基于UG世賽“塑料模具工程”賽題注射模設計

劉 波

湖南國防工業職業技術學院（湖南湘潭 411207）

1 引言

塑料模具工程項目是選手獨立運用塑件設計、數控編程、數控加工、模具裝配以及塑件注射成型等專業知識和技能，依據比賽圖紙和要求，運行CAD/CAM軟件和操作加工中心等設備，完成塑件建模、模具設計、數控加工、模具裝調等模具專業的全過程工作，最后注射成型出合格的塑件的競賽項目，塑料模具工程項目包括：模具設計和模具制造兩個模塊[1]。本文主要介紹模具設計模塊。

模具設計模塊包括：塑件建模和模具設計兩個部分。塑件建模根據模具設計模塊的塑件2D圖紙，使用比賽指定CAD軟件（本文利用UG軟件）完成塑件3D建模。塑件建模完成后，塑件3D模型必須上交。模具設計根據選手自己剛完成的塑件3D模型，設計符合生產實際要求的3D模具結構。3D模具結構設計完成后并生成2D工程圖，包含：型芯、型腔、滑塊(主體)、斜頂（主體）、型芯固定板、型腔固定板、頂桿固定板、模具裝配圖和塑件圖共9張2D工程圖。

2 塑件建模

模具設計模塊總共4小時，賽題塑件2D圖如圖1所示，需完成塑件的3D建模和模具設計任務，可以看出競賽任務重而時間緊。賽題細節特征和特征尺寸非常多，其建模思路如表1所示。

3 塑件結構工藝性分析

圖1 塑件2D圖

表1 塑件3D建模思路

塑件主要特點是細節特征較多，其中兩個凸臺中間的孔采用碰穿方式成型，4×φ2mm柱位孔需鑲件對碰成型，其余孔特征也均采用碰穿方式。塑件四周和內部沒有倒扣，無需抽芯機構。塑件表面要求無毛刺、披鋒、熔接痕等缺陷。該塑件壁厚均勻，均為1mm，有利于塑件的成型。塑件材質要求選用聚苯乙烯（PS），收縮率為0.5%，PS的流動性好，成型加工容易。外形尺寸為44×42×9mm，屬于小型塑件。

4 模具結構設計

4.1 選擇分型面

分型面的選擇受到塑件的外觀形狀、尺寸精度、抽芯機構、澆口類型和位置、模具加工條件等多方面因素影響，分型面設計的合理性，決定塑件的成型質量[2]。該塑件四周有7°的拔模角，分型面位置比較明顯，選取在塑件脫模方向最大的投影邊緣部位，如圖2所示。

圖2 塑件分型面的設計

4.2 確定模具總體結構

經過上述塑件結構工藝性分析，該塑件無特殊結構，根據賽題要求模具按一模兩腔設計，采用大水口進膠即可滿足塑件成型要求。綜上考慮，本設計選用龍記CI標準型大水口模架。

4.3 確定澆注系統

澆注系統中澆口的設計十分關鍵，澆口的位置、類型及尺寸直接影響塑件質量。賽題圖紙技術要求已要求模具結構采用一模兩腔布局，澆口形式采用Wall side gate（即側澆口）。側澆口是一種使用最廣泛的澆口，適用于各種形狀的塑件，但對于細而長的桶形塑件不宜采用，適用PE、PP、PC、ABS、PS等塑料，側澆口的優點是形狀簡單，加工方便，去除澆口比較容易；缺點是塑件與澆口不能自行分離，塑件容易留下澆口痕跡[3]。

利用UG軟件測量出兩個塑件體積之和約為5.1cm3，PS密度為1.05g/cm3，質量約為5.4g，屬于小型塑件。PS澆口設計的理論參考值為0.5～1.5mm。綜上考慮，澆口尺寸初步設計為1.2×0.8mm。

分流道的截面形狀和尺寸，應根據塑料的工藝性能，塑件的形狀大小、壁厚及分流道的長度等因素來確定[4]。一般常見塑件壁厚（2.0～3.0mm），圓形分流道直徑可在φ3.5～φ7.0mm選用。考慮塑件質量小、結構簡單、流程短等因素，本模具分流道直徑選用φ5.0mm。主流道頂部直徑為φ4.5mm，圓錐夾角為3°，總長度為85.5mm。澆注系統和型腔布局如圖3所示。

圖3 澆注系統和型腔排列方式

4.4 成型零件的結構設計

型芯和型腔均設計為整體嵌入式，但型腔有8處局部細小結構，影響模具加工和模具壽命，綜合考慮設計為局部鑲針形式。但鑲針的圓角成型部位屬于斜曲面，所以需考慮鑲針防轉。防轉方式和型腔結構如圖4所示。

圖4 型腔結構與鑲針結構

4.5 推出機構的設計

PS性脆易開裂，須設計合理的脫模機構，防止因頂出力過大或不均勻而導致制品開裂，選擇較大的脫模斜度[5]。根據塑件結構特點和模具結構，在塑件包緊力較大的位置設計了6根φ3mm的直頂桿，注意頂桿需做防轉設計。在塑件柱位處，設計了4根司筒和司筒針用于成型與頂出。頂桿位置和司筒位置如圖5所示。

4.6 冷卻系統設計

考慮塑件屬于扁平類零件，模具無抽芯機構，水路布局空間選擇性較大。將型芯冷卻水道設計成單組單層環形水路，冷卻水道充分經過成型區域，如圖6所示。同樣，把型腔冷卻水道設計成單組單層環形水路，冷卻水道充分經過成型區域，如圖7所示。

4.7 其它模具輔助結構設計

賽題要求模具需設計其它輔助結構，設計要求見表2。表2內容的設計方法在本文中不詳細介紹，具體結構在總裝配圖8中可見。

表2 模具其它結構設計要求

圖5 頂出機構

圖6 型腔冷卻水路圖

圖7 型芯冷卻水路圖

圖8 模具結構

5 模具工作過程

模具結構如圖8所示。合模時，在導套14和導柱11的導向和定位作用下，注塑機的合模系統帶動動模部分向前移動，使模具閉合，并提供足夠的鎖模力鎖緊模具。開模時，注塑機合模系統帶動動模向后移動，模具從定模板18和動模板8的分型面分開，塑件包在動模型芯10上隨動模一起后移，同時拉料桿39將澆注系統主流道凝料從澆口套34中拉出，開模行程結束，注塑機液壓頂桿推動推出機構開始工作，頂桿5和拉料桿39分別將塑件和澆注系統凝料從動模型芯10和冷料井中推出，至此完成一次注射過程。

6 結束語

通過基于UG對往屆世界技能大賽“塑料模具工程”賽題3D塑件建模和模具設計。介紹了賽題塑件建模關鍵步驟，分析塑件建模任務中難點在于圖紙細節特征和尺寸比較多，給識圖帶來一定難度。這就要求選手在建模過程中一定要認真看清楚尺寸結構要素，找到較好的建模方法。在模具設計中，根據賽題已知條件和要求，注意模具結構細節的處理，如頂桿和鑲件是否需要防轉，頂桿數量和位置是否合適，頂出限位機構、邊鎖、內定位、鎖模片等機構是否按要求設計，確保模具結構設計的完整性和合理性。