周转箱塑件的滑块内置斜顶复合式抽芯注射模具设计

Design of Injection Mold of Sliding Block with Built-in Inclined top Composite Core Pulling of Turnover Box Plastic Parts

摘要

根据塑料周转箱的形状特点及生产需要，设计1模1腔的两板注塑模具结构。针对塑件多处细节特征脱模困难及模具空间距离的限制等问题，设置四侧面滑块推出脱模机构，并针对塑件局部无法运用常规的侧抽芯或斜顶机构完成的细节特征，创新性地设计出在同一滑块中内置三个异形斜顶的复合液压抽芯机构。应用类似“随形水路”的复合型冷却系统，动模镶件和定模镶件冷却水路直径为6 mm，四面滑块均设计直径11 mm的独立冷却水路，冷却效果显著，缩短了成型周期。导向定位系统使用类似动模止口和定模止口的精定位方式，以确保模具在开合过程中的精确和稳定复位。设计单独的滑块轨道，提高了动模板强度，节省模具材料。此外，为了避免产品顶出时变形且简化模具结构，设计4组“顶杆+L形顶块”顶出机构，保证产品顺利顶出。详细分析模具其他系统的设计要点。实践证明，模具结构设计合理，运行平稳，成型产品各项指标符合要求，可为同类产品的模具设计提供有益借鉴。

Abstract

Based on the shape characteristics and production needs of plastic turnover boxes, a two plate injection mold structure with one mold and one cavity was designed. In response to the difficulties in demolding multiple detailed features of plastic parts and the limitations of mold space distance, a four side sliding block demolding mechanism was set up. For the detailed features of plastic parts that cannot be completed by conventional side core pulling or inclined top mechanisms, an innovative design of a composite hydraulic core pulling mechanism with three irregular inclined tops embedded in the same sliding block was proposed. A composite cooling system similar to the "conformal water circuit" has been applied, with a diameter of 6 mm for the cooling water circuit of the dynamic and fixed mold inserts, and independent cooling water circuits with a diameter of 11 mm designed for all four sliding blocks. The cooling effect was significant and the molding cycle was shortened. The guiding positioning system used a precise positioning method similar to the dynamic mold stopper and the fixed mold stopper to ensure accurate and stable resetting of the mold during the opening and closing process. A separate slider track was designed to improve the strength of the dynamic template and save mold materials. In addition, in order to avoid deformation during product ejection and simplify the mold structure, four sets of "ejector rods+L-shaped ejector blocks" were designed to ensure smooth ejection of the product. The design essentials of other mold systems were analyzed in detail. It has been proven through practice that the mold structure is designed reasonably, operates smoothly, and the indicators of the molded products meet the requirements, which can provide a beneficial reference for the mold design of similar products.

Graphical abstract

关键词

周转箱 / 滑块内置斜顶 / 模具设计 / 复合式抽芯 / 液压抽芯

Key words

Turnover box / Sliding block with built-in inclined top / Mold design / Composite core pulling / Hydraulic core pulling

塑料产品在各行业的广泛应用，替换频率高，更新速度快，其形状与结构也日益多样化，从基础的几何形状进化到更为复杂、精细的结构，如曲面、镂空设计以及多腔体结构等，这都对模具结构的设计与制造提出更高的要求。为迎合这些多样化的需求，注射模具结构需要不断创新和优化。在注射模具领域，具有多边侧抽芯机构的模具都被归类为复杂模具结构设计的范畴^[1]。很多学者针对带有多边侧抽芯机构的模具结构进行了研究。刘正平等^[2]以深腔物流箱为研究对象，设计总体模具结构及多类特殊滑块脱模系统的创新设计。张留伟等^[3]对带嵌件汽车前段框架塑件进行基本设计，采用组合式抽芯机构解决了塑件内外侧倒扣多、抽芯面积大的问题，并且用机械式机构解决了塑件黏大滑块的难题。张华龙等^[4]利用三维软件设计八次复合抽芯的进气歧管盖注射模具，简化了模具结构，运行效果较好。毛江峰等^[5]以润滑盒回油盖为研究对象，创新设计了隧道式抽芯机构，解决了塑件脱模方向多的难题。彭贤峰等^[6]针对新能源汽车PC灯罩多边抽芯难题，在动模侧设计联动抽芯机构，在定模侧设计两处弹块抽芯机构，解决了多边抽芯困难的问题。赵利平等^[7]根据电动工具结构件镂空的结构特点，设计了三边侧向抽芯结构的注射模具，模具投入生产后，运行平稳，塑件品质符合要求。以上学者的模具设计理念为本文提供了一些启示，但并未能彻底解决本文研究的制品模具设计问题。因此，本文拟设计四侧面滑块推出脱模机构，并针对塑件局部无法运用常规的侧抽芯或斜顶机构完成的细节特征，创新性地设计出在同一滑块中内置三个异形斜顶的复合液压抽芯机构。

