馮家明

（寧波奇樂電氣集團(tuán)有限公司）

0 引言

模具設(shè)計(jì)是斷路器領(lǐng)域中生產(chǎn)絕緣零件的基礎(chǔ)，是生產(chǎn)絕緣件必不可少的工藝裝備。在低壓斷路器中，絕緣件是連接載流部件和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主體，是低壓電器用戶保證人生財(cái)產(chǎn)安全的關(guān)鍵元件，絕緣件的模具設(shè)計(jì)水平標(biāo)志著絕緣件生產(chǎn)工藝的先進(jìn)性、合理性以及生產(chǎn)成本的經(jīng)濟(jì)性，它在很大程度上反映了一個(gè)公司的生產(chǎn)技術(shù)水平。絕緣件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)成本等，與絕緣件的模具設(shè)計(jì)和制造有直接關(guān)系。對于中國低壓電器行業(yè)來講，提升模具水平的技術(shù)含量，走向高端，是未來的必然選擇。

1 問題的提出

框架斷路器是低壓電器中最具代表性的產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品為抽屜式結(jié)構(gòu)形式，是由斷路器主體和抽屜式底座兩部分組成，二次回路作為框架斷路器中控制線路的主要連接部件，對產(chǎn)品的尺寸精度及外觀要求非常高。目前，國內(nèi)各企業(yè)生產(chǎn)的二次回路接線端子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)精密度和外觀質(zhì)量方面還無法和國際上專業(yè)的接線端子生產(chǎn)商（如OMRON）相比，其主要差異在于產(chǎn)品模具的結(jié)構(gòu)和制造精度方面還無法與其相提并論。為了解決二次回路這種高精密模具在結(jié)構(gòu)合理性及制造精度方面的問題，寧波奇樂電氣集團(tuán)有限公司通過和Schneider、SIEMENS、GE等跨國企業(yè)多年合作類似高精密模具以及結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品配套生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套專業(yè)生產(chǎn)絕緣產(chǎn)品的新型高精密模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2 產(chǎn)品成型工藝分析

2.1 二次回路產(chǎn)品的工藝分析

（1）產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸分析

該二次回路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，尺寸繁多。尺寸的大小受制于塑料的流動性和塑料熔體在流動充填過程中所受到的結(jié)構(gòu)阻力等因素。

圖1 二次回路三維模型

（2）產(chǎn)品的表面質(zhì)量分析

二次回路產(chǎn)品為框架斷路器的外觀件，要求外表美觀無斑點(diǎn)、無熔接痕，表面粗糙度可取Ra1.6。

模具型腔的表面粗糙度通常應(yīng)比塑件對應(yīng)部位的表面粗糙度在數(shù)值上要低1～2級。

（3）產(chǎn)品的脫模斜度確定

根據(jù)產(chǎn)品使用要求以及工藝要求，以及結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，該結(jié)構(gòu)二次回路脫模斜度確定為：型芯45′，型腔30′。

3 型腔布局與分型面的設(shè)計(jì)

3.1 型腔數(shù)目的確定

型腔數(shù)目的確定應(yīng)根據(jù)塑件的幾何形狀及尺寸、質(zhì)量、批量大小、交貨長短、注射能力、模具成本等要求來綜合考慮。

1）根據(jù)準(zhǔn)備使用的注射機(jī)的額定鎖模力F的要求來確定型腔數(shù)目n，即

式中，F(xiàn)為注射機(jī)額定鎖模力，N；P為型腔內(nèi)塑料熔體的平均壓力，MPa；A1、A2分別為澆注系統(tǒng)和單個(gè)塑件在模具分型面上的投影面積，cm2。

則根據(jù)上述公式估算

2）根據(jù)模具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，該產(chǎn)品需采用四面滑塊抽芯，其模具結(jié)構(gòu)如果按多腔模具來制作的話較為復(fù)雜，且模具制造成本較高。

按上述條件綜合考慮，本模具設(shè)計(jì)采用一模一腔結(jié)構(gòu)。

3.2 型腔的布局

因?yàn)樵撃＞邽橐荒Ｒ磺唬瑒t型腔就置于模具中間。

3.3 分型面的設(shè)計(jì)

分型面位置選擇的總體原則是能保證塑件的質(zhì)量、便于塑件脫模及簡化模具的結(jié)構(gòu)，分型面受到塑件在模具中的成型位置、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、塑件的結(jié)構(gòu)工藝性及精度、嵌件位置形狀以及推出方法、模具的制造、排氣、操作工藝等多種因素的影響。

結(jié)合二次回路的實(shí)際結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品質(zhì)量要求，確定分型面采用階梯分型結(jié)構(gòu)，這樣可使填充型腔的塑料熔體料流末端在分型面上，有利于排氣，同時(shí)可使型腔的深度最淺，便于脫模，更有利于產(chǎn)品外觀質(zhì)量。

本模具的分型面如圖2所示。

圖2 分型面示意圖

4 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 主流道設(shè)計(jì)

