注塑模具结构设计及镶块SLM 制作分析

林锦辉

（福州第一技师学院，福建 福州 350001）

工业4.0 时代，信息技术、新材料技术、3D打印技术等推动了工业现代化、智能化的发展进程。在注塑模具的设计和制造中，高精度、高效率、标准化等成为基本要求。为了满足这些要求，在注塑模具的设计方法上必须要加以创新，而CAE 软件除了具有优化产品结构设计的功能外，在分析型腔平衡性、缩短设计周期等方面也有显著优势。同时，随着3D 打印技术的成熟，对于一些结构复杂的注塑模具，将CAE 和SLM技术相结合，将会显著提高注塑模具的精度，从而为提升产品品质和改良使用效果提供了技术支持。

1 注塑模具的结构设计

设计一种生产数码相机前壳塑料件的注塑模具，塑件要求如下：材料为ABS；表面光滑，无毛刺、气孔、熔接痕；尺寸精度达到MT Ⅲ级。注塑模具的结构设计要点如下。

1.1 模具分型面设计

通过分析塑件的工艺特征，判断属于深腔壳类塑件。为确保塑件不会产生翘边等问题，将模具设计为一模双腔结构，并采用对称布置，可以保证模具受力平衡，提高塑件的加工质量和延长模具的使用寿命。在确定型腔布置方案后，还要设计用于取出塑件流道凝料的分型面。在该模具中，分型面由两部分组成：其一是整体分型面，即壳体的边缘线；其二是细部分型面，即壳体平面上各个通孔的边缘线。为保证塑件美观，将细部分型面均设置在背面。具体设计方式如图1 所示。

图1 模具分型面布置意图

基于上述设计思路，打开UG NX 9.0 软件，通过以下步骤构建模具分型面的三维模型：（1）在“项目设置”中，将材料设定为ABS，收缩率1.035，单位为mm。（2）在“模具CSYS”中，将模具坐标作为产品中心，同时在“锁定XYZ 位置”选项栏中，勾选“锁定Z”位置。（3）在“工件”中，工件方法、工件尺寸等全部采用默认参数即可。（4）选定塑件上的所有通孔，并标记其形状、尺寸、坐标等基本信息。然后单独创建每一个通孔的分型面。（5）分别使用红色、绿色自动标记型芯和型腔。若有未定义区域没有标记颜色，则查明其属性后手动标记。最后根据标记结果，自动画出分型线，得到分型面。

1.2 浇注系统设计

使用注塑模具批量化生产塑件时，主流道频繁接触高温喷嘴，很容易出现磨损。为了方便更换，在浇注系统设计中，需要将浇口套设计成为可拆卸的组件。根据塑件的形状、壁厚，以及标准工况下的注射速度，将分流道的截面设计成为U 型，半径5mm，深度8mm，倾角30°。设计浇口位置时，计算注塑时的流动阴力，将浇口布置在阴力最小处。在注塑阴力分析中，可借助于Moldflow软件，分析结果如图2 所示。

图2 浇口注塑流动阴力分析图

结合图2 可知，在蓝色区域内注塑阴力较小，选择这4 个区域设置浇注口，不容易留下浇注痕迹，有助于提高塑件表面的光滑度。为了从4 个选项中找出最佳浇注口，还要在软件中模拟注塑过程，并确定最佳的填充时间。仿真结果表示，I 区域最佳填充时间为1.33s，II 区域最佳填充时间为1.17s，Ⅲ区域最佳填充时间为1.12s，IV 区域最佳填充时间为1.06s。除了填充时间外，还可以使用该软件进行气穴比较、锁模力比较、体积收缩率比较等。最终结果如表1 所示。

综合表1 中的6 向指标，认为II 接口综合注塑效果最佳，因此可以将其作为浇注口。

表1 4 个浇口各项指标的仿真分析结果

1.3 成型零件设计

成型零件也是注塑模具的重要组成，按照类型又可分为型芯、型腔、镶件等。这里以型芯为例，在详细参数设计上，芯型零件的径向尺寸为112.5mm，深度为24.1mm。使用CAM软件进行仿真分析可知，其结构比较复杂，局部有深槽，加上结构精度要求较高，如果采用常规的数控铣床加工成型，可能会出现精度不达标，或者是损伤零件的情况。因此，在芯型加工中使用SLM技术制作，以保证结构精度。

1.4 标准模架的选择

选择有型腔、型型及镶件组成的三分型面模架，使用螺钉进行模架固定，同时在镶件下方设置独立的支撑板。参考《模具设计手册》中的有关规定，对于尺寸在120-150mm 之内的塑件，其内模镶块的壁厚以25mm 为宜。据此设计内模镶块的尺寸为240mm×180mm×12mm。同样参考《模具设计手册》中的相关规定，可以分别计算出模板周界尺寸、垫块厚度以及动/定模板厚度等基本参数。标准模块的各项参数确定以后，选择一台XS-ZY 型螺杆式注射剂，对该模架的开合模行程、取件所需空间等进行校验。结果如表2 所示。

