石峰1，王伟伟2，邹锋1，朱超挺1，周天绮1
(1．浙江医药高等专科学校，浙江宁波 315100； 2．浙江工商职业技术学院机电工程学院，浙江宁波 315012)
摘要：使用聚砜 (PSU)塑料注射成型医疗干粉吸入器底座塑件。成型前，对PSU材料进行干燥处理的工艺参数为温度125～135℃，时间 4～6 h，平铺，铺料厚度 18～22mm，含水量控制在 0.1% 以下。针对塑件的注射成型设计了 1 副一模一腔热流道两板注塑模具，使用单点热浇口进行浇注； 模具分 2 次分型打开， 1次用于塑件定模侧斜孔的 抽芯脱模， 1 次用于塑件模腔的打开； 型腔的表面粗糙度为 0.4 以上，排气孔的深度应控制在 0.08 mm；针对塑件14个斜孔内壁的脱模，设计了定模斜杆复合顶出机构，针对14 个斜孔外壁的脱模，设计了动模“万能斜顶”复合机构。 运用 CAE 分析获得了模具中所需的成型时间为 1.542s，注塑压力为 58 MPa。塑件成型后须退火处理，控制参数为空气浴，温度 150℃，时间 2～4h。
关键词： 医疗塑件； 聚砜塑料； 热流道； 注塑工艺； 模具设计； 脱模
1 塑件分析
图1所示为一种医疗干粉吸入器底座塑件，塑件俯视外形呈葵花形状，侧视外形呈球冠形状。塑件外沿圆周上布置了 14 个斜圆柱孔 (简称斜孔)，其内径为8 mm、外径为10 mm、高度为14 mm，斜孔轴心线与塑件中心线夹角为5º。中间直径127mm圆周内布置了 4 个内径为8mm 的直圆柱孔和6个内径为4mm小孔，直圆柱孔的外径为10mm，高度为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) 材料进行注射成型，该材料为一种坚韧且强度高的透明塑料，与聚碳酸酯相比能提供较高的耐热性和更好的水解稳定性 [1–3] ； 具有良好的力学性能和耐化学性能，与蒸汽、氧化剂等接触时具有优异的尺寸稳定性；有透明与不透明的各种彩色可供选择。PSU的收缩率为0.4%～0.8%，不同方向收缩差异小，塑件脱模斜度一般取0.02º。PSU材料在医卫器材零部件制造方面应用较为广泛，典型有外科手术盘、喷雾器、加湿器等塑件零件 [4–6]。
2 注射成型方案及浇注系统设计
塑件的注射成型方案设计受两个因素的影响， 第一个是塑件的材料，第二个是塑件的结构。就材料而言，PSU是一种非结晶聚合物，成型温度 280℃以上，流动性差，流长比为 80左右，塑件的壁厚须 控制在 1.5 mm 以上，吸入器底座塑件的平均壁厚为 2mm，因而可以使用 PSU 材料进行注射成型。 PSU 材料对缺口较为敏感，塑件上的直角或者锐角都须使用圆弧过渡进行处理。PSU材料对含水量敏感，塑件成型前，须对材料进行干燥处理，尽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，以防高温下熔体降解。
就塑件结构而言，塑件整体形状为圆片状，其包容圆的外径为193 mm，为中等偏大型塑件。为保证注塑时浇口到各流动末端的长度接近，以保证塑件各局部位置的充填均衡性，塑件的最佳浇口位置以开设在塑件的几何中心位置为最佳。塑件模腔的冷流道设计要求高，流道设计时，其基本要求为：主流道尽可能短且粗，以利于熔体流动，主流道直径2mm以上，脱模斜度 3º～5º，分流道用圆形或梯形流道，流动路径避免采用弯道形式。
对于塑件的脱模，其上所设置的 14 个斜孔，需要使用14个抽芯方向不同的圆柱型芯镶件进行抽芯脱模，显然，塑件不宜采用多腔布局成型，采用单 腔布局既能保证塑件的成型精度，又能降低模具中 机构件的安装难度。
塑件的浇注系统设计方案为：使用 1 模 1 腔单 腔布局，使用单点热流道直接浇口进行浇注 [7]，浇口设置在塑件的几何中央位置，这样可以避免冷流道的开设，以免影响模腔的充填。该方案的 CAE 流动分析如图 2 所示，CAE 分析中，塑件材料选用巴斯夫公司 (BASF) 牌号为 P1700 的 PSU，浇口为圆柱形 Ø1.2 mm 浇口，浇口长度 1.0 mm，进料口的位置设置在模腔几何中央厚壁处。模具温度设置为 140℃，熔体温度 360℃、最大温度 380℃，顶出温度 165℃。注塑速率采用中速，以免高速造成熔体破裂， 充模困难。
浇注系统 CAE 分析
