許聰艷

（嘉亨家化股份有限公司， 福建 泉州 362005）

0 引 言

蝶結(jié)翻蓋是日化塑料包裝的高標(biāo)準(zhǔn)配件，通過(guò)蝶結(jié)帶連接上、下蓋，上蓋密封針與下蓋出液孔的出入動(dòng)作形成開合蓋功能，塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其在型腔中成型時(shí)為水平打開狀態(tài)，即開蓋狀態(tài)，合蓋動(dòng)作只能脫模后進(jìn)行。塑件采用PP熱塑性材料成型，如在模具中冷卻后再完成針與孔的合蓋動(dòng)作，一是蝶結(jié)帶滯留的內(nèi)應(yīng)力會(huì)降低其有效韌性，影響翻折次數(shù)和彈性功能；二是針與孔過(guò)盈配合形成的密封性及首次開蓋力會(huì)受到影響。為此設(shè)計(jì)了軌道式智能仿形機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)上、下翻蓋在模具內(nèi)自動(dòng)合蓋動(dòng)作，保證成型塑件的密封功能和力學(xué)性能。

1 塑件結(jié)構(gòu)與工藝特點(diǎn)

塑件結(jié)構(gòu)如圖1所示，應(yīng)用于日化塑料包裝類，上、下蓋合上形成一整體蓋，其外形尺寸為φ23.5 mm×30.0 mm，平均壁厚為1.1 mm，質(zhì)量為（3.5±0.3）g。材料采用聚丙烯（PP），收縮率為1.6%，密度為0.91 g/cm3，PP料成型性能及流動(dòng)性好，具有良好的耐應(yīng)力開裂性和較高的彎曲耐疲勞性，質(zhì)輕、韌性好、耐化學(xué)性好，適合日化塑料產(chǎn)品的一體式包裝[1]。

圖1 塑件結(jié)構(gòu)

塑件的主要特點(diǎn)：①上蓋為平面，當(dāng)蓋子朝下，整個(gè)包裝可自然倒立放置，以使瓶?jī)?nèi)殘留液最少，避免浪費(fèi)，上、下蓋通過(guò)蝶結(jié)帶連接成一件式蓋，開合蓋動(dòng)作應(yīng)具有“三響”效果：開蓋（密封針離開出液孔）時(shí)響，翻蓋（上蓋脫離合蓋角度后）時(shí)響，合蓋（密封針進(jìn)入出液孔）時(shí)響；②密封針在上蓋內(nèi)端面向前偏心1.5 mm處，靠近手部更有利于接受物料，密封針針徑為φ（2.95±0.05） mm，高為4.2 mm，設(shè)計(jì)為中空針，要求壁厚均勻，頭部為20°錐形并倒角R0.2 mm，有利于合蓋時(shí)的導(dǎo)向，根部均布4條三角型助力筋條，起加固對(duì)中作用，下蓋外端面對(duì)應(yīng)一錐柱體高臺(tái)，內(nèi)置孔徑φ（2.85±0.05） mm出液孔，入口呈50°角外喇叭導(dǎo)向，要求壁厚均勻，接觸面均自然倒角，與密封針形成有效過(guò)盈量0.1 mm，合蓋后有效配合直線段≥1.2 mm，形成液密級(jí)防漏密封；③下蓋內(nèi)端面凸起一密封圈形成內(nèi)塞造型，外徑為φ14.9 mm，高為6.4 mm，有效壁厚為0.6 mm，并自帶脫模斜度1.6°及入口導(dǎo)向倒角R3.5 mm，與瓶口內(nèi)徑過(guò)盈配合，起液密級(jí)密封功能。

