塑料机器人一模多异腔注射模设计

李海林，王锦红,丁立刚，赵永豪

(1.广州城建职业学院，广州 510993； 2.中山火炬职业技术学院， 广东 中山 528436)

0 前言

在设计注射模具时，对于由尺寸较大、形状各异的塑料零件组装而成的塑料产品，通常采用一模一腔的结构形式，将不同零件布置在不同模具中注塑生产；而对于尺寸较小、批量不大且材料相同的塑料产品，基于节约产品开发成本的考虑，可以将一套产品上的多个零件同时布置在一套模具中，注塑成型后再将各个塑料零件装配成一个产品。本文涉及到的是一款塑料机器人，其组成零件尺寸较小，装配后的外形尺寸不大，主要用于充当装饰物悬挂或者小玩偶，所以产品要求外观精致美观，同时还必须保证产品装配后整体着地的平稳性。在模具设计过程中，若以传统的设计思路与方法，则存在模具分型面复杂、填充不平衡、以及机器人立足着地不稳等问题。本例中通过巧妙的选取产品夹线位置、运用CAE模拟分析技术、增设模具抽芯机构等方法，有效地解决传统设计方法可能遇到的问题及难点。

1 机器人组合件工艺分析

该产品的材料为丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)，共由4个不同的零部件构成，各部件的名称如图1所示。该产品装配后的最大高度尺寸为40 mm，胳膊平直张开后的最大尺寸为48 mm，产品的平均壁厚为1.2 mm，装配效果如图2所示。由装配效果图可知，主身件1与头部件3存在无法顺利脱模的部位。产品要求能平稳立足着地，故腿件4的底部需具备一定的平面度要求，不允许有夹线及脱模斜度等问题。

1—主身 2—头部 3—胳膊 4—腿图1 机器人装配爆破图Fig.1 Robot assembly blasting map

图2 机器人装配立体图Fig.2 Robot assembly diagram

2 模具结构设计

2.1 型腔的数量及布排

模具型腔数量与布局的确定，一般需考虑的因素主要有注塑机的规格参数、产品的精度要求、产品的交货周期、实际生产的经济效率等。本模具中，从产品装配工艺性和生产经济性等因素考虑，确定将装配组件放置同一成型模具内，采用一模六腔的布排形式，如图3所示。采用这种形式布排的好处是每一次注塑生产后可以组装一个产品，能有效避免不必要的浪费，同时还能方便成品数量的统计。

图3 型腔数量与布排Fig.3 Number of cavities and cloth rows

2.2 分型面的选择

分型面的选择是一个比较复杂的问题，关系到产品的外观质量、影响到模具的具体结构及加工的难易程度，在分型面的选择时需综合考虑多种因素，对于一模多异腔模具而言，主要考虑如何将多异腔的分型面进行台阶的整合单一化，减少凸凹不平的台阶分型面或曲面分型面。

塑料机器人由于各部件形状各异、大小不一，如果按常规思路选取每个部件的最大截面处为分型面，则出现多处凸凹不平的分型面，使得模具零件加工与装配变得复杂。为此，本例中借助常用的三维设计软件，通过调整产品坐标位置，使得所有零件的最大轮廓均处于同一平面位置，如图4所示。从而简化了模具分型面结构，降低模具加工难度。

图4 分型面Fig.4 Parting surface

2.3 浇注系统设计

塑料熔体在注塑压力的作用下，经过浇注系统填充到模具型腔的各个部位，以获得形状完整的、质量优良的塑件。为了便于注塑后产品从模具中取出，模具浇注系统采用框架式辅助流道的形式，如图5所示，将整个产品组件包裹于流道之中，浇注系统结构如图(a)所示；同时在辅助的分流道上增设了4个卡位，方便了产品的后期存放，产品叠放如图(b)所示。

(a)浇注系统结构 (b)产品叠放图图5 浇注系统Fig.5 Gating system

由于采用一模多异腔的结构方案，因此各模腔容易出现充填不平衡的工艺问题，从而导致产品容易出现飞边、内应力过大等外在和内在的质量问题。为了避免结构不合理而导致后期模具制作及试生产过程中出现重大工艺问题，在模具设计初期，根据模具的初始结构方案、所选材料的性能以及塑件的大小等因素确定模具的成型工艺参数， 如表1所示，利用常用模流分析软件Moldex模拟分析塑料熔体的流动状态，验证浇注系统的合理性。

表1 工艺参数

(a)优化前充填至80 %时的状态云图 (b)优化后充填至70 %时的状态云图图6 优化对比状态云图Fig.6 Optimization contrast of state cloud diagram

根据模拟分析结果，确定将部分型腔的分流道尺寸由原始设计的φ3 mm更变为φ2.5 mm， 部分型腔的浇口尺寸由原始的0.5 mm设计更变为0.35 mm， 并在相同成型工艺参数条件下进行模拟过程分析。分析结果图6所示， 其中图(a)、(b)分别是设计更变前后的填充过程模拟分析结果状态云图，从状态云图可知， 设计更变前各型腔填充不均衡，设计更变后各型腔填充基本均衡，从而保证的产品质量。