从图 2 可以看出，在该成型方案下，模腔的充填性能好，各末端能获得均衡充填，整体充填时间为1.542s 左右，能满足塑件的生产周期要求。充填所需压力为58MPa 左右，对注塑机的使用要求不高。流动路径上熔接线主要出现在孔的末端位置处，形态为熔合线，可以通过提高模具温度的方式来消除。 流动路径上气孔较多，需要增强模腔的排气来消除。 流动分析中，不利的结果为：塑件成型中所产生的 内应力难以消除，只能通过保压措施来尽可能减小。
3 分型及成型件设计
如前所述，塑件采用单腔模式成型时，将考虑 收缩率后的塑件表面作为成型件的成型面，选用外沿分型线、各内孔分型线以上的面作为型腔面，以下的面则作为型芯面，如图 3 所示。其中，型芯面中，各斜孔内侧的局部区域面必须分割出来，以用作斜顶的分型面，用于设计斜顶以实现斜孔内侧倒扣的成型和脱模 [8–12]。
图 4 为单个斜孔内侧局部区域面 ( 图 4 中倒扣区域 ) 的成型件设计。在图 4 中，针对 14 个斜孔的脱模，使用斜杆镶件成型斜孔的上端部分，这样可以将斜孔的下端设置成直杆镶件，从而可以最大限度 降低14个斜孔的脱模机构设计难度。因而，针对斜孔部位的脱模可以采用以下方式：斜孔内壁的成型 与脱模由位于型腔镶件一侧的斜杆镶件来实现，对于斜孔外壁倒扣区域的脱模，则使用斜顶顶出方式实现。
成型面分割
单个斜孔内侧局部区域面的成型件设计
使用图 3 中所示外沿分型线对模腔进行分型后，将所获得的型腔镶件、型芯镶件及斜孔的斜顶、 斜杆镶件和直杆镶件进行拼合组装，由此构成的模腔 (局部) 如图5所示。设计斜顶时，必须设置高度挂台、水平挂台两个限位措施以保证斜顶复位时在高度方向、水平方向都有定位。设置外沿分型面时，分型面设置为延拓面+水平面的组合形式，以便于排气槽开设、分型面的加工及模腔的闭合配 模。加工型腔镶件成型面时，表面粗糙度控制在 0.4
模腔成型件的构成
以上以确保塑件的表面光亮。中速注塑时，模腔分型面上须开设环绕型排气间隙及排气槽，排气间隙 0.02，用于引气的排气槽的深度0.08 mm。
综上所述，最终成型件的设置及组装如图 6 所示。
图 6 成型件设计
定模成型组件中，包括1个型腔镶件、14个斜 杆镶件、4个上圆柱镶件。14个斜杆镶件的上端通 过横位销安装在导槽板上对应的滑动槽内，导槽板上端用上盖板盖住，以防止斜杆镶件滑落。 14 个斜 杆镶件通过导槽板和上盖板组装后，构成定模斜杆 复合顶出机构，再插入型腔镶件中各自对应的斜孔 内。定模成型件的材料使用 M461 预硬镜面塑胶模具钢。
动模成型组件中，包括 1 个型芯镶件、14 个直杆镶件、14 个斜顶。14个斜顶采用“万能斜顶”结 构形式，由推杆推动其上端的斜顶顶出。14个直杆镶件采用肩台定位方式固定安装在型芯镶件内。 14个斜顶通过相应的14根推杆推动，推杆安装在模具的顶针推板上，构成动模“万能斜顶”复合机构。动 模材料成型件使用 Cr12MoV 模具合金钢。
4 模具结构布置
功能零部件在模具结构中的布置如图 7 所示，模具使用两板模结构，2次分型打开。所选用模架为一种非标准模架，由两板模模架改造而获得，改造的地方在于：定模板与定模座板之间增加 1 次分型打开，并增加 4 副模腔导柱进行导向。模具中的模腔布置为 1模1 腔。型腔镶件、型芯镶件均使用双边定位方式，通过楔紧块楔紧方式安装在定模板、动模板内。定模板、动模板的精确闭合定位由定模板导柱、模腔导柱、边锁共同实现 [13–14]。定模板导柱主要用于定模板打开／闭合时的滑动导向；模腔导柱主要用于定模板和动模板之间打开／闭合时的滑 动导向。定模板与定模座板之间的打开使用 4 根定距拉杆进行定距控制。定模板与动模板的临时闭合，使用模板锁控制。
图 7 模具布局
5 模具机构件组装
机构件在模具上的组装如图 8 所示。模具的定模由定模座板 3、定模板 4 及附属机构零件构成，动模由动模板8、方铁 9、动模座板 10 等零件构成。盖板 11、顶针推板12等零件构成动模的顶出机构，注塑机顶杆通过顶杆套 13 推动顶针推板 12。定模板 4 和定模座板 3 之间的开模面为 P1，定模板 4 与定 模座板 3 之间的分离距离通过定距拉杆 5 限制；动 模板 8 与定模板 4 之间的开模面为 P2。开模面打 开的顺序为 P1 → P2，闭合顺序也为 P1 → P2。开模时，P1 面打开，P2 面闭合，该闭合控制由图 7 中 所示的模板锁进行控制，模板锁由锁钩杆 6 等 8 个零件组成。闭模前，P1，P2 面都处于打开状态，闭 合时，模板锁控制模具按 P1 → P2 顺序闭合。型芯 镶件 17、型腔镶件 18 分别通过螺钉紧固安装在动 模板8、定模板4 内。
