石峰1，王偉偉2，鄒鋒1，朱超挺1，周天綺1
(1．浙江醫(yī)藥高等專(zhuān)科學(xué)校，浙江寧波 315100； 2．浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江寧波 315012)
摘要：使用聚砜 (PSU)塑料注射成型醫(yī)療干粉吸入器底座塑件。成型前，對(duì)PSU材料進(jìn)行干燥處理的工藝參數(shù)為溫度125～135℃，時(shí)間 4～6 h，平鋪，鋪料厚度 18～22mm，含水量控制在 0.1% 以下。針對(duì)塑件的注射成型設(shè)計(jì)了 1 副一模一腔熱流道兩板注塑模具，使用單點(diǎn)熱澆口進(jìn)行澆注； 模具分 2 次分型打開(kāi)， 1次用于塑件定模側(cè)斜孔的 抽芯脫模， 1 次用于塑件模腔的打開(kāi)； 型腔的表面粗糙度為 0.4 以上，排氣孔的深度應(yīng)控制在 0.08 mm；針對(duì)塑件14個(gè)斜孔內(nèi)壁的脫模，設(shè)計(jì)了定模斜桿復(fù)合頂出機(jī)構(gòu)，針對(duì)14 個(gè)斜孔外壁的脫模，設(shè)計(jì)了動(dòng)模“萬(wàn)能斜頂”復(fù)合機(jī)構(gòu)。 運(yùn)用 CAE 分析獲得了模具中所需的成型時(shí)間為 1.542s，注塑壓力為 58 MPa。塑件成型后須退火處理，控制參數(shù)為空氣浴，溫度 150℃，時(shí)間 2～4h。
關(guān)鍵詞： 醫(yī)療塑件； 聚砜塑料； 熱流道； 注塑工藝； 模具設(shè)計(jì)； 脫模
1 塑件分析
圖1所示為一種醫(yī)療干粉吸入器底座塑件，塑件俯視外形呈葵花形狀，側(cè)視外形呈球冠形狀。塑件外沿圓周上布置了 14 個(gè)斜圓柱孔 (簡(jiǎn)稱(chēng)斜孔)，其內(nèi)徑為8 mm、外徑為10 mm、高度為14 mm，斜孔軸心線與塑件中心線夾角為5º。中間直徑127mm圓周內(nèi)布置了 4 個(gè)內(nèi)徑為8mm 的直圓柱孔和6個(gè)內(nèi)徑為4mm小孔，直圓柱孔的外徑為10mm，高度為12mm。塑件最小壁厚 1.8mm，最大2.4 mm，平均壁厚2mm。
塑件
塑件使用聚砜 (PSU) 材料進(jìn)行注射成型，該材料為一種堅(jiān)韌且強(qiáng)度高的透明塑料，與聚碳酸酯相比能提供較高的耐熱性和更好的水解穩(wěn)定性 [1–3] ； 具有良好的力學(xué)性能和耐化學(xué)性能，與蒸汽、氧化劑等接觸時(shí)具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性；有透明與不透明的各種彩色可供選擇。PSU的收縮率為0.4%～0.8%，不同方向收縮差異小，塑件脫模斜度一般取0.02º。PSU材料在醫(yī)衛(wèi)器材零部件制造方面應(yīng)用較為廣泛，典型有外科手術(shù)盤(pán)、噴霧器、加濕器等塑件零件 [4–6]。
2 注射成型方案及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)
塑件的注射成型方案設(shè)計(jì)受兩個(gè)因素的影響， 第一個(gè)是塑件的材料，第二個(gè)是塑件的結(jié)構(gòu)。就材料而言，PSU是一種非結(jié)晶聚合物，成型溫度 280℃以上，流動(dòng)性差，流長(zhǎng)比為 80左右，塑件的壁厚須 控制在 1.5 mm 以上，吸入器底座塑件的平均壁厚為 2mm，因而可以使用 PSU 材料進(jìn)行注射成型。 PSU 材料對(duì)缺口較為敏感，塑件上的直角或者銳角都須使用圓弧過(guò)渡進(jìn)行處理。PSU材料對(duì)含水量敏感，塑件成型前，須對(duì)材料進(jìn)行干燥處理，盡可能降低材料中含水量，塑件加工前，材料含水量控制在0.1% 以下，以防高溫下熔體降解。
