医药中转箱隧道滑块二次抽芯机构及简化型四次开模三板模具设计

石 峰，朱超挺，周天绮,董雷雷，梁 蓓，王伟伟

(1.浙江医药高等专科学校医疗器械学院，浙江，宁波 315100；2.浙江工商职业技术学院现代模具学院，浙江,宁波 315012)

0 前言

大型塑件注射成型时，经常面临几个设计方面的难题，常见的问题有注塑区域不平衡、冷流道容易阻隔、分型面比较复杂、脱模困难、对注塑机使用要求高等问题[1-5]。因而，模具设计时须综合多个难点因素后，选取最为适宜的模具结构来实现塑件的自动化注塑生产。大型塑件中，对于高侧壁塑件的模具设计中，如果侧壁只是单纯的光壁，塑件设计脱模时，其脱模设计相对较为容易，只需考虑塑件成型件的刚度设计，以免产生型芯偏移，而导致塑件的各侧壁厚度不均；而对于侧壁上有侧凹的塑件，且侧凹面积大，一般采用整体式整面侧抽芯方式来实施脱模，侧滑块需要设计出大力机构来驱动，机构一般采用多斜导柱机构或油缸机构来驱动[6-9]。最为困难的是，侧壁不但有侧凹，而且在侧凹内部，还存在与侧凹抽芯方向垂直的二次侧凹槽，此时，二次侧凹槽不但加大了塑件侧壁的脱模难度，而且还将影响到塑件的整体模具结构设计，有时甚至导致塑件的侧壁脱模不可能，需要对塑件进行结构性改进，以保证其能通过注射成型的方式来实现塑件的大批量生产[10-14]。本文结合某大型医药中转箱模具设计时其外壁的特殊侧凹槽结构特征导致塑件的模具结构设计非常困难的问题，给出一种带特殊脱模结构的模具结构，以资同类塑件模具设计时参考。

1 塑件形状分析

医药中转箱塑件形状如图1所示，塑件为一面开口的形体，在四面壁内壁为光滑的框面，外壁则分为2种情况，一种为不带扣手的侧边，一种为带扣手的侧壁。外壁由于需要增加强度的缘故，都设置了加强筋，加强筋与上下边沿的联结，构成塑件外壁的侧凹产生，因而，从模具设计角度而言，加强筋的存在，将导致塑件侧壁的脱模都需要采用侧面抽芯方式进行脱模。为便于手工端送箱框，在2个外壁上增加了便于手扣住的扣手边，因而，扣手边与侧壁之间形成侧壁的二次侧凹槽，二次侧凹槽分布在塑件的2个侧壁上。塑件的底面上为加强底面的强度，设置了横纵交错的低筋。框体的上下边沿及底面设置了较多功能圆孔。框体的上下边沿都采用双边圆角，形成了上下边沿为圆角边。塑件材料为丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯(ABS)，缩水率为0.5 %。

(a)箱子正面 (b)箱子底面图1 塑件形状Fig.1 Shape of plastic part

2 分型选择及脱模分析

塑件的尺寸及具体结构设计如图2所示，塑件为中型塑件，塑件上壁高为115 mm、侧面凹槽的深度为18 mm、扣手宽度为12 mm、深度为9 mm、底壁的加强筋高度为5 mm、塑件平均壁厚为2 mm，整体外形尺寸为406 mm×305 mm×122 mm。

