扫地机手柄侧盖多元构件顶出机构注塑模设计

2023-11-08路英华肖国华李亚峰励伟定徐生

工程塑料应用 2023年10期

路英华，肖国华，李亚峰，励伟定，徐生

(1.浙江工商职业技术学院机电工程学院，浙江宁波 315000； 2.宁波凯福莱特种汽车有限公司，浙江宁波 315020)

针对注塑模具结构的设计，首先应考虑塑件材料特性和成型特点(如流长比等)能否适用塑件形状成型要求[1-3]，其次是考虑浇口位置、浇口形式、浇口数量及浇口对应的排气通道等能否保证模腔获得充分充填和满足保压调整以确保塑件成型品质[4-6]，再次是成型件能否方便开设温度调节水路以改善塑件成型工况，最后是塑件的脱模方式及脱模步骤能否实现塑件的自动化生产[7-9]。这几个问题是决定一副模具能否成功实现塑件优良成型的关键。智能扫地机手柄侧盖塑件形状不规则，采用常规模具设计手段难以获得品质优良的塑件，针对这一问题，笔者设计了一副两板式模具，在模具中，使用牛角浇口对模腔进行浇注，采用两次开模和两次顶出动作以实现塑件的自动脱模，为配合两次顶出需要，创新设计了一种二次顶出控制机构，为同类型塑件注塑模具的设计提供参考。

1 塑件分析

1.1 塑件结构

智能扫地机手柄侧盖塑件结构如图1 所示，塑件为一种曲面网格工业构型塑件，其用途是扣接在扫地圆柱壳主机手柄外侧起到封装手柄内壁电子元器件的作用，同时也起到外观修饰作用。塑件侧面呈圆弧形(图1中K-K所示)，俯视图呈喇叭形。塑件总高度为72 mm，总长度为118 mm，最大宽度为54 mm，平均壁厚为2 mm。塑件内壁上，两侧为镜像对称关系，设置有8 个卡扣，一侧为A1，A2，A3，A4四个卡扣，另一侧为A5，A6，A7，A8四个卡扣，8个卡扣深度都为1 mm。上下两端都设置有端侧面，在下端侧面的外壁上(K-K中F区域所示)，设置有一个宽度和高度均为4 mm的倒扣B1，其内有一勾槽，深为4 mm。对应于倒扣B1的反面位置，倒扣B1在塑件的右下尾端形成一个深度为7 mm 的倒扣B2。按主机厂家要求，塑件的成型精度为MT4 (按GB/T 14486-2008)，外表光亮，不能留有明显的熔接痕和分型痕迹，无后续处理要求，注塑完毕后即可使用，总产量为25万件。

图1 智能扫地机手柄侧盖塑件

1.2 塑件材料

按客户指定使用聚碳酸酯(PC)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)合金材料进行成型，材料牌号为cycoloyCE1821 (沙伯基础创新)，合金中PC 与ABS的质量分数分别为70%和30%，需符合欧盟ROHS环保要求。该合金材料的典型特点为既具有PC的优良耐热耐候性、尺寸稳定性和耐冲击性能，又具有ABS 优良的加工流动性。合金材料收缩率为0.48%～0.53%，流长比Ks=100，经计算，塑件形状所决定的最长流动路径为161 mm，空腔流长比为Ki=161/2=80.5，小于Ks，材料适合于塑件模腔的充填。塑件形状的Ki与材料本身的Ks比较表明，使用该改性合金充填本塑件模腔时，模腔内料流的流动性可得到保证，用于调节塑件成型品质的保压工艺参数也能有较宽的阈值调整宽度。

1.3 成型和模具设计难点

塑件的成型包含以下几个难点[10-13]。

(1)塑件外观要求高，分型和浇注痕迹只能设置在隐蔽处，或者被主装配件——扫地机主机圆柱壳手柄所包容和遮盖，显然，在塑件最大轮廓线边沿开设侧浇口或者在塑件外观面上开设点浇口都不可行，最好的办法是在塑件的内壁面上开设点浇口。塑件内壁面上开设点浇口常用的办法是采用倒装式模具结构，即型芯成型件安装在模具定模一侧，而型腔成型件安装在动模一侧，但倒装式结构带来的新问题是必须在定模一侧设置顶出机构，定模顶出机构一般使用油缸进行驱动，模具结构变复杂，成本增加。

(2)因塑件的截面面积不同，如图1 中所示的剖面J-J面和H-H面等，熔料在流动路径上经历变化截面时容易产生弛豫问题，导致塑件表面可能产生较多的波纹暗影，严重影响塑件外观。

