醫用護目鏡鏡片注塑模設計及模流分析 *

竇鹿研，王全先

(安徽工業大學 機械工程學院,安徽 馬鞍山 243002)

0 引 言

隨著科學技術的不斷發展，注塑模技術也不斷的前進，高精度、高壽命、自動化生產等成為當今的注塑模技術發展方向。在現代工業生產中，注塑模設計會遇到各種各樣的問題，例如產品壁厚是否均勻、澆注系統是否合理、氣穴和模具翹曲變形等問題，以前的方法是根據模具設計師的經驗，隨著數字化設計技術不斷的提高，模流分析軟件代替了經驗判斷，并且得到的數據穩定可靠，降低了制造風險和成本，也縮短了模具制造周期[1]。

醫用護目鏡鏡片是護目鏡中生產最為嚴格的部件。護目鏡鏡片要求表面應光滑、無劃痕、波紋、氣泡、雜質或其他可能有損視力的明顯缺陷[2]。影響模具注塑質量的因素非常多，因此加工注塑模之前，需要使用CAE軟件對模具進行模流分析，從而獲取最佳澆注系統、最佳冷卻水路布局、最佳注塑參數等數據信息，從而保證注塑產品的質量要求。筆者以護目鏡設計為例設計注塑模模具，使用華塑CAE7.5軟件對模具進行模流分析，獲得最佳澆注系統和分析制件最終變形量，以此為依據優化注塑模設計。

1 產品工藝性分析

產品名稱為護目鏡鏡片，尺寸為145×58×47( mm)，制件壁厚大約為1.8 mm，且壁厚均勻。產品結構特點如圖1所示,制件左右兩側面較高，具有相應拔模角度。

在產品的左右兩側分別具有三個斜槽，槽孔并不是水平方向的，護目鏡鏡片是透明產品，因此正反面表面質量要求都非常高，抽芯機構、頂出機構和分型面等都不可影響到制件的表面質量；護目鏡側面槽是斜槽，如圖2所示,需要設計抽芯機構完成側孔成型。

圖1 護目鏡鏡片圖2 護目鏡鏡片側孔

2 產品材料選擇與注塑機主要工藝參數選擇

護目鏡鏡片材質采用透明材料聚碳酸酯英文簡稱PC，材料無色透明，具有良好的光學性(光透過率90%±1%)、同時有較高韌性、良好的耐有機化學性和一定的抗沖擊能力(抗沖擊強度為600～900 J/m)。聚碳酸酯密度為1.18～1.2 g/cm3，PC收縮率為0.5%～0.8%。注塑模具采用一模兩腔，制件總質量40 g，總體積為34 cm3，澆道凝料約占20%，體積約為8 cm3。

根據實際情況選擇臥式注塑機，型號為HDX128，射膠量183 g，合模力1 280 kN，射膠壓力160 MPa，注塑機注射容積為201 cm3。

kVmax≥nV塑+V澆

(1)

式中：k為實際注塑量與注塑機最大注塑量比值，取0.8；Vmax為注塑機最大注塑量；n為型腔數目，取2；V塑為單個制件體積；V澆為澆道凝料體積。

經計算計算，完全滿足當前模具使用。初步確定護目鏡鏡片注塑工藝主要參數見表1所列。

表1 護目鏡鏡片注塑工藝主要參數表

3 分型面設計及制件布局形式

3.1 分型面設計

分型面設計是模具設計中最為重要的環節之一，分型面對制件成型質量、模具加工成本以及壽命等均有影響。根據護目鏡鏡片質量要求以及制件結構特點，分型線選擇在制件的最大輪廓處，盡量保證分型面光順[3]。由于制件具有一定厚度，在選擇最大輪廓時，選擇制件底側最大輪廓。使用UG10.0軟件，抽取分型面、曲面補片、設計分型面等，最后拆分出型腔、型芯分型面如圖3所示。