就塑件結(jié)構(gòu)而言，塑件整體形狀為圓片狀，其包容圓的外徑為193 mm，為中等偏大型塑件。為保證注塑時(shí)澆口到各流動(dòng)末端的長(zhǎng)度接近，以保證塑件各局部位置的充填均衡性，塑件的最佳澆口位置以開(kāi)設(shè)在塑件的幾何中心位置為最佳。塑件模腔的冷流道設(shè)計(jì)要求高，流道設(shè)計(jì)時(shí)，其基本要求為：主流道盡可能短且粗，以利于熔體流動(dòng)，主流道直徑2mm以上，脫模斜度 3º～5º，分流道用圓形或梯形流道，流動(dòng)路徑避免采用彎道形式。
對(duì)于塑件的脫模，其上所設(shè)置的 14 個(gè)斜孔，需要使用14個(gè)抽芯方向不同的圓柱型芯鑲件進(jìn)行抽芯脫模，顯然，塑件不宜采用多腔布局成型，采用單 腔布局既能保證塑件的成型精度，又能降低模具中 機(jī)構(gòu)件的安裝難度。
塑件的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為：使用 1 模 1 腔單 腔布局，使用單點(diǎn)熱流道直接澆口進(jìn)行澆注 [7]，澆口設(shè)置在塑件的幾何中央位置，這樣可以避免冷流道的開(kāi)設(shè)，以免影響模腔的充填。該方案的 CAE 流動(dòng)分析如圖 2 所示，CAE 分析中，塑件材料選用巴斯夫公司 (BASF) 牌號(hào)為 P1700 的 PSU，澆口為圓柱形 Ø1.2 mm 澆口，澆口長(zhǎng)度 1.0 mm，進(jìn)料口的位置設(shè)置在模腔幾何中央厚壁處。模具溫度設(shè)置為 140℃，熔體溫度 360℃、最大溫度 380℃，頂出溫度 165℃。注塑速率采用中速，以免高速造成熔體破裂， 充模困難。
澆注系統(tǒng) CAE 分析
從圖 2 可以看出，在該成型方案下，模腔的充填性能好，各末端能獲得均衡充填，整體充填時(shí)間為1.542s 左右，能滿足塑件的生產(chǎn)周期要求。充填所需壓力為58MPa 左右，對(duì)注塑機(jī)的使用要求不高。流動(dòng)路徑上熔接線主要出現(xiàn)在孔的末端位置處，形態(tài)為熔合線，可以通過(guò)提高模具溫度的方式來(lái)消除。 流動(dòng)路徑上氣孔較多，需要增強(qiáng)模腔的排氣來(lái)消除。 流動(dòng)分析中，不利的結(jié)果為：塑件成型中所產(chǎn)生的 內(nèi)應(yīng)力難以消除，只能通過(guò)保壓措施來(lái)盡可能減小。
3 分型及成型件設(shè)計(jì)
如前所述，塑件采用單腔模式成型時(shí)，將考慮 收縮率后的塑件表面作為成型件的成型面，選用外沿分型線、各內(nèi)孔分型線以上的面作為型腔面，以下的面則作為型芯面，如圖 3 所示。其中，型芯面中，各斜孔內(nèi)側(cè)的局部區(qū)域面必須分割出來(lái)，以用作斜頂?shù)姆中兔妫糜谠O(shè)計(jì)斜頂以實(shí)現(xiàn)斜孔內(nèi)側(cè)倒扣的成型和脫模 [8–12]。
圖 4 為單個(gè)斜孔內(nèi)側(cè)局部區(qū)域面 ( 圖 4 中倒扣區(qū)域 ) 的成型件設(shè)計(jì)。在圖 4 中，針對(duì) 14 個(gè)斜孔的脫模，使用斜桿鑲件成型斜孔的上端部分，這樣可以將斜孔的下端設(shè)置成直桿鑲件，從而可以最大限度 降低14個(gè)斜孔的脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。因而，針對(duì)斜孔部位的脫?？梢圆捎靡韵路绞剑盒笨變?nèi)壁的成型 與脫模由位于型腔鑲件一側(cè)的斜桿鑲件來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于斜孔外壁倒扣區(qū)域的脫模，則使用斜頂頂出方式實(shí)現(xiàn)。