A1、A2、B1、B2——成型块编号(a)前剖视图 (b)底面俯视图 (c)左剖视图 (d)分型旋转方案图2 分型设计Fig.2 Parting design

塑件分型设计时，主分型面的设置需要考虑以下几个问题：主分型面应设置于塑件的最大外沿轮廓处；应便于浇注系统的开设，保证塑件能获得平衡注塑；塑件开模后应利于动模一侧，以便于塑件脱模机构的设计和整体脱模方便；模具结构尽可能小型化和机构设置简单化。从塑件的结构特点来看，实际上，塑件的最大轮廓线有2处，分别位于底面边和顶面边沿，如图2(b)所示，因而塑件的模具的布局方式有2种方式可供选择，内壁面朝下的放置方案Ⅰ和内壁面朝上的放置方案Ⅱ。如按方案Ⅱ放置，则有以下几个问题：其一是因为内壁相对底壁而言，内壁较深，包紧力大于底壁的壁筋，显然，开模时，塑件将利于型腔成型件一侧，这样塑件需要在定模一侧完成完全推出脱模；其二，不便于浇注系统的开设，浇注系统的开设受到定模顶出机构的影响，为避免这种干涉影响，模具结构上将不得不做特殊机构来进行处理，并且，浇注系统浇口位置更加不好设置，会影响到塑件内壁的成型品质；其三，在上下分型面之间的区域为4个侧面，4个侧面都需做侧面抽芯机构，显然，如果塑件留于定模一侧，在定模一侧设置侧面抽芯机构，将更加加大模具整体结构的复杂性，脱模机构更加复杂。显然，如果采用方案Ⅰ则能避免这些问题。采用方案Ⅰ，塑件能留于型芯成型件一侧，且浇注系统能直接在底面上开设，有利于塑件的平衡注塑，且4个侧面的脱模机构和塑件的最后完全顶出机构便于开设，不会增加对模架结构的额外需要。侧面抽芯机构可设置于动模一侧。其次是能有效缩短流道长度，保证模腔的注塑效果。再次是浇注系统设置中的浇口位置也好开设于底面，注塑完成后，不会在塑件上目视区域留下浇口痕迹等大的缺陷。

塑件中，在确定为方案Ⅰ所示布局摆放后，塑件在模腔中的脱模设置方案如图3所示。在确定P1、P2两个分型面后，塑件的成型件可分为6个成型块，即型腔块、型芯块、A1、A2两个侧面块，B1、B2两个侧面块。型腔块可以通过开模打开时模具沿Z - 方向下行时，塑件跟随型芯下行而自动与塑件分离，A1侧面块、A2侧面块则须分别按照F1、F2所示方向抽出，而B1、B2块则不同，由于扣手的存在，B1中需要二次分出C1块，B2中需要二次分出C2块，且B1、B2块须先抽出后，C1、C2块按F5向向上先抽出，而后再按与F3、F4向同向的方向抽出，这样才能保证塑件扣手特征及B1、B2面的自动完全脱模。 塑件最终留于成型件上后，由模具的脱模机构脱出而完全脱模。

A1、A2、B1、B2、C1、C2——成型块编号 F1～F5——抽芯方向 P1、P2——主分型面 Z+——模具开模方向(a)左右两侧的脱模设置 (b)前后两侧的脱膜设置图3 脱模分析Fig.3 Demoulding analysis

3 浇注系统设计

3.1 浇注方式选择

在塑件的分型及脱模方案确定后，浇注系统是保证塑件完整注塑的关键问题，承上所述，在图3所示分型及脱模方式下，浇注系统的浇口开设有以下4种方式可以选择：第一种是在型腔一侧开设点浇口；第二种是在型腔一侧开设直接浇口；第三种是在塑件侧边开设侧边浇口；第四种是在型芯一侧开设潜伏式浇口或香蕉型浇口。从脱模机构的设置来看，因为四面都需要设置侧抽芯机构，因而，第三、第四种方案明显行不通，不利于流道废料的自动脱模，且因浇口位置的设置将加大模具的结构尺寸、增加流道废料及增加流道废料自动脱料机构的设置，模具结构变得复杂。第二种直接浇口只能开设于塑件的几何正中央，浇注性能虽好，但浇口疤痕大，不能自动取出流道废料，因而也不可取。较好的方式是在型腔一侧开设点浇口实施自动脱模，且浇口残留痕迹小。点浇口浇注系统中，点浇口数量的开设及浇口尺寸取决于塑件的体积质量和浇注平衡需要，因而，基于塑件的规则形状，较好的数量选择为2点浇口或4点浇口或6点浇口。浇口尺寸是成型制品的关键,对点浇口而言，其主要尺寸就是浇口直径和浇口长度。根据热塑性塑料流变性质和注射充模计算,塑料熔体在点浇口流道中的剪切速率一般为104～105 s-1,在此剪切速率范围内所得到的制品残留应力和机械性能的各向异性最小。点浇口尺寸可由式(1)、(2)计算：

(1)

式中d——浇口直径,mm

Q——流经浇口的塑料熔体的体积流率,cm3/s

γ——剪切速率,s-1

(2)

