聲吶面罩殼八滑塊六次抽芯復合機構注塑模具設計

吳炳進

(黎明職業大學智能制造學院，福建 泉州 362000)

0 前言

塑件產品設計時，不但要實現產品的功能作用，同時也要結合產品的具體成型工藝來進行產品的結構設計。產品采用注塑方式成型時，對于大型塑件產品而言，材料的物理特性影響產品的成型尺寸精度；產品上結構特征的復雜程度及特征的位置設置影響產品成型模具結構設計的難易程度[1-4]。模具結構設計的復雜性，一個重要方面體現在產品的脫模問題上[5-8];產品脫模時，如果存在脫模方向與模具開閉方向不一致的特征，則須設計特殊的側向脫模機構，側向脫模機構的出模方向一種為與模具開閉方向垂直水平向抽芯，一種與開模方向成一定的斜向角度斜向抽芯；單一的水平向抽芯或者斜向抽芯如果數量比價少，模具的結構設計相對較為簡單；如果數量比較多，特別是在同一位置，或者內壁狹窄空間內，存在需要多向抽芯的結構特征時，脫模機構的設計相對較為復雜，有時甚至使產品的脫模成為不可能，因而，在滿足產品既定功能前提下的塑件復雜特征的脫模機構設計，需要較多的結構創新設計，機構設計的優劣，直接影響到模具的生產制造成本[9-14]。擬結合某聲吶面罩殼塑件內壁復雜的脫模機構設計及塑件整體模具結構設計做出案例設計參考。

1 塑件結構

聲吶面罩殼塑件結構如圖1所示，塑件材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物/聚碳酸酯(ABS/PC)共混物。塑件外形為矩形框體形狀，外壁6個面中，有一面為開放敞口(F1面)，一面為半開放型口(E1面)；其余各面分別為A1、B1、C1、D1 4個面。塑件上，設計有K1～K10 10種類型的結構特征，其中，K1為方臺型透氣孔、K2矩形圓角孔、K3為圓孔、K4為矩形圓角孔、K5為倒圓凹槽、K6為帶加強筋倒勾、K7為矩形格子槽、K8為格子槽圓孔、K9為加強筋、K10為螺柱孔。

K1～K10—特征分類代號 A1～F1—塑件外壁 A2～D2—塑件內壁圖1 產品結構Fig.1 Product structure

A1、B1、C1、D1、F1、E1為塑件的外壁，A2、B2、C2、D2為塑件的內壁。K2、K3、K4孔都為邊沿雙面圓角型孔，分型時只能將分型線設置于孔厚度的中央位置。特征在塑件各面上的分布如圖2所示。

K1～K10—特征分類代號 A1～F1—塑件外壁 A2～D2—塑件內壁(a)塑件外壁前軸測圖 (b)塑件內壁軸測視圖圖2 特征在塑件框體上的分布Fig.2 Distribution of features on plastic frame

綜合塑件上述基本特征，模具設計時，塑件模腔的分型、澆注、冷卻、排氣設計等難度較小，難點在于A2、B2、C2、D2內壁上塑件特征的脫模，其中K1、K2的脫模方向與開模方向同向，K3、K4、K6、K7、K9脫模方向為垂直于C2、D2面，同時也垂直于模具開模方向的特征，K8、K10脫模方向為垂直于B2面，同時也垂直于模具開模方向的特征。且K5、K6、K7、K8、K9、K10在分布為位置上，集中于塑件內壁兩端較小的區域內，脫模方向相互干涉，脫模機構難以設計，需要做較好的機構結構創新設計方能保證這些特征的完整脫模，從而降低模具的結構設計難度和降低模具制造成本，保證塑件的自動化注塑生產[15-17]。

2 分型設計

本塑件分型設計時，脫模困難區域主要是內壁成型件與塑件的分離困難，因而脫模方案選用不同的方式，則相應的脫模機構也不同，塑件的分型設計也不同，因而，本例中，有2種不同的脫模方案可選，因而相應的分型方式有2種，分別如下:

(1)方案A：若采用圖3(a)所示分型，塑件內壁成型件的脫模方式為：如圖3b所示，將內壁型芯分割為X1～X7共7個區域，才能實現內壁成型件的分次脫離。其脫離方式可以通過多級順序分次打開驅動來進行，具體考慮為，先將X1塊、X2塊按T1方向，即模具開模方向負方向Z-方向取走，以騰出X3塊按T2方向抽芯的空間，及X7塊按T5方向抽芯的可能；然后X3塊再讓出空間，以供X4、X5按T3、T5方向抽芯。實際零件設計時，X1、X2為固定于模板上的動模型芯鑲件，X3理論上可以為斜頂，也可以為內收型滑塊，但X3做成斜頂明顯不合適，因而做成內收滑塊較為合適，X3塊的側抽芯距離(f)需32+(2～3) mm，且受到K10特征的限制；X4、X5、X6、X7理論上都可以做斜頂，X4塊不能做斜頂，因為X4塊要與塑件分離，需要做T3、T4兩個方向的移動，且其按T4方向移動時，將與只沿T5方向斜抽芯的X5塊干涉。X5塊側向抽芯限制相對較少，但X6、X7塊限制多，X6塊按T5方向抽芯時，其抽芯距收到K10特征的阻擋，其所需抽芯距為13+(2～3) mm，其運動空間距離(S)僅26 mm；X7按T5方向抽芯雖不受限制，但其特征為雙層矩形孔，其所需抽芯比較大，至少需20+(2～3) mm；因而，X6塊、X7塊不能做成同一個斜頂塊，只能分開設置，且斜頂的頂出角度不一樣，因為其側抽芯距離不一樣。因而，此方案下，模具結構設計非常困難，主要為：1)為實現上述多級動作，模具至少需開模3次以上，模具結構明顯變得復雜，制造成本高，加工難度大；2)為實現各成型塊的抽芯運動，X3～X7塊的尺寸只能設計小尺寸，成型件強度明顯變差，模具壽命變短；3)X4塊需要做T3、T4向的兩次抽芯，機構實現難度大，且在T4向與X5塊干涉，機構布局及結構設計變得復雜；4)X6、X7塊位置接近，同一位置同時設置兩個不同頂出斜角的斜頂明顯不合適，機構設計困難，如一個做內收滑塊，一個做斜頂，模具結構變得復雜。所以，總的來說，采用圖3(a)所示分型布局后，采用開模頂出時多級順序抽芯脫模，方案A將使模具結構變得異常復雜，機構動作潛在的干涉因素多，模具的可靠性變差，因而，方案A可行性不好。

X1～X7—成型塊 T1～T5抽芯方向 S—X6抽芯空間限制距離 f—X3內收抽芯限制距離 K1～K10—特征分類代號 C2、B2—塑件內壁(a)方案A分型 (b)方案A脫模機構設計分析圖3 脫模方案A分析Fig.3 Analysis of demoulding scheme A

(2)方案B：針對塑件的結構特點，可采用如下圖4所示方案B分型方式來進行模腔及成型零件的設計。選取A1面的最大外沿輪廓作為模腔的主分型面；針對外壁B1、C1、D1 3個面的成型與脫模需要，分別構造了B1面成型滑塊、C1面成型滑塊、D1面成型滑塊來成型；針對E1面，設計了下分型面以實現其成型；針對內壁區域的成型與脫模，單獨設計一個復合化垮機構來完成此區域的成型與脫模。因而，本塑件的分型及成型件的結構形式為：通過主分型面分割，其以上部分構成模腔的型腔成型件區域；下分型面以下區域則構成模腔的型芯成型件區域；4個側面分別設置為4個滑塊側成型區域。

(a)分型面前側軸測視圖 (b)分型面后側軸測視圖圖4 脫模方案B分析Fig.4 Analysis of demoulding scheme A

K1～K10—特征分類代號 F1～F4、F1″～F4″—滑塊抽芯運動方向代號26—第一主滑塊 31—第二滑塊 32—第五滑塊 33—第七滑塊 34—第八滑塊 31″—第三滑塊 32″—第六滑塊(a)內壁抽芯機構滑塊組件 (b)內壁成型滑塊抽芯動作示意圖圖5 內壁成型鑲件設計Fig.5 Design of inner wall forming inserts

