基于二次顶出与强脱的工具盒模具结构设计

Tool Box Mold Structure Design Based on Secondary Ejection and Strong Demoulding

摘要

文章对工具盒的结构进行研究，并设计一套基于二次顶出以侧浇口进行浇注的三板模塑料模具。针对外表面的扣位，为了防止塑料件外表面出现滑块印，利用刚脱模时的注塑材料温度高、材料较软、变形后能恢复原状的特性，采用强脱方式进行脱模。为了使外表面扣位在强脱时不发生断裂，设计二次顶出机构，先用推件板将塑料件从动模型芯中顶出，使外表面的扣位在强脱时有向内变形的空间，再用顶杆和斜顶将扣位强行从推件板的型腔中顶出。为了使面盖与底盖之间厚度为0.2 mm的连接位注塑饱满，采用三板模结构、点浇口与侧浇口相结合的浇注系统。为了使模温均匀，在定、动模镶件上各设置两组水路。

Abstract

The paper investigates the structure of a tool box and designs a three-board injection mold for it, which utilizes a secondary ejection system and a side gate for filling. To address the external undercuts without leaving ejector pin marks on the plastic part's outer surface, a forced demoulding method is adopted. The method takes advantage of the material's properties immediately after demolding—namely, its high temperature, softness, and ability to recover its original shape after deformation. To prevent the external undercuts from fracturing during forced demoulding, a secondary ejection mechanism is designed. First, a stripper plate ejects the plastic part from the moving mold core, creating space for the external undercuts to deform inward during the subsequent forced demoulding. Then, ejector pins and lifters force the undercuts out of the stripper plate cavity. To ensure that the 0.2 mm thick connecting rib between the top cover and the bottom cover is fully filled, a three-board mold gating system combining a pin gate and a side gate is employed. To achieve uniform mold temperature, two cooling channels are placed in both the stationary and moving mold inserts.

Graphical abstract

关键词

工具盒 / 二次顶出 / 三板模 / 侧浇口 / 强脱机构

Key words

Tool box / Secondary ejection / Three-board mold / Side gate / Forced demoulding mechanism

模具结构不仅与塑料件的结构相关，还受其外观要求制约。对于产品外表面的扣位，通常采用滑块结构脱模，但会在外表面留下滑块印，影响外观质量。某些塑料件外表面虽有扣位，却对外观质量要求较高，不允许存在滑块印和毛边，这就要求模具结构既能实现外表面扣位的顺利脱模，又不能使用滑块结构，否则将留下滑块印^[1-2]。针对此类产品，常规思路难以设计出合理模具结构，此时可利用塑料件刚脱模时温度较高、材质较软、轻微变形后可恢复原状的特性，设计强脱机构。例如：刘碧云^[3]针对洗碗机泵体外壳结构，设计一套具有复合脱模机构的注塑模具；植才华^[4]介绍一种由左右滑块将塑料件向两侧拉，使底边扣位脱模后再顶出产品的模具结构。

本文以某工具盒为例，其注塑材料为改性聚丙烯(PP)，外表面有一扣位，注塑要求不允许在外表面产生滑块印，因此不能设计外滑块脱模。本研究设计一种强脱的模具结构。塑料件从动模型芯中顶出后，其内部已脱模，有充足空间保证扣位向内变形，在强脱过程中不会损坏制件。

1 塑料件结构分析

图1为塑料件的结构和尺寸。从图1可以看出，工具盒的材料为改性PP，由底盖和面盖两部分组成，尺寸为273.0 mm×203.0 mm×18.0 mm，壁厚为3.0 mm。在面盖的内表面和底盖的外表面均设置扣位，其作用是使合拢后的面盖和底盖紧扣在一起，面盖内表面的扣位深度为1.0 mm(如放大图Ⅰ所示)。当工具盒展开时，底盖和面盖由两条厚度仅为0.2 mm的胶位相连(如放大图Ⅱ所示)。底盖外表面的扣位深度为0.9 mm，扣位的侧面斜度为135° (如放大图Ⅲ所示)。在底盖的内表面有两个U形筋位，高度为18.0 mm，筋位壁厚为1.0 mm，在面盖的内表面有两个扣位。

2 模具结构设计

2.1 分型面设计

图2为分型面设计。从图2可以看出，根据产品结构，将分型面设置在塑料件口部的最大轮廓处，由于底盖和面盖中间的扣位处向内凹陷，其分型面为异型曲面，其余位置的分型面为平面。为了加强定模与动模的合模精度，在分型面的4个角位处各设置一个侧面为5º斜度的定位^[5-8]。

