聚砜医疗干粉吸入器底座成型与注塑模设计

2021-03-22石峰王伟伟邹锋朱超挺周天绮

工程塑料应用 2021年3期

石峰，王伟伟，邹锋，朱超挺，周天绮

(1.浙江医药高等专科学校，浙江宁波 315100；2.浙江工商职业技术学院机电工程学院，浙江宁波 315012)

1 塑件分析

图1所示为一种医疗干粉吸入器底座塑件，塑件俯视外形呈葵花形状，侧视外形呈球冠形状。塑件外沿圆周上布置了14个斜圆柱孔(简称斜孔)，其内径为8 mm、外径为10 mm、高度为14 mm，斜孔轴心线与塑件中心线夹角为5°。中间直径127 mm圆周内布置了4个内径为8 mm的直圆柱孔和6个内径为4 mm小孔，直圆柱孔的外径为10 mm，高度为12 mm。塑件最小壁厚1.8 mm，最大2.4 mm，平均壁厚2 mm。

图1 塑件

塑件使用聚砜(PSU)材料进行注射成型，该材料为一种坚韧且强度高的透明塑料，与聚碳酸酯相比能提供较高的耐热性和更好的水解稳定性[1-3]；具有良好的力学性能和耐化学性能，与蒸汽、氧化剂等接触时具有优异的尺寸稳定性；有透明与不透明的各种彩色可供选择。PSU的收缩率为0.4%～0.8%，不同方向收缩差异小，塑件脱模斜度一般取0.02°。PSU材料在医卫器材零部件制造方面应用较为广泛，典型有外科手术盘、喷雾器、加湿器等塑件零件[4-6]。

2 注射成型方案及浇注系统设计

塑件的注射成型方案设计受两个因素的影响，第一个是塑件的材料，第二个是塑件的结构。就材料而言，PSU是一种非结晶聚合物，成型温度280℃以上，流动性差，流长比为80左右，塑件的壁厚须控制在1.5 mm以上，吸入器底座塑件的平均壁厚为2 mm，因而可以使用PSU材料进行注射成型。PSU材料对缺口较为敏感，塑件上的直角或者锐角都须使用圆弧过渡进行处理。PSU材料对含水量敏感，塑件成型前，须对材料进行干燥处理，尽可能降低材料中含水量，塑件加工前，材料含水量控制在0.1%以下，以防高温下熔体降解。

就塑件结构而言，塑件整体形状为圆片状，其包容圆的外径为193 mm，为中等偏大型塑件。为保证注塑时浇口到各流动末端的长度接近，以保证塑件各局部位置的充填均衡性，塑件的最佳浇口位置以开设在塑件的几何中心位置为最佳。塑件模腔的冷流道设计要求高，流道设计时，其基本要求为：主流道尽可能短且粗，以利于熔体流动，主流道直径2 mm以上，脱模斜度3°～5°，分流道用圆形或梯形流道，流动路径避免采用弯道形式。

对于塑件的脱模，其上所设置的14个斜孔，需要使用14个抽忒方向不同的圆柱型忒镶件进行抽忒脱模，显然，塑件不宜采用多腔布局成型，采用单腔布局既能保证塑件的成型精度，又能降低模具中机构件的安装难度。

塑件的浇注系统设计方案为：使用1模1腔单腔布局，使用单点热流道直接浇口进行浇注[7]，浇口设置在塑件的几何中央位置，这样可以避免冷流道的开设，以免影响模腔的充填。该方案的CAE流动分析如图2所示，CAE分析中，塑件材料选用巴斯夫公司(BASF)牌号为P1700的PSU，浇口为圆柱形Ø1.2 mm浇口，浇口长度1.0 mm，进料口的位置设置在模腔几何中央厚壁处。模具温度设置为140℃，熔体温度360℃、最大温度380℃，顶出温度165℃。注塑速率采用中速，以免高速造成熔体破裂，充模困难。