方案B中內壁抽芯機構方案如圖5所示，主要針對內壁B2、C2、D2上的特征及內壁的脫模而設計。從塑件的結構特征看，結合圖2所示，成型B2、C2、D2面的內壁成型件與塑件的分離只能從垂直于B2面的方向抽出，而3個內壁上各成型件的抽芯方向分別為：如圖5(a)所示，1)位于A1面上的2個K1特征，其抽芯方向為垂直于A2的方向；而K2特征，則須一半從垂直于A1面的方向抽出，一半從垂直于A2面的方向抽出； 2)對于K3、K4特征，一半須從分別垂直于C1、D1面的兩個外推方向抽出，一半須從垂直于C2、D2的2個內收方向抽出；3)K6、K7、K9特征只能按垂直于C2、D2面的內收方向抽出；4)K8、K10特征須從沿垂直于B2面的方向抽出，且K8與K7的存在干涉，只能先抽出K8的型芯后，才能抽出K7的型芯；5)內壁B2、C2、D2所包圍的空間比較大，因而可以采用不同成型鑲件拼合構成內壁成型所需的成型鑲件，這樣便于分步對上述各難脫模特征進行抽芯脫模。因而，對應特征的成型與脫模情況為：K1、K2特征的成型與抽芯由滑塊33、34來完成，K3、K4、K6、K7特征則由31、31″、32、32″ 4個滑塊來完成，K8、K10特征則由滑塊26來完成。

注塑完成后，機構各滑塊的抽芯動作安排為：如圖5(b)所示， 1)滑塊26按F1方向先抽出，以讓出滑塊31、31″的按F2、F2″方向內抽芯運動空間，同時實現B1內壁面大部分區域的脫模，及K8特征的脫模；2)滑塊26先抽出一段距離讓出空間后，帶動滑塊31、31″按按F2、F2″方向內抽芯，完成K4、K6、K7、1個K3孔、部分K9特征的脫模；3)滑塊31、31″內收抽芯完成后，再繼續由滑塊26帶動按與F1方向平行的F3、F3″方向繼續抽出一段距離，以為后續四個滑塊的動作繼續讓出空間； 4)前述三步動作完成后，滑塊33、34按F4、F4″方向下沉抽芯， 完成K1、K2特征的脫模，并為滑塊32、32″的按F5、F5″的內收抽芯讓出運動空間；5)滑塊32、32″按F5、F5″方向內收抽芯，完成剩余2個K3特征孔及部分K9特征的脫模。

3 模具結構

模具設計時，在運用CAE輔助分析的基礎上，運用UG10.0 3D結構設計和AutoCAD 2D平面結構設計技術，完成了本模具的結構設計，最終獲得的模具結構如圖6所示，模具采用三板模結構，以實現自動化注塑生產。模腔布局為一模一腔，因為塑件外壁的C1、D1、B1 3個側面需要采用側面滑塊抽芯機構進行成型，因而，采用多腔布局勢必加大模架的結構尺寸，需要更大的注塑機，且機構布置空間難度加大。

1—上頂板 2—流道板 3—定模固定板 4—B1面滑塊驅動油缸 5—B1面成型滑塊 6—型芯固定板 7—動模墊板 8—動模墊塊 9—下底板 10—復位桿 11—復位桿彈簧 12—頂針面板 13—頂針推板 14—頂針 15—頂出行程限位塊 16—第一導柱 17—第二導柱 18—尼龍扣 19—分型定距拉桿 20—推板導柱 21—D1面成型滑塊 22—D1面滑塊驅動油缸 23—C1面成型滑塊 24—C1面滑塊驅動油缸 25—第一主滑塊驅動油缸 26—第一主滑塊 27—型腔鑲件 28—圓柱精定位塊 29—拉料桿 30—法蘭灌嘴 P1、P2、P3—分型面代號圖6 模具結構Fig.6 Mould Structure

為保證澆注的流道廢料能自動與塑件分離和從模具上自動脫模，澆注系統采用點澆口方式進行澆注，點澆口進膠直徑φ1 mm，兩點點澆口，分別位于塑件的兩端，對稱式布置；定模固定板3上的水平流道截面采用U型槽截面，截面尺寸設計為8 mm×5 mm×6 mm；澆口進膠直的垂直流道分兩段，上端設置于定模固定板3內，下端設置于型腔鑲件27內，上段的下端尺寸為φ4.5 mm，下段的上端尺寸為φ4 mm，以保證因裝配間隙的問題熔融塑料進入裝配間隙而導致垂直流道廢料拔出時被卡死而拔不出。

