周泳全,姜家吉

(深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息控制與制造系,廣東深圳518029)

0 前言

國(guó)內(nèi)外手機(jī)市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng),不僅體現(xiàn)在手機(jī)的價(jià)格、品質(zhì)和使用功能等方面,也體現(xiàn)在手機(jī)的外觀設(shè)計(jì)方面。各手機(jī)制造商每1～2個(gè)月就可以向市場(chǎng)推出不同外觀設(shè)計(jì)的新款手機(jī),這就要求手機(jī)外殼模具制造商要了解手機(jī)外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì),全力滿足顧客的需求。本文著重介紹一種透明聚碳酸酯(PC)包覆黏合的手機(jī)外殼的雙色反向注塑模具的頂出系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 手機(jī)雙色外殼的注射順序分析

某手機(jī)的雙色外殼結(jié)構(gòu)如圖1(a)、(b)所示,其所有外側(cè)正面是透明PC,內(nèi)部結(jié)構(gòu)的底料是白色PC和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)的共混物,這種工業(yè)造型設(shè)計(jì)使手機(jī)外殼具有鮮明的層次美感。該制件要用雙色注射成型加工,雙色注射成型通常先注射底料(第一射),再注射外層包覆黏合料(第二射),外層包覆黏合料的熔融溫度通常低于底料[1]。然而該手機(jī)雙色外殼的外層包覆黏合料透明 PC的熔融溫度是290～320℃,底料 PC/ABS的熔融溫度是 260～280℃,如果按常規(guī)注射成型,第一射先注射 PC/ABS底料,在第二射時(shí)透明 PC因熔融溫度高于底料 PC/ABS,剛進(jìn)入模具澆口附近的PC熔體,因其溫度仍然很高,將使?jié)部诟浇牡琢螾C/ABS的表層熔融,使其產(chǎn)生外觀可視的底料料花和流痕,嚴(yán)重影響成型塑件品質(zhì),如圖1(c)所示。所以,該零件的雙色成型必須逆向注射,即第一射是外層包覆黏合塑料——透明PC,第二射是底料PC/ABS,這樣才能避免料花和流痕的產(chǎn)生。

圖1 雙色成型的手機(jī)外殼結(jié)構(gòu)及注塑缺陷Fig.1 Structure of the case of two-shot mobile phone and its molding defects

2 雙色反向模具的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

通常在雙色注塑機(jī)的動(dòng)模板轉(zhuǎn)盤上安裝2套模具的動(dòng)模,結(jié)構(gòu)和尺寸完全相同,在注塑機(jī)的靜模板上分別固定安裝2種注塑塑料模具的靜模,雙色注射成型的切換是通過(guò)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。在完成第一射后,成型塑件并不頂出,保留在模具動(dòng)模型腔內(nèi),以便轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)后,實(shí)現(xiàn)第二射成型[2]。此手機(jī)外殼第一射完成后透明PC塑件在開模后仍然保留在動(dòng)模型腔內(nèi),為了能在第二射時(shí)讓PC/ABS底料在透明PC內(nèi)側(cè)充填,開模后其內(nèi)側(cè)必須外露,這樣模具的型芯(凸模)必須安裝在靜模,型腔(凹模)則必須在動(dòng)模,這與常規(guī)的模具結(jié)構(gòu)完全相反,即通常稱為反向模具。雙色反向模具的最大特點(diǎn)是不僅需要在靜模的型芯內(nèi)部設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)和頂出機(jī)構(gòu),還要在第一射模具的動(dòng)模型腔設(shè)計(jì)預(yù)壓頂針機(jī)構(gòu),使第一射的塑件在開模后脫離靜模的型芯,保留在動(dòng)模的型腔。該模具的預(yù)壓頂針機(jī)構(gòu)在第一射開模時(shí),壓緊透明PC塑件,使之不能從動(dòng)模脫模,而第二射開模后塑件脫離動(dòng)模,保留在靜模頂出,第一射和第二射的脫模方向如圖2所示。綜上所述,第一射和第二射模具都需設(shè)計(jì)成反向模具,即模具的頂出系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)全部集中在靜模。

