一種醫療器械手柄注塑模設計

劉洋LIU Yang；盧偉LU Wei；鄧健華DENG Jian-hua

（廣東理工學院智能制造學院，肇慶526100）

1 研究背景和意義

在醫療器械行業中，由于某種醫療器械的相關需求，手柄這個產品在醫療器械行業中的使用率非常高，很多醫療器械產品都通過使用這個以塑膠為主要原料制作的手柄，與其他醫療器械配件裝配使用。根據市場臨床反饋，為了解決這種手柄需求量大的情況，需要研發設計出該手柄的注塑模具。由于之前市場上采用的醫療器械手柄大部分是由鐵制的或者是鋁制的，生產這類材質的手柄不僅會導致成本過高、制作周期長、重量較重、使用不便捷等情況，而且還會消耗大量能源，與國家倡導的綠色生產的環保理念不相符合。

隨著社會科技發展水平日漸提高，為解決上述問題進而使用塑料作為主要原材料代替金屬材料生產手柄產品。通過注塑進行大批量生產，一方面成本價格相對較低，經濟實惠；另一方面它更易于成型從而減少了制作周期，成品率也更高。醫生使用塑膠制成的手柄操作更為輕便。并且隨著模具行業的不斷發展，同樣可以生產出形狀復雜，功能多樣，高精度的塑膠產品。這不僅對整個醫療器械行業的發展乃至整個生產制造業發展來說都起到了一個良好的促進作用，不僅能保證產品質量的同時，還能提高生產效率。

2 手柄的分析

手柄結構注塑零件三維圖如圖1 所示。

圖1 注塑零件三維圖

可以分析查資料分析手柄的模具設計結構需要運用做推桿機構才能脫模，這次設計目的是能夠把手柄的模具完成設計能夠達到加工要求。最終目標是設計合理達到量產，在最短的時間完成產品的打樣和修改問題，降低成本制造模具，還有產品頂針的分部頂針不能做太大了，要根據產品的大小來做，做在骨位的上面這樣才不會頂壞產品，有些骨位小的可以做有托頂針和扁頂針。這個根據產品情況定，頂針要放到抱緊力最大的位置。產品四周要走運水讓產品冷卻下來，前后模仁最少走一到兩組運水才能保證產品及時的冷卻下來，運水不能和頂針螺絲干涉。

3 分型面位置的確定

注塑模具分型面顧名思義，就是將模具前模仁和后模仁分成兩部分的一個面，該分型面的最為普通常見的是與產品最大外形平行并且與模具運動方向垂直的分型面，其次是與產品開模運動方向平行的分型面，大部分的分型面都是前面兩種形式的復合構成模式。做分型面的意義在于是注塑模具在開模運動后產品順利與前模仁脫離，使得產品包緊在后模仁一側；接下來是在模具推出產品的過程中，沒有干涉，順利脫出產品。以上是分型面最重要的作用，其次通過使用分型面可以簡化模具制造的成本工藝，在選擇合適的分型面后，模具的制造產品會降低，產品的外形會美觀漂亮。

根據以普遍上存在的問題，在設計分型面的時候要注意到如下的一些設計原則性的東西：

①對構成產品的曲面進行開模方向的卸率分析，找出不能順利出模的位置。

②如果產品不存在出不模的地方，分型面原則上要選擇產品的最大外形來做為分型面位置。這樣才能是前模仁或者后模仁不會存在內扣的情況。

③在通過分型面將產品分為前模仁或者后模仁兩部分的時候，一定要想辦法使產品留在動模的一邊，這樣才可以通過注塑的推出油缸動作將產品推出模具，至于產品會不會留在動模一側，這個主要參數是判斷產品的摩擦力究竟是哪邊大，如果后模仁的摩擦力大于前模仁的摩擦力，產品就會留到動模一側了。

④分型面將模具分成兩個零件后，非常有利于模具的加工，但是分型面在產品位置的選擇，跟加工的工作量還是有很大的關系，對于解決這個問題，需要思索多種分型面的位置，并且比較一下加工量。

⑤有些產品外形上存在側孔的結構，這樣一來就需要做側面抽芯，側面抽芯的接觸分型面，可以歸納到階梯分型面的種類。這類分型面需要在運動的方向做一定的拔模角度，這樣一來就可以大大延遲產品的外觀質量和模具的生產壽命。

通過以上的分析，其實很多情況是多種原因穿插在一起的，需要根據產品的實際要求和工廠的加工能力做綜合評估處理。在用設計軟件設計簡單產品時只需要用一個平面來做分型面，該產品分型面如圖2 所示。

圖2 分型面

4 澆注系統的設計

4.1 主流道的設計

主流道襯套（也叫澆口套），其的作用是因為經常與注塑機的噴嘴碰撞接觸，容易損壞，才會設計成一個單獨的零件，這樣就可以隨時更換。實際生產中，已經將澆口套做成了一個標準件，在各個模具配件店都可以采購到或者做庫存，為注塑生產提供了很好的保障。

4.2 分流道設計

4.2.1 分流道的截面形狀

本設計采用的是圓形截面結構，這種結構非常有利于加工，在流道的設計中減少了流道內壓力的損失則流道的截面就大，又減少傳熱的損失，還可以讓流道的面積變小；保證塑料的熔體快速而又平均的充滿模具的每個前模仁位置。