冷卻采用φ8mm管道進行冷卻，為保證模腔能得到充分均勻的冷卻，防止塑件因冷卻不均而發生翹曲變形，主要成型件及每個成型滑塊鑲件皆設置單獨水路進行冷卻，管道共設置有14條，其中：型腔鑲件27有2條串聯水路，B1面成型滑塊5、D1面成型滑塊21、C1面成型滑塊23各有1條；圖5中所示的7個鑲件各自采用單獨水路進行冷卻；型芯固定板6有2條；管道封堵采用管牙銅塞纏生膠帶進行密封封堵，管道的接入接出采用外接式管牙快速接頭。

成型模腔的排氣采用成型件間間隙進行排氣，間隙控制在δ≤0.02 mm。

模架選用龍記LKM非標準模架，模架開模打開面有2個，分別為P1、P2、P3面；模板流道板2、定模固定板3的打開分型定距由組合式拉桿19進行控制，P3分型面打開前，時模腔的閉合聚酰胺扣28進行控制。模架的導向機構采用兩種類型8副導柱導套來完成，第一導柱16構成的主導向機構用于模板的導向，第二導柱17構成的導柱機構主要用于保證定模固定板3和動模墊板7的準確復位導向。

塑件從模具上的完全頂出采用主要由頂針14構成頂針推板頂出機構頂出完全脫模。

本模具結構設計的重點是內外壁脫模機構的設計，其中，外壁B1、C1、D1 3個側面的脫模采用3個油缸驅動的側面滑塊機構進行側抽芯脫模，分別為B1面滑塊驅動油缸4驅動的B1面側面滑塊抽芯機構、D1面滑塊驅動油缸22驅動的D1面側面滑塊抽芯機構及C1面滑塊驅動油缸24驅動的C1面側面滑塊抽芯機構。此3個機構的結構相似，為常用型油缸驅動壓條導向滑塊側抽芯機構。內壁B2、C2、D2則采用一種創新型組合滑塊機構來進行分步抽芯脫模，該機構的設計是本模具結構設計的難點。

4 脫模機構設計

4.1 外壁側面抽芯機構

結合圖6所示，外壁B1、C1、D1 3個側面所用的側面抽芯機構采用油缸驅動滑塊型常用機構，其中B1面抽芯機構的主要構成零件為B1面滑塊驅動油缸4和B1面成型滑塊5，C1面抽芯機構的主要構成零件為C1面成型滑塊23和C1面滑塊驅動油缸24；D1面抽芯機構的構成零件為D1面成型滑塊21、D1面滑塊驅動油缸22。3個機構都采用油缸驅動，以保證有足夠的滑塊側面抽芯驅動力，3個機構的滑塊都通過相應的滑塊壓條安裝于動模側的型芯固定板6上，其在模具上的布局如圖7(a)所示。

40—第一主滑塊中央導條 41—第四滑塊驅動油缸 42—第四滑塊 43—第四滑塊導向條 44—第二機構支撐板 45—第五滑塊限位條 46—行程開關 47—驅動擺臂 48—第五滑塊驅動肘 49—第一主滑塊壓條 50—第一主滑塊底耐磨板(a)滑塊抽芯機構構成 (b)內壁抽芯機構圖7 側抽芯機構Fig.7 Side core-pulling mechanism

4.2 內壁抽芯機構

(1)內壁的抽芯機構設計成一種八滑塊六次抽芯復合機構，按上節所述設計原理，結合圖6所示，所設計的機構結構裝配如圖7(b)所示，機構有兩大子機構構成 ，第一個子機構為第一主滑塊26及其驅動下的第二滑塊31、第三滑塊31″所構成的前3次抽芯機構，機構主要組成零件包括件25、26、49、50、31、35～40，機構由第一主滑塊驅動油缸25作為主動力源驅動。第二子機構為第四滑塊驅動油缸41驅動的后3次抽芯機構，機構主要組成零件包括件32、33、34、41～48。機構包含8個子滑塊，分6次抽芯動作來實現塑件內壁的完全脫模，分別為油缸25驅動下的前3次抽芯，油缸41驅動下的后3次抽芯，結合圖5(b)中所示，其動作要領為：1)第一次，第一主滑塊 26的抽芯；2)第二次，第二滑塊 31、第三滑塊 31″的F2向、F2″方向的內抽芯；3)第三次，第二滑塊 31、第三滑塊 31″的按F3向、F3″方向的移位讓出空間抽芯；4)第四次，第四滑塊42的驅動抽芯動作；5)第七滑塊 33、第八滑塊 34做F4向的抽芯；6)第六次，第五滑塊 32、第六滑塊 32″做F5向、F5″向的內抽芯。機構的零件組成如圖8所示。