式中L——浇口长度，mm

τ——剪应力，τ=ηaγ，MPa

ηa——熔体的表观黏度,Pa·s

R——浇口半径,mm

ΔP——流经浇口的压力降,Pa

经计算后，如采用2点浇口，浇口尺寸要取Φ2.0 mm，明显地，浇口难以崩断，不能满足自动化生产要求，如取4点浇口，浇口尺寸为Φ1.0 mm；符合自动分离要求；若取6点浇口，浇口尺寸为Φ0.6 mm，显然，加工难度加大，因此，针对本塑件的注塑过程，采用4点点浇口进行浇注。4点点浇口浇注中，浇口位置的布局选用如图4所示的布局较为合理，其理由是料流在流道内的转向次数最少，有利于注塑压力的保持；流道最短，有利于料温的维持，废料与塑件的占比最小；便于加工。

3.2 浇注系统CAE分析

依据CAD数据分析，对每一个浇口进行充填区域规划好后，对浇注系统的充填性能进行CAE仿真分析，CAE模型如图4(a)所示。模型采用三角形双层面网格，网格总数量为32 154个，节点数为10 259个，浇口尺寸为Φ1.0 mm，水平流道截面采用U形流道截面。分析材质为UMG ABS GSM。分析软件运用Moldflow2018软件进行分析，分析目标为流动分析，其分析方式为充填+保压+翘曲，相关参数为：模具温度为55 ℃、熔体温度为230 ℃、充填时间为4.5 s，充填切换为99 %模腔体积，保压分3段：80 %充填压力-5 s；50 %充填压力-4 s；30 %充填压力-3 s；冷却时间，依据顶出条件，顶出条件为：顶出温度50 ℃，顶出时冷却体积百分占比为100 % ；分离翘曲因素。分析后，获得结果如图4(b)～4(d)所示。

流动分析结果表明，塑件模腔的充填时间为2.3 s左右，如图4(b)所示，模腔内的最高注塑压力为57.8 MPa，最高压力出现在流道段，模腔所需充填压力在25～33 MPa之间，腔内充填效果好，如图4(c)所示；结合图4(b)可以看出，塑件下边沿的4个最长流动路径上(即4个转角)的充填时间为2.1 s左右，说明料流能在同时到达充填末端，浇注系统充填平衡性好。前沿温度表明塑件充填开始到结束，前沿温度在15 ℃内，料流在腔内流动性好；由于注塑过程中料流温差小，故4个浇口填充的前锋所导致的气孔、熔接线等较少，塑件无潜在的开裂隐患。结果差一点的是塑件的4个角的翘曲变形有点大，为1.9 mm左右，如图4(d)所示，接近尺寸偏差量的2 %左右，因为箱体为周转工具，这在实际应用时是可以接受的，实际注塑时通过加大保压，能得到部分降低。因而，流动结果说明，整体而言，此浇注方案能满足本塑件的成型需要。

(a)CAE模型 (b)充填时间 (c)充填压力 (d)翘曲变形图4 浇注系统的CAE分析Fig.4 CAE analysis of gating systems

4 模具设计分析

4.1 模具结构分析

1—主导柱 2—流道板导套 3—定模板导套 4—副导柱 5—副导套 6—小拉杆 7—长拉杆 8—型腔镶件 9—型芯镶件10—气道 11—型芯气顶杆 12—气顶套 13—型腔气顶杆 14—型腔气顶套 15—拉料杆 16—流道套 17—定位圈18—浇口衬套 19—油缸座 20—A2油缸 21—A2滑块托座 22—A2滑块 23—A2导柱 24—A2导柱压块 25—B1导柱压块26—B1导柱 27—B1滑块 28—B1隧道滑块 29—隧道滑块驱动锁紧块 30—B1垂直抽芯滑块 31—面板 32—流道板33—定模板 34—动模板 35—底板 36—隧道滑块驱动弹簧 37—弹簧支撑块 38—驱动杠梁 39—滑块下滑限位挂钩40—A1滑块 41—B2滑块 42—B2隧道滑块 43—隧道滑块导柱 P1～P4—分型面(a)前剖视图 (b)前半剖视图 (c)右剖视图 (d)动模俯视图 (e)定模仰视图 (f)B1垂直抽芯滑块安装 (g)隧道滑块安装图5 模具结构Fig.5 Mould structure

