丁立剛¹,程國飛¹*,陳賢選²,黃楚杰³,林栩
(1.中山火炬職業(yè)技術學院裝備智造學院,廣東中山528436;2.中山吉銳精密模具科技有限公司,廣東中山528436;3.中山高林美包裝科技有限公司,廣東中山528436)
摘要:通過對汽車后視鏡固定座結(jié)構(gòu)特點及材料性能的分析,擬定該注塑模具的結(jié)構(gòu)方案和設計要點,進而設計一套一模兩腔帶前模斜頂?shù)淖⑺苣>?。設計熱流道與普通流道相結(jié)合的澆注系統(tǒng)、鑲拼式成型零件和精定位機構(gòu),確保模具型腔能夠順利填充成型并實現(xiàn)精確定位;設計斜導柱抽芯與斜頂抽芯相結(jié)合的側(cè)向抽芯機構(gòu),以及推桿和推管相結(jié)合的復合推出機構(gòu),確保塑件能順利抽芯與脫模;此外,還設計立體式冷卻回路,以縮短塑件成型周期。結(jié)果表明:該模具結(jié)構(gòu)合理,動作可靠,可為同類型的注塑模具設計提供參考。
關鍵詞:汽車后視鏡固定座;注塑模具;熱流道;側(cè)向抽芯;斜頂
在塑料制件中,是否存在需設置側(cè)向分型與抽芯機構(gòu)的側(cè)孔、側(cè)凹或側(cè)凸等結(jié)構(gòu)以及該類結(jié)構(gòu)的數(shù)量及側(cè)向抽芯方式,成為衡量塑件成型模具復雜程度的重要特征[1]。按照側(cè)向抽芯動力來源的不同,側(cè)向分型與抽芯機構(gòu)可分為手動抽芯、機動抽芯、液壓或氣動抽芯、彈簧抽芯等。在以上各種動力來源的抽芯機構(gòu)中,以機動抽芯機構(gòu)最為常見,其結(jié)構(gòu)形式包括斜導柱側(cè)向抽芯機構(gòu)、彎銷側(cè)向抽芯機構(gòu)、斜滑塊側(cè)向抽芯機構(gòu)、斜導槽側(cè)向抽芯機構(gòu)、斜頂側(cè)向抽芯機構(gòu)、齒輪齒條側(cè)向抽芯機構(gòu)等[2]。在各種結(jié)構(gòu)形式中,斜頂側(cè)向抽芯機構(gòu)通常用來成型塑件內(nèi)部的側(cè)凹或側(cè)凸,并在模具推出動作引導下實現(xiàn)側(cè)向抽芯,同時也兼顧推出作用,廣泛應用于具有相應結(jié)構(gòu)的塑件中[3]。由于斜頂側(cè)向抽芯機構(gòu)需要借助模具推出機構(gòu)來實現(xiàn)其側(cè)向抽芯動作,因此通常設置在模具的后模部分,并利用推桿固定板與推桿墊板固定、限位、推出及復位[4]。本例塑件的注塑模具涉及斜導柱側(cè)向抽芯機構(gòu)與斜頂側(cè)向抽芯機構(gòu),其中斜導柱側(cè)向抽芯機構(gòu)涉及的部位較多,結(jié)構(gòu)較為復雜;而斜頂側(cè)向抽芯機構(gòu)需要設置在模具的前模部分,故需要在前模部分增設推出機構(gòu),輔助斜頂側(cè)向抽芯機構(gòu)實現(xiàn)相關動作[5],這是本例的最大難點。
1 塑件工藝分析
汽車后視鏡固定座包括左、右兩件,互為對稱結(jié)構(gòu),圖1為其中右件結(jié)構(gòu)。塑件材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)和聚碳酸酯(PC)的混合物(ABS+PC),外形尺寸100mm×21mm×9mm,整體厚度為2.0mm,較厚處達2.5mm。塑件用于固定家用汽車后視鏡,裝配在汽車覆蓋件內(nèi)部;塑件裝配精度和成型質(zhì)量要求較高,表面不允許有明顯的縮孔、縮痕、短射、熔接痕、燒焦等現(xiàn)象。
