一字型布局的四腔注射模充模平衡设计*

熊 毅 刘清文

(①河南工业职业技术学院，河南 南阳473009；②河南省材料成形装备智能技术工程研究中心，河南 南阳473009)

内侧凸凹是塑料件的常见结构之一，斜顶[1]、斜滑块[2-3]等作为经典的内侧抽芯机构被广泛使用。在此基础上，也有一些变型结构，如斜推块[4]、斜顶头杆分离结构[5]。针对特殊的内侧倒扣，有人分别采用了两组不同斜度斜顶[6]、旋转抽芯[7]、差速驱动[8]、二级液压抽芯[9]，实现了复杂内侧结构的抽芯。若塑料件内侧结构面积较大时，采用斜顶等机构难以克服脱模阻力，宜采用弯销[10]、斜导柱等机构[11]，以产生较大的抽芯力。但是，弯销、斜导柱机构会占据模具的较大空间，造成模具尺寸增加，甚至影响型腔布局，给浇注系统的平衡带来困难。

本文以圆形盒盖为例，通过弯销抽芯机构处理产品内侧凸起。将4个型腔布局成一字型以避免两侧抽芯结构占用较大空间，但带来了塑料熔体流动的不平衡性。对浇注系统进行了CAE分析，采用了性能更佳的平衡流道，保证了多腔的充模一致性。最后，在模具中增加一个分型面代替从动模侧推出产品，从而省略了推出空间，减小了模具厚度。

1 产品分析及模具结构方案

1.1 产品结构及工艺难点

如图1a所示为盒盖的三维模型，图1b为产品工程图，材料为ABS，收缩率为0.6%，年产量100万件。该产品主体为回转结构，平均厚度约为2.5 mm，最大外形尺寸为φ85.83 mm×54 mm，产品内外的拔模斜度均为1°。盒盖口部为平面，口部内侧有左右对称的侧凹结构，凹进深度为0.94 mm，宽度为34 mm，如图中A处。盒盖内部底面有沿周的加强筋，高度为4.5 mm，外径为65.68 mm，如图中B处。

产品的内侧凹结构的处理是模具设计的难点之一。因ABS塑料较硬、弹性差，采用强制脱模会破坏产品；若采用斜顶或斜滑块，在抽芯运动时，斜顶或斜滑块会相对于产品的横向运动，与加强筋发生干涉。另外，因侧抽芯机构会占据型芯空间，给动模侧的冷却系统设计带来困难。还有，在设计推出机构时，要避免推出机构与侧向抽芯机构发生干涉。

1.2 模具总体方案

根据以上工艺难点分析，模具的总体方案确定如下：(1)分型面设计在产品的最大外形处[12]。(2)采用点浇口由产品顶部中心进料。(3)由于产品口部为平面，采用推件板以保证产品平稳脱模。(4)内侧凸起采用弯销侧抽芯机构用以克服脱模阻力。(5)根据批量要求，设计为一模四腔，因产品两侧均有侧抽芯机构，型腔呈一字型排列。(6)动模采用在型芯中设计隔板式结构，加强冷却效果。(7)因产品较高，设计限位拉板结构，利用开模完成产品分模、脱流道、抽芯和推出等所有运动，减小模具厚度，满足模具的安装要求。

2 弯销内侧抽芯机构

如图2，模具采用弯销内侧抽芯机构，左右各1个，抽芯的斜度为10°、行程为4 mm，滑块安装在推件板6和动模板13之间，弯销安装在型腔外侧，节省产品内部空间以设置冷却水道。成形部分与滑块为一体式结构，采用T型滑槽，滑槽由安装在动模板上的压条形成。

弯销4用螺钉3紧固在定模板5上，弯销与滑块11上的方形斜孔外侧紧密配合，起到合模时的楔紧作用；为了便于弯销活动顺畅，弯销内侧与滑块壁空1 mm。滑块外侧安装弹簧10，用于抽芯结束时仍保持弯销与方孔的相对位置，避免合模时两者碰撞；弹簧用挡板9限位，防止松脱。为了便于制造，推件板镶件7用螺钉安装在推件板6上，与型腔1呈锥面配合，用于合模时定心，与型芯12呈锥面配合，防止运动过程中两者摩擦。

3 浇注系统平衡分析

3.1 流道的结构方案

非平衡充模会导致产品品质出现差异，平衡式浇注系统则能保证各型腔同时间、同温度、同压力充填[13-14]。由于一模四腔呈一字型排列，浇注系统采用图3a的直线布局，塑料的流程最短，有利于缩短注射时间，但是各腔产品充模时间和充模状态有差异，使产品在充模过程中的压力场、温度场梯度大，会导致产品冷却后的应力分布差别大，影响产品的一致性。