1 塑件结构的工艺性分析

图1为周转箱的结构。材料为聚丙烯(PP5)塑料，收缩率取1.5%，该材料为半透明无色固体，无臭无毒，且具有耐热、耐腐蚀等特性。从图1可以看出，塑件最大外形尺寸为300 mm×200 mm×148 mm，主壁厚2.8 mm，局部壁厚2.0~2.5 mm，加强筋处壁厚2.5 mm。塑件不完全对称，A面、B面、C面和D面四个侧面均存在不同形式的倒扣特征，需要设计侧向抽芯机构。T1区域、T2区域和T3倒扣区域在侧面A上，T4倒扣区域在侧面B上；T1区域为异形状倒扣特征，如图1d放大图所示，倒扣深度10.5 mm，T2区域倒扣深度为4 mm；T1和T2区域共同组成一个封闭式的倒扣区域，深度较大，脱模方向不统一，无法进行强制脱模；而常规的侧向分型滑块抽芯机构或斜顶顶出机构在此无法应用，如何设计此封闭区域的侧抽芯机构是本套模具的难点。T3和T4圆筒形倒扣特征在塑件上分别对称分布，T3倒扣深度13 mm，T4倒扣深度22 mm，为保证模具工作时更加稳定高效，同侧圆筒形倒扣特征采用“大滑块+液压油缸”的抽芯结构。为简化模具结构，顶出机构拟采用4组L形顶块的结构形式。

2 模具主要结构设计

2.1 浇注系统

在模具结构中，浇注系统起着至关重要的作用，其设计优劣直接决定产品的质量和生产效率^[8-12]。周转箱塑件的外形和结构特征基本清晰可见，侧壁四周为主要的外观面。图2为模具浇注系统。从图2可以看出，进胶点选择在塑件底部中心位置，选用大水口唧咀直接进胶方式，提升填充过程的连续性和顺畅度，压力损失小，制作比较简单。

2.2 成型零件和排气系统

模具中用来直接成型塑料制品内、外表面及性质的零件称为成型零件^[13]。根据塑料周转箱的结构特点，需要型芯、型腔、侧型芯及四角推块，为了有利于后续加工及模具维修，主型芯作成镶块，用螺钉紧固于动模板上；定模A板所用材料为高级优质中碳钢(S50C)，洛氏硬度为32~35；动模B板所用材料为3Cr2Mo(P20)预硬模具钢，洛氏硬度为30~34；四面滑块及内置3个斜顶由于在工作中不断运动，所用材料要求耐磨性及韧性较好，因此选用材料为718H预硬型模具钢，洛氏硬度为32~36。对于硬度相同的型芯和型腔镶块，为防止过快磨损，需要型腔镶块硬度高于型芯镶块硬度2左右。图3为成型零件和排气系统设计。本套模具主要采用分型面和镶件进行排气；在A板上设计9个分型面平衡块，用来平衡锁模压力，防止压力过大导致排气不良；为了更好地排气，在每个大滑块中都设计排气镶件。