從圖1可以看出,塑件周邊有3個帶通孔的凸耳A、B、C,凸耳根部與塑件口部之間形成側(cè)凹;外部有1個側(cè)向圓孔柱D,其外部有半環(huán)形凸筋;頂部有1根長圓孔柱J和1根圓孔柱K,其中長圓孔柱J外側(cè)有一搭扣(如“J處局部剖”所示),另外頂部有若干筋板;塑件口部周邊有整圈凹槽(如L處所示),側(cè)面有4個矩形通孔E、F、G、H;塑件內(nèi)部兩端各有1個側(cè)凹孔M、N,另外有兩條長圓柱以及兩個圓柱孔和若干加強筋。塑件呈不規(guī)則形狀,整體結(jié)構(gòu)比較復雜。
2 模具結(jié)構(gòu)設計
綜合汽車后視鏡固定座的結(jié)構(gòu)特點,適宜將其左、右件排布在同一套模具中,即采用一模兩腔的排位布局。由于固定座是汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)件,表面允許存在不影響產(chǎn)品使用性能的推出痕跡,因此為了方便設置外部各側(cè)凹結(jié)構(gòu)的抽芯機構(gòu)以及推出塑件,確定將成型零件設計成倒裝結(jié)構(gòu),即型腔設置在后模以成型塑件外表面,型芯設置在前模以成型塑件內(nèi)表面[6]。在此基礎上,逐一完成成型零件、模具澆注系統(tǒng)、側(cè)抽芯機構(gòu)、推出機構(gòu)和冷卻系統(tǒng)等各部分的設計。
2.1 成型零件設計
塑件口部斷面有一部分成傾斜狀,其分型面形狀應根據(jù)塑件口部形狀向外延拓;塑件兩側(cè)凸耳A、C的分型面將與口部分型面形成階梯,階梯兩側(cè)分別設置3(°)/s的擦穿斜面,頂部分型面與側(cè)面分型面設置圓角過渡,避免合模過程中拐角處容易坍塌[7]。另外,由于塑件前后兩端為非對稱結(jié)構(gòu),且分型面不在同一平面內(nèi),為避免熔體注塑充填過程中產(chǎn)生過大的側(cè)壓力,導致前后模錯位,影響塑件成型質(zhì)量和模具使用壽命,前、后模鑲件4個角落設計互為鎖定的斜面精定位結(jié)構(gòu)(虎口),每處兩個工作側(cè)面均設置5(°)/s的拔模斜度[8]。圖2為經(jīng)處理后的單型腔分型面。模具中,將左、右件兩個型腔的平面分型面設置在同一高度即可。
除了用于完成側(cè)向抽芯的活動零件,其他成型零件均采用鑲拼式結(jié)構(gòu),圖3為成型零件。從圖3a可以看出,對于前模部分,由于塑件口部存在整圈的凹槽,為了方便對塑件凹槽的型芯進行數(shù)控銑削與鉗工拋光,凹槽型芯及其外部設計為整體鑲拼結(jié)構(gòu),即圖3a中前模鑲件;中間部分除了主型芯之外,根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)設置多個小鑲件,以簡化模具加工工藝。從圖3b可以看出,同理,后模型腔設計為整體鑲拼結(jié)構(gòu),根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)特點,在后模鑲件上設置多個小鑲件,以簡化該處的加工工藝。為了確保成型零件的使用性能,前、后模鑲件均選用瑞典一勝百ASSAB標準鋼號718H,該材料無須進行熱處理,無淬裂和熱處理變形風險,可縮短模具制作周期;成型零件施以氮化及表面硬化處理,以增進模具的表面硬度及耐磨性[9]。
2.2 澆注系統(tǒng)設計
模具采用一模兩腔的布局,而每個型腔兩側(cè)均需設置抽芯機構(gòu),型腔間的距離較遠;另外,塑件材料為ABS和PC的混合物,塑料熔體流動性較差。為了縮短流道整體長度,減少型腔內(nèi)塑料熔體的能量消耗和壓力損失,結(jié)合Moldflow模流分析,主流道主要采用熱流道系統(tǒng),并選用開放式熱嘴[10];分流道設置在型腔的平面分型面上,并且在前后模開設,以增加分流道截面,縮短充模時間,提高保壓效果;分流道末端與型腔相連處設計側(cè)澆口,以提高充模效率與保壓效果[11];在后模主流道對側(cè)設計倒錐形冷料穴,注塑時用于收集開放式熱嘴的前端冷料,開模時拉出主流道末端的凝料[12-13]。圖4為澆注系統(tǒng)。
