打印機骨架復雜分型三板模結構設計

劉紅燕，王偉偉，梁 蓓，卞 平

(1.湖南財經工業職業技術學院，湖南 衡陽 421002；2.浙江工商職業技術學院，浙江 寧波 315012；3.湖北工業職業技術學院，湖北 十堰 442003)

0 前言

注塑模設計中，塑件的分型直接影響到模具結構設計。在塑件的模腔設置設計中，雖然在設計程序上，應優先考慮塑件澆注系統的澆口位置及數量設置，但很多情況下，由于塑件的結構較為復雜，澆注系統的設置應首先服從于塑件的模腔分型需要[1-4]。原因在于塑件的模腔分型設計一方面考慮模腔的布局對模架選用的影響，盡可能地降低模具的制造成本，另一方面在于塑件脫模機構的設置需要，模腔主分型面的選用應盡可能地減少側面脫模機構選用的數量需要，盡可能地避免復雜抽芯機構的使用[5-9]。在模具設計實踐中，影響模具結構方式的選用涉及到模具的整體制造成本，一般優先選用普通的兩板模結構形式[10-13]，但隨著塑件所需生產產量的加大，兩板模中側澆口的切除需要大量的人工手工來操作，導致人力成本增加[14-16]，因而，選用三板模來實施澆注廢料與塑件的自動分離顯得非常必要，三板模的選用，在改善熔融料在模腔內的流動性能，提升塑件注塑品質方面也是一種非常必要的設計手段。

1 打印機骨架塑件

打印機骨架塑件的形狀如圖1所示，塑件材料為改性丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯聚合物(ABS)，縮水率為0.6 %、平均壁厚為2.2 mm、最大壁厚為2.8 mm、最小壁厚為1.5 mm。塑件的兩端(左側面和右側面)為骨架支撐體，兩端由中間的4個橫板梁(第一、第二、第三、第四橫板梁)連接在一起，第一、第二2個橫板梁的中間部位通過4個連接筋(j1～j4)連接在一起，構成塑件的骨架本體。

圖1 塑件形狀Fig.1 Shape of the plastic part

塑件上設置有較多的結構特征，如圖2所示，包括2種類型的螺柱孔(b1～b2)、7種類型的直通孔(h1～h7)、9種類型的附加特征(d1～d9)、1種卡槽(k1、k2)、1種類型的接插管接頭(B1、B2)。

圖2 特征分類Fig.2 Feature classification

2種類型的螺柱孔b1、b2中，b1有3個同類型的孔，b2有2個同類型的孔。7種類型的直通孔中，包括h1～h7，其中，h1類型的有13個，h2類型的有3個，h3類型的有3個，h4、h5為內側邊孔，各有1個，h6為兩端側板上的結構安裝孔，兩端側板各設置1個，共2個，h7為j2，j4連接筋上的孔。9種類型的附加特征，包括d1～d9，d1～d4為右側面一側的特征，d1為開放性側面三角形掛鉤，d2為帶3個加強柱的側面螺絲柱，d4為護位小筋板，d5為倒勾加強筋，d6為矩形掛鉤，d7、d9為端側面非連續性凸緣，d8為梁板間的插針柱，有2個。k1、k2為第一橫板梁上的2個側向卡槽扣。1種類型的接插管接頭中，接插管接頭B1位于塑件右側面一側，如N向視圖所示、B2位于左側面一側，如M向視圖所示。

2 脫模分析

塑件各細節特征的尺寸設置如圖3所示。針對本塑件的復雜的形狀特點，澆注系統及分型設計前，應事先做好各細節特征的脫模設置，即脫模方向和抽芯行程，優化塑件在模腔中的布局設置，以盡可能地降低模具的結構設計難度和降低模具制造成本。塑件中，第一橫板梁和第二橫板梁呈57 °夾角，第二橫板梁和第三橫板梁之間的夾角為21 °，第一橫板梁和第四橫板梁之間為平行板，兩者相距21 mm，第四橫板的寬度為32 mm。在第一橫板梁和第四橫板梁之間設置2個d8獨立柱子，柱子高度為21 mm。顯然，第一橫梁板和第二橫梁板之間形成的空間槽也需要實施抽芯才能脫模，d8柱子同樣也需要沿其柱軸向方向進行抽芯脫模。

