电子琴键是电子琴的重要部件，无论是琴键的外观还是内部结构都需精密设计，因此其尺寸稳定性、配合度都需要达到较高的水平。通常电子琴键是用象牙、木材、高分子材料制造。象牙材质的电子琴键质感最好、质量好、精度高，但为了保护野生动物，目前基本不采用此材料。木质和塑料材质的电子琴键质感相差不多，但塑料材质的电子琴键成型效率高、成本低，被广泛应用。塑料材质的电子琴键多采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等材料成型加工，但PC和PMMA透明度高，需要添加填充剂才有利于成型白色电子琴键，因此，目前多采用ABS材料成型[1-2]。本实验选用的电子琴键模型具有侧边卡扣，常规模具设计难以满足正常的脱模需要[3]。因此，需要对其进行模具设计。研究表明，对于有卡扣的模型结构通常采用斜销抽芯，不仅可以起到延迟抽芯的作用，保证塑料制品的正常脱模，而且成型的注塑制品具有较高的尺寸稳定性和表面粗糙度[4]。本实验基于Solidworks软件，在电子琴键模型中采用斜销抽芯结构进行模具设计，以供相同类型注塑件结构设计的参考。1电子琴键结构及工艺性分析1.1电子琴键的结构分析电子琴键的注塑成型制品尺寸为32 mm×112 mm×46 mm。图1为电子琴键的三维图。从图1可以看出，电子琴键型腔长度比较长，一侧带有均布分布的4个圆形小孔，直径为16 mm，并且电子琴键的底部有对称分布小且浅的梯形凸台。考虑圆形小孔都均一分布在塑件的一侧，且抽芯距离较小，为方便电子琴键脱模，选择斜销抽芯机构进行抽芯。通过Solidworks软件测量模型电子琴键厚度，图2为壁厚云图。从图2可以看出，最小壁厚0.84 mm，最大壁厚3 mm，平均壁厚为1.5 mm，属于壁厚不均匀注塑件。根据注塑成型制品尺寸精度规范，将电子琴键选择为MT3级，模具尺寸精度高电子琴键2级，为了成型电子琴键的表面质量更高，设置模具的表面粗糙度高电子琴键2级。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.017.F001图1电子琴键的三维图Fig.1Three-dimensional view of the electronic keyboard10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.017.F002图2电子琴键的壁厚云图Fig.2The wall thickness cloud map of the electronic keyboard1.2电子琴键的工艺分析电子琴键塑件材料为ABS。ABS作为一种热塑性材料，密度为1.04~1.08 g/cm3，基于Solidworks测算产品质量约为16.7 g，玻璃化转变温度为105 ℃，该材料的力学性能和热力学性能较好，硬度高，抗冲击性能好，但吸水性强，易受潮，耐候性差，因此在成型加工前，ABS材料需要进行充分干燥，其水质量分数需要控制在0.3%以下。根据Moldflow软件可知，ABS的工艺参数范围：成型加工温度180~230 ℃，模具温度60~90 ℃，注射压力100~130 MPa，保压压力70~100 MPa，注射速度77~170 r/min。考虑电子琴键本身结构特点和生产成本问题，整体模具设计采用一模两腔斜销抽芯两板式注射模具，浇注系统冷凝料体积根据电子琴键体积的20%计算确定，得到实际注射量为43.7 cm3。根据注射机的使用规范，塑件制品的实际注射量应在注射机的额定注射量的20%~80%，并且需要不低于额定注射量的10%，否则成型塑件制品的质量会严重下降[5]。本实验选择卧式注射机(XS-Z-60)，表1为相关参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.017.T001表1注射机的工艺参数Tab.1Process parameters of injection machine工艺参数数值工艺参数数值理论注射容量/cm360注射行程/mm170螺杆直径/mm38模具最大厚度/mm200注射压力/MPa122模具最小厚度/mm70锁模力/kN500喷嘴圆弧半径/mm12最大开合模行程/mm130喷嘴孔直径/mm42电子琴键成型部件的结构设计2.1电子琴键模型分型面的选择选择位置较好的分型面，不仅可以保证塑件制品能够顺利脱模，还可以保证塑件制品的成型精度和质量要求。