基于隨形水路技術的帶把雙色水杯注塑模具設計

李桂金，匡唐清，金 凱

(1.江西科技學院機械工程學院，南昌 330098；2.華東交通大學機電與車輛工程學院，南昌 330013)

0 前言

隨著人們生活水平的提高和節能環保意識的增強，對塑料制品的美觀性要求越來越高，對制品成型過程的低能耗及高效率要求也與日俱增。多物料注塑是指不同的塑料熔體或材料相同但顏色不同的塑料熔體先后或同時進入到模腔中得到具有多種材質或多種顏色的塑料制品的注塑工藝[1]。不同材質不同顏色塑料結合在同一制品中出現，美觀、且能充分利用多種塑料的優點和性能。其中雙色注塑(本文指清雙色注塑，另一種混雙色注塑一般稱為共注塑)是在雙色注塑機中經模具的開合旋轉通過不同的流道系統和型腔先后成型制件的不同位置(多為內與外)，不同材質或色澤間具有明顯分界線。熱流道技術通過加熱保證流道和澆口的熔融狀態，避免了冷凝料的產生、取出與回收處理，能有效地節省材料、縮短成型周期、提高產品品量[2]。現在熱流道技術在注塑模中的應用越來越多。隨著選擇性激光燒結(SLS)等3D打印技術的發展與成熟，在模具內部設置更貼近產品輪廓的隨形水路成為可行[3]。隨形水路能提供良好的散熱效率，具有傳統鉆孔方式制作的水路無可比擬的冷卻效果，有效縮短冷卻時間，提高產品產能時效與品質。隨形水路在注塑模具中的應用也將越來越廣泛。

本文以一帶把雙色水杯為例，介紹其雙色注塑模的設計及隨形水路技術和熱流道技術在其中的應用，并借助模流分析技術印證這些技術所帶來的優勢。

1 塑件結構與材料選擇

考慮實用性與美觀性，該水杯設計為帶把雙色水杯，如圖1(a)所示。杯體內層外表面設有陽文標識，一方面作為標識也增進美觀，另一方面與杯體外層的對應鏤空相嵌以增進結合。杯體外層側面有對應鏤空，底部有2 mm×2 mm的環形底座。杯體內外層主體壁厚均為1.5 mm，外層上邊緣比內層上邊緣高3 mm，此處壁厚3 mm。內外層分別如圖1(b)、(c)所示。

(a)成品 (b)內層 (c)外層圖1 帶把雙色水杯Fig.1 Two-color cups with handles

由于內層外表面陽文標識以及外層把手與鏤空的設計，內外層的成型型腔均需采用哈呋滑塊側分型結構。采用聚丙烯(PP)材料成型。PP材料的流動性好，產品質量輕、韌性與耐化學性能好，但其缺點是收縮率較大(1 %～2.5 %)。內層為第一次注塑，采用純PP(中國臺灣臺化公司生產，牌號為K1011，食品級)，外層為第二次注塑，采用高結晶度共聚PP(HCPP，SABIC公司生產，牌號CX04-81，通用級)，具有更好的成型性能和透明度，提高了剛度和耐磨性。

2 模具設計

2.1 總體設計方案

為保證成型的連續性，提高生產效率，該雙色水杯采用雙色注塑。制品的內層與外層依次在模具的不同型腔中成型，這就需要模具動模整體旋轉帶動半成品換位。因此設計模具為轉盤式雙色模，動模安裝在注塑機轉盤上。根據制件的結構分析，內外層的成型型腔均需哈呋滑塊側分型結構，哈呋滑塊應留在定模側。綜合考慮制件大小、動模的旋轉及模具的哈呋結構，模具設定為一個半成品型腔(成型內層)和一個成品型腔(在內層上附加外層)，一次開模得到一個成品。模具的哈呋滑塊利用注塑機開模動作帶動其側向分型，在側向分型完成前哈呋滑塊應隨動模一起運動，以保證半成品和成品能完全脫離型腔后繼續隨動模運動。

2.2 熱流道澆注系統與含隨形水路的冷卻系統設計

在雙色注塑中，半成品還需轉到成品型腔再次成型。相對冷流道而言，熱流道避免了流道冷凝料的取出與去除問題，可減少開模行程，簡化模具結構，實現成型過程的全自動化程度，并提高生產效率。對此單腔雙色模，半成品及成品型腔各采用一個開放式熱流道噴嘴進膠即可。該模具選擇信好熱流道噴嘴—SINGLE-UNI PG 0444，該噴嘴及定位圈如圖2所示。

