拉杆箱箱壳注塑模具设计_杨开怀.pdf

第1期机电技术机电技术拉杆箱箱壳注塑模具设计拉杆箱箱壳注塑模具设计*杨开怀（福建船政交通职业学院 机械与智能制造学院，福建 福州 350007）摘要在分析拉杆箱箱壳三维结构和材质的基础上，根据其结构特点和注塑成型性，设计采用箱壳全部在动模内成型的分型面，并基于一模一腔的模具结构，对箱壳全套模具的浇注系统、合模导向和定位机构、冷却系统、脱模推出机构、模架及材料进行重构和设计，选择并校核了注塑机，最后分析了模具的设计创新。试模结果表明：模具型腔和结构设计方案合理、简单，生产速率快，自动化程度高，能够有效降低人工成本；制件质量好，模具使用寿命长，适合企业大批量生产。关键词箱壳塑件；模具设计；注塑成型；设计创新中图分类号：TG76文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）01-043-04DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.01.012*福建省高等职业院校应用技术协同创新中心建设项目（闽教科 2016 71号）；福建船政交通职业学院专业（群）领军人才培育项目（闽交院师 2022 8 号）；福建船政交通职业学院专业带头人培育项目（闽交院人 2020 46 号）；福建维锐尔信息科技有限公司横向项目（CZJTJXX20200026）作者简介：杨开怀（1980），男，副教授，博士，主要从事机械与智能制造领域的教学和研究工作。拉杆箱作为生活和出行用品已成为家庭必备的重要工具，随着生活水平的提高，人们对拉杆箱的外观、工艺和性能的需求也日益提升。箱壳是组成拉杆箱的主要结构，其外观、工艺和性能直接影响着消费者对拉杆箱的选购。拉杆箱箱壳通常是由注塑机注射成型的一体制品1，精度和表面粗糙度要求较高，要求外观整体无瑕疵，不得出现填充不足、流痕、气纹、顶白、黑纹、水口晕、翘曲变形、熔接线和表面凹凸不平等问题2，这就对模具设计和成型工艺提出了较高要求。1塑件分析箱壳塑件三维结构如图1所示，呈典型的长方体结构，表面有典型的不规则纹路。从使用性能上分析，要求必须无毒、无臭、无味，防腐蚀，化学性能、强度、硬度、耐磨性能优异，因此通常使用聚丙烯（Polypropylene，PP）制造。PP是一种广泛使用的热塑性材料，相对密度较小，具有较高的耐热性，化学性能好，不吸水，无毒性，电绝缘性好3。成型性能上，PP属于结晶型塑料，吸湿性小，可能发生熔体破裂，长期与热金属接触易发生分解；流动性极好，冷却速度快，因此模具浇注系统及冷却系统散热要与之相适应；成型收缩率大，易发生缩孔、变形，因此塑件壁厚应均匀，避免缺口、尖角，以防止应力集中；应注意控制成型温度，料温低时取向性明显，尤其低温高压时更明显，模具温度低于50 时塑件无光泽，易发生熔接痕、流痕，90 以上易发生翘曲、变形4；模具结构设计和成型工艺参数设计时应综合考虑上述影响。图图1 1塑件三维结构示意图塑件三维结构示意图2模具设计2.1分型面设计分型面的选择一般遵循以下原则5，6：1）有利于脱模。分型面一般要设计在塑件的最大截面处。2）有利于保证塑件质量。分型面的选择要满足塑件表面质量要求，要有利于模具排气。3）有利于简化模具结构，应尽可能避免侧向分型或者抽芯。4）有利于模具零部件的加工。根据箱壳的结构特征，分型面可分为四种基本类型：1）箱壳全部在动模内成型；2）箱壳全部在定模内成型；3）箱壳同时在动模、定模内成型；4）箱壳在多个瓣合模块中成型。箱壳的表面质量高低直接决定了行李箱的好坏，因此选择箱壳分型432023年1月机电技术机电技术面时应确保箱壳的表面质量和尺寸精度。如采用方案2）定模内成型，箱壳表面会出现熔接痕，表面质量难以保证。如选用方案 3）或4），各部分均会出现熔接痕，同时也增加了模具的加工难度和脱模难度。只有采用方案1），即将分型面设计在箱壳的最大轮廓处，如图2所示，又因为箱壳的底面是平面，有利于力的平衡，有利于脱模，能够有效减少模具加工难度、确保箱壳表面质量。