凈化器骨架模具帶頂針滑塊機構結構設計

溫 瑞，路英華

(浙江工商職業技術學院現代模具學院，浙江 寧波 315012 )

0 前言

大型塑件注塑時，如遇塑件體積較大、充填性能不好的情況，可以采用多點澆注方案來進行澆注。多點澆注方案中，采用點澆口進行澆注較為合適，因而，相應的模具結構須采用三板或者多板模來進行設計[1-3]。塑件上對于懸空類特征，如需要側向抽芯脫模時，不能一次性進行側邊抽芯脫模，這樣容易導致該特征產生脫模變形，而使塑件的此處特征脫模后尺寸不符合要求。因而，一般需應用二次抽芯機構來進行抽芯脫模。塑件上為加強塑件的結構強度往往需要設置較多的薄片加強筋來增強結構強度，加強筋的增多，給塑件的脫模帶來較多的困難[4-6]：其一是塑件在型芯鑲件上的包緊力增大，其二是型芯上加強筋的成型位置加工困難，其三是脫模頂出元件的位置及頂出元件的形狀受到限制，其四是加強筋位置的冷卻受到設置受到限制，冷卻變得困難。因而，大型塑件的模具結構設計時，需要對上述問題進行綜合考慮，以優化模具結構設計，減少設計失誤，避免多次反復修模而增加模具的制造成本[7-10]。以下，擬結合某凈化器骨架塑件的模具設計對此作出實際案例設計，以資參考。

1 塑件

某凈化器骨架塑件形狀如圖1所示，塑件材料為改性丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)，收縮率0.6 %。塑件上結構特征形式較多、形狀復雜、位向分布不統一、出模方向不一，影響到塑件的模具設計時澆注系統和脫模機構的設計，因而模具設計的難點在于澆口位置和方式的選擇及脫模機構的設計。

(a)塑件正面 (b)塑件背面圖1 塑件結構特征圖Fig.1 Structural diagram of the plastic part

澆注系統設計困難的地方在于：(1)塑件體積大，且插孔、側槽、柱臺孔、插槽等特征數量多，料流在這些特征位置流動變向多，難以獲得穩定的料流方向，難以達到平衡澆注效果；(2)前后端中間隔著一個大型破孔，前端、后端的體積不對等，難以獲得充填平衡效果；(3)由于熔融流動塑料在塑件背面加強筋、槽筋特征等筋位多，壁厚薄的地方流動容易受阻，特別容易產生充填不足。

難以脫模的主要問題表現為：(1)在塑件背面槽筋較多的地方，壁厚薄且冷卻后包緊力大，頂出元件的位置設置不好置；(2)側邊的側槽及轉軸槽特征的脫模方向與主體的脫模方向不一致，且結構特征復雜，成型件不容易抽出，抽出時容易帶出轉槽特征使其扭彎變形，需要設置特殊的脫模機構；(3)在塑件的兩個單側邊，分別設置有3處側邊孔，該側孔細小而又深，需要用細長型芯來成型和進行側抽芯脫模。

塑件另外一個難點是塑件成型件的加工，塑件上由于局部特征較多，如臺柱孔、插孔等特征，相應的成型件形狀較為復雜，特別薄壁特征，采用普通的數控銑加工難以達到成型的目的，需要采用電加工或者將成型件分拆成多個成型件方式來簡化加工。

1—上模座板 2—上模仁 3—下模仁 4—模仁楔緊塊 5—圓柱定位塊 6—鎖模片 7—水堵 8—密封圈 9—快速接頭 10—頂針11—頂桿套 12—微動開關 13—定位圈 14—拉料桿 15—澆口法蘭 16—彎銷 17—滑塊頭 18—滑塊體 19—限位螺釘20—滑塊壓條 21—斜導柱 22—斜導柱壓塊 23—第二滑塊 24—延時推桿 25—推桿擋塊 26—推桿板 27—推桿頂針28—限位螺釘 29—推桿板彈簧 30—轉軸槽滑塊頭 31—耐磨板 32—限位銷 33—滑塊壓條 34—小鑲件35—頂出限位塊 36—頂桿 37—支撐柱 38—復位桿 39—復位桿彈簧 40—導柱 41—流道板導套42—定模板導套 43—拉桿套 44—長拉桿 45—樹脂開閉器 46—流道板 47—定模板 48—動模板49—墊塊 50—底板 IN1～IN12—冷卻水入口 1OUT～12OUT—冷卻水出口 P1、P2、P3—開模面圖2 模具結構Fig.2 Structure of the mould