塑件成型的關(guān)鍵：①下蓋手指開蓋讓位增加一條狀撕裂帶，由4個(gè)斷點(diǎn)點(diǎn)狀連接，形成易撕斷功能，撕裂帶為高4.8 mm、寬度110°的扇形，正中有長(zhǎng)6.0 mm、寬1.1 mm的長(zhǎng)方形窗口，同樣位置在上蓋配合5.5 mm×0.8 mm的凸臺(tái)平扣，合蓋時(shí)兩接觸位置均斜坡導(dǎo)向鎖緊，只有當(dāng)此撕裂帶被人工撕掉才可開蓋，形成起防偽功能的鎖扣；②下蓋內(nèi)徑圓周均布5個(gè)橫向扣位，成型時(shí)屬?gòu)?qiáng)脫模扣位，均自然倒角過(guò)渡，扣位中心起始基準(zhǔn)高度5.0 mm，凸起尺寸為3.2 mm×8.0 mm×0.8 mm，呈三角形，上角與垂直面夾角43°，下角與垂直面夾角22°，配合下蓋內(nèi)徑端面環(huán)布10條豎立導(dǎo)向筋條，尺寸為12.8 mm×0.8 mm×1.5 mm，對(duì)稱筋條之間有效內(nèi)徑為φ（18.6±0.2）mm，與瓶頸直角三角形扣位形成入扣緊固配合，達(dá)到只進(jìn)不出裝配，起防盜作用；③蓋外觀要求勻色亮面，表面光滑不刮手，澆口設(shè)計(jì)在下蓋外端面偏心位置，全熱流道針閥式點(diǎn)澆口進(jìn)澆，保證待成型塑件蝶結(jié)及上蓋進(jìn)澆的均衡，規(guī)避流痕方向，保證成型尺寸精度，減少塑性變形，提高裝配穩(wěn)定性，保證著色均勻，進(jìn)澆點(diǎn)無(wú)殘留不刮手[2]。

2 模具結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝

模具結(jié)構(gòu)要求在型腔中待成型塑件上、下蓋水平展開，其生產(chǎn)需求數(shù)量較大，采用1模32腔布局，縱4（8腔）橫8（4腔）錯(cuò)位排列，平衡式進(jìn)澆系統(tǒng)布局。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)：①模內(nèi)自動(dòng)合蓋機(jī)構(gòu)，即智能機(jī)械手機(jī)構(gòu)；②在機(jī)床上快速更換模具組件結(jié)構(gòu)，即鑲件結(jié)構(gòu)；③模具自動(dòng)化生產(chǎn)配套，即周邊設(shè)備配套。模具結(jié)構(gòu)采用一次分型，同步雙邊抽芯，二次推出，機(jī)械手模內(nèi)合蓋，輔助氣吹，在臥式油電混合注塑機(jī)上生產(chǎn)[3]。

2.1 模具內(nèi)自動(dòng)合蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具內(nèi)自動(dòng)合蓋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)若不符合實(shí)際生產(chǎn)要求，將影響塑件的功能性與模具合蓋機(jī)械手智能機(jī)構(gòu)的合理性，如圖2所示，設(shè)計(jì)要點(diǎn)是采用氣動(dòng)氣缸11為動(dòng)力機(jī)構(gòu)，機(jī)械手機(jī)構(gòu)模擬人工手指關(guān)節(jié)合蓋動(dòng)作軌跡，結(jié)合機(jī)械手的固定與運(yùn)動(dòng)框架，與注塑機(jī)的信號(hào)配合進(jìn)行整套智能設(shè)計(jì)。

圖2 模具內(nèi)自動(dòng)合蓋機(jī)構(gòu)