根据经验，通常选择塑件界面最大轮廓处作为分型面，图3为电子琴键分型面选取示意图。此处设计不仅不会影响电子琴键的表面质量，也极易处理有可能产生的飞边，同时避免设置过多的镶块，降低电子琴键的生产制造成本。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.017.F003图3分型面选取示意图Fig.3Schematic diagram of parting surface selection2.2电子琴键模具浇注系统的设计电子琴键塑件属于壁厚不均匀注塑成型件，为实现熔体快速充模，需要选择一个最优的浇口位置进浇，故利用Moldflow软件对电子琴键进行浇口匹配性与熔体流动阻力分析。利用Solidworks设计出电子琴键的三维模型，将其导入Moldflow进行网格划分，图4为划分结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.017.F004图4电子琴键的网格划分Fig.4Grid division of electronic keyboard其中，网格纵横比为1.5，低于软件要求的10，网格相应匹配度为98.5%，高于模型分析要求的85%，因此，满足下一步的分析条件。图5为电子琴键的浇口匹配性。从图5可以看出，红色区域为浇口位置最差的区域，蓝色区域代表浇口位置最佳的区域，由此可得最佳浇口位置位于塑件中部偏向键边处。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.017.F005图5电子琴键浇口匹配性Fig.5Electronic keyboard key gate matching图6为熔体流动阻力显示云图。从图6可以看出，越靠近电子琴键短边一侧，流动阻力越大。为了熔体在型腔中可得到更均匀分配，减少遇到的流动阻力，故选择扇形浇口[6]。结合塑件结构以及确定的分型面的位置，故电子琴键模腔设置在模具中央位置的两侧。在浇注系统中，为便于进浇，主流道通常采用圆锥形状，锥角2°～4°，当材料流动性差时，其锥角可在3°～6°内选择，内壁表面粗糙度是0.4 μm[7]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.017.F006图6电子琴键流动阻力显示云图Fig.6Cloud diagram showing the flow resistance of the electronic keyboard考虑ABS材料的流动性较差，故主流道的锥度选择3°，对于内壁表面粗糙度仍设置0.4 μm。由于主流道通常与喷嘴相连接，呈半球形凹坑，大端直径通常为12~14 mm，小端直径为2~6 mm，主流道尺寸控制在60 mm内[8]。根据电子琴键的模型结构以及主流道的设计原则，大端直径设置为12 mm，小端直径设置为3 mm，主流道长度设定为43 mm。为提高ABS的填充速率，选用分流道截面形状为梯形，其中截面直径设置为6 mm，半圆直径为5 mm，图7为电子琴键浇注系统示意图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.017.F007图7电子琴键浇注系统示意图Fig.7Schematic diagram of the electronic keyboard gating system2.3电子琴键模具冷却系统的设计通常塑料熔体在充填保压过程中主要受到模具温度、熔体温度的影响，从而影响塑件制品的质量。因此需要合理设置冷却系统，从而在急热急冷过程中控制塑件的收缩率，增强注塑制品的力学性能，保持尺寸稳定性。在整个注塑成型周期中，占熔体总热量5%的部分通常经过辐射传热或者对流传热逸散到空气中，剩下95%的热量基本是在型腔中通过模板传递[9]。经查阅，单位质量的ABS熔体凝固时所放出的热量为219.87 kJ/kg；冷却水出口温度为30 ℃，冷却水入口温度为25 ℃，根据冷却水的体积流量查询资料可知[10]，当设定冷却通道直径为8 mm，冷却水道总传热面积为0.013 7 m2。由于选用的电子琴键属于小型制件，结合自身特点，故设计冷流道直径为8 mm，冷却水管与型腔距离为12 mm，两相邻水管中心距为35 mm，能够满足冷却要求。