圖2 熱噴嘴及定位環Fig.2 Hotnozzle and locating rings

常規冷卻水路主要是通過鉆孔再輔以隔水板、噴水管等形式來實現；隨形水路是設計好帶水路的成型零件后通過3D打印(金屬粉末選擇性激光燒結)直接形成。對此雙色模，型腔部分由于是哈呋滑塊結構，若采用隨形水路，因其體積較大，加工成本較高，因而還是采用常規冷卻水路冷卻，通過鉆孔再加堵頭形成水路；對杯底設置鑲件采用環形的隨形水路來冷卻；對型芯部分則采用螺旋形的隨形水路來冷卻。考慮到模具動模的往復旋轉，動模側水路進出口均設在中部。該模具的冷卻系統如圖3所示。

圖3 冷卻系統水路Fig.3 Cooling system configured in the mold

為考察隨形水路對冷卻效果及效率的改善，對本文采用的水路系統方案及常規水路系統方案進行冷卻模擬比較，兩方案的水路布置分別如圖4和圖5所示。工藝參數設定為：第一注射料PP料溫235 ℃；第二注射料HCPP料溫210 ℃；目標模溫55 ℃；注水溫度40 ℃。兩方案模擬的模具平均溫度如圖6和7所示。從模具溫度分析結果看，型芯采用隨形水路能顯著降低型芯模具溫度。并且本文采用的隨形水路方案從目標模溫計算的周期時間為10 s，而常規水路方案計算的周期時間為17.5 s，顯然采用隨形水路能大大提高冷卻效率，縮短成型周期，從而提高生產率。

圖4 帶隨形水路的冷卻系統模型Fig.4 Cooling system with conformal channels

圖5 傳統冷卻系統模型Fig.5 Traditional cooling systems

2.3 成型零件

根據總體方案分析，半成品型腔和成品型腔為哈呋滑塊側分型結構，兩型腔通過對位結構拼接為一體。半成品型腔內雕刻有陰文標識，下端有3 mm長寬的環形凸緣(因內層比外層大端面低3 mm)。兩型腔底部設有鑲塊(成型水杯底座)，內設環形水路，成品型腔鑲塊下端邊緣有環形切口，以成型外層的底座。動模型芯內設螺旋形水路。成型零件如圖3、圖4中所示。

(a)哈夫塊 (b)型芯圖6 帶隨形水路的模具平均溫度Fig.6 Mold average temperature field of the mold with conformal cooling channels

(a)哈夫塊 (b)型芯圖7 常規水路的模具平均溫度Fig.7 Mold average temperature field of the mold with traditional cooling systems

哈呋滑塊選取預硬化型塑料模具鋼P20(3Cr2Mo)，調質處理(即預硬化)后冷加工即可直接使用。型腔鑲塊及型芯下部基座通過機加工而得，以基座為基礎再進行金屬粉末的選擇性激光燒結3D打印得到上面含隨形水路的成型部分，金屬粉末采用EOS MaragingSteel MS1 - 馬氏體時效鋼，具有良好的熱傳導性，典型應用就是插入式隨形冷卻注塑模，固溶時效處理后其硬度可達55HRC。

2.4 其他設計方案

(1)哈呋滑塊動作控制與定位裝置

安裝固定在定模的斜導柱所套的壓縮彈簧及安裝固定在動模的T形扣提供開模時哈呋滑塊移動的驅動力；安裝固定在定模上的T形抽芯塊用于哈呋滑塊的運動導向，限位塊用于哈呋滑塊的運動限位；哈呋滑塊與定模板及動模推板間存在接觸滑動，設置耐磨塊以便保護與更換；兩哈呋滑塊上設有對位位，在定模板上還設有定位塊以保證合模時哈呋滑塊的對位與定位，如圖8所示。

圖8 哈呋滑塊的動作控制與定位Fig.8 Control and locating mechanism of the mold half module motion

T形扣及定位塊需要足夠的強度以防止折斷或者磨損失效，采用高強度的熱作模具鋼42CrMo。耐磨塊及T形抽芯塊需要較好的耐磨性，采用DF2鋼材(錳 - 鉻 - 鎢合金鋼)熱處理后達到54～56 HRC較高硬度。

(2)頂出與復位

考慮到雙色注塑中半成品需隨動模旋轉到成品型腔繼續成型，該側不頂出，只有成品才能頂出，因此兩腔設置獨立的頂出機構。制件采用推板推出，采用復位彈簧復位。

(3)模架與注塑機的選擇

由于滑塊高度較高，模具整體高度較高，并且采用了熱噴嘴，因此模架選擇龍記DDI型5060模架。綜合考慮動模旋轉模板尺寸、各型腔注膠量要求、容模厚度、鎖模力及開模行程需求等，塑機選擇富強鑫FB-280R雙色注塑機，該注塑機為轉盤式注塑機，動模可隨轉盤整體旋轉。

