一種醫(yī)療器械手柄注塑模設(shè)計

劉洋LIU Yang；盧偉LU Wei；鄧健華DENG Jian-hua

（廣東理工學(xué)院智能制造學(xué)院，肇慶526100）

1 研究背景和意義

在醫(yī)療器械行業(yè)中，由于某種醫(yī)療器械的相關(guān)需求，手柄這個產(chǎn)品在醫(yī)療器械行業(yè)中的使用率非常高，很多醫(yī)療器械產(chǎn)品都通過使用這個以塑膠為主要原料制作的手柄，與其他醫(yī)療器械配件裝配使用。根據(jù)市場臨床反饋，為了解決這種手柄需求量大的情況，需要研發(fā)設(shè)計出該手柄的注塑模具。由于之前市場上采用的醫(yī)療器械手柄大部分是由鐵制的或者是鋁制的，生產(chǎn)這類材質(zhì)的手柄不僅會導(dǎo)致成本過高、制作周期長、重量較重、使用不便捷等情況，而且還會消耗大量能源，與國家倡導(dǎo)的綠色生產(chǎn)的環(huán)保理念不相符合。

隨著社會科技發(fā)展水平日漸提高，為解決上述問題進(jìn)而使用塑料作為主要原材料代替金屬材料生產(chǎn)手柄產(chǎn)品。通過注塑進(jìn)行大批量生產(chǎn)，一方面成本價格相對較低，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠；另一方面它更易于成型從而減少了制作周期，成品率也更高。醫(yī)生使用塑膠制成的手柄操作更為輕便。并且隨著模具行業(yè)的不斷發(fā)展，同樣可以生產(chǎn)出形狀復(fù)雜，功能多樣，高精度的塑膠產(chǎn)品。這不僅對整個醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展乃至整個生產(chǎn)制造業(yè)發(fā)展來說都起到了一個良好的促進(jìn)作用，不僅能保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，還能提高生產(chǎn)效率。

2 手柄的分析

手柄結(jié)構(gòu)注塑零件三維圖如圖1 所示。

圖1 注塑零件三維圖

可以分析查資料分析手柄的模具設(shè)計結(jié)構(gòu)需要運(yùn)用做推桿機(jī)構(gòu)才能脫模，這次設(shè)計目的是能夠把手柄的模具完成設(shè)計能夠達(dá)到加工要求。最終目標(biāo)是設(shè)計合理達(dá)到量產(chǎn)，在最短的時間完成產(chǎn)品的打樣和修改問題，降低成本制造模具，還有產(chǎn)品頂針的分部頂針不能做太大了，要根據(jù)產(chǎn)品的大小來做，做在骨位的上面這樣才不會頂壞產(chǎn)品，有些骨位小的可以做有托頂針和扁頂針。這個根據(jù)產(chǎn)品情況定，頂針要放到抱緊力最大的位置。產(chǎn)品四周要走運(yùn)水讓產(chǎn)品冷卻下來，前后模仁最少走一到兩組運(yùn)水才能保證產(chǎn)品及時的冷卻下來，運(yùn)水不能和頂針螺絲干涉。

3 分型面位置的確定

注塑模具分型面顧名思義，就是將模具前模仁和后模仁分成兩部分的一個面，該分型面的最為普通常見的是與產(chǎn)品最大外形平行并且與模具運(yùn)動方向垂直的分型面，其次是與產(chǎn)品開模運(yùn)動方向平行的分型面，大部分的分型面都是前面兩種形式的復(fù)合構(gòu)成模式。做分型面的意義在于是注塑模具在開模運(yùn)動后產(chǎn)品順利與前模仁脫離，使得產(chǎn)品包緊在后模仁一側(cè)；接下來是在模具推出產(chǎn)品的過程中，沒有干涉，順利脫出產(chǎn)品。以上是分型面最重要的作用，其次通過使用分型面可以簡化模具制造的成本工藝，在選擇合適的分型面后，模具的制造產(chǎn)品會降低，產(chǎn)品的外形會美觀漂亮。

