南江萍

(西安交通工程學院機械與電氣工程學院，西安 710300)

在智能手機產品研發(fā)和制造過程中，出于產品換代速度快的特點，產品零部件的制造一般多采用更新?lián)Q代的靈活制造策略[1-4]，其優(yōu)點是，針對后代產品的制造，只需在前代產品生產工裝設備的基礎上，進行部分工裝設備的改造或工裝設備中部分部件的改造，即可實現(xiàn)后代產品硬件的快速生產[5-7]。例如，在智能手機外殼注射成型生產中，為適應新品手機快速上市的需要，除了在塑件結構上進行必要的結構改進外，塑件成型模具的制造也采用靈活的制造策略，即前代產品的外殼成型模具只需更換少部分核心成型部件即可實現(xiàn)后代外殼的成型生產。筆者結合某智能手機外殼的生產，設計了一副能適用于前、后兩代智能手機外殼成型的精密注射成型模具。

1 智能手機前、后兩代外殼結構

某智能手機前、后兩代外殼結構如圖1 所示。前代外殼的基本尺寸為112.7 mm×63 mm，后代外殼的基本尺寸為113 mm×60 mm。兩代塑件材料均使用聚碳酸酯(PC)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)合金材料，收縮率為0.45%～0.51%。鑒于裝配的需要，在圖1a 所示的前代外殼結構中，塑件結構相對較為復雜，主要體現(xiàn)為塑件內壁上設置有較多的子特征，包括設置在塑件左、右兩側內壁上的多個倒勾特征，內壁凹槽特征，上、下端內壁上的筋特征及螺絲過孔特征等。塑件本體側壁壁厚0.65 mm，屏幕面壁壁厚0.5 mm。在拔模角度設置中，位于外觀面一側的拔模角度取0.6°，內表面一側的拔模角度取0.4°。在加強筋設置中，其平均壁厚為0.3 mm，高度1.2～1.8 mm，根部的圓角半徑為0.12～0.18 mm，平行加強筋之間的距離控制在1.5 mm 以上。在螺柱設置中，螺柱孔平均壁厚為0.55 mm，螺柱與屏幕面壁底面結合處設置有平均厚度為0.3 mm 的加強筋。塑件尺寸精度要求為MT4 級。以上結構特點是保證前代外殼發(fā)揮其使用功能的基本保證，是塑件需要采用精密注射成型的原因[8-12]，同時也是塑件模具設計的難點。

圖1 智能手機前、后兩代外殼結構

圖1b 所示的后代外殼結構特點為：其外形尺寸與前代塑件相近，結構比前代塑件簡單，上、下端內壁沒有加強筋、螺柱等特征，左、右兩側內壁無倒扣特征，只是左、右兩側外壁上有多處側孔，這些側孔都為簡單側直孔。

在兩代外殼結構中，前代外殼的結構較為復雜，后代外殼的結構相對較為簡單，沒有內壁倒扣等需要實施內側抽芯的特征，因而，兩代外殼的模具可設計成沿用型模具，即后代模具的設計只需更換模腔成型件，并舍棄前代模具的一些內側抽芯機構，這樣可有效提高智能手機新產品的開發(fā)效率。以下著重介紹前代外殼的模具結構設計。

2 成型模腔設計

前代外殼精密模具設計的核心在于合理地設計成型模腔，以及成型模腔成型所需的各分系統(tǒng)。模腔布置如圖2 所示。為保證模腔成型的精密性，對其進行如下設計：

圖2 模腔布置

(1)單個模腔的分型面PL面采用平面分型面，在降低加工難度的同時，也利于排氣間隙的開設。

(2)模腔成型件材料選用0～200 ℃溫度區(qū)間內熱膨脹系數(shù)相對較小的S136 (熱膨脹系數(shù)11.2×10-6K-1)以最大程度保證成型件的成型尺寸精度。S136 的應用特點是耐磨損、耐腐蝕、使用壽命長、熱處理硬度可達HRC50～55，拋光性能好，能保證塑件外觀的高光潔度。為保證成型件強度，模腔四周單邊留40 mm 寬度，型腔一側頂面留45 mm 厚度，型芯一側底面留50 mm 厚度。