2.3 抽芯機構(gòu)設計
根據(jù)塑件工藝分析可知,塑件上3個凸耳A、B、C周邊的側(cè)凹結(jié)構(gòu)、一個側(cè)圓孔柱D及其外部半環(huán)形凸筋、3個矩形孔E、F、G(矩形孔H可由上下模成型零件直接擦穿成型)、長圓孔柱J外側(cè)的搭扣均需設置側(cè)向抽芯機構(gòu),同時根據(jù)型腔布置形式可知,以上側(cè)凹或側(cè)孔采用斜導柱抽芯機構(gòu)脫模即可。而塑件內(nèi)部的兩個側(cè)孔M、N由于位置所限,只能在前模設置斜頂抽芯機構(gòu)以實現(xiàn)該處的側(cè)向抽芯[14]。
2.3.1 斜導柱抽芯機構(gòu)設計
根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)及型腔布局,針對凸耳A周邊的側(cè)凹結(jié)構(gòu)與矩形孔E設計1個抽芯機構(gòu)I,凸耳B周邊的側(cè)凹結(jié)構(gòu)設置1個抽芯機構(gòu)Ⅱ,凸耳C周邊的側(cè)凹結(jié)構(gòu)與長圓孔柱J外側(cè)的搭扣設置1個抽芯機構(gòu)Ⅲ,塑件側(cè)向圓孔柱D及其外部半環(huán)形凸筋設置1個抽芯機構(gòu)IV,矩形孔F、G分別設置1個抽芯機構(gòu)V、VI,共需設置6個斜導柱抽芯機構(gòu);根據(jù)實際測量分析,綜合考慮抽芯安全距離,以上6個抽芯機構(gòu)的抽芯距離分別為33、42、45、20、6、6mm。由于塑件表面允許存在不影響使用性能的接痕,為了簡化模具結(jié)構(gòu),確定采用斜導柱在前模、滑塊在后模的結(jié)構(gòu)形式[15-16]。圖5為抽芯機構(gòu)Ⅲ相應塑件部位的脫模方向,由于凸耳C上方R處需設置側(cè)向抽芯,下方S處垂直脫模即可,而長圓孔柱J外側(cè)的搭扣T處同樣需要設置側(cè)向抽芯。因此R與T兩處的滑塊應避開S處的成型部位,即T處應采用隧道式滑塊形式。

綜上所述,6個斜導柱抽芯機構(gòu)的抽芯方式相同,其中尤以抽芯機構(gòu)Ⅲ的抽芯距離最長,抽芯結(jié)構(gòu)最復雜,在此僅以該抽芯機構(gòu)設計為例做具體介紹。圖6為斜導柱抽芯機構(gòu)Ⅲ。其中斜導柱的傾斜角度α與開模行程L、抽芯距離s,和斜導柱工作長度L的尺寸關系如圖6a所示。如前所述,滑塊抽芯距離為45mm,初步選定斜導柱直徑為Φ20mm,斜導柱傾斜角度α為20°,鎖緊楔傾斜角β為22°;根據(jù)抽芯距離s,和斜導柱傾斜角度α,可求得斜導柱理論工作長度L為131.6mm[17]。斜導柱抽芯機構(gòu)及關鍵部件如圖6b和圖6c所示。其中,滑塊7用于成型凸耳C周邊的側(cè)凹結(jié)構(gòu),滑塊鑲件13固定在滑塊7上用于成型長圓孔柱L上的搭扣;斜導柱10裝在斜導柱座8上并固定在A板9上;鎖緊楔5固定在A板9上,并與A板9一起鎖緊滑塊7;B板1導滑槽中間和滑塊7背面分別加裝一件耐磨塊4、6,用于提高滑塊的運動精度和使用壽命,同時方便模具維護;另外機構(gòu)中還設計了定位波珠2和限位擋板3,用于限定滑塊行程[18-19]。
注:1-B板;2-定位波珠;3-限位擋板;4、6-耐磨塊;5-鎖緊楔;7-滑塊;8-斜導柱座;9-A板;10-斜導柱;11-前模鑲件;12-主型芯;13-滑塊鑲件;14-后模鑲件;15-內(nèi)六角螺栓。
