模，需設置側(cè)向抽芯鑲件或滑塊；位置2處有1.2 mm×5 mm × 4 mm 的長方形凸臺，無法沿+Z軸方向脫模，且與位置11處的凹槽脫模形成干涉，阻礙位置11區(qū)域沿Z軸方向脫模。同時位置11處凹槽結構特殊，如果設置滑塊沿-Y軸方向直接脫模會損壞產(chǎn)品結構致使產(chǎn)品報廢。所以必須使位置11處的成型零件沿+Z軸方向完成凹槽脫模后，再沿著-Y軸方向移動至安全位置，為產(chǎn)品的頂出留出安全空間。位置12處的凸臺側(cè)面有長方形與圓柱形成型形狀且凸臺較長，如果在動模板上設計滑塊借助開模力完成脫模，無法滿足成型要求。

圖1 產(chǎn)品圖

通過圖2a 可以看出：產(chǎn)品A區(qū)（圖1 位置1、3）和D區(qū)（圖1 位置11）可以沿+Z軸方向脫模，B區(qū)（圖1位置2）的凸臺沿-Y軸方向設置滑塊，進一步證實了上述分析的正確性；從圖2b分析看出：產(chǎn)品位置4和位置7斜度大，沿豎直方向可能無法順利脫模；另一方面，由于產(chǎn)品頂部至底部的高低落差大其背面（A區(qū)）和左右肩部區(qū)域并不適合設置拔模斜度，無法沿豎直方向脫模，否則成型產(chǎn)品尺寸誤差超出規(guī)定的0.05 mm，所以設計滑塊結構從水平方向設置左右面的脫模方向。

圖2 Z軸、X軸分別為參考矢量的拔模分析圖

通過分析圖2 得到產(chǎn)品各脫模方向的空間分布：上方區(qū)域沿+Z軸方向脫模，下方區(qū)域沿-Z軸方向脫模；左邊區(qū)域沿-X軸方向脫模，右邊區(qū)域沿+X軸方向脫模；背部（A區(qū)）脫模方向設置在+Y軸方向上，B、C區(qū)脫模方向設置在-Y軸方向上；D區(qū)凹槽部分的脫模方向設置在+Z軸方向上；E區(qū)凸臺部分的脫模方向位于-YOZ面的投影面上且與-Y軸夾角為74°。

2 模具結構設計

2.1 左右后面?zhèn)瘸樾驹O計

產(chǎn)品四周由滑塊成形，因此構建分型線時相鄰滑塊間的邊界線要重合，防止產(chǎn)品成型不合格［6］；在產(chǎn)品肩部的上方位置有寬1.25 mm、深0.64 mm的凹槽，所以設置X軸方向滑塊的分型面時應避開該凹槽，防止脫模時出現(xiàn)干涉現(xiàn)象（圖3）。

圖3 產(chǎn)品主副分型面

復雜結構形狀的異形件一次性成型不僅會增加模具結構和造型的復雜度，還會給模具加工制造帶來難度，有些形狀憑借目前水平暫時無法制造，所以在不修改產(chǎn)品設計的前提要求下最佳的做法是“劃分區(qū)域，分別成型”［7］。文中根據(jù)產(chǎn)品的形狀結構特點設計了主分型面和多個副分型面，如圖3所示。通過主分型面PL1，副分型面PL2、PL3、PL4將產(chǎn)品的成型分為內(nèi)外2 個部分，內(nèi)部通過模仁成型，外部通過滑塊成型如圖4所示。PL4上有2處直徑為3 mm 的圓孔，所以在設計滑塊時為了能夠減少滑塊數(shù)量、降低模具復雜程度，可以在滑塊中增加鑲針1次完成抽芯［8］；最后通過分型線位置與脫模方向設計出正確的滑塊。

