智能热水壶主体复杂抽芯及随形水路注塑模设计

胥永林，张维合*，冯国树，宋东阳，杜 海，王 靖，魏海涛

（1.广东科技学院机电工程学院，广东 东莞 523000；2.广东华睿智连电子科技有限公司，广东 东莞 523777）

0 前言

注塑模具中，侧向抽芯机构是最复杂结构之一。模具每增加一个侧向抽芯机构，其设计和制造成本将提高30%左右［1］。智能热水壶主体注塑模具共有9个侧向抽芯机构，其数量之多，结构之复杂堪称模具中的经典。传统模具冷却水路以2D的形式分布，主要通过钻削工艺加工。金属3D打印的随形水路，几乎不受冷却水路形状的限制，水路分布可以更贴近型腔表面，达到均匀冷却和快速冷却的目的，从而大大提高成型塑件的精度和模具的劳动生产率。智能热水壶注塑模具定模型芯和动模型芯采用随形水路温度控制系统，取得了良好的经济效益。

1 塑件结构分析

成型塑件为某款智能热水器主体，见图1，材料为ABS（镇江奇美D-1000），收缩率0.5%［2］。塑件结构特点及成型技术要求如下：（1）塑件尺寸较大，最大外圆直径为φ136 mm，最大高度尺寸为239 mm。最小壁厚2.4 mm，最大壁厚8 mm，平均壁厚2.8 mm。（2）塑件结构复杂，倒扣多。其中塑件外侧面有3个垂直于开模方向的倒扣S1、S7、S8和1个与开模方向成19°的斜向倒扣S2，塑件内侧面有5处倒扣，包括小端内侧面倒扣S3、S4、S5、S6和大端内侧面倒扣S9。（3）塑件对模具的包紧力较大，成型塑件脱模困难。

图1 智能热水壶主体塑件图（单位：mm）Fig.1 Smart kettle shell

2 模具结构设计

一模一腔，采用非标模架，模具最大外形尺寸：600mm×500 mm×702 mm，重1.6 t，属于中偏大型注塑模具［3］。模具结构复杂，共有4个分型面，采用顺序侧向抽芯机构和延时侧向抽芯机构，温度控制系统采用随形水路。

2.1 浇注系统设计

模具采用热流道和普通流道相结合的浇注系统，熔体由热射嘴进入普通流道后经四个潜伏式浇口，从塑件小端内侧圆周面进入型腔，详见图2。这种浇注系统可以自动切断浇口，且不会影响外观和装配［3］。

图2 模具浇注系统（单位：mm）Fig.2 Gating system of the mold

2.2 侧向抽芯机构和定距分型机构设计

成型塑件存在9处与开模方向不一致的倒扣，模具必须设计9个侧向抽芯机构。既有外侧抽芯，又有内侧抽芯；既有与开模方向垂直的抽芯，又有与开模方向不垂直的倾斜抽芯。侧向抽芯机构不但数量多，而且结构复杂。为了防止在侧向抽芯过程中塑件受力变形，模具分3步进行侧向抽芯，侧向抽芯顺序为：①S1、S3、S4、S5和S6；②S2和S9；③S7和S8。

倒扣S1由滑块40成型，滑块40上端面有T形槽，在定模A板3内滑动，驱动滑块40侧向抽芯的是带T型扣的锁紧块41，它既起驱动作用，又起锁紧作用，锁紧面与开模方向成30°夹角。锁紧块41固定在定模面板1上［4-5］。

倒扣S3、S4、S5和S6由4块形状相同的定模内侧滑块30成型，驱动和锁紧内侧滑块30的是带T形扣的4块形状相同的锁紧块29，锁紧块29也固定在定模面板1上，详见图3（d）。

当分型面I打开时，锁紧块41和29分别带动外侧滑块40和内侧滑块30，同时向外和向内进行侧向抽芯。在限位钉45控制下，分型面I开模距离15 mm，滑块40抽芯距离为8.7 mm，滑块30的抽芯距离为3 mm，详见图3（b）和（d）。

