注塑模具結構設計及鑲塊SLM 制作分析

林錦輝

（福州第一技師學院，福建 福州 350001）

工業4.0 時代，信息技術、新材料技術、3D打印技術等推動了工業現代化、智能化的發展進程。在注塑模具的設計和制造中，高精度、高效率、標準化等成為基本要求。為了滿足這些要求，在注塑模具的設計方法上必須要加以創新，而CAE 軟件除了具有優化產品結構設計的功能外，在分析型腔平衡性、縮短設計周期等方面也有顯著優勢。同時，隨著3D 打印技術的成熟，對于一些結構復雜的注塑模具，將CAE 和SLM技術相結合，將會顯著提高注塑模具的精度，從而為提升產品品質和改良使用效果提供了技術支持。

1 注塑模具的結構設計

設計一種生產數碼相機前殼塑料件的注塑模具，塑件要求如下：材料為ABS；表面光滑，無毛刺、氣孔、熔接痕；尺寸精度達到MT Ⅲ級。注塑模具的結構設計要點如下。

1.1 模具分型面設計

通過分析塑件的工藝特征，判斷屬于深腔殼類塑件。為確保塑件不會產生翹邊等問題，將模具設計為一模雙腔結構，并采用對稱布置，可以保證模具受力平衡，提高塑件的加工質量和延長模具的使用壽命。在確定型腔布置方案后，還要設計用于取出塑件流道凝料的分型面。在該模具中，分型面由兩部分組成：其一是整體分型面，即殼體的邊緣線；其二是細部分型面，即殼體平面上各個通孔的邊緣線。為保證塑件美觀，將細部分型面均設置在背面。具體設計方式如圖1 所示。

圖1 模具分型面布置意圖

基于上述設計思路，打開UG NX 9.0 軟件，通過以下步驟構建模具分型面的三維模型：（1）在“項目設置”中，將材料設定為ABS，收縮率1.035，單位為mm。（2）在“模具CSYS”中，將模具坐標作為產品中心，同時在“鎖定XYZ 位置”選項欄中，勾選“鎖定Z”位置。（3）在“工件”中，工件方法、工件尺寸等全部采用默認參數即可。（4）選定塑件上的所有通孔，并標記其形狀、尺寸、坐標等基本信息。然后單獨創建每一個通孔的分型面。（5）分別使用紅色、綠色自動標記型芯和型腔。若有未定義區域沒有標記顏色，則查明其屬性后手動標記。最后根據標記結果，自動畫出分型線，得到分型面。

1.2 澆注系統設計

使用注塑模具批量化生產塑件時，主流道頻繁接觸高溫噴嘴，很容易出現磨損。為了方便更換，在澆注系統設計中，需要將澆口套設計成為可拆卸的組件。根據塑件的形狀、壁厚，以及標準工況下的注射速度，將分流道的截面設計成為U 型，半徑5mm，深度8mm，傾角30°。設計澆口位置時，計算注塑時的流動陰力，將澆口布置在陰力最小處。在注塑陰力分析中，可借助于Moldflow軟件，分析結果如圖2 所示。

圖2 澆口注塑流動陰力分析圖

結合圖2 可知，在藍色區域內注塑陰力較小，選擇這4 個區域設置澆注口，不容易留下澆注痕跡，有助于提高塑件表面的光滑度。為了從4 個選項中找出最佳澆注口，還要在軟件中模擬注塑過程，并確定最佳的填充時間。仿真結果表示，I 區域最佳填充時間為1.33s，II 區域最佳填充時間為1.17s，Ⅲ區域最佳填充時間為1.12s，IV 區域最佳填充時間為1.06s。除了填充時間外，還可以使用該軟件進行氣穴比較、鎖模力比較、體積收縮率比較等。最終結果如表1 所示。

綜合表1 中的6 向指標，認為II 接口綜合注塑效果最佳，因此可以將其作為澆注口。

表1 4 個澆口各項指標的仿真分析結果

1.3 成型零件設計

成型零件也是注塑模具的重要組成，按照類型又可分為型芯、型腔、鑲件等。這里以型芯為例，在詳細參數設計上，芯型零件的徑向尺寸為112.5mm，深度為24.1mm。使用CAM軟件進行仿真分析可知，其結構比較復雜，局部有深槽，加上結構精度要求較高，如果采用常規的數控銑床加工成型，可能會出現精度不達標，或者是損傷零件的情況。因此，在芯型加工中使用SLM技術制作，以保證結構精度。

1.4 標準模架的選擇

選擇有型腔、型型及鑲件組成的三分型面模架，使用螺釘進行模架固定，同時在鑲件下方設置獨立的支撐板。參考《模具設計手冊》中的有關規定，對于尺寸在120-150mm 之內的塑件，其內模鑲塊的壁厚以25mm 為宜。據此設計內模鑲塊的尺寸為240mm×180mm×12mm。同樣參考《模具設計手冊》中的相關規定，可以分別計算出模板周界尺寸、墊塊厚度以及動/定模板厚度等基本參數。標準模塊的各項參數確定以后，選擇一臺XS-ZY 型螺桿式注射劑，對該模架的開合模行程、取件所需空間等進行校驗。結果如表2 所示。

