任長春，夏宗禹，張穎利，陳 京

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，南京 210023；2. 南京東模機(jī)電制造有限公司，南京 210057)

0 前言

隨著筆記本電腦的普及，人們追求產(chǎn)品性能的同時也對外觀提出了新的要求。對于塑料材質(zhì)筆記本電腦外殼的外觀處理，傳統(tǒng)上一般采用外觀咬花或表面烤漆處理。表面咬花處理也稱表面皮紋或磨砂處理，即在模具型腔表面處理得到所需圖案花紋，塑件注射成型后塑件外觀呈現(xiàn)凹凸的圖案花紋，此工藝得到的塑件外觀圖案單一、塑件無色澤變化，且生產(chǎn)中模具型腔易磨損。塑件表面烤漆處理可以得到漂亮的各種色澤、圖案的外觀，但是塑件需要在注射成型后再次進(jìn)行烤漆處理，勢必延長生產(chǎn)周期及增加成本，并且也會對環(huán)境造成影響。

隨著模內(nèi)裝飾成型工藝的發(fā)展，一種新型模內(nèi)貼膜工藝(in-molding roller，簡稱IMR)得到應(yīng)用。IMR成型工藝是指先將塑件表面需要的圖案印刷在薄膜上成為油墨層，注射成型前將薄膜吸附于模具型腔內(nèi)再進(jìn)行注射成型，塑件冷卻定型后油墨層吸附于塑件表面并與薄膜脫離，塑件表面即增加了一層帶有圖案的透明油墨層。這種技術(shù)能使塑件表面得到烤漆工藝的鏡面效果，顯示出栩栩如生的圖案花紋，并且增加了塑件表面的抗磨損、抗劃傷能力[1]。由于IMR成型工藝的特殊性，相應(yīng)的注塑模具的設(shè)計也與普通注塑模有所不同[2]。本文以筆記本電腦蓋板為例闡述一下采用IMR工藝的注塑模設(shè)計特點(diǎn)。

1 塑件結(jié)構(gòu)工藝分析

圖1所示為筆記本電腦蓋板。由于塑件是筆記本電腦上蓋，作為外觀件要求塑件外表面進(jìn)行IMR成型，外觀質(zhì)量上要求外表面平整、光滑無變形翹曲，絕不允許有飛邊、裂紋、缺料等外觀缺陷；同時作為結(jié)構(gòu)件需要安裝液晶屏幕面板并與筆記本屏幕壓框相配合，因此對塑件尺寸精度要求也較高。塑件結(jié)構(gòu)具體分析如下：

(1)塑件原料為日本帝人公司出品的聚碳酸酯(PC)/25 %滑石粉(Talc)，牌號為Teijin DN-5325B，平均收縮率為0.2 %。此材料具有較好的力學(xué)性能，強(qiáng)度高韌性好，抗沖擊性能強(qiáng)，有較好的尺寸穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是流動性較差，可提高熔體溫度來增加料流的充模能力。因此，模具的澆注系統(tǒng)設(shè)計尤為重要。

(2)塑件為薄壁平板型零件，邊緣有凸起的邊框，基本外形尺寸為346.87 mm×227.43 mm×5.3 mm，平均壁厚約為1.8 mm。塑件外表面為純平板設(shè)計，4個邊緣設(shè)計為圓角過渡，該外表面成型時采用模內(nèi)貼膜工藝進(jìn)行外表面裝飾，如圖1(a)所示。

(3)塑件內(nèi)表面為功能面，需固定液晶屏幕面板及其他電子元件，并與屏幕壓框組裝配合，內(nèi)部有較多的凸起支撐筋位、盲孔、安裝倒扣，如圖1(b)、(c)所示。安裝倒扣為側(cè)向凹凸結(jié)構(gòu)，需要采用側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)；盲孔需采用推管機(jī)構(gòu)進(jìn)行成型與推出。

由此可見，本模具的設(shè)計重點(diǎn)是滿足IMR工藝的需要，薄壁平板件的充型、內(nèi)部多處倒扣結(jié)構(gòu)的側(cè)向成型問題。

(a)塑件外表面 (b)塑件內(nèi)表面 (c)局部放大圖圖1 產(chǎn)品圖Fig.1 Structure of the part

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于塑件外表面采用模內(nèi)貼膜工藝，塑件外表面不能開設(shè)澆口，只能從內(nèi)部進(jìn)膠，因此模具采用動定模倒裝結(jié)構(gòu)，模具凹模型腔為動模部分，模具凸模型芯為定模部分。模具具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如下文所示。