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模流分析

圖2 雙色成型反向模具的脫模方向Fig.2 Demolding direction of two-shot inverse mould

第一射成型外層包覆黏合的透明PC后,無(wú)論其采用何種澆口形式,當(dāng)去除澆口時(shí),勢(shì)必在透明PC塑件表面留下澆口痕跡,影響產(chǎn)品美觀,所以必須設(shè)計(jì)一個(gè)工藝平面作為澆口位置,在產(chǎn)品注射成型后再通過(guò)后續(xù)機(jī)械加工除去工藝平面。圖2所示中間的圓孔被用作工藝平面,其圓心即注射系統(tǒng)點(diǎn)澆口的位置。Moldflow軟件適用于雙色成型的變形模擬分析[3],用Moldflow對(duì)第一射PC和第二射PC/ABS進(jìn)行的厚度診斷分析如圖3所示,第一射透明 PC因壁厚均勻,用圖2所示的點(diǎn)澆口將使其充分充填,變形程度極小。第二射PC/ABS的厚度分布非常不均勻,成型形狀也較復(fù)雜,為使型腔充填均勻,需使用多個(gè)點(diǎn)澆口。經(jīng)Moldflow分析,如采用2個(gè)點(diǎn)澆口,無(wú)論澆口在什么位置,塑件的變形量都超過(guò)了0.55 mm;如采用圖4所示的A、B、C三個(gè)點(diǎn)澆口,則塑件的變形量相對(duì)較小,達(dá)到了0.479 mm,但將B點(diǎn)移動(dòng)到D點(diǎn)時(shí),圖4中D點(diǎn)附近的變形顯著降低,總變形量?jī)H為0.35 mm。所以第二射的點(diǎn)澆口最終確定為圖4中的A、C、D。2套模具最終采用的澆口及冷卻水路方案如圖5所示,選用三板式的雙分型面細(xì)水口模架滿足該澆注方式。

圖3 塑件厚度的Moldflow分析Fig.3 Thickness analysis by Moldflow

2.3 頂出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.3.1 第一射模具的預(yù)壓頂針結(jié)構(gòu)

圖4 第二射變形的Moldflow模流分析Fig.4 Deflection analysis for the second injection by Moldflow

圖5 第一射和第二射的澆口及冷卻水路設(shè)計(jì)Fig.5 Design of gate and cooling runner for the first and second injection

第一射模具預(yù)壓頂針結(jié)構(gòu)的功能是第一射開模時(shí)預(yù)壓頂針壓緊透明 PC塑件,使之不能從動(dòng)模型腔脫模。其具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。在合模后的注射過(guò)程中,注射壓力向預(yù)壓頂針施加壓力,使之壓迫彈簧;當(dāng)成型塑件冷卻及模具開模時(shí),型腔和型芯在分型面開始分離,預(yù)壓頂針在彈簧的作用下始終壓緊塑件,使之保留在動(dòng)模型腔。但當(dāng)型芯相對(duì)頂針的位置從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)時(shí),即型芯孔的臺(tái)階面接觸到頂針軸肩時(shí),型芯帶動(dòng)頂針脫離塑件。

圖6 第一射模具預(yù)壓頂針結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of pre-holding ejector for the first injection mould

2.3.2 第二射模具頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

第二射模具頂出機(jī)構(gòu)的功能是第二射開模后,將塑件從靜模的型芯頂出,所以頂出機(jī)構(gòu)也必須設(shè)計(jì)在靜模系統(tǒng),如圖7所示。在靜模系統(tǒng)中也設(shè)計(jì)了水口板、頂針底板、頂針面板、摩擦開閉器等結(jié)構(gòu)。開模時(shí),塑件粘在靜模型芯,摩擦開閉器依靠摩擦力帶動(dòng)拉桿隨開模方向運(yùn)動(dòng),當(dāng)拉桿的移動(dòng)達(dá)到圖7所示L1距離時(shí),拉桿帶動(dòng)頂針底板和頂針面板一起運(yùn)動(dòng),從而使頂針將塑件從靜模的型芯頂出;當(dāng)頂針底板和頂針面板的移動(dòng)達(dá)到圖7所示L2距離時(shí),拉桿以及頂針底板和頂針面板都被迫停止運(yùn)動(dòng),但開模過(guò)程仍在繼續(xù),所以插入摩擦開閉器錐孔的拉桿前端被強(qiáng)制脫離開閉器,開模結(jié)束時(shí)已經(jīng)完全脫離閉合器。由此可以看出,反向模具的開模過(guò)程即雙色成型塑件的脫模頂出過(guò)程,這與常規(guī)注射成型的工藝過(guò)程是截然不同的。

圖7 第二射模具頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)Fig.7 Design for the ejection system of the second injection mould

