某醫(yī)療器械帶金屬嵌件塑件的注塑模具設(shè)計

徐自明

（常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

2016年以來，隨著健康中國的實施，中國醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)進(jìn)入黃金發(fā)展期，已成為世界醫(yī)療器械的主要生產(chǎn)國和主要消費國之一。醫(yī)療器械行業(yè)是技術(shù)密集型科技行業(yè)，集電子、機械、化工、醫(yī)藥、塑料多種行業(yè)于一體［1-4］。本工作涉及的帶金屬嵌件塑件是一次性包皮切割縫合器核心部件之一，在開發(fā)過程中，遇到一些難以用傳統(tǒng)注塑模具成型方法解決的問題，通過改進(jìn)模具澆注系統(tǒng)、成型零件、脫模推出機構(gòu)、注塑機工作臺等，以滿足客戶對產(chǎn)品的生產(chǎn)和質(zhì)量要求。

1 塑件分析

帶金屬嵌件塑件的結(jié)構(gòu)見圖1，塑件中鑲有嵌件刀片。目前，按照客戶需要，共生產(chǎn)12種規(guī)格產(chǎn)品。產(chǎn)品規(guī)格按刀片內(nèi)徑確定，包括12，15，18，20，22，24，25，29，30，32，34，36 mm共12種規(guī)格。塑件呈漏斗狀，由斗頸、斗身、斗尾等組成，材料為奇美實業(yè)股份有限公司提供的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%玻璃纖維改性的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。塑件內(nèi)外表面美觀，無飛邊及熔接痕等缺陷。嵌件刀片是薄壁套類金屬零件，嵌件與塑件配合有同軸度要求，控制精度在0.04 mm。模具設(shè)計要點：（1）要適應(yīng)多規(guī)格、系列產(chǎn)品的需求；（2）模具內(nèi)嵌件刀片應(yīng)定位可靠、配合精準(zhǔn)；（3）塑件的取出及嵌件刀片的放置要方便、安全；（4）模具實現(xiàn)自動脫模。

圖1 帶金屬嵌件塑件的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of plastic parts with metal inserts

2 澆注系統(tǒng)

2.1 分流道設(shè)計

分流道設(shè)計適應(yīng)產(chǎn)品多規(guī)格、系列化生產(chǎn)的特點。在模具設(shè)計時，將12種規(guī)格產(chǎn)品分成6組，每組2種規(guī)格，模具為一模兩腔布局，通過分流道的設(shè)計，可以按照客戶需求，成型某一組的任意規(guī)格產(chǎn)品。模具澆注系統(tǒng)除了常規(guī)的主流道、分流道等部分外［5］，設(shè)計了一個特別的轉(zhuǎn)向閥部件（見圖2），標(biāo)有①，②，③共3個不同方向的通道，可以根據(jù)客戶需要，選擇不同的分流道。以成型刀片內(nèi)徑為25，29 mm兩種規(guī)格產(chǎn)品的模具為例。為了描述方便，建立XC，YC，ZC直角坐標(biāo)系，在轉(zhuǎn)向閥側(cè)面作標(biāo)記A。

圖2 轉(zhuǎn)向閥組件結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of steering valve assembly

如果只生產(chǎn)規(guī)格為25 mm的產(chǎn)品，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向閥方向，使標(biāo)記A朝向YC方向（見圖3a）。此時轉(zhuǎn)向閥①通道與定模板段分流道對接，此路分流道就接通了，熔融塑料可以在一定壓力條件下，經(jīng)主流道，通過這段分流道，進(jìn)入規(guī)格25 mm的模腔，成型產(chǎn)品。而圖示另一路分流道不通，熔融塑料不能流入，規(guī)格為29 mm的產(chǎn)品是虛影，表示沒有成型。同理，如果只生產(chǎn)規(guī)格為29 mm的產(chǎn)品，將標(biāo)記A朝向YC負(fù)方向。如果同時生產(chǎn)25，29 mm兩種規(guī)格產(chǎn)品，可以將標(biāo)記A朝向XC方向（見圖3b），此時轉(zhuǎn)向閥②，③通道與定模板對應(yīng)的分流道對接，可以同時成型這兩種產(chǎn)品。