3.2 型腔布局形式確定

根據護目鏡結構特征和批量生產的要求，兩側具有抽芯結構，過多腔數會導致無法設計抽芯機構，因此最終確定為一模兩腔的布局形式，如下圖4所示。

圖3 產品分型面 圖4 一模兩腔布局

在一個模具有兩個成型腔，在一次注塑循環中生產兩個工件，效率遠高于單腔模，同時降低護目鏡生產成本。

4 抽芯機構設計

在制件中如果存在與脫模方向不一致的孔、槽等特征，在模具的注塑過程中無法完成制件的直接脫模，需要設計抽芯機構完成制件的脫模。一般抽芯機構有兩種分別為斜頂機構(用于成型制件內側特征)和滑塊機構(用于成型制件外部特征)[4]。

醫用護目鏡鏡片在側面具有斜槽特征用于通風，如圖2所示。因此，需要設計抽芯結構完成制件側向斜槽成型。護目鏡鏡片側面斜槽為外部特征，故設計滑塊機構完成制件側槽成型。斜槽外側平面略低于鏡片表面，為保證鏡片一致性，在設計滑塊成型部分需要包含整個斜槽及斜槽周圍平面。側面斜槽與Y軸有10°夾角，如圖5所示。為保證斜槽完整成型，抽芯機構設計應與其角度相同。

圖5 護目鏡斜槽剖切面

注塑模采用一模兩腔的布局形式，每個鏡片具有兩處斜槽特征，因此，需要設計4處抽芯機構。抽芯結構設計如圖6所示，其中斜導柱和楔緊塊固定在上模部分，滑塊、壓條裝配在下模部分。開模時上摸、下模部分分離，利用斜導柱將滑塊向后撥動，完成抽芯，滑塊后側反鏟限制滑塊行程。合模時利用斜導柱初定位，使滑塊快速復位，至合模位置時，楔緊塊斜面壓住滑塊斜面，保證滑塊成型位置，實現滑塊精確定位。

圖6 抽芯機構1.反鏟 2.楔緊塊 3.斜導柱 4.彈簧 5.壓條

5 注塑模澆注系統設計

澆注系統是注塑機將熔融塑料注射進入型腔的通道，一般包括主流道、分流道、進澆口和冷料穴。

根據制件的布局形式設計制件的注射系統，澆注系統的主流道一般為標準件，基于制件的質量、體積確定澆口套尺寸即可，如圖7所示。

圖7 澆口套

注塑模設計采用一模兩腔的布局形式，同時制件的內外表面都不允許有任何瑕疵，因此澆口選用側澆口進膠方式[5]。

(2)

h=nt

(3)

式中：n為塑料系數，取0.7；A為型腔投影面積；t為產品壁厚;A為型腔投影面積。

根據UG軟件分析結果，型腔投影面積為A≈13 886.9 mm2，產品壁厚t約為1.8 mm。經計算b≈2.7 mm，h≈1.3 mm。如圖8所示。

圖8 澆口設計

分流道采用S形，流道截面類型為圓形截面，具有加工方便、便于脫模的特點。進膠口采用扇形進膠口，如圖9所示。

醫用護目鏡注塑模總裝圖如圖10所示，熔融塑料通過注塑機噴嘴注塑進入注塑模澆口套9，最終充填整個型腔10、13，再經過保壓、冷卻成型，通過推出系統8將制件頂出模外，從而完成整個模具的注塑。在注塑模中，導柱12、導套11是精確定位的元件，彈簧4、復位桿5是模具的復位機構，滑塊19、斜導柱20、楔緊塊21是抽芯機構，司筒14，頂針18、勾料針15是推出系統。

圖9 澆注系統

圖10 護目鏡注塑模裝配圖1.下模座板 2.頂針底板 3.復位桿 4.彈簧 5.B板 6.A板7.上模座板 8.定位圈 9.澆口套 10.型腔 11.導套 12.導柱13.型芯 14.司筒 15.勾料針 16.頂針固定板 17.C板18.頂針 19.滑塊 20.斜導柱 21.楔緊塊

