基于參數(shù)計算的杯托注塑模具設(shè)計與工藝優(yōu)化

馬桂潮

（廣東省機械技師學(xué)院，廣東 廣州 510450）

1 杯托產(chǎn)品參數(shù)分析

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）具有較高的耐沖擊韌度，表面光澤度好，易于加工、成本低定特征[1]，因此該杯托產(chǎn)品塑件要求使用ABS材料，外表光滑、沒有披風(fēng)、流紋等。

1.1 功能性分析

一次性塑料杯或紙杯是會議室、餐館等場合的常用品，但由于其材料太軟或隔熱性效果不理想，拿杯的人時常會感到燙手，因此設(shè)計并生產(chǎn)具有實用價值的塑料杯托，具有較好的市場前景。

1.2 工藝性分析

杯托總體尺寸87.5 mm×65.7 mm×61.0 mm，產(chǎn)品尺寸較小，壁厚為2.0 mm，縱向脫模斜度達到6°，滿足制件頂出要求。

杯托頂端直徑為65.7 mm，足夠放置一個標(biāo)準(zhǔn)型一次性塑料水杯，把手處開口尺寸為27.1 mm，考慮ABS材料的塑形，可以夾緊杯子，不會導(dǎo)致杯子脫落。手底部采用兩端圓弧連接，剛好是人手持杯托時中指抵住的位置，符合人體工程學(xué)。

產(chǎn)品要求外表光滑，不能有氣泡、凹陷、披風(fēng)和流紋等瑕疵。

1.3 計算產(chǎn)品的體積與澆注質(zhì)量

通過計算機輔助設(shè)計軟件計算，產(chǎn)品體積V1=26.27 cm3。

查表得到ABS的密度為1.05 g/cm3，所以單件產(chǎn)品的質(zhì)量m1=27.58 g。

澆注系統(tǒng)的體積V2≈8.41 cm3，澆注系統(tǒng)的質(zhì)量m2=8.83 g。

總的澆注質(zhì)量m總=m1+m2=35.10 g。

杯托產(chǎn)品尺寸如圖1所示。

圖1 杯托產(chǎn)品尺寸

2 型腔數(shù)目的校核和確定

型腔數(shù)與注塑機的塑化速率，最大注塑量和鎖模力等參數(shù)有關(guān)，還需要考慮模具的成本控制，根據(jù)注塑機性能參數(shù)確定型腔[2]。

由注塑機最大注射量確定型腔數(shù)量N：

式中：K——注射機最大注射量利用系數(shù)，一般取0.8；m0——注射機最大注射量（g）；m澆——澆注系統(tǒng)需要的塑料質(zhì)量（g）；mi——單個塑件的質(zhì)量（g）。

m0=55 g，m澆=8.83 g，mi=27.58 g，代入數(shù)據(jù)可得N≈1.27。

因此，型腔的數(shù)目為1。

3 系統(tǒng)及儀器的參數(shù)計算

通過對制件的體積計算及各項參數(shù)的校核初選注塑機型號為XS-ZY125/90。

3.1 最大注塑量校核

注塑機的最大注塑量應(yīng)保證在注滿型腔后還有20%的余量，實際注塑量為制件、流道和澆口的質(zhì)量之和。

式中：K——最大注射量的利用系數(shù)，一般取0.8；V0——最大注射容積（cm3）；V——塑件的體積（制件、流道和澆口的體積之和）（cm3）；Vi——一個塑件的體積（cm3）；n——型腔數(shù)；V澆——澆注系統(tǒng)體積（cm3）。Vi=26.27 cm3，V澆=8.41 cm3，n=1，代入數(shù)據(jù)，選擇125 cm3注塑量的注塑機可以滿足生產(chǎn)要求。

3.2 鎖模壓力校核

鎖模壓力是保證模具緊密、防止制件飛邊的重要參數(shù)，其與型腔的壓力關(guān)系為：

式中：K——安全系數(shù)：一般取0.9；F0——注射機公稱的鎖模力（kN）；P?！?nèi)平均壓力（MPa）；F——注射壓力作用于型腔內(nèi)所產(chǎn)生的作用力；A分——塑件、流道、澆口在分型面上的投影面積之和（mm2）。

F0=400 kN，P模=34.3 MPa，A分=13 400 mm2，代入數(shù)據(jù)KF0＞F，選定的注塑機鎖模力為850 kN，滿足生產(chǎn)條件。

3.3 杯托模具長度尺寸校核

杯托模具的長寬尺寸為200 mm×230 mm，小于XS-ZY125/90型號注塑機拉桿間距為250 mm×300 mm，符合要求。

綜合驗證，XS-ZY125/90型注塑機完全滿足此模具的注塑要求。

3.4 分型面的選擇

依據(jù)杯托產(chǎn)品的脫模方向，分型面選擇在杯托底面，保證產(chǎn)品被順利頂出。

分型面的分型線如圖2所示。

圖2 分型面的分型線

3.5 主流道的參數(shù)分析

主流道采用標(biāo)準(zhǔn)襯套，為了使凝料能順利拔出，主流道的半錐角α通常為1°～2°，過大的錐角會產(chǎn)生湍流或渦流，卷入空氣，過小的錐角使凝料脫模困難，還會使充模時熔體的流動阻力過大，此處的錐角選用2°。主流道小端直徑D=4 mm，并在出料端設(shè)計半徑r=5 mm的圓弧過渡。

