聚砜醫(yī)療干粉吸入器底座成型與注塑模設(shè)計

石峰 ，王偉偉 ，鄒鋒 ，朱超挺 ，周天綺

(1.浙江醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校，浙江寧波 315100；2.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江寧波 315012)

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個斜圓柱孔(簡稱斜孔)，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5°。中間直徑127 mm圓周內(nèi)布置了4個內(nèi)徑為8 mm的直圓柱孔和6個內(nèi)徑為4 mm小孔，直圓柱孔的外徑為10 mm，高度為12 mm。塑件最小壁厚1.8 mm，最大2.4 mm，平均壁厚2 mm。

圖1 塑件

塑件使用聚砜(PSU)材料進行注射成型，該材料為一種堅韌且強度高的透明塑料，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0.02°。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、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

塑件的注射成型方案設(shè)計受兩個因素的影響，第一個是塑件的材料，第二個是塑件的結(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，流動性差，流長比為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2 mm，因而可以使用PSU材料進行注射成型。PSU材料對缺口較為敏感，塑件上的直角或者銳角都須使用圓弧過渡進行處理。PSU材料對含水量敏感，塑件成型前，須對材料進行干燥處理，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。為保證注塑時澆口到各流動末端的長度接近，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)計要求高，流道設(shè)計時，其基本要求為：主流道盡可能短且粗，以利于熔體流動，主流道直徑2 mm以上，脫模斜度3°～5°，分流道用圓形或梯形流道，流動路徑避免采用彎道形式。

對于塑件的脫模，其上所設(shè)置的14個斜孔，需要使用14個抽忒方向不同的圓柱型忒鑲件進行抽忒脫模，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，又能降低模具中機構(gòu)件的安裝難度。

塑件的澆注系統(tǒng)設(shè)計方案為：使用1模1腔單腔布局，使用單點熱流道直接澆口進行澆注[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設(shè)，以免影響模腔的充填。該方案的CAE流動分析如圖2所示，CAE分析中，塑件材料選用巴斯夫公司(BASF)牌號為P1700的PSU，澆口為圓柱形?1.2 mm澆口，澆口長度1.0 mm，進料口的位置設(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。

圖2 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，整體充填時間為1.542 s左右，能滿足塑件的生產(chǎn)周期要求。充填所需壓力為58 MPa左右，對注塑機的使用要求不高。流動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，可以通過提高模具溫度的方式來消除。流動路徑上氣孔較多，需要增強模腔的排氣來消除。流動分析中，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，只能通過保壓措施來盡可能減小。

3 分型及成型件設(shè)計

如前所述，塑件采用單腔模式成型時，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，以下的面則作為型忒面，如圖3所示。其中，型忒面中，各斜孔內(nèi)側(cè)的局部區(qū)域面必須分割出來，以用作斜頂?shù)姆中兔?，用于設(shè)計斜頂以實現(xiàn)斜孔內(nèi)側(cè)倒扣的成型和脫模[8-12]。

圖4為單個斜孔內(nèi)側(cè)局部區(qū)域面(圖4中倒扣區(qū)域)的成型件設(shè)計。在圖4中，針對14個斜孔的脫模，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個斜孔的脫模機構(gòu)設(shè)計難度。因而，針對斜孔部位的脫?？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)的斜桿鑲件來實現(xiàn)，對于斜孔外壁倒扣區(qū)域的脫模，則使用斜頂頂出方式實現(xiàn)。

圖3 成型面分割

圖4 單個斜孔內(nèi)側(cè)局部區(qū)域面的成型件設(shè)計

使用圖3中所示外沿分型線對模腔進行分型后，將所獲得的型腔鑲件、型忒鑲件及斜孔的斜頂、斜桿鑲件和直桿鑲件進行拼合組裝，由此構(gòu)成的模腔(局部)如圖5所示。設(shè)計斜頂時，必須設(shè)置高度掛臺、水平掛臺兩個限位措施以保證斜頂復(fù)位時在高度方向、水平方向都有定位。設(shè)置外沿分型面時，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，表面粗糙度控制在0.4以上以確保塑件的表面光亮。中速注塑時，模腔分型面上須開設(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。

圖5 模腔成型件的構(gòu)成

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

定模成型組件中，包括1個型腔鑲件、14個斜桿鑲件、4個上圓柱鑲件。14個斜桿鑲件的上端通過橫位銷安裝在導(dǎo)槽板上對應(yīng)的滑動槽內(nèi)，導(dǎo)槽板上端用上蓋板蓋住，以防止斜桿鑲件滑落。14個斜桿鑲件通過導(dǎo)槽板和上蓋板組裝后，構(gòu)成定模斜桿復(fù)合頂出機構(gòu)，再插入型腔鑲件中各自對應(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。

動模成型組件中，包括1個型忒鑲件、14個直桿鑲件、14個斜頂。14個斜頂采用“萬能斜頂”結(jié)構(gòu)形式，由推桿推動其上端的斜頂頂出。14個直桿鑲件采用肩臺定位方式固定安裝在型忒鑲件內(nèi)。14個斜頂通過相應(yīng)的14根推桿推動，推桿安裝在模具的頂針推板上，構(gòu)成動?！叭f能斜頂”復(fù)合機構(gòu)。動模材料成型件使用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。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，并增加4副模腔導(dǎo)柱進行導(dǎo)向。模具中的模腔布置為1模1腔。型腔鑲件、型忒鑲件均使用雙邊定位方式，通過楔緊塊楔緊方式安裝在定模板、動模板內(nèi)。定模板、動模板的精確閉合定位由定模板導(dǎo)柱、模腔導(dǎo)柱、邊鎖共同實現(xiàn)[13-14]。定模板導(dǎo)柱主要用于定模板打開／閉合時的滑動導(dǎo)向；模腔導(dǎo)柱主要用于定模板和動模板之間打開／閉合時的滑動導(dǎo)向。定模板與定模座板之間的打開使用4根定距拉桿進行定距控制。定模板與動模板的臨時閉合，使用模板鎖控制。