(3)為保證型腔鑲件、型芯鑲件復位閉合精度，型腔鑲件、型芯鑲件的四角使用4 個定位錐臺進行定位，且使用兩個小導柱進行導向，以確保型腔鑲件、型芯鑲件復位精度為0.01 mm。

(4)塑件的壁厚相對較薄，為薄壁塑件，模腔充填時，模腔內氣體的充分排出是保證塑件成型尺寸精確的前提，因而型腔鑲件、型芯鑲件都須采取充分排氣措施，型腔鑲件分型線的周圍，必須設置多個排氣間隙，排氣間隙深度為0.01 mm，腔內氣體經引氣槽引出模腔外；在型芯鑲件一側，借助多個頂出件的安裝間隙進行排氣。

(5)采用多點澆注。因塑件壁厚非常薄，料流在模腔內的流動較為困難，為保證模腔得到充分充填，模腔采用均布式6 個澆口進行充填，如圖3 所示，其中，澆口G1和G2為潛伏式澆口，進澆口直徑為0.8 mm；澆口G3～G6為點澆口，進澆口直徑為0.8 mm。為平衡澆口G1和G2與塑件自動分離時的受力，設置了潛伏式澆口G7和G8，以防止G1和G2拉壞塑件。潛伏式澆口G1和G2分別由兩條垂直分流道間接供料，點澆口G3～G6分別由各自對應的垂直分流道直接供料。在各澆口的流道設置中，先由主流道Rz給6 個水平分流道R1～R6供料，再由各水平分流道給各自對應的垂直分流道Rv1～Rv6供料；流道必須排氣，水平分流道R1～R6的末端設置有深度為0.01 mm 的排氣間隙及相應的深度為0.5 mm 的引氣槽。

圖3 澆口設置

(6)使用差異化冷卻方式對模腔進行冷卻，如圖4 所示，型腔鑲件使用C1和C2兩條冷卻水管道進行冷卻，型芯鑲件使用一條冷卻水管道C3進行冷卻，這樣設置可確保型腔鑲件中的外觀面能獲得更為快速的冷卻，先收縮而脫離型腔鑲件成型面，在獲得高光外觀效果的同時，確保內表面后收縮而留于型芯鑲件上；同時，也便于型腔鑲件、型芯鑲件采用不同溫度的冷卻水進行調節(jié)。冷卻水管道使用?10 mm 管道，對于管道C1和C2，其進、出口溫差小于3℃，對于管道C3小于5℃。

圖4 冷卻水管道

(7)為盡可能減小塑件的頂出變形，采用多個頂出元件均衡頂出塑件。鑒于塑件為薄壁塑件的緣故，在頂出時，由于塑件各區(qū)域間的頂出受力不同，塑件上各頂出區(qū)域之間的變形將會產生較大差異，從而導致塑件最終被頂出脫模時產生很大的變形，而造成成型塑件整體尺寸超差，使塑件變成殘次品，因而，在塑件脫模機構設置中，除針對卡勾、側槽等特征設置必要的斜頂頂出機構外，在塑件前、后端內壁區(qū)域，針對筋特征、孔特征等設置了圓頂桿、方頂桿等類型頂出元件，以最大可能減小塑件因局部區(qū)域頂出力差異而造成的變形，如圖5 所示。針對局部區(qū)域，設置了I1～I4等鑲件實施局部抽芯脫模。為減小頂出脫模時塑件在型芯鑲件上的真空吸附力，型芯鑲件中央部位設置了兩處引氣槽，通過對應的排氣間隙將大氣氣壓引入真空區(qū)域以平衡頂出時的真空吸附力。另外，多個頂出機構元件的設置，增加了型芯鑲件一側的排氣間隙，有利于注塑時封閉模腔內氣體的迅速排出。

