基于參數計算的杯托注塑模具設計與工藝優化

馬桂潮

（廣東省機械技師學院，廣東 廣州 510450）

1 杯托產品參數分析

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）具有較高的耐沖擊韌度，表面光澤度好，易于加工、成本低定特征[1]，因此該杯托產品塑件要求使用ABS材料，外表光滑、沒有披風、流紋等。

1.1 功能性分析

一次性塑料杯或紙杯是會議室、餐館等場合的常用品，但由于其材料太軟或隔熱性效果不理想，拿杯的人時常會感到燙手，因此設計并生產具有實用價值的塑料杯托，具有較好的市場前景。

1.2 工藝性分析

杯托總體尺寸87.5 mm×65.7 mm×61.0 mm，產品尺寸較小，壁厚為2.0 mm，縱向脫模斜度達到6°，滿足制件頂出要求。

杯托頂端直徑為65.7 mm，足夠放置一個標準型一次性塑料水杯，把手處開口尺寸為27.1 mm，考慮ABS材料的塑形，可以夾緊杯子，不會導致杯子脫落。手底部采用兩端圓弧連接，剛好是人手持杯托時中指抵住的位置，符合人體工程學。

產品要求外表光滑，不能有氣泡、凹陷、披風和流紋等瑕疵。

1.3 計算產品的體積與澆注質量

通過計算機輔助設計軟件計算，產品體積V1=26.27 cm3。

查表得到ABS的密度為1.05 g/cm3，所以單件產品的質量m1=27.58 g。

澆注系統的體積V2≈8.41 cm3，澆注系統的質量m2=8.83 g。

總的澆注質量m總=m1+m2=35.10 g。

杯托產品尺寸如圖1所示。

圖1 杯托產品尺寸

2 型腔數目的校核和確定

型腔數與注塑機的塑化速率，最大注塑量和鎖模力等參數有關，還需要考慮模具的成本控制，根據注塑機性能參數確定型腔[2]。

由注塑機最大注射量確定型腔數量N：

式中：K——注射機最大注射量利用系數，一般取0.8；m0——注射機最大注射量（g）；m澆——澆注系統需要的塑料質量（g）；mi——單個塑件的質量（g）。

m0=55 g，m澆=8.83 g，mi=27.58 g，代入數據可得N≈1.27。

因此，型腔的數目為1。

3 系統及儀器的參數計算

通過對制件的體積計算及各項參數的校核初選注塑機型號為XS-ZY125/90。

3.1 最大注塑量校核

注塑機的最大注塑量應保證在注滿型腔后還有20%的余量，實際注塑量為制件、流道和澆口的質量之和。

式中：K——最大注射量的利用系數，一般取0.8；V0——最大注射容積（cm3）；V——塑件的體積（制件、流道和澆口的體積之和）（cm3）；Vi——一個塑件的體積（cm3）；n——型腔數；V澆——澆注系統體積（cm3）。Vi=26.27 cm3，V澆=8.41 cm3，n=1，代入數據，選擇125 cm3注塑量的注塑機可以滿足生產要求。

3.2 鎖模壓力校核

鎖模壓力是保證模具緊密、防止制件飛邊的重要參數，其與型腔的壓力關系為：

式中：K——安全系數：一般取0.9；F0——注射機公稱的鎖模力（kN）；P模——模內平均壓力（MPa）；F——注射壓力作用于型腔內所產生的作用力；A分——塑件、流道、澆口在分型面上的投影面積之和（mm2）。

F0=400 kN，P模=34.3 MPa，A分=13 400 mm2，代入數據KF0＞F，選定的注塑機鎖模力為850 kN，滿足生產條件。

3.3 杯托模具長度尺寸校核

杯托模具的長寬尺寸為200 mm×230 mm，小于XS-ZY125/90型號注塑機拉桿間距為250 mm×300 mm，符合要求。

綜合驗證，XS-ZY125/90型注塑機完全滿足此模具的注塑要求。

3.4 分型面的選擇

依據杯托產品的脫模方向，分型面選擇在杯托底面，保證產品被順利頂出。

分型面的分型線如圖2所示。

圖2 分型面的分型線

3.5 主流道的參數分析

主流道采用標準襯套，為了使凝料能順利拔出，主流道的半錐角α通常為1°～2°，過大的錐角會產生湍流或渦流，卷入空氣，過小的錐角使凝料脫模困難，還會使充模時熔體的流動阻力過大，此處的錐角選用2°。主流道小端直徑D=4 mm，并在出料端設計半徑r=5 mm的圓弧過渡。

