斜扣手深腔抽屉的注射模设计

孙肖霞，唐友亮，张 俊

(宿迁学院机电工程学院， 江苏 宿迁 223800)

0 前言

抽屉是冰箱的重要组成零件，起到承载重物的作用，直接影响冰箱的质量。通常要求制件透明，质量轻，刚性好，表面光滑，不允许有飞边、划伤、花纹、斑点、流痕及明显的熔接痕，在低温承受载荷时不得出现变脆或裂纹等现象。生产调研发现，此类产品的生产量较大，成本较高，且经常出现开裂、熔接痕、翘曲和凹痕等质量瑕疵，严重制约着企业生产。这就要求设计者运用现代模具设计方法，在模具设计初期就做好冰箱抽屉的成型质量控制，运用计算机辅助设计/计算机辅助工程(CAD/CAE) 技术进行模具结构优化来解决产品的质量问题，进而降低生产成本、缩短新产品开发周期[1-3]。本文分析了斜扣手深腔抽屉的工艺特点，阐述了该塑件注射模的结构设计和工作过程。

1 塑件结构及工艺分析

本文以某公司研发的冰箱冷藏室抽屉为研究对象，如图1所示，通常用于存放需保鲜的瓜果、蔬菜等，与冰箱内胆、抽屉盖板及滑道装配。其外形尺寸为254.7 mm×69.1 mm×47.2 mm，体积为531.4 cm3，平均壁厚2.2 mm。材料选用聚苯乙烯(PS)，收缩率为0.6 %，密度为1.05 g/cm3，其成型性能及流动性好，无味，刚性大，透明度好，尺寸稳定，电绝缘性和热绝缘性优良。

图1 塑件结构Fig.1 Plastic part structure

塑件的主要工艺特点如下：(1)抽屉为透明制件，其内、外表面均为外观面，型腔表面要求处理成镜面。塑件表面不能有推出痕迹，适合采用推块推出。(2)正面设计了斜向上内凹的扣手部分，斜向角度为42.5 °，符合人体工程学理念，但该结构要求两侧斜向侧抽芯，需要设计大斜顶和大滑块抽芯机构；正面上侧的内凹面给大斜顶的结构设计增加了难度。(3)抽屉为对称件，两侧面均设计了凸边，增加了塑件的刚性和平稳性，需要设计2个方向的侧向抽芯。

2 抽屉模具结构设计

本案的抽屉尺寸较大，且结构较复杂，故采用1模1腔布局。模具设计的重点是浇注系统、成型零部件和冷却系统，难点是防止塑件成型时变形，边缘产生飞边。下面详细阐述模具的设计方案。

2.1 浇注系统设计

浇注系统的设计恰当与否，直接关系到塑件能否被完好的高质量注射成型。本例设计要点如下：(1)应尽可能不影响塑件的外观，即在塑件表面尽量不留浇口痕迹或痕迹不明显，因此，点浇口为本例的首选浇口形式。(2)应尽量减小由于开设流道产生的废料比例[4]，本例以热流道系统为宜。(3)选择浇口位置时，需要综合考虑塑件的工艺特征和成型质量以及模具结构等因素，还应保证迅速和均衡地充填模具型腔。本文将结合Moldflow模流分析结果确定最佳浇口位置。

将UG NX中的抽屉模型导出IGES文件至CAD Doctor，修复面并去除小圆角，导入至Moldflow中进行双层面网格划分及修复，得到32 610个三角形单元，最大纵横比小于10，平均纵横比为1.68，匹配百分比为92.8 %，网格质量满足分析要求。选择塑件材料为美国苯乙烯公司的MC3650，根据成型窗口分析的推荐结果设置工艺参数，选择分析序列为“浇口位置”，得到图2所示的浇口匹配性结果，浇口宜开设在抽屉底部，匹配性最好的节点为N204086。将浇口位置设在该节点附近的凹槽对称面上，并进行填充分析，结果显示熔体在型腔内充填均衡，如图3所示。困气位置主要集中在充填末端，可以利用滑块间隙及分型面排气。熔接线长度较短，后期冷却系统设计时应增加模温以减轻熔接痕。

图2 浇口匹配性Fig.2 Gate matching

图3 填充分析结果Fig.3 Filling analysis

综合上述分析，浇注系统采用单点阀式热流道系统，浇口直接开在制品的底面，初步设计热流道浇口大小为φ5 mm。熔体可实现在极短的时间内快速充满型腔，制品上没有凝料，减少了后续处理工艺。