(a)俯視主視圖 (b)前視圖 (c)后視圖 (d)H-H剖視圖(e)I-I剖視圖 (f)J-J剖視圖 (g)K-K剖視圖圖3 特征尺寸Fig.3 Feature size

3 分型及脫模方案

在抽芯方向較多且數量既定的情況下，塑件在模腔中擺放，即布局方式的選擇，將極大地影響模具結構的設計難度。

對塑件的抽芯方向進行歸類后，可以分為以下幾組：(1)b1的軸心方向。抽芯方向與b1軸心方向相同的特征有b1、b2、h2共8處(第一方向F1)。(2)h1軸心方向。抽芯方向與h1軸心方向相同的特征有h3孔，共16個孔(第二方向F2)。(3)B1、B2為一個方向(第三方向F3)。(4)d1～d7、h5、h4為同一個方向，且位于同一側面右側面(第四方向F4)。(5)d8與第一橫梁板和第四橫梁板的空間槽抽芯方向為同一方向，k1、k2的抽芯方向與d8方向相同(第五方向F5)。(6)h6、d9為同一方向，且位于同一側面左側面(第六方向F6)。(7)h7為一個方向，且方向與d1平行(第七方向F7)。從圖3中可以得知，B1～B2、b1～b2、h1～h7等都為孔類特征，其脫模方向只能設置成與孔的中心軸線平行，且遠離塑件的方向。

上述7個的抽芯方向中，必須有一個方向與模具的開模方向相同，顯然，選用F1方向作為開模方向，能明顯簡化模具的結構。在F1與模具主開模方向Z向同向的情形下，塑件的分型面設置如圖4所示，圖4中，P0為主分型面，P1為次分型面。

P0、P1—外分型面 P2—內分型面 Z—模具開模方向(a)H—H剖視圖 (b)I—I剖視圖圖4 分型及脫模機構布局Fig.4 Parting and layout of demolishing mechanism

在此分型設置下，塑件的脫模方案為：

P0、P1—外分型面 P2—內分型面 P3、P4—側分型面(a)前軸測視圖 (b)后軸測視圖圖5 主分型線走向Fig.5 Trend of main parting line

(1)如圖5所示，在以P0為主分型面的情形下，第二橫梁板與第三橫梁板之間由j1～j4特征所隔開的5個凹槽區域通過圖4所示的內分型線進行分型，脫模時，塑件的第一橫梁板與第二、第三橫梁板之間的大部分區域為型腔面，由型腔面與塑件直接分離即可實現脫模。脫模方向為F1向的所有特征的脫模同步獲得脫模。第一橫板梁與第四橫板梁之間的區域可設置1個斜滑塊進行抽芯可實現該區域的側抽芯脫模，繼而，F5方向所有特征可同步實現脫模。P0-P2-P1以下的Z向反向區域為型芯成型件區域；

(2)如圖6(a)所示，脫模方向為F4向的特征采用一個側面分型面P3面來分型，其成型件運用一個側面滑塊來成型，該成型滑塊的頭部集成d1～d7、h5、h4特征，成型區域包含P3分型面所分開整個側面區域，如圖6(b)所示。d1～d9的抽芯方向則垂直于其結構特征所在基礎平面，d1～d4、d7位于右側面上，所需抽芯距為14 mm，當然，d1～d7、h5、h4特征理論上的抽芯距已不起作用，其實際抽芯距離(H)為111 mm；

P3—側分型面(a)P3分型區域 (b)P3區域成型件圖6 P3主分型線 Fig.6 P3 parting line

如圖7(a)所示，第六方向F6抽芯方向的分型線設置如圖7(a)中的P4分型線，其成型件運用一個側面滑塊來成型，該成型滑塊的頭部集成其所對應的成型特征包含h6、d9特征及P4分型線所分開整個側面區域，如圖7(b)所示。同樣，h6、d9特征理論上的抽芯距離也不起作用，其實際抽芯距離(S)為42 mm。d5、d6、d9位于左側面上，所需抽芯距為11 mm；