4.2.2 分流道的長度

在設計分流道長度時，要把進澆口的位置確定好，一般在正常的情況下，分流道的長度就是水口套主流道端口與進澆口之間的直線距離，在設計此塑手柄的塑膠模具分流道長度尺寸時，已經查閱相關的參考的文獻，與模具件澆口的位置，選擇設計的長度為L=64.7mm。

4.2.3 分流道的形狀及尺寸

設計分流道時候，一般首先要確定好分流道的截面形狀，最好的是圓形，其次的是梯形，分流道的截面要比上一級的流道要小。經驗值為d=（3.5～8.0）mm，因此選擇4.5mm。

據以上分析可知分布如圖3 所示。

圖3 流道分布示意圖

4.3 澆口的設計

進澆口是熔料在進入前模仁中，最后的經過的結構，它是直接影響了塑料制品的外觀和內部質量的，所以要針對它進行相關的分析和計算，然后通過產品的結構分析出此澆口采用側面進澆的方式比較相對合適。

4.3.1 確定進澆口的類型和位置

該產品是模具中屬于小型塑件，所以本模具的裝配要嚴格，需要非常小心，產品外觀的要求也是非常的高，所以應該采用側進澆口的方式最為合適，而且相對應的結構也是較為簡單的，就采用側澆口。

4.3.2 設計進澆口尺寸

通過上述分析計算，所以設計此模具的澆口大小為：

5 溫度調節的系統設計

加熱熔化后的塑膠注塑到型腔后需要冷卻成型，僅僅通過模具與外界的溫度差自然冷卻是不夠的，這樣不僅冷卻效率低，冷卻效果也不均衡。這時就要在模具中增加冷卻系統，一般通過外接流道的水進入模具，通過不斷流道動的水來帶走模具內的熱量，從而加快冷卻效果，提高生產效率。一般情況最普通的運水就是在型芯型腔里面有一條環繞型運水，一條接進入的常溫水，另一頭接排出的水，由此形成一個冷卻水循環。通過不斷的流入冷卻水，然后把大量的模具溫度帶出去，從而起到快速冷卻的效果。

冷卻系統主要是為了提高產品的生產效率以及控制冷卻均勻，有效的防止產品成型時的收縮變形。冷卻系統一般是外接水管，通過流動的水流來帶走模具中的熱量，一般需要設計冷卻水的位置都是靠近產品的部分，比如說型芯型腔一般都會設有冷卻水，冷卻水通過A、B 板分別進入型芯和型腔，一般普通的模具在型芯型腔各設計一組就行，每組冷卻水都有一個進水口和出水口，常溫的水進入，帶走熱量，然后將帶走熱量的熱水排出，形成一個冷卻回路。

根據以上計算在注塑生產過程中模具自身也可以進行散熱的。但是在實際生產過程中，絕大部分模具都會設置冷卻系統，以便提高生產效率。

根據之前的設計分析，我們可以得出其分型面是階梯形，產品的大部分形狀都在定模側，而且主流道，分流道都是在定模一側，所以在設置冷卻系統時重點需要布置定模一側。動模一側的當然也是需要有冷卻系統的。

通過計算得出該手柄模具在單個注塑循環中釋放出來的熱量不多。因此考慮到加工生產的實際情況只需要將冷卻水布置在模具的周圍就可以了，Ф8mm 是該模具前模仁后模仁的冷卻水直徑。冷卻水管的分布線如圖4 所示。

圖4 水路示意圖

6 設計脫模機構

脫模系統在注塑模具中是必不可少的，因為產品在注塑，冷卻后，模具打開，接下來就是要想辦法把產品取出來，根據物體熱脹冷縮的原理，塑膠產品冷卻后會產生收縮力，使得產品緊緊包住后模仁的，后模仁的側面的包緊力矢量方向與產品出模方向接近90 度的夾具，意思是這個包緊力是非常大的，靠人的手是無法克服側面的摩擦力將產品取出的。也不能采用撬棍，或者鉗子什么的來取，這樣會直接破壞的外形結構。那么就需要在動模方向設置一個專門用來推出產品的結構系統。由于產品是塑膠的，推出系統的硬度不能比塑膠小，所以目前市場上通用的是用推桿或者推板來進行產品的推出。考慮到這個推出系統在每一個注塑成型過程中都要重復一遍推出產品，和推桿復位的動作，對其重要的要求是保證動作的可靠，大量的往復運動也不會出現問題，就需要注意到如下列所說到的原則性問題。

6.1 計算脫模力

6.2 推板的厚度

6.3 推桿的直徑

7 側向抽芯機構的設計

該產品有一個側面的孔槽結構，需要用到側面抽芯機構。該手柄模具的側抽芯結構如圖5 所示。

圖5 滑塊結構

7.1 抽芯距

S1=S0+（2~7）=32+（2~8），取S1=40mm

7.2 斜導柱傾角

開模行程H=S cot α，α 取15~23°

H=S cot（15~20）=68.69~93.3

α 的角度通過查資料可以在13~23°的角度中取，該模取α=23°

7.3 斜導柱的直徑

側抽芯力：

側后模仁的中心線于斜導柱固定地面的距離：

得斜導柱直徑d=14mm

7.4 斜導柱的長度