根據(jù)以普遍上存在的問題，在設(shè)計分型面的時候要注意到如下的一些設(shè)計原則性的東西：

①對構(gòu)成產(chǎn)品的曲面進(jìn)行開模方向的卸率分析，找出不能順利出模的位置。

②如果產(chǎn)品不存在出不模的地方，分型面原則上要選擇產(chǎn)品的最大外形來做為分型面位置。這樣才能是前模仁或者后模仁不會存在內(nèi)扣的情況。

③在通過分型面將產(chǎn)品分為前模仁或者后模仁兩部分的時候，一定要想辦法使產(chǎn)品留在動模的一邊，這樣才可以通過注塑的推出油缸動作將產(chǎn)品推出模具，至于產(chǎn)品會不會留在動模一側(cè)，這個主要參數(shù)是判斷產(chǎn)品的摩擦力究竟是哪邊大，如果后模仁的摩擦力大于前模仁的摩擦力，產(chǎn)品就會留到動模一側(cè)了。

④分型面將模具分成兩個零件后，非常有利于模具的加工，但是分型面在產(chǎn)品位置的選擇，跟加工的工作量還是有很大的關(guān)系，對于解決這個問題，需要思索多種分型面的位置，并且比較一下加工量。

⑤有些產(chǎn)品外形上存在側(cè)孔的結(jié)構(gòu)，這樣一來就需要做側(cè)面抽芯，側(cè)面抽芯的接觸分型面，可以歸納到階梯分型面的種類。這類分型面需要在運(yùn)動的方向做一定的拔模角度，這樣一來就可以大大延遲產(chǎn)品的外觀質(zhì)量和模具的生產(chǎn)壽命。

通過以上的分析，其實(shí)很多情況是多種原因穿插在一起的，需要根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際要求和工廠的加工能力做綜合評估處理。在用設(shè)計軟件設(shè)計簡單產(chǎn)品時只需要用一個平面來做分型面，該產(chǎn)品分型面如圖2 所示。

圖2 分型面

4 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 主流道的設(shè)計

主流道襯套（也叫澆口套），其的作用是因?yàn)榻?jīng)常與注塑機(jī)的噴嘴碰撞接觸，容易損壞，才會設(shè)計成一個單獨(dú)的零件，這樣就可以隨時更換。實(shí)際生產(chǎn)中，已經(jīng)將澆口套做成了一個標(biāo)準(zhǔn)件，在各個模具配件店都可以采購到或者做庫存，為注塑生產(chǎn)提供了很好的保障。

4.2 分流道設(shè)計

4.2.1 分流道的截面形狀

本設(shè)計采用的是圓形截面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)非常有利于加工，在流道的設(shè)計中減少了流道內(nèi)壓力的損失則流道的截面就大，又減少傳熱的損失，還可以讓流道的面積變??；保證塑料的熔體快速而又平均的充滿模具的每個前模仁位置。

4.2.2 分流道的長度

在設(shè)計分流道長度時，要把進(jìn)澆口的位置確定好，一般在正常的情況下，分流道的長度就是水口套主流道端口與進(jìn)澆口之間的直線距離，在設(shè)計此塑手柄的塑膠模具分流道長度尺寸時，已經(jīng)查閱相關(guān)的參考的文獻(xiàn)，與模具件澆口的位置，選擇設(shè)計的長度為L=64.7mm。

4.2.3 分流道的形狀及尺寸

設(shè)計分流道時候，一般首先要確定好分流道的截面形狀，最好的是圓形，其次的是梯形，分流道的截面要比上一級的流道要小。經(jīng)驗(yàn)值為d=（3.5～8.0）mm，因此選擇4.5mm。

據(jù)以上分析可知分布如圖3 所示。

圖3 流道分布示意圖

4.3 澆口的設(shè)計

進(jìn)澆口是熔料在進(jìn)入前模仁中，最后的經(jīng)過的結(jié)構(gòu)，它是直接影響了塑料制品的外觀和內(nèi)部質(zhì)量的，所以要針對它進(jìn)行相關(guān)的分析和計算，然后通過產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析出此澆口采用側(cè)面進(jìn)澆的方式比較相對合適。

4.3.1 確定進(jìn)澆口的類型和位置

該產(chǎn)品是模具中屬于小型塑件，所以本模具的裝配要嚴(yán)格，需要非常小心，產(chǎn)品外觀的要求也是非常的高，所以應(yīng)該采用側(cè)進(jìn)澆口的方式最為合適，而且相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)也是較為簡單的，就采用側(cè)澆口。