3.6 分流道的參數(shù)分析

選用阻力小、流道效率高的半圓截面流道。分流道尺寸由塑料品種、塑件的大小及流道長度確定，根據(jù)計算及查表，可以得到分流道半圓形截面為Φ5 mm。

3.7 澆口的參數(shù)分析

本產(chǎn)品澆口設(shè)計選擇在產(chǎn)品底部側(cè)端進膠，既不會影響產(chǎn)品外觀，又使進膠得到平衡，是合適的澆口位置。

分流道及澆口位置如圖3所示。

圖3 分流道及澆口位置

杯托塑件的整體厚度為2 mm，為了不留下過于明顯的澆口痕跡，入水口處厚度取1.8 mm。

3.8 脫模力的計算

式中：A——塑件包容型芯面積（mm2）；α——脫模斜度；μ——塑件對鋼的摩擦系數(shù)，為0.1～0.3；P——塑件對型芯單位面積上的包緊力（kPa），一般情況下?。?.8～1.2）×104kPa。

代入數(shù)據(jù)，可得Ft=347 kN。

3.9 確定頂出方式及頂桿的位置

頂針應(yīng)設(shè)置在脫模阻力比較大的地方，由產(chǎn)品可知，型芯周圍產(chǎn)品對型芯的包緊力很大，所以可在型芯內(nèi)靠近側(cè)壁處產(chǎn)品的內(nèi)表面上設(shè)置頂針?？紤]到脫模阻力的平衡，保證產(chǎn)品被推出時受力均勻，所以4根Φ4的頂針均布產(chǎn)品兩側(cè)。

3.10 冷卻系統(tǒng)的參數(shù)計算

杯托模具的設(shè)計中，考慮到產(chǎn)品體積并不大，壁厚2 mm，所以采用在模具散熱較為集中的兩側(cè)進行水路的布置。產(chǎn)品模型較高，且大部分在型腔區(qū)域，因此在型腔區(qū)域進行雙層冷卻。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)的大小及冷卻面積來選擇，水路離模仁的距離不超過D～2.5D，最小值為10 mm，水路間的距離為3D～5D，根據(jù)產(chǎn)品分析，選擇水路的直徑為8 mm。

4 杯托模具的加工工藝優(yōu)化

杯托模具的加工制造可依據(jù)參數(shù)化計算的模具結(jié)構(gòu)，提高杯托模具的加工質(zhì)量，主要在型腔與型芯CNC加工、電火花加工、前后模拋光和試模四部分進行工藝優(yōu)化。

4.1 型腔與型芯的CNC加工工藝優(yōu)化

型腔型芯的加工一般根據(jù)工件的工藝特點選擇合適的加工方法，杯托模具模仁的加工可以使用CNC數(shù)控機床進行粗加工和精加工。

在CNC粗加工之前，設(shè)計員通過構(gòu)建杯托模具的零件模型，數(shù)控編程員分析刀具、進給量、加工路徑、加工工藝之后進行編程，在開粗加工時，通常使用大刀具、大進給、快走刀進行加工。之后是CNC數(shù)控精加工，除加工死角外，其他刀具能進去的地方基本上已經(jīng)加工到數(shù)，為后面的火花機放電加工提供了方便。

4.2 分銅公與電火花加工工藝優(yōu)化

杯托模具型腔和型芯在經(jīng)過CNC數(shù)控的精加工之后，依舊存在杯托底部圓弧部分的加工盲區(qū)，還需要進行電火花的放電加工，清除加工死角。杯托模具需要拆分兩塊銅工進行電火花加工，第一塊為型腔底部的把手支撐圓弧，第二塊為型芯分型面處的圓角。粗、精銅工的加工可依據(jù)型腔、型芯三維模型參數(shù)進行反向加工。

4.3 拋光工藝優(yōu)化

杯托塑件表面要求為光亮面，杯托模具的部分膠位通過火花機加工，把火花紋面拋光成光亮面。首先用油石拋掉火花紋面，然后再用各種型號的砂紙來拋掉油石紋，直到鏡面，最后一道鏡面拋光是用超細(xì)“鉆石膏”進行拋光。

4.4 杯托模具試模

制作裝配完成后，對杯托模具進行試模調(diào)試，對塑件樣品進行分析，通過參數(shù)修正排除披風(fēng)、流紋等問題，樣品最終完全合格。

5 結(jié)語

通過參數(shù)計算設(shè)計的杯托注塑模具，產(chǎn)品及各結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有公式可依據(jù)，工藝精確，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)追溯，有利于注塑模具設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化。通過設(shè)計參數(shù)，優(yōu)化模具制造的加工工藝，驗證了基于參數(shù)計算的杯托注塑模具設(shè)計與工藝優(yōu)化的合理性和可行性。