洗衣机底座塑件的热流道注塑模具设计

Design of Hot Runner Injection Mould for Washing Machine Base Plastic Parts

摘要

以某品牌洗衣机底座的功能性结构塑件为研究对象，根据塑件的结构特点以及工艺要求，设计一副大型且复杂的热流道注塑模具。首先，设计4个针阀热射咀进胶的方式，并配合动定模设计的镶件布局以及优良的排气设计，解决塑件因破孔、插破孔多以及骨位多导致的填充困难问题；其次，在定模侧设计弹块优先斜抽的方式，解决塑件圆角倒扣的出模难题；最后，在动模侧，针对塑件各处倒扣的特点，设计侧向滑块抽芯和斜顶抽芯的方式，解决塑件所有倒扣的出模问题。经试模验证，该模具的结构符合最初的设计要求。目前，该模具已成功投入量产，且在量产过程中表现稳定，状态出色。

Abstract

Taking the functional structural plastic part of a certain brand of washing machine base as the research object, a large and complex hot runner injection mold was designed according to the structural characteristics and technological requirements of the plastic part. Firstly, four needle valve hot nozzles were designed for the injection method, and the problem of difficult filling caused by many broken holes, inserted broken holes and many bone positions in the plastic part was solved by cooperating with the insert layout of the moving and fixed mold design and the excellent exhaust design. Secondly, a block was designed on the fixed mold side to solve the problem of demoulding of the plastic part with rounded corner undercut. Finally, on the moving mold side, the characteristics of the undercut in various parts of the plastic part were considered, and the lateral slide core pulling and inclined top core pulling methods were designed to solve the demoulding problems of all the undercut in the plastic part. After the trial mold verification, the structure of the mold met the initial design requirements. At present, the mold has been successfully put into mass production, and the performance is stable and excellent in the mass production process.

Graphical abstract

关键词

热流道 / 定模弹块斜抽 / 滑块抽芯 / 斜顶抽芯 / 排气设计 / 冷却系统

Key words

Hot runner / Fixed die elastic block of oblique pulling / Slide core pulling / Inclined top core pulling / Breathing design / Cooling system

随着塑料制品使用率的不断攀升，以及模具设计软件功能的日益强大和二次开发技术的逐步完善，越来越多的金属零部件正逐渐被塑料制品所取代。相较于金属材料，塑料不仅质地轻盈、生产成本低廉，而且在能够满足零件强度要求的前提下，是替代金属制品的上佳选择。同时，由于塑胶具有较强的可塑性，其产品设计相对简单。本案例以洗衣机底座的功能性结构塑件为研究对象，因其塑件结构非常复杂，需要在动定模设计中采用不同的抽芯方式，以解决塑件脱模问题。

赵战锋^[1]设计3个外侧整面滑块抽芯机构和12个内壁特征抽芯机构；内壁抽芯机构包括10个斜顶机构，1个特殊的斜滑块抽芯机构，1个T型槽驱动内收抽芯机构，成功解决了汽车中央扶手主壳塑件脱模难等问题。黄立君等^[2]设置5个斜导柱滑块机构、1个3次抽芯复合机构、1个中抽式内收先抽芯滑块机构、3个斜顶机构、6个推管机构及多根顶针用于塑件的脱模。本文在分析洗衣机底座的外形和结构特征以及材料与工艺的基础上，最终设计一副大型且复杂的热流道注塑模具。该模具包含4个针阀热射咀、定模弹块斜抽机构以及动模侧抽芯机构等，其结构设计具有一定的创新性和先进性，可为同类结构塑件的模具设计提供参考与借鉴。

1 塑件的结构和工艺性分析

图1为塑件结构，图2为塑件的分型面。从图1和图2可以看出，从出模方向来看，该塑件外形近似长方形，中间有一个大靠破孔，靠破孔的3条边上有枕位靠破，还分布着许多小靠破孔以及不规则的插破+靠破孔；从侧边看，塑件一侧方向存在高低边，呈两级台阶状，且分型面存在高低差；动模侧还设计有许多加强筋。这些特征会在塑件注射生产时加大填充的难度。该塑件外形尺寸为658 mm×590 mm×234 mm，主体壁厚3.0 mm，质量约2 520 g，属于大型塑件。其材质为聚丙烯(PP)，收缩率取1.6%，且塑件没有特别的尖角处或特别厚、薄的位置，脱模方向有足够的出模角度，能够满足注塑成型的要求。作为功能性结构件，其结构强度需达到产品使用标准，外观要求一般，允许有进胶痕，滑块夹线，但不能出现因结合不良所导致的强度不达标、批锋及变形等缺陷。该塑件上共有8处倒扣，定模侧有两处，采用弹块斜抽的方式解决；动模侧外观面上有5处，左右两侧各一处，天侧3处小孔倒扣，均采用斜销带动滑块抽芯的方式解决；型芯内部有一处，采用斜顶抽芯的方式解决。分型面除抽芯位置外，位于塑件的最大轮廓处。