P4—側分型面(a)P4分型區域 (b)P4區域成型件圖7 P4主分型線Fig.7 P4 parting line

(a)設置Ⅰ (b)設置Ⅱ圖8 脫模機構設置Fig.8 Demolishing mechanism settings

(3)如圖8(a)中所示，第二方向F2為h1孔的中心線方向，其對應的16個孔的抽芯采用一個側面滑塊——后斜滑塊來驅動，16個孔對應的成型件為圖8(a)中所示的h1鑲件和h3鑲件。h1、h2、h4、h7的抽芯距離為6 mm，h3需10 mm的抽芯距離，h5、h6則須8 mm的抽芯距離；

(4)結合圖1特征第五方向F5所對應的特征k1、k2及空間槽采用一個滑塊——前斜滑塊來實施抽芯，如圖8(a)所示。k1、k2的抽芯方向與其外側面垂直，所需抽芯距離為13 mm；j2、j4筋板的彎鉤特征位于模腔的型腔一側，其上的2個h7孔也位于型腔一側，因而，兩種情況合并采用2個前模斜頂頂出側抽芯方式來脫模；

(5)如圖8(b)所示，第三方向F3所對應的B1、B2兩個接插管接頭的抽芯方向相同，因而分別采用B1鑲件和B2鑲件來成型和抽芯脫模。B1、B2所需抽芯距離為30 mm。特別地，考慮到h4孔的抽芯如按第四方向F4方向抽芯，則被B1特征所阻擋，因此，其抽芯方向采用F4的方向來抽芯，因而，需要特別設置一個斜頂鑲件h4鑲件來進行頂出脫模，如圖8(b)所示。

從以上脫模方式的歸類中可以看出，在圖3所示分型設置下，除第(1)、第(6)種情況所述脫模需要在模腔的型腔側進行頂出脫模外，其余各類情況的脫模皆可以在模腔的型芯側來完成。因此，如圖4所示的分型方式有利于模具整體結構的簡化。

4 模具設計

結合前述，在圖4所示分型下，塑件從模腔里的脫出需要在塑件的6個側面都設置脫模機構來實施脫模。因此，結合圖3中所示的塑件尺寸大小及其余模腔布局因素，塑件的模腔布局以一模一腔布置較為合適，其布局如圖9所示。在圖8所示的單腔布置下，需要設置6個側抽芯機構、3個斜頂機構來實現上述8種脫模情況的脫模。6個側抽芯機構分別為S1～S6，3個斜頂機構分別為D1～D3。

S1～S6—抽芯機構編號 D1～D3—斜頂機構編號 G1～G3—澆口編號(a)動模俯視圖 (b)定模仰視圖圖9 模具布局Fig.9 Mould structure

其中，結合圖8所示，S1滑塊機構對應于P4分型線所確定的第六方向F6抽芯滑塊機構。S2滑塊機構對應于P3分型線所確定的第四方向F4抽芯滑塊機構。S3滑塊機構對應于第三方向F3的B2鑲件的抽芯，S4滑塊機構對應于第三方向F3的B1鑲件的抽芯。S5滑塊機構對應于第二方向F2的16個孔成型鑲件的抽芯。S6滑塊機構對應于第五方向F5的特征成型件的抽芯。相對于主分型面P0而言，機構S1、S2為水平側滑塊抽芯機構，S3～S6機構為斜滑塊抽芯機構。

斜頂機構中，D1、D2斜頂機構位于型腔一側，D3斜頂位于型芯一側。D1斜頂機構對應于j4筋板及其上h7孔的側抽芯脫模，D2斜頂機構則對應于j2筋板及其上的h7孔的側抽芯脫模。D3斜頂機構對應于h4孔的型芯側頂出側抽芯脫模。