在模具前后側(cè)各固定1套機(jī)械手機(jī)構(gòu)，對(duì)稱式布置，由固定式和活動(dòng)式兩部分組成：①固定件：由“口”字型4件鋁合金板材為支撐固定框架，上下對(duì)稱的2個(gè)型板為運(yùn)動(dòng)軌道的支撐板，前端配合有圓周自轉(zhuǎn)孔位，后端內(nèi)側(cè)加工仿形合蓋軌道槽；前后2個(gè)型板為固定支持板，前型板6固定在模具動(dòng)模板10上，為機(jī)械手和模具之間的主要固定板，后型板13與上下對(duì)稱2個(gè)型板螺釘旋緊，起支撐框架固定作用；②活動(dòng)件一：自轉(zhuǎn)型板5連接上下對(duì)稱的2個(gè)型板，上下連接處各安裝1套自轉(zhuǎn)軸芯4，當(dāng)合蓋做翻折動(dòng)作時(shí)，可以隨型配合做自轉(zhuǎn)動(dòng)作，自轉(zhuǎn)型板5正中心固定氣動(dòng)氣缸（含活塞桿）11，另有4套活動(dòng)導(dǎo)桿與滾珠導(dǎo)套3分布在自轉(zhuǎn)型板5上；活動(dòng)件二：機(jī)械手臂固定板7在自轉(zhuǎn)型板5前面，氣動(dòng)氣缸11活塞桿前端固定連接在機(jī)械手臂固定板7正中心，4套活動(dòng)導(dǎo)桿與滾珠導(dǎo)套3穿過(guò)自轉(zhuǎn)型板5，固定在機(jī)械手臂固定板7上，16根自帶合蓋滾柱9的機(jī)械手臂及關(guān)節(jié)8固定其上，當(dāng)氣動(dòng)氣缸11活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，將帶動(dòng)機(jī)械手臂及關(guān)節(jié)8一起動(dòng)作；③活動(dòng)件三：軌跡運(yùn)動(dòng)板1上下端通過(guò)2套軌跡運(yùn)動(dòng)圓柱12配合上下對(duì)稱的2個(gè)型板，沿著軌道做前后合蓋運(yùn)動(dòng)，氣動(dòng)氣缸11活塞桿后端固定連接在軌跡運(yùn)動(dòng)板1上，當(dāng)氣動(dòng)氣缸11活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，將帶動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)板1一起動(dòng)作。

上述設(shè)計(jì)的作用：通過(guò)固定件的“口”字型4個(gè)型板框架作為固定支撐，起到運(yùn)動(dòng)受力時(shí)的支撐作用，活動(dòng)件作為合蓋動(dòng)作的執(zhí)行零部件，起導(dǎo)向與推力作用，實(shí)現(xiàn)軌道直線運(yùn)動(dòng)與合蓋軌跡運(yùn)動(dòng)的作用。工作時(shí)，氣動(dòng)氣缸11活塞桿因氣壓變化作用，在4套活動(dòng)導(dǎo)桿與滾珠導(dǎo)套3的導(dǎo)向作用下，帶動(dòng)與氣動(dòng)氣缸11活塞桿連接的機(jī)械手臂固定板7、軌跡運(yùn)動(dòng)板1配合2套軌跡運(yùn)動(dòng)圓柱12移動(dòng)，其移動(dòng)軌跡將沿上下對(duì)稱的2個(gè)型板中的仿形軌跡槽，最終由機(jī)械手臂及關(guān)節(jié)8上的自帶合蓋滾柱9接觸上蓋，并按合蓋軌跡完成上蓋合蓋動(dòng)作，此時(shí)下蓋留在模具型芯上不動(dòng)，配合合蓋受力作為支撐體。合蓋仿形軌跡見圖2所示，總行程為225.44 mm，分為2段：第1段為直線運(yùn)動(dòng)軌跡，是機(jī)械手臂靠近上蓋前的移動(dòng)距離，為161.36 mm；第2段為仿形人工合蓋動(dòng)作，是綜合力學(xué)軌跡運(yùn)動(dòng)，此軌跡的合理性與精度將決定合蓋動(dòng)作的有效性與精準(zhǔn)度[4]。

此機(jī)械手自動(dòng)合蓋機(jī)構(gòu)的零件采用組合式基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，零件皆可獨(dú)立加工，按基準(zhǔn)組合與精度裝配，屬于模具的附屬獨(dú)立裝置。當(dāng)模具裝上注塑機(jī)后，再單獨(dú)將它們裝機(jī)，固定在模具前后兩側(cè)，可單獨(dú)按模具規(guī)格與要求選擇注塑機(jī)，性價(jià)比高，簡(jiǎn)單有效。