因此，采用如图3b所示的两级分流道，将产品分成A、B两组，一级分流道相对模具中心线偏置，呈中心对称，同时分流至A组中心和B组中心；再通过二级分流道平衡流向点浇口的入口。这种结构保证了4个型腔中任意两个型腔的流动路径对称，流程一致，保证了各腔同时充模。

3.2 充模CAE分析

对两种浇注系统进行CAE模拟仿真，图4、5分别为流动前沿和充模结束时的压力场的分析结果。

显然，平衡式浇注系统各型腔的充模一致性更好。如图4a，在非平衡式浇注系统中，各型腔的充填时间不一致，内侧两个产品先充满，充模时间为1.03 s，外侧两个产品的充模时间为1.39 s，时间差为0.36 s。图4b中，因流道路径复杂，充填时间较长，为1.82 s，但因各流动路径一致，塑料同时充满各型腔，一致性好。

充模结束时，平衡式浇注系统各型腔的平均压力和压力差小，有利于降低产品脱模后的内应力，减小翘曲变形。图5a为非平衡式浇注系统,型腔最大压力为76.73 MPa，最小压力为7.92 MPa，压力差为68.81 MPa。图5b为平衡式浇注系统,型腔最大压力为44.36 MPa，最小压力为1.77 MPa，压力差为42.59 MPa。

表1为两种浇注系统充模和保压的主要指标对比情况，在平衡式浇注系统中，最大凝固时间差、熔体最大温差、最大注射压力和最大剪切力等指标均较小，对注射的能耗要求较低。仅剪切速率减小，因为平衡式浇注系统熔体流向变化次数较多、流程增加，使流动阻力增大。

表1 各腔充模数据对比

4 模具结构

模具整体结构如图6，主体结构从上到下依次为：定模座板12、流道板10、定模板6、推件板5、动模板6、动模座板1。为了使模具厚度减小，该模具没有垫块，节省了推出空间，这种结构有利于减小模具的安装尺寸。产品脱模、脱流道、推出产品等动作均是靠开模时通过限位螺钉19带动限位拉板13，控制Ⅰ～Ⅳ分型面依次打开实现。

模具共两组导柱，分别是定模导柱14和动模导柱33，每组导柱均为4个。其中，定模导柱14的长度至少要保证分型面Ⅱ完全打开后，定模板仍留在导柱上。动模导柱33的长度至少要保证分型面Ⅳ完全打开、即产品被推件板推出时，推件板仍留在导柱上。

模具采用推件板脱模，能保证产品推出力均匀，运动平稳。为了简化推件板5的结构，采用了推件板镶件26，镶件与型芯3呈锥面配合，防止运动过程中两者的摩擦，提高模具寿命，镶件结构也有利于零件磨损后的更换。

由于产品为回转体，为了保证冷却均匀，定模采用圆周式冷却结构，将产品型腔的主体结构设计为圆形镶件，在镶件的圆周上加工了冷却槽，上下用密封圈防水。由于型芯较长、直径适中，采用隔板式冷却结构，能够更快的带走型芯的热量，冷却效果好。

产品经注射、保压及冷却后，模具打开，工作过程如下：

(1)开模，在开模弹簧30的作用下，模具首先从分型面Ⅰ打开，拉料杆38拉断点浇口，使浇注系统留在流道板10上，定模板6及以下部分随拉板一起向动模侧运动。

(2)定模板6被限位螺钉29限位后，分型面Ⅱ打开，流道板10继续向动模移动一小段距离，流道板将浇注系统从浇口套11及拉料杆38中脱出，直到流道板被螺钉15限位，完成浇注系统的脱模。

(3)分型面Ⅰ、Ⅱ完全打开并被限位后，主分型面Ⅲ打开，产品脱离型腔7，包紧在型芯3上，向动模侧移动，弯销27驱动滑块25向内侧移动，完成内侧抽芯，限位弹簧23对滑块施加了弹力，使其停留在抽芯结束位置。

(4)拉板被螺钉19限位后，主分型面Ⅳ打开，动模板4和动模座板1带动型芯3继续向后移动，推件板5及其镶件26将产品从型芯上脱出；为防止惯性使推件板脱离动模导柱，设置了限位螺钉20。

5 结语

(1)根据产品的两处内凹，针对不能采用斜顶抽芯的问题，设计了弯销内侧抽芯机构，滑块的楔紧使用了弯销外侧斜面与滑块上的斜方孔配合实现，缩小了机构尺寸。

(2)采用了点浇口进料，设计了平衡式分流道，型腔的充填时间、压力分布和温度差等指标较好，保证了各产品的充模一致性。

(3)模具共有拉断浇口、脱流道、主分型、推出产品4个分型面，通过弹簧、拉板及限位螺钉实现了分型面的依次打开。

(4)采用了无推出空间的推件板结构，利用第Ⅳ分型面的打开推出产品，减小了模具厚度。