注塑模具设计中关于Boss柱的顶出及缩水等问题的解决方法.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 25 日 作者简介：柳剑朝（1979），男，汉族，山东聊城人，本科，中级工程师，研究方向为注塑模具的设计及开发相关工作。-48-注塑模具设计中关于Boss柱的顶出及缩水等问题的解决方法 柳剑朝 柳剑朝 郑州精益达汽车零部件有限公司，河南 郑州 450000 摘要：摘要：为了能够提高注塑模具的设计效果，解决注塑模具设计中的常见问题。主要对注塑模具中 Boss 柱的缩水、顶白、飞边等常见问题从产品设计、模具设计、模具加工等不同角度进行分析，并在设计阶段进的注意事项进行详细的分析和讲解，对外观类注塑零件的模具设计、加工和装配起到一定的指导作用，并可以为类似问题的规避提供有益借鉴。关键词：关键词：Boss 柱；防缩槽；司筒针；缩水；火山口 中图分类号：中图分类号：TQ320 0 引言 注塑产品中与Boss柱相关的问题是注塑模具设计中不可忽视的问题，经常会因处理不当导致产品不合格，从而产生大量的改模费用，本文详细讲解 Boss 柱的各类问题和解决方法。1 Boss 柱脱模斜度 脱模斜度过小则会导致司筒针顶出力过大，产生司筒针开裂、Boss 柱高度被顶出力压缩变短或者 Boss柱表面出现脱麻等问题，但是如果脱模斜度过大则会导致 Boss 柱末端壁厚 d 过小影响强度，因此需要保证产品 Boss 柱和周围加强筋有合理的脱模斜度，外径=0.25-0.5；对脱模角度要求通常如下；内径斜度=0.25-0.5周围筋条侧面斜度=0.5，但是也要综合主壁厚 W 大小、Boss 柱根部壁厚 D、Boss 柱末端壁厚 d 和产品表面要求等因素确定具体的脱模斜度值，如图 1 所示。图 1 Boss 柱脱模斜度 2 Boss 柱壁厚 Boss 柱壁厚对模具寿命和产品表面缩水非常重要，当 Boss 柱壁厚小于 1mm 时司筒壁厚过小顶出受力时容易出现开裂问题，当 Boss 柱壁厚超过一定比例时（0.4W），制品表面会出现缩水缺陷，Boss 柱壁厚，在满足加工工艺的同时，要根据螺钉柱的功能及实际位置来设计。3 Boss 柱常见顶出形式 Boss 柱常见顶出形式有以下四种：1）司筒针一次顶出；2）司筒针二次顶出；3）弧形顶块+镶针形式；4）浮动镶针+顶块或者顶针形式；(1)司筒针一次顶出：(a)普通司筒针顶出：对于中小型模具，柱子高度小于 16mm 且司筒针壁厚不小于 1mm 的，一般采用普通司筒针一次顶出即可，但是尽量控制顶出距离不大于40mm；如图 2 所示(b)有托司筒针顶出：当柱子高度达到 20mm 以上时，司筒针顶出力会急剧增大，次数如果司筒针壁厚小于 1mm 时，司筒针容易开裂，则必须采用有托司筒针，增加司筒强度，防止司筒开裂或根部断裂；如图 3 所示 图 2 普通司筒针 图 3 有托司筒针 中国科技期刊数据库 工业 A-49-(c)分体式司筒针：当司筒长度大于 500mm 时，尽量采用分体式司筒以加强司筒针的强度同时也降低正式式司筒的成本，并且尽量通过调整镶套长度来保持所有司筒规格相同便于更换同时也减少备件数量，如 图 4 所示。图 4 分体式司筒针 图 5 司针加强套(d)司针保护套：当司针直径小于 5mm 同时司针长出司筒底部长度大于 15 倍司针直径时，建议采用有托司针或增加司针加强套；如图 5 所示(2)司筒针二次顶出：司筒壁厚一般较薄，顶出距离过大时会因摩擦热过多，一般司筒顶出距离控制在40mm 以内，超出 40mm 较多时，考虑采用二次顶出结构，即把所有司筒都放在一次顶出板上(顶针面板和顶针底板)，Boss 柱顶出后，一次顶出板即停止，其他斜顶顶针等继续二次顶出将产品完全顶出脱模，这样对司筒的寿命有很大的保护作用；2-1 二次顶出有两种形式：(a)下推板式二次顶出（一次顶出板在二次顶出板下部），靠拉拖式拉钩结构由二次顶出板拖动一次顶出板一同运动到一次顶出距离后拉钩脱开，然后二次顶出板继续顶出；如图 6(b)上推板式二次顶出（一次顶出板在二次顶出板下部），靠推动式结构有二次顶出板推着一次顶出板运动到后面板底部后停止，然后二次顶出板继续顶出完成二次顶出动作如图 7。图 6 下推板式二次顶出 图 7 上推板式二次顶出 上推板式二次顶出结构的一次顶出板更靠近产品型腔，所以司筒长度比第一种缩短很多，所以 Boss 柱二次顶出优先选择第二种结构。