倒扣S2由斜向滑块38成型，固定于框板48上的导向块37既起导向作用，又起驱动作用和锁紧作用，即1件3用［6］。分型面II打开时导向块37拉动斜向滑块38进行斜向抽芯。分型面II开模距离为15 mm，由弹簧13和限位钉14控制，斜向抽芯距离为15.9 mm，详见图 3（b）。

分型面II打开时，倒扣S9同时完成动模内侧抽芯。倒扣S9由小滑块33成型，驱动和锁紧滑块33的零件是固定于框板48上的带T形扣的锁紧块34。

塑件的外侧面倒扣S7和S8由两个大斜滑块8和24成型，两个大斜滑块在定模A板3内滑行，耐磨块29和拨动及导向块47则装在动模B板9上，详见图3（c）。拨动及导向块宽度比斜滑块侧面槽宽度小5 mm，装配后，驱动块驱动面和斜滑块槽的被驱动面有3 mm的间隙，这个3 mm间隙可以做到延时抽芯，保证分型面IV打开12.4 mm后才驱动斜滑块进行侧向抽芯，详见图4。这样设计的目的是在抽芯之前使塑件先脱离动模型芯10，以消除成型塑件对型芯10的包紧力。这样抽芯完成后，推杆就可以轻松地将塑件推出模具，避免成型塑件脱模时受力变形。

图3 智能热水壶主体注塑模具结构图（单位：mm）Fig.3 Injection mold stracture of the smart kettle shell

图4 模具延时侧向抽芯结构（单位：mm）Fig.4 Delayed lateral core-pulling mechanism

顺序侧向抽芯和延时侧向抽芯是模具结构设计的创新点之一。

2.3 定距分型机构设计

智能热水壶主体注塑模具共有4个分型面，开模顺序为：分型面I→分型面II→分型面III→分型面IV。开模距离分别为：15、15、10、500 mm。为了控制4个分型面的开模顺序和开模距离，模具设计了定距分型机构，该机构包括尼龙塞39、开模弹簧42、限位钉45、限位钉46以及开模弹簧13、限位钉14，详见图3。分型面IV的开模距离则由注塑机控制。详细的开模过程见第3节“模具工作过程”。

2.4 随形水路温度控制系统设计

成型塑件体积较大，且壁厚不均，成型过程中大量热量传给了动模型芯10和定模型芯2，传统的冷却水路采用镶拼结构不但会严重影响型芯的强度和寿命，而且无法将这些热量及时传出，严重影响成型周期和成型塑件的尺寸精度，成型塑件达不到设计要求和装配要求，见图5（a）。而且采用传统水路时动模型芯10中间无法布置推杆，增加了脱模难度和取件时间。为此我校联合广东华睿智联电子科技有限公司对智能热水壶主体注塑模具温度控制系统进行了改良设计，在动模型芯10和定模型芯2内各设计了一种先进的随形水路温度控制系统，详见图5（b）。这种随形水路根据型腔形状等距离建构3D随形冷却水道，无冷却盲区，所以模具各处温度均匀［7-8］，与传统水路比较成型塑件的变形量由0.8 mm降至0.2 mm，减小了75%，尺寸精度提高了2级，达到了MT3（GB/T 14486—2008）。随形水路不仅冷却均匀，而且冷却效率高，注射成型周期由34 s缩短至28 s，模具劳动生产率提高了约18%。采用随形水路后，动模型芯无须镶拼，这样就方便布置推杆，成型塑件脱模困难的问题也解决了。

图5 模具冷却系统设计Fig.5 Cooling system of the injection mold

但随形水路无法用传统的钻削加工工艺制造，必须采用先进的3D打印技术制造。3D打印技术（增材制造）是基于离散材料逐层堆积成形的原理，依据产品的三维模型，不受复杂的随形水路影响，能够快速打印出模具零件。目前3D打印技术种类主要包括：立体光固化成型技术（SLA）、熔融沉积技术（FDM）、三维印刷技术（3DP）、选择性激光烧结（SLS）等。动模型芯10和定模型芯2随形水路采用选择性激光熔化3D打印工艺制造［9-11］，材料采用 Uddeholm AM Corrax®，它是奥钢旗下的3D打印材料制造商开发的一款耐腐蚀3D打印模制钢粉末材料，该材料可以防止冷却通道中的沉积物堆积，从而防止腐蚀，能够大大提高模具的寿命［12-13］。