圖3 澆注系統(tǒng)Fig.3 Gating system

2.2 澆口設(shè)計

該塑件類似于筒狀，設(shè)計借鑒了普通輪式澆口形式，排布了兩條輪式分流道，但通常輪式澆口進(jìn)澆位置在塑件的內(nèi)表面，脫模后，內(nèi)表面會留下澆口疤痕，影響塑件的內(nèi)表面表觀質(zhì)量。因此，對澆口進(jìn)澆位置進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)在塑件端部（見圖3b），澆口側(cè)面有弧度，呈倒三角，上下截面面積分別為7.5，0.6 mm2，不同的上下截面面積會產(chǎn)生較大的注射壓力差，可以使塑件熔體黏度下降，流動性增加，有利于型腔充填［6-7］。由于澆口小端截面面積僅為0.6 mm2，澆口疤痕會很小，因此提高了表觀質(zhì)量。

3 成型零件及脫模推出機構(gòu)設(shè)計

3.1 型芯設(shè)計

模具型芯采用組合式結(jié)構(gòu)見圖4，由型芯Ⅰ、型芯Ⅱ、型芯Ⅲ組合而成。以規(guī)格29 mm產(chǎn)品為例，型芯Ⅰ成型斗頸光滑段，型芯Ⅱ成型斗頸鋸齒段，型芯Ⅲ分為上、中、下三段，上段成型塑件斗身，中段用于精確定位刀片內(nèi)孔，型芯直徑為28.25 mm，其刀片內(nèi)孔與型芯配合間隙為0.02～0.04 mm，這樣的間隙配合保證操作人員方便地將嵌件刀片穿入型芯，同時保證嵌件刀片與塑件的鑲嵌同軸度精度。型芯Ⅲ下段直徑為29 mm，略大于刀片內(nèi)孔尺寸，這樣刀片放置的高度確定在中段。型芯Ⅲ下段與固定板過盈配合，使型芯Ⅲ緊固在固定板上，而型芯Ⅱ鑲嵌在型芯Ⅲ上。相對于型芯整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，這種組合式結(jié)構(gòu)更易于加工，且零件精度容易保證。通過上述型芯組合結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成了塑件內(nèi)表面斗頸、斗身、斗尾等特征結(jié)構(gòu)成型，同時實現(xiàn)了開模后順利取出塑件，合模前刀片嵌件能方便地穿入型芯Ⅲ，并且精準(zhǔn)地放在正確位置。

圖4 型芯結(jié)構(gòu)Fig.4 Core structure

3.2 哈夫機構(gòu)設(shè)計

塑件是細(xì)長圓套類深腔產(chǎn)品，一模兩腔，可以采用哈夫機構(gòu)，完成塑件外表面成型及實現(xiàn)塑件脫模［8］。從圖5可以看出：模具閉合時，左滑塊和右滑塊相拼合形成塑件的外表面，與型芯構(gòu)成模具模腔；模具開模時，左右滑塊打開，脫開塑件。左滑塊和右滑塊拼合精度直接影響塑件外觀，為此，左右滑塊做了帶有斜度的定位臺階。從圖5還可以看出：模具閉合時，在注塑機鎖模力作用下，斜楔機構(gòu)鎖緊，定位臺階相互嚙合，由于臺階是帶有斜度的，保證了拼合處的間隙為零，避免了哈夫滑塊拼合處塑件產(chǎn)生熔接痕缺陷［9-10］。

圖5 哈夫機構(gòu)Fig.5 Half mechanism

哈夫組件構(gòu)成了模具的型腔，因此，需要考慮哈夫組件的冷卻，以控制模具溫度；但冷卻水路不是越多越好，要綜合考慮產(chǎn)品精度、成型周期、加工難度等因素［11］。由于該產(chǎn)品成型周期短，因此在左右滑塊上各設(shè)計一路冷卻水路（見圖6）。水路依滑塊結(jié)構(gòu)形狀環(huán)繞，能有效控制模具溫度在32.5～33.6 ℃。

3.3 推出機構(gòu)設(shè)計

圖6 左右滑塊環(huán)形水路Fig.6 Circular waterway of left and right sliders

考慮塑件的長徑比較大，尤其是斗頸的長徑比達(dá)到4，又分布了許多筋板，在成型冷卻時，對型芯產(chǎn)生很大的抱緊力，是該塑件脫模的最大阻力。因此，設(shè)計了圓推桿推出元件，從圖7看出：圓推桿分布于斗身加強筋的兩側(cè)，直徑3 mm，共8根均布，作用點在塑件斗身圓弧內(nèi)表面。同時，塑件斗尾在成型座內(nèi)成型，由于斗尾呈扁形，且周向有20個，也會產(chǎn)生較大的脫模阻力。為此，設(shè)計了扁推桿。扁推桿端面形狀與斗尾截面相同，作用于各斗尾端面，推出痕跡留在斗尾端面，不影響外觀質(zhì)量，且可以減少圓推桿對塑件的作用力，避免塑件在推桿作用點位置產(chǎn)生變形和損壞。