圖4 成型滑塊及模仁

2.2 產(chǎn)品正面?zhèn)瘸榻Y構設計

產(chǎn)品正面的結構形狀較復雜，倒扣和干涉也較多。如果正面區(qū)域整體沿Z軸豎直方向脫模會受表面長方形凸臺和圓弧過渡角的干涉，如果整體沿-Y軸方向脫模則會破壞凹槽結構，使產(chǎn)品報廢；為了使凹槽結構順利脫模，正面滑塊的凹槽處必須存在豎直向上的脫模方向，同時還要考慮與上方凸臺的干涉，在凹槽區(qū)域豎直脫模后需立即沿-Y軸方向移動；E區(qū)的凸臺結構需要斜向側(cè)抽芯（沿-Y軸夾角74°方向脫模）。采用“劃分區(qū)域、分別成型”的方法，將產(chǎn)品劃分成圖5中B、C、D、E成形區(qū)域。B區(qū)由2 個直徑為3 mm 的橢圓形斜面孔以及1 個長5.5 mm、寬1.8 mm、高3.9 mm 上小下大的凸臺組成，采用內(nèi)置鑲針的復合滑塊設計方式，沿-Y軸方向側(cè)抽芯。B區(qū)滑塊采用鏟基驅(qū)動方式，利用壓塊將滑塊固定于前模模板上，開模時前模模板通過驅(qū)動鏟基帶動滑塊沿-Y軸方向移動實現(xiàn)抽芯。C區(qū)兩側(cè)各有1 個圓槽和3 段長方形凹槽，同樣采用滑塊內(nèi)置鑲針的設計沿-Y軸方向脫模（圖6）。E區(qū)孔槽結構形狀多但無倒扣和干涉，所以側(cè)抽芯滑塊沿著-Y軸夾角74°的方向移動就可以順利脫模。

圖5 產(chǎn)品正面分區(qū)

圖6 C區(qū)和B區(qū)成型滑塊結構

對于D區(qū)，需要設計新的結構使B區(qū)與D區(qū)滑塊不發(fā)生碰撞，同時又存在1個豎直向上的脫模方向使D區(qū)凹槽順利脫模。采用“劃分區(qū)域、分別成型”的方法將D區(qū)劃分為2塊更小的區(qū)域，如圖5所示。為了防止與B區(qū)滑塊發(fā)生碰撞，D1區(qū)脫模時選擇和B區(qū)平行的脫模方向（-Y軸方向），D2區(qū)則采用與Z軸平行的豎直脫模方向來保證凹槽順利脫模。D區(qū)寬度僅14 mm，為了在有限區(qū)域范圍內(nèi)實現(xiàn)D1、D2、E區(qū)同時脫模并最大范圍內(nèi)減小模具結構的總體尺寸、減少滑塊數(shù)量，3 個區(qū)域的零件成形設計成滑塊中內(nèi)置鑲件的復合滑塊結構來實現(xiàn)D、E區(qū)的抽芯成型。由于B區(qū)滑塊的干涉，D區(qū)無法借助開模力來脫模，且E區(qū)的脫模距離相對較長，考慮采用液壓缸來為C、D、E區(qū)提供脫模力。首先確定D1區(qū)成形鑲件運動的方向與液壓油缸保持一致，并直接固定在滑塊上。接著對水平運動方向進行分解，如圖7所示。由于D1區(qū)沿水平方向運動，將液壓缸為D1區(qū)提供的水平方向力分解為豎直和傾斜方向的力，得到D2凹槽區(qū)域所必需的豎直脫模方向。為了保證鑲件之間的相互連接，在D2區(qū)成型鑲件表面設置3處T形槽，實現(xiàn)鑲件之間的連接固定和指定方向移動。如圖8所示，鑲件X1通過鍵槽直接固定在滑塊Se上，當滑塊在液壓油缸的作用下沿Y軸方向運動時X1也保持同一方向運動。鑲件X1和X2通過頂部T形槽連接固定，當X1沿水平方向運動時，通過運動分解此時X1與X2之間會沿傾斜運動方向產(chǎn)生相對滑動。與此同時，X2在力的作用下沿另一個分解方向開始運動，而在T形槽的限制下鑲件只能沿Z軸方向進行滑動，實現(xiàn)了滑塊鑲件在不發(fā)生干涉的情況下沿指定方向脫模，確保了產(chǎn)品的成型不被損壞。

