4 面滑块+动模缩芯,呕心沥血的模具力作,值得每个模具人学习!

前沿数控技术2019-06-30 02:18:53



本文为前沿数控技术特约模具专家查鸿达老师撰写。对一套复杂的模具做了全面的技术分析,融入了不少宝贵的实践经验,是难得的好文。虽篇幅较长,强烈推荐每一位模具人细细品读。


一、产品分析


此产品为一企业委托设计的船用仪表后罩,产品形状较为繁复,且尺寸精度要求很高。材料为PC+ABS,见图1



图1


仪表后罩的内部见图2。



图2


在产品外侧的壁上有弹性块(产品的一部分),脱模时会粘滑块,并且会扯变形,要考虑在滑块上安排止推机构,见图3。



图3


产品顶部的装配要求很高,要严格控制尺寸精度,见图4。



图4


从以上4幅图可以看到,产品的尺寸精度要求很高,模具会用4面大滑块的形式脱模,问题是产品对动模中间的大型芯的包紧力很大,需要很多顶杆来将产品顶出来,可是从产品内部看(图2),可以安排顶杆的位置很少。为了尽量减少注塑成型后的产品的内部应力,所以进胶点的选择也很重要,该产品的模流分析由Moldex 3D公司提供。


二、模具总体结构和动作的构想


首先,就产品的形状特征来看,产品要靠众多的小顶杆顶出来是不可能的,因为产品的4壁对动模芯的包紧力非常大,按常规仅仅靠小顶杆顶产品底部肯定会将产品顶破的。


我设想在4个大滑块打开以前,中间的模芯先缩下一段距离(20mm),让产品内部底面的造型先脱出来,靠滑块上的造型和成型在滑块上的产品的底边将产品勾住,模芯才会和产品分离,而且产品的中间还要有一些顶杆顶住产品,不然产品中间的筋槽会变形或者断裂。


模芯抽出一段距离(20mm)后,滑块打开,然后,原来模芯后缩时支撑住产品的顶杆再将产品顶出来。


有二个在滑块上成型的产品的一小部分称为弹块,会粘滑块,这2个滑块要安排止推机构。


由于产品的高度尺寸较大,顶出产品的距离也大,所以模具的总高度也会很大,由于想采用点浇口进胶,所以模具是采用三板模的形式。更是增加了模具的总厚度,所以,设计这套模具的时候,在确保模具有足够的刚性的前提下,尽量控制模具的总厚度,是设计过程中的重要考虑要素。


注塑机打开模具时,定模框与动模板之间是暂时不打开的,滑块当然也是保持在原位。承载4个滑块的动模板与固定动模大型芯的动模垫板之间线分开20mm,见图5。



图5


从图5可以看到当动模板和动模垫板之间分开20mm时,滑块是留在原位的,动模大型芯随动模垫板向后移动20mm。由于产品四周的造型都是在滑块上的,而动模大型芯的四周都是光滑的平面,而且产品的中间有11根顶杆顶住。所以动模大型芯很轻松的向后移动20mm。使得产品内部顶部的形状全部脱出来,而且产品的底部造型也不会变形,见图6。



图6


由于总结构是采用了简化型小水口形式,所以导柱是在定模侧的,而动模侧的定位靠布置在轨道和动模板之间的双节导套,因为动模板与动模垫板要先分开20mm,所以动模板与动模垫板之间布置了内置导柱和导套,见图7。



图7


定模框与动模板暂时不分开的力由二个部分组成,一是布置在定模框上的尼龙拉钉。二是活动的动模板与动模系统部相对于注塑机动模板不动的部分有强力的弹簧,以后都有详细的介绍。


三、动模芯的设计


动模芯的设计是整个设计任务的开始。一般的设计师拿到这个产品,看到这么复杂,千头万绪,不知道从哪里下手。


我构思这套模具就是从这个模芯开始的,模芯的设计难度很大,要造型这么多的筋筋槽槽,这个镶件怎么镶啊?


