李海林，王錦紅,丁立剛，趙永豪

(1.廣州城建職業(yè)學(xué)院，廣州 510993； 2.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東 中山 528436)

0 前言

在設(shè)計(jì)注射模具時(shí)，對(duì)于由尺寸較大、形狀各異的塑料零件組裝而成的塑料產(chǎn)品，通常采用一模一腔的結(jié)構(gòu)形式，將不同零件布置在不同模具中注塑生產(chǎn)；而對(duì)于尺寸較小、批量不大且材料相同的塑料產(chǎn)品，基于節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)成本的考慮，可以將一套產(chǎn)品上的多個(gè)零件同時(shí)布置在一套模具中，注塑成型后再將各個(gè)塑料零件裝配成一個(gè)產(chǎn)品。本文涉及到的是一款塑料機(jī)器人，其組成零件尺寸較小，裝配后的外形尺寸不大，主要用于充當(dāng)裝飾物懸掛或者小玩偶，所以產(chǎn)品要求外觀精致美觀，同時(shí)還必須保證產(chǎn)品裝配后整體著地的平穩(wěn)性。在模具設(shè)計(jì)過程中，若以傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與方法，則存在模具分型面復(fù)雜、填充不平衡、以及機(jī)器人立足著地不穩(wěn)等問題。本例中通過巧妙的選取產(chǎn)品夾線位置、運(yùn)用CAE模擬分析技術(shù)、增設(shè)模具抽芯機(jī)構(gòu)等方法，有效地解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可能遇到的問題及難點(diǎn)。

1 機(jī)器人組合件工藝分析

該產(chǎn)品的材料為丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)，共由4個(gè)不同的零部件構(gòu)成，各部件的名稱如圖1所示。該產(chǎn)品裝配后的最大高度尺寸為40 mm，胳膊平直張開后的最大尺寸為48 mm，產(chǎn)品的平均壁厚為1.2 mm，裝配效果如圖2所示。由裝配效果圖可知，主身件1與頭部件3存在無法順利脫模的部位。產(chǎn)品要求能平穩(wěn)立足著地，故腿件4的底部需具備一定的平面度要求，不允許有夾線及脫模斜度等問題。

1—主身 2—頭部 3—胳膊 4—腿圖1 機(jī)器人裝配爆破圖Fig.1 Robot assembly blasting map

圖2 機(jī)器人裝配立體圖Fig.2 Robot assembly diagram

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 型腔的數(shù)量及布排

模具型腔數(shù)量與布局的確定，一般需考慮的因素主要有注塑機(jī)的規(guī)格參數(shù)、產(chǎn)品的精度要求、產(chǎn)品的交貨周期、實(shí)際生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效率等。本模具中，從產(chǎn)品裝配工藝性和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性等因素考慮，確定將裝配組件放置同一成型模具內(nèi)，采用一模六腔的布排形式，如圖3所示。采用這種形式布排的好處是每一次注塑生產(chǎn)后可以組裝一個(gè)產(chǎn)品，能有效避免不必要的浪費(fèi)，同時(shí)還能方便成品數(shù)量的統(tǒng)計(jì)。

圖3 型腔數(shù)量與布排Fig.3 Number of cavities and cloth rows

2.2 分型面的選擇

分型面的選擇是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，關(guān)系到產(chǎn)品的外觀質(zhì)量、影響到模具的具體結(jié)構(gòu)及加工的難易程度，在分型面的選擇時(shí)需綜合考慮多種因素，對(duì)于一模多異腔模具而言，主要考慮如何將多異腔的分型面進(jìn)行臺(tái)階的整合單一化，減少凸凹不平的臺(tái)階分型面或曲面分型面。

塑料機(jī)器人由于各部件形狀各異、大小不一，如果按常規(guī)思路選取每個(gè)部件的最大截面處為分型面，則出現(xiàn)多處凸凹不平的分型面，使得模具零件加工與裝配變得復(fù)雜。為此，本例中借助常用的三維設(shè)計(jì)軟件，通過調(diào)整產(chǎn)品坐標(biāo)位置，使得所有零件的最大輪廓均處于同一平面位置，如圖4所示。從而簡(jiǎn)化了模具分型面結(jié)構(gòu)，降低模具加工難度。

圖4 分型面Fig.4 Parting surface

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

塑料熔體在注塑壓力的作用下，經(jīng)過澆注系統(tǒng)填充到模具型腔的各個(gè)部位，以獲得形狀完整的、質(zhì)量?jī)?yōu)良的塑件。為了便于注塑后產(chǎn)品從模具中取出，模具澆注系統(tǒng)采用框架式輔助流道的形式，如圖5所示，將整個(gè)產(chǎn)品組件包裹于流道之中，澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖(a)所示；同時(shí)在輔助的分流道上增設(shè)了4個(gè)卡位，方便了產(chǎn)品的后期存放，產(chǎn)品疊放如圖(b)所示。