图2 浇注系统CAE分析

从图2可以看出，在该成型方案下，模腔的充填性能好，各末端能获得均衡充填，整体充填时间为1.542 s左右，能满足塑件的生产周期要求。充填所需压力为58 MPa左右，对注塑机的使用要求不高。流动路径上熔接线主要出现在孔的末端位置处，形态为熔合线，可以通过提高模具温度的方式来消除。流动路径上气孔较多，需要增强模腔的排气来消除。流动分析中，不利的结果为：塑件成型中所产生的内应力难以消除，只能通过保压措施来尽可能减小。

3 分型及成型件设计

如前所述，塑件采用单腔模式成型时，将考虑收缩率后的塑件表面作为成型件的成型面，选用外沿分型线、各内孔分型线以上的面作为型腔面，以下的面则作为型忒面，如图3所示。其中，型忒面中，各斜孔内侧的局部区域面必须分割出来，以用作斜顶的分型面，用于设计斜顶以实现斜孔内侧倒扣的成型和脱模[8-12]。

图4为单个斜孔内侧局部区域面(图4中倒扣区域)的成型件设计。在图4中，针对14个斜孔的脱模，使用斜杆镶件成型斜孔的上端部分，这样可以将斜孔的下端设置成直杆镶件，从而可以最大限度降低14个斜孔的脱模机构设计难度。因而，针对斜孔部位的脱模可以采用以下方式：斜孔内壁的成型与脱模由位于型腔镶件一侧的斜杆镶件来实现，对于斜孔外壁倒扣区域的脱模，则使用斜顶顶出方式实现。

图3 成型面分割

图4 单个斜孔内侧局部区域面的成型件设计

使用图3中所示外沿分型线对模腔进行分型后，将所获得的型腔镶件、型忒镶件及斜孔的斜顶、斜杆镶件和直杆镶件进行拼合组装，由此构成的模腔(局部)如图5所示。设计斜顶时，必须设置高度挂台、水平挂台两个限位措施以保证斜顶复位时在高度方向、水平方向都有定位。设置外沿分型面时，分型面设置为延拓面+水平面的组合形式，以便于排气槽开设、分型面的加工及模腔的闭合配模。加工型腔镶件成型面时，表面粗糙度控制在0.4以上以确保塑件的表面光亮。中速注塑时，模腔分型面上须开设环绕型排气间隙及排气槽，排气间隙0.02，用于引气的排气槽的深度0.08 mm。

图5 模腔成型件的构成

综上所述，最终成型件的设置及组装如图6所示。

图6 成型件设计

定模成型组件中，包括1个型腔镶件、14个斜杆镶件、4个上圆柱镶件。14个斜杆镶件的上端通过横位销安装在导槽板上对应的滑动槽内，导槽板上端用上盖板盖住，以防止斜杆镶件滑落。14个斜杆镶件通过导槽板和上盖板组装后，构成定模斜杆复合顶出机构，再插入型腔镶件中各自对应的斜孔内。定模成型件的材料使用M461预硬镜面塑胶模具钢。

动模成型组件中，包括1个型忒镶件、14个直杆镶件、14个斜顶。14个斜顶采用“万能斜顶”结构形式，由推杆推动其上端的斜顶顶出。14个直杆镶件采用肩台定位方式固定安装在型忒镶件内。14个斜顶通过相应的14根推杆推动，推杆安装在模具的顶针推板上，构成动模“万能斜顶”复合机构。动模材料成型件使用Cr12MoV模具合金钢。

4 模具结构布置

功能零部件在模具结构中的布置如图7所示，模具使用两板模结构，2次分型打开。所选用模架为一种非标准模架，由两板模模架改造而获得，改造的地方在于：定模板与定模座板之间增加1次分型打开，并增加4副模腔导柱进行导向。模具中的模腔布置为1模1腔。型腔镶件、型忒镶件均使用双边定位方式，通过楔紧块楔紧方式安装在定模板、动模板内。定模板、动模板的精确闭合定位由定模板导柱、模腔导柱、边锁共同实现[13-14]。定模板导柱主要用于定模板打开／闭合时的滑动导向；模腔导柱主要用于定模板和动模板之间打开／闭合时的滑动导向。定模板与定模座板之间的打开使用4根定距拉杆进行定距控制。定模板与动模板的临时闭合，使用模板锁控制。