对中大型塑件而言，模具的强度很重要，特别是对周转箱等大型塑件，塑件体积大，承受的注塑压力变化大，因而成型件设计时最好设计成整体式成型件，如有特殊需要，成型件应采用整体模板式成型件，本塑件针对成型件型腔镶件8、型芯镶件9采用整体式镶件，以增强其强度，防止其变形，在成型件内部开设水路进行掏空时，亦充分考虑其强度，另外一个是针对成型件采用强度较好的钢材，型腔镶件8、滑块22、滑块40、滑块28、滑块30、滑块41、滑块42成型镶件都采用S136，S136为耐蚀镜面模具钢：高纯度、高镜面度、抛光性能极好、防锈防酸性能极佳，热处理变形小。具有优良的机械加工性能。适合丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯等塑料，其出厂硬度(经硬化及回火)软性退火至HB215，成型后可淬硬至HRC53。 型芯镶件9则采用DF2油钢，DF2油钢有良好的切削性，高含碳量提供良好的耐磨性，但韧性低。出厂硬度：软性退火至HB190，热处理后硬度为HB300。

模架采用标准模架进行改装，去掉了模脚以下构件，主要是适应于本模具的特殊的脱模机构的设置。模架仅由模板31～模板35构成。考虑到塑件的内壁有比较光滑的需要，其塑件尺寸大，在型芯镶件9的四周包紧力大，采用大顶针顶出容易留下较多的顶出疤痕，因而，塑件从型芯镶件9上的完全顶出采用高压气顶顶出，因而，模具动模部分的顶出机构无须设置，因而在本改装模架中予以撤除。

由于塑件的内壁及底面都比较平直，所以，塑件的冷却采用平行管道进行冷却，管道直径都采用Φ10 mm管道，型腔镶件8采用8条平行水路进行冷却，型芯镶件9采用6条平行水路进行冷却，4个侧壁的成型滑块各单独采用一条水路进行冷却，结合CAE分析结果可以看出，塑件达到顶出的时间为14 s，顶出时温度为57 ℃，第一材料能顶出时的温度为88 ℃，管道进出口温差在2 ℃以内，管道冷却效果好。

模具设计中，难点是塑件的脱模，针对塑件的脱模，分为3个方面来实施，第一是塑件型腔一侧的脱模，塑件上位于型腔一侧的底板上，由于底面的加强筋高度为5 mm，且为多个方格，其与型腔镶件8的包紧力也比较大，为保证开模时，塑件在型腔壁上不粘模，在型腔镶件8一侧设置了型腔气顶辅助脱模机构，机构由气顶杆13及气顶套14构成，通过外联气道来开启闭合气顶杆，以提供外部的高压顶出气体。同样，塑件在型芯镶件9上的最终顶出也采用同样的气顶机构，其机构件由气顶杆11和气顶套12构成，在型芯一侧，此机构设置8套。

4.2 外壁脱模机构分析

结合图5外壁的脱模机构设置如图6所示，外壁的脱模机构由4个侧面滑块机构构成，其中A1、A2面的侧面滑块机构结构相同，B1、B2面的侧面滑块机构结构相同。承前脱模分析所述，塑件的A1、A2面只需直接侧面抽芯即可，而B1、B2面则须先进行扣手位的垂直先抽芯，而后再进行B1、B2侧面的侧面抽芯，此种动作的完成，既可以通过设计复杂隧道滑块机构先抽芯来实现，也可以通过简单隧道滑块被模架的模板打开动作来驱动隧道滑块先抽芯来实现。针对这2种抽芯需要，2种机构的设计具体如下。

A1、A2、B1、B2—侧壁编号(a)侧壁滑块组成 (b)滑块的安装图6 侧壁抽芯机构Fig.6 Side wall core pulling mechanism

