支架注射模設計與制造

童永華，李慕譯，梁 建

江蘇聯合職業技術學院無錫交通分院（江蘇無錫 214046）

1 引言

該支架是無錫某精密塑料模具廠制造的產品，塑件形狀不規則，精度要求較高，需要有較高的機械強度和良好的綜合性能，中等批量生產。本文詳細說明了支架注射模設計、模具優化分析、成型零件制造工藝，對類似制品注射模設計具有一定的借鑒作用。

2 模具設計

2.1 塑件結構分析

支架尺寸與結構如圖1所示，塑件的大部分壁厚尺寸為1.5mm，外形尺寸為59.39×40×11.8mm，塑件為辦公設備功能件，有腰形孔1個，插扣2個，安裝孔2個，圓周與支撐腳上分布有加強筋，外形較復雜，尺寸精度和裝配精度要求較高，表面粗糙度值小于等于Ra1.6μm，要求不得出現常見的塑件表面缺陷，生產批量達7萬件，屬于中等批量生產。

2.2 塑件材料分析與三維模型

選用聚丙烯（PP）作為制品的材料，它的屈服強度、抗拉、抗壓強度和硬度及彈性比聚乙烯好，能達到制品的綜合機械性要求。聚丙烯成型適宜模溫為50℃～80℃，溫度過低塑件表面光澤差或產生熔接痕等缺陷，溫度過高會產生翹曲等現象。制品收縮率為1.5%。脫模斜度為1°，局部膠位高的地方1.5°，面與面之間圓角過渡R0.5mm。

利用UG軟件分析支架零件外形和尺寸，根據打印機支架的形狀和和客戶所給的資料以及使用特點進行建模，如圖2所示。

2.3 基于MoldFlow的澆注系統分析

從圖5可知，兩腔在0.84s時膠料完全充型，熱膠流到中心區域0.4s，流到最遠端為0.84s。從圖6可知兩側支撐填充末端壓力差小，最大壓力14.59MPa，壓力分布均衡。

圖1 支架零件圖

圖2 支架塑件建模

圖3 最佳澆口位置分析結果

圖4 最終澆口位置

圖5 充填時間

圖6 注塑壓力

圖7 氣穴的位置

圖8 熔接痕的位置

從圖7、圖8可知，氣穴較少，熔接痕分布在塑件側角落處且較短，對支架的表面外觀與強度影響不大。

2.4 基于MoldFlow的冷卻系統分析

冷卻分析可以用來判斷冷卻系統的冷卻效果，根據模擬計算得到的冷卻時間來確定成型周期，優化冷卻管布局，縮短冷卻時間，從而提高生產率。為實現快速均勻冷卻，通過反復試驗，最終確定把冷卻水道設計為通過型腔和型芯，圍繞在塑件的周圍，水道直徑為φ6mm，分析結果如圖9、圖10所示冷卻引起的變形，模具溫度分析結果，翹曲總變形量0.239mm，滿足塑料外殼的使用要求。

圖9 冷卻引起的變形

圖10 模具溫度

2.5 模具結構設計

利用UG軟件中的Moldwizard模塊進行模具結構設計。為簡化模具結構、縮小模具外形尺寸、便于模具零件加工，降低具制造成本，采用帶有活動鑲件的1模2腔的注射模[2]。

2.5.1 分型面設計

綜合考慮型芯、型腔鑲件的安裝以及排氣需要，分型面選在支架的最大外形尺寸處，如圖11所示，采用階梯分型面，以前支撐上表面、后支撐內凹槽面和支承平面側面組成階梯分型面。利用另一個斜面起輔助定位的作用。

圖11 分型面

2.5.2 型腔與型芯設計

2.通過不斷摸索和創新，形成了獨特的教、康、保整合服務模式及服務流程，積累了專業整合的服務經驗，為其他同類福利機構提供了教、康、保專業整合的理論依據與實踐經驗。

由于塑件表面有通孔形狀，型腔與型芯設計采用局部鑲嵌式，型腔與型芯如圖12、圖13所示。

圖12 型腔設計示意圖

圖13 型芯設計示意圖

2.5.3 型腔與型芯鑲件

圖14、圖15為分別為型腔與型芯活動鑲件設計示意圖。

圖14 型腔鑲件

圖15 型芯鑲件

2.5.4 澆注及冷卻系統設計

根據MoldFlow軟件分析結果，設計模具的澆注系統和冷卻系統。澆口類型為矩形側澆口（澆口寬B=2.5mm，高H=0.2mm，長L=0.5mm）澆注系統如圖16所示。冷卻裝置冷卻水孔的直徑φ6mm，“O”形密封圈密封。管接頭與管塞采用hasco公司的標準件，冷卻水道的排布及裝配形式設計裝配如圖17所示。本塑件材料為PP，壁厚為1.5mm，冷卻時間為8s。