圖7 模具布局

5 模具機構(gòu)件組裝

機構(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及附屬機構(gòu)零件構(gòu)成，動模由動模板8、方鐵9、動模座板10等零件構(gòu)成。蓋板11、頂針推板12等零件構(gòu)成動模的頂出機構(gòu)，注塑機頂桿通過頂桿套13推動頂針推板12。定模板4和定模座板3之間的開模面為P1，定模板4與定模座板3之間的分離距離通過定距拉桿5限制；動模板8與定模板4之間的開模面為P2。開模面打開的順序為P1→P2，閉合順序也為P1→P2。開模時，P1面打開，P2面閉合，該閉合控制由圖7中所示的模板鎖進行控制，模板鎖由鎖鉤桿6等8個零件組成。閉模前，P1，P2面都處于打開狀態(tài)，閉合時，模板鎖控制模具按P1→P2順序閉合。型忒鑲件17、型腔鑲件18分別通過螺釘緊固安裝在動模板8、定模板4內(nèi)。

圖8 模具結(jié)構(gòu)安裝

定模斜桿復(fù)合頂出機構(gòu)中，上蓋板27、導(dǎo)槽板28用螺絲緊固組合在一起，再通過螺絲緊固安裝在定模座板3所開設(shè)的槽內(nèi)，斜桿鑲件25的上端通過橫銷26進行開模方向的限位后，安裝在導(dǎo)槽板28開設(shè)的滑動槽內(nèi)，下端插入型腔鑲件18內(nèi)的斜孔內(nèi)。P1面打開時，定模板4往下運動，將塑件從14個斜桿鑲件25上推出。

動?！叭f能斜頂”復(fù)合機構(gòu)中，斜頂22安裝在型忒鑲件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)軌滑動連接，頂桿21用頂針推板12推動。P2面打開后，模腔打開，注塑機頂桿通過頂針推板12推動斜頂12對塑件進行頂出。

模具中，模板鎖機構(gòu)為一種新型模板開閉控制機構(gòu)，如圖9所示。機構(gòu)的組成零件包括鎖鉤桿6、件30～件37。導(dǎo)動凸塊30安裝在定模座板3上，其上設(shè)置有導(dǎo)動銷31的導(dǎo)動凸臺；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)動銷32與底座35鉸接在一起，底座35用螺絲緊固安裝在動模板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)動方向轉(zhuǎn)動。鎖鉤37勾住耐磨鎖塊36用于鎖緊動模板8和定模板4。

圖9 模板鎖機構(gòu)

模板鎖機構(gòu)的動作原理為：當(dāng)模具動模按Z-向下行時，導(dǎo)動銷31暫時不能接觸導(dǎo)動凸塊30上的導(dǎo)動凸臺，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)動銷32的中心按T1轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)動，此時動模板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；P1面打開一定距離后，導(dǎo)動銷31被導(dǎo)動凸塊30上的導(dǎo)動凸臺按F1向推動，迫使鎖鉤37和耐磨鎖塊36脫離接觸，從而，動模板8與定模板4分離，模具在P2面處打開。閉合時，P1面先閉合，模具繼續(xù)閉合過程中，鎖鉤37被耐磨鎖塊36先推開而后再勾住耐磨鎖塊36，從而實現(xiàn)再次鎖緊動模板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，第一次打開在P1面處打開，該面打開時，14個斜桿鑲件25從模腔內(nèi)塑件上對應(yīng)的14個斜孔中抽忒抽出。第二次在P2面處打開，塑件從型腔鑲件18內(nèi)脫出并留于型忒鑲件17上。而后，隨著模具動模的繼續(xù)下行，注塑機頂桿頂住頂針推板12，從而推動14根頂桿21和14個斜頂22將塑件從型忒鑲件17上頂出，實現(xiàn)塑件的完全脫模。

模具復(fù)位時，頂針推板12先復(fù)位，確保動?！叭f能斜頂”復(fù)合機構(gòu)先復(fù)位；模具閉合時，先在P1面處閉合，確保定模斜桿復(fù)合頂出機構(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

注塑時，注塑工藝需要注意以下事項：

①注塑前，須對PSU進行干燥，干燥方式為熱風(fēng)干燥，溫度為125～135℃，時間為4～6 h，鋪料方式為平鋪，鋪料厚度為18～22 mm，含水量控制在0.1%以下；

②不能使用脫模劑；

③PSU的成型溫度較高，在注塑前必須將料筒內(nèi)清潔干凈；

④成型后須對塑件進行退火處理，退火方式使用空氣浴方式，退火溫度為150℃，退火時間為2～4 h。

8 結(jié)語

(1)使用PSU塑料對醫(yī)療用干粉吸入器底座塑件進行注射成型。運用CAE分析獲得了塑件熱流道單腔模腔所需的成型時間為1.542 s，注塑壓力為58 MPa。

(2)設(shè)計了塑件1模1腔兩板熱流道模具；澆注使用單點熱澆口進行澆注；模具分2次分型打開，1次用于塑件定模側(cè)斜孔的抽忒脫模，1次用于塑件模腔的打開。針對塑件14個斜孔內(nèi)壁的脫模，設(shè)計了定模斜桿復(fù)合頂出機構(gòu)，針對14個斜孔外壁的脫模，設(shè)計了動?！叭f能斜頂”復(fù)合機構(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℃，時間4～6 h，鋪料厚度20 mm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℃，時間 2～4 h。