2.1 IMR成型工藝機(jī)構(gòu)設(shè)計

IMR注塑模與普通注塑模相比，主要是需要一套薄膜定位、吸附機(jī)構(gòu)，以保證薄膜圖案在模具型腔內(nèi)的準(zhǔn)確定位并保證薄膜與模具型腔壁的緊密貼合[3]。薄膜定位裝置一般由卷膜機(jī)來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，卷膜機(jī)由專業(yè)廠家生產(chǎn)。薄膜吸附機(jī)構(gòu)則需要在注塑模具上設(shè)計一套薄膜壓緊裝置，并且在模具型腔側(cè)進(jìn)行密封，然后用真空泵通過吸氣管道抽氣，將薄膜緊緊吸附于模具型腔表面。具體設(shè)計如下：

(1)模內(nèi)貼膜工藝注塑模需要在分型面處凸模型芯鑲件外側(cè)增加一個壓緊薄膜的環(huán)形可活動壓板，稱為壓膜框，如圖2所示。壓膜框固定于凹模一側(cè)，并配有頂出與復(fù)位機(jī)構(gòu)等，其作用是在壓膜框頂出時薄膜由卷膜機(jī)卷入定位，注射成型前壓膜框復(fù)位，壓膜框與凹模型腔鑲件壓緊薄膜，保證薄膜定位于凹模型腔內(nèi)表面。

圖2 壓膜框組件Fig.2 The fram for pressed film

圖3 分型面及薄膜吸附機(jī)構(gòu)Fig.3 The mold parting surface and adsorbed film structure

(2)在凹模一側(cè)增加了薄膜吸附機(jī)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)為全周吸氣槽、吸氣針、全周密封圈等，如圖3所示。成型時，真空泵通過吸氣孔、吸氣包、吸氣針、吸氣槽采用抽真空形式將薄膜吸附于凹模型腔表面；為了保證薄膜與模具型腔之間處于真空狀態(tài)，薄膜在壓膜框與凹模型腔鑲件、凹模型腔鑲件與動模板之間采用密封圈密封。本模具的薄膜吸附機(jī)構(gòu)的吸氣管道及密封圈設(shè)計3D圖如圖4所示。由于塑件的外形簡單，可選擇塑件外形最大面為分型面。但是由于IMR工藝的特殊要求，分型面設(shè)置為2段。第一段分型面為型腔到吸氣槽，間隙為與薄膜厚度相當(dāng)；第二段分型面為吸氣槽到壓膜框邊緣，為了便于注射排氣，此處分型面間隙比第一段稍大。

圖4 吸氣管道及密封圈Fig.4 The inspiratory tube and sealing ring

(3)為了保證薄膜傳送的順利，需在壓膜框外側(cè)的定模板、動模板位置加大間隙形成通膜槽，模具外表面增加薄膜定位支架。

2.2 成型零件設(shè)計

由于塑件外形尺寸較大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀也較為復(fù)雜，并且對形狀尺寸精度的要求也較高，因此確定該模具采用單型腔結(jié)構(gòu)。利用3D設(shè)計軟件直接根據(jù)塑料的平均收縮率0.2 %進(jìn)行分析計算，得到模具型腔具體形狀及尺寸。為了節(jié)約貴重的塑料模具專用鋼材及縮短模具制造周期，模具型腔采用整體嵌入式設(shè)計，采用雙側(cè)鎖緊塊固定。由于塑件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有較多的凸起支撐筋位結(jié)構(gòu)，因此凸模型芯部分采用鑲件與小型芯組合形式，便于加工也有利于型腔的排氣。凹模型腔鑲件尺寸為500 mm×350 mm×60 mm，選用420ESR材質(zhì)；凸模型芯鑲件尺寸為450 mm ×360 mm×95 mm，選用NAK80材質(zhì)。因?yàn)榇嬖趬耗た虻脑?，凹模型腔鑲件與凸模型芯鑲件的尺寸并不相同。

