劉 波

湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（湖南湘潭 411207）

1 引言

塑料模具工程項目是選手獨立運用塑件設(shè)計、數(shù)控編程、數(shù)控加工、模具裝配以及塑件注射成型等專業(yè)知識和技能，依據(jù)比賽圖紙和要求，運行CAD/CAM軟件和操作加工中心等設(shè)備，完成塑件建模、模具設(shè)計、數(shù)控加工、模具裝調(diào)等模具專業(yè)的全過程工作，最后注射成型出合格的塑件的競賽項目，塑料模具工程項目包括：模具設(shè)計和模具制造兩個模塊[1]。本文主要介紹模具設(shè)計模塊。

模具設(shè)計模塊包括：塑件建模和模具設(shè)計兩個部分。塑件建模根據(jù)模具設(shè)計模塊的塑件2D圖紙，使用比賽指定CAD軟件（本文利用UG軟件）完成塑件3D建模。塑件建模完成后，塑件3D模型必須上交。模具設(shè)計根據(jù)選手自己剛完成的塑件3D模型，設(shè)計符合生產(chǎn)實際要求的3D模具結(jié)構(gòu)。3D模具結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后并生成2D工程圖，包含：型芯、型腔、滑塊(主體)、斜頂（主體）、型芯固定板、型腔固定板、頂桿固定板、模具裝配圖和塑件圖共9張2D工程圖。

2 塑件建模

模具設(shè)計模塊總共4小時，賽題塑件2D圖如圖1所示，需完成塑件的3D建模和模具設(shè)計任務(wù)，可以看出競賽任務(wù)重而時間緊。賽題細節(jié)特征和特征尺寸非常多，其建模思路如表1所示。

3 塑件結(jié)構(gòu)工藝性分析

圖1 塑件2D圖

表1 塑件3D建模思路

塑件主要特點是細節(jié)特征較多，其中兩個凸臺中間的孔采用碰穿方式成型，4×φ2mm柱位孔需鑲件對碰成型，其余孔特征也均采用碰穿方式。塑件四周和內(nèi)部沒有倒扣，無需抽芯機構(gòu)。塑件表面要求無毛刺、披鋒、熔接痕等缺陷。該塑件壁厚均勻，均為1mm，有利于塑件的成型。塑件材質(zhì)要求選用聚苯乙烯（PS），收縮率為0.5%，PS的流動性好，成型加工容易。外形尺寸為44×42×9mm，屬于小型塑件。

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 選擇分型面

分型面的選擇受到塑件的外觀形狀、尺寸精度、抽芯機構(gòu)、澆口類型和位置、模具加工條件等多方面因素影響，分型面設(shè)計的合理性，決定塑件的成型質(zhì)量[2]。該塑件四周有7°的拔模角，分型面位置比較明顯，選取在塑件脫模方向最大的投影邊緣部位，如圖2所示。

圖2 塑件分型面的設(shè)計

4.2 確定模具總體結(jié)構(gòu)

經(jīng)過上述塑件結(jié)構(gòu)工藝性分析，該塑件無特殊結(jié)構(gòu)，根據(jù)賽題要求模具按一模兩腔設(shè)計，采用大水口進膠即可滿足塑件成型要求。綜上考慮，本設(shè)計選用龍記CI標準型大水口模架。

4.3 確定澆注系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)中澆口的設(shè)計十分關(guān)鍵，澆口的位置、類型及尺寸直接影響塑件質(zhì)量。賽題圖紙技術(shù)要求已要求模具結(jié)構(gòu)采用一模兩腔布局，澆口形式采用Wall side gate（即側(cè)澆口）。側(cè)澆口是一種使用最廣泛的澆口，適用于各種形狀的塑件，但對于細而長的桶形塑件不宜采用，適用PE、PP、PC、ABS、PS等塑料，側(cè)澆口的優(yōu)點是形狀簡單，加工方便，去除澆口比較容易；缺點是塑件與澆口不能自行分離，塑件容易留下澆口痕跡[3]。

利用UG軟件測量出兩個塑件體積之和約為5.1cm3，PS密度為1.05g/cm3，質(zhì)量約為5.4g，屬于小型塑件。PS澆口設(shè)計的理論參考值為0.5～1.5mm。綜上考慮，澆口尺寸初步設(shè)計為1.2×0.8mm。