2 模具設計

綜合塑件的澆口位置開設需要及脫模機構的設置需要，模具結構中采用一模一腔布局方式進行整體模腔布置較為合適，其結構布局及各機構結構設計如圖2中所示。模架采用簡化型三板模結構形式，模架的打開分3次打開，分別為P1、P2、P3分型面，打開順序為P1→P2→P3。模腔的澆注通過5個點澆口來進行澆注，以達到平衡澆注的目的。

模腔內塑件不是平整塑件的緣故，需要做近外形均勻冷卻，因而其冷卻方式主要采用管道+水井方式來進行，近外形均勻冷卻管道共13條，分置于定模的有8條，動模5條。鑒于塑件上下表面形狀復雜、高低不一的特點，因而設計了如圖2中所示的深井式冷卻管道，水井可依據塑件表面的高低走向，而設置不同深度的水井，從而能做到對塑件的表面進行有效冷卻，在水井中設置隔水片以保證管道流動路徑上截面的等效性，水井直徑R與管道直徑r的關系為：r=10 mm，R=16 mm。

成型件小型化便于加工的緣故，成型件采用鑲件鑲拼方式，型腔和新型各采用一個大鑲件，然后針對鑲件上難加工特征，采用分拆小鑲件的方式來拼接。 塑件外沿分型面高低起伏不平，閉合后注塑時不足以使模腔內的高壓氣體順利排出，腔內排氣需要利用鑲件間間隙來加強排氣，但其排氣間隙不能超過塑件的飛邊值，因而間隙設置為δ=0～0.015 mm。

為防止頂出時塑件的破裂，頂出機構中采用了一種的方頭圓形頂桿36來直接對深筋特征進行頂出，該頂桿的上端設置為扁型頂針，下端采用增強型圓柱桿，這樣，有利于頂桿的頂出強度的同時，也減小了零件的加工難度。

塑件上，針對側邊上特征，其脫模需要用側抽芯來進行脫模，因而，結合此處特征的具體特點，其脫模機構采用一種復合抽芯機構形式來設計，對另一側邊特征并排孔的脫模則采用一種簡化型彎銷滑塊抽芯機構來實施側抽芯脫模，塑件的完全脫模采用頂桿頂出脫模。

2.1 澆注系統設計

(1)澆注系統模流分析 澆注系統的澆口位置設計如圖3(a)所示，共采用5點進行澆注，G1/G3-G2/G4構成4個平衡澆注點，但實際情況是，由于塑件上槽筋等特征的影響，此四點難以做到使模腔的周邊得到平衡注塑，故而，增加第5點即G5點來做平衡，從而滿足模腔的注塑需要。增加第G5點做平衡獲得的模腔充填效果如圖3(b)、(c)所示。從充填時間可以看出，塑件注塑時間不超過1 s，充填末端位于塑件主板體的中央位置，這樣能保證塑件四角能得到有效充填，且結合塑件注射壓力來看，充填末端的壓力在4 MPa以上，充填壓力充分，模腔所需的充填壓力不高，在50 MPa左右。結合其他的結果，如前鋒溫度、整體溫度、熔接線、氣孔、及縮痕等結果來看，該5點式澆注系統能有效保證塑件模腔的注塑效果。

(a)澆注系統 (b)充填時間 (c)充填壓力圖3 澆注系統設計Fig.3 Gating system design

(2)結構組件 如圖4所示，澆注系統所使用的零件為定位圈13、 拉料桿14、澆口法蘭15，其中，澆口法蘭15為縮短流道長度，而反裝于上模座板1的反面，拉料桿14的頭部依據塑件的材質特點而選用蘑菇頭形式的拉料桿。