(3)弧形顶块+镶针形式：中大型模具中司筒针长度过大模具成本较高、司筒针寿命稳定性等较差，此时可以考虑 Boss 柱内针使用普通镶针，采用弧形顶块顶出的形式，如图 8，这种结构的设计要点如下：图 8 弧形顶块+镶针形式(a)顶块到 Boss 柱距离不大于 4mm(b)弧度不小于 120，最好做 180包围(c)胶位以下可以做 15以上大斜度，增加镶针周围强度(d)可以多个 Boss 柱公用一个顶块，也可以一个Boss 柱设计两个顶块（一般不需要）(e)特殊情况下可以顶块与镶针面配合封胶，此时镶针需要做 5插穿斜度;如图 9 图 9 顶块与镶针配合封胶(4)浮动镶针+顶块或顶针形式：此结构不采用司筒针顶出，而是将 Boss 柱内芯做成普通镶针，在顶出开始的 15-25mm 内镶针跟随制品同时向上浮动，从而减小 Boss 柱内外侧板 当制品材料是 ABS、PC+ABS 类型材料时 Boss 柱抱紧力很大，或者司筒壁厚小于 1mm 时司筒壁厚过薄，强度差易断裂时推荐采用这种形式；就是将镶针设计成浮动式，即在开始顶出时镶针随着制品一起向上浮动，这样可以使起初的一段顶出时消除 Boss 柱内侧壁的粘模力，当 Boss 柱全部顶出后镶针停止运动后 Boss柱附近的顶针或顶块将 Boss 柱内壁与镶针脱离，从而中国科技期刊数据库 工业 A-50-达到 Boss 柱顺利脱模的目的；浮动镶针结构相当于二次脱模结构，浮动镶针多时推荐采用二次顶出板；如图 10；图 11；图 12 所示。图 10 图 11 图 12 二次顶出板 二次顶出板 二次顶出板 镶针顶出前 浮动结束状态 Boss 柱顶出状态 浮动镶针少的时候采用弹簧浮动顶出结构。如图 13；图 14；图 15 所示。图 13 图 14 图 15 弹簧浮动 弹簧浮动 弹簧浮动 浮动镶针结构 浮动结束状态 Boss 柱顶出状态 浮动镶针附近顶出，建议对称设计，避免顶高；4 Boss 柱缩水问题 4.1 火山口防缩 Boss 柱缩水的最常用解决方法是 Boss 柱根部设计火山口，而对于不同类型的材料火山口形式和尺寸也不同。火山口设计时如果没有特别大的把握，可以留铁的方式留出 0.3mm 左右的试模调整余量，避免因火山口高度调整而烧焊。(1)不同结晶类型塑料的火山口形式不同：常见塑料一般可以分为结晶类和非结晶类两大类，这样导致两类塑料的 Boss 柱收缩效果完全不同，火山口的形式也不同。(a)结晶类塑料：PP、PE、PET 等塑料为结晶类塑料，结晶类塑料的收缩率偏高，但是在温度-粘度曲线中高弹态阶段的粘度随着温度降低而变化非常不明显，此类型塑料火山口一般设计为加胶型较宽过度段的凹陷型反火山口，（简称：反火山口）；如图：16 所示，下部凸起轮廓为反火山口形状，最大高度位主体壁厚1/3；反火山口形状为大半径球形面为主，球面半径偏大（过度宽度与凸起高度比例 5:1 左右，试模现场可以适当调节加大）周边与主壁厚平滑过渡；因为塑料物性、注塑工艺、产品表面质量对缩水要求等影响因素不同而导致火山口尺寸也会有不同，所以对于物性不是特别熟悉的材料，火山口设计初期以留铁的方向留有一定的余量。图 16 反火山口(b)非结晶类塑料：ABS、PC、ASA、PMMA 等塑料为非结晶类塑料，非结晶类塑料的收缩率偏低，在温度-粘度曲线中高弹态阶段的粘度随着温度降低而变化相对较明显，此类型塑料火山口一般设计为减胶型较窄过度段的凸起型火山口，（简称：正火山口）；如图 17所示，上凹轮廓为正火山口形状，高度为主壁厚 2/5（留有调节余量）正火山口形状为小半径凸台面为主，宽度偏小（主壁厚 1/2 左右，高度 1/2 主壁厚，可以根据试模情况现场调解减铁）周边与主壁厚不可大宽度过渡；正火山口同样需要根据试模情况进行精细化调整，因此正火山口设计要比理论值偏大（留铁）为好。图 17 正火山口 5 顶出滞后导致拉凹问题 当 Boss 柱高度大于 25mm，并且脱模斜度偏小（小中国科技期刊数据库 工业 A-51-于单边 0.5）时，因 Boss 柱内外侧壁的粘模力过大，司筒针顶出时因司筒针强度弱而产生弹性变形或司筒针将 Boss 柱底面压缩变短从而导致 Boss 柱脱模相对滞后，从而对制品产生一定的拉紧力进而在制品表面形成凹陷，看起来和缩水及其相似；这类问题常见的解决方法如下：(1)减短 Boss 柱高度：在空间允许的情况下，可以设计 doghouse（狗窝）防缩结构，以减小 Boss 柱高度，从而减小脱模力，同时也可以解决表面缩水问题；如图 18 所示 图 18 斜顶结构 Boss 柱(2)增加 Boss 柱脱模斜度：壁厚合理的情况下，可以适当加大Boss柱内外侧壁的脱模斜度以减小脱模力(3)辅助顶出与 Boss 柱保持一定距离：适当加大司筒附近顶针或顶块到司筒的距离，给产品一定的弹性变形空间，从而减小司筒顶出滞后产生的影响。