6 模流分析驗證

模具設計是否合理，制件生產能否滿足質量要求，有無需要改進的地方等等，需要經過模流分析軟件分析驗證模具。

6.1 網格劃分

華塑CAE軟件使用華塑網格管理器劃分制件。將制件從UG軟件導出為stl格式。尺寸單位選擇毫米，劃分網格邊長為1.5 mm，如圖11所示。網格檢查要求八個方面需要全部通過才能進行接下來的分析任務。

圖11 護目鏡制件網格劃分

6.2 注塑模的模流分析模型

通過網格劃分后的制件，導入華塑CAE分析模塊。根據要求設置好一模兩腔的布局形式，制件間距與設計保持一致；澆口形式設置為扇形澆口，尺寸要求與設計保持一致，完成后如圖9所示。

工藝參數，包括塑件材料，注塑機選擇、成型條件等工藝數據，如圖12、13所示。

圖12 注塑機參數

圖13 溫度設置

冷卻系統設置，冷卻水路采用直通式的水路類型，具有便于加工、冷卻效果好等特點。設計如圖14所示。

圖14 冷卻系統

冷卻系統參數設置如圖15所示。其中，室內溫度會隨著季節不同發生較大改變，本次設置為秋季溫度室內溫度20℃；熔體溫度與澆注系統溫度相對應。其他工藝參數設置值見表1。

圖15 冷卻條件設置

6.3 CAE分析評價

制件填充過程中不可避免出現融合紋，為了避免融合紋出現在表面，澆口設置2個，根據華塑CAE分析結果，采用表1所列初定的注塑工藝參數，該模具可能產生融合紋主要位置在制件的邊側，不會造成影響視線的瑕疵。

根據分析結果，如圖16所示，圓球為氣穴，波紋為融合紋。在制件的斜槽位置和底部凸臺位置，該位置設置頂桿和滑塊，可以起到排氣作用，因此不會產生不良影響。

整個充填時間約為0.34 s，如圖17所示，時間較短，在允許范圍之內。可見整個澆注系統設計合理。

圖16 氣穴和融合紋分布圖17 流動前沿

如圖18所示，模具的冷卻時間大約為25.92 s，制品的溫度區間在43.5～77.5 ℃，型芯型腔平均溫差9.69 ℃，最大溫差為26.67 ℃，出現在制品的兩側上面部分，該位置存在加強筋造成冷卻較慢，其他位置溫差約在7 ℃以內，符合最大溫差和最小溫差要求。如圖19所示，模具冷卻系統進水口和出水口溫差在2 ℃以內，符合冷卻介質溫度差合理范圍(3 ℃)。綜上所述，冷卻系統設計合理。

圖18 型腔型芯溫差圖19 冷卻介質溫度

模具能否進行加工和開模，還要考慮軟件分析制件最終翹曲量是否在要求范圍之內，根據華塑CAE分析結果顯示，制件最大翹曲量為0.13 mm，如圖20所示。

圖20 制品翹曲

最大翹曲位置分布在制品的兩側加強筋處，由于冷卻不均和該位置壁厚突變導致，但變形量較小，符合要求。

7 結 語

根據醫用護目鏡鏡片產品的形狀特點，在初定注塑機工藝參數基礎上，通過UG 三維軟件進行了注塑模具設計，主要包括制件分析、制件分型、模具結構設計、澆注系統設計、冷卻系統設計、頂出系統設計等方面的設計。

對所設計的注塑模具使用分析軟件為華塑CAE7.5進行模流分析。分析結果表明模具的澆注系統合理，冷卻系統冷卻均勻，制件無缺陷和瑕疵，模具翹曲在要求范圍之內。文中經過模流分析驗證了工藝參數、模具結構及各類系統，為進一步的模具制造及注塑實踐打下堅實的基礎。