2.3.3 脫模力

由于有收縮,塑件對(duì)型芯產(chǎn)生的包緊力非常大,第一射的預(yù)壓頂針機(jī)構(gòu)和第二射的頂出機(jī)構(gòu)都需要產(chǎn)生足夠的脫模力,使塑件脫離型芯。最小脫模力可由式(1)近似確定[4]。

式中P——脫模力,N

E——彈性模量,MPa

Ai——脫模方向上塑件與型芯的總接觸面積,cm2

u——塑件與鋼之間的摩擦因數(shù)

d——以成型塑件在分型面的長(zhǎng)度為周長(zhǎng)的圓的直徑,cm

t——塑件壁厚 ,cm

γ——泊松比

St——塑件沿直徑d方向的熱收縮率

圖6所示的第一射模具的預(yù)壓頂針在彈簧作用下產(chǎn)生脫模力,設(shè)為P1,應(yīng)滿足式(2)。

式中Kj——彈簧的屈強(qiáng)系數(shù),N/mm

Sj——彈簧的壓縮量,mm

n——預(yù)壓頂針的數(shù)量

第一射的塑件是透明PC,預(yù)壓頂針產(chǎn)生的壓痕不能出現(xiàn)在產(chǎn)品任何可視表面,所以預(yù)壓頂針的位置主要分布在分型面的塑件邊緣,但塑件中部即緊貼型腔的中間區(qū)域,如果沒(méi)有任何預(yù)壓頂針,在開模過(guò)程中勢(shì)必會(huì)使塑件中部隨型芯一起移動(dòng),導(dǎo)致塑件變形。為解決這個(gè)矛盾,在塑件兩側(cè)的圓孔就不能直接成型,必須在注射時(shí)形成工藝平面,如圖8所示,2個(gè)預(yù)壓頂針作用在工藝平面上,盡管在工藝平面上產(chǎn)生壓痕,但成型后將通過(guò)機(jī)械加工的方法把工藝平面去除,最終達(dá)到塑件的設(shè)計(jì)要求。

預(yù)壓頂針的數(shù)量應(yīng)盡量少,使模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。如圖8所示,除在塑件中間的工藝平面布置了2個(gè)預(yù)壓頂針之外,還在塑件兩側(cè)的分型面布置了預(yù)壓壓塊,由式(1)、(2)可確定每個(gè)彈簧的最小屈強(qiáng)系數(shù)。

第二射成型是在透明PC塑件內(nèi)部注射PC/ABS,塑件的脫模力設(shè)為P2,其滿足式(3):

式中Fj——1個(gè)開閉器的摩擦力,N

A2i——第二射模具脫模方向上塑件與型芯總的接觸面積,cm2

在第二射模具中共有3個(gè)開閉器,通過(guò)Pro/E或U G可獲得A2j的累積面積,所以理論脫模力可由式(3)計(jì)算,由此選擇相應(yīng)的開閉器的規(guī)格。

圖9是該模具成型的實(shí)際塑件,通過(guò)上述頂出機(jī)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì),成功避免了該塑件透明表面水口或頂出痕跡的出現(xiàn)。

圖8 第一射預(yù)壓頂針的數(shù)量及位置分布Fig.8 Quantity and location of pre-holding ejectors for the first injection mould

圖9 大批量注射成型的高品質(zhì)手機(jī)外殼Fig.9 High quality mobile phone case in mass production

3 結(jié)論

(1)第一射模具的預(yù)壓頂針系統(tǒng)和第二射的靜模頂出系統(tǒng)是該雙色反向模具的主要特點(diǎn),解決了雙色成型過(guò)程中非正常注塑順序?qū)е碌姆聪蚰＞叩脑O(shè)計(jì)問(wèn)題;

(2)利用工藝平面的設(shè)計(jì)解決了澆口位置的選擇和頂針壓痕的問(wèn)題。

[1] Chen S C,Hsu K F,Huang J S.Observation of the Polymer Melt Flowin Injection Molding Process Using Co-injection Molding Technique[J].International Communications in Heat and Mass Transfer,1994,21(4):499-508.

[2] 周泳全,姜家吉,張磊明,等.人機(jī)工程學(xué)鼠標(biāo)底殼雙色模具的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)塑料,2009,23(11):94-97.

[3] 夏建生,竇沙沙.Moldflow/MPI在雙色注塑成型中的應(yīng)用[J].模具工業(yè),2009,(3):12-15.

[4] Dominick V Rosato.Injection Molding Handbook[M].NewYork:Van Nostrand Reinhold,1986:169-170.