分流道的截面形狀和尺寸，應(yīng)根據(jù)塑料的工藝性能，塑件的形狀大小、壁厚及分流道的長度等因素來確定[4]。一般常見塑件壁厚（2.0～3.0mm），圓形分流道直徑可在φ3.5～φ7.0mm選用?？紤]塑件質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡單、流程短等因素，本模具分流道直徑選用φ5.0mm。主流道頂部直徑為φ4.5mm，圓錐夾角為3°，總長度為85.5mm。澆注系統(tǒng)和型腔布局如圖3所示。

圖3 澆注系統(tǒng)和型腔排列方式

4.4 成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

型芯和型腔均設(shè)計為整體嵌入式，但型腔有8處局部細小結(jié)構(gòu)，影響模具加工和模具壽命，綜合考慮設(shè)計為局部鑲針形式。但鑲針的圓角成型部位屬于斜曲面，所以需考慮鑲針防轉(zhuǎn)。防轉(zhuǎn)方式和型腔結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 型腔結(jié)構(gòu)與鑲針結(jié)構(gòu)

4.5 推出機構(gòu)的設(shè)計

PS性脆易開裂，須設(shè)計合理的脫模機構(gòu)，防止因頂出力過大或不均勻而導(dǎo)致制品開裂，選擇較大的脫模斜度[5]。根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)特點和模具結(jié)構(gòu)，在塑件包緊力較大的位置設(shè)計了6根φ3mm的直頂桿，注意頂桿需做防轉(zhuǎn)設(shè)計。在塑件柱位處，設(shè)計了4根司筒和司筒針用于成型與頂出。頂桿位置和司筒位置如圖5所示。

4.6 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

考慮塑件屬于扁平類零件，模具無抽芯機構(gòu)，水路布局空間選擇性較大。將型芯冷卻水道設(shè)計成單組單層環(huán)形水路，冷卻水道充分經(jīng)過成型區(qū)域，如圖6所示。同樣，把型腔冷卻水道設(shè)計成單組單層環(huán)形水路，冷卻水道充分經(jīng)過成型區(qū)域，如圖7所示。

4.7 其它模具輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計

賽題要求模具需設(shè)計其它輔助結(jié)構(gòu)，設(shè)計要求見表2。表2內(nèi)容的設(shè)計方法在本文中不詳細介紹，具體結(jié)構(gòu)在總裝配圖8中可見。

表2 模具其它結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

圖5 頂出機構(gòu)

圖6 型腔冷卻水路圖

圖7 型芯冷卻水路圖

圖8 模具結(jié)構(gòu)

5 模具工作過程

模具結(jié)構(gòu)如圖8所示。合模時，在導(dǎo)套14和導(dǎo)柱11的導(dǎo)向和定位作用下，注塑機的合模系統(tǒng)帶動動模部分向前移動，使模具閉合，并提供足夠的鎖模力鎖緊模具。開模時，注塑機合模系統(tǒng)帶動動模向后移動，模具從定模板18和動模板8的分型面分開，塑件包在動模型芯10上隨動模一起后移，同時拉料桿39將澆注系統(tǒng)主流道凝料從澆口套34中拉出，開模行程結(jié)束，注塑機液壓頂桿推動推出機構(gòu)開始工作，頂桿5和拉料桿39分別將塑件和澆注系統(tǒng)凝料從動模型芯10和冷料井中推出，至此完成一次注射過程。

6 結(jié)束語

通過基于UG對往屆世界技能大賽“塑料模具工程”賽題3D塑件建模和模具設(shè)計。介紹了賽題塑件建模關(guān)鍵步驟，分析塑件建模任務(wù)中難點在于圖紙細節(jié)特征和尺寸比較多，給識圖帶來一定難度。這就要求選手在建模過程中一定要認真看清楚尺寸結(jié)構(gòu)要素，找到較好的建模方法。在模具設(shè)計中，根據(jù)賽題已知條件和要求，注意模具結(jié)構(gòu)細節(jié)的處理，如頂桿和鑲件是否需要防轉(zhuǎn)，頂桿數(shù)量和位置是否合適，頂出限位機構(gòu)、邊鎖、內(nèi)定位、鎖模片等機構(gòu)是否按要求設(shè)計，確保模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的完整性和合理性。