從脫模機構的布置可以看出，模腔的澆注若采用側邊進料方式進行澆注，很明顯，澆口須從S1、S2、S5、S6滑塊上開設，這明顯將使澆注系統的主澆道中心偏離模具的中心，其次，開模時，隨著滑塊的側抽芯抽出，不利于流道廢料從型腔中拔出。若澆口開設于第一、第二、第三橫梁板上，同樣也會產生主澆道中心偏離設置問題，且流道為曲面流道不利于加工。若開設于j1～j4構成的5個凹槽，受凹槽形狀限制，澆口所在位置不利于塑件的平衡注塑。因而，澆口的最佳設置方式采用點澆口進行注塑較為合適。經模流分析設計后，模腔的注塑采用3點點澆口進行澆注，3個點澆口的位置布置設計如圖9中的G1、G2、G3位置所示。即考慮塑件的特點后，將塑件從G3所在的對稱中心分開，分兩個區域進行注塑，G1、G2則為兩末端區域各自的質量中心點位置。

4 模具結構分析

模具的整體結構設計如圖10所示。

1—定位圈 2—澆口套 3—流道板 4—定模板 5—動模板 6—墊塊 7—底板 8—保護柱 9—先復位插桿 10—擋塊11—擺桿 12—推板 13—蓋板 14—復位桿 15—復位桿彈簧 16—水嘴 17—垃圾釘 18—尼龍扣 19—下拉桿套20—定模板拉桿 21—定模板副導套 22—定模板副導柱 23—模架導柱 24—流道板導套 25—定模板主導套26—S2滑塊底磨板 27—S2滑塊拉桿板 28—S2滑塊抽芯彈簧 29—S2滑塊抽芯拉桿 30—S2滑塊 31—S2滑塊導柱壓塊 32—S2滑塊斜導柱 33—側邊墊塊 34—固定螺絲 35—拉料桿 36—前斜頂桿 37—前斜頂座38—小墊板 39—彈簧壓板 40—前斜頂彈簧 41—S1滑塊斜導柱壓塊 42—型針 43—背耐磨板 44—S1滑塊斜導柱 45—S1滑塊 46—S1滑塊抽芯彈簧 47—S1滑塊抽芯拉桿 48—S1滑塊拉桿板 49—S1滑塊底耐磨板50—楔緊塊 51—支撐柱 52—導柱壓緊塊 53—滑塊 54—管套型芯 55—管內型芯 56—拉桿板 57—抽芯彈簧58—抽芯拉桿 59—S6滑塊斜導柱 60—S6斜滑塊 61—S6斜滑塊座 62—S5滑塊斜導柱 63—S5滑塊 64—斜孔型芯65—S5滑塊拉桿板 66—S5滑塊抽芯彈簧 67—S5滑塊抽芯拉桿 68—S5滑塊耐磨板 69—S6滑塊導向條 70—型腔鑲件71—型芯鑲件 72—D3斜頂桿 73—D3斜頂座 PL1、PL2、PL3—開模面(a)前剖主視圖 (b)模具俯視圖 (c)斜頂局部剖視圖 (d)開模控制機構安裝 (e)滑塊機構安裝Ⅰ (f)W向視圖 (g)滑塊機構安裝Ⅱ圖10 模具結構Fig.10 Mould structure

(1)模架的選用。模架選用三板模架結構方式，基于2個方面的考慮，一是2個點澆口G1、G2的澆注設置需要，二是D1、D2前模斜頂機構的安裝需要。由于塑件形狀扁長，形狀比較特殊，相應的三板模架在長寬上只能采用非標型模架。

模架的導向機構有主導柱和副導柱組成，每種導柱導向機構有4副，單副導向機構中，主導柱機構的構件組成包括件23～件25，其用于模架模板的運動導向，副導柱機構的構件包括件21、件22，用于增強定模板4和動模板5的閉合復位精度。

模架能分3次打開，分型打開面依次為PL1→PL2→PL3，其對應的控制單組組件包括件18～20，該組件設置有4組，分置在模架四角。

模架上，針對頂出板推板12、蓋板13的組合板，因為S1～S6滑塊抽芯機構上設置有較多的細小型芯，為防止其與頂針74干涉，特設置了頂出板先復位機構，機構組成件包括件8～件11;