主流道是一端與注射機(jī)噴嘴相接觸，可看作是噴嘴的通道在模具中的延續(xù)，另一端與分流道相連的一段帶有錐度的流動通道。形狀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主流道結(jié)構(gòu)尺寸圖

1）主流道設(shè)計(jì)成圓錐形，其錐角可取2°～6°，流道壁表面粗糙度取Ra=0.63μm，且加工時(shí)應(yīng)沿道軸向拋光。

2）主流道如端凹坑球面半徑R2比注射機(jī)的、噴嘴球半徑R1大1～2mm；球面凹坑深度3～5mm；主流道始端入口直徑d比注射機(jī)的噴嘴孔直徑大0.5～1mm。

3）主流道末端呈圓無須過渡，圓角半徑r=1～3mm。

4）主流道長度L以小于60mm為佳，不過該制件形狀特殊，長度較長。

主流道開設(shè)在可拆卸的主流道襯套上；其材料常用T8A，熱處理淬火后硬度53～57HRC。

4.2 分流道設(shè)計(jì)

為了方便加工以及凝料脫落，分流道多數(shù)設(shè)在分型面上，分流道截面形狀一般為圓形、梯形、半圓形或矩形，半圓形截面分流道加工方便，表面積小，熱量散失小，阻力小，所以本模具選用半圓形截面分流道。如圖4所示。

圖4 分流道結(jié)構(gòu)尺寸圖

分流道盡可能短，且少彎折，便于注射成型過程中最經(jīng)濟(jì)地使用原料和注射機(jī)的能耗，減少壓力損失和熱量損失。所以本模具將分流道設(shè)計(jì)成兩條直線型的。

分流道的截面尺寸根據(jù)產(chǎn)品所用材料、重量、壁厚由實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定D=10mm。

分流道在分型面上的布置有多種不同的形式，但應(yīng)遵循兩方面原則：即一方面排列緊湊、縮小模具板面尺寸；另一方面流程盡量短、鎖模力力求平衡。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本模具的流道布置形式如圖5所示。

圖5 分流道位置圖

4.3 澆口的選用

（1）澆口形狀的確認(rèn)

澆口是流道系統(tǒng)和型腔之間的通道，本模具采用半圓形澆口。半圓形澆口是側(cè)翼澆口的流線型變體。半圓形澆口能使物料更均勻地注入模腔，因此它通常用于平面度要求很高和不能有流線痕的工件。它還使產(chǎn)生澆口皺紋或工件翹曲的可能性減到最低限度。

（2）澆口位置的選擇

模具設(shè)計(jì)時(shí)，澆口的位置及尺寸要求比較嚴(yán)格，初步試模后還需進(jìn)一步修改澆口尺寸，無論采用何種澆口，其開設(shè)位置對塑件成型性能及質(zhì)量影響很大，因此合理選擇澆口的開設(shè)位置是提高質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)澆口位置的不同還影響模具結(jié)構(gòu)。通常膠口位置選擇要考慮以下幾項(xiàng)原則：盡量縮短流動距離；澆口應(yīng)開設(shè)在塑件壁厚最大處；必須盡量減少熔接痕；應(yīng)有利于型腔中氣體排出；避免產(chǎn)生噴射和蠕動；澆口處避免彎曲和受沖擊載荷；注意對外觀質(zhì)量的影響。

總之要使塑件具有良好的性能與外表，一定要認(rèn)真考慮澆口位置的選擇。對二次回路這種精度要求高，產(chǎn)品壁厚很薄的產(chǎn)品，為達(dá)到進(jìn)料平衡，本設(shè)計(jì)采用了多點(diǎn)式的點(diǎn)澆進(jìn)料結(jié)構(gòu)，其澆口長度不超過其直徑，所以脫模后通過推板將澆口自動切斷，不須再修正，且澆口殘痕不明顯，能有效保證產(chǎn)品成型時(shí)的工藝要求。本模具膠口及多點(diǎn)點(diǎn)澆位置如圖6所示。

圖6 膠口位置及多點(diǎn)點(diǎn)澆進(jìn)料位置圖

4.4 排氣的設(shè)計(jì)

排氣槽的作用主要有兩點(diǎn)：一是在注射熔融物料時(shí)，排除模腔內(nèi)的空氣；二是排除物料在加熱過程中產(chǎn)生的各種氣體。越是薄壁制品，越是遠(yuǎn)離澆口的部位，排氣槽的開設(shè)就顯得尤為重要。

適當(dāng)?shù)亻_設(shè)排氣槽可以大大降低注射壓力、注射時(shí)間。保壓時(shí)間以及鎖模壓力，使塑件成型由困難變?yōu)槿菀?，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本和機(jī)器的能量消耗。其設(shè)計(jì)往往主要靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過試模與修模再加以完善，本模具利用模具鑲拼式型芯之間的配合間隙及分型面自然排氣。

5 模具結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

模具結(jié)構(gòu)件包括凹凸模的型芯、鑲塊、抽芯機(jī)構(gòu)等。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)根據(jù)塑料的特性和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及使用要求，確定型腔的總體結(jié)構(gòu)，選擇分型面和澆口位置，確定脫模方式、排氣部位等，然后根據(jù)成型零件的加工、熱處理、裝配等要求進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)構(gòu)零件的工作尺寸，對關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核。