(3)对于塑件内壁上的8 个卡扣(A1～A8)，需要专门设置卡扣脱模机构实施脱模，否则塑件难以从模具中自动脱出。

(4)两个端侧面在实际模塑成型中，形成一种互斥型倒扣，即模腔在模具中摆放如能使塑件上端避免形成倒扣，则在塑件下端必定形成倒扣，反之亦然，抑或上端、下端都形成倒扣。上端、下端不同的倒扣取舍同时也影响到A1～A8 八个卡扣脱模机构的设计。

(5)下端F 区域倒扣B1 的勾槽脱模方向始终都是斜向，如不采用斜向抽芯脱模，塑件的模具结构布置会变得更复杂，加大模具的整体制造成本。

1.4 解决办法

针对塑件的成型难点，采取了以下几点设计措施。

(1)塑件在模腔中按图2 所示进行布局摆放，因而，可以使用分型面I-I面对模腔进行分型，这样的摆放方式有四个好处：一是可以使浇口从塑件的最宽截面进浇，向最小截面方向充填，避免充填过程中弛豫问题的发生；二是可以使8个卡扣A1～A8的成型特征集中设置在一组收缩滑块4 和4’上，按分型面I-I的水平方向进行侧抽芯，便于内置收缩机构的设计，简化模具结构；三是塑件下端形成的倒扣B2 可以通过一个斜顶5 进行顶出侧抽芯即可解决下端内壁脱模困难问题；四是可以通过使用1 个斜抽芯型芯解决倒扣B1勾槽脱模难题。按此布局后，模腔的浇注可以使用牛角浇口进行浇注，进胶点可以设置在塑件内壁上，保证浇注痕迹不出现在塑件外壁上而影响塑件的外观。这样，能避免模具使用倒装式模具结构。同时，牛角浇口在塑件与流道废料同步顶出脱模时，可以实现流道废料与塑件的自动分离。另外，此布局便于冷却水路W1等的开设，以方便通过调整模具温度等注塑工艺参数来调整塑件的成型质量。

(2)使用I-I面做分型面，分型面沿塑件的最大外沿轮廓延拓获得，以保证分型痕迹的光顺性，保证塑件外观。

(3)在模腔成型件材料选材上做区分用材。分型后获得的成型件型腔镶件1、浇口镶件2、型芯镶件3、收缩滑块4 和4’及倒扣B1 斜滑块头6 使用合金钢材料718H，718H抛光性能比较好，可以使成型塑件获得非常好的外观质量。成型件选材时，也可以考虑使用抛光性能和硬度更好的NAK80。然而，NAK80 的耐磨性能不如718H，这是因为模具钢材的耐磨性不仅取决于硬度值，还与模具钢组织中是否存在大量坚硬细小且均匀分布的碳化物组织有直接关系。NAK80 碳含量只有0.1%，高硬度的NAK80 碳化物少，所以它的耐磨性不如718H。下端内壁倒扣B2斜顶5对应的钢材选用H13钢材，原因在于弯曲和磨损是影响斜顶使用寿命的关键因素，若选用常用的VIKING，DC53 模具钢做斜顶材料，虽其有较好的硬度和强度，但韧性不足容易断裂，而韧性较好的P20，718，S136等模具钢存在硬度不高、强度低的缺陷，故在使用中易出现磨损和折弯的现象，严重时会发生断裂。

2 模具结构设计

2.1 模具中模腔布局

针对图2 中所示单腔，在模具中的布局为一模两腔，两腔布局后的机构件及辅助零部件在模具模架中的安装如图3所示。

图3 模具结构件安装

2.2 模架的选用

模具模架选用冷浇口两板式工字模架，由于收缩滑块4，4’内收抽芯驱动和倒扣B1斜滑块头6，6’斜向抽芯驱动的需要，模架中增加了垫板39，并且在动模板36 与垫板39 之间增加一次模板开模打开，打开面是K2 面[14-17]。模腔的开模打开面是K1面。模架中，为配合K2面的打开，推出机构中在基本的一次推板43 及其盖板的上面增加了二次推板42及其盖板。增加二次推板42及其盖板的作用是，一次推板43可以通过动模板顶出杆10与动模板36紧固组合在一起，由一次推板43 推动动模板36 顶出而打开K2 面，避免为了在模架中增加K2 面打开功能而设计结构复杂的模板打开控制机构，简化模具结构[18-20]。二次推板42 上可以设置顶出元件Ø8顶针25等对塑件实施最终顶出。