2.2 可更換組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可更換組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3的所示，定制的全不銹鋼模架采用鑲框（非通框）鑲件結(jié)構(gòu)，鑲框主要成型件：定模板6上的型芯16，動(dòng)模板5上的型芯17，型芯互配的分型面自帶4個(gè)邊角高精度自定位，型芯鑲件裝配在模板鑲框中，均采用正面螺釘鎖緊，背面4根φ6.0 mm定位銷導(dǎo)向定位。動(dòng)、定模主分型面上的型芯設(shè)計(jì)為正面組裝結(jié)構(gòu)，動(dòng)模板5與定模板6加工為鑲件框架結(jié)構(gòu)，互配精度為間隙配合，鑲框與型芯裝配精度為單邊間隙0.01 mm，可以實(shí)現(xiàn)在注塑機(jī)上直接安裝與拆卸，實(shí)現(xiàn)快速處理模具突發(fā)狀況，如模具零件更換、易損件應(yīng)急維修、組件正常保養(yǎng)等。1個(gè)型腔采用1個(gè)鑲件，鑲件規(guī)格為130 mm×85 mm，4個(gè)型腔為1組，32個(gè)型腔共計(jì)8組，鑲件與模板應(yīng)設(shè)計(jì)冷卻水路，每組為一冷卻通路，4件鑲件為一串聯(lián)水路單元，模板主水路直徑為φ16 mm，進(jìn)入鑲件水路直徑為φ8 mm，這樣設(shè)計(jì)模具保證了零件加工精度可控且易制造裝配。設(shè)計(jì)前后兩側(cè)機(jī)械手臂為左右合蓋動(dòng)作，縱4橫8排列，每縱8個(gè)型腔高度上錯(cuò)開排列，錯(cuò)開排列的距離設(shè)計(jì)為上下2個(gè)型腔之間距離的一半，即位于2個(gè)型腔之間的中心點(diǎn)，距離為85/2=42.5 mm，遵循左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于模具內(nèi)合蓋兼顧進(jìn)澆的平衡性。

2.3 模具自動(dòng)生產(chǎn)配套設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的模具型腔多且精度要求高，為達(dá)到高產(chǎn)高效長(zhǎng)壽命的標(biāo)準(zhǔn)，采取專機(jī)專模專工藝，配套的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)方案：①采用全針閥式熱流道針點(diǎn)平衡進(jìn)澆系統(tǒng)，最小熱噴嘴外徑為φ10.0 mm，進(jìn)澆口直徑為φ1.0 mm，內(nèi)置氣動(dòng)閥針開關(guān)，控制注射澆口自動(dòng)開合，并可同步冷卻，兼顧進(jìn)澆系統(tǒng)的冷熱平衡，如圖4所示；②采用模具內(nèi)閉環(huán)視頻檢測(cè)系統(tǒng)，動(dòng)模和定模各配套高清攝像頭，24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模具主分型面異常情況，具有即時(shí)停機(jī)報(bào)警功能，保證模具安全生產(chǎn)；③采用失重式自動(dòng)計(jì)量混合中央供料系統(tǒng)，提效降本的同時(shí)能提高供料及配色的比例精度和穩(wěn)定性，采用伺服級(jí)的除濕機(jī)和冰水機(jī)，機(jī)頂增設(shè)封閉式透明防塵罩，在機(jī)床上實(shí)現(xiàn)模具內(nèi)部恒溫恒濕的生產(chǎn)環(huán)境，并配套油電混合伺服注塑機(jī)，電動(dòng)螺桿加液壓鎖模機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。