热水壶主体这类塑件的注塑模具以前均采用传统水路，本次采用随形水路并采用3D打印技术制造，虽然国内随着3D技术的成熟该技术用于模具越来越广，但对于热水壶主体这类注塑模具来说还是首次使用，是该模具结构第二个创新点。

3 模具工作过程

（1）注射填充：熔体经热射嘴4进入分流道，再由4个潜伏式浇口进入型腔。（2）冷却固化：熔体充满型腔后，保压、冷却、固化。（3）开模：当成型塑件固化至足够刚性后，注塑机拉动动模底板20开模。①在定距分型机构聚酰胺塞39和开模弹簧42的作用下，模具先从分型面I处打开，打开距离15 mm，由限位钉45控制。分型面I打开过程中，T形槽锁紧块41拨动定模滑块40完成向外侧向抽芯S1；同时T形扣锁紧块29（4件）拉动定模型芯30（4件）向内完成S3、S4、S5和S6的侧向抽芯。②接着在开模弹簧13的作用下，模具再从分型面II处打开，斜向滑块38和内侧小滑块33分别在T形槽滑座37和动模T形扣锁紧块34拉动下完成斜向抽芯S2和内侧抽芯S9。分型面II开模距离15 mm，由限位钉14控制。③在成型塑件对模具粘附力的作用下，模具再从分型面III处打开，打开距离10 mm，由限位钉46控制。分型面III打开过程中，定模型芯44脱离塑件，实现定模自动脱模。④最后模具从分型面IV处打开，打开距离500 mm，由注塑机控制。这一过程分两个阶段，分型面IV打开12.4 mm之前斜滑块8和24不动，成型塑件在倒扣S7和S8的作用下脱离动模型芯10，分型面IV打开12.4mm后，拨动及导向块47（共4件）驱动斜滑块8和24完成S7和S8外侧抽芯，斜滑块的抽芯距离42 mm，由挡销7和定位珠26控制。（4）塑件取出：成型塑件脱离定模型芯、动模型芯及格侧向抽芯后，注塑机顶棍通过连接柱17推动推杆35、36将成型塑件和流道凝料推出。设计最后由机械手或人工取出。（5）合模：注塑机推动动模底板合模，T形扣锁紧块41推动滑块40复位，T形扣锁紧块29（4件）推动定模型芯30（4件）复位，T形槽滑座37推动斜向滑块38复位，T形扣锁紧块34推动内侧小滑块33复位，定模板3推动斜滑块8和24复位，斜滑块8和24推动复位杆21，推动推杆固定板15和推杆35、36复位。模具接着下一次注射成型。

4 结论

（1）模具采用3步依次侧向抽芯机构，成功解决了侧向抽芯机构数量多，抽芯力大，成型塑件易受力变形的难题；

（2）智能热水壶主体对动模型芯包紧力大，而侧壁又无法加推杆；模具采用延时抽芯机构，在斜滑块8和24夹持下成型塑件先脱离动模型芯10，之后斜滑块8和24向外抽芯；脱模之前所有的包紧力和粘附力都都消除了，成功解决了深腔类塑件脱模难题，这是该模具结构第一个创新点；

（3）与传统水路相比，随形水路不仅冷却均匀，而且冷却效率高；采用金属3D打印技术制造模具成型零件随形水路是最先进的模具制造技术，也是3D打印技术的四大应用之一；智能热水壶主体注塑模具采用3D打印随形水路后，模具镶件温差降低了50%，注射成型周期缩短了约18%，变形量减小了75%，尺寸精度提高了2级，达到了MT3（GB/T14486—2008）。除此之外还有效保证模具成型零件强度；利用3D打印随形水路技术后，综合产能提高了2倍以上，这是该模具结构第二个创新点；

（4）模具设计过程中采用了多项先进的创新技术，试模一次成功；投产后模具运行平稳安全，成型塑件的外观质量和尺寸精度均达到了装配要求和功能要求。