2.4 成型零件的设计

成型零件的形状与精度决定着产品的质量，其结构设计主要考虑是否节省贵重材料、是否便于加工、排气、后续零件抛光及零件装配等因素，一般来说可以分为整体式与组合式。为了便于零件加工、修配与更换，该模具的成型零件以采用局部镶拼组合式结构为宜，即在标准模架中的定模板与动模板中局部镶入动、定模镶件，再将成型组件内表面的小型芯全部单独镶入动模镶件内，成型组件外表面的小型芯单独镶入定模镶件内，如图7所示。此种结构不仅节省了大量的贵重金属材料，还能有效利用零件结合处的间隙进行填充时的排气，同时能够大量减少特种放电加工的时间，提高了模具的生产效率。

图7 成型零件Fig.7 Forming parts

2.5 抽芯机构的设计

由产品的工艺分析可知，主身件1与胳膊件3的结构上存在与开模方向不平行的侧孔与侧凹，故在模具结构上需要设计抽芯机构来解决此类问题；同时在腿件4底部处上增设了抽芯机构。如果按常规设计的方法处理，则本处无需此机构，但生产出的产品会存在底部不平或者夹线等问题，从而导致使用功能上的缺陷，出现产品无法平稳着地的现象。考虑到制品实际所需的抽芯距与抽芯力都相对较小，故本模具的抽芯机构采用斜导柱与滑块的组合式，其中滑块采用镶拼组合式，以方便加工与节省贵重材料，如图8所示。

图8 抽芯机构Fig.8 Extraction mechanism

2.6 顶出机构设计

图9 顶出机构Fig.9 Ejection mechanism

对于框架式流道的一模多异腔模具顶出机构的设计，需保证各腔产品能够同步顺利顶出，不能出现产品与流道分离的情况，否则会影响产品后续的存放或其他的后处理工序。本模具顶出机构设计的重点是考虑推出零件的选择与推出运动过程的导向。结合制品的具体形状，本模具采用推杆与推管联合顶出方式，如图9所示。同时在顶出机构中增设导柱与导套进行顶出运动导向，保证顶出过程平稳可靠，从而确保各产品同步脱模。

2.7 温度控制系统设计

合理的温控系统不仅能控制产品的精度，还能调节模具注塑生产的周期。设计温度控制系统时必须确保模具的型芯与型腔的温差控制在一定的范围内，以降低产品的翘曲变形程度。本模具注射成型的塑料组件的整体外形尺寸较小，采用U形循环冷却回路即可，如图10所示。从温控系统状态云图可见，各型腔温差在10 ℃以内，效果较好。

图10 温度控制系统冷却结果云图Fig.10 Cooling results of temperature control system

3 模具工作原理

在完成模具浇注系统、成形零件、推出机构、侧抽芯机构以及冷却系统等关键部件设计的基础上，进一步完善设计模具的定位结构、支撑零件以及其他的相关结构，最终设计出塑料机器人一模多异腔注射模具，主要结构如图11所示。

1—定模镶针 2—斜导柱 3—定模镶件 4、13—锁紧块 5—滑块 6、14、18—耐模块 8—定位波子9—止付螺丝；10—锥头螺钉 11—接水栓 12—密封圈 15—滑块座 16—滑块镶件 17—滑块压板19—浇口套 20—防转销 21—动模镶件 22—推杆 23—拉料杆 24—平头螺钉 25—定位环 26—定模座板(a)主视图 (b)侧视图图11 模具装配图Fig.11 The mould assembly drawing

其工作原理如下：模具合模后安装在注塑机上，在一定的温度及压力下，注塑机将熔融塑料通过喷嘴沿模具浇注系统均匀地注入到模具型腔中；在注塑机保压压力和锁模力作用下，塑件在型腔中保压成型，并在冷却系统作用下冷却、固化；注塑机打开，模具在定模镶件3与动模镶件21处分型，同时抽芯机构利用开模动作完成侧向分型抽芯；在注塑机顶出力作用下，利用推杆22、拉料杆23等顶出零件将产品与流道浇注系统凝料顶出；在注塑机合模动作作用下模具再次闭合，完成一个注塑周期。

经过后期生产验证，实际模具与注塑产品均能满足使用要求，可为类似产品的模具结构设计提供参考。模具与产品实物如图12所示[2]。

(a)模具实物 (b)产品实物图12 模具与产品实物Fig.12 Mould and product

4 结论

(1)针对塑料机器人的零件形状与尺寸，设计了一模多异腔的模具结构方案，并解决了多异腔模具分型面不规整的技术问题，节约了产品开发成本;

(2)借助CAE模流分析软件工具，对多异腔模具的浇注系统进行平衡填充分析与温度控制系统分析，优化其设计参数，确保产品符合技术要求;

(3)结构中将浇注系统设计成框架式的辅助分流道结构，并且在辅助流道上设计卡位，方便产品后续存放及表面处理;

(4)根据产品的功能要求，局部增设抽芯机构，保证产品整体的着地平稳性。