定模斜杆复合顶出机构中，上盖板 27、导槽板 28 用螺丝紧固组合在一起，再通过螺丝紧固安装在 定模座板 3 所开设的槽内，斜杆镶件 25 的上端通过横销 26 进行开模方向的限位后，安装在导槽板28开设的滑动槽内，下端插入型腔镶件 18 内的斜孔内。 P1 面打开时，定模板 4 往下运动，将塑件从 14 个斜杆镶件 25 上推出。
图 8 模具结构安装
动模“万能斜顶”复合机构中，斜顶 22 安装在 型芯镶件 17 内，其下端设置有 T 型槽，与顶杆21上端所设置的 T 型导轨滑动连接，顶杆 21 用顶针 推板 12 推动。 P2 面打开后，模腔打开，注塑机顶杆 通过顶针推板 12 推动斜顶 12 对塑件进行顶出。
模具中，模板锁机构为一种新型模板开闭控制 机构，如图9所示。机构的组成零件包括锁钩杆6，件30 ～件37。导动凸块 30 安装在定模座板 3 上，其上设置有导动销 31 的导动凸台；锁钩杆 6 与锁钩37用锁钩螺丝 38 组装在一起，锁钩杆6 用转动销 32 与底座 35 铰接在一起，底座 35 用螺丝紧固安 装在动模板 8 的侧边。耐磨锁块 36 用螺丝安装在定模板 4 上； 外簧片 33 和内簧片 34 叠装在一起， 用螺丝紧固组装在底座 35 上，用于阻挡锁钩杆 6 按T1 转动方向转动。锁钩 37 勾住耐磨锁块 36 用于锁紧动模板 8 和定模板 4。
模板锁机构的动作原理为：当模具动模按 Z–向下行时，导动销31暂时不能接触导动凸块30上的导动凸台，因而，锁钩杆6 在外簧片33 和内簧片34 的弹压下，不能绕转动销 32 的中心按 T1 转动方向转动，此时动模板 8 和定模板 4 被锁钩37 和耐磨锁块 36 锁闭，模具只能在 P1 面打开；P1 面打开一定距离后，导动销 31 被导动凸块 30 上的导动凸台按F1 向推动，迫使锁钩37和耐磨锁块36脱离接触，从而，动模板 8 与定模板 4 分离，模具在 P2 面处打开。闭合时，P1 面先闭合，模具继续闭合过程中，锁钩 37 被耐磨锁块 36 先推开而后再勾住耐磨锁块 36，从而实现再次锁紧动模板 8 和定模板 4 的功能。
6 模具工作原理
结合图 8 所示，模具分 2 次分型打开，第一次打开在 P1 面处打开，该面打开时，14 个斜杆镶件 25 从模腔内塑件上对应的 14 个斜孔中抽芯抽出。第二次在 P2 面处打开，塑件从型腔镶件 18 内脱出并留于型芯镶件17 上。而后，随着模具动模的继续下行，注塑机顶杆顶住顶针推板 12，从而推动 14 根顶杆 21 和 14个斜顶 22将塑件从型芯镶件 17 上顶出，实现塑件的完全脱模。
模具复位时，顶针推板 12 先复位，确保动模“万能斜顶”复合机构先复位；模具闭合时，先在 P1 面处闭合，确保定模斜杆复合顶出机构先复位，而后在 P2 面处闭合复位，等待下一次注塑循环。
7 注塑工艺事项
注塑时，注塑工艺需要注意以下事项：
①注塑前，须对 PSU 进行干燥，干燥方式为热 风干燥，温度为 125～135℃，时间为 4～6 h，铺料方式为平铺，铺料厚度为 18～22mm，含水量控制在 0.1% 以下；
②不能使用脱模剂；
③ PSU 的成型温度较高，在注塑前必须将料筒 内清洁干净；
④成型后须对塑件进行退火处理，退火方式使 用空气浴方式，退火温度为 150℃，退火时间为 2～4h 。
8 结语
(1) 使用 PSU 塑料对医疗用干粉吸入器底座塑 件进行注射成型。运用 CAE 分析获得了塑件热流 道单腔模腔所需的成型时间为 1.542s，注塑压力为58MPa。
(2) 设计了塑件 1 模 1 腔两板热流道模具；浇注使用单点热浇口进行浇注；模具分 2 次分型打开， 1 次用于塑件定模侧斜孔的抽芯脱模， 1 次用于塑件模腔的打开。针对塑件 14 个斜孔内壁的脱模，设计 了定模斜杆复合顶出机构，针对 14 个斜孔外壁的脱 模，设计了动模“万能斜顶”复合机构。
(3) 模具型腔的表面粗糙度为 0.4 以上，排气间 隙 0.02 mm，排气槽的深度 0.08 mm。
(4) 注塑前，PSU 材料热风循环干燥工艺参数为：温度125～135 ℃，时 间 4～6h，铺料厚度20mm 左右，确保含水量控制在 0.1% 以下。成型后塑件的退火工艺使用热风空气浴方式退火，温度150℃，时间2～4h。
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