成型面分割
單個(gè)斜孔內(nèi)側(cè)局部區(qū)域面的成型件設(shè)計(jì)
使用圖 3 中所示外沿分型線對(duì)模腔進(jìn)行分型后，將所獲得的型腔鑲件、型芯鑲件及斜孔的斜頂、 斜桿鑲件和直桿鑲件進(jìn)行拼合組裝，由此構(gòu)成的模腔 (局部) 如圖5所示。設(shè)計(jì)斜頂時(shí)，必須設(shè)置高度掛臺(tái)、水平掛臺(tái)兩個(gè)限位措施以保證斜頂復(fù)位時(shí)在高度方向、水平方向都有定位。設(shè)置外沿分型面時(shí)，分型面設(shè)置為延拓面+水平面的組合形式，以便于排氣槽開(kāi)設(shè)、分型面的加工及模腔的閉合配 模。加工型腔鑲件成型面時(shí)，表面粗糙度控制在 0.4
模腔成型件的構(gòu)成
以上以確保塑件的表面光亮。中速注塑時(shí)，模腔分型面上須開(kāi)設(shè)環(huán)繞型排氣間隙及排氣槽，排氣間隙 0.02，用于引氣的排氣槽的深度0.08 mm。
綜上所述，最終成型件的設(shè)置及組裝如圖 6 所示。
圖 6 成型件設(shè)計(jì)
定模成型組件中，包括1個(gè)型腔鑲件、14個(gè)斜 桿鑲件、4個(gè)上圓柱鑲件。14個(gè)斜桿鑲件的上端通 過(guò)橫位銷(xiāo)安裝在導(dǎo)槽板上對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)槽內(nèi)，導(dǎo)槽板上端用上蓋板蓋住，以防止斜桿鑲件滑落。 14 個(gè)斜 桿鑲件通過(guò)導(dǎo)槽板和上蓋板組裝后，構(gòu)成定模斜桿 復(fù)合頂出機(jī)構(gòu)，再插入型腔鑲件中各自對(duì)應(yīng)的斜孔 內(nèi)。定模成型件的材料使用 M461 預(yù)硬鏡面塑膠模具鋼。
動(dòng)模成型組件中，包括 1 個(gè)型芯鑲件、14 個(gè)直桿鑲件、14 個(gè)斜頂。14個(gè)斜頂采用“萬(wàn)能斜頂”結(jié) 構(gòu)形式，由推桿推動(dòng)其上端的斜頂頂出。14個(gè)直桿鑲件采用肩臺(tái)定位方式固定安裝在型芯鑲件內(nèi)。 14個(gè)斜頂通過(guò)相應(yīng)的14根推桿推動(dòng)，推桿安裝在模具的頂針推板上，構(gòu)成動(dòng)模“萬(wàn)能斜頂”復(fù)合機(jī)構(gòu)。動(dòng) 模材料成型件使用 Cr12MoV 模具合金鋼。
4 模具結(jié)構(gòu)布置
功能零部件在模具結(jié)構(gòu)中的布置如圖 7 所示，模具使用兩板模結(jié)構(gòu)，2次分型打開(kāi)。所選用模架為一種非標(biāo)準(zhǔn)模架，由兩板模模架改造而獲得，改造的地方在于：定模板與定模座板之間增加 1 次分型打開(kāi)，并增加 4 副模腔導(dǎo)柱進(jìn)行導(dǎo)向。模具中的模腔布置為 1模1 腔。型腔鑲件、型芯鑲件均使用雙邊定位方式，通過(guò)楔緊塊楔緊方式安裝在定模板、動(dòng)模板內(nèi)。定模板、動(dòng)模板的精確閉合定位由定模板導(dǎo)柱、模腔導(dǎo)柱、邊鎖共同實(shí)現(xiàn) [13–14]。定模板導(dǎo)柱主要用于定模板打開(kāi)／閉合時(shí)的滑動(dòng)導(dǎo)向；模腔導(dǎo)柱主要用于定模板和動(dòng)模板之間打開(kāi)／閉合時(shí)的滑 動(dòng)導(dǎo)向。定模板與定模座板之間的打開(kāi)使用 4 根定距拉桿進(jìn)行定距控制。定模板與動(dòng)模板的臨時(shí)閉合，使用模板鎖控制。
