內側凹殼體注射模結構設計

陳智明

國光電器股份有限公司（廣東廣州 510800）

1 引言

在產品設計過程中，常常會遇到一些特殊外部形狀的塑膠殼體部件（如周邊內側凹），因其結構要求的特殊性，給模具設計人員帶來了很大的挑戰，與此同時亦需要在產品結構設計的初期充分考慮到模具的可行性，力求做到既滿足結構功能要求的同時，又能最大限度地滿足模具的設計要求，以求達到兩全其美的最優實施方案。

本文所闡述的案例是一個周邊內側凹殼體的脫模原理，重點剖析其作為關鍵部件的收縮型芯參與脫模的整個運動過程。

2 殼體工藝分析

圖1所示是殼體的技術要求工程圖。從圖1可以看出，其基本外形就是一個近似跑道形的球體，內部周邊設有側凹，故無法直接完成脫模。另外，在殼體的M、N、O 3個視圖方向還設計有一些柱孔和沉臺等的結構特征，要解決所有這些特征的脫模問題，必須采用一些特殊的處理方法才能實現。

通過殼體的3D建模圖進一步分析，該殼體的脫模可以分兩大部分來考慮：首先是外形脫模，其次是內側凹的脫模。

總體來說，脫模的基本思路：①哈夫滑塊實施外形脫模；②收縮型芯實施內部側凹脫模分兩步，亦即是二次頂出。第一步，動模板彈出推板，使固定在動模板上的斜楔與推板發生位移，使型芯產生內部空間，讓型芯的外部拼塊能夠往內部收縮；第二步，頂桿板通過斜頂負責作最后頂出殼體工作。

圖2 殼體外形分模方案

3 殼體外形脫模過程

對于殼體的外形脫模方案，比較容易作出判斷選擇。首先要確定外形的分模線位置和走向，如圖2所示，如果單就外形面的分形，方案初步分析應該有兩種。

很明顯，殼體N向的跑道形大沉臺及其上面依附的柱子與孔都是需要設置一個斜向的滑塊作為脫模的。

圖1 殼體工程圖

方案一，依照PL1上下分模，好處是殼體外形脫模不需要滑塊，但在N向的跑道形大沉臺的分模位置不在其分模投影的最大處，導致其型腔在分模面處形成鋼料兩個的銳角，影響模具強度，顯然是不可行的。

方案二，PL2左右兩邊分模，則需要設置兩個哈夫滑塊，雖然在殼體的圖1中“O向”上也有一個跑道型孔，但由于前期的結構設計做了優化，所有膠位都出在型芯上，至于哈夫滑塊分模線是否位于這個跑道型孔的側投影最大處已經是無關要緊的了，原因就是此跑道型孔不需滑塊脫模。

綜合以上分析，外形部分的脫模方案選取了方案二的哈夫分模線PL2作為分模方案，依此作為本案例的模具結構設計。

圖3是動、定模打開后，殼體還留在定模型芯的情況。開模后，兩個哈夫滑塊在兩個油缸的作用下，將殼體的外形完全脫開。

圖3 動、定模打開圖

4 殼體內部側凹脫模過程

殼體內部的內側凹脫模其實就是本個案例所要闡述的問題核心，因此會將這一部分作比較詳細介紹。殼體內部周邊存在障礙體的分布情況如圖4所示，沿周邊大部分內側都存在障礙值ΔH不等障礙體[2]，使之無法按正常的方法直接脫模。所以，就要為殼體內部障礙體的脫模制定一套可行的方案。

殼體整圈內側凹意味著負責成型的型芯其整個外圈部分都要向內收縮才可以達到脫模的目的。因此，從原理上就有了如下的設計分析。

從圖4可以得知，呈跑道形開口的殼體周邊內部的側凹障礙體占了3/4以上，因為不能對殼體內部實施直接脫模，所以必須設置一個型芯內縮的機構才能達成目的。要能實現型芯內縮，在脫模的過程中必須首先在其內部造成一個空心的位置，讓外圍型芯的分割塊體有足夠的空間向內部收縮，進而完成殼體的內部脫模。為了描述方便，用圓形的型芯內縮作為收縮模型來分析，收縮型芯的分解動作步驟分解為如圖5所示的3步。