图8为电子琴键冷却系统示意图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.017.F008图8电子琴键冷却系统示意图Fig.8Schematic diagram of the electronic keyboard cooling system2.4电子琴键模具侧抽芯机构的设计由电子琴键的模型特征可知，在垂直于分型面方向具有4个侧抽芯特征。由于侧抽芯都位于塑件一侧，同时本次设计采用一模两腔成型电子琴键，因此侧面圆孔在型腔中呈对称分布，故侧型芯结构采用斜导柱和滑块共同作用来抽芯，引用弹簧加以辅助。由通常设计经验可知，抽芯距需要设计超出侧型芯长度2~3 mm，才可以满足成型需要，确保电子琴键能够顺利脱模。由于电子琴键模型侧面厚度为2 mm，同时为避免侧抽芯与模具其他结构产生干涉，故抽芯距离为 7 mm，经查阅模具设计材料，侧抽芯结构的脱模力为0.9 kN，同时配套的斜导柱长度为75 mm，直径为10 mm，倾斜角为15°。经力学性能的校核，斜导柱满足强度和刚度要求。为保证电子琴键在生产过程中不会卡在动模板上，滑块需要滑动平稳，同时没有较大的偏离误差，本次设计采用镶拼式T型槽结构。为防止滑块滑动过度而影响电子琴键的精度，需设计楔紧块来锁紧滑块。图9为抽芯机构示意图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.017.F009图9电子琴键的抽芯机构示意图Fig.9Schematic diagram of the core-pulling mechanism of the electronic keyboard2.5电子琴键模具的顶出机构的设计由于电子琴键属于薄壁塑件制品，因此需要增加顶出机构与塑件的接触面积，以减少集中力，影响最终电子琴键的成型质量。常规顶杆在本次模具设计中难以同时满足自身的刚度要求和与电子琴键的较大的接触面积。故本次设计利用顶杆顶出，既保证挡板的刚度，又可以保障电子琴键的质量。在进行下一次成型前，对于有侧向抽芯结构的模具应当避免顶杆与侧抽芯之间发生干扰，因而需要满足挡板在模具闭模前回到初始状态。3模具的工作原理由于电子琴键模型侧面有圆孔，故需要侧抽芯结构，因此型芯部分采取镶块式组合，可以节省物料，节约成本。由于采用了侧抽芯结构，同时需要避免模具在运动过程中产生干涉，因而需要保证模具开合运动范围合理化以及成型方式的准确化。图10为电子琴键制品及模具结构。电子琴键模型的斜销抽芯注塑模具的开合模过程为：首先在注射机中螺杆通过运动将熔融的ABS物料经由浇口套进入主流道1，经分流道注射到型腔中，经过保压过程后，冷却水经过冷却系统，对电子琴键进行快速冷却，待冷却完成后，支撑板12不动，定模板2与动模板10分离，斜导柱4与滑块5配合运动进行抽芯动作，待运动到定距板8的限制位置，此时成型电子琴键及冷料留存在动模板10一侧；电子琴键制品在推板11与推杆的联合作用下被顶出，通过复位机构进行模具复位，合模完毕从而形成一个周期。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.017.F010图10电子琴键制品及模具结构Fig.10Electronic keyboard product and mold structure1-主流道；2-定模板；3-楔紧块；4-斜导柱；5-滑块；6-螺钉；7-固定块；8-定距板；9-斜导柱；10-动模板；11-推板；12-支撑板；13-顶杆；14-垫块；15-定位圈；16-定模座板；17-电子琴键；18-顶杆；19-固定螺钉；20-固定螺钉；21-固定螺钉；22-推杆图11为电子琴键成品。在生产实践中，该模具生产电子琴键产品的成型周期为15 s，大批量生产后发现，产品无飞边等明显缺陷，符合大规模生产的要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.017.F011图11电子琴键成品图Fig.11The finished image of the electronic keyboard4结论(1)针对电子琴键注塑成型制品，基于Solidworks软件设计了一模两腔斜销抽芯注塑模具的浇注系统、冷却系统、侧抽芯机构、顶出机构。电子琴键的注塑模具结构整体紧凑，抽芯脱模结构运行稳定迅速，不与模具其他结构产生干涉，成型的电子琴键满足高质量的要求。(2)在实际的生产过程中，高质量的电子琴键验证了设计工艺的正确性。模具投产后，塑件产品进行了大批量生产，制品没有出现明显表面缺陷。