2.3 滑块内置斜顶复合式抽芯机构

由图1塑件结构特征可知，在塑件A面侧凹内设计与侧抽芯方向垂直的倒扣特征。这些细节特征不能通过常规侧抽芯或斜顶完成脱模，需要滑块内置斜顶复合式抽芯机构才能使塑件顺利地脱模。图4为滑块内置斜顶复合抽芯机构。从图4可以看出，复合抽芯机构组件包括液压油缸、油缸固定座、液压缸活塞杆、T形拉杆、T形块、T形块固定座、锁紧块、卡销、滑块座、T形连接杆、斜顶隧道。其中，油缸通过固定座安装在动模板上；T形块可以在固定座中自由滑动，锁紧块可防止T形块脱离固定座；T形块通过螺钉安装在斜顶固定座上，一起联动；A面大滑块固定在滑座上，且大滑块中开设隧道，3个斜顶通过T形连接杆嵌在隧道中，两侧异形斜顶相对于连接块在T形槽中移动13 mm可以脱开倒扣，中间斜顶相对于连接块在T形槽中移动6 mm可以脱开倒扣；经测算，复合抽芯机构总行程为70 mm。

复合抽芯机构工作原理如下：当模具在分型面处打开后，侧抽芯机构中T形拉杆、T形块、卡销、T形连接杆、斜顶固定座相对固定不动，其他组件在液压油缸当驱动下往Y方向移动，同时3个斜顶在T形槽中相对滑动；当抽芯组件往Y方向移动30 mm时，两侧斜顶相对于连接块在T形槽中移动13 mm，中间斜顶相对于连接块在T形槽中移动6 mm，3个斜顶均脱离倒扣；同时，T形块会把卡销拨入卡槽内，在抽芯力作用下，卡销会往卡槽方向移动2 mm，此时T形拉杆会脱离卡销在T形块中滑动，如图4所示。当整个复合抽芯机构往Y方向再移动40 mm时，挡块会触碰到行程开关位置，液压油缸停止运动，侧抽芯动作完成。

2.4 液压抽芯机构

液压抽芯机构可抽出与分型面成任何角度的型芯且是通用件，可以大大简化并缩小模具结构，其一般有独立的液压系统，抽芯动作较平稳，并且抽芯力及抽芯距离较大，对形状复杂的塑件尤为合适。从图1塑件结构可知，B面、C面、D面均有较深的侧凹，最深侧凹达到22 mm，所以设计B、C、D 3个侧向液压抽芯机构，B和D抽芯机构结构相同。图5为模具液压抽芯机构。从图5可以看出，由于塑件高度达148 mm，为了排气的需要，在滑块上面开设排气镶件，镶件运用螺钉固定在滑块上面，采用预硬塑胶模具钢(738H)材料制作，洛氏硬度为45。

滑块轨道的合理设计对模具整体使用性能有着重要影响。滑动轨道常规设计是在模板上直接挖槽来实现，这样就会使模板强度降低，导致模板变形，并且浪费钢材。本套模具的滑块轨道采用便宜又耐磨的材料，经过热处理后固定到动模板上。图6为滑块轨道设计。此设计可以节省模具材料，且模板不会发生变形，对同类模具滑块轨道的设计有借鉴意义。

2.5 导向定位系统

模具导向定位系统是注射模具实现高精度、高效率并保障长期使用的核心部件，在生产中优良的导向定位系统可使动定模及其他组件精准开合模，防止注塑缺陷的产生^[14]。为此，在模具动模侧设计4根Φ50×300 mm的外导柱，4根Φ40×240 mm的内导柱。图7为模具导向定位系统。由于模具四面大滑块抽芯，可以用大滑块在定模的避空面进行开合模定位，此种定位类似于动模止口和定模止口的定位方式，这样就无须设计虎口或0°精定位块等定位方式，简化模具结构，节约成本；滑块轨道不开设在动模B板上，单独设计4组轨道，方便可靠，节约材料，提高B板强度和刚度；在定模板上设计9个平衡块，通过平衡块成功分担锁模所产生的压力。