(a)澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (b)產(chǎn)品疊放圖圖5 澆注系統(tǒng)Fig.5 Gating system

由于采用一模多異腔的結(jié)構(gòu)方案，因此各模腔容易出現(xiàn)充填不平衡的工藝問題，從而導(dǎo)致產(chǎn)品容易出現(xiàn)飛邊、內(nèi)應(yīng)力過大等外在和內(nèi)在的質(zhì)量問題。為了避免結(jié)構(gòu)不合理而導(dǎo)致后期模具制作及試生產(chǎn)過程中出現(xiàn)重大工藝問題，在模具設(shè)計(jì)初期，根據(jù)模具的初始結(jié)構(gòu)方案、所選材料的性能以及塑件的大小等因素確定模具的成型工藝參數(shù)， 如表1所示，利用常用模流分析軟件Moldex模擬分析塑料熔體的流動(dòng)狀態(tài)，驗(yàn)證澆注系統(tǒng)的合理性。

表1 工藝參數(shù)

(a)優(yōu)化前充填至80 %時(shí)的狀態(tài)云圖 (b)優(yōu)化后充填至70 %時(shí)的狀態(tài)云圖圖6 優(yōu)化對(duì)比狀態(tài)云圖Fig.6 Optimization contrast of state cloud diagram

根據(jù)模擬分析結(jié)果，確定將部分型腔的分流道尺寸由原始設(shè)計(jì)的φ3 mm更變?yōu)棣?.5 mm， 部分型腔的澆口尺寸由原始的0.5 mm設(shè)計(jì)更變?yōu)?.35 mm， 并在相同成型工藝參數(shù)條件下進(jìn)行模擬過程分析。分析結(jié)果圖6所示， 其中圖(a)、(b)分別是設(shè)計(jì)更變前后的填充過程模擬分析結(jié)果狀態(tài)云圖，從狀態(tài)云圖可知， 設(shè)計(jì)更變前各型腔填充不均衡，設(shè)計(jì)更變后各型腔填充基本均衡，從而保證的產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4 成型零件的設(shè)計(jì)

成型零件的形狀與精度決定著產(chǎn)品的質(zhì)量，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮是否節(jié)省貴重材料、是否便于加工、排氣、后續(xù)零件拋光及零件裝配等因素，一般來說可以分為整體式與組合式。為了便于零件加工、修配與更換，該模具的成型零件以采用局部鑲拼組合式結(jié)構(gòu)為宜，即在標(biāo)準(zhǔn)模架中的定模板與動(dòng)模板中局部鑲?cè)雱?dòng)、定模鑲件，再將成型組件內(nèi)表面的小型芯全部單獨(dú)鑲?cè)雱?dòng)模鑲件內(nèi)，成型組件外表面的小型芯單獨(dú)鑲?cè)攵ｈ偧?nèi)，如圖7所示。此種結(jié)構(gòu)不僅節(jié)省了大量的貴重金屬材料，還能有效利用零件結(jié)合處的間隙進(jìn)行填充時(shí)的排氣，同時(shí)能夠大量減少特種放電加工的時(shí)間，提高了模具的生產(chǎn)效率。

圖7 成型零件Fig.7 Forming parts

2.5 抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由產(chǎn)品的工藝分析可知，主身件1與胳膊件3的結(jié)構(gòu)上存在與開模方向不平行的側(cè)孔與側(cè)凹，故在模具結(jié)構(gòu)上需要設(shè)計(jì)抽芯機(jī)構(gòu)來解決此類問題；同時(shí)在腿件4底部處上增設(shè)了抽芯機(jī)構(gòu)。如果按常規(guī)設(shè)計(jì)的方法處理，則本處無需此機(jī)構(gòu)，但生產(chǎn)出的產(chǎn)品會(huì)存在底部不平或者夾線等問題，從而導(dǎo)致使用功能上的缺陷，出現(xiàn)產(chǎn)品無法平穩(wěn)著地的現(xiàn)象。考慮到制品實(shí)際所需的抽芯距與抽芯力都相對(duì)較小，故本模具的抽芯機(jī)構(gòu)采用斜導(dǎo)柱與滑塊的組合式，其中滑塊采用鑲拼組合式，以方便加工與節(jié)省貴重材料，如圖8所示。

圖8 抽芯機(jī)構(gòu)Fig.8 Extraction mechanism

2.6 頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖9 頂出機(jī)構(gòu)Fig.9 Ejection mechanism