4.2.1A2抽芯机构

A2抽芯机构与A1抽芯机构结构相同，结合图5所示，其机构的安装如图6(b)所示，A2油缸20其上端通过油缸座19安装于定模板33上，其下端连接安装有A2滑块托座21，A2滑块托座21与A2滑块22紧固装配在一起，为保持驱动稳定性，A2滑块22由安装于定模板33上的2个A2导柱23进行导向，A2导柱压块24用于对A2导柱23的压紧安装。当A2油缸20充由驱动时，其将驱动A2滑块22一起沿其中心杆中心线方向T1向下抽出。A2滑块22的下端两角处，各设置有一个驱动杠梁38，用于驱动与该滑块相邻的2个B1滑块27、B2滑块42同步向下运动，如图7(b)所示。

(a)侧滑块驱动机构结构 (b)驱动杠梁的安装图7 A2抽芯机构Fig.7 A2 core-pulling mechanism

4.2.2B1抽芯机构

2.常春藤 是室内常见的垂吊盆栽，它叶片上的微小气孔能吸收空气中的烟雾、尼古丁和甲醛，并将其转化成无害的糖和氨基酸，能够有效抑制尼古丁中致癌物质的产生。常春藤的茎蔓非常容易生根，通常采用扦插的方式繁殖。同时，常春藤不喜阳光，一定要放在通风凉爽处养护。

结合图5，如图8所示，B1机构为一种复合式隧道滑块抽芯机构，机构安装为：B1隧道滑块28通过T形槽安装于B1滑块27的内部，其左端通过斜T形驱动B1垂直抽芯滑块30，其右端通过斜T形槽与隧道滑块驱动锁紧块29的上端斜T形槽联结，并由其驱动，B1隧道滑块28的初始位置由隧道滑块驱动弹簧36压紧驱动向左，隧道滑块驱动弹簧36由通过底部紧固螺钉安装于B1滑块27上的弹簧支撑块37顶住支撑，其行程位置由安装于B1滑块27上的限位珠子进行控制。隧道滑块驱动锁紧块29通过螺钉紧固安装于模具的动模板34上。B1垂直抽芯滑块30的运动导向由安装于B1滑块27上的隧道滑块导柱43进行导向。因而，该隧道滑块机构的动作原理如图8中的D—D剖视所示，模具在P3分型面处打开时，隧道滑块驱动锁紧块29按F1向向下驱动，从而拉动B1隧道滑块28按F2向抽芯，B1隧道滑块28拉动B1垂直抽芯滑块30按F3向向上抽芯，从而实现塑件边扣手的垂直先抽芯。垂直抽芯完成后，由于限位珠子的限位，B1隧道滑块28停留于F2向的最右端位置，等待复位时被隧道滑块驱动锁紧块29驱动按F2的反向复位。

F1～F4-抽芯运动方向(a)B1机构前轴测视图 (b)驱动运动关系图 (c)隧道滑块的限位控制(d)B1机构后轴测视图 (e)机构C—C剖视图 (f)导柱安装图8 B1抽芯机构Fig.8 B1 core-pulling mechanism

如图8(b)所示，隧道滑块驱动锁紧块29向下按F1向动作，通过T形槽，能驱动B1隧道滑块28按F4向向右移动，在B1滑块27上，设置有一个限位玻珠，对应的，在B1隧道滑块28上设置有2个对应的玻珠孔，用于B1隧道滑块28在最左边和最右边的定位，如图8(c)所示，当B1隧道滑块28位于最左边时，限位珠子卡住上端右边的孔，B1隧道滑块28位于最右边时，限位珠子卡住上端左边的孔。当隧道滑块驱动锁紧块29拉着B1隧道滑块28向右移动一段距离后，隧道滑块驱动锁紧块29脱离B1隧道滑块28，此刻，B1隧道滑块28上端左边的孔被限位珠子卡位限制住，停留在此处不动，直到P3分型面闭合时，隧道滑块驱动锁紧块29能准确地插入B1隧道滑块28的T形槽中。弹簧支撑块37通过螺钉紧固安装于滑块27的底部，用于隧道滑块驱动弹簧36的支撑和安装，隧道滑块驱动弹簧36用于辅助驱动B1隧道滑块28。

垂直抽芯完毕，A1、A2滑块上的驱动杠梁38通过横梁槽驱动B1滑块27按F1向下行，但B1滑块27被2个紧固安装于定模板33上的斜导柱26驱动导向，因而其只能按斜导柱26的中心线方向下行，从而驱动B1滑块27完成塑件B1面的侧向抽芯。B1导柱26通过B1导柱压块25紧固安装于定模板33上。