2.3.2 斜頂抽芯機構(gòu)設計
圖7為斜頂抽芯機構(gòu)。其中斜頂傾斜角θ與抽芯距離s?和推出行程l?的尺寸關系如圖7a所示。根據(jù)實際測量可知,側(cè)孔M與N的孔深約為2.3mm,考慮抽芯安全距離,擬定斜頂抽芯距離s為7.0mm;初步設計傾斜角θ為10°,則可求出斜頂推出距離l?為40mm。前模斜頂抽芯機構(gòu)與后模斜頂抽芯機構(gòu)的動作原理類似,但由于斜頂抽芯機構(gòu)設置在前模,無法直接利用標準模架推桿板的推出動作完成抽芯動作,因此需在前模設計相應的推出與復位裝置[20-21]。斜頂抽芯機構(gòu)及關鍵部件如圖7b、7c所示。其中包括在頂板11與A板20加裝前模墊板12,使頂板11與A板20之間形成避空;在避空處各設置推出固定板14與推出墊板13,裝配后可在頂板11與A板20之間實現(xiàn)反復運動;在推出固定板14上安裝限位塊15,確保斜頂抽芯機構(gòu)整體推出距離l?為40mm。斜頂鑲件19與連桿17利用銷釘連接,連桿17與斜頂介子6、斜頂導滑片9裝配在滑塊座7上;滑塊座7安裝在推出墊板13上,可做橫向滑動[22-23];另外還有彈簧4、高力橡膠5、回程桿1、撐柱2、中托司3等零件。其工作原理是:開模時,模具首先在分型面M-M處打開,在彈簧4與高力橡膠5的彈性力作用下,推出墊板13與推出固定板14向下運動;與此同時,在導向塊16的傾斜角導向作用下,滑塊座7、連桿17及斜頂鑲件19等整體向模具左下方滑行,同時實現(xiàn)塑件推出及側(cè)向抽芯,直至推出固定板與推出墊板等完成既定推出距離。合模時,B板21分型面接觸到回程桿1下端面,推動推出墊板13與推出固定板14并帶動其他零件復位,直至整個斜頂抽芯機構(gòu)完全復位[24]。
注:1-回程桿;2-撐柱;3-中托司;4-彈簧;5-高力橡膠;6-斜頂介子;7-滑塊座;8-內(nèi)六角螺栓;9-斜頂導滑片;10-緊定螺釘;11-頂板;12-前模墊板;13-推出墊板;14-推出固定板;15-限位塊;16-導向塊;17-連桿;18-連接銷釘;19-斜頂鑲件;20-A板;21-B板。
2.4 推出機構(gòu)設計
由于后模型腔對塑件外表面的包緊力、開模時前模斜頂抽芯機構(gòu)的推出力以及后模斜導柱抽芯機構(gòu)的附帶力,開模后塑件隨后模型腔逐漸脫離前模型芯。為了將塑件從后模型腔推出,必須在后模設置合適的推出機構(gòu)。后模型腔較深,塑件材料剛性較好,脫模阻力較大,因此模具推出零件必須充分、可靠[25-26]。結(jié)合塑件的結(jié)構(gòu)特點,確定在包緊力較大、推出面積較充分的位置設置各類推出零件,包括直徑為Φ10mm的推桿A共7根,直徑為Φ8mm推桿B共4根,直徑為Φ6mm的推桿C共5根,另外在圓孔柱K處設置推管D共1套,確保塑件推出均衡。圖8為推出零件。
2.5 冷卻系統(tǒng)設計
塑件表面積較大,壁厚較厚,為了縮短模具的成型周期,注塑過程中需要對成型零件進行充分冷卻。圖9為冷卻系統(tǒng)。從圖9可以看出,塑件成型部位主要集中在前、后模鑲件及主型芯等,根據(jù)模具結(jié)構(gòu)方案,分別在前模鑲件(2件)各設置1條冷卻回路E、F;并利用A板的串聯(lián)作用在前模主型芯(2件)設置1條冷卻回路G,其中每個主型芯各設置1個隔水片孔。在后模鑲件(2件)各設置1條冷卻回路H、J。為提高冷卻效率和冷卻效果,水孔直徑主要為φ10mm,隔水片孔直徑為Φ18mm,冷卻水孔與成型零件表面距離約10~18mm。分別在A、B板接駁前、后模冷卻回路的進、出水接頭;冷卻水流經(jīng)模板與鑲件處,設置密封圈,防止冷卻水泄露[27]。