25—第一主滑塊驅動油缸 26—第一主滑塊 31—第二滑塊 32—第五滑塊 33—第七滑塊 34—第八滑塊 35—第二滑塊驅動條 36—第二滑塊下底板 37—第二滑塊底導向板 38—第二滑塊橫向滑動槽 39—第二滑塊直向滑動槽 40—第一主滑塊中央導條 41—第四滑塊驅動油缸 42—第四滑塊 43—第四滑塊導向條 44—第二機構支撐板 45—第五滑塊限位條 46—行程開關 47—驅動擺臂 48—第五滑塊驅動肘 49—第一主滑塊壓條 50—第一主滑塊底耐磨板 31″—第三滑塊 32″—第六滑塊 35″—第三滑塊驅動條圖8 8滑塊6次抽芯復合機構結構Fig.8 Sliders with six core-pulling composite mechanism structure

F1、F2、F2″—抽芯運動方向(a)第一機構結構組成 (b)第一機構工作原理圖9 上層抽芯機構工作原理Fig.9 Working principle of upper layer core-pulling mechanism

(2)第一子機構的裝配情況為：第一子機構分拆后的結構如圖9(a)所示，結合圖5(b)、圖8中所示，第一主滑塊驅動油缸25通過安裝于模架動模墊板7的一側，通過其中心桿來驅動第一主滑塊26做向外的抽芯動作，第一主滑塊 26由第一主滑塊壓條49導向安裝于動模墊板7上，其下配套設置有第一主滑塊底耐磨板50及導向件第一主滑塊中央導條40。第二滑塊驅動條35和第三滑塊驅動條35″通過螺釘緊固安裝于第一主滑塊 26的底部，此兩驅動條通過其上設置的驅動段用于驅動第二滑塊31、第三滑塊31″依次做圖5(b)中所示的F2、F2″向和F3、F3″向的抽芯運動。第二滑塊31結構與第三滑塊31″結構相同；第二滑塊 31的安裝情況為：如圖9(b)所示，第二滑塊31的底部安裝有第二滑塊下底板36、第二滑塊底導向板37；第二滑塊橫向滑動槽38安裝于第二滑塊底導向板37上，用于第二滑塊 31能沿第二滑塊橫向滑動槽38做F2向的橫向抽芯運動的同時，第二滑塊底導向板37也能沿安裝于動模墊板7上的第二滑塊直向滑動槽39做F3向的直向抽芯運動。

機構工作時，由油缸25驅動第一主滑塊26按F1方向抽出，此為機構的第一次抽芯；第一主滑塊26帶動第二滑塊驅動條35同步運動，此時，第二滑塊驅動條35上的導向驅動段為平行段，先不對第二滑塊 31驅動，當第一主滑塊 26抽出一定距離讓出空間后，第二滑塊驅動條35上的斜坡段能驅動第二滑塊31沿第二滑塊橫向滑動槽38先做F2向側抽芯，此為機構的第二次抽芯；待第二滑塊31的F2向抽芯完成后，第第二滑塊驅動條35的斜坡段末端凸起拉住第二滑塊31與第一主滑塊26同步沿第二滑塊直向滑動槽39所導向的F3向抽出，為第五、第六、第七、第八滑塊的抽芯動作讓出運動空間，此為機構的第三次抽芯。

(3)第二子機構的零件裝配情況為：如圖10所示，結合圖8，第二機構支撐板44為機構承載板，第四滑塊驅動油缸41安裝于其上的一側，并設置有行程開關46以控制抽芯行程；第四滑塊42通過第四滑塊導向條43安裝于第二機構支撐板44上，由第四滑塊驅動油缸41驅動其沿第四滑塊導向條43做F6向的滑動移動；第四滑塊42的側面設置有驅動第七滑塊 33、第八滑塊 34做F4向的運動的斜向導軌；第四滑塊42一端設置有用于驅動第五滑塊32的第五滑塊驅動肘48，另一端設置有驅動驅動擺臂47以驅動第六滑塊 32″的凸臺，如圖10(a)所示。