圖16 澆注系統

2.5.5 確定模架和模具標準件及模具結構設計

選擇型號為1518的FUTABA_S模架。模架的型式采用TYPE SC，選擇定模板為35mm，動模板為50mm，系統自動載入模架。選擇標準件，包括定位圈、澆口套、頂桿、彈簧、墊圈等，設計型腔、型芯、鑲塊、流道、進澆口頂出與復位系統，完成模具設計，利用材料清單工具自動生成該套模具的材料清單，利用裝配圖樣、組件圖樣工具可以創建模具的裝配圖和相關零件的工程圖[3]，模具結構如圖18所示。

3 模具制造

由于模架已經標準化，模具零件的制造主要是加工型芯、型腔、鑲件等；選用材料為P20，根據企業現有設備，對于成型零件的大多數特征，均可以采用數控銑或加工中心進行粗加工、半精加工、精加工，對型腔，型芯的鑲件部分的盲孔以及深槽、窄縫、肋的特征結構需制作電極后采用電火花加工。對于水道等較深的圓形孔，采用深孔鉆鉆削加工。

圖18 支架模具結構圖

3.1 模具型腔及型芯的數控加工

（1）型腔加工工藝選擇與加工參數設置。

支架模具型腔模坯材料P20，尺寸100×80×25mm，型腔加工工序為：粗加工→半精加工→局部區域精加工→精加工→ 拆分電極對電極加工。型腔數控加工工藝選擇及加工參數設置如表1所示。

（2）型芯加工工藝選擇與加工參數設置。

支架模具型芯模坯材料P20，尺寸100×80×35mm，型芯加工工序可分為：粗加工→半精加工→局部精加工→精加工→拆分電極對電極加工。型芯數控加工工藝選擇及加工參數設置如表2所示。

表1 型腔數控加工工藝選擇及加工參數設置

表2 型芯數控加工工藝及加工參數設置

（3）生成和驗校刀軌路徑。

在UGNX10.0加工模塊中生成刀軌路徑，并進行刀軌路徑的驗校、模擬。可以在圖形區進行旋轉、平移、放大視圖并進行刀軌動態仿真，檢查生成的刀軌路徑是否合理，合理后確認，按表1的加工工藝完成型腔、型芯的各工序的粗加工、半精加工、精加工，生成各工序的刀路軌跡。以型腔半精加工內容等高精加工策略工藝類型為例，使用R1.5mm的硬質合金球頭銑刀所示刀具路徑及仿真如圖19所示。

圖19 型腔等高精加工策略刀具路徑及仿真

（4）產生NC程序。

刀具軌跡路徑經過模擬仿真和檢查確定無誤之后，將這些刀具路徑按其在加工中心機床中的加工順序排列，然后通過UG加工模塊經自動處理后即可產生機床代碼文件cavity.TAP，即可導入機床對零件進行加工。如圖20所示是型腔等高精加工經后置處理產生的數控加工NC程序片段。

3.2 電極的數控加工

根據工藝規劃，型腔數控加工部分已經完成，由于在型腔、型芯的鑲件部分的盲孔、直角需要電火花加工，需要加工所需紫銅電極。以型腔鑲件電極加工為例，刀具路徑及仿真如圖21所示。

圖20 數控加工NC程序

圖21 型腔鑲件電極加工刀具路徑及仿真

4 結論

本文以支架產品為例，利用CAD/CAM/CAE技術，對制品設計進行驗證，用MoldFlow進行分析，在模具澆注系統及冷卻系統進行指導性設計，根據分析結果優化了制品及結構設計方案，UG加工模塊編程生成程序進行加工，三者集成形成一體化技術，順利完成了模具的開發和制造，且質量可靠，圓滿完成企業所交付的任務。