表2 标准模架的校核结果

2 注塑模具镶块SLM 制作

2.1 镶件的参数设置和打印

在利用SLM技术打印模具零件之前，首先要确定型芯和镶块的工艺参数。在使用UG NX 软件制作注塑模具的三维模型之后，将该模型的原始文件以STL 格式单独保存。使用Materialise 3-matic 软件，在新建项目中勾选刚才保存的STL 格式文件。成功导入之后，可以在设置选项中，对型芯、型腔、镶块的工艺参数进行调整和优化。在参数设定完毕后，可以利用SLM技术将镶块打印出来。考虑到镶块体积较小、结构复杂并且对精度要求极高，因此在打印设备的选择上也有较高要求，本文选择德国EOS 公司生产的M290 型选择性激光熔化3D 打印设备，基本参数如表3 所示。

表3 M290 3D 打印设备的基本参数

镶块的成型材料选择专门用于3D 打印的MS1 钢粉末，该材料的机械性能优、热处理效果好，易于焊接、抛光和镀膜。打印设备和打印材料都准备妥当后，按照设计好的注塑模具镶块三维模型，启动设备完成自动打印。需要注意的是，为了进一步提高镶块表面质量，防止出现翘边、毛刺等问题，打印上层表皮时，选择双层打印模式，一层为打印，另一层为重熔。

2.2 镶件的优化处理

在SLM制作镶块时，喷出的金属粉末一部分通过激光热熔组成了镶块，还有一部分则粘附在镶块表面或沟槽中。因此在制作完成后，还要借助于气枪等工具将这些金属粉末全部清理干净。然后取出镶块，采用肉眼观察或借助于放大镜观察的方式，将局部存在的毛刺或凸起的颗粒等，使用砂纸轻轻打磨。在完成优化处理后，还要采取线切割的方式，让镶块与打印设备的载物台分离。最终得到的镶块表面光滑，无翘边、毛刺、气孔等瑕疵。上表面重熔效果优良，未发现有熔接痕。各通孔的断面成型良好，尺寸精度符合设计要求，成果图如图3 所示。

图3 SLM 制作镶块的成果图

按照同样的方法，使用SLM制作注塑模具的型腔与型腔。经优化处理后，采用螺钉固定的方式，将型腔固定在检测设备的台板上，再将型腔、镶块等安装在型腔上，进行精度检测，对比判断基于SLM 制作的注塑模具和CAD 设计的模型之间是否存在尺寸误差。

2.3 镶件的误差分析

2.3.1 粗糙度检测

粗糙度是评价注塑模具制作质量的关键指标，尤其是对于数码相机这类高端的精密化产品，对模具的粗糙度要求更加严格。粗糙度检测使用日本三丰（Mitutoyo）生产的电子式粗糙度检测仪，测量参数设定为：速度0.8mm/s，横向波长3.0mm，纵向波长12μm，其他参数均为默认值。在固定好的注塑模具表面和立面，分别随机选择10 个点位测量其表面粗糙度。其中，表面粗糙度的最小值为3.67μm，最大值为4.02μm，平均值为3.82μm。粗糙度达标，且误差较小。而里面粗糙度的最小值为8.25μm，最大值为11.33μm，平均值为10.04μm。粗糙度较差，且误差较大。因此需要根据测量结果，对局部进行打磨、抛光处理。

2.3.2 关键尺寸检测

对于注塑模具整体尺寸的检测，一般使用激光扫描仪即可，具有效率高、易操作等特点，但是对于关键部位的精度检测来说，激光扫描仪的精度可能达不到要求。这种情况下就需要使用三坐标测量机，对于一些结构比较复杂，精度要求较高的部分，做进一步的精度测量。测量时要求室内温度恒定在（22±3）℃，检测步骤如下：（1）将三坐标测量机置于平整的工作台上，使用酒精布擦拭三坐标测量机的载物台。利用一侧手柄调节纵测针，使其归零。之后将需要检测的注塑模具放置到载物台上，并利用上下夹具将待测模具固定好。（2）三坐标测量机扫描注塑模具后，提取其三维坐标，并在系统中声场对应的三维模型。（3）导入设计好的CAD 图，系统自动对比CAD 图中各点坐标与三维模型中各点坐标的匹配度。（4）平面上各点坐标的允许公差为±0.1mm，立面上各点坐标的允许公差为±0.3mm。实际误差在该范围内，即为精度达标；若超出该范围，则需要进行打磨或抛光处理。

结束语

在塑料制品对精度要求日益严格的背景下，注塑模具的结构设计成为决定塑料制品生产质量的关键因素。在信息化背景下，使用CAD/CAE 等软件进行注塑模具的结构设计，既简化了设计流程，同时也提高了设计精度。尤其是对于型腔、型芯和镶块等体积较小、结构紧密的零件，选择基于CAE 软件的三维设计，为制作中的精度控制创设了良好条件。在此基础上，配合使用SLM制作工艺，可以显著提高注塑模具的表面精度，在提高塑料制品质量方面效果明显。