图图2 2分型面示意图分型面示意图2.2模腔设计根据箱壳塑件的结构，箱壳的长、宽、高都比较大，综合考虑所需注塑机的大小、锁模力、注塑容量和塑件精度要求，由于增加一个型腔精度约降低4%7，如选用一出二或一出多的模腔，模具尺寸太大，同时导致调试难度显著增加，因此模腔设计选用一模一腔的形式。2.3浇注系统设计浇注系统是引导塑料熔体从注塑机喷嘴到模具型腔的进料通道，具有传质、传压和传热的功能，直接影响着塑件的整体结构、精度、成型工艺的难易成度以及模具的使用寿命8。2.3.1主流道设计综合考虑模具实际使用中的安全性、可靠性以及模具的维护和修理，将主流道设计为浇口套形式。根据注塑机喷嘴参数，设计主流道喷嘴球半径为12 mm，主流道喷嘴孔直径为4.5 mm，为减少熔料的压力和降低热量的损失，将主流道设计为圆台型。将箱壳主流道设于模具中心，有利于将注塑机注射出的熔体均匀地导入分流道或型腔中；考虑主流道要与高温塑料熔体及注塑机喷嘴反复接触，将主流道设计成可拆卸更换的胶口套形式。箱壳主流道的形状为圆锥形，锥角为26，内壁表面粗糙度为0.63 m；为了防止溢料，箱壳主流道设计为半球形凹坑，半径比注塑机喷嘴半径大2 mm，凹坑深度为5 mm，长度L为48 mm；为了使凝料顺利拔出，主流道的小端直径应比注塑机喷嘴直径大1 mm。箱壳的唧嘴材料为WY718毛料，规格为55 mm100 mm，如图3所示。图图3 3主流道示意图主流道示意图2.3.2浇口设计综合考虑塑件的结构复杂程度、原材料的性能，将箱壳的浇口设在中间，采用直接胶口形式能够有效缩短塑料熔体的流程，熔体的压力损失小，且料流变向少，不会产生明显的熔接痕，能够有效避免采用侧边进胶引起的进胶不均匀，有效防止出现翘曲变形。同时在胶口正对位置加工冷料穴，防止冷料进入型腔，影响制品质量。2.4合模导向和定位机构的设计2.4.1导柱和导套导柱和导套是成对相配合的，一般呈圆柱形，分别安装在两个半模上，用以确定动、定模的相对位置，保证模具运动导向精确。本模具导柱导套的定位和摆放如图4所示，导柱设4根，对称放置，导柱的工作部分长度应比箱壳型芯端面高出8 mm，导柱长度为 376 mm，直径为 60 mm，导套长度为90 mm，外直径为80 mm；导柱、导套应有较高的硬度和耐磨性，设计采用碳素工具钢T10A经淬火处理，硬度达50 HRC以上。图图4 4导柱和导套示意图导柱和导套示意图2.4.2复位机构箱壳采用弹簧复位，选用弹簧直径为30 mm，没入下模板深度为30 mm，弹簧孔的直径应大于弹簧直径2 mm。44第1期2.5冷却系统设计在注射成型过程中，模具不仅是塑料熔体的成型设备，还起着热交换器的作用，不同塑料的性能和成型工艺要求不同，对模具温度的要求也不同，对于要求模温超过80 的塑料以及大型注射模具，均需要设置加热装置；而对于要求较低模温的塑料，仅需设置模具的冷却系统即可9。箱壳采用PP，最佳模具温度4080，因此无需设计加热系统。箱壳凹模选择外接直通式冷却，用水管接头和橡胶管将模内管道连接成单路或多路循环；箱壳的型芯比较浅，直接将平面冷却回路设在型芯下部；型芯、型腔冷却水路直径d=12 mm，冷却水流速为4.33 m/s。2.6脱模推出机构设计因为箱壳的内部精度要求高，不是平面，且分型面位于底部，所以顶针不能设置在箱壳内部。因此推出机构只能设计在顶边上，但底边的宽度很小，如采用小直径的顶针，则可能会出现顶白现象，所以选用顶块顶出，顶块设计在动模一侧，以便于开模时驱动脱模装置，完成脱模；在箱壳一边凸出部位设计一个斜顶，更有利于脱模。为了避免推出时因为受力不平衡导致产品变形，设计8个均匀分布的顶块，采用直顶方式，顶块尺寸为230 mm30 mm42 mm，材料NAK80表面氮化；推杆应具有足够的强度和耐磨性，选用T8碳素工具钢，硬度50 HRC以上，表面粗糙度为0.8 m；脱模斜度为10，如图5所示。