G1～G5—澆口編號圖4 澆口位置Fig.4 Gate location

2.2 分型設置

分型面設置如圖5所示，分型面設置中，針對塑件中間部位的破孔，采用碰穿式破孔補面，將破孔面設置于成型件型芯一側，此類特征包括塑件上的螺柱孔，臺柱孔、插孔等。針對前、后端中間部位的大破孔區域，則采用插穿式補孔方式進行補孔分型，主分型面盡量設計成平直型分型面。針對側面的側槽、轉軸槽特征，則分別設置兩個枕位型分型面，一是有利于上下成型件的定位，二是便于此兩種特征的側面抽芯機構的設置。分型面的四角，設置成臺虎口形式，以保證上下腔成型件閉合時的準確定位。

2.3 模腔鑲件

分型設置好后，獲得的成型件上模仁2、下模仁3的形狀如圖6所示，模仁2、下模仁3的四角采用清角形式安裝于相應的定模板47和動模板48的框槽內，上模仁2、下模仁3分別采用兩個模仁楔緊塊4來進行鎖緊定位，通過單邊靠邊定位方式來進行定位，有利于降低此2工件在模具中的裝配定位難度。上模仁2為型腔鑲件，下模仁3為型芯鑲件。結合塑件的成型表面要求，及SKD61的加工性能及使用性能，上模仁2材料選用此材料較為合適，使用時，須將該材料熱處理至HRC48～52；相對而言，下模仁3的使用要求相對低一些，宜選用45#鋼，能有效降低模具的制造成本，使用時，該材料須熱處理調質至HRC38～42。

圖5 分型設置Fig.5 Parting settings

圖6 模腔設置Fig.6 Mould cavity settings

3 側面抽芯機構

圖7 側抽芯機構布置圖Fig.7 Composite core-pulling mechanism

側面抽芯機構包括兩種機構，一種為將塑件的側槽和轉軸槽集成在一個側面進行抽芯的滑塊頂針復合式二次抽芯機構，一種是彎銷驅動時簡化型彎銷滑塊抽芯機構。應用于塑件側抽芯的滑塊機構設置如圖7所示。2個滑塊頂針復合式二次抽芯機構用于塑件左右兩端的側面抽芯脫模，1個簡化型彎銷滑塊抽芯機構用于塑件后端的側抽芯脫模。

(1)滑塊頂針復合式二次抽芯機構

結合圖2所示，如圖8所示，機構的組成包括件21～件32。機構中，用一個成型鑲件1成型一端的2處側槽，一個成型鑲件2成型一端的1處轉軸槽，為減少滑塊機構的數量，將鑲件1和鑲件2合并在第二滑塊23上，并由2個斜導柱21對其進行驅動， 第二滑塊23底部設置了2個導向條來進行抽芯運動導向，3個耐磨板31來降低滑塊安裝偏差所導致的運動卡滯阻力。

2—上模仁 3—下模仁 21—斜導柱 22—斜導柱壓塊 23—第二滑塊 24—延時推桿 25—推桿擋塊 26—推桿板 27—推桿頂針28—限位螺釘 29—推桿板彈簧 30—轉軸槽滑塊頭 31—耐磨板 32—限位銷 33—滑塊壓條 47—定模板 48—動模板 P3—開模面(a)滑塊頂針復合機構結構圖 (b)機構安裝剖切圖 (c)復合機構工作原理圖圖8 滑塊頂針復合式二次抽芯機構Fig.8 Compound secondary core-pulling mechanism with slider and ejector pin