3 模具整體結構及工作過程

模具3D爆炸圖如圖9所示。模具總體結構圖如圖10所示。模具的工作原理：成品成型完成后，隨著動模座的開始后移，壓縮彈簧49和固定在動模的T形扣件35將哈呋滑塊43向動模方向推拉，哈呋滑塊43與流道板16分開，即PL1處分開；同時，在T形抽芯塊41及斜導柱的作用下，PL1分開的同時兩哈呋滑塊也相對側向分開，即PL2處分開；隨著兩哈呋滑塊的側向分開，T形扣35與哈呋滑塊43的扣位面逐漸減小至無，在哈呋滑塊觸及限位塊40時，哈呋滑塊停止運動，動模座繼續后移，則PL3處分開，成品與半成品隨動模型芯向后運動，直到完成開模；雙色注塑機在成品側的頂棍頂出，推動推板13將成品推出脫模，而半成品側無頂出動作；成品脫模后，注塑機頂棍退回，在矩形黃彈簧7的回復作用下推板被復位推桿3拉回，完成復位；而后動模旋轉180 °，半成品轉到成品側；開始合模，哈呋滑塊在動模推板的推頂作用下隨著T形抽芯塊和斜導柱的導向方向壓回，彈簧49被壓縮，T形扣與哈呋滑塊的扣位面逐漸形成并增大，直到兩哈呋滑塊完成對位、定位，合模完成；模具進入下一次注塑周期，以此循環。

圖9 模具3D爆炸圖Fig.9 3D explosion chart of the mold

1—動模座板 2—垃圾釘 3—復位推桿 4—推板桿固定板 5—推板支撐板 6—定位銷 7—矩形黃彈簧 8—墊塊 9—拉桿導柱 10—帶頭導套 11—帶頭導套 12—直導套 13—推板 14—帶肩導柱 15—帶頭導套 16—流道板 17—直導套 18—緊固螺釘 19—定模座板 20—隔熱板 21—型腔鑲件1 22—開放式熱流道單噴嘴 23—定位圈 24—內六角螺釘 25—十字沉頭螺釘 26—熱流道澆口套 27—噴嘴固定環 28—內六角螺釘 29—型腔鑲件2 30—螺塞 31—定位塊 32—內六角螺釘 33—水管接頭 34—型芯鑲件 35—T形扣 36、37—內六角螺釘 38—十字沉頭螺釘 39—耐磨塊1 40—限位塊 41—T形抽芯塊 42—內六角螺釘 43—哈呋滑塊 44—內六角螺釘 45—鎖模塊 46—加熱電源接口引線端 47—十字沉頭螺釘 48—耐磨塊2 49—矩形藍彈簧 50—斜導柱 51—O形密封圈 52—緊固螺釘 53—緊固螺釘(a)主視圖 (b)左視圖圖10 模具總體結構Fig.10 Mold structure

4 結論

(1)此帶把雙色水杯采用轉盤式雙色注塑模成型，過程連續，效率高；

(2)此雙色注塑模采用熱噴嘴，簡化了模具的結構，實現生產自動化；型腔采用傳統水路，底座鑲塊及型芯采用隨形水路，改善了冷卻效果，將成型周期從傳統水路方案的17.5 s縮短到10 s，顯著提高了生產效率；鑲塊及型芯采用機加工與3D打印加工，既保證了加工效率又滿足了設計要求;

(3)此雙色注塑模采用了哈呋滑塊結構，并設置了對位、定位及T形扣等裝置，保證了模具動作的可靠與穩定。

[1] 趙龍志, 趙明娟, 付 偉. 現代注塑模具設計實用技術手冊[M].北京： 機械工業出版社，2013：383-391.

[2] 徐佩弦, 張占波, 王利軍. 熱流道注射模塑[M].北京： 機械工業出版社，2016：38-47.

[3] 劉建元, 閆麗靜, 李 炳, 等. 基于SLM快速成型方法的注塑模具隨形冷卻水路關鍵技術研究[J].制造業自動化, 2014, 36(11): 12-15.

LIU J Y, YAN L J, LI B, et al, The Research of Key Technology of Injection Mold with Conformal Cooling Channels Which is Based on the Rapid Prototyping Me-thod of SL[J]. Manufacturing Automation, 2014, 36(11): 12-15.