5.1 凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)本二次回路產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征，凹模采用鑲拼組合的方式來設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是：可以使型腔邊緣的材料的性能低于型腔的材料，在用材方面具有一定的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)凹模的鑲拼結(jié)構(gòu)可以通過間隙利于排氣，減少母模熱變形；同時(shí)對型芯和凹模兩部分分別設(shè)置冷卻水路，以便分別控制型芯和凹模的溫度。其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 鑲拼式型芯凹模結(jié)構(gòu)

5.2 凸模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

同凹模同樣原理，因?yàn)槎位芈分忻總€(gè)回路都是有許多小型芯組成的，如采用一體式型芯結(jié)構(gòu)對模具的制造和維修帶來很大困難，同時(shí)不利于排氣，且小型芯的精度要求較高，加工困難，所以本產(chǎn)品凸模同樣采用鑲拼組合的方式來設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 鑲拼式型芯凸模結(jié)構(gòu)

6 行位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品形狀特點(diǎn)，其四面都有抽芯結(jié)構(gòu)，所以模具設(shè)計(jì)時(shí)采用滑塊式的行位結(jié)構(gòu)。

6.1 抽芯距的計(jì)算

根據(jù)公式

式中，S1為側(cè)成型零件成型位置點(diǎn)與不妨礙塑件軸向推出之極限相關(guān)點(diǎn)間的距離，mm，一般情況下，S1就是側(cè)孔深度。

由于四個(gè)面的抽芯距離各不相同，設(shè)計(jì)時(shí)按最大深度抽芯距設(shè)計(jì)，所以S必須大于15mm，取S=16mm，取傾角=15°，則推塊高度h=16×cot(15°)=60mm。

6.2 行位的結(jié)構(gòu)形式

（1）推塊的結(jié)構(gòu)

因推塊的高度和長度尺寸較大，按整體推塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的話滑塊重量太大，容易對模具整體壽命產(chǎn)生影響，所以本產(chǎn)品的模具采用了新的鑲拼式結(jié)構(gòu)的滑塊，該結(jié)構(gòu)具有重量輕、結(jié)構(gòu)靈活，加工方便等特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 鑲拼式滑塊結(jié)構(gòu)

（2）鏟雞的結(jié)構(gòu)

鏟雞與行位配合時(shí)應(yīng)注意的是的配合面要求超過行位高度的2/3，并且用于鏟雞的螺絲應(yīng)盡量大，圖10為兩種不同結(jié)構(gòu)的鏟雞，盡量避免采用圖10b的結(jié)構(gòu)。

圖10 兩種不同結(jié)構(gòu)的鏟雞

（3）行位彈弓長度的確定 彈弓長度應(yīng)保證彈弓空間足夠，防止彈弓失效。 設(shè)定行位行程為M，彈弓總長為L，設(shè)彈簧壓縮40%，行位完全退出后，彈弓仍預(yù)壓10%，則有

彈弓空間為0.6L，但當(dāng)L過小時(shí)，為了防止彈弓失效，往往要加大彈弓長度。

7 模具精度及可靠性設(shè)計(jì)

7.1 定位塊的選用

要保證模具具有高精度，除必要的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)外還需設(shè)置高精度定位塊。定位塊能吸收模具溫度較高時(shí)的模板熱膨冷縮，應(yīng)平行于熱膨脹的方向設(shè)置，則可不受熱膨脹的影響，確保精確的定位。本模具結(jié)構(gòu)因受行位機(jī)構(gòu)寬度的影響，在四周每個(gè)側(cè)面裝配兩個(gè)小型高精度定位塊。其結(jié)構(gòu)如圖11所示。

定位塊選用SKD11材料，其硬度在58°～62°HRC之間。

圖11 高精度定位塊的設(shè)置

7.2 先復(fù)位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證模具閉合時(shí)，頂出系統(tǒng)能回到初始位置，以便開始下一個(gè)循環(huán)，必須設(shè)置復(fù)位裝置，一般模具通常情況下采用彈簧復(fù)位。當(dāng)行位下有頂針、直頂?shù)软敵鰴C(jī)構(gòu)時(shí)，為防止在合模過程中發(fā)生碰撞，損壞模具。

8 結(jié)束語

本二次回路模具結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：采用了鑲拼式型芯結(jié)構(gòu)，使加工精度有明顯提高，同時(shí)降低了模具生產(chǎn)制造的難度；采用了多點(diǎn)點(diǎn)澆進(jìn)料結(jié)構(gòu)，能很好地解決二次回路產(chǎn)品體積大、產(chǎn)品壁薄、外觀要求高等技術(shù)難題。模具設(shè)計(jì)時(shí)的難點(diǎn)在行位抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為避免多次開模的麻煩以及可能影響外觀的情況，采用鑲拼式滑塊抽芯機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)是通過動模的往復(fù)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)抽芯、分型，其優(yōu)點(diǎn)是簡單、方便。

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