动模大型芯分出来是这样的,见图8



图8


从图8中可以看到,模芯的顶部布满了深槽,而且这些槽的尺寸精度要求很高。假如做整体的模芯,应该是很困难的,经过手工抛光的槽的侧壁是很难做到精密的尺寸的。而且用火花机加工出来的槽的侧壁有火花机蚀纹,要去掉是非常困难的,特别是槽的根部,所以,一般的考虑是做镶件,到底怎么做镶件?


通过几种方案的对比,最终我采用了这样的布置,见图9。



图9


从图9中可以看到,我将镶件分为二组,横的方向一组,竖的方向一组。分下来的型芯本体见图10。



图10


从图10可以看到,放镶件的槽都是可以用线切割的方法加工出来的。那些成型槽的台阶面都可以用火花机加工出来,抛光的时候操作起来方便多了。镶进去的第一组镶件见图11。



图11


由于分为5件来做,用精密磨床和火花机可以很方便地加工出来,加工难度不大。第二组镶件见图12。



图12


从图12可以看到,这第二组镶件的加工也是没有难度的,但是加工精度要求很高。动模大型芯的所有顶杆都是布置在这第二组镶件上的。另外,这二组镶件被设计成为相互扣锁的,见图13



图13


这样,在注塑时镶件相互之间没有移动的可能,当这二组镶件被固定在型芯本体中时,就形成了一个坚固的整体,见图14。



图14


从图14中可以看到,这么多镶件,仅仅用了6M6的螺丝,就全部固定住了,经过长时间的生产后,证明这个镶件的固定方法的设计是非常可靠的。给动模大型芯布置顶杆和水路,留下了足够的空间。


动模大型芯是固定在动模垫板上的,见图10-15。



图15


动模大型芯的中央有一个水塘,冷却水由动模垫板导出,见图16和图17



图16



图17


从图10-17中可以看到,为了避开中心线上的那根顶杆,进、出水的位置是错开的。进出水路与水塘的接通方式见图18



图18


四、动模大型芯与动模板的精确定位


这套模具的所有滑块和轨道,都是布置在动模板上的,注塑机打开时,为了实现动模大型芯的后缩,动模板一共要前移20mm。这个20mm的距离是由4个限位螺丝来实现的,见图19。



图19


由于动模大型芯是固定在动模垫板上的,所以,动模大型芯在每一次开模的过程中会与动模板分开和锁紧一次。为了使动模大型芯减少磨损和精确定位,动模大型芯和动模板的结合处肯定是一组斜面,因为动模板的材料是50号,是不耐磨的,所以我在这里设计了一个耐磨的镶件,称它为“大型芯压板”,见图20。



图20


这个型芯压板是固定在动模板上的,见图21。



图21


这里有一个细节,为了增加动模大型芯的稳定性,这个大型芯压板的内侧和外侧都是有5°斜度的,见图22。



图22


从图22可以看到,这个型芯压板的内、外侧都是5°斜面,一个是正5°,一个是负5度。型芯压板是比动模板的大面高0.2mm的,这样,在注塑机锁模的时候,会紧紧地压住动模大型芯。使得注塑机射胶时,动模大型芯不会被冲偏。在型芯压板的四面有固定在滑块底部的滑块止位块(撞块),在型芯压板和滑块止位块之间有弹簧,见图23。



图23


五、滑块1的设计


滑块1由滑块1镶件、滑块1本体、滑块1止位块和弹簧组成,见图24。



图24


滑块1镶件是用738H制作,硬度为HRC42,外形见图25。



图25


滑块1镶件的反面有一个定位台阶,精确地卡在滑块本体的长方形凹槽中,见图26.



