基于UG世赛“塑料模具工程”赛题注射模设计

刘 波

湖南国防工业职业技术学院（湖南湘潭 411207）

1 引言

塑料模具工程项目是选手独立运用塑件设计、数控编程、数控加工、模具装配以及塑件注射成型等专业知识和技能，依据比赛图纸和要求，运行CAD/CAM软件和操作加工中心等设备，完成塑件建模、模具设计、数控加工、模具装调等模具专业的全过程工作，最后注射成型出合格的塑件的竞赛项目，塑料模具工程项目包括：模具设计和模具制造两个模块[1]。本文主要介绍模具设计模块。

模具设计模块包括：塑件建模和模具设计两个部分。塑件建模根据模具设计模块的塑件2D图纸，使用比赛指定CAD软件（本文利用UG软件）完成塑件3D建模。塑件建模完成后，塑件3D模型必须上交。模具设计根据选手自己刚完成的塑件3D模型，设计符合生产实际要求的3D模具结构。3D模具结构设计完成后并生成2D工程图，包含：型芯、型腔、滑块(主体)、斜顶（主体）、型芯固定板、型腔固定板、顶杆固定板、模具装配图和塑件图共9张2D工程图。

2 塑件建模

模具设计模块总共4小时，赛题塑件2D图如图1所示，需完成塑件的3D建模和模具设计任务，可以看出竞赛任务重而时间紧。赛题细节特征和特征尺寸非常多，其建模思路如表1所示。

3 塑件结构工艺性分析

图1 塑件2D图

表1 塑件3D建模思路

塑件主要特点是细节特征较多，其中两个凸台中间的孔采用碰穿方式成型，4×φ2mm柱位孔需镶件对碰成型，其余孔特征也均采用碰穿方式。塑件四周和内部没有倒扣，无需抽芯机构。塑件表面要求无毛刺、披锋、熔接痕等缺陷。该塑件壁厚均匀，均为1mm，有利于塑件的成型。塑件材质要求选用聚苯乙烯（PS），收缩率为0.5%，PS的流动性好，成型加工容易。外形尺寸为44×42×9mm，属于小型塑件。

4 模具结构设计

4.1 选择分型面

分型面的选择受到塑件的外观形状、尺寸精度、抽芯机构、浇口类型和位置、模具加工条件等多方面因素影响，分型面设计的合理性，决定塑件的成型质量[2]。该塑件四周有7°的拔模角，分型面位置比较明显，选取在塑件脱模方向最大的投影边缘部位，如图2所示。

图2 塑件分型面的设计

4.2 确定模具总体结构

经过上述塑件结构工艺性分析，该塑件无特殊结构，根据赛题要求模具按一模两腔设计，采用大水口进胶即可满足塑件成型要求。综上考虑，本设计选用龙记CI标准型大水口模架。

4.3 确定浇注系统

浇注系统中浇口的设计十分关键，浇口的位置、类型及尺寸直接影响塑件质量。赛题图纸技术要求已要求模具结构采用一模两腔布局，浇口形式采用Wall side gate（即侧浇口）。侧浇口是一种使用最广泛的浇口，适用于各种形状的塑件，但对于细而长的桶形塑件不宜采用，适用PE、PP、PC、ABS、PS等塑料，侧浇口的优点是形状简单，加工方便，去除浇口比较容易；缺点是塑件与浇口不能自行分离，塑件容易留下浇口痕迹[3]。

利用UG软件测量出两个塑件体积之和约为5.1cm3，PS密度为1.05g/cm3，质量约为5.4g，属于小型塑件。PS浇口设计的理论参考值为0.5～1.5mm。综上考虑，浇口尺寸初步设计为1.2×0.8mm。

分流道的截面形状和尺寸，应根据塑料的工艺性能，塑件的形状大小、壁厚及分流道的长度等因素来确定[4]。一般常见塑件壁厚（2.0～3.0mm），圆形分流道直径可在φ3.5～φ7.0mm选用。考虑塑件质量小、结构简单、流程短等因素，本模具分流道直径选用φ5.0mm。主流道顶部直径为φ4.5mm，圆锥夹角为3°，总长度为85.5mm。浇注系统和型腔布局如图3所示。

图3 浇注系统和型腔排列方式

4.4 成型零件的结构设计

型芯和型腔均设计为整体嵌入式，但型腔有8处局部细小结构，影响模具加工和模具寿命，综合考虑设计为局部镶针形式。但镶针的圆角成型部位属于斜曲面，所以需考虑镶针防转。防转方式和型腔结构如图4所示。

图4 型腔结构与镶针结构

4.5 推出机构的设计

PS性脆易开裂，须设计合理的脱模机构，防止因顶出力过大或不均匀而导致制品开裂，选择较大的脱模斜度[5]。根据塑件结构特点和模具结构，在塑件包紧力较大的位置设计了6根φ3mm的直顶杆，注意顶杆需做防转设计。在塑件柱位处，设计了4根司筒和司筒针用于成型与顶出。顶杆位置和司筒位置如图5所示。

4.6 冷却系统设计

考虑塑件属于扁平类零件，模具无抽芯机构，水路布局空间选择性较大。将型芯冷却水道设计成单组单层环形水路，冷却水道充分经过成型区域，如图6所示。同样，把型腔冷却水道设计成单组单层环形水路，冷却水道充分经过成型区域，如图7所示。

4.7 其它模具辅助结构设计

赛题要求模具需设计其它辅助结构，设计要求见表2。表2内容的设计方法在本文中不详细介绍，具体结构在总装配图8中可见。

表2 模具其它结构设计要求

图5 顶出机构

图6 型腔冷却水路图

图7 型芯冷却水路图

图8 模具结构

5 模具工作过程

模具结构如图8所示。合模时，在导套14和导柱11的导向和定位作用下，注塑机的合模系统带动动模部分向前移动，使模具闭合，并提供足够的锁模力锁紧模具。开模时，注塑机合模系统带动动模向后移动，模具从定模板18和动模板8的分型面分开，塑件包在动模型芯10上随动模一起后移，同时拉料杆39将浇注系统主流道凝料从浇口套34中拉出，开模行程结束，注塑机液压顶杆推动推出机构开始工作，顶杆5和拉料杆39分别将塑件和浇注系统凝料从动模型芯10和冷料井中推出，至此完成一次注射过程。

6 结束语

通过基于UG对往届世界技能大赛“塑料模具工程”赛题3D塑件建模和模具设计。介绍了赛题塑件建模关键步骤，分析塑件建模任务中难点在于图纸细节特征和尺寸比较多，给识图带来一定难度。这就要求选手在建模过程中一定要认真看清楚尺寸结构要素，找到较好的建模方法。在模具设计中，根据赛题已知条件和要求，注意模具结构细节的处理，如顶杆和镶件是否需要防转，顶杆数量和位置是否合适，顶出限位机构、边锁、内定位、锁模片等机构是否按要求设计，确保模具结构设计的完整性和合理性。