自底向上的电熨斗倒置式布局三板点浇口模具设计

徐文庆 ，熊建武 ，刘少华 ，汪哲能 ，陈黎明 ，胡智清

(1.湖南财经工业职业技术学院，湖南衡阳 421002； 2.湖南工业职业技术学院，长沙 410208)

塑件模具结构设计的方式，从实践应用来看，一般分为两种方式，自顶向下方式及自底向上方式[1–4]。自顶向下方式，一般先对模具的模架、模胚大小予以确定，再进行模具工作各子系统的设计，对于模具结构比较简单，或者同类型产品的模具结构设计较为适用，可以允许工厂在模具结构设计同步，将模具的料单下发，以缩短模具的加工制造周期，提高生产效率[5–9]。自底向下方式，则是依据塑件的形状，先设计浇注方式、脱模方式及机构、冷却、排气等子系统后，再进行模架的选配及零部件的组装，从而完善模具的整体结构，设计周期相对较长，但能保证模具结构设计的各环节不会出现原则性设计错误[10–13]。自底向上设计过程中，一般对塑件的脱模、浇注、冷却、排气等作出综合评估后，再确定塑件的布局方式、分型、及子系统设计，而后再进行模架等总装性组件的添加[14–16]。拟结合某熨斗外壳塑件的注塑成型模具设计实践，给出实践案例，以资设计参考。

1 熨斗外壳塑件

熨斗外壳塑件如图1a所示，塑件的形状为倒扣型船体形状，可以分为4个特征区域，上端的“船底”特征区域，后端的“船尾”特征区域，下端的“船舱”特征区域(如图1b所示)，及中间的“通仓”特征区域。在“船底”特征区域，从脱模角度来讲，设置有4类直线型特征(插穿孔、直孔、碰穿孔、螺丝柱)；在“船尾”特征区域，也设置有4类特征(侧孔、螺丝柱、直孔、卡筋)；在“船舱”区域，主要设置有3类特征(螺丝柱、平台孔、1处倒扣)；在“通仓”区域，主要有2处凸起和一个平台及两个直孔。从各区域的特征来看，各细节特征的脱模只能沿着其轴心线或者中心线方向进行抽出脱模，因而，4个区域内各特征的脱模需要进行集成整理后，再进行区域分块成型件设计。

图1 熨斗外壳三维外形图

2 模塑成型分析

熨斗外壳塑件的材料选用橡胶改性的工程塑料丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)，牌号为ABS–T70 (20%橡胶)，收缩率为5.5%。采用注塑方式进行成型。塑件的壁厚分布分析中，塑件的平均壁厚1.8 mm，最厚处为2.6 mm，最薄为1.0 mm。塑件的拔模角度设置需要结合具体的分型设置及分区域的脱模方向后进行设定，主型腔面拔模设置为3°，主型芯拔模斜度为2°，侧抽芯成型块拔模斜度为2.5°。通过自底向上设计思路，将塑件放置于模具坐标系中后，各区域的抽芯方向如图2所示，显然，“船底”区域的特征以按Z–方向进行抽芯较佳，“船舱”区域特征以从Z+方向进行脱模较为合适，而对于“船舱”区域，则以中界线为分界面，分别按X+、X–方向抽出较为合适，“船尾”区域的特征，则从Y+方向进行抽出较为合适。

图2 产品模塑分析

显然，塑件的多特征多区域分布容易引起大的收缩变形、塑件的形状特殊及细节特征上脱模问题是本模具设计的难点。

3 分型及脱模设计

3.1 成型问题分析

针对塑件结构特征多，形状复杂的特点，注塑时，浇口位置及浇注系统设置不当，会导致塑件的注塑失败，因而，事先结合具体的浇口位置及对应的浇注系统进行CAE分析，以查看浇注系统实施的可行性，非常必要。考虑到塑件的实际形状，浇口最佳位置设在塑件中央，设置的浇注系统采用2点点浇口来浇注，如图3a所示，CAE分析中，关键的成型充填要求翘曲变形及收缩变形结果如图3所示。在“船舱”区域中央部位平台位置处开G1，G2浇口后，模腔成型所需的压力为55 MPa左右，对注塑机的压力要求不高，压力整体上较为平衡，且除K1末端区域压力低至2.4 MPa以外，其它区域的充填压力充足，此处解决的办法是，增强区域排气，采用镶件来制作成型件，以增强排气效果。浇注后的整体的变形能控制在0.97 mm以下，最大变形和最大收缩都出现在图3b中所示K2区域，结合塑件的整体尺寸结构，此变形为0.95 mm，收缩为2.45%，收缩相对塑件的整体尺寸而言，此变形和收缩是可以接受的，如图3b所示。冷却设置有10条水路，水路进出口温度差在2℃内，管路的冷却效果非常有效。CAE分析结果表明，塑件的形状及众多特征，在G1，G2浇口的浇注调整下，对塑件的整体成型影响不大，塑件可以采用点浇口浇注成型方式来进行成型。