从A1、A2滑块，B1、B2滑块的装配关系可以得知，在A1、A2机构油缸20 的驱动下，A1、A2、B1、B2四个滑块将同步向下和向外抽出，从而实现塑件四面外壁的抽芯脱模，4个滑块下行到一定距离后完成4个侧壁的脱模后，都将被安装于定模板33上每个滑块对应的滑块下滑限位挂钩39勾住而不能继续下行。4个滑块的同步动作由安装于A1、A2滑块上的驱动杠梁38驱动来施行。

5 模具工作原理

模具的工作原理如图9所示。其具体工作过程为：

(1)模具闭合，模具进行注塑，保压、冷却完毕，等待开模。

(2)P1打开。模具在注塑机动模的带动下，动模后退，后退时，模具首先在P1分型面处打开，流道废料在点浇口处与塑件崩断分离；

(3)P2打开。动模继续后退，流道板32将流道废料从拉料杆及浇口套内拔出，流道废料自动脱模；

(4)P3打开。动模继续后退，模具在P3面处打开，打开同时，动模板34的气道内注入高压空气，推动型芯气顶杆11而顶动塑件从型芯镶件9上顶出；塑件脱离型芯镶件9而留于型腔一侧；P3打开的同时，B1、B2机构上的隧道滑块驱动锁紧块29驱动B1垂直抽芯滑块30完成垂直抽芯动作；

(5)P4打开。在P3打开一定距离后，油缸20动作，驱动A1、A2、B1、B3四个侧面滑块下行，带动塑件从型腔镶件8上脱离，同时，定模板33的气道内注入高压空气，驱动型腔气顶杆13推动塑件从型腔镶件8上脱离；4个侧面滑块下定一定距离后，塑件自动从4个侧面滑块上脱离，从而实现塑件的完全脱模；

(6)复位。复位时，过程与开模动作相反，模具闭合，等待下一个注塑循环。

8—型腔镶件 9—型芯镶件 11—型芯气顶杆 13—型腔气顶杆 20—A2油缸 22—A2滑块 27—B1滑块 28—B1隧道滑块29—隧道滑块驱动锁紧块 30—B1垂直抽芯滑块 31—面板 32—流道板 33—定模板 34—动模板 35—底板37—弹簧支撑块 40—A1滑块 41—B2滑块 42—B2隧道滑块 P1～P4—分型面(a)A1、A2滑块动作剖面 (b)B1、B2滑块动作剖面图9 模具工作原理Fig.9 Working principle of mould

6 结论

(1)结合塑件的特点，针对塑件形状特点，设计了其一种特殊的无顶出机构简化型三板模点浇口模具；模具中，模腔的分型采用双层分型面进行分型，其模腔布局为1模1腔，结合CAE优化分析，模腔的浇注采用4点点浇口浇注，以保证模腔的注塑效果和消除塑件潜在的品质缺陷;

(2)针对塑件脱模困难的问题，配合以模板的打开动作，设计了一种复合式四面侧抽芯机构来实现塑件的完全脱模，脱模时，先利用动模板和定模板的打开动作，在气动顶出的顶出下，使型芯镶件先抽芯与塑件脱离，同时，通过斜T形槽驱动中央隧道滑块来驱动垂直抽芯镶件的先抽芯；而后通过2个油缸驱动四面4个滑块下行进行侧抽芯，同时，也辅助以气动顶出，将塑件从型腔镶件上拔出，塑件留于4个下行抽芯的滑块上，在跟随4个下行侧抽芯滑块中，由于4个滑块在各自的斜导柱的驱动下，同步做侧向抽芯，塑件自动与4个侧面滑块分离，从而实现塑件的自动脱模;

(3)四面抽芯机构包含有一组2个相同结构的单一侧面斜向抽芯机构和一组2个复合式2次抽芯机构，复合式2次抽芯机构中，先利用斜T形槽驱动主滑块体内的隧道滑块来驱动垂直抽芯滑块的先抽芯，而后再利用斜导柱的导动，驱动侧面抽芯主体滑块进行抽芯;机构设计构思巧妙，模具机构设计合理，可为同类塑件的注塑自动化生产提供有益参考。