(2)澆注系統中，如前所述，采用圖9中所示的G1、G2、G3三點點澆口，流道采用U形流道，澆口套75設置于面板2上，采用沉入式安裝方式，以縮短流道長度。模腔的冷卻采用“水道+水井”的方式進行冷卻，水道管徑為φ10 mm；

(3)成型件中，如圖11所示，型腔鑲件70采用5個分體式鑲件塊(V1～V5)組成，其材料采用40Cr13，熱處理洛氏硬度至48～52，成型面拋光至Ra0.8；S1～S6滑塊的成型件、D1～D3斜頂的成型件材料采用合金結構鋼40Cr材料，硬度在HRC42以上；型芯鑲件71由4個分體式鑲件塊(W1～W4)組成，其材料選用預應化塑料模具鋼P20，熱處理硬度至HRC38～42；型腔鑲件及型芯鑲件的分塊組成如圖10所示。采用分塊方式有利于成型件的水路加工、單件成型加工及裝配。

V1～V1—型腔鑲件編號 W1～W4—型芯鑲件編號(a)成型件組成 (b)澆口位置圖11 模腔成型鑲件組成Fig.11 Composition of die cavity forming inserts

(4)完全頂出脫模機構。塑件從型芯鑲件71上的脫模采用12根頂針71頂出完成；

(5)側抽芯脫模機構。 承前所述，為實現塑件的側面抽芯脫模，模具上布置了S1～S6、D1～D3共9個機構來實施側面抽芯脫模，如圖12所示。

S1～S6—抽芯機構編號 D1～D3—斜頂機構編號圖12 脫模機構設置Fig.12 Demolishing mechanism settings

6個機構中，S1、S2機構結構相同，為一種改進型彈簧驅動抽芯平滑塊機構；S3、S4機構結構相同，為一種改進型彈簧驅動平滑塊斜隧道抽芯機構；S5機構為一種雙斜導柱驅動斜隧道抽芯平滑塊結構；S6為一種雙斜導柱驅動斜滑塊抽芯機構。結合圖9所示，S1機構組成件包括件41～件49，S2機構組成件包括件26～件32，相對于通用型斜導柱驅動滑塊抽芯機構，S1、S2機構改進的地方是，以S1機構為例，考慮到成型滑塊的包緊力較大，所需驅動力也較大的緣故，其驅動力方式改為由S1滑塊抽芯彈簧46來驅動S1滑塊45向外側抽芯，這樣能有效保證在S1滑塊斜導柱44的啟動驅動下，S1滑塊45可靠地向外抽芯，便于S1滑塊機構的結構零件設計及減小機構對模架的結構尺寸要求。同樣，S3、S4機構也同樣采用了此種設計方法，S3、S4機構結構也相同，S3機構的主要組成件包括件52～件58，其滑塊53通過抽芯彈簧57驅動抽芯拉桿58來驅動。

S3、S4、S5機構都為隧道式滑塊機構，結構相同，以S3機構為例，其機構組成件包括件52～件58，如圖13所示。

F1—滑塊53抽芯方向 F2—管套型芯54抽芯方向圖13 S3隧道滑塊機構Fig.13 S3 tunnel-slider mechanism

機構中，管套型芯54內套上管內型芯55后組成B1成型鑲件，即機構的隧道滑塊；管套型芯54通過其尾端外壁的T形頭與滑塊53的T形槽滑動配合，且同時，管套型芯54套裝于型芯鑲件塊W4的型孔內，該孔即為方形隧道孔，可以按B1柱孔的中心方向(F2向)移動，形成隧道式滑塊，開模抽芯時，滑塊53在其斜導柱驅動及抽芯彈簧57的拉動下，沿F1方向向外抽芯時，滑塊53通過T形槽拉動管套型芯54、管內型芯55按B1孔的中心線方向(F2向)抽出，實現B1特征的脫模。此種機構將原本需要做斜向抽芯機構來脫模的方式，改為平動抽芯方式，有利于減少機構對模架高度和寬度的尺寸要求，節省模板用料，且便于加工，有利于節省模具制造成本。