图7 模具布局

5 模具机构件组装

机构件在模具上的组装如图8所示。模具的定模由定模座板3、定模板4及附属机构零件构成，动模由动模板8、方铁9、动模座板10等零件构成。盖板11、顶针推板12等零件构成动模的顶出机构，注塑机顶杆通过顶杆套13推动顶针推板12。定模板4和定模座板3之间的开模面为P1，定模板4与定模座板3之间的分离距离通过定距拉杆5限制；动模板8与定模板4之间的开模面为P2。开模面打开的顺序为P1→P2，闭合顺序也为P1→P2。开模时，P1面打开，P2面闭合，该闭合控制由图7中所示的模板锁进行控制，模板锁由锁钩杆6等8个零件组成。闭模前，P1，P2面都处于打开状态，闭合时，模板锁控制模具按P1→P2顺序闭合。型忒镶件17、型腔镶件18分别通过螺钉紧固安装在动模板8、定模板4内。

图8 模具结构安装

定模斜杆复合顶出机构中，上盖板27、导槽板28用螺丝紧固组合在一起，再通过螺丝紧固安装在定模座板3所开设的槽内，斜杆镶件25的上端通过横销26进行开模方向的限位后，安装在导槽板28开设的滑动槽内，下端插入型腔镶件18内的斜孔内。P1面打开时，定模板4往下运动，将塑件从14个斜杆镶件25上推出。

动模“万能斜顶”复合机构中，斜顶22安装在型忒镶件17内，其下端设置有T型槽，与顶杆21上端所设置的T型导轨滑动连接，顶杆21用顶针推板12推动。P2面打开后，模腔打开，注塑机顶杆通过顶针推板12推动斜顶12对塑件进行顶出。

模具中，模板锁机构为一种新型模板开闭控制机构，如图9所示。机构的组成零件包括锁钩杆6、件30～件37。导动凸块30安装在定模座板3上，其上设置有导动销31的导动凸台；锁钩杆6与锁钩37用锁钩螺丝38组装在一起，锁钩杆6用转动销32与底座35铰接在一起，底座35用螺丝紧固安装在动模板8的侧边。耐磨锁块36用螺丝安装在定模板4上；外簧片33和内簧片34叠装在一起，用螺丝紧固组装在底座35上，用于阻挡锁钩杆6按T1转动方向转动。锁钩37勾住耐磨锁块36用于锁紧动模板8和定模板4。

图9 模板锁机构

模板锁机构的动作原理为：当模具动模按Z-向下行时，导动销31暂时不能接触导动凸块30上的导动凸台，因而，锁钩杆6在外簧片33和内簧片34的弹压下，不能绕转动销32的中心按T1转动方向转动，此时动模板8和定模板4被锁钩37和耐磨锁块36锁闭，模具只能在P1面打开；P1面打开一定距离后，导动销31被导动凸块30上的导动凸台按F1向推动，迫使锁钩37和耐磨锁块36脱离接触，从而，动模板8与定模板4分离，模具在P2面处打开。闭合时，P1面先闭合，模具继续闭合过程中，锁钩37被耐磨锁块36先推开而后再勾住耐磨锁块36，从而实现再次锁紧动模板8和定模板4的功能。

6 模具工作原理

结合图8所示，模具分2次分型打开，第一次打开在P1面处打开，该面打开时，14个斜杆镶件25从模腔内塑件上对应的14个斜孔中抽忒抽出。第二次在P2面处打开，塑件从型腔镶件18内脱出并留于型忒镶件17上。而后，随着模具动模的继续下行，注塑机顶杆顶住顶针推板12，从而推动14根顶杆21和14个斜顶22将塑件从型忒镶件17上顶出，实现塑件的完全脱模。

模具复位时，顶针推板12先复位，确保动模“万能斜顶”复合机构先复位；模具闭合时，先在P1面处闭合，确保定模斜杆复合顶出机构先复位，而后在P2面处闭合复位，等待下一次注塑循环。