圖5 脫模機構

(8)為了保證塑件關鍵尺寸的成型精度達到MT4 級，模腔成型件中的型腔鑲件、型芯鑲件、芯部鑲件及斜頂頭等的關鍵尺寸精度應控制在IT5～IT6。

3 模具結構與工作過程

3.1 模具結構

模具結構如圖6 所示[13-15]。模具模腔布局為一模兩腔。模架使用三板模模架，有三次分型打開(開模面P1，P2，P3)。在模具中，包括斜頂10 在內的兩個模腔中的所有斜頂都采用萬能斜頂結構形式，即斜頂10 由桿式斜頂座12 頂出，桿式斜頂座12 的頂端設置有T 型槽，斜頂10 通過其下端的T 型截面導軌安裝在桿式斜頂座12 頂端的T 型槽內，且可以滑動，這樣設置可以在保證斜頂10 的側抽芯行程前提下，有效縮減模具的整體周圍尺寸，節(jié)省成本。由于桿式斜頂座12 頂出時穩(wěn)定性的需要，需要設置黃銅耐磨板11 對其進行導向，黃銅耐磨板11 上開設對應的導向孔與桿式斜頂座12 的圓桿部分的配合為滑動間隙配合，而其頂桿14 等其它頂出元件穿過黃銅耐磨板11 上對應的孔時須采用避空方式穿過。在兩個模腔的成型件中，第一個模腔的成型件包括零件17～19，第二個模腔的成型件包括零件24～26，兩個模腔的成型件都使用獨立形式鑲件，便于成型模腔的修配和更換。為充分保證料流的流動性，澆口套22 使用套環(huán)23 固定在流道板3上，可有效縮短流道長度。

圖6 模具結構

在模具中，其中一個模腔設置的兩個斜導柱滑塊機構為S1和S2，S1用于塑件左側外壁按鍵側孔的側抽芯，S2用于塑件前端內壁的豎直抽芯；對應另一個模腔的兩個斜導柱滑塊機構為S1′和S2′。模架中使用8 個導柱(4 個副導柱、4 個主導柱)進行導向，其中4 個副導柱36 用于增強定模固定板4 和動模固定板6 的導向，4 個主導柱37 用于流道板3、定模固定板4 和動模固定板6 運動的基礎導向。模具的順序開閉使用常規(guī)的控制元件開閉器35、短拉桿38、彈簧39、長拉桿40 進行控制。

3.2 工作過程

模具工作過程為：

(1)注塑。模具閉合，經注塑、保壓、冷卻等過程后，等待開模。

(2)P1面打開。模具動模后退，彈簧39 撐開，模具首先在P1面處打開，打開時，流道廢料與塑件分離。

(3)P2面打開。動模繼續(xù)后退，模具在P2面處打開，流道廢料從流道板3 上脫落。

(4)P3面打開。動模繼續(xù)后退，模具在P3面處打開，塑件從型腔鑲件18，24 中脫出，留于動模一側成型件上；同步地，4 個滑塊機構完成側抽芯動作。

(5)頂出。動模繼續(xù)后退，推板8 被注塑機頂桿頂住，隨著動模的繼續(xù)后退，塑件被斜頂、頂桿等從芯部鑲件19，25 上頂出而完全脫模。

(6)復位閉合。塑件脫模完畢，注塑機動模板推動模具動模按上述過程反向復位，復位后，模具開啟下一注塑循環(huán)。

4 結論

針對智能手機外殼換代的需要，設計了一副能適用于前、后兩代智能手機外殼制造的精密注射成型模具。在成型模腔設計中，成型件選用熱膨脹系數(shù)小、耐磨、拋光性能好的S136 合金鋼，型腔鑲件、型芯鑲件閉合時增加定位錐臺和小導柱增強定位，模架設置主導柱、副導柱兩套導向機構增強定位，模腔流道末端增設排氣間隙，采用多澆口澆注系統(tǒng)以確保模腔獲得充分充填，型腔鑲件加強冷卻以獲得差異性溫度控制，多個頂出元件均衡頂出，以減小塑件的頂出變形，成型件關鍵尺寸制造誤差控制在IT5～IT6 級。