石峰1，王偉偉2，鄒鋒1，朱超挺1，周天綺1
(1．浙江醫(yī)藥高等專科學校，浙江寧波 315100； 2．浙江工商職業(yè)技術學院機電工程學院，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PSU材料進行干燥處理的工藝參數(shù)為溫度125～135℃，時間 4～6 h，平鋪，鋪料厚度 18～22mm，含水量控制在 0.1% 以下。針對塑件的注射成型設計了 1 副一模一腔熱流道兩板注塑模具，使用單點熱澆口進行澆注； 模具分 2 次分型打開， 1次用于塑件定模側斜孔的 抽芯脫模， 1 次用于塑件模腔的打開； 型腔的表面粗糙度為 0.4 以上，排氣孔的深度應控制在 0.08 mm；針對塑件14個斜孔內(nèi)壁的脫模，設計了定模斜桿復合頂出機構，針對14 個斜孔外壁的脫模，設計了動模“萬能斜頂”復合機構。 運用 CAE 分析獲得了模具中所需的成型時間為 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℃，時間 2～4h。
關鍵詞： 醫(yī)療塑件； 聚砜塑料； 熱流道； 注塑工藝； 模具設計； 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5º。中間直徑127mm圓周內(nèi)布置了 4 個內(nèi)徑為8mm 的直圓柱孔和6個內(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] ； 具有良好的力學性能和耐化學性能，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0.02º。PSU材料在醫(yī)衛(wèi)器材零部件制造方面應用較為廣泛，典型有外科手術盤、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)設計
塑件的注射成型方案設計受兩個因素的影響， 第一個是塑件的材料，第二個是塑件的結構。就材料而言，PSU是一種非結晶聚合物，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 2mm，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。
就塑件結構而言，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在塑件的幾何中心位置為最佳。塑件模腔的冷流道設計要求高，流道設計時，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2mm以上，脫模斜度 3º～5º，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，其上所設置的 14 個斜孔，需要使用14個抽芯方向不同的圓柱型芯鑲件進行抽芯脫模，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 機構件的安裝難度。
塑件的澆注系統(tǒng)設計方案為：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]，澆口設置在塑件的幾何中央位置，這樣可以避免冷流道的開設，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 Ø1.2 mm 澆口，澆口長度 1.0 mm，進料口的位置設置在模腔幾何中央厚壁處。模具溫度設置為 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，不利的結果為：塑件成型中所產(chǎn)生的 內(nèi)應力難以消除，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，以下的面則作為型芯面，如圖 3 所示。其中，型芯面中，各斜孔內(nèi)側的局部區(qū)域面必須分割出來，以用作斜頂?shù)姆中兔妫糜谠O計斜頂以實現(xiàn)斜孔內(nèi)側倒扣的成型和脫模 [8–12]。
圖 4 為單個斜孔內(nèi)側局部區(qū)域面 ( 圖 4 中倒扣區(qū)域 ) 的成型件設計。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個斜孔的脫模機構設計難度。因而，針對斜孔部位的脫模可以采用以下方式：斜孔內(nèi)壁的成型 與脫模由位于型腔鑲件一側的斜桿鑲件來實現(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)。
成型面分割
單個斜孔內(nèi)側局部區(qū)域面的成型件設計
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、型芯鑲件及斜孔的斜頂、 斜桿鑲件和直桿鑲件進行拼合組裝，由此構成的模腔 (局部) 如圖5所示。設計斜頂時，必須設置高度掛臺、水平掛臺兩個限位措施以保證斜頂復位時在高度方向、水平方向都有定位。設置外沿分型面時，分型面設置為延拓面+水平面的組合形式，以便于排氣槽開設、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
模腔成型件的構成
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，最終成型件的設置及組裝如圖 6 所示。
圖 6 成型件設計
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 過橫位銷安裝在導槽板上對應的滑動槽內(nèi)，導槽板上端用上蓋板蓋住，以防止斜桿鑲件滑落。 14 個斜 桿鑲件通過導槽板和上蓋板組裝后，構成定模斜桿 復合頂出機構，再插入型腔鑲件中各自對應的斜孔 內(nèi)。定模成型件的材料使用 M461 預硬鏡面塑膠模具鋼。
動模成型組件中，包括 1 個型芯鑲件、14 個直桿鑲件、14 個斜頂。14個斜頂采用“萬能斜頂”結 構形式，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芯鑲件內(nèi)。 14個斜頂通過相應的14根推桿推動，推桿安裝在模具的頂針推板上，構成動模“萬能斜頂”復合機構。動 模材料成型件使用 Cr12MoV 模具合金鋼。
4 模具結構布置
功能零部件在模具結構中的布置如圖 7 所示，模具使用兩板模結構，2次分型打開。所選用模架為一種非標準模架，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 副模腔導柱進行導向。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柱、模腔導柱、邊鎖共同實現(xiàn) [13–14]。定模板導柱主要用于定模板打開／閉合時的滑動導向；模腔導柱主要用于定模板和動模板之間打開／閉合時的滑 動導向。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 模具機構件組裝
機構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 及附屬機構零件構成，動模由動模板8、方鐵 9、動模座板 10 等零件構成。蓋板 11、頂針推板12等零件構成動模的頂出機構，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。型芯 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)。
定模斜桿復合頂出機構中，上蓋板 27、導槽板 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，安裝在導槽板28開設的滑動槽內(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。
圖 8 模具結構安裝
動模“萬能斜頂”復合機構中，斜頂 22 安裝在 型芯鑲件 17 內(nèi)，其下端設置有 T 型槽，與頂桿21上端所設置的 T 型導軌滑動連接，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，模板鎖機構為一種新型模板開閉控制 機構，如圖9所示。機構的組成零件包括鎖鉤桿6，件30 ～件37。導動凸塊 30 安裝在定模座板 3 上，其上設置有導動銷 31 的導動凸臺；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 轉動方向轉動。鎖鉤 37 勾住耐磨鎖塊 36 用于鎖緊動模板 8 和定模板 4。
模板鎖機構的動作原理為：當模具動模按 Z–向下行時，導動銷31暫時不能接觸導動凸塊30上的導動凸臺，因而，鎖鉤桿6 在外簧片33 和內(nèi)簧片34 的彈壓下，不能繞轉動銷 32 的中心按 T1 轉動方向轉動，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，導動銷 31 被導動凸塊 30 上的導動凸臺按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)塑件上對應的 14 個斜孔中抽芯抽出。第二次在 P2 面處打開，塑件從型腔鑲件 18 內(nèi)脫出并留于型芯鑲件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將塑件從型芯鑲件 17 上頂出，實現(xiàn)塑件的完全脫模。
模具復位時，頂針推板 12 先復位，確保動模“萬能斜頂”復合機構先復位；模具閉合時，先在 P1 面處閉合，確保定模斜桿復合頂出機構先復位，而后在 P2 面處閉合復位，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 18～22mm，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 2～4h 。
8 結語
(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 1.542s，注塑壓力為58MPa。
(2) 設計了塑件 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 次用于塑件定模側斜孔的抽芯脫模， 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，設計 了定模斜桿復合頂出機構，針對 14 個斜孔外壁的脫 模，設計了動模“萬能斜頂”復合機構。
(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 材料熱風循環(huán)干燥工藝參數(shù)為：溫度125～135 ℃，時 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空氣浴方式退火，溫度150℃，時間2～4h。
參 考 文 獻
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