S5機構的組成件包括件62～件68。S5、S6機構為寬體式滑塊機構，為保持滑塊體的運動平衡，兩者的滑塊體都采用雙斜導柱驅動方式，S6機構為常用型斜導柱驅動斜滑塊機構，其組成件主要包括件59、件60、件61和件69。

斜頂機構中，D2、D3為相同結構的前模斜頂機構，D1為后模斜頂機構。以D2機構為例，如圖14所示，其組成件包括件36～件40，為簡化模具結構，D2機構做了結構上的改進，不同于一般的前模斜頂需要在定模側設置頂出板的形式。

圖14 前模斜頂機構Fig.14 Front die inclined top mechanism

結合圖9中P-P剖視圖及圖11中D2機構所示，機構中的前斜頂桿36由前斜頂彈簧40來頂出，即將彈簧壓板39通過螺釘緊固安裝于定模板4的上部，以作為前斜頂彈簧40的支撐頂托件，前斜頂座37由前斜頂彈簧40頂托，前斜頂座37的外形為“工”字形槽，與前斜頂桿36的尾端T形槽滑動配合，而前斜頂座37只能在定模板4的槽內上下移動，從而，模具在PL3分型面打開時，前斜頂彈簧40推動前斜頂座37向下時，由于前斜頂桿36的尾端T形槽能沿前斜頂座37的“工”字外形型槽水平滑動，從而前斜頂座37能推動前斜頂桿36沿其在定模板4內的斜槽內斜向下頂出，從而達到前斜頂桿36推動塑件從型腔鑲件中頂出并實現J2彎鉤特征及h7孔側向抽芯脫模的目的。

D1機構為常用型斜頂座推頂斜頂桿頂出機構，此處不再贅述。

結合圖10所示，模具的工作過程如下：

模具安裝于注塑機上后，閉合—注塑—保壓—冷卻后等待開模。

(1)PL1打開。模具在注塑機動模板的驅動下，模具首先在PL1面處打開，此時，流道廢料在澆口處崩斷，塑件與流道廢料先分離；

(2)PL2打開。動模繼續后退，模具在PL2分型面處打開，打開時，流道板3將流道廢料從拉料桿35上刮出，實現流道廢料的自動脫模；

(3)PL3打開。動模繼續后退，過程中，D2、D3機構完成前模頂出側抽芯；同步地，S1～S6機構的各自的斜導柱驅動對應的滑塊進行側抽芯，完成對應特征的側抽芯脫模；

(4)頂出。開模完畢,注塑機頂桿推動頂出板及其上的頂桿74及D1斜頂將塑件從型芯鑲件71上頂出，實現塑件的完全脫模；

(5)閉合復位。其過程與開模過程相反，不再贅述。

5 結論

(1)針對塑件外形復雜，模具結構設計困難的問題，在先行確定脫模方式布局、合理地確定塑件的主分型面的基礎上，設計了其1模1腔三板結構注塑模具。分型采用雙層分型方式，澆注系統采用兩點點澆口澆注方式。針對塑件脫模困難問題，設置了6個滑塊抽芯機構和3個斜頂機構來實現塑件的側抽芯特征的脫模；

(2)滑塊抽芯機構中，為減少機構對模架結構開模面PL3面尺寸的要求，將滑塊機構中滑塊的驅動改進為外置式彈簧驅動方式，為減少機構對模架高度尺寸的要求，將斜向抽芯機構改進設置為水平滑塊驅動隧道滑塊斜向抽芯的方式;滑塊機構的改進設計，大大降低了模具的加工、安裝難度和制造成本；

(3)針對塑件前模抽芯脫模的需要，設計了一種新型前模斜頂機構，機構利用彈簧驅動斜頂座來驅動斜頂桿將塑件從型腔中頂出，從而達到實現塑件彎鉤特征及孔特征在前模側向抽芯脫模的目的，機構構思巧妙，結構簡單，有利于簡化模具的整體結構；模具結構布局合理，機構設置簡單實用，工作可靠性高，可為同類塑件的模具設計提供有益參考。