F4、F5、F5″、F6—抽芯運動方向(a)第二機構結構組成 (b)第二機構工作原理圖10 下層抽芯機構工作原理Fig.10 Working principle of lower layer core-pulling mechanism

第五滑塊32、第六滑塊32″由壓條導向壓條安裝于第二機構支撐板44外側兩端，第五滑塊32的由第五滑塊驅動肘48來驅動，其抽芯方向為F5向，其抽芯行程則由支撐板44上限位槽限制安裝于第五滑塊 32底端的第五滑塊限位條45來實現。第六滑塊32″由驅動擺臂47驅動，驅動擺臂47通過其中心軸安裝于支撐板44上，驅動擺臂47的一端由第四滑塊 42驅動做T1向轉動，從而驅動其另一端則做T2向轉動以驅動第六滑塊 32″做F5″向內抽芯移動。

機構工作時，如圖10(b)所示，由油缸41驅動第四滑塊42按F6方向做抽芯驅動動作，此為機構的第四次驅動抽芯，此時，第四滑塊42側面斜導軌先第七滑塊 33、第八滑塊 34做F4向的下沉抽芯運動，而第五滑塊驅動肘48、第四滑塊42的末端則為空行程，不與第五滑塊32、第六滑塊32″接觸，此為機構的第五次抽芯；待第七滑塊 33、第八滑塊 34讓出空間后，第五滑塊驅動肘48、驅動擺臂47同步驅動第五滑塊 32、第六滑塊 32″做F5向、F5″向的內抽芯運動，此為機構的第六次抽芯。

5 模具工作原理

結合圖6所示，模具的工作過程為：

1)注塑。模具閉合注塑，注塑完成后，經保壓、冷卻后，準備開模。

2)PL1打開。模具在注塑機動模的帶動下后退，模具首先在PL1分型面處打開，打開時，流道廢料與塑件在點澆口處崩斷分離。

3)PL2打開。動模繼續后退，模具在PL2分型面處打開，由流道板2將流道廢料自動刮離模具脫模。

4)PL3打開。動模繼續打開，模具在PL3處打開，模具模腔打開。

5)內壁先抽芯脫模。油缸25先動作，驅動機構先完成內壁的前三次抽芯動作，待油缸25動作完畢，油缸41動作，驅動機構完成內壁的后三次抽芯動作。

6)外壁抽芯脫模。內壁抽芯脫模完成后，外壁的3個側面抽芯機構的油缸同步動作，完成外壁的側面抽芯脫模。

7)頂出。注塑機頂桿推動頂針14將塑件從型芯鑲件上完全頂出脫模。

8)復位。復位過程與開模過程完全相反，模具閉合，等待下一個注塑循環。

6 結論

(1)結合聲吶面罩殼塑件的結構特點，針對其內壁脫模困難的結構設計問題，及自動化注塑生產的需要，運用UG10.0模具三維結構設計功能和CAD平面輔助設計技術，設計了塑件的一模一腔三板模點澆口模具;模腔采用2點點澆口澆注，排氣采用鑲件間隙排氣，冷卻采用14條獨立水路進行冷卻，以保證塑件收縮變形的均勻性;依據塑件外壁、內壁的結構特點，外壁設置了3個結構相同的油缸驅動型側面滑塊機構來實施外壁特征的脫模；內壁則采用一種8滑塊6次抽芯復合機構來實施抽芯脫模;

(2)復合機構中，利用第一油缸驅動先完成2次抽芯動作和1次滑塊移位動作，以完成部分特征的抽芯脫模，和為后續滑塊的抽芯動作騰出抽芯動作運動空間；再利用第二油缸驅動完成1次驅動抽芯，和2次抽芯動作,從而達到塑件內壁局部區域內抽芯方向相互垂直特征的完全無干涉脫模;

(3)機構結構設計合理，動作可靠，具有較好的創新性和實用性；模具整體結構布局合理，機構選用恰當，較好地實現了塑件的自動化注塑生產，能為同類塑件提供有益的生產實鑒。