3.6 分流道的參數分析

選用阻力小、流道效率高的半圓截面流道。分流道尺寸由塑料品種、塑件的大小及流道長度確定，根據計算及查表，可以得到分流道半圓形截面為Φ5 mm。

3.7 澆口的參數分析

本產品澆口設計選擇在產品底部側端進膠，既不會影響產品外觀，又使進膠得到平衡，是合適的澆口位置。

分流道及澆口位置如圖3所示。

圖3 分流道及澆口位置

杯托塑件的整體厚度為2 mm，為了不留下過于明顯的澆口痕跡，入水口處厚度取1.8 mm。

3.8 脫模力的計算

式中：A——塑件包容型芯面積（mm2）；α——脫模斜度；μ——塑件對鋼的摩擦系數，為0.1～0.3；P——塑件對型芯單位面積上的包緊力（kPa），一般情況下取（0.8～1.2）×104kPa。

代入數據，可得Ft=347 kN。

3.9 確定頂出方式及頂桿的位置

頂針應設置在脫模阻力比較大的地方，由產品可知，型芯周圍產品對型芯的包緊力很大，所以可在型芯內靠近側壁處產品的內表面上設置頂針。考慮到脫模阻力的平衡，保證產品被推出時受力均勻，所以4根Φ4的頂針均布產品兩側。

3.10 冷卻系統的參數計算

杯托模具的設計中，考慮到產品體積并不大，壁厚2 mm，所以采用在模具散熱較為集中的兩側進行水路的布置。產品模型較高，且大部分在型腔區域，因此在型腔區域進行雙層冷卻。根據零件結構的大小及冷卻面積來選擇，水路離模仁的距離不超過D～2.5D，最小值為10 mm，水路間的距離為3D～5D，根據產品分析，選擇水路的直徑為8 mm。

4 杯托模具的加工工藝優化

杯托模具的加工制造可依據參數化計算的模具結構，提高杯托模具的加工質量，主要在型腔與型芯CNC加工、電火花加工、前后模拋光和試模四部分進行工藝優化。

4.1 型腔與型芯的CNC加工工藝優化

型腔型芯的加工一般根據工件的工藝特點選擇合適的加工方法，杯托模具模仁的加工可以使用CNC數控機床進行粗加工和精加工。

在CNC粗加工之前，設計員通過構建杯托模具的零件模型，數控編程員分析刀具、進給量、加工路徑、加工工藝之后進行編程，在開粗加工時，通常使用大刀具、大進給、快走刀進行加工。之后是CNC數控精加工，除加工死角外，其他刀具能進去的地方基本上已經加工到數，為后面的火花機放電加工提供了方便。

4.2 分銅公與電火花加工工藝優化

杯托模具型腔和型芯在經過CNC數控的精加工之后，依舊存在杯托底部圓弧部分的加工盲區，還需要進行電火花的放電加工，清除加工死角。杯托模具需要拆分兩塊銅工進行電火花加工，第一塊為型腔底部的把手支撐圓弧，第二塊為型芯分型面處的圓角。粗、精銅工的加工可依據型腔、型芯三維模型參數進行反向加工。

4.3 拋光工藝優化

杯托塑件表面要求為光亮面，杯托模具的部分膠位通過火花機加工，把火花紋面拋光成光亮面。首先用油石拋掉火花紋面，然后再用各種型號的砂紙來拋掉油石紋，直到鏡面，最后一道鏡面拋光是用超細“鉆石膏”進行拋光。

4.4 杯托模具試模

制作裝配完成后，對杯托模具進行試模調試，對塑件樣品進行分析，通過參數修正排除披風、流紋等問題，樣品最終完全合格。

5 結語

通過參數計算設計的杯托注塑模具，產品及各結構系統的數據有公式可依據，工藝精確，可以實現數據追溯，有利于注塑模具設計的標準化。通過設計參數，優化模具制造的加工工藝，驗證了基于參數計算的杯托注塑模具設計與工藝優化的合理性和可行性。