圖7 塑件斗尾成型及推出元件設(shè)計Fig.7 Design of plastic bucket tail forming and ejection component

設(shè)置推桿座。扁推桿和圓推桿都固定在推桿座上，推桿座與固定板、推板緊固連接，以縮短推桿的長度，提高推桿的剛度。為了提高推出穩(wěn)定性，設(shè)置導(dǎo)向板，扁推桿、圓推桿穿過對應(yīng)的導(dǎo)向板孔，它們之間的配合間隙在0～0.01 mm，通過慢走絲一次裝夾加工，保證每個扁推桿、圓推桿與導(dǎo)向板的間隙相同，從而保證在推出塑件時更加平穩(wěn)。推出機構(gòu)示意見圖8。

4 模具工作過程

按照模具設(shè)計要求及塑件結(jié)構(gòu)特點，完成模具結(jié)構(gòu)設(shè)計（見圖9）。模具工作原理：按照產(chǎn)品規(guī)格，選擇轉(zhuǎn)向閥30的方向，將模具安裝在注塑機上。在開模狀態(tài)，嵌件可以方便地穿入型芯Ⅲ 27，安放到指定的臺階位置，模具合模，完成注塑過程。開模時，首先定模部分向上移動，兩側(cè)斜導(dǎo)柱2帶動左滑塊16、右滑塊5沿導(dǎo)滑槽向兩邊移動，直到滑塊碰到擋塊15，這時凝料20、塑件21、塑件28與滑塊完全脫開，推桿座9、推板10、固定板11等零件組成的推出機構(gòu)在注塑機開合模系統(tǒng)的作用下完成圓推桿6、扁推桿7的頂出動作，將凝料和塑件安全取出，完成一次成型周期。

圖8 推出機構(gòu)Fig.8 Ejection mechanism

圖9 模具結(jié)構(gòu)Fig.9 Mold structure

從模具工作原理看，模具適合安裝在立式注塑機上，以完成從注塑成型至取出塑件、安放嵌件整個成型周期，因此，根據(jù)成型塑件所需的總的注射量選擇了125 g規(guī)格的臺灣豐鐵塑機有限公司的80T型立式注塑機，并對注塑機工作臺進(jìn)行了改造，設(shè)有兩個工位：工件取放工位和注塑成型工位。該產(chǎn)品注塑成型周期共40 s，各環(huán)節(jié)時間設(shè)定為：注塑成型3 s，開模2 s，塑件取出2 s，嵌件安放3 s，兩工位移動時間30 s，生產(chǎn)速率很快，而且該模具開合?？臻g小，合模時壓力在50 MPa以上，如果采用通用的一個工位立式注塑機完成整個成型周期，對于塑件取出和嵌件安放既不方便，也非常不安全。通過注塑機工作臺的改造，可以在設(shè)定的時間內(nèi)，模具下模移動到工位Ⅰ（見10a），可以方便地從模具下模中取出塑件，將嵌件安全地穿入型芯，放置在指定位置，然后按設(shè)定時間將模具下模移到工位Ⅱ（見圖10b），完成合模注塑成型。模具完成安裝調(diào)試后，按12 h計算，每天可以批量生產(chǎn)1 000件，經(jīng)客戶驗收，產(chǎn)品外觀和形狀尺寸精度符合客戶要求，質(zhì)量穩(wěn)定。

圖10 兩個工位的注塑機工作臺Fig.10 Two-station injection molding machine table

5 結(jié)論

a）針對產(chǎn)品的多規(guī)格、系列化特點，澆注系統(tǒng)在設(shè)計上除了有主流道、分流道等常規(guī)部分外，創(chuàng)新性地設(shè)計了一個特別的轉(zhuǎn)向閥部件，通過改變該部件的方向，成型不同規(guī)格的產(chǎn)品。

b）改造立式注塑機工作臺，由通常的一個工位改造成兩個工位，可方便地取出成型塑件，安全地將嵌件穿入型芯。

c）組合式型芯成型能夠保證塑件順利取出，嵌件定位精準(zhǔn)；采用哈夫機構(gòu)成型塑件外表面，脫模穩(wěn)定，其兩側(cè)哈夫滑塊設(shè)置帶有斜度的定位臺階，相互咬合，減小了兩滑塊的拼合間隙，避免了哈夫滑塊拼合處塑件外表面產(chǎn)生熔接痕缺陷。

d）模具經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證，產(chǎn)品外觀和形狀尺寸精度能滿足客戶要求，質(zhì)量穩(wěn)定。