基于ZWCAD的奶瓶盖多腔螺纹抽芯注塑模设计

邵树锋，林占强

(1.浙江工业职业技术学院，浙江绍兴 312000； 2.三门技师学院，浙江台州 317100)

瓶盖可以分为普通瓶盖和特殊的专利保护瓶盖两大类型[1–3]。普通瓶盖一般包括内壁带螺纹特征瓶盖和内壁不带螺纹特征瓶盖[5–7]。不带内壁螺纹特征的瓶盖可以通过两板模+推板推出机构的简易模具进行生产[8–9]。而带内壁螺纹特征的瓶盖则需要用设有专门脱螺纹脱模机构的模具进行生产，模具结构变得复杂的同时，单副模具内模腔的布局数量也明显减少，即随着机构设置的增加，单副模具的产量明显减少[10–13]。而对于特殊的专利保护瓶盖，涉及到商品保护和竞争需要，需要做出特殊的结构改进和功能设计以避免侵权，此类专利瓶盖的结构一般将瓶盖盖体和盖帽分成两部分来进行设计，中间通过设置能多次折弯的连接筋连接，盖体内壁一般设置有内壁螺纹、防伪及防开启特征，盖体顶部亦同时设置有与盖帽密封配合的密封结构，其与盖帽的密封配合，一般通过盖帽的胀大变形来实现。显然，此类瓶盖的模具结构设计更难，加工与制造也更复杂[14–17]。

模具的结构设计虚拟化，一般借助主流3D软件如UG，PROE和Cimatron等软件来实施，随着国内三维设计软件技术的进步，国产化软件ZWCAD的三维模具结构设计功能越来越强大，已成为中小模具企业进行自主研发设计、降低软件著作使用成本的不二选择[18]。笔者应用ZWCAD软件针对某专利奶瓶盖塑件设计了一副1模8腔三板注塑模具，用于该塑件的大批量自动化注塑生产，模具结构较为新颖、实用，有较好的设计参考价值。

1 奶瓶盖塑件分析

奶瓶盖结构如图1所示，奶瓶盖为翻盖式瓶盖，瓶盖由盖体和盖帽构成，盖体和盖帽之间通过三片弯折筋相连接，该弯折筋能承受550次弯折测试。如图1a所示，盖体中央部位设置有一个出孔，闭合时，该出孔与盖帽一侧的卡柱过盈配合，对奶瓶进行封闭。如图1b所示，盖体的内壁上设置有3圈齿形内螺纹，盖体中央部位设置有整圈与瓶口过盈配合的密封边，盖体内壁底部设置整圈等间距排列的止转槽。盖帽一侧，同样设置有整圈密封凸筋，用于与盖体出孔周边的凸台压紧配合，以对出孔周边进行密封。盖帽翻转扣接于盖体上后，塑件的形状如图1c所示。奶瓶盖材料选用柔韧性好的食用级改性聚丙烯(PP)，该食用级改性PP在常温及高温情况下，不会溶出有害物质，加热时无降解发生，但不可用微波炉进行加热。

图1 塑件结构

2 成型方案布置

2.1 单腔分型

奶瓶盖塑件的结构尺寸如图2所示，针对单个瓶盖塑件而言，在进行模腔浇注时，瓶盖塑件的浇注系统应结合塑件的具体形状来进行实施，因奶瓶盖的盖帽和盖体中间部位的连接筋壁厚仅为0.3 mm，且要做到盖体和盖帽之间能够实现平衡注塑，显然将浇口开设在图2中所示的G1位置较为合适，即塑件的单腔采用偏心单点点浇口，这一点，经CAE仿真分析后得到验证。明确浇口的位置后，塑件的单腔分型设置为：在盖体一侧，以盖体的上边沿的L1分型面来进行分型；盖帽一侧，以L2分型面来进行分型。

图2 塑件结构尺寸图及分型

2.2 8腔浇注系统布置

依据奶瓶盖的生产要求，单副模具中的模腔布局采用1模8腔的形式，如图3所示。根据塑件的单腔为偏心单点点浇口的设置情况，模具中8腔的浇注系统设置为如图3所示的5级流道系统形式来进行浇注，即主流道→一级流道→二级流道→三级流道→垂直流道→点浇口。点浇口的进浇截面直径为0.8 mm。一级、二级和三级流道的截面皆采用“U”形截面。