图26


在图26中可以看到,滑块1镶件与滑块1本体是由4个M8的内六角螺丝固定,定位是靠滑块1镶件上的定位台阶卡在滑块1本体上的长方形凹槽来定位,水路是布置在滑块1镶件上的,由滑块本体上的水路引出,二者结合处设置了密封圈。滑块1的拨开是利用设置在定模框上的“T”形块和滑块1本体上的“T”形槽。由于“T”块和“T”形槽有一致的斜度,所以在注塑机打开模具时,“T”形块将滑块1向外拨开。


为了使得在注塑机合模时,“T”形块可以对准滑块1本体上的“T”形槽入口处,需要将滑块1停留在最后的位置,这是靠图10-20中的弹簧来实现的。弹簧布置在由型芯压板和滑块止位块之间的孔中,实际制作时,弹簧有10mm的预压缩量。假如这个弹簧失效,滑块就有可能回到内侧,特别是四个滑块中上面的一块,由于重量的关系会向下掉,这时,“T”形块就插不进“T”形槽,强行合模时会将模具压坏。


这个滑块止位块除了放置弹簧,向外顶住滑块外,还起到一个滑块向内止位的作用,见图27。



图27


看起来这个滑块止位块顶住型芯压板的力与注塑机锁模的力比起来是微不足道的,其实不然,在滑块1镶件上有一些小凸台的面是与动模大型芯碰穿的,这些面假如磨损,产品上由这些小凸台产生的孔就会有飞边,在注塑机锁模时,仔细观察滑块的运动,是分为二个阶段的,注塑机锁模的动作有二个,第一部分称为“快速”锁模,第二个动作才是高压锁模,这样可以缩短注塑周期。


在“快速”锁模时,滑块向内的运动是有惯性的,假如没有设置这个滑块止位块,此时滑块1 镶件上的小凸台就会撞击动模大型芯,引起这些小凸台的快速损坏。现在有了这个滑块止位块,使得滑块由于惯性向内运动时,这些小凸台不会撞到动模大型芯,只是在注塑机高压锁模时,这些小凸台的表面才贴紧动模大型芯。这样,这些小凸台的表面是不会损坏的。这是模具设计中往往会被忽略的细节。


另外,在滑块镶件的二个插入由另外二个滑块形成的凹槽的接触的面,是有3°斜度的。见图28。



图28


从图24可以看到,由于这二个面有斜度,可以避免这二个面的磨损。另外有个细节,“T”形槽的入口处的圆角要尽量大一些,以保证定模框上的“T”形块插入“T”形槽时不发生撞击,见图29。



图29


滑块3的结构和做法与滑块1是一模一样的,不再赘述。


六、滑块3的设计


前面讲到过,(看图3)在产品的一侧有一个弹性块,是成型在滑块3上的,见图30。



图30


从图30中可以看到,这2个成型产品的弹性块的部位,对注塑成型的弹性块有很大的包紧力,由于对应的动模大型芯的面是平面,对产品上的弹性块没有任何的拉力,所以成型的弹性块肯定是留在滑块3上的,俗称“粘滑块”。这个问题的处理方法有很多种,现在我介绍一种简单的方法,见图31。



图31


从图31中可以看到,“T”形块的下端,对着滑块针的位置,我设计了一小段直面(长度20mm),在锁模时,这个直面是顶住滑块针的半球状的顶端的,滑块针的另外一端是在型腔里参与造型的,相当于一根顶针,当动、定模分开时,由于有这个小的直面,运动的前15mm,滑块针是保持原位不动的,而滑块本体和固定在滑块3本体上的滑块3镶件则向外滑动了3.88mm。


由于此时已经成型的产品还是套在动模大型芯上的,所以产品和滑块镶件之间已经分开3.88mm,产品上的弹性块部分由于被滑块针顶住,也和滑块镶件分开3.88mm。当注塑机继续打开,“T”形块上的小直面离开滑块针的半球状顶端后,由于弹簧的作用,滑块针就会弹出来,随滑块本体一起继续向外运动,见32。



图32


这是一种最简单的滑块止推装置,在很多地方可以借鉴运用。本例是个特殊情况,滑块针的一端有造型的,所以要有止转装置,见图33。



图33


在这个机构中,最巧妙的是在“T”形块的底端开了一段小直面,见图34。



图34


七、滑块底部摩擦片的设计


由于本套模具是4面大滑块的结构,这4个滑块在动模板上的滑动是由定模框上的4个“T”形块来拨开和拨进的,在注塑机的锁模力的作用下,滑块底部对动模板的压力是很大的。所以在动模板上必须设置摩擦片,与滑块的底面形成摩擦副。摩擦片的设计比较传统,见图35。



