支架注射模设计与制造

童永华，李慕译，梁 建

江苏联合职业技术学院无锡交通分院（江苏无锡 214046）

1 引言

该支架是无锡某精密塑料模具厂制造的产品，塑件形状不规则，精度要求较高，需要有较高的机械强度和良好的综合性能，中等批量生产。本文详细说明了支架注射模设计、模具优化分析、成型零件制造工艺，对类似制品注射模设计具有一定的借鉴作用。

2 模具设计

2.1 塑件结构分析

支架尺寸与结构如图1所示，塑件的大部分壁厚尺寸为1.5mm，外形尺寸为59.39×40×11.8mm，塑件为办公设备功能件，有腰形孔1个，插扣2个，安装孔2个，圆周与支撑脚上分布有加强筋，外形较复杂，尺寸精度和装配精度要求较高，表面粗糙度值小于等于Ra1.6μm，要求不得出现常见的塑件表面缺陷，生产批量达7万件，属于中等批量生产。

2.2 塑件材料分析与三维模型

选用聚丙烯（PP）作为制品的材料，它的屈服强度、抗拉、抗压强度和硬度及弹性比聚乙烯好，能达到制品的综合机械性要求。聚丙烯成型适宜模温为50℃～80℃，温度过低塑件表面光泽差或产生熔接痕等缺陷，温度过高会产生翘曲等现象。制品收缩率为1.5%。脱模斜度为1°，局部胶位高的地方1.5°，面与面之间圆角过渡R0.5mm。

利用UG软件分析支架零件外形和尺寸，根据打印机支架的形状和和客户所给的资料以及使用特点进行建模，如图2所示。

2.3 基于MoldFlow的浇注系统分析

从图5可知，两腔在0.84s时胶料完全充型，热胶流到中心区域0.4s，流到最远端为0.84s。从图6可知两侧支撑填充末端压力差小，最大压力14.59MPa，压力分布均衡。

图1 支架零件图

图2 支架塑件建模

图3 最佳浇口位置分析结果

图4 最终浇口位置

图5 充填时间

图6 注塑压力

图7 气穴的位置

图8 熔接痕的位置

从图7、图8可知，气穴较少，熔接痕分布在塑件侧角落处且较短，对支架的表面外观与强度影响不大。

2.4 基于MoldFlow的冷却系统分析

冷却分析可以用来判断冷却系统的冷却效果，根据模拟计算得到的冷却时间来确定成型周期，优化冷却管布局，缩短冷却时间，从而提高生产率。为实现快速均匀冷却，通过反复试验，最终确定把冷却水道设计为通过型腔和型芯，围绕在塑件的周围，水道直径为φ6mm，分析结果如图9、图10所示冷却引起的变形，模具温度分析结果，翘曲总变形量0.239mm，满足塑料外壳的使用要求。

图9 冷却引起的变形

图10 模具温度

2.5 模具结构设计

利用UG软件中的Moldwizard模块进行模具结构设计。为简化模具结构、缩小模具外形尺寸、便于模具零件加工，降低具制造成本，采用带有活动镶件的1模2腔的注射模[2]。

2.5.1 分型面设计

综合考虑型芯、型腔镶件的安装以及排气需要，分型面选在支架的最大外形尺寸处，如图11所示，采用阶梯分型面，以前支撑上表面、后支撑内凹槽面和支承平面侧面组成阶梯分型面。利用另一个斜面起辅助定位的作用。

图11 分型面

2.5.2 型腔与型芯设计

2.通过不断摸索和创新，形成了独特的教、康、保整合服务模式及服务流程，积累了专业整合的服务经验，为其他同类福利机构提供了教、康、保专业整合的理论依据与实践经验。

由于塑件表面有通孔形状，型腔与型芯设计采用局部镶嵌式，型腔与型芯如图12、图13所示。

图12 型腔设计示意图

图13 型芯设计示意图

2.5.3 型腔与型芯镶件

图14、图15为分别为型腔与型芯活动镶件设计示意图。

图14 型腔镶件

图15 型芯镶件

2.5.4 浇注及冷却系统设计

根据MoldFlow软件分析结果，设计模具的浇注系统和冷却系统。浇口类型为矩形侧浇口（浇口宽B=2.5mm，高H=0.2mm，长L=0.5mm）浇注系统如图16所示。冷却装置冷却水孔的直径φ6mm，“O”形密封圈密封。管接头与管塞采用hasco公司的标准件，冷却水道的排布及装配形式设计装配如图17所示。本塑件材料为PP，壁厚为1.5mm，冷却时间为8s。