在圖5中，型芯被拆分為：型芯中部為獨立部分，外圍一共被拆分為8塊拼塊，分割線為“八”字形，又將這8塊拼塊分為兩組，1～4的4塊拼為第一組，5～8的4塊拼為第二組。第一步：型芯中部抽空，給8塊拼塊內收騰出空間；第二步：第一組1～4的4塊拼件往中間收縮行程；第三步：待1～4拼件內縮產生足夠的空間后，余下的外圍第二組4～8拼塊再往中間收縮。經過3步，完成的整個型芯內部收縮動作。

注意事項：第一組1～4的拼塊收縮后所得到的空間是否足夠第二組5～8拼塊收縮所需空間。這兩步所收縮的行程一般都要比塑件的內部障礙值ΔH大3mm為宜，具體的數據計算要事先設計好。

圖4 殼體內側凹障礙體分布情況

圖5 收縮型芯原理

基于這個原理，相對應地把本案例的殼體的型芯分割為如圖6所示方案。第一組拼塊為1～4，第二組拼塊為5～8，兩組的各個拼塊之間用“八”字形分割，第一組拼塊是內“八”字，第二組拼塊是外“八”字，包括中間的斜斜，整個型芯被拆分為9個部件。

圖6 殼體型芯分割圖

實際上，這兩組拼塊的收縮動作都是通過中間的斜楔在中心位置抽離時，被它們之間連接的燕尾槽作用而向內收縮。

5 收縮型芯的結構介紹

從圖7、圖8和圖9可以看出，中心斜楔上設有8組不同斜度的燕尾槽導軌，當它被抽離時，會留出內部空間讓第一組和第二組拼塊向內收縮。因為中間斜楔上設有配合第一組和第二組拼塊帶有斜度的燕尾槽，在中心斜楔抽離的同時，第一組和第二組拼塊會被燕尾槽帶動內收位移，型芯達到整體的外形內縮。

圖7 收縮型芯核心機構

圖8 斜楔與第一組和第二組拼塊

圖9 中心斜楔抽離前后對比

因此，首先介紹斜楔和拼塊的驅動分工。如圖10所示，中心位置的斜楔是固定在動模板上的，而第一組拼塊固定在推板上，由斜楔推動，第二組拼塊是作為斜頂，先由斜楔推動，后由頂桿板頂出。

通過設在動模板上的油缸頂出推板，從而得以實現斜楔與推板的抽離動作，使得第一組同時向中間內收，如圖11所示。

圖10 氣缸頂出推板，中心斜楔抽離過程。

圖11 第一組拼塊收縮

實際上，由于第二組拼塊也是通過斜楔的燕尾槽帶動的，所以當第一組拼塊進行內收運動的同時，第二組拼塊也是跟著一并進行內收的。同時，當動模板上的油缸頂出推板時，頂桿板上因有設置在推板上的限位拉桿，使得推板被頂出時，頂桿板也跟著一起同步被拉出，這就相當于斜頂（第二組拼塊）也被頂出了相同的一段距離。即斜楔的抽離動作帶動了第一組拼塊內收，也帶動了第二組拼塊的內收，同時還拉動了頂桿板，使得頂桿板上的斜頂也作了同步的頂出動作，如圖12所示。

圖12 斜頂2組拼塊運動

當第一組和第二組拼塊的內縮通過中間斜楔的斜度導向燕尾槽作用同步往中間收縮過程中，油缸推動推板直至被4個限位鉤拉停。至此，完成了拼塊組的第一步收縮動作。這里有一個關鍵參數要注意，就是第一組拼塊的斜導角度要比第二組的斜導角的角度要大一些，這樣可以防止兩組拼塊同時作收縮運動時不會產生干涉，增加機構運動的安全系數。在這第一步收縮動作完成后，殼體的跑道形凹槽還留在推板的鑲件上未能脫模，如圖13所示。因此，還需要在注塑機頂桿推動頂桿板來帶動拼塊2組的斜頂做最后的頂出，使得殼體完全從型芯的模板上脫離。完成塑件的脫模過程，如圖14所示。