图3 8腔浇注系统设置

2.3 单腔成型件

结合图2所示的单腔分型设置及图3所示的8腔浇注系统布置，单腔的成型件设计如图4所示。

图4 单腔成型件设置

依据单腔的L1，L2分型面设计，单腔的型腔成型件中，盖体的出孔特征的成型件单独设置为一个圆柱形小镶件，以便于模腔的抛光加工。

如图4所示，对于型芯成型件，在综合考虑脱模、冷却等需要后，其设置为：外壁使用型芯镶件成型。内壁使用“螺纹套管型芯”方式成型并实施脱模，其具体设置为：内壁底端均布的止转槽使用“型芯镶套”成型，内壁螺纹特征使用螺纹型芯成型和旋转脱模。内壁密封边由螺纹型芯和内套型芯共同成型，考虑到塑件的最终脱模需从型芯成型件一侧脱出，因而，中央部位再次设置中央型芯来解决这一问题。对应的脱模动作为：第一步先使螺纹型芯旋转抽芯抽出，第二步再通过中央型芯将塑件从型芯镶件内、内套型芯外顶出。

中央型芯内部开设内壁隔水片喷管(中心水路)对型芯进行冷却。

2.4 8腔成型件结构

将8个单腔模腔的型腔成型件合并后，8腔整体型腔设计为如图5a所示的型腔镶件，8腔整体型芯成型件设计为如图5b所示的型芯镶件。在8腔整体式模腔设计中，一方面考虑到PP料注塑过程中有可能产生较多的分解气体，另一方面，盖体和盖帽的连接筋厚度仅为0.3 mm，必需增强排气，因而模腔需要做全周式排气，排气槽布置如图5a所示。为保证模腔闭合的稳定性和减小闭合偏差，图5a中的型腔镶件两侧设置有4处与图5b中对应的定位配合锥台。

针对图5a中的型腔镶件，设计了4条复合平行式水路对该镶件进行冷却 (I1–O1，I2–O2，I3–O3，I4–O4)，同样，对图5b中的型芯镶件，也设置了2条“回”形式水路进行冷却 (I5–O5，I6–O6)。

图5 成型件结构设计

3 模具整体设计

在前述浇注系统及成型件设计的基础上，模具的整体结构设计存在以下几个难点：

(1)盖帽的外表面在图5b中的型芯镶件上成型，而其内表面则在图5a中的型腔镶件上成型，因而，在型腔镶件与型芯镶件开模打开时，型腔镶件一侧需要设置一个机构将盖帽从型腔镶件上顶出，以使塑件能可靠地留在型芯镶件上。

(2)对于盖体内壁内螺纹脱模机构的设计，需要设计一个机构能同步推动8个模腔内的螺纹型芯同步旋转脱模，即8个模腔内塑件的内螺纹起始点必需一致。

3.1 模具整体设计

模具的整体结构如图6所示。模具为改装型三板模结构，由3板模改进为6板模，以便于模具内机构的驱动。

图6 模具整体结构

模具分5次分型打开，在原始3板模3次打开的基础上，在模具定模一侧，增加了1次定模侧推出板推出分型打开；在动模一侧，增加了1次动模板5向上浮动顶出打开。

在模具中，采取以下措施解决上述整体结构设计中存在的难题：

(1)对于盖帽从型腔镶件中的顶出，在定模板4内增设了一块有动模一侧机构驱动的定模顶出板机构。

(2)为保证8个模腔内的内螺纹脱模机构动作的同步性，采取以下措施来解决：

①设置由油缸22驱动的齿条机构对8个内螺纹型芯同步驱动。

②对模架进行改装，模架在普通3板模模架的基础上增设了零件6～零件8三块垫板，以便于内螺纹型芯及其驱动机构的安装。

3.2 模架结构改进

定模顶出机构的安装如图7所示，模架做了以下改进，在普通3板模模架基础上，增设了用于安装螺纹型芯机构的零件6～零件8三块垫板，此三块垫板通过螺丝紧固在一起，主要用于螺纹型芯机构的安装。而动模板5则设置为浮动式动模板，便于带动型芯镶件上浮，以配合螺纹型芯脱螺纹动作。

图7 定模顶出机构的安装

3.3 定模顶出机构

如图7所示，在定模板4上增设了流道板41和定模推出板47，流道板41和定模推出板47为各自独立的模板，流道板41通过螺钉紧固安装于定模板4上，而定模推出板47则可以在定模板4对应的槽内上下运动。定模推出板47上安装有拉杆柱44，拉杆柱44的下端安装有树脂开闭器45，在第一垫板6与动模板5分离打开时(P5分型开模面打开)，第一垫板6能通过树脂开闭器45的摩擦吸紧力拉动拉杆柱44及定模推出板47下行。在定模推出板47上，通过三角压板42压紧安装有定模顶杆43，用于盖帽从型腔镶件34内的顶出脱模。