图图5 5脱模机构示意图脱模机构示意图2.7模架及材料的选择根据模仁的大小和进胶方式，综合考虑到模具的合理性、安全性和简化性，本文选择龙记（KM）大水口 CH 系列的模架6，编号为 CH-6085A-180、B-170、C-150，上模板材质为宝钢 718H，下模板为宝钢P20，方铁、底板、顶针面板和顶针底板材质均为 S50C。为保证模具强度和使用安全性，分别设计撑头、垃圾钉和锁模机构。综上所述，可得全套模具的结构，前模结构视图如图6所示，后模结构视图如图7所示。图图6 6前模结构视图前模结构视图图图7 7后模结构视图后模结构视图3注塑机选用与校核注塑机的选用要兼顾模具的外形尺寸、注射量、锁模力、开模行程，根据箱壳塑件的尺寸、密度和质量，综合考虑成型时的安全性和可靠性，选择SZ-160/1000型注塑机10，详细参数如表1所示。表表1 1注塑机参数注塑机参数参数项注射容量/（cm3/g）螺杆直径/mm注射压力/MPa保压压力/MPa注射速率/（g/s）最大锁模力/kN螺杆转速/（r/min）注射时间/s保压时间/s冷却时间/s喷嘴温度/拉杆内间距/mm恒温/数值1604015030105100002206.51.52.245130034534548结合所设计的模具，进一步校核注塑机锁模力、最大注射压力、合模力和开模行程，所选用的杨开怀：拉杆箱箱壳注塑模具设计452023年1月机电技术机电技术SZ-160/1000型注塑机与所设计的模具完全匹配，符合生产要求。4模具设计创新点综上所述，所设计的模具结构简单，生产过程中无需人为切断，生产速率快，自动化程度高，能够有效地降低人工成本；模具制造过程简单，制件外观好，使用寿命长，适合企业大批量生产。该模具的设计创新点有：1）采用制品全在动模内成型的分型面设计，有效提高了制品成型质量。2）在胶口正对位置设计了冷料穴，能够有效防止冷料进入型腔，提高制品质量。3）设计了8个均匀分布的顶块和一个斜顶的脱模机构。4）在型腔周围设计排气槽，利用分型面、推杆活动间隙、型芯镶件间隙进行排气，既减少了模具加工成本，又可以保证塑件质量。5结束语针对拉杆箱的外观、工艺和性能需求，在分析拉杆箱外壳三维结构和材质的基础上，根据产品的结构特点和注塑成型性，设计采用箱壳全部在动模内成型的分型面，并基于一模一腔的模具结构，对箱壳全套模具的主流道和浇口、导柱和导套、复位机构、冷却系统、脱模推出机构进行重构和设计，并据此选用龙记（KM）大水口CH系列的模架及材料，最后选择并校核了注塑机。经验证，该模具结构合理，各部件运动顺畅可靠，注塑效果良好，产品成型质量好。参考文献：1 SINGH G，VERMA A.A brief review on injection moulding manufacturing processJ.Materials Today：Proceedings，2017，4（2）：1423-1433.2 张田荣.薄壁塑件注射成型翘曲变形的工艺优化J.冶金管理，2022（1）：55-57.3 ZHAO J C，WANG G L，ZHANG L，et al.Lightweight and strong fibrillary PTFE reinforced polypropylene composite foams fabricated by foam injection moldingJ.European Polymer Journal，2019，119：22-31.4 屈华昌，吴梦陵.塑料成型工艺与模具设计M.4版.北京：高等教育出版社，2018.5 简发萍，郑得庆，陈小红，等.曲面分型多方位斜向抽芯注塑模设计J.塑料工业，2022，50（1）：94-98.6 中国机械工程学会，中国模具设计大典编委会.中国模具设计大典M.南昌：江西科学技术出版社，2003.7 宋亮，王培安.多模腔卡扣注塑残余应力分析及参数优化J.塑料，2021，50（4）：81-86.8 徐石交.塑料模具浇注系统设计探究J.南方农机，2019，50（11）：131.9 MANUEL M C J，ABELA