2 模具结构

2.1 浇注系统设计

图3为进胶方式。由于塑件体积较大、孔位多、加强筋多，外形呈两级台阶状、分型面存在落差，若采用常规的大水口冷流道方式进胶，虽成本较低，但注射压力大，熔接线和变形均难以控制，因此选用4针阀式热咀，并通过时序控制器来控制气阀的开合，分别控制每个热咀的进胶先后顺序和时间长短，从而精准调控进胶。这种进胶方式能够有效降低注射压力，精准调节结合位置，控制塑件的变形。经模流分析软件(Moldflow)分析，设计采用一模一穴布局，该进胶方式很好地满足了塑件的成型要求。

2.2 抽芯机构

图4为抽芯机构。从图4可以看出，整套模具共设有8个抽芯机构，主要集中在模具天侧方向的上半部分。其中，定模侧有2个结构相同的弹块斜抽机构，为开模优先动作抽芯，在塑件上方的左右两侧。动模侧的抽芯结构则种类较多，包括斜销、油缸、T槽结构驱动及斜顶结构等，在设计时需要综合考虑塑件的形状大小、位置分布和结构形式等多方面因素。由于抽芯位置较为分散且抽芯结构较少，采用斜销结构驱动和斜顶的方式来完成抽芯^[3-8]。动模侧需要抽芯的位置共6个，分为两个类别、3个抽芯方向。第一类为开模斜销驱动的侧抽芯机构，在模具的天侧方向有3个，左右两侧各1个，且结构相同；第二类为斜顶抽芯，通过顶出来实现倒扣出模。

2.2.1 定模弹块斜抽机构

图5为定模弹块斜抽机构。从图5可以看出，定模左右两侧各设有1个弹块斜抽机构，左右对称且结构相同，由弹块型芯、T型块、螺丝、垫块、弹簧、底座和连杆组成。其中，T型块和连杆固定在弹块型芯上，底座用于定位弹簧，配合装配在A板与定模芯之间，弹块型芯动作方向与出模方向呈8°的夹角。其工作原理为：合模生产时，利用弹块型芯顶部的靠破面与动模面靠破，实现弹块复位。合模时，靠破面先接触，随后弹块型芯沿T型块的夹角方向下压，此时垫块受到压力并压缩弹簧，使弹簧处于压缩储能状态；开模时，在弹簧的作用下，弹簧斜抽机构优先动作，弹块型芯跟随塑件向动模侧方向沿着T型块的夹角移动，直至行程走完脱出塑件定模侧倒扣。

2.2.2 动模侧的抽芯机构设计

图6为动模侧抽芯机构。从图6可以看出，动模侧共设有5个滑块抽芯机构和1个斜顶抽芯机构。其中，在模具天侧方向，滑块抽芯机构有3个，左右两侧各1个。滑块抽芯机构由侧型芯、滑块、弹簧、耐磨块、限位螺丝组成，通过压板将其固定在B板上。其工作原理为：开模时，注射机提供开模动力，斜销带动滑块向侧边抽芯，从而脱出倒扣；限位螺丝用于控制抽芯行程；弹簧则提供辅助抽芯动力，并在滑块完成抽芯后保持其状态，以保证合模顺畅，防止滑块卡死；耐磨块采用中碳钢制作，经热处理后其硬度达到洛氏硬度(HRC)50~55，从而保证其耐磨性，延长滑块的使用寿命^[9]，同时也有利于后期模具在生产过程中的维护和保养。斜顶抽芯机构用于脱出塑件内部骨位上的倒扣，通过与顶针板连动完成工作，为保证斜顶顶出更加顺畅，在B板的底部增加导向块结构，在顶针底板上增设斜顶滑座。

2.3 模具镶件及排气设计

该塑件体积较大且加强筋位较多，使其加工难度加大。同时，塑件存在较多的靠破和插破面，容易发生批锋现象。此外，由于塑件的这些特征，填充难度也相应增加。为此，对模具结构进行了特别的镶件设计。图7为镶件及排气布局。从图7可以看出，在综合考虑冷却和模芯强度的前提下，在定模侧的正面靠破、侧边插破的孔位和枕位处，均设计了镶件，方便后期在生产出现异常维修；在动模侧，针对塑件4个角加强筋的密集区域，特别设计了铍铜镶件，以加快散热效果，同时在镶件内的内部单独设计镶件靠破；在其他加强筋位难加工处，设计多个镶件拼装结构，既提高加工效率，又方便后期的保养和维护。针对填充困难的问题，除了设计多个可控制顺序的针阀式热咀进胶点之外，在分型面处还设计了整套排气系统，包含模芯和滑块，模具的排气分两级，一级排气深度0.300 mm，二级排气深度0.015 mm；同时，配合整套模具的镶件设计(镶件本身有辅助排气功能)，将熔胶时所产生的气体顺利排出模具，较好地解决了塑件填充困难的问题^[10-12]。