3模具結(jié)構(gòu)及工作原理
模具采用非標CI型模架,整體尺寸為900mm×600mm×619mm,圖10為模具裝配圖。從圖10可以看出,模具中,除了在前模設計與斜頂抽芯機構(gòu)相關的推出零件之外,同樣在后模推出機構(gòu)中設計了中托司36、撐柱41、復位彈簧32、限位塊2及墊釘35,在B板分型面設計了平衡塊18等輔助零部件。模具工作原理如下:
第一,注塑。在注射壓力作用下,熱流道42中的熔體流經(jīng)分流道和側(cè)澆口后進入型腔,并在其中保壓、冷卻、固化。
第二,開模及抽芯。在注塑機開模動作作用下,模具在分型面打開;在復位彈簧22、高力橡膠49作用下,前模推出機構(gòu)推動前模斜頂抽芯機構(gòu),輔助推出塑件脫離主型芯20及前模鑲件21,并完成內(nèi)部抽芯。與此同時,在開模動作作用下,后模各斜導柱抽芯機構(gòu)完成外部抽芯。
第三,推件。注塑機頂出桿推動頂棍37,帶動后模推出機構(gòu)運動,并利用各類推桿44及推管45推出塑件,使塑件脫離后模鑲件31。
第四,后模推出機構(gòu)復位。注塑機頂出桿回抽,在復位彈簧32作用下,推桿固定板33和推桿墊板34帶動推桿44及推管45等推出零件復位。
第五,合模及抽芯機構(gòu)復位。前后模合攏,各斜導柱和鎖緊楔驅(qū)動滑塊7、8、24、30、39、47,使各斜導柱抽芯機構(gòu)復位;B板5推動前模回程桿25,使前模推出固定板15、推出墊板14帶動滑塊座52、連桿50、斜頂鑲件48等零件整體復位,直至模具閉合。
注:1-底板;2、19-限位塊;3-方鐵;4-水嘴;5-B板;6、28-鎖緊楔;7、8、24、30、39、47-滑塊;9-A板;10-前模墊板:11-隔熱板;12-頂板;13、35-墊釘;14-推出墊板;15-推出固定板;16、41-撐柱;17、36-中托司;18-平衡塊;20-主型芯;21-前模鑲件;22、32-復位彈簧;23-斜導柱座;25、27-回程桿;26,29-耐磨塊;31-后模鑲件;33-推桿固定板;34-推桿墊板;37-頂棍;38-限位擋板;40-冷卻水套;42-熱流道;43-定位環(huán);44-推桿;45-推管;46-斜導柱;48斜頂鑲件;49-高力橡膠;50-連桿;51-導向塊;52-滑塊座。
4結(jié)論
根據(jù)汽車后視鏡固定座的結(jié)構(gòu)特點及塑料的流動特性,設計熱流道與普通流道相結(jié)合、側(cè)澆口進膠的澆注系統(tǒng),解決塑件結(jié)構(gòu)復雜且熔體流動性差、難以充模成型的問題;設計鑲拼式的成型零件和斜面精定位結(jié)構(gòu),優(yōu)化成型零件加工工藝,滿足模具精確定位需求。根據(jù)塑件側(cè)孔及側(cè)凹的結(jié)構(gòu)及分布,設計包括隧道式滑塊在內(nèi)的斜導柱抽芯與前模斜頂抽芯相結(jié)合的側(cè)向抽芯機構(gòu),解決復雜塑件多部位內(nèi)、外抽芯的難題。根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)特點及模具結(jié)構(gòu)方案,設計推桿與推管相結(jié)合的復合推出機構(gòu)以及包括隔水片水孔在內(nèi)的立體式冷卻回路,解決塑件推出與模具冷卻的問題。進一步完善非標模架結(jié)構(gòu)及其他輔助機構(gòu),完成整套注塑模具的設計。該模具設計構(gòu)思巧妙,結(jié)構(gòu)合理,實用性強,可為同類型的注塑模具設計提供借鑒。
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