图16 浇注系统

2.5.5 确定模架和模具标准件及模具结构设计

选择型号为1518的FUTABA_S模架。模架的型式采用TYPE SC，选择定模板为35mm，动模板为50mm，系统自动载入模架。选择标准件，包括定位圈、浇口套、顶杆、弹簧、垫圈等，设计型腔、型芯、镶块、流道、进浇口顶出与复位系统，完成模具设计，利用材料清单工具自动生成该套模具的材料清单，利用装配图样、组件图样工具可以创建模具的装配图和相关零件的工程图[3]，模具结构如图18所示。

3 模具制造

由于模架已经标准化，模具零件的制造主要是加工型芯、型腔、镶件等；选用材料为P20，根据企业现有设备，对于成型零件的大多数特征，均可以采用数控铣或加工中心进行粗加工、半精加工、精加工，对型腔，型芯的镶件部分的盲孔以及深槽、窄缝、肋的特征结构需制作电极后采用电火花加工。对于水道等较深的圆形孔，采用深孔钻钻削加工。

图18 支架模具结构图

3.1 模具型腔及型芯的数控加工

（1）型腔加工工艺选择与加工参数设置。

支架模具型腔模坯材料P20，尺寸100×80×25mm，型腔加工工序为：粗加工→半精加工→局部区域精加工→精加工→ 拆分电极对电极加工。型腔数控加工工艺选择及加工参数设置如表1所示。

（2）型芯加工工艺选择与加工参数设置。

支架模具型芯模坯材料P20，尺寸100×80×35mm，型芯加工工序可分为：粗加工→半精加工→局部精加工→精加工→拆分电极对电极加工。型芯数控加工工艺选择及加工参数设置如表2所示。

表1 型腔数控加工工艺选择及加工参数设置

表2 型芯数控加工工艺及加工参数设置

（3）生成和验校刀轨路径。

在UGNX10.0加工模块中生成刀轨路径，并进行刀轨路径的验校、模拟。可以在图形区进行旋转、平移、放大视图并进行刀轨动态仿真，检查生成的刀轨路径是否合理，合理后确认，按表1的加工工艺完成型腔、型芯的各工序的粗加工、半精加工、精加工，生成各工序的刀路轨迹。以型腔半精加工内容等高精加工策略工艺类型为例，使用R1.5mm的硬质合金球头铣刀所示刀具路径及仿真如图19所示。

图19 型腔等高精加工策略刀具路径及仿真

（4）产生NC程序。

刀具轨迹路径经过模拟仿真和检查确定无误之后，将这些刀具路径按其在加工中心机床中的加工顺序排列，然后通过UG加工模块经自动处理后即可产生机床代码文件cavity.TAP，即可导入机床对零件进行加工。如图20所示是型腔等高精加工经后置处理产生的数控加工NC程序片段。

3.2 电极的数控加工

根据工艺规划，型腔数控加工部分已经完成，由于在型腔、型芯的镶件部分的盲孔、直角需要电火花加工，需要加工所需紫铜电极。以型腔镶件电极加工为例，刀具路径及仿真如图21所示。

图20 数控加工NC程序

图21 型腔镶件电极加工刀具路径及仿真

4 结论

本文以支架产品为例，利用CAD/CAM/CAE技术，对制品设计进行验证，用MoldFlow进行分析，在模具浇注系统及冷却系统进行指导性设计，根据分析结果优化了制品及结构设计方案，UG加工模块编程生成程序进行加工，三者集成形成一体化技术，顺利完成了模具的开发和制造，且质量可靠，圆满完成企业所交付的任务。