圖7 運動分解原理圖

鑲件X4隨滑塊Se沿Y軸水平運動，X2如果與X4同一時間一起運動，則勢必對D區(qū)凹槽產(chǎn)生影響，所以X2先完成凹槽區(qū)域的脫模后才能隨著X4一同水平運動。為了實現(xiàn)順序脫模，在滑塊Se中的螺絲釘預留1段空行程，如圖8所示。當液壓缸抽動Se沿-Y軸水平運動時，由于空行程S2的存在固定在滑塊上的X1會先隨著Se一起產(chǎn)生相對運動并通過T 形槽帶動X2一同運動，X2將水平運動分解為2個方向的相對滑動，實現(xiàn)D區(qū)凹槽順利脫模，此時X4不發(fā)生任何運動。只有當Se走完S2后，X4和Se在螺絲釘?shù)墓潭ㄏ虏乓煌交瑒?，實現(xiàn)順序脫模。復位時，S8先開始滑動，對X1水平方向的運動反方向分解后X2在T 形槽的限制下豎直向下先行復位，隨后Se推動X4一同沿+Y軸方向滑動?？招谐逃嬎愎綖?/p>

圖8 正面滑塊鑲件圖

式中：S6為凹槽脫模行程，取8 mm；α為水平面與頂部T形槽間的夾角，取20°；S2為限位螺絲與滑塊Se之間空行程，計算得22.3 mm，取整為23 mm。

2.3 抽芯液壓缸

側(cè)型芯抽芯力一般采用式（2）進行估算：

式中：F為測向抽芯力；L為產(chǎn)品側(cè)型芯成型部分截斷面積的平均周長；h為側(cè)型芯成型部分的高度；p為產(chǎn)品單位面積的收縮應力，受產(chǎn)品的結構形狀、材料種類、成型工藝影響，一般取7.85～11.77 MPa；μ為塑件對剛的摩擦系數(shù)，通常取0.15～0.2；α為側(cè)向脫模斜度，取0°。

利用UG 注塑模向?qū)K中的注塑模工具分析得出Lh為10 021.26 mm2，經(jīng)計算F約24.01kN。選用HOB標準型液壓缸，缸徑為50 mm，行程為

式中：S2為位限位螺釘中空行程的距離，取23 mm；S4為產(chǎn)品凸臺長度，取30 mm；S5為安全余量，取10～15 mm。計算得S為68 mm，取整得70 mm。液壓缸型號取HOB50×70，缸芯通過卡槽與滑塊連接固定，如圖8所示。

2.4 產(chǎn)品正面分級抽芯

1）一級抽芯 開始側(cè)抽時液壓缸缸芯首先抽動滑塊Se沿-Y軸方向運動，通過T 型槽和銷釘固定在Se上的鑲件X1和X3隨之側(cè)向移動。同時通過T型槽與X1相連接的X2在驅(qū)動作用下沿斜面豎直向上運動完成凹槽的脫模。X1運動方向為+Z軸方向，X2運動方向為-Y軸方向，X3運動方向為-Y軸夾角74°方向，1次抽芯完成3種不同方向的脫模。

2）二級抽芯 當液壓缸繼續(xù)側(cè)抽時Se中限位螺絲走完23 mm限位行程，內(nèi)置鑲針的復合鑲件X4才開始隨著Se沿著-Y軸方向滑動。預留23 mm的行程是為了保證滑塊Se中的3 塊鑲件先于X4完成脫模，防止凹槽處發(fā)生干涉影響產(chǎn)品成型。

3）三級抽芯Se與X4順利脫模后，液壓缸繼續(xù)側(cè)抽帶動2 個滑塊在滑道上沿-Y軸方向整體滑動直至限位螺絲處停止，使2個滑塊整體與產(chǎn)品完全分離保證產(chǎn)品安全頂出。