(4)司针浮动结构：采用二次顶出结构，将司针和司筒同时顶出直到Boss柱外侧壁与型芯完全脱离后司针停止顶出，然后由司筒将 Boss 柱从司针上顶出，这样两个顶出阶段的粘模力都减半，从而避免司筒顶出力过大产生滞后问题；6 Boss 柱飞边问题 6.1 加工精度产生飞边 Boss 柱的司筒针孔（或镶针孔）的直径加工精度要求较高，原则上不允许用深孔钻直接加工完成，因钻头磨损等原因孔径和位置都会有偏差，因此 Boss 柱封胶段（10-15mm 深度）应采用 CNC 从型腔侧加工以保证精度(1)设计螺纹式 Boss 柱镶件：如果设备精度较低可以采用司 Boss 柱镶件，用小型精度高的机床加工镶件，以保证司筒（或镶针）封胶段精度，出现飞边时可以更换镶件，减小改模难度。Boss 柱镶件一般有以下三种形式：螺纹式镶套、压入式镶套、普通镶块式(2)螺纹式镶套（米思米标准件或司筒厂家订购），材料为 1.2344 淬火，精度高耐磨性好；如图 19 所示；图 19 螺纹式 Boss 柱镶件 镶套设计时头部留有 4mm 左右扳手平面，底部螺牙，中心孔按照司筒直径加工，螺纹一端设计导向倒角保证装司筒时顺畅入孔，镶套孔设计+0.02mm 公差，模具加工完镶套孔和螺牙后将镶套拧入，然后 CNC 加工头部，最后电火花加工 Boss 柱和十字筋的外轮廓形状；如图 20 所示 图 20 螺纹镶套设计及加工过程 镶套需要更换时，可在镶套头部用电焊增加平面特征之后扳手拧出螺纹取出镶套即可(3)压入式 Boss 柱镶件：不用螺纹紧配合，压入模具型芯口部烧焊固定；如图 21 所示 图 21 压入式 Boss 柱镶件 此类型镶套虽然不用加工螺牙避免螺牙加工位置度不良产生安装问题同上可以节省成本，装入前需要在镶套孔口部加工 3mm 左右破口，镶套紧配合装入模具型芯后在破口处烧焊固定，之后再加工顶面和 Boss中国科技期刊数据库 工业 A-52-柱及加强筋的轮廓，底部司筒避空孔需要设计比镶套内孔大单边 1mm 以上，便于更换时顶出；如图 22 图 22 压入式镶套设计及加工过程 普通镶块式：在空间允许的情况下，可以设计普通方形镶件，用螺钉固定；，这类镶件拆装方便，成本低，可以独立零件化加工，更换也方便；如图 23 图 23 Boss 柱镶块 6.2 顶出力过大产生飞边 当 Boss 柱长度较大或周围加强筋多时，Boss 柱底部顶出力过大，会导致塑料被压缩变短，此时因 Boss柱外径比司筒外径大并且 Boss 柱外径有脱模斜度；如图 24，当塑料被压缩时，司筒受力面被压缩变短，司筒以外的一层薄壁不承受司筒的压缩力而保持原长度，这样就在Boss柱末端形成了一个飞边一样的薄层塑料，经常被误认为时飞边；如图 25。图 24 Boss 柱外径大于司筒外径 图 25 司筒压缩导致 Boss 柱飞边 图 26 Boss 柱外径等于司筒外径 此类问题可以将 Boss 柱末端 2mm 长度做成 0脱模斜度，外径与司筒外径完全相同；如图 26，这样当司筒压缩Boss柱末端时便不会产生毛边一样的薄层塑料。对于 Boss 柱高度精度要求较低时可以采用这种方法。7 结束语 总之，在注塑模具设计中 Boss 柱的顶出和缩水问题是经常出现并长期困扰工程师的两个问题，模具设计时需要充分考虑以上各类因素可能产生的制品质量问题，并给予充分的重视，在模具设计初期采取必要的保证方案，以避免因设计产生的顶出不良、缩水和飞边等问题。参考文献 1杨海天.汽车外饰件斜顶痕的解决方法 J.模具工业，2022(6):41-44 2谷达远，尹红灵.某车型保险杠注塑模设计J.模具工业，2020(10):45-48 3杨海天 注塑模具交叉运动斜顶的设计及设计过程中 Excel 的应用 J.模具信息，2022(5):22-48.4 傅莹龙,符立华,叶星辉,等.基于 CAE 技术的汽车转向管柱护罩热流道注塑模具设计J.工程塑料应用,2022,50(11):6.5周纪委等.汽车中控后端盖板气辅注塑模具设计J.工程塑料应用,2023(7):103-109.