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計

由于塑件為淺殼形薄壁大尺寸平板件，為防止塑件翹曲變形，保證其外觀質(zhì)量，正確選擇澆口類型尤為重要。通過對各種澆口的成型分析得出，采用扇形澆口進(jìn)膠是成型塑料平板件最常用的也是效果最好的方式[2]。由于塑件采用IMR成型工藝，凹模型腔部分表面覆膜，因此凹模部分不能開設(shè)澆注系統(tǒng)流道和澆口，澆口設(shè)計只能考慮從塑件的側(cè)面或塑件的內(nèi)部進(jìn)膠。因此，扇形澆口進(jìn)膠有兩個進(jìn)膠位置選擇。一種是側(cè)邊進(jìn)膠方式，由于塑件尺寸較大采用單型腔結(jié)構(gòu)，采用側(cè)邊進(jìn)膠方式將使得澆口偏置在模具一側(cè)，模具結(jié)構(gòu)中心與模具受力中心不一致可能造成模具磨損加大和出現(xiàn)塑件壁厚不均的情況[3]。若采用中間進(jìn)膠方式，澆口與塑件表面垂直，易產(chǎn)生沖墨問題，且中間澆口滑塊冷卻水易滲漏，故以側(cè)邊扇形澆口進(jìn)膠為優(yōu)選選擇[4]。

由于該塑件尺寸較大，為了降低充型阻力，減小注塑壓力及模具受力不均勻?qū)δ＞叩哪p，該模具的澆注系統(tǒng)采用熱流道設(shè)計。綜合以上分析，為保證塑件成型質(zhì)量，提升模具壽命，本模具采用熱流道側(cè)邊扇形澆口進(jìn)膠方式。

(1)熱流道系統(tǒng)設(shè)計。由于選擇側(cè)邊進(jìn)膠方式，出現(xiàn)了澆口偏置的情況。為了減少溫度、壓力損失，減小澆口偏置對模具受力不均的影響，采用中心進(jìn)料熱流道偏置設(shè)計，將主流道位置設(shè)計在模具結(jié)構(gòu)中心位置，通過熱流道分流道板對熱噴嘴進(jìn)行位置調(diào)整，加熱式噴嘴延伸至澆口位置，如圖5所示。

圖5 熱流道示意圖Fig.5 The hot runner

(2)澆口設(shè)計。扇形澆口是側(cè)澆口的一種變異類型，其進(jìn)膠特點(diǎn)是寬度逐漸變大，深度由深變淺，料流的流向具有擴(kuò)展性，塑料熔體進(jìn)入型腔后橫向流動得到均勻分配，避免了料流取向，降低塑件的內(nèi)應(yīng)力，減少塑件的變形翹曲。由于塑件設(shè)計為倒裝式側(cè)邊扇形澆口進(jìn)膠，為了防止沖墨現(xiàn)象，在流道中增加了2個緩沖臺階；澆口尺寸為寬度120 mm，深度1.2 mm。由于扇形澆口流道從熱噴嘴到澆口的尺寸變化，澆注系統(tǒng)凝料必須采用側(cè)向抽芯與分型機(jī)構(gòu)才能推出，因此采用側(cè)向斜滑塊成型流道，澆口開設(shè)在斜滑塊上，利用液壓油缸進(jìn)行抽芯驅(qū)動。由于澆口斜滑塊注射成型時承受的壓力較大，除了常規(guī)設(shè)計楔緊塊以外， 在滑塊型芯

上設(shè)計了3個方形定位凸臺與凸模型芯鑲件配合，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 模具澆注系統(tǒng)示意圖Fig.6 The gating system

澆注系統(tǒng)設(shè)計完成后，利用專業(yè)3D模流分析軟件Moldex進(jìn)行模流分析，結(jié)果表明該澆注系統(tǒng)設(shè)計能滿足成型要求。模流分析結(jié)果如圖7所示。

(a)充模時間分析 (b)充模壓力分析圖7 塑件模流分析圖Fig.7 Modal flow analysis diagram of plastic part

2.4 側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計

由圖1可知，該筆記本電腦蓋板內(nèi)部有較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，特別是有多處安裝倒扣用于與其他零件的安裝配合。由于塑件為框體結(jié)構(gòu)，外側(cè)有凸起的邊框，因此這些安裝倒扣均需內(nèi)側(cè)抽芯成型。這些眾多的安裝倒扣另一個特點(diǎn)是凹凸尺寸較小，抽芯距較短，因此特別適宜采用斜頂抽芯機(jī)構(gòu)[5-7]。由于倒扣數(shù)量較多，可將彼此接近且抽芯方向一致的倒扣設(shè)計為一個斜頂，以減小斜頂數(shù)量，簡化模具結(jié)構(gòu)。通過側(cè)向型芯的合并，斜頂設(shè)計為30根，具體斜頂側(cè)向成型與抽芯方向如圖8所示，圖中剖面線部位為斜頂，箭頭為抽芯方向。