4.3.2 設(shè)計進(jìn)澆口尺寸

通過上述分析計算，所以設(shè)計此模具的澆口大小為：

5 溫度調(diào)節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計

加熱熔化后的塑膠注塑到型腔后需要冷卻成型，僅僅通過模具與外界的溫度差自然冷卻是不夠的，這樣不僅冷卻效率低，冷卻效果也不均衡。這時就要在模具中增加冷卻系統(tǒng)，一般通過外接流道的水進(jìn)入模具，通過不斷流道動的水來帶走模具內(nèi)的熱量，從而加快冷卻效果，提高生產(chǎn)效率。一般情況最普通的運(yùn)水就是在型芯型腔里面有一條環(huán)繞型運(yùn)水，一條接進(jìn)入的常溫水，另一頭接排出的水，由此形成一個冷卻水循環(huán)。通過不斷的流入冷卻水，然后把大量的模具溫度帶出去，從而起到快速冷卻的效果。

冷卻系統(tǒng)主要是為了提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率以及控制冷卻均勻，有效的防止產(chǎn)品成型時的收縮變形。冷卻系統(tǒng)一般是外接水管，通過流動的水流來帶走模具中的熱量，一般需要設(shè)計冷卻水的位置都是靠近產(chǎn)品的部分，比如說型芯型腔一般都會設(shè)有冷卻水，冷卻水通過A、B 板分別進(jìn)入型芯和型腔，一般普通的模具在型芯型腔各設(shè)計一組就行，每組冷卻水都有一個進(jìn)水口和出水口，常溫的水進(jìn)入，帶走熱量，然后將帶走熱量的熱水排出，形成一個冷卻回路。

根據(jù)以上計算在注塑生產(chǎn)過程中模具自身也可以進(jìn)行散熱的。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，絕大部分模具都會設(shè)置冷卻系統(tǒng)，以便提高生產(chǎn)效率。

根據(jù)之前的設(shè)計分析，我們可以得出其分型面是階梯形，產(chǎn)品的大部分形狀都在定模側(cè)，而且主流道，分流道都是在定模一側(cè)，所以在設(shè)置冷卻系統(tǒng)時重點(diǎn)需要布置定模一側(cè)。動模一側(cè)的當(dāng)然也是需要有冷卻系統(tǒng)的。

通過計算得出該手柄模具在單個注塑循環(huán)中釋放出來的熱量不多。因此考慮到加工生產(chǎn)的實(shí)際情況只需要將冷卻水布置在模具的周圍就可以了，Ф8mm 是該模具前模仁后模仁的冷卻水直徑。冷卻水管的分布線如圖4 所示。

圖4 水路示意圖

6 設(shè)計脫模機(jī)構(gòu)

脫模系統(tǒng)在注塑模具中是必不可少的，因?yàn)楫a(chǎn)品在注塑，冷卻后，模具打開，接下來就是要想辦法把產(chǎn)品取出來，根據(jù)物體熱脹冷縮的原理，塑膠產(chǎn)品冷卻后會產(chǎn)生收縮力，使得產(chǎn)品緊緊包住后模仁的，后模仁的側(cè)面的包緊力矢量方向與產(chǎn)品出模方向接近90 度的夾具，意思是這個包緊力是非常大的，靠人的手是無法克服側(cè)面的摩擦力將產(chǎn)品取出的。也不能采用撬棍，或者鉗子什么的來取，這樣會直接破壞的外形結(jié)構(gòu)。那么就需要在動模方向設(shè)置一個專門用來推出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。由于產(chǎn)品是塑膠的，推出系統(tǒng)的硬度不能比塑膠小，所以目前市場上通用的是用推桿或者推板來進(jìn)行產(chǎn)品的推出?？紤]到這個推出系統(tǒng)在每一個注塑成型過程中都要重復(fù)一遍推出產(chǎn)品，和推桿復(fù)位的動作，對其重要的要求是保證動作的可靠，大量的往復(fù)運(yùn)動也不會出現(xiàn)問題，就需要注意到如下列所說到的原則性問題。

6.1 計算脫模力

6.2 推板的厚度

6.3 推桿的直徑

7 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計

該產(chǎn)品有一個側(cè)面的孔槽結(jié)構(gòu)，需要用到側(cè)面抽芯機(jī)構(gòu)。該手柄模具的側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 滑塊結(jié)構(gòu)

7.1 抽芯距

S1=S0+（2~7）=32+（2~8），取S1=40mm

7.2 斜導(dǎo)柱傾角

開模行程H=S cot α，α 取15~23°

H=S cot（15~20）=68.69~93.3

α 的角度通過查資料可以在13~23°的角度中取，該模取α=23°

7.3 斜導(dǎo)柱的直徑

側(cè)抽芯力：

側(cè)后模仁的中心線于斜導(dǎo)柱固定地面的距離：

得斜導(dǎo)柱直徑d=14mm

7.4 斜導(dǎo)柱的長度