表2 標準模架的校核結果

2 注塑模具鑲塊SLM 制作

2.1 鑲件的參數設置和打印

在利用SLM技術打印模具零件之前，首先要確定型芯和鑲塊的工藝參數。在使用UG NX 軟件制作注塑模具的三維模型之后，將該模型的原始文件以STL 格式單獨保存。使用Materialise 3-matic 軟件，在新建項目中勾選剛才保存的STL 格式文件。成功導入之后，可以在設置選項中，對型芯、型腔、鑲塊的工藝參數進行調整和優化。在參數設定完畢后，可以利用SLM技術將鑲塊打印出來。考慮到鑲塊體積較小、結構復雜并且對精度要求極高，因此在打印設備的選擇上也有較高要求，本文選擇德國EOS 公司生產的M290 型選擇性激光熔化3D 打印設備，基本參數如表3 所示。

表3 M290 3D 打印設備的基本參數

鑲塊的成型材料選擇專門用于3D 打印的MS1 鋼粉末，該材料的機械性能優、熱處理效果好，易于焊接、拋光和鍍膜。打印設備和打印材料都準備妥當后，按照設計好的注塑模具鑲塊三維模型，啟動設備完成自動打印。需要注意的是，為了進一步提高鑲塊表面質量，防止出現翹邊、毛刺等問題，打印上層表皮時，選擇雙層打印模式，一層為打印，另一層為重熔。

2.2 鑲件的優化處理

在SLM制作鑲塊時，噴出的金屬粉末一部分通過激光熱熔組成了鑲塊，還有一部分則粘附在鑲塊表面或溝槽中。因此在制作完成后，還要借助于氣槍等工具將這些金屬粉末全部清理干凈。然后取出鑲塊，采用肉眼觀察或借助于放大鏡觀察的方式，將局部存在的毛刺或凸起的顆粒等，使用砂紙輕輕打磨。在完成優化處理后，還要采取線切割的方式，讓鑲塊與打印設備的載物臺分離。最終得到的鑲塊表面光滑，無翹邊、毛刺、氣孔等瑕疵。上表面重熔效果優良，未發現有熔接痕。各通孔的斷面成型良好，尺寸精度符合設計要求，成果圖如圖3 所示。

圖3 SLM 制作鑲塊的成果圖

按照同樣的方法，使用SLM制作注塑模具的型腔與型腔。經優化處理后，采用螺釘固定的方式，將型腔固定在檢測設備的臺板上，再將型腔、鑲塊等安裝在型腔上，進行精度檢測，對比判斷基于SLM 制作的注塑模具和CAD 設計的模型之間是否存在尺寸誤差。

2.3 鑲件的誤差分析

2.3.1 粗糙度檢測

粗糙度是評價注塑模具制作質量的關鍵指標，尤其是對于數碼相機這類高端的精密化產品，對模具的粗糙度要求更加嚴格。粗糙度檢測使用日本三豐（Mitutoyo）生產的電子式粗糙度檢測儀，測量參數設定為：速度0.8mm/s，橫向波長3.0mm，縱向波長12μm，其他參數均為默認值。在固定好的注塑模具表面和立面，分別隨機選擇10 個點位測量其表面粗糙度。其中，表面粗糙度的最小值為3.67μm，最大值為4.02μm，平均值為3.82μm。粗糙度達標，且誤差較小。而里面粗糙度的最小值為8.25μm，最大值為11.33μm，平均值為10.04μm。粗糙度較差，且誤差較大。因此需要根據測量結果，對局部進行打磨、拋光處理。

2.3.2 關鍵尺寸檢測

對于注塑模具整體尺寸的檢測，一般使用激光掃描儀即可，具有效率高、易操作等特點，但是對于關鍵部位的精度檢測來說，激光掃描儀的精度可能達不到要求。這種情況下就需要使用三坐標測量機，對于一些結構比較復雜，精度要求較高的部分，做進一步的精度測量。測量時要求室內溫度恒定在（22±3）℃，檢測步驟如下：（1）將三坐標測量機置于平整的工作臺上，使用酒精布擦拭三坐標測量機的載物臺。利用一側手柄調節縱測針，使其歸零。之后將需要檢測的注塑模具放置到載物臺上，并利用上下夾具將待測模具固定好。（2）三坐標測量機掃描注塑模具后，提取其三維坐標，并在系統中聲場對應的三維模型。（3）導入設計好的CAD 圖，系統自動對比CAD 圖中各點坐標與三維模型中各點坐標的匹配度。（4）平面上各點坐標的允許公差為±0.1mm，立面上各點坐標的允許公差為±0.3mm。實際誤差在該范圍內，即為精度達標；若超出該范圍，則需要進行打磨或拋光處理。

結束語

在塑料制品對精度要求日益嚴格的背景下，注塑模具的結構設計成為決定塑料制品生產質量的關鍵因素。在信息化背景下，使用CAD/CAE 等軟件進行注塑模具的結構設計，既簡化了設計流程，同時也提高了設計精度。尤其是對于型腔、型芯和鑲塊等體積較小、結構緊密的零件，選擇基于CAE 軟件的三維設計，為制作中的精度控制創設了良好條件。在此基礎上，配合使用SLM制作工藝，可以顯著提高注塑模具的表面精度，在提高塑料制品質量方面效果明顯。