图3 CAE分析结果

3.2 分型及脱模设置

塑件在模具中的布局摆放和分型设置影响到脱模机构设置的难易。如图4a所示，塑件采用单腔布局，按图2b中所示进行倒置在模具中后，按照图2中所示的4个区域的抽芯方向进行考虑，所设计的分型设置如图4a所示。型腔镶件用于“船舱”区域3类特征的脱模，其中的S4小滑块用于倒扣特征的脱模。S1，S2滑块分别用于“通仓”区域X轴上X+、X–方向抽芯特征的脱模。S3滑块用于“船尾”特征区域Y+方向抽芯特征的脱模。型芯镶件用于“船底”区域特征的成型，其脱模由4个斜顶及顶针完成倒扣及整个塑件的顶出脱模。相应的成型件动作设置如图4b所示。

图4 分型及脱模设计

4 模具设计

4.1 模具结构

在模腔的成型件、脱模机构及各子系统设计好后，最终自底向上所形成的模具结构为冷流道双点浇口三板模结构注塑模具如图5所示。模腔的成型件型腔镶件和型芯镶件采用镶件形式安装于模板上，一是有利于降低成型件的加工难度，二是节省高要求和高价格的成型件材料，以降低模具的制造成本。对照上述脱模机构的设置，模具采用一组由S2斜导柱10，S1斜导柱14分别驱动的哈弗滑块机构S1，S2。设置了一个由油缸17驱动的油缸侧抽芯滑块机构S3，4个斜顶机构X1～X4，1个前模弯销滑块抽芯机构S4。

图5 模具整体结构布局

考虑到模具上侧抽芯机构较多，模具采用主导向机构和副导向机构两种类型的导向机构来进行模板的运动导向。主导向机构为4个主导柱5所构成的主要保证流道板2、定模板3运动导向的导柱机构，副导向机构为4个副导柱7构成的主要用于保证定模板3与动模板26之间闭合时的导柱机构。综合S1，S2，S3，S4滑块机构的滑出行程、4个斜顶机构顶出行程、塑件从型芯镶件上的顶出行程、流道废料的脱出高度及冷却水的接出空间等数据后，选用的模架结构尺寸为龙记(LKM )细水口DCI–4560–A150B200C160标准模架。模具分三次分型打开，开模时模板的运动顺序控制构件由组合型定距拉杆6、锁闭器22构成，拉杆器用于定模板3、流道板2的分型打开定距，锁闭器22为摩擦型临时锁闭机构，用于模具开模打开时定模板3与动模板26之间的临时锁闭。为保障顶针的安全性，顶出板31、板32须先进行复位，其复位到位信号由开关34发出。

4.2 抽芯机构设计

侧抽芯机构在模具上的安装如图6所示。

图6 脱模机构安装

图6a中，S1机构、S2机构组成哈弗滑块机构，都采用S2斜导柱10进行驱动，以保证滑块运动的平稳性及足够的启动驱动力。一般针对大型哈弗滑块的两个滑块进行碰面配合时，为保证两滑块配合的准确性，在两滑块的正中心设置有定位锥台，如图6b所示。S3机构的滑块体47和滑块头46采用分体式加工便于滑块头46的加工及节省成型材料；S3机构采用油缸驱动，以保证滑块头46抽芯的可靠性。4个斜顶机构的结构都采用X1斜顶的结构形式，X1斜顶的斜顶座39进行加高后，能保证X1斜顶杆38能以较大的斜顶角顶出，增加X1斜顶杆38的侧抽芯行程。S4滑块机构为前模抽芯滑块机构，模具在PL1，PL2打开时，弯销44驱动安装于型腔镶件11内的弯销滑块45先进行内收抽芯，完成塑件“船舱”特征区域倒扣的先抽芯脱模。

4.3 模具工作原理

图7为模具工作原理。

图7 模具工作原理

模具的开模面按序依次为：PL1→PL2→PL3，见图7a。其工作原理为：闭模注塑后，注塑机动模板拉动模具动模部分开模后退；PL1打开时，点浇口与塑件崩断分离；PL2打开时，流道废料被脱料板2从法兰套36中拔出，而自动脱落；PL3打开时，S1，S2滑块机构动作，先完成塑件两个侧面的侧抽芯脱模；而后S3机构的油缸17动作，驱动滑块头46完成塑件的Y+向的抽芯。而后，注塑机顶杆推动顶出板及其上的顶针及4个斜顶将塑件从型芯镶件42上顶出，实现塑件的完全脱模，见图7b。

5 结论

针对该塑件形状复杂、模具结构设计困难的问题，采用自底向上的设计思路，对塑件上的特征进行分拆的基础上，设计了一种倒置式布局三板两点点浇口模具来实现塑件的自动化注塑生产，塑件在模具中的布局做倒置式处理后，有利于降低机构设计的难度和降低模具结构的复杂性。针对塑件脱模困难问题，设计了1个前模弯销先抽芯机构，1组哈弗滑块侧抽芯机构、1个油缸侧抽芯机构及4个大角度顶出斜顶机构来实现塑件的难脱模特征的脱模。采用自底向上方式来设计模具结构，运用CAE辅助分析来避免设计盲区，有利于减少设计失误，提高设计效率，能为同类形状塑件的模具结构设计提供有益参考。