2.2 浇注系统

图3为浇注系统。由于面盖与底盖之间连接处的胶厚仅为0.2 mm。如果注射压力太小，该处将会存在注塑不饱满的现象，如果加大注射压力，保证该处注塑饱满，则塑料件的其他位置容易出现毛刺。为了解决这个问题，根据塑料件的结构与注塑材料的特性，选用三板模，将点浇口设置在分型面上，再在分型面上设置流道，从面盖与底盖之间连接处进胶^[9-12]，如图3a所示。由于面盖与底盖之间有两个较薄的连接处，因此设置两个浇口，两个连接处各设置一个浇口，如图3b所示。其中，一个浇口设置在面盖的连接处，另一个浇口设置在底盖的连接处。

2.3 斜顶机构

图4为斜顶机构。从图4可以看出，对于面盖内表面的3个扣位，采用斜顶机构脱模。由于斜顶尺寸较小，为了加强斜顶的强度，斜顶杆与斜顶块为整体结构。斜顶杆与斜顶座通过T形槽相连，当斜顶做顶出运动时，斜顶杆还将在斜顶座内沿T形槽水平移动。在斜顶座底部设置螺栓，将斜顶座锁在推板上，便于拆装斜顶。

2.4 U形筋位脱模机构

在底盖的内表面有两条U形筋位，筋位的长×宽约为15.0 mm×12.5 mm，高度约为18.0 mm，壁厚约为1.0 mm，为了防止U形筋位出现困气、注塑不饱满的现象，在U形筋位的型芯设为镶件，加强排气，并在筋位圆弧的中心处设置顶杆。图5为U形筋位脱模机构。

2.5 定模、动模与推件板镶件

为了方便加工，定模、动模和推件板均采用镶件结构。图6为定模、动模镶件结构。该塑料件采用推件板顶出，动模镶件需要与推件板设置配合面，因此该模具的动模镶件高度尺寸相对较大，如图6a所示。为加强合模时的定位精度，在定模镶件与推件板的4个角位处各设置一个凹定位，如图6b所示。为了提高塑料件外表面质量，将塑料件外表面的扣位设置在推件板的型腔中，需要采用强脱才能将该扣位从推件板中顶出，如图6c所示。在推件板的4个角位处各设置一个凸定位，以加强合模精度。

2.6 二次顶出机构

对于底盖外侧面的扣位，其深度为0.9 mm。不管是以滑块还是以斜顶机构脱模，都会在塑料件的外表面上留下印迹，影响外观^[13-16]。同时，滑块或斜顶均属于运动件，长时间工作后会产生磨损，容易产生毛刺，在剔除毛刺过程中会损伤塑料件的外表面。为了克服上述现象，利用PP材料在刚开模时温度较高、材质较软、变形后能恢复原状的特性，设计一种具有强脱功能的二次顶出结构，先用推件板将塑料件从动模型芯中顶出，推件板停止运动后，再将外表面的扣位强行从推件板的型腔中顶出。

图7为二次顶出机构。该模具的二次顶出机构是在模具顶出机构(包括推板、顶杆固定板、斜顶、顶杆、推件板)的基础上，设置滑块、斜楔、T形杆等，将斜楔固定在动模座板上，在推板上设置滑块，在推件板与滑块之间设置T形杆，如图7a所示(为了更形象体现二次顶出的结构，隐藏顶杆固定板)。滑块与斜楔之间的接触面为斜面，在滑块中间开设一个圆孔，当模具处于复位状态时，T形杆与滑块中间圆孔的轴线错开，T形杆的底面抵扣在滑块上表面，T形杆的顶面抵扣在推件板的下表面^[17-22]，如图7b所示。

在开模时，当定模与动模完全分开后，注塑机驱动推板、顶杆固定板、斜顶、顶杆、推件板、滑块、T形杆等一起做顶出运动。由于斜楔固定在动模座板上保持不动，在顶出时，斜楔驱使滑块侧向运动，从而使滑块的圆孔与T形杆逐渐靠拢。当推件板将塑料件从动模型芯中顶出后，此时T形杆与滑块中的圆孔中心线对齐，T形杆的底部插入滑块的圆孔中，推板不再驱动推件板做脱模运动，实现第一次顶出，此时塑料件内部让出空间，不再妨碍塑料件往内收缩。注塑机继续驱动斜顶、顶杆等做顶出运动，将塑料件强行从推件板的型腔中顶出，塑料件一边往内收缩，一边做脱模运动，从而实现第二次顶出。在第二次顶出时，将外侧面的扣位从推件板型腔中强行顶出。在强顶过程中，外侧面的扣位有向内变形的动作^[23-24]。