圖 7 模具布局
5 模具機(jī)構(gòu)件組裝
機(jī)構(gòu)件在模具上的組裝如圖 8 所示。模具的定模由定模座板 3、定模板 4 及附屬機(jī)構(gòu)零件構(gòu)成，動(dòng)模由動(dòng)模板8、方鐵 9、動(dòng)模座板 10 等零件構(gòu)成。蓋板 11、頂針推板12等零件構(gòu)成動(dòng)模的頂出機(jī)構(gòu)，注塑機(jī)頂桿通過(guò)頂桿套 13 推動(dòng)頂針推板 12。定模板 4 和定模座板 3 之間的開(kāi)模面為 P1，定模板 4 與定 模座板 3 之間的分離距離通過(guò)定距拉桿 5 限制；動(dòng) 模板 8 與定模板 4 之間的開(kāi)模面為 P2。開(kāi)模面打 開(kāi)的順序?yàn)?P1 → P2，閉合順序也為 P1 → P2。開(kāi)模時(shí)，P1 面打開(kāi)，P2 面閉合，該閉合控制由圖 7 中 所示的模板鎖進(jìn)行控制，模板鎖由鎖鉤桿 6 等 8 個(gè)零件組成。閉模前，P1，P2 面都處于打開(kāi)狀態(tài)，閉 合時(shí)，模板鎖控制模具按 P1 → P2 順序閉合。型芯 鑲件 17、型腔鑲件 18 分別通過(guò)螺釘緊固安裝在動(dòng) 模板8、定模板4 內(nèi)。
定模斜桿復(fù)合頂出機(jī)構(gòu)中，上蓋板 27、導(dǎo)槽板 28 用螺絲緊固組合在一起，再通過(guò)螺絲緊固安裝在 定模座板 3 所開(kāi)設(shè)的槽內(nèi)，斜桿鑲件 25 的上端通過(guò)橫銷(xiāo) 26 進(jìn)行開(kāi)模方向的限位后，安裝在導(dǎo)槽板28開(kāi)設(shè)的滑動(dòng)槽內(nèi)，下端插入型腔鑲件 18 內(nèi)的斜孔內(nèi)。 P1 面打開(kāi)時(shí)，定模板 4 往下運(yùn)動(dòng)，將塑件從 14 個(gè)斜桿鑲件 25 上推出。
圖 8 模具結(jié)構(gòu)安裝
動(dòng)模“萬(wàn)能斜頂”復(fù)合機(jī)構(gòu)中，斜頂 22 安裝在 型芯鑲件 17 內(nèi)，其下端設(shè)置有 T 型槽，與頂桿21上端所設(shè)置的 T 型導(dǎo)軌滑動(dòng)連接，頂桿 21 用頂針 推板 12 推動(dòng)。 P2 面打開(kāi)后，模腔打開(kāi)，注塑機(jī)頂桿 通過(guò)頂針推板 12 推動(dòng)斜頂 12 對(duì)塑件進(jìn)行頂出。
模具中，模板鎖機(jī)構(gòu)為一種新型模板開(kāi)閉控制 機(jī)構(gòu)，如圖9所示。機(jī)構(gòu)的組成零件包括鎖鉤桿6，件30 ～件37。導(dǎo)動(dòng)凸塊 30 安裝在定模座板 3 上，其上設(shè)置有導(dǎo)動(dòng)銷(xiāo) 31 的導(dǎo)動(dòng)凸臺(tái)；鎖鉤桿 6 與鎖鉤37用鎖鉤螺絲 38 組裝在一起，鎖鉤桿6 用轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo) 32 與底座 35 鉸接在一起，底座 35 用螺絲緊固安 裝在動(dòng)模板 8 的側(cè)邊。耐磨鎖塊 36 用螺絲安裝在定模板 4 上； 外簧片 33 和內(nèi)簧片 34 疊裝在一起， 用螺絲緊固組裝在底座 35 上，用于阻擋鎖鉤桿 6 按T1 轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。鎖鉤 37 勾住耐磨鎖塊 36 用于鎖緊動(dòng)模板 8 和定模板 4。