圖8 斜頂布局圖Fig.8 Layout plan of slanted ejector pin

圖9 斜頂Fig.9 The slanted ejector pin

由于模具中設(shè)計的斜頂數(shù)量多、抽芯距較短，如全部采用斜頂座驅(qū)動推出則推桿固定板上沒有足夠安裝空間，因此斜頂?shù)耐瞥霾捎眯表斉c斜頂推桿通過T型導(dǎo)滑槽方式進(jìn)行連接。根據(jù)斜頂?shù)某叽绱笮?，?dǎo)滑槽可開設(shè)在斜頂上，也可開設(shè)斜頂推桿上，具體設(shè)計如圖9所示。由于斜頂?shù)耐瞥鼍嚯x相同，而斜頂成型的部位抽芯距不同，在設(shè)計斜頂傾斜角時在滿足斜頂抽芯不對模具結(jié)構(gòu)干涉的情況下盡量選小值。同時，為了簡化斜頂加工，斜頂?shù)膬A斜角根據(jù)抽芯距的長短統(tǒng)一取4 °或7 ° 2種規(guī)格。

2.5 推出機(jī)構(gòu)設(shè)計

由上可知，該模具設(shè)計有較多數(shù)量的斜頂，斜頂有側(cè)向成型的作用，在斜頂推出時對塑件進(jìn)行側(cè)向抽芯的同時也對塑件有推出作用。但是，由于該塑件為薄壁框形結(jié)構(gòu)，塑件的內(nèi)部復(fù)雜，除了倒扣位置外還有一些由凸條組成的支撐筋位以及盲孔，因此還需要設(shè)計其他的專用推出機(jī)構(gòu)進(jìn)行塑件推出。

由于塑件為薄壁件，有些位置還有較深的支撐筋位，不便于采用圓形推桿推出。因此，我們利用塑件支撐筋位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用方形推桿來推出塑件。方形推桿的底部仍為圓形，只是在接近型腔處改為與塑件筋位相適應(yīng)的方形結(jié)構(gòu)，根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們設(shè)計8根方形推桿。由于塑件上有10個用于安裝的盲孔，為了保證盲孔的成型與塑件的推出，在盲孔位置設(shè)計推管推出，共設(shè)置10根。該模具的推出機(jī)構(gòu)設(shè)計如圖10所示。由于模具側(cè)向成型安裝倒扣時設(shè)計有30只斜頂，為了精確控制斜頂?shù)耐瞥鼍嚯x，根據(jù)計算，保證塑件推出和斜頂側(cè)向抽芯的需要，確定推出距離后在推桿固定板上安裝限位塊；由于模具采用倒裝結(jié)構(gòu)，推出機(jī)構(gòu)的推出和復(fù)位采用液壓油缸驅(qū)動。

圖10 推出機(jī)構(gòu)示意圖Fig.10 Ejection structure

2.6 排氣系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)設(shè)計

由于采用IMR工藝，該模具凹模型腔部位覆膜，型腔排氣通道只能考慮在凸模一側(cè)。凸模型芯部位鑲件與小型芯之間留有的空隙可以排氣。凸模部分還采用了數(shù)量較多的斜頂、方頂、推管等活動零件，凸模型芯側(cè)邊還有一個澆口斜滑塊，這些活動零件之間也會留有空隙可以排氣。但是，由于塑件為平板零件，根據(jù)模流分析結(jié)果，仍需在最后充模位置設(shè)置排氣塊，具體設(shè)計如圖11所示。

圖11 排氣塊設(shè)計Fig.11 Design of exhaust block

模具的冷卻水道的設(shè)置應(yīng)使塑件的冷卻速度均勻，避免塑件在冷卻過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。由于凹模型腔結(jié)構(gòu)比較簡單，動模部位設(shè)計直徑Φ10 mm的橫向平行冷卻水道12根，縱向設(shè)置4根冷卻水道；定模部位由于有斜頂、方頂、推管等推出機(jī)構(gòu)零件，在模腔內(nèi)側(cè)設(shè)置7根直徑Φ8 mm的縱向及橫向平行冷卻水道；為了加強(qiáng)澆口斜滑塊部分的冷卻，也特別在澆口斜滑塊內(nèi)開設(shè)了一根直徑Φ8 mm冷卻水道。在熱噴嘴部分，也設(shè)有一組冷卻水道。具體冷卻水道設(shè)計如圖12所示。由于模具上斜頂、方頂、推管等零件較多，在設(shè)計冷卻水道時注意避開。