图35


实际制作时摩擦片的表面与大型芯压板是一样高的,共同组成摩擦面,而且,摩擦片与大型芯压板的表面要比动模板的表面高0.2mm。我采用了Cr12作为摩擦片的材料,硬度为HRC60。


八、动模滑块轨道的设计


熟悉我设计风格的人都知道,对于滑块的“T”形滑动轨道,我不主张在模板上挖槽来实现,因为模板挖深槽会使得模板变形,而且浪费钢材。我建议用比较便宜又高耐磨的材料经过热处理后“贴”在动模板上。不过对于设计师来说,事先要考虑周全,对于已经淬火到HRC60的轨道,要增加什么螺丝孔之类的东西就很困难了。因为去掉4个大滑块的位置,动、定模的接触面仅仅是轨道的表面,所有功能性的机构和孔位都只能布置在这个小小的轨道面上。我们来看这套模具的轨道上的布置,见图36。



图36


从图36可以看到,这个轨道的面上的功能性孔的布置是非常精彩的,一共有6种功能性的孔。一是5个M10的内六角螺丝孔,用来将轨道固定在动模板上。二是尼龙拉钉孔,布置在定模侧的尼龙拉钉是动模缩芯的动力来源。三是精定位孔,与布置在定模侧的凸起的圆锥形相配合,起到动、定模的整体精密定位。四是布置在精定位孔底部的定位销,它与导套同时起到轨道与动模板之间的定位作用。五是导套孔。六是复位杆挡圈孔,见图37。



图37


顺便在这里插一句,这个复位杆头部的挡圈的作用很重要,当动模板与动模垫板在尼龙拉钉和4个大弹簧的作用下分开时,由于这个挡圈的作用,整个顶出系统也是一起跟进的,11根顶杆始终是顶住产品的,假如没有这个动作,产品的底部就没有这11根顶杆顶住,成型的产品的底部的密密麻麻的的筋槽就会被动模大型芯扯变形甚至断裂。


通过以上的介绍,可见这个轨道的设计很有讲究,虽然是个简单的方块加一些孔,但是它体现了模具设计师对模具结构和模具的所有动作的认识深度。因为轨道的硬度是很硬的,在设计的时候一定要考虑到所有的功能,一旦要改动,就比较麻烦。


九、浇口的设计


大家一定会感到奇怪,为什么本文的一开始不讲浇口的设计。而到了现在才介绍浇口的设计呢?


这是我的思路的问题,其实,本套模具的关键点不在浇口,浇口形式是没有选择的,肯定是三板模点浇口。为什么?首先,受到模具总厚度的限制,热流道是不合适的,而且,定模的形状精密又复杂,肯定是要做镶件的,热嘴的位置不好安排。


假如做大浇口,也是不妥当的,因为本产品的顶部的尺寸精度太高,大浇口会引起产品顶部的很大应力和密度的不均匀,会使得产品产生比较大的变形和翘曲,所以,我认为,唯一的方法是点浇口,既然是点浇口,那么进胶点的位置就非常重要,虽然Moldex 3D公司提供了合理的模流分析方案,但是进胶点的位置在很大程度上受动模大型芯上的镶件的形式的影响,说简单点,进胶点不可以对着镶件的结合线,哪怕是最合理的位置是对着结合线的,也要适当移开。所以我首先考虑动模大型芯的设计。


另外,这套模具是一个厂家实际要做的模具,大家都知道这套模具比较难设计,我一拿到手也是大吃一惊,但是我知道,这套模具只要想通动模大型芯的结构,就一定可以设计出来,所以我一开始就着手设计动模,因为写这本书是为了提高年轻模具设计师的设计水平,所以我按我当时的思路和设计过程来写,请大家见谅。


经过与Moldex 3D公司朋友的商量,最后我选择了这样的浇口方案,见图38-1。



图38-1


模流分析结果见图38-2。



图38-2


十、定模的设计


定模的外形见图39。



图39


从图39可以看到,这套模具是典型的三板模点浇口形式,采用的是简化型小水口模架。分型面定模框上布置有尼龙拉钉、精定位、限位螺丝、“T”形块等功能性零部件。在模具打开时是这样的,见图40。