模板鎖機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理為：當(dāng)模具動(dòng)模按 Z–向下行時(shí)，導(dǎo)動(dòng)銷(xiāo)31暫時(shí)不能接觸導(dǎo)動(dòng)凸塊30上的導(dǎo)動(dòng)凸臺(tái)，因而，鎖鉤桿6 在外簧片33 和內(nèi)簧片34 的彈壓下，不能繞轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo) 32 的中心按 T1 轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)動(dòng)模板 8 和定模板 4 被鎖鉤37 和耐磨鎖塊 36 鎖閉，模具只能在 P1 面打開(kāi)；P1 面打開(kāi)一定距離后，導(dǎo)動(dòng)銷(xiāo) 31 被導(dǎo)動(dòng)凸塊 30 上的導(dǎo)動(dòng)凸臺(tái)按F1 向推動(dòng)，迫使鎖鉤37和耐磨鎖塊36脫離接觸，從而，動(dòng)模板 8 與定模板 4 分離，模具在 P2 面處打開(kāi)。閉合時(shí)，P1 面先閉合，模具繼續(xù)閉合過(guò)程中，鎖鉤 37 被耐磨鎖塊 36 先推開(kāi)而后再勾住耐磨鎖塊 36，從而實(shí)現(xiàn)再次鎖緊動(dòng)模板 8 和定模板 4 的功能。
6 模具工作原理
結(jié)合圖 8 所示，模具分 2 次分型打開(kāi)，第一次打開(kāi)在 P1 面處打開(kāi)，該面打開(kāi)時(shí)，14 個(gè)斜桿鑲件 25 從模腔內(nèi)塑件上對(duì)應(yīng)的 14 個(gè)斜孔中抽芯抽出。第二次在 P2 面處打開(kāi)，塑件從型腔鑲件 18 內(nèi)脫出并留于型芯鑲件17 上。而后，隨著模具動(dòng)模的繼續(xù)下行，注塑機(jī)頂桿頂住頂針推板 12，從而推動(dòng) 14 根頂桿 21 和 14個(gè)斜頂 22將塑件從型芯鑲件 17 上頂出，實(shí)現(xiàn)塑件的完全脫模。
模具復(fù)位時(shí)，頂針推板 12 先復(fù)位，確保動(dòng)模“萬(wàn)能斜頂”復(fù)合機(jī)構(gòu)先復(fù)位；模具閉合時(shí)，先在 P1 面處閉合，確保定模斜桿復(fù)合頂出機(jī)構(gòu)先復(fù)位，而后在 P2 面處閉合復(fù)位，等待下一次注塑循環(huán)。
7 注塑工藝事項(xiàng)
注塑時(shí)，注塑工藝需要注意以下事項(xiàng)：
①注塑前，須對(duì) PSU 進(jìn)行干燥，干燥方式為熱 風(fēng)干燥，溫度為 125～135℃，時(shí)間為 4～6 h，鋪料方式為平鋪，鋪料厚度為 18～22mm，含水量控制在 0.1% 以下；
②不能使用脫模劑；
③ PSU 的成型溫度較高，在注塑前必須將料筒 內(nèi)清潔干凈；
④成型后須對(duì)塑件進(jìn)行退火處理，退火方式使 用空氣浴方式，退火溫度為 150℃，退火時(shí)間為 2～4h 。
8 結(jié)語(yǔ)
(1) 使用 PSU 塑料對(duì)醫(yī)療用干粉吸入器底座塑 件進(jìn)行注射成型。運(yùn)用 CAE 分析獲得了塑件熱流 道單腔模腔所需的成型時(shí)間為 1.542s，注塑壓力為58MPa。
(2) 設(shè)計(jì)了塑件 1 模 1 腔兩板熱流道模具；澆注使用單點(diǎn)熱澆口進(jìn)行澆注；模具分 2 次分型打開(kāi)， 1 次用于塑件定模側(cè)斜孔的抽芯脫模， 1 次用于塑件模腔的打開(kāi)。針對(duì)塑件 14 個(gè)斜孔內(nèi)壁的脫模，設(shè)計(jì) 了定模斜桿復(fù)合頂出機(jī)構(gòu)，針對(duì) 14 個(gè)斜孔外壁的脫 模，設(shè)計(jì)了動(dòng)模“萬(wàn)能斜頂”復(fù)合機(jī)構(gòu)。