圖12 冷卻水道Fig.12 Cooling systems

3 模具整體結(jié)構(gòu)及工作過程

模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖13所示。由于塑件從內(nèi)部進(jìn)膠，模具采用動定模倒裝結(jié)構(gòu)，澆注系統(tǒng)與推出機(jī)構(gòu)同側(cè)，推出機(jī)構(gòu)利用液壓油缸推出塑件。因?yàn)椴捎肐MR工藝，模具設(shè)計有相應(yīng)的壓膜框及壓膜框頂出與復(fù)位機(jī)構(gòu)，因此在動模一側(cè)增加有壓膜框頂板、 壓膜框復(fù)位彈簧、導(dǎo)向桿等零件。

模具的工作原理為：模具閉合后，薄膜由凹模型腔鑲件32、密封圈、壓膜框21固定密封，真空泵通過吸氣通道、全周吸氣槽等將薄膜吸附在凹模型腔內(nèi)，熔融塑料通過熱流道分流板5直接從熱噴嘴8中進(jìn)入扇形澆口后注入模具型腔，待保壓冷卻后，注射機(jī)開模帶動動模部分向后移動打開分型面，熱噴嘴8與澆口凝料脫離，薄膜與塑件脫離，油墨轉(zhuǎn)印在塑件表面，塑件留在凸模型芯鑲件31上。隨著動定模分型，注塑機(jī)頂桿推動壓膜框頂出板36、壓膜框?qū)驐U17、壓膜框21向前移動，此時薄膜通過傳送機(jī)構(gòu)進(jìn)行移動，把新膜移動到凹模型腔位置；注塑機(jī)頂桿回位，壓膜框?qū)驐U17上的復(fù)位彈簧18帶動壓膜框21、壓膜框頂出板36復(fù)位，薄膜被壓緊。在薄膜移動定位的同時，斜滑塊液壓油缸11帶動滑塊座14、斜滑塊型芯15側(cè)向移動分型；然后推出液壓油缸24帶動推板6及推桿固定板7向前運(yùn)動。在推出的過程中，斜頂30在推出塑件的同時進(jìn)行側(cè)向抽芯，推管22及方形推桿23也一起向前運(yùn)動推出塑件及澆口凝料。產(chǎn)品脫模后，在推出液壓油缸24的驅(qū)動下推出機(jī)構(gòu)復(fù)位；側(cè)滑塊在液壓油缸11的作用下復(fù)位。隨后，注塑機(jī)帶動動模部分合模，待動定模完全閉合鎖模后，將會開始下一次注射過程。

1—隔熱板 2—定位圈 3—定模座板 4—熱流道板 5—熱流道分流板 6—推板 7—推桿固定板 8—熱噴嘴 9—限位塊 10—耐磨塊 11—斜滑塊液壓油缸 12—楔緊塊 13—耐磨塊 14—滑塊座 15—斜滑塊型芯 16—動模座板 17—壓膜框?qū)驐U 18—復(fù)位彈簧 19—壓膜框?qū)驐U導(dǎo)套 20—直身鎖 21—壓膜框 22—推管 23—方形推桿 24—推出液壓油缸 25—澆口套 26—熱流道導(dǎo)柱 27—墊塊 28—斜頂推桿 29—熱流道導(dǎo)套 30—斜頂 31—凸模型芯鑲件 32—凹模型腔鑲件 33—墊塊 34—壓膜框頂出板導(dǎo)柱 35—壓膜框頂出板導(dǎo)套 36—壓膜框頂出板 37—支承柱 38—動模板 39—鎖緊塊 40—定模板 41—推板導(dǎo)柱 42—推板導(dǎo)套 43—支承柱 44—墊板 圖13 模具結(jié)構(gòu)圖Fig.13 Structure of the mould

4 結(jié)論

(1)采用IMR成型工藝的注塑模需要設(shè)計一套薄膜定位與吸附裝置，以保證印有圖案的薄膜準(zhǔn)確吸附于凹模型腔內(nèi)側(cè)；

(2)采用扇形澆口側(cè)面進(jìn)膠能有效保證平板塑件的成型質(zhì)量，采用熱流道澆注系統(tǒng)能夠減小塑料熔體壓力、溫度損失，提高了塑件成型質(zhì)量；

(3)采用斜頂可以成型塑件內(nèi)側(cè)大量小抽芯距的倒扣成型，斜頂在側(cè)向成型的同時可以用于塑件的推出；

(4)該IMR注塑模具的設(shè)計可以對采用模內(nèi)貼膜工藝的注塑模具設(shè)計有一定借鑒作用。