3.4 动模顶出机构

动模一侧的顶出机构主要由图7所示的顶针盖板9、顶针推板10组成，其结构与一般顶出机构相同，用于图8中的中央型芯65的顶出。

图8 脱螺纹机构的安装

3.5 内螺纹脱螺纹机构

针对盖体内壁的内螺纹，采用油缸+齿条驱动的齿轮螺纹型芯机构实施脱模。以单个模腔为例，机构包括动力驱动机构和螺纹型芯机构两个子机构。

动力驱动子机构的组成零件包括图6中的零件16～零件28，该子机构用于驱动图8中的螺纹型芯机构(零件59～零件70)。为保证所驱动的8个模腔的螺纹型芯60可靠地启动和止位，必需对由油缸22驱动的活动推板24进行精准控制，该控制主要由前后两组行程开关来执行，螺纹型芯60的复位控制由图6中的复位触点块18、复位行程开关19来执行，止位由推出行程开关16、推出触点块17来执行。齿条28和70为两条结构一样的齿条，以齿条70为例，其尾端安装于活动推板24上，前端由模板内安装的齿条导向块69进行导向控制，齿条70上齿与齿轮63啮合，用于驱动螺纹型芯60转动。

螺纹型芯子机构的组成零件包括图8中的零件59～零件68，组成零件的安装情况为：螺纹型芯60的下端从上往下依次套装有上端面轴承62、隔垫68、齿轮63、螺纹型芯轴承64、下端面轴承(与上端面轴承62相同)。螺纹型芯60转动抽芯时，因螺纹型芯60在开模方向上不能上下移动，因而，为配合螺纹的脱模，动模板5需向上浮动顶出，配合螺纹型芯的旋转，使塑件边脱螺纹，边往上移动。

为保证中央型芯65获得足够的冷却，该型芯中心内部设置了一条隔水片式的喷泉冷却水道，水路的接入、接出都设置在顶针推板10上。

4 模具工作原理

模具的工作原理如图9所示，塑件在模具中注塑完毕后，模具打开取件时，模架的模板分五次打开，P1，P2，P3为三板模的常用三次开模，P4为增加的定模侧推出板推出分型打开，P5为增加的动模板5向上浮动顶出打开。具体动作工作顺序为：P1→P2→P3(P4同步)→P5；闭合顺序为相反顺序。

图9 模具工作原理

结合图7、图8和图9所示，各步骤对应的模具机构功能实现的具体情况为：

①P1打开。模具动模在注塑机拉动下，模具动模下行，此时，在定模板弹簧73的撑开下，模具首先在P1处打开，P1打开时，垂直流道与模腔中的塑件在模腔的点浇口处崩断，流道与塑件分离。P1打开一定距离后，定模板拉杆48拉住定模板4，而定模板4继续跟随动模下行，从而拉动脱料板3下行，此时，P2打开。

②P2打开。P2打开时，脱料板3将流道废料从法兰套36及拉料杆40上刮出，完成流道废料的自动脱模。P2打开一定距离后，流道板定距套50限制板脱料3、定模板4继续跟随模具动模下行，模具将被迫在P3处打开。

③P3打开。P3打开时，塑件盖体的模腔打开，而盖帽则由于其内壁包紧于型腔镶件上，因而需要从型腔一侧将其顶出，P3打开时，需要P4做同步闭合动作。

④P4闭合。P4闭合由P3的打开来驱动，P3打开的同时，树脂开闭器45依靠摩擦力拉住拉杆柱44、定模推出板47一起下行，推动定模顶杆43将盖帽从型腔镶件34中推出，塑件留于型芯镶件35上，此为定模板4内部的P4的闭合。

⑤螺纹抽芯。P3打开、P4闭合动作完成后，塑件留于型芯镶件上，油缸22动作，驱动齿条70带动螺纹型芯60转动，在动模板弹簧75的辅助顶托下，动模板5上浮运动，从而在螺纹型芯60转动的同时，塑件跟随动模板5一起上浮运动，实现内壁螺纹的顺利脱模。

⑥模内组装。脱螺纹完毕后，注塑机辅助机械手伸出，将盖帽翻转弯折，盖帽扣于盖体上，实现瓶盖的模内组装动作。

⑦顶出。注塑机顶杆推动顶出板顶针盖板9和顶针推板10向上顶出，从而推动中央型芯65将塑件从型芯镶件35上顶出，实现塑件的完全脱模。

⑧复位。复位过程与开模过程完全相反。

5 结论

(1)设计了一种1模8腔瓶盖三板注塑模具，模具分五次分型打开，定模侧增加1次打开，用于盖帽从型腔镶件内顶出脱模，动模一侧增加1次打开，以辅助塑件内螺纹的螺纹抽芯脱模。

(2)在模具中，通过设置偏心单点点浇口，保证了模腔内塑件的均衡注塑。

(3)通过设置定模顶出机构，保证了盖帽从型腔内的自动顶出脱模。通过设置一种油缸+齿条驱动的齿轮螺纹型芯机构，保证了8个模腔内塑件内螺纹脱模的同步性。

(4)通过对模架的改造，方便了脱螺纹机构的安装及塑件自动化注塑生产的实现。

(5)模具机构设置巧妙，结构布置合理，制造成本相对较低，具有较好的工程设计参考价值。