2.2 成型零部件设计

本文的成型零部件主要包括4部分：主型腔和主型芯，内抽芯的大斜顶抽芯机构，塑件正面的外抽芯机构和塑件两侧面的外抽芯机构。

(1)主型腔

主型腔用以成型塑件的外表面，为了模具结构紧凑并考虑到塑件外形相对简单，采用整体式凹模结构，外形尺寸为650 mm×650 mm×260 mm。模具材料采用DC53，保证寿命为100万模，成型表面抛光处理至粗糙度为Ra0.05 μm。

(2)主型芯与斜顶内抽芯机构

塑件正面斜向上内凹的扣手部分及上侧的内凹面增大了凸模的复杂度。本文采用组合式型芯，如图4所示，主要成型零件为主型芯镶块1与斜顶头3，顶出时二者之间有相对滑动，即斜顶头3沿顶出方向斜向上运动脱离制品倒扣位置。斜顶设计为分体式，由斜顶头3、斜顶杆6、压板5和挡块4等组成，既能保证斜顶强度，又节约材料以降低加工成本。由于斜顶较大较高，设计了导滑结构实现斜顶的导向及防翻倒，如图4所示，将导向块2用螺钉和销钉固定在主型芯镶块1上，与其滑动配合的压板5用螺钉固定在斜顶头3上，导滑长度为180 mm，导滑面的倾斜角为15 °。斜顶头3顶出时需要做斜向下运动，因而将斜顶座6的上端设计为斜面结构，通过T型槽与斜顶头3相对滑动，斜面倾斜角为45 °。斜顶头3上端安装了宽度为50 mm、深度为10 mm的挡块4，合模时与主型芯镶块1上的导向块2上端楔紧，从而实现斜顶头3的准确复位。

1—主型芯镶块 2—导向块 3—斜顶头4—挡块 5—压板 6—斜顶座图4 主型芯与斜顶内抽芯机构Fig.4 The main core and inclined ejecting mechanism

(3)液压外抽芯机构

1—滑块 2—耐磨板 3—导滑块 4—滑块垫块5—油缸底座 6—液压油缸图5 液压外抽芯机构Fig.5 Hydraulic core pulling mechanism

通常塑件正面外侧的主要成型零件为滑块，由于注射时注射力很大，往往会将滑块击退，造成制品表面出现飞边。若采用液压油缸驱动滑块，液压缸油路上可以通过联接逆止阀的形式以抵抗注射力的冲击，从而确保制品的外观质量。本文斜扣手部位的脱模采用图5所示的液压抽芯机构，包括滑块1、耐磨板2、导滑块3、滑块垫块4、液压油缸6和油缸底座5等。滑块1上开槽，分别与导滑块3及滑块垫块4滑动配合，滑动斜度与扣手斜度的中线平行。导滑块3、滑块垫块4和油缸底座5分别用螺钉固定在动模板上。液压油缸6固定在油缸底座5上，油缸连杆与滑块1通过T型槽连接，行程为55 mm。

(4)斜导柱外抽芯机构

抽屉两侧设计了对称的凸边，突出长度为10.5 mm，脱模时需要先侧向抽芯，抽芯方向与分型面平行。本文设计了两组对称的斜导柱抽芯机构，其中一组如图6所示，主要包括滑块1、楔紧块2、压板3、限位块4和斜导柱5等。经过计算，斜导柱的倾斜角取20 °，直径为20 mm，长度为275 mm。为了不妨碍后续推块推出，最小抽芯距约为59 mm，设计滑块的实际滑动距离为70 mm，用2个限位块4和2个定位钢珠组件联合限位，限位块固定在动模板上，定位钢珠固定在压板3上。定模板上固定有楔紧块2，楔紧角度取22 °，合模时与滑块上的斜面接触，迫使滑块回到准确的位置，并将滑块锁紧。

1—滑块 2—楔紧块 3—压板 4—限位块 5—斜导柱图6 斜导柱外抽芯机构Fig.6 Oblique guide pillar core-pulling mechanism