2.5 模具其他結構

1）澆注系統(tǒng) 采用直澆口、兩點式進澆，其中主流道末端設置冷料穴，澆料經(jīng)分流道2次分流進入型腔；澆口的選擇主要根據(jù)產(chǎn)品的表面質(zhì)量要求和形狀結構等特點決定，如圖9 所示，進澆點選擇產(chǎn)品上表面的圓形凹槽處。

圖9 模具澆注系統(tǒng)

2）冷卻系統(tǒng) 采用直徑為6 mm 和8 mm 的圓管。產(chǎn)品左右后面設置與產(chǎn)品等高的6 mm圓形管置于型腔滑塊中，防止因為上下高低落差較大而引起產(chǎn)品上下部分冷卻不均，產(chǎn)品正面則由于滑塊和運動的特殊結構并未設置冷卻水路。上方與下方的8 mm圓形冷卻水路分別設置在動、定模仁中，動模仁中運水位置的設置避開頂針孔和螺絲，留足安全余量以防止水管破裂，同時注意滑塊運動對軟管的擠壓，保證無漏水現(xiàn)象，如圖10所示。

圖10 模具澆冷卻系統(tǒng)

3）頂出系統(tǒng) 考慮到產(chǎn)品特殊的形狀結構和嚴格的外觀要求，為保證產(chǎn)品表面的平整和光滑，采用頂桿頂出的結構，從殼體產(chǎn)品內(nèi)部頂出。如圖11 所示，沿產(chǎn)品內(nèi)部邊緣均勻設置了直徑為5 mm和6 mm的頂桿。

圖11 模具頂桿布局圖

3 模具工作原理

如圖12 所示，模具設計為三板式，一模一腔、四面?zhèn)瘸槌尚尾季?，總體尺寸為410 mm×794 mm×581 mm，模具經(jīng)注射、保壓、冷卻、成型后開模。開模時前后模板產(chǎn)生相對運動的同時，設置在前模模板上的滑塊Sa、Sb、Sc、Sd在斜導柱和鏟基的驅(qū)動下分別向各自脫模方向滑動完成三面?zhèn)瘸樾?。當完成左右后面?zhèn)瘸樾竞笠簤河透撞砰_始工作，此時模具的分級復合側(cè)抽芯機構在液壓缸的作用下按照一、二、三級側(cè)抽芯次序在產(chǎn)品正面依次完成分級復合抽芯。注塑機頂桿上的推力通過模具的頂針底板和頂針面板并施加在各頂針上，使得塑件產(chǎn)品受力與后模模仁分離，完成最終頂出。合模時模具各零件的運動順序與開模時的順序相反，在注塑機回拉頂針底板和面板時帶動頂針先復位。液壓缸比前后模板先行復位，即在液壓缸推動滑塊Se使鑲件X1、X2、X3和X4復位后頂桿再推動后模模板向前模模板靠攏，當前后模再次發(fā)生相對運動時Sa、Sb、Sc、Sd在斜導柱和鏟基的驅(qū)動下完成復位。至此完成開模與合模過程，并進入下1 個工作循環(huán)。為了避免Sd與前模模板在開合模運動時發(fā)生碰撞，操作人員應嚴格按照規(guī)定順序執(zhí)行操作，即開模時先開模后抽油缸；合模時先推油缸再合模。

圖12 模具主要結構

4 結論

文中分析了產(chǎn)品形狀特點，利用運動方向力的分解，將液壓缸提供的直線往復運動分解成豎直運動和斜向運動，并結合滑塊內(nèi)置鑲件的結構方式實現(xiàn)了3 個不同方向的同時脫模。相比于各區(qū)域單獨成型的模具設計，復合結構在保證產(chǎn)品成型合格的同時提升了生產(chǎn)效率、降低了模具成本。為解決各結構的脫模順序問題，在滑塊中設計了1段具有空行程的限位螺絲，實現(xiàn)了產(chǎn)品的正面分級脫模，保證了脫模時產(chǎn)品的完整性，又精簡了模具結構。