圖4 針閥式熱流道

3 模具工作過(guò)程

設(shè)計(jì)的蝶結(jié)翻蓋注射模結(jié)構(gòu)如圖5所示，模具外形尺寸為1 000 mm×820 mm×630 mm，加上合蓋機(jī)械手，實(shí)際橫向?qū)挾葹? 830 mm。模具采用一次分型：熱流道注射完成后，針閥開關(guān)10關(guān)閉，注塑機(jī)模板帶動(dòng)模具打開，開模行程到位時(shí)，同步完成上、下蓋的水平抽芯動(dòng)作。成型塑件分2次推出：液壓電機(jī)16先執(zhí)行第1次推出動(dòng)作，成型塑件從下蓋內(nèi)塞型芯18上推出，之后機(jī)械手執(zhí)行模具內(nèi)自動(dòng)合蓋動(dòng)作，隨后推管20推出，下蓋脫離扣位鑲件19，最后由推出套環(huán)21中的氣動(dòng)裝置輔助氣吹塑件，直至成型塑件完全掉出模具[5]，之后所有推出機(jī)構(gòu)復(fù)位，再次合模，一次成型周期完成，生產(chǎn)周期t=（15±1）s，產(chǎn)量達(dá)16.8萬(wàn)/22 h，模具具體工作過(guò)程如下。

圖5 模具結(jié)構(gòu)

（1）熱噴嘴點(diǎn)澆口上的閥針開關(guān)10收到信號(hào)，針閥氣動(dòng)關(guān)閉，待冷卻保壓后模具開模，動(dòng)、定模主分型面打開，成型塑件與點(diǎn)澆口凝料分離，上蓋在推桿（2×φ4.0 mm）作用下推出，離開定模板6的型腔，留在動(dòng)模板5的型腔中，同時(shí)下蓋抽芯滑塊鎖緊塊13帶動(dòng)上蓋抽芯滑塊11完成上蓋凸出鎖扣部位的抽芯，并帶動(dòng)下蓋抽芯滑塊12完成下蓋鎖扣窗口及撕裂帶部位整體的抽芯，即與開模同步，完成上、下蓋的水平抽芯（左右）動(dòng)作。

（2）液壓電機(jī)16驅(qū)動(dòng)組合推板（件1～件4）整體推出，成型塑件隨同扣位鑲件19、推管20、推出套環(huán)21一起推出，推出行程為35 mm，此時(shí)下蓋內(nèi)徑部位脫離下蓋內(nèi)塞型芯18，同時(shí)上蓋脫離動(dòng)模板5的型腔，與主分型面懸空距離為35 mm，適合機(jī)械手操作，等待模具內(nèi)合蓋。

（3）驅(qū)動(dòng)氣缸活塞桿聯(lián)動(dòng)機(jī)械手臂固定板7上的32根延伸手臂及關(guān)節(jié)8，沿水平方向推動(dòng)，機(jī)械手臂上的滾柱9接觸上蓋頂面，模擬人工手指關(guān)節(jié)的翻蓋合蓋動(dòng)作，使水平打開的蓋子逐步完成合蓋，直至完全合上到位，合蓋結(jié)束后氣缸接收信號(hào)氣動(dòng)回退，并作用于機(jī)械手臂上自動(dòng)復(fù)位。

（4）由注塑機(jī)頂桿推動(dòng)推桿17，帶動(dòng)組合推板（件1、2）上的推管20做推出動(dòng)作，使成型塑件被推出扣位鑲件19，并由復(fù)位導(dǎo)桿彈簧15即時(shí)自動(dòng)復(fù)位，同時(shí)推出套環(huán)21上的氣路同步啟動(dòng)輔助吹氣推出，成型塑件被氣吹脫離模具，直至完全掉落。

（5）液壓電機(jī)16驅(qū)動(dòng)組合推板（件1～件4）整體復(fù)位，模具合模，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次注射成型。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用模具內(nèi)自動(dòng)合蓋機(jī)構(gòu)，提高了蝶結(jié)帶使用壽命和開合蓋性能，保證了密封性和首次開蓋力，實(shí)現(xiàn)模具的智能化生產(chǎn)。生產(chǎn)實(shí)踐證明：模具生產(chǎn)工藝合理，工作過(guò)程穩(wěn)定，持續(xù)生產(chǎn)600萬(wàn)模次，模具和成型塑件各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。