2.3 推出机构设计

深腔抽屉对模具型芯的包紧力较大，且侧壁斜度小，采用推杆顶出易出现顶白现象。本文根据制品的形状特点，选用周圈推块局部推边的顶出方式，可实现顶出力大、顶出平衡，且不会在制品表面留下顶出痕迹。3个推块推出制品的3个侧边，每个推块设置2支推杆。推块与型芯贴合的面采用锥面配合，锥角为2 °，与定模板及动模板配合的锥面角度为5 °。推块材料用H13，加硬淬火至52～54 HRC。

2.4 冷却系统设计

抽屉的注射周期一般控制在50 s左右，对其冷却系统需设计合理的水路直径及间距，既要提高冷却效率又要保证制品外观。本文设计的深腔抽屉冷却系统如图7所示，其中，定模板内布置了3条直径为10 mm的平面循环水路，水路间距为50 mm；2个斜导柱滑块内分别设计了一条直径为8 mm的立体循环式水路；主型芯镶块较大，热量相对集中，设置了一条隔板式冷却水路，6个水井的直径为20 mm；斜顶头内也设置了隔板式水路，2个水井的直径为16 mm；液压抽芯机构的滑块内设置了一条立体循环式水路，扣手部位的水路直径为6 mm，其余为10 mm。

在Moldflow系统中创建浇注系统和冷却系统，设置分析序列为“冷却+充填+保压+翘曲”，采用渐进式正交试验法[5]对成型工艺进行优化。在首次正交试验数据分析的基础上，设计第二次正交试验，主要是以首次试验结果为参照，改变各水平的取值，以获取与理想最佳参数组合更加接近的参数组合。最终得到最佳参数组合为：熔体温度为250 ℃、注射时间为1.5 s、保压压力为90 %的充填压力、保压时间为16 s，阀浇口的关闭时间为17.5 s。通常出、入水口的冷却液温度的差值应小于3 ℃[6]，如图8(a)所示，冷却液温差控制在1.72 ℃以内，符合冷却要求。图8(b)所示的翘曲变形量为0.073～0.761 mm，小于客户要求的1 mm，满足生产需求。

图7 冷却系统Fig.7 Cooling system

(a)冷却液温度 (b)翘曲变形量图8 成型模拟结果Fig.8 Molding simulation

3 模具的工作过程

根据以上设计，绘制了冰箱冷藏室斜扣手深腔抽屉的注射模装配图，如图9所示，模具总体尺寸为890 mm×850 mm×847 mm。主要包括了以下零部件：热射嘴、定模板、型芯镶件、动模板、内外侧抽芯机构、推出机构、冷却系统、限位元件和定位零件等。

模具工作过程：(1)模具安装完毕，塑件注射、保压、冷却完成后模具开启；(2)动模后退时，两斜导柱驱动滑块向外滑动完成抽芯；(3)在包紧力的作用下，塑件脱离了定模型腔留在了动模一侧；(4)液压系统带动滑块28斜向运动完成扣手部位的外抽芯；(5)注塑机顶杆带动推板与推杆及斜顶抽芯机构同时向前运动，完成内抽芯并推出塑件；(6)复位杆上的弹簧带动推出元件及斜顶先复位，液压系统驱动滑块复位；(7)合模，斜导柱抽芯机构复位，一个工作循环结束。

1—动模座板 2—螺钉 3—垫块 4—动模板 5—导柱 6—推块 7—滑块 8—导套 9—斜顶头 10—定模板 11—定模座板12—滑块 13—楔紧块 14—斜导柱 15—限位块 16—斜顶座 17—推杆固定板 18—推板 19—连接套 20—推杆 21—复位杆22—螺钉 23—螺钉 24—型芯镶块 25—热射嘴 26—定位圈 27—液压油缸 28—滑块 29—挡块 30—导向块31—油缸底座 32—螺钉 33—导向块 34—弹簧 35—压板 36—耐磨板 37—导滑块 38—滑块垫块 39—水管接头图9 模具装配图Fig.9 Mold assembly drawing

4 结论

(1)利用CAE分析选取热流道的最佳浇口位置，有利于型腔的均衡充填；

(2)设计了液压抽芯、斜导柱抽芯及斜顶抽芯满足制品的成型和脱模；

(3)开设了7股冷却水路实现了制品的均匀冷却；

(4)通过渐进式正交试验获取了工艺参数优化组合，生产实践证明，模具工作过程稳定、可靠，制品各项指标都达到了客户要求。

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