2.4 顶出机构设计

图8为顶出机构。从图8可以看出，该塑件体积大、筋位多，所受的包紧力相对较大，因此，顶出机构选择顶块+顶针的方式，在局部的筋位上，还选用了可直接放在筋位上的扁顶针，其所受的顶出力量更大，有效帮助塑件顶出，防止筋位黏模以及顶出困难。同时，还设有斜顶和司筒的顶出结构，保证倒扣和柱子能够顺利出模^[13-15]。

2.5 冷却系统设计

图9冷却水路。从图9可以看出，在定模侧共设计8组水路；在动模侧共设计14组水路，其中2组为单独的滑块水路；在动/定模的两侧均设计了水路转接块，以尽可能均匀冷却塑件，并减小塑件变形，提高生产效率。该冷却系统设计较为周到，除了合理的水路布局外，在材料选择上也有所改进，采用铍铜镶件是综合考虑了冷却、加工和维护需求的结果。经过生产验证，该塑件的成型周期、变形情况及整体品质均表现出色。此外，还配备了集水块，方便注塑生产部门作业，提高作业效率。

2.6 模具总体设计

通过分析塑件的结构特点和工艺要求，模具结构在浇口选择、抽芯结构、动/定模镶件布局、排气系统、顶出机构以及冷却系统等方面进行了全面且充分的考量^[16-22]。

图10为模具总体结构。从图10可以看出，采用一模一腔的布局方式，模架在标准工字型的基础上进行改造，增加热流道板，使得模具的最大外形尺寸达到1 200 mm×1 050 mm×1 031 mm。基于模具的体积较大，在分型面上设置了平衡块结构，可有效分散模芯所承载的锁模压力，同时保证排气顺畅；除了常规的导柱导套定位之外，为保证模具的配合精度，在模芯部分增设了虎口结构，模架上增设了分型面定位块；针对天侧的单边滑块抽芯结构，在地侧方向增设了单边平衡块结构，以保证模具在天地侧方向受力均匀。

2.7 模具工作过程及试模结果

模具工作过程为：(1)合模上机。(2)注塑，完成首次成型。(3)开模，定模弹块抽芯优先动作，与开模同步，开模完成，定模侧倒扣脱出；动模侧滑块抽芯在斜销的作用下同时完成抽芯，动模侧塑件外观面倒扣脱出。(4)顶出，斜顶与顶出机构同步动作，脱出塑件内侧骨位倒扣，机械手或人工完成取件。(5)合模，动/定模抽芯复位，进入下一个成型周期，循环动作实施生产任务^[23-26]。经过上述的模具结构设计，在经历两次试模后，模具达到量产要求。目前，该模具已完成20 000+生产任务，期间未发生模具异常(如：滑块卡死、断针等)情况，证明该设计方案成功，完全能够满足生产要求。

3 结论

针对定模侧含有倒扣的脱模问题，在有靠破位置的前提下，可选用本文所设计的方案，实现倒扣的顺利脱模。该方案具有结构简单稳定、成本较低以及维修更换方便的优点。针对动模侧含有倒扣的脱模问题，需要根据塑件的结构特点和工艺要求，合理地选择抽芯方式，特别是抽芯结构的选择需要合理评估，以简单可靠为基本原则。针对靠破+插破孔和加强筋较多的塑件，因其特殊的结构特点会影响填充效率和出现批锋的情况。对于填充效率问题，浇口的方式和数量至关重要，镶件辅助排气+分型面全方位的排气设计可有效地提升填充效率。同时，镶件的设计可使模具制作更有效率。对于靠破+插破孔量产时易出批锋的问题，模具结构设计需考虑后期维修和保养的便捷性。针对包紧力较大的塑件顶出问题，采用顶块+在加强筋处可受更大顶出力扁顶针+在柱子处的司筒的方式，并配合适当的圆顶针。优良的冷却系统设计是塑件大批量产的基本保证，可让塑件获得较好的品质和生产效率。优秀的冷却系统体现在水路加工的便利性，布局的合理性，水路转接块是一种非常好用的连接水路结构。

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基金资助

现代模具设计与制造工程技术研究中心项目(20221600402242)