圖13 殼體未脫模部分

圖14 殼體完全脫模

6 關鍵機構運動分析

（1）型芯拼塊的斜導向角度設計要領。

要刻意地把第一組和第二組拼塊斜的斜度設計成不同值，這樣做的目的就是在推板被頂出過程中，斜楔塊被抽離時，使兩組拼塊一起向內部收縮所拉開相對的距離發生差異，形成間隙，使得兩組拼塊之間不會產生干涉。如圖15、圖16所示。

下面計算驗證，如圖16所示，斜楔與拼塊相配的8處斜度分別是：拼塊1為12°，拼塊2和拼塊3為10°，拼塊4為9°，拼塊5～8都是4°。從數據可以得出第一組1～4拼塊所有的斜度都大于第二組的4°。假定中間斜楔抽出距離為50mm，這樣可以計算第一組最小的斜導角9°的拼塊4的內收距離和第二組拼塊的內收距離，比較一下它們的大小。

圖15 斜楔抽離前后拼塊對比及間隙

圖16 斜楔燕尾槽斜度

式中 D——內收縮距離

L——斜楔抽出距離

α——斜導角

拼塊4的內收距離：

第二組拼塊的內收距離：

顯然，第一組拼塊內收距離是大于第二組拼塊的。因為收縮距離的不同，使得它們在動作時就產生了的間隙，所以說兩組拼塊在斜楔抽離時即使同時往內收縮都是不會產生干涉的。

（2）直頂塊加斜頂的設計介紹。

第二組5～8拼塊是鑲嵌在斜頂桿上的，同時斜頂桿與頂桿板上的直頂通過T型槽連接，在注塑機的頂桿作用下，實施斜頂頂出動作，如圖17所示。

圖17 直頂、斜頂桿與拼塊連接

第二組拼塊采用直頂塊通過T型槽連接斜頂桿的優點，可以有效地縮短斜頂的設計長度，無需為之配置更大的頂桿板的模架，節約成本。同時也能增加斜頂的剛度，使得斜頂變形小，有效地提高模具的整體使用壽命。

綜上所述，如果把此案例歸納一下的話，就是一個二次頂出機構的演化。第一次是推板頂出帶動拼塊向內收縮，第二次是頂桿板帶動斜頂頂出整個殼體。

本文所介紹的收縮型芯機構原理其實就是將型芯拆分為中間的斜楔以及外圍拼塊，而外圍拼塊則分為兩組，并且利用“八”字形進行拼塊間的劃分。同時，外圍的兩組拼塊與中間的斜楔設有燕尾斜導槽嚙合作為收縮運動的導向。當動模板上的推板被推開時，固定在動模板上的斜楔就會拉動外圍兩組拼塊作內收縮，進而達到整個型芯外形尺寸縮小的目的，使得殼體的內部側凹障礙體順利脫離模具的型芯。最后再通過頂桿板上的斜頂機構頂出殼體未脫模部分，完成整個殼體的脫模工作。

7 結束語

本案例屬于典型的內凹殼體的注射模設計，其意義在于具有一定擴展應用性，可以給同類型塑件提供結構及模具設計的基本思路，具有一定的參考作用。

對于收縮型芯的設計方法的提出，也可以考慮在其型芯分割數量上作一些探討。從理論上來說，收縮型芯分割的瓣數越多，其于收縮的脫模行程距離就越短，這當然是有利的一面。但是，收縮型芯分割的瓣數太多時，也會增加型芯制造的復雜性，這些情況都要綜合考慮，不可只顧一面而有失偏頗。