采用上述脱模机构，外侧面不存在滑块印。在脱模时先用推件板将塑料件从动模型芯中顶出，有足够空间使顶出后的塑料件向内变形，此时可以用顶杆、斜顶等将底盖外侧面的扣位从推件板的型腔中强行顶出。由于底盖外侧面的扣位沿脱模方向的侧面斜度为135°，在强顶时不会对塑料件造成刮伤等。将塑料件顶出后，可以利用塑料件的特性自动恢复原形。

2.7 冷却系统

为使模具均匀，必须根据塑料件与模具的结构设计冷却水路。图8为冷却系统。考虑到定模镶件的尺寸为345.0 mm×255.0 mm，为了使定模镶件的模温均匀，在定模镶件上面盖和底盖对应位置各设置一组独立的直通水路，共两组水路，如图8a所示。直通水路直径为Ф8.0 mm，间距为38.0 mm。由于动模型芯的高度尺寸较大，适合采用隔片式水井水路，面盖和底盖各设置4支直径为Ф24.0 mm的水井，并将水井分为两组，每4支水井为一组水路，用直通水路相连，如图8b所示。

2.8 模具剖面结构

根据塑料件结构，采用三板模结构。将点浇口设在分型面上，再在分型面上开设流道，以侧浇口方式进胶。对于塑料件外侧面的扣位，为了消除塑料件侧面的滑块印，先用推件板将塑料件从型芯中顶出，再利用强脱方式进行脱模。图9为模具结构。模具工作过程如下：注塑完成后，模具首先在定模板6与推料板7之间分开，使流道料脱模，然后模具在定模板6与推件板4之间分开。模具完全分开后，注塑机驱动模具的顶出机构做脱模运动。在刚开始顶出时，由于T形杆14与滑块17中的圆孔轴线错开，T形杆14的底面抵扣在滑块17的上表面，滑块17驱动T形杆14和推件板4运动，推件板4与斜顶13、拉料杆21、顶杆23等一起做顶出运动。由于斜楔18固定在动模座板1上保持不动，此时斜楔18的斜面驱动滑块17侧向移动，使滑块上的圆孔逐渐向T形杆14移动。当两者的轴线对齐后，T形杆14的底部插入滑块中的圆孔中，滑块不再驱动T形杆14和推件板4运动，此时塑料件脱离动模型芯，实现第一次顶出运动。然后推板19仅驱动斜顶13、拉料杆21、顶杆23做顶出运动，将塑料件从推件板镶件12的型腔中顶出，实现第二次顶出运动。当取出塑料件后，模具将进行复位，复位过程与开模过程的顺序正好相反，当模具完全复位后，即可生产下一个塑料件。图10为塑料件实物。

3 结论

为了提高塑料件外观面的质量，防止在外表面上留下滑块印，针对工具盒外侧面上的扣位，设计二次顶出机构。在原来顶出机构的基础上，在推板上设置滑块，并在滑块与推件板之间设置T形杆。在顶出开始时，滑块中的小孔与T形杆错位，滑块与T形杆驱动推件板做顶出运动。在此过程中，斜楔驱动滑块侧向移动，使滑块的小孔与T形杆逐渐靠拢。当推件板将塑料件从动模型芯中顶出时，滑块中的圆孔与T形杆的轴线对齐，T形杆插入滑块中的圆孔中去，推件板停止做脱模运动，实现第一次顶出。推板继续驱动顶杆、斜顶做顶出运动，将塑料件从推件板的型腔中顶出，将塑料件外侧面的扣位强行顶出，实现第二次顶出。其中第一次顶出的作用是为第二次顶出时预留扣位向内变形的空间。该模具采用三板模结构，并设置两个点浇口。将点浇口设置在分型面上，再在分型面上设置流道，然后以侧浇口从面盖与底盖的连接处进胶。根据模具结构，定模采用两组直通式的水路，动模采用两组隔片式水井水路。该模具目前正在生产，塑料件质量稳定。

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基金资助

湖南省教育厅科学研究项目(23C0680)