除尘器吸尘罩热流道注射模设计

陈黎明，熊建武，胡幼华，刘铁石，胡智清，徐文庆

(1.湖南财经工业职业技术学院，湖南衡阳 421002； 2.长沙通航职业技术学院，长沙 410201；3.湖南工业职业技术学院，长沙 410208； 4.衡阳技师学院，湖南衡阳 421101)

塑料产品中，弯管塑件是一类比较特殊的塑件，其注射成型模具设计有较大的难度，主要是弯管塑件的内壁难以实现脱模，需要设计特殊的弯管成型机构来进行成型和脱模[1-5]。带弯管特征的塑件按结构构成可以分为两类，一类是单纯只有弯管主体特征或弯管外壁上附加一些局部尺寸较小的特征，此类塑件的主体是弯管本身[6-11]；另一类是弯管和其他大尺寸特征构成的复合体塑件，弯管特征非塑件主要本体[12-15]。第一类弯管塑件的成型模具设计时，可以依据弯管的弯曲程度较灵活地布置弯管内壁成型与抽芯脱模机构，脱模机构的可设计性好。而对于第二类弯管塑件，由于弯管特征不是本体特征，且本体特征也具有复杂结构的构成特点，在设计塑件的脱模机构时，不能以弯管特征内壁的抽芯脱模为设计主体，而只能在先安排本体特征脱模机构设计的基础上，再考虑弯管特征内壁成型与脱模机构的设计，此类塑件的模具整体结构和脱模机构的设计特别复杂，有必要进行此方面的模具结构设计探讨，为此，笔者结合某除尘器吸尘罩塑件的结构特点，针对其横直管本体上附加设置有弯管特征而导致塑件脱模困难的难题，设计了一副热流道两板模具用于该塑件的成型，模具中塑件弯管特征脱模机构的巧妙构思和塑件整体脱模的布局设计值得同类塑件做借鉴，以下是该塑件成型模具的具体设计。

1 除尘器吸尘罩塑件

1.1 塑件结构

除尘器吸尘罩塑件形状及结构如图1所示。塑件结构中，本体为一个半圆柱壳，其上附件设置有左、右两端的劣弧端口，左卡座和右卡座，圆弧吸管。左、右两端的劣弧端口的内圆弧半径小于本体半圆柱壳内径。本体半圆柱壳一侧的底边上，设置有3个通孔特征k0，k2，k2’，1个插穿方孔特征k1和4 个盲槽特征k3，k3’，k4，k4’。4 个盲槽特征k3，k3’，k4，k4’为塑件上对称型设置的盲槽特征。另一侧的外壁做了部分区域减薄设置，其上附加设置有左卡座、右卡座和圆弧吸管。位于圆弧吸管底座的一侧设置有1 个长方形槽特征k15。螺丝柱脚特征k16，k16’设置在减薄区域上。为加强弯管的附着强度，设置了多个加强筋来增强其与本体半圆柱壳的连接，从而形成了2个异形槽特征k6，k7。弯管的内壁管道特征k5 为尖锥形管道特征。左卡座的底面十字槽k8、凸台特征k9、筋槽特征k10 和筋槽特征k11、螺孔柱k12；左卡座的正面设置有网格筋特征k13、文字标识特征k14。对应地，由于左卡座和右卡座为镜像对称局部特征，右卡座上也分别对应设置了特征k8’～k12’。塑件平均壁厚为2 mm，最大壁厚为2.5 mm，最小为1.5 mm。塑件体积为129.7 cm3，塑件成型精度MT4-5级。产量20万件。

图1 塑件结构

1.2 塑件材料

塑件的选材依据塑件的使用环境而选择，塑件工作在室温环境内，实用寿命2~4 a 即可。聚碳酸酯(PC)材料具有冲击强度高、尺寸稳定性好、无色透明、着色性好、电绝缘性、耐腐蚀性、耐磨性好，适于制作除尘器中的耐冲击吸尘罩塑件。PC 材料选用牌号Toughlon A2700，该材料推荐的工艺参数为:模具表面温度95 ℃，熔体温度300 ℃，模具温度70～120 ℃，熔体温度260～340 ℃，绝对最大熔体温度380 ℃，顶出温度127 ℃，最大剪切应力0.5 MPa，最大剪切速率40 000 1/s。收缩率0.48%～0.62%。材料PVT特性如图2所示。

图2 PVT特性曲线

2 塑件注射成型工艺设计

使用上述Toughlon A2700 PC 成型本塑件时，潜在的成品缺陷问题比较多，需要进行工艺预处理、合理制定注射成型工艺参数和制品后处理，因而，塑件的成型工艺采取的措施如下:

（1）预处理措施。材料虽然吸湿小，但对水敏感，须经干燥处理，预处理采用真空干燥箱，干燥温度110 ℃，干燥10 h。

（2）注塑工艺参数。喷嘴温度300 ℃，模具温度90 ℃。注塑压力110～120 MPa，背压5 MPa。保压分三段保压，分别为80 MPa/6 s，60 MPa/4 s，40 MPa/8 s。冷却使用常温水冷（25 ℃），冷却时间30～35 s。

（3）模具措施。因塑件材料热稳定性好，成型温度范围宽，流动性差，熔融温度高，黏度高，制件体积质量相对较大，模具流道中宜用加热式的延伸喷嘴。因材料冷却速度快，其浇注系统以粗、短为原则，浇注系统使用热嘴直接浇注，模具采用热油（120 ℃）适当加热。

（4）制件后处理。成型后的塑件易发生熔融开裂和应力集中，故应严格控制成型条件，塑件须经退火处理，参数为80 ℃环境烘烤2～4 h。

3 模具设计难点

3.1 塑件在模腔中布局方式的选择

塑件在模腔中布局方式影响塑件脱模方式及脱模机构设计的难易程度[16-19]，脱模布局方式如图3所示。塑件在模腔中摆放布局可以有3 种选择方式。第一种是便于圆弧吸管脱模为主的图3a 所示的立式脱模布局，这种布置虽有利于圆弧吸管弯管的脱模机构设计，即弯管内壁抽芯机构可以在模具的主开模平面上布置和设计，但本体半圆柱壳外、内壁都不利于脱模，浇口位置也不好选择。第二种是以本体半圆柱壳内壁的脱模机构设计为主的卧式脱模布局，有利于塑件本体半圆柱壳内、外壁的脱模，但弯管内壁抽芯机构不好设计，且模具需要更大尺寸的模架以容纳弯管内壁抽芯机构。第三种是本体半圆柱壳内、外壁和弯管内壁的脱模都兼顾的方式的卧式哈夫滑块脱模布局，即先用哈夫分型面Ph分型获得两个哈夫滑块用于本体半圆柱壳内、外壁的脱模，而后依托开模面P3 来使弯管内壁脱模抽芯机构的抽芯方向朝向模具内部，这样，本体半圆柱壳、弯管内壁的脱模机构都好设置，且有利于节省模具空间，降低模具模架尺寸的使用要求。

图3 脱模布局方式

3.2 模腔的浇注

因塑件材料使用PC 料流动性较差，且塑件的尺寸较大且结构特征多，也使料流在模腔内的流动较困难，因而，模腔的浇注需要使用热流道浇注系统。

4 模具设计

4.1 模腔分型设计

图4 为模腔分型设计。结合前述卧式哈夫滑块脱模布局，塑件的自动化脱模方式可以设置为图4a形式。模腔的分型设计及成型零件依据塑件的脱模要求来实施。图4a为模腔打开的状态，塑件的脱模按以下方式完成:第一步脱模，塑件按开模方向F0移动方向从型腔镶件1上先拔出。第二步脱模，本体半圆柱壳的外壁成型件为柱壳外壁滑块13 按F1向抽芯脱模，本体半圆柱壳的内壁成型件为柱壳内壁滑块2 按F1’向抽芯脱模。第三步脱模，弯管内壁型芯10 被连杆8 拉动按旋转方向T0 向旋转抽芯脱模。第四步脱模，右劣弧端口型芯16、左劣弧端口型芯4 分别按F2’，F2 向抽芯脱模。第五步完全脱模，塑件被顶针6 等从左型芯镶件5 和右型芯镶件14 上顶出而实现完全脱模。模腔闭合后的状态如图4b 所示。模腔的主分型面为P0 面，副分型面为Ph面。浇注的热流道嘴安装在型腔镶件1所开设的热嘴孔内。型腔镶件1、柱壳内壁滑块2、左劣弧端口型芯4、左型芯镶件5、柱壳外壁滑块13、右型芯镶件14 内都开设Ø8 mm 冷却水管道进行冷却；型腔镶件1、柱壳内壁滑块2、左型芯镶件5、柱壳外壁滑块13、右型芯镶件14也开设有加热油管道用于加热。

图4 模腔分型设计

模腔各分块进行零件结构设计中，考虑到柱壳外壁滑块13 和柱壳内壁滑块2 闭合时复位精度的准确性，两者的四角设置有复位锥台。相应地，型腔镶件1与柱壳外壁滑块13和柱壳内壁滑块2闭合时，也是以锥面进行配合闭合。左型芯镶件5 和右型芯镶件14二者拼合面上也设置定位锥台，以防止二者的窜动错位误差产生，防止劣弧弯管外壁的特别明显分型痕迹的出现。型腔镶件1、柱壳内壁滑块2、左劣弧端口型芯4、柱壳外壁滑块13、右劣弧端口型芯16材料选用H13，热处理硬度至HRC56-58，左型芯镶件5、右型芯镶件14 选用45 号钢即可，调质处理HRC40-42。