對(duì)于框架式流道的一模多異腔模具頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需保證各腔產(chǎn)品能夠同步順利頂出，不能出現(xiàn)產(chǎn)品與流道分離的情況，否則會(huì)影響產(chǎn)品后續(xù)的存放或其他的后處理工序。本模具頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是考慮推出零件的選擇與推出運(yùn)動(dòng)過程的導(dǎo)向。結(jié)合制品的具體形狀，本模具采用推桿與推管聯(lián)合頂出方式，如圖9所示。同時(shí)在頂出機(jī)構(gòu)中增設(shè)導(dǎo)柱與導(dǎo)套進(jìn)行頂出運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向，保證頂出過程平穩(wěn)可靠，從而確保各產(chǎn)品同步脫模。

2.7 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

合理的溫控系統(tǒng)不僅能控制產(chǎn)品的精度，還能調(diào)節(jié)模具注塑生產(chǎn)的周期。設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)時(shí)必須確保模具的型芯與型腔的溫差控制在一定的范圍內(nèi)，以降低產(chǎn)品的翹曲變形程度。本模具注射成型的塑料組件的整體外形尺寸較小，采用U形循環(huán)冷卻回路即可，如圖10所示。從溫控系統(tǒng)狀態(tài)云圖可見，各型腔溫差在10 ℃以內(nèi)，效果較好。

圖10 溫度控制系統(tǒng)冷卻結(jié)果云圖Fig.10 Cooling results of temperature control system

3 模具工作原理

在完成模具澆注系統(tǒng)、成形零件、推出機(jī)構(gòu)、側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)以及冷卻系統(tǒng)等關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)模具的定位結(jié)構(gòu)、支撐零件以及其他的相關(guān)結(jié)構(gòu)，最終設(shè)計(jì)出塑料機(jī)器人一模多異腔注射模具，主要結(jié)構(gòu)如圖11所示。

1—定模鑲針 2—斜導(dǎo)柱 3—定模鑲件 4、13—鎖緊塊 5—滑塊 6、14、18—耐模塊 8—定位波子9—止付螺絲；10—錐頭螺釘 11—接水栓 12—密封圈 15—滑塊座 16—滑塊鑲件 17—滑塊壓板19—澆口套 20—防轉(zhuǎn)銷 21—?jiǎng)幽ｈ偧?22—推桿 23—拉料桿 24—平頭螺釘 25—定位環(huán) 26—定模座板(a)主視圖 (b)側(cè)視圖圖11 模具裝配圖Fig.11 The mould assembly drawing

其工作原理如下：模具合模后安裝在注塑機(jī)上，在一定的溫度及壓力下，注塑機(jī)將熔融塑料通過噴嘴沿模具澆注系統(tǒng)均勻地注入到模具型腔中；在注塑機(jī)保壓壓力和鎖模力作用下，塑件在型腔中保壓成型，并在冷卻系統(tǒng)作用下冷卻、固化；注塑機(jī)打開，模具在定模鑲件3與動(dòng)模鑲件21處分型，同時(shí)抽芯機(jī)構(gòu)利用開模動(dòng)作完成側(cè)向分型抽芯；在注塑機(jī)頂出力作用下，利用推桿22、拉料桿23等頂出零件將產(chǎn)品與流道澆注系統(tǒng)凝料頂出；在注塑機(jī)合模動(dòng)作作用下模具再次閉合，完成一個(gè)注塑周期。

經(jīng)過后期生產(chǎn)驗(yàn)證，實(shí)際模具與注塑產(chǎn)品均能滿足使用要求，可為類似產(chǎn)品的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。模具與產(chǎn)品實(shí)物如圖12所示[2]。

(a)模具實(shí)物 (b)產(chǎn)品實(shí)物圖12 模具與產(chǎn)品實(shí)物Fig.12 Mould and product

4 結(jié)論

(1)針對(duì)塑料機(jī)器人的零件形狀與尺寸，設(shè)計(jì)了一模多異腔的模具結(jié)構(gòu)方案，并解決了多異腔模具分型面不規(guī)整的技術(shù)問題，節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)成本;

(2)借助CAE模流分析軟件工具，對(duì)多異腔模具的澆注系統(tǒng)進(jìn)行平衡填充分析與溫度控制系統(tǒng)分析，優(yōu)化其設(shè)計(jì)參數(shù)，確保產(chǎn)品符合技術(shù)要求;

(3)結(jié)構(gòu)中將澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)成框架式的輔助分流道結(jié)構(gòu)，并且在輔助流道上設(shè)計(jì)卡位，方便產(chǎn)品后續(xù)存放及表面處理;

(4)根據(jù)產(chǎn)品的功能要求，局部增設(shè)抽芯機(jī)構(gòu)，保證產(chǎn)品整體的著地平穩(wěn)性。