(3) 模具型腔的表面粗糙度為 0.4 以上，排氣間 隙 0.02 mm，排氣槽的深度 0.08 mm。
(4) 注塑前，PSU 材料熱風(fēng)循環(huán)干燥工藝參數(shù)為：溫度125～135 ℃，時(shí) 間 4～6h，鋪料厚度20mm 左右，確保含水量控制在 0.1% 以下。成型后塑件的退火工藝使用熱風(fēng)空氣浴方式退火，溫度150℃，時(shí)間2～4h。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 魏柯，張道海，秦舒浩，等 . 聚砜分離膜的親水改性研究進(jìn)展 [J]. 高分子材料科學(xué)與工程，2018，34(8):179–183.
[2] 蘆文慧，黃肖容 . 抗菌性聚砜超濾膜的制備與表征 [J]. 中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2018(9):1–5.
[3] 姬春梅 . 超聲波對(duì)聚砜酰胺結(jié)晶性能影響研究 [J]. 橡塑技術(shù)與裝備， 2018，44(20):9–15.
[4] 項(xiàng)啟生，肖國(guó)華，徐生 . 救護(hù)車(chē)醫(yī)療床方向舵外殼復(fù)合哈弗滑塊模具設(shè)計(jì) [J]. 模具技術(shù)，2020(5):28–32.
[5] 羅軍 . 氣輔注射技術(shù)在醫(yī)療分析儀器罩注射模設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 [J]. 模具制造，2009(3):54–57.
[6] 凌亮文 . 輸液器擠出滴斗模具設(shè)計(jì) [J]. 中國(guó)醫(yī)療器械信息，2018，24(23):18–19.
[7] Baranek S L. 延長(zhǎng)模具壽命的熱流道系統(tǒng) [J]. 現(xiàn) 代 塑 料，2007(7):62–63.
[8] 楊志立，黃誠(chéng)駒 . 斜滑塊內(nèi)側(cè)抽芯注射模設(shè)計(jì) [J]. 模具工業(yè)，2013(12):52–54.
[9] 于盛睿，曹利鋼，馮浩，等 . 家用吸塵器蓋板的側(cè)軌道抽芯注塑模設(shè)計(jì) [J]. 工程塑料應(yīng)用，2010，38(4):65–67.
[10] 于同敏，劉鐵山 . 注塑模脫模機(jī)構(gòu)智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究 [J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2004(2):72–75.
[11] 楊安，董揚(yáng)德，胡宏偉，等 . 法蘭蓋滑塊脫模機(jī)構(gòu)及注塑模具設(shè)計(jì) [J]. 工程塑料應(yīng)用，2017，45(10):82–86.
[12] 石海水 . 雙向卡扣脫模設(shè)計(jì)分析和創(chuàng)新 [J]. 模具制造，2012(4):55–57.
[13] 何柏海，何駿 . 一種帶推管側(cè)頂脫模機(jī)構(gòu)的注塑模設(shè)計(jì) [J]. 工程塑料應(yīng)用，2016，44(2):92–95.
[14] 朱海旭，王金蓮 . 基于 CAE 技術(shù)的餐盒蓋疊層熱流道注射模具設(shè)計(jì) [J]. 裝備制造技術(shù)，2016(8):241–243，246.
聚砜醫(yī)療干粉吸入...
塑料包裝材料的減...
汽車(chē)功能鍵觸摸蓋I...
高性能注塑聚丙烯...