4.2 脱模机构设计

图5 为脱模机构设计。由图5a 可见，设置了4个油缸驱动型侧滑块抽芯机构用于塑件4个侧面的成型与抽芯脱模。针对柱壳内壁滑块2 的驱动，使用油缸18 驱动的滑块本体17 带动柱壳内壁滑块2实施侧抽芯。针对左劣弧端口型芯4 的驱动，使用油缸20 驱动滑块本体19 带动左劣弧端口型芯4 实施侧抽芯。针对柱壳外壁滑块13的驱动，使用油缸22驱动的滑块本体21带动柱壳外壁滑块13实施侧抽芯。针对右劣弧端口型芯16的驱动，使用油缸25驱动滑块本体24带动右劣弧端口型芯16实施侧抽芯。由图5b可见，针对弯管内壁型芯10的驱动，使用油缸30驱动的滑块本体27带动弯管内壁型芯10实施旋转抽芯，机构的工作原理为:安装在动模23底部的油缸30拉动滑块本体27在直滑槽内按F0向移动，滑块本体27上的销子26带动连杆8，连杆8再通过销子9拉动弯管内壁型芯10以销子7为转轴中心，在右型芯镶件14、左型芯镶件5合成的圆弧滑槽内做旋转运动，复位时则反之。闭模时弯管内壁型芯10由设置在柱壳外壁滑块13内的锥销31进行限位和定位。

图5 脱模机构设计

4.3 模具结构设计

图6 为模具整体结构。其结构为两板模具，一模一腔布局。单次开模打开，开模面为P3面。模腔使用1个热嘴32在定模一侧的浇口位置G0处进行浇注。热嘴32 在模具几何中心做了偏心设置。模具中布置有4 个油缸侧抽芯机构，分别对应于柱壳内壁滑块2、左劣弧端口型芯4、柱壳外壁滑块13、右劣弧端口型芯16的侧抽芯。1个油缸驱动弯管抽芯机构用于弯管内壁型芯10的旋转抽芯。

图6 模具整体结构

4.4 模具工作原理

结合图6所示，模具的工作原理如下:

（1）闭模注塑。模具安装在注塑机上后，经调试后进行注塑。注塑时，经充填、保压、冷却等过程后，准备开模。

（2）P3 面打开。开模时，注塑机动模带动模具动模下行，模具在P3面处打开，打开时，塑件从型腔镶件1上脱离。

（3）油缸侧抽芯。第一步，油缸18、油缸22分别驱动柱壳内壁滑块2、柱壳外壁滑块13 抽芯；第二步，油缸20、油缸25分别驱动左劣弧端口型芯4、右劣弧端口型芯16 完成抽芯。塑件留于左型芯镶件5、右型芯镶件14上。

（4）弯管抽芯。油缸30 动作，驱动弯管内壁型芯10完成抽芯，弯管抽芯状态如图7所示。

图7 弯管型芯工作状态

（5）顶出。注塑机顶杆推动推板39 顶出，从而推板39推动其上的顶出元件顶针47等将塑件从左型芯镶件5、右型芯镶件14实现塑件的完全脱模。

（6）复位。复位过程与开模过程相反。复位前，为确保推板39完全复位，设置了行程开关48提供信号，只有行程开关48复位信号发出，油缸30、油缸18、油缸22、油缸20、油缸25 才能按序复位。同样，油缸18、油缸22、油缸20、油缸25驱动的滑块机构也分别都装有行程开关34，只有行程开关34发出信号，油缸30才能动作。

5 结论

针对除尘器吸尘罩使用PC 材料成型时遇到的实际生产难题，设计了一副直接浇注式两板热流道模具用于该塑件的成型。模具模腔布局一模一腔，模腔使用单点热嘴进行浇注。

(1)为保证塑件的成型质量，模温控制为90 ℃，并使用热油加热（120 ℃），成型塑件须进行80 ℃/2～4 h后处理。

(2)模具中，使用卧式哈夫滑块脱模布局方案解决了塑件的自动脱模难题，该方案中，使用4个油缸驱动型滑块机构用于内、外壁的抽芯脱模，创新性地将弯管抽芯机构进行立式布置，配合4 个油缸驱动型滑块机构的布置，实现了塑件的自动化脱模。

（3）弯管抽芯机构利用竖直布置的油缸驱动弯管型芯在型芯镶件圆弧槽道内实现抽芯，简化了机构结构设计，方便安装，动作可靠性好，有较好的设计借鉴价值。