特別地，鑲件2所對應的轉軸槽是容易產生脫模變形，因而，在第二滑塊23上附加設計了頂針頂出二次抽芯機構，機構的安裝情況如圖8a、8b所示，推桿板26安裝于第二滑塊23所開設的槽內，其一端安裝推桿頂針27，一端安裝有延時推桿24，推桿板彈簧29安裝于推桿板26與轉軸槽滑塊頭30之間，用于驅動推桿板26緊貼于第二滑塊23的槽內壁，推桿擋塊25用螺釘緊固安裝于定模板47上，斜導柱21用壓板壓緊安裝于模具的定模板47上。機構的原理為：如圖8c所示，當模具模腔的開模面P3打開時，模具動模板48下行，第二滑塊23跟隨模具動模板48下行，斜導柱21驅動第二滑塊23在其邊下行的過程中，邊向外抽芯，與此同時，第二滑塊23下行過程中，將帶動其上的延時推桿24也同步下行，但由于推桿擋塊25的有直身段(a—b點)將驅動延時推桿24頂住，保持其與塑件之間相對不移動，推桿24在第二滑塊23的側抽芯方向上不能跟隨第二滑塊23向外移動，因而抽芯頂針將能頂住塑件的轉軸槽壁，而安裝于第二滑塊23上的轉軸槽滑塊頭30跟隨第二滑塊23一起向外移動，則能與塑件脫離，由于延時推桿24的頂住，塑件轉軸槽壁不會被成型轉軸槽滑塊頭30連帶抽出而變形；當P3面開模打開一定距離后(a點→b點)，推桿擋塊25將與延時推桿24脫離接觸，從而，在彈簧29的推出下，推桿頂針27將從塑件上側抽芯，并能跟隨第二滑塊23一起抽出，實現轉軸槽壁的完全脫模，這樣，能有效避免轉軸槽滑塊頭30抽芯時，將使轉軸槽產生脫模變形。

(2)側邊彎銷滑塊抽芯機構 針對側邊多孔的同步抽芯需要，設計了一種由件16～件20機構的構成零件包括的側邊彎銷滑塊抽芯機構，如圖9所示，機構通過兩個彎銷16來驅動滑塊體18進行抽芯，其上用螺釘緊固安裝的滑塊頭17用于對塑件的整體側面及3個側孔進行成型。彎銷16的下端設置有反鎖面，以保證滑塊體18在注塑時不松退。

16—彎銷 17—滑塊頭 18—滑塊體 19—限位螺釘 20—滑塊壓條圖9 彎銷滑塊機構Fig.9 Bending pin slider mechanism

4 模具工作原理

結合圖2所示，將模具安裝于注塑機上后，模具的工作過程為：

(1)模具閉合。模具經充填、保壓、冷卻等環節后，等待開模。

(2)斷料P1打開。動模后退，模具在P1打開，流道廢料與塑件在點澆口處崩斷分離。

(3)脫料P2打開。動模繼續后退，模具在P2面處打開，流道廢料從拉料桿14上刮落，流道廢料自動脫模。

(4)模腔打開P3打開。繼續動模后退，模具在P3面處打開，此時，斜導柱21驅動第二滑塊23，彎銷16驅動滑塊18同步進行抽芯，完成塑件上對應特征的側抽芯脫模。

(5)塑件頂出。動模繼續后退，頂桿36等將塑件從下模仁3上頂出，完成塑件的完全脫模。

(6)復位。動模前進，模具按P2→P3→P1次序依次閉合，對應的脫模機構也依次復位，模具閉合，等待下一次注塑循環。

5 結論

(1)針對塑件的成型需要，設計了其一模一腔三板模注塑模具，模具中澆注系統采用5點點澆口進行平衡式澆注，冷卻采用水井+管道復合方式進行冷卻，塑件的頂出采用一種改進型柱體方頭型頂桿來頂出；

(2)針對側邊特殊特征的脫模，設置了2種抽芯機構來進行抽芯脫模，一種為滑塊頂針復合式二次抽芯機構，一種為彎銷滑塊抽芯機構，滑塊頂針復合式二次抽芯機構巧妙地在側滑塊上設置了延時頂針，通過利用定模上的推桿擋塊來對頂桿進行延時頂出，先保證側面成型塊先抽芯，然后滑塊上的側面頂針再抽芯的方式，避免了因一次性側面抽芯時容易導致塑件脫模時的變形。