2.3 结构件安装

如图3中前视局部剖视图(A-A视图)所示，牛角浇口的成型件设置成镜像对称型成型件——浇口镶件2和浇口镶件2’，这样可便于牛角浇口的加工。

倒扣B1 斜滑块头6 和6’分别为两个模腔的倒扣B1 成型件，以倒扣B1 斜滑块头6’的驱动为例，倒扣B1 斜滑块头6’安装在斜滑块29 上，斜滑块29安装在动模板36 上，由安装在垫板39 上的倒装式楔紧块28通过其上的T型导轨进行驱动，只有当K2面打开时，楔紧块28 才能驱动斜滑块29 和倒扣B1斜滑块头6’实施斜抽芯，斜向抽芯距为6 mm，斜滑块29斜向移动方向与开模方向的夹角为60°。模具闭合时，楔紧块28 依靠其左上端锥度为10°的斜坡面进行锁紧，防止斜滑块29松退。楔紧块28的T型导轨在斜滑块29 完成抽芯抽出后依然停留在斜滑块29的T型槽内，以确保K2面闭合时，楔紧块28能准确驱动斜滑块29复位。

如图3中左视局部剖视图(B-B视图)所示，每个模腔中设置了收缩滑块4，4’，用于8个卡扣的成型。收缩滑块4，4’上都设置有T型导轨35，通过该T型导轨35，中心型芯34 可以同步驱动收缩滑块4，4’做内收式抽芯。收缩滑块4，4’通过滑动压块33 安装在型芯镶件8，9的组合件上。当K2面打开时，中心型芯34拉动收缩滑块4，4’做内收抽芯移动，完成塑件上8个卡扣的抽芯脱模。

两个模腔中的下端内壁倒扣B2斜顶5，5’都通过二次推板42的斜顶座24驱动实施顶出侧抽芯动作。塑件的最终顶出脱模由二次推板42 上所布置的多根Ø4 顶针23，Ø8 顶针25 及下端内壁倒扣B2斜顶5，5’共同顶出而实现完全脱模。

2.4 二次顶出控制机构工作原理

为控制一次推板43、二次推板42能分两次实施顶出而设计了二次顶出控制机构，机构的组件包括件16～21，其工作原理如图4 所示。当模具动模(动模板36 以下所有零部件)按图4 中F向下行后退一定距离后，到达状态I位置，此时两次推杆16被注塑机挡板挡住。由于两次推杆16 的上端与二次推板42紧固组合在一起，因而，二次推板42也保持不动。同时，由于两次推杆16通过其上的圆环槽M与卡位活动块18的配合，能拉住一次限位管19同步不动，而一次限位管19 上端用螺纹紧固安装在一次推板43 下端面，从而一次推板43 也能维持不动，这样一次推板43 上的动模板顶出杆10、二次推板42 上的Ø8顶针25等都保持同步不动。两次推杆16顶住二次推板42使其保持不动，在模具下行方向F向上一直没有相对移动，停留在状态I所示位置。

图4 二次顶出控制机构工作原理

随着动模的继续下行，动模包括动模座板44、垫板39 等继续下行(F向)，动模座板44 带着其上的调节限位管17 一起下行，下行一定距离后，卡位活动块18 被迫进入调节限位管17 内的凹槽L 内，从而，两次推杆16 和一次限位管19 之间失去卡位活动块18 的连接而能相对滑动，动模座板44 通过卡位活动块18 带动一次限位管19 下行，从而带动一次推板43 下行，而二次推板42 只能继续停留在原位置，模具处于状态II所示位置，此过程中，K2面被打开。

在此过程中，随着动模动模座板44、垫板39 等的同步继续下行，动模座板44 通过调节限位管17拉动一次推板43一起继续下行，从而拉动动模板36也一起下行，进而在二次推板42 上的多根顶针(件23、件25)及下端内壁倒扣B2 斜顶5，5’等的顶托下，动模板36上的型芯镶件3，8，9和收缩滑块4，4’等从塑件中分离而出，最终塑件留于顶针(件23、件25)及下端内壁倒扣B2 斜顶5，5’等上而自动脱落，模具处于状态III所示位置。

第一次顶出距离为30 mm，第二次顶出距离为50 mm，顶出过程直到垫板39被二次推板42的盖板上端面所挡住而停止。复位时，机构的动作相反。