2.6 顶出系统

周转箱属于深腔塑件，注塑完成后顶出行程较大，合理的顶出机构可避免产生顶白、顶裂等不良缺陷的产生^[15-19]。对于此类深腔塑件，常规做法是采用顶板顶出塑件，这样会增加模具厚度，提高制造和生产成本。鉴于此，本套模具采用“顶杆+L形顶块”组合顶出机构。图8为模具顶出系统。模具打开顶出开始时，液压油缸驱动推杆固定板和推板，在内导柱导向下，进而带动顶杆、L形顶块和塑件运动，当顶出行程达到145 mm时，限位开关达到上止点，塑件被顶出，机械手抓取塑件。合模复位时，在复位杆引导下，液压油缸带动顶出组件回到原位。

2.7 冷却系统

冷却系统是模具结构的核心组成部分之一，直接影响模具的高效运作和塑件的精度达标，因此需要确保各水路均匀分布，迅速导出多余的热量^[20-22]。根据周转箱塑件结构特点，本套模具设计了多层近似“随形水路”的复合型冷却系统，如图9所示。这些冷却水路纵横交错，形成网格立体式水路；动模镶件和定模镶件冷却水路直径为6 mm，间距为28 mm，其余各水路直径为11 mm，A板和B板冷却水路之间的距离保持在42~55 mm，4个大滑块水路间距为29 mm。模具的冷却系统设计思路清晰，冷却效果显著，塑件在生产中的变形得到有效控制。

3 模具工作过程

图10为模具装配图，由于属于深腔型塑件，再结合前期项目工程经验，设计二板式的模具结构，采用一模一腔的布局方案，顶出行程为145 mm，模具总体尺寸为940 mm×700 mm×712 mm，属于中型注射模具。模具工作过程如下：首先把注射模具吊装到注塑机上，用定位环定位并用压板锁住，接好动模侧和定模侧冷却水路。然后在机筒外围加热线圈和螺杆旋转产生的摩擦热双重作用下，从注塑机料筒到机筒的PP塑料变成熔融状态，通过注射油缸施加高压，将经过充分塑化的熔料经过机筒前端的喷嘴和模具中的浇注系统注入封闭的模腔内；当模腔充填完成后，注塑机螺杆由速度控制转变为压力控制，进入保压补缩阶段；待保压结束后，塑件逐渐冻结成形；待冷却阶段结束后，注塑机肘臂开始往后运动，直至完全打开，此时塑件留在动模侧，接下来4组液压油缸开始抽芯动作，直至各滑块、斜顶脱离倒扣，抽芯完成。最后，顶出液压油缸驱动推板和推板固定板，进而带动顶杆和L形顶块，使塑件缓慢顶出，通过机械手把塑件从模具中取出。复位时，液压油缸带动顶出机构最先复位，待复位的行程开关发出信号，注塑机肘臂把动模推到原位，开启下个注塑循环周期。

在模具的设计、制造及组装工作全部完成后，采用海天品牌旗下的天隆MAⅡS系列MA9000Ⅱ/6800卧式注塑机实施多次试模作业，成功制得符合规格的周转箱制品，如图11所示。此塑件外观质量较好，且尺寸符合既定要求。

4 结论

根据周转箱塑件结构特点，设计一副大水口唧咀直接进胶方式的二板式注射模具。利用液压油缸驱动的4侧面滑块推出机构，克服塑件细节特征的脱模困难和模具空间的制约。设计在一个滑块内集成3个异形斜顶的复合液压抽芯机构，顺利解决传统侧抽芯或斜顶机构无法处理的细节特征。采用“顶杆+L形顶块”组合顶出机构简化了模具总体结构，塑件能够顺畅地从模具中脱离，节约成本。在试模成功后，周转箱模具在批量生产中表现较好，各机构运行顺畅，产品成型周期、塑件表面和尺寸精度均符合客户标准。其设计思路对同行业具有参考意义。

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基金资助

武汉黄鹤英才（优秀青年人才）资助项目

武汉市市属高校产学研研究项目(CXY202219)

湖北省教育厅科研计划项目(B2020427)

湖北省教育厅科研计划项目(B2019433)

武汉城市职业学院科研创新团队建设计划资助项目(2020whcvcTD02)