图40


1. 浇口脱落的基本原理


现在我来讲讲三板模中,定模的点浇口脱出来的基本原理,见图41



图41


从图41可以看到,融熔的塑料由主流道射入,经横流道和点浇口进入模腔。融熔的塑料经过冷却后成为固态的塑料,除产品以外的部分,我们称之为浇口。我们除了需要将产品通过各种脱模机构自动取出外,浇口部分也要自动取出,才可以顺利进行下一次操作,实现自动化生产。


首先,产品和浇口的分离是靠浇口拉针扯断的,浇口拉针有倒扣,见图42。



图42


从图42看,定模打开的第一个动作是定模框与浇口刮板分开100mm。此时由于浇口拉针紧紧地拉住浇口,强制性地将产品和浇口扯断。定模继续打开12mm,此时浇口刮板强制性地将浇口从浇口拉针上刮下来,此时浇口是吸附在浇口刮板上的,一般有用压缩空气吹下来的,也有用弹块将浇口弹出来的,因为现在的注塑工厂都慢慢的朝自动化生产的模式发展,比较多的工厂采用机械手将浇口夹出来。


浇口被扯离产品和从浇口刮板上刮下来的过程中,二组限位螺丝的设计是非常重要的,见图43。



图43


2. 定模镶件的设计


定模镶件由一个大镶件和二组小镶件组成,见图44。



图44


定模大镶件的形状不是很复杂,但是尺寸精度要求很高,外形见图45。



图45


从图10-45可以看到定模大镶件的中间部分是原身留出来的,我是采用慢走丝线切割机加工后,再配合高速加工中心和火花机加工出来的,材料是用的738H,硬度为HRC38。二侧的6个凹缺口是没有用的,不过是为了方便线切割加工,加工后也没有必要补回去的。第一组镶件是由6件完全相同的小镶件组成,见图46。



图46


第二组镶件是有2件小镶件组成,见图47。



图47


这二组镶件分别放置在定模大镶件上用线切割加工出来的槽中,这些槽和小镶件的配合要非常精准。


3. 定模镶件的冷却系统


由于镶在定模大镶件中的小镶件尺寸很小,很难安排冷却水路,我采用导热性能强的铍铜来做小镶件,靠小镶件底面接触的模框的冷却水路带走热量,我仅仅在定模大镶件上安排了冷却水路,见图48。



图48


4. 定模框的设计


定模框是用来锁紧动模的4个滑块的,同时定模的功能性零件都布置在定模框上,是定模系统最重要的部分,见图49。



图49


从图45可以看到,定模框的功能性要求虽然比较多,要布置的零件也多,但是,总的来讲,定模框的设计是非常简洁的,举例来讲,一个大镶件加8个小镶件,仅用4个M8的内六角螺丝就全部固定住了。前面讲过,8个小镶件很难安排水路,所以在定模框的底部安排了4组冷却水路,对定模镶件和8个小镶件进行有效的冷却,同时对4个点浇口也起到了直接的冷却效果,见图50。



图50


整套模具打开后的状况见图51。



图51


【小结】


本套模具的设计暂时就介绍到这里,虽然谈不上呕心沥血,却也是化了很大的精力,其中有不少亮点,列出来与大家分享。


1. 设计思路明确,虽然产品形状繁复,但是围绕着“动模缩芯”这个轴线,其他所有的问题都简化成为可以用常规手段解决的问题。


2. 结构巧妙、实用,加工方便,动模大型芯上的诸多小镶件的互扣和精确定位,堪称多镶件结构中的经典。


3. 结构简洁,动模大型芯上的8个小镶件,仅用6个M6的内六角螺丝就全部固定住了。定模镶件上的8个小镶件没有用一个螺丝,仅靠定模镶件上的4个M8的螺丝就全部固定住了。详细的结构,请参照3D图档。


4. 动模大型芯与型芯压板的斜面配合,使得活动的动模系统与动模底板之间有精密的定位。整套模具的定位性非常可靠。


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