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DOI 10 1007 s00170 004 2287 0 ORIGINAL ARTICLE Int J Adv Manuf Technol 2006 27 1089 1096 K S Lee J C Lin Design of the runner and gating system parameters for a multi cavity injection mould using FEM and neural network Received 15 March 2004 Accepted 7 June 2004 Published online 2 March 2005 Springer Verlag London Limited 2005 Abstract The design of the runner and gating systems is of great importance to achieving a successful injection moulding process The subjects of this study are the finite element and abductive neural network methods applied to the analysis of a multi cavity injection mould In order to select the optimal runner system parameters to minimize the warp of an injection mould FEM Taguchi s method and an abductive network are used These methods are applied to train the abductive neural network Once the runner and gate system parameters are de veloped this network can be used to accurately predict the warp of the multi injection mould A simulated annealing SA opti mization algorithm with a performance index is then applied to the neural network in order to search the gate and runner system parameters This method obtains a satisfactory result as com pared with the corresponding finite element verification Keywords Abductive neural network Multi cavity Simulated annealing 1 Introduction Injection moulding is one of the most important industrial pro cesses in industry owing to a high manufacturing rate shorter product cycle low percentage of scrap excellent product sur face and easy moulding of complicated shapes In the production process molten polymer is injected under high velocity into the mould cavity The constant demand for higher quality leads to interest in the analysis of the product s physical properties K S Lee a117 Department of Mechanical Engineering Chien Kuo Institute of Technology Changhua Taiwan 500 R O C E mail kingsun ckit edu tw Tel 886 4 7111111 Fax 886 4 7111137 J C Lin Department of Mechanical Design Engineering National Huwei University of Science Normalizer RD4 4 00617 1 335391 Input parameter run ner diameter Normalizer GD5 4 00617 2 86155 Input parameter gating diameter Normalizer IV3 2 4037 0 120185 Input parameter injec tion volume Triple 8 0 678393 0 3333 Normalizer CN2 0 04411 Normalizer RD4 1 0659 Normalizer CN2 2 0 0804199 Normalizer RD4 2 0 0616056 Normalizer CN2 Normalizer RD4 0 0609406 Normalizer CN2 Normalizer RD4 Normalizer GD5 0 75 Normalizer CN2 3 Double 9 0 678393 0 274663 Normalizer CN2 0 0441131 Normalizer RD4 1 0659 Normalizer CN2 2 0 0804199 Normalizer RD4 2 0 0616 Normalizer CN2 Normalizer RD4 0 75 Normalizer CN2 3 Double 10 0 06793 0 608463 Normalizer IV3 0 0441131 Normalizer RD4 0 00987721 Normalizer IV3 2 0 0804199 Normalizer RD4 2 0 095574 Normalizer IV3 Normalizer RD4 Triple 7 0 804449 8 76191 Triple 8 8 9015 Double 9 0 74973 Double 10 211 981 Triple 8 2 215 076 Double 9 2 0 0274245 Double 10 2 426 355 Triple 8 Double 9 3 10301 Triple 8 Double 10 2 65269 Double 9 Double 10 0 115732 Triple 8 Double 9 Double 10 7 3526 Triple 8 3 6 733 Double 9 3 0 321305 Double 10 3 Warp output U 6 0 0 577826 0 312686 Triple 7 通過有限元分析和神經(jīng)網(wǎng)絡法對多型腔模的流道和澆口系統(tǒng)參數(shù)的設計
通過有限元分析和神經(jīng)網(wǎng)絡法對多型腔模的
流道和澆口系統(tǒng)參數(shù)的設計
K.S. Lee
Department of Mechanical Engineering, Chien Kuo Institute of Technology,
Changhua, Taiwan 500, R.O.C.
E-mail: kingsun@ckit.edu.tw
Tel.: +886-4-7111111 Fax: +886-4-7111137
摘 要：橫澆道和澆口系統(tǒng)的設計是重視實現(xiàn)一個成功的注塑成型過程。本研究的受試者是有限元和施加到多腔注射模具的分析溯神經(jīng)網(wǎng)絡的方法。為了選擇最佳的熱流道系統(tǒng)參數(shù)，以減少注射模具的翹曲，有有限元法，田口的方法和溯網(wǎng)絡的使用。這些方法應用到訓練溯神經(jīng)網(wǎng)絡。一旦橫澆道和澆口系統(tǒng)參數(shù)被開發(fā)，該網(wǎng)絡可以被用來準確地預測多注射模具的翹曲。模擬退火（SA）和優(yōu)化算法的性能指標，然后應用到神經(jīng)網(wǎng)絡以查詢澆口和流道系統(tǒng)參數(shù)。這種方法獲得一個滿意的結果與相應的有限元驗證比較。
關鍵詞：溯神經(jīng)網(wǎng)絡；多腔；模擬退火
1 引言
由于注塑成型的生產(chǎn)速度高，產(chǎn)品周期短，廢鋼比例低，以及優(yōu)良的產(chǎn)品表面和復雜形狀的成型加工容易，使其成為行業(yè)中最重要的加工工藝之一。在生產(chǎn)過程中，熔融的聚合物在高流速注入到模具腔中。對于更高質量的不斷需求導致人們在在產(chǎn)品的物理性能的分析方面很感興趣。
澆道和澆口系統(tǒng)的主要功能是將熔融金屬進入模具并通過模具型腔的所有部分。不好的澆口設計可以導致如氣孔，縮孔缺陷，流線冷關上，和表面質量差。用適當?shù)臐驳篮蜐沧⑾到y(tǒng)的設計，可以控制灌裝模式（例如焊接線的位置），防止過度包裝，減少成型件故障的發(fā)生率，并提高生產(chǎn)效率。通過改進的澆道和澆口系統(tǒng)設計來優(yōu)化模具的填充圖案，這是非常重要的。
在過去，通過試驗和錯誤來典型地設計橫澆道和注射模具的澆注系統(tǒng)與多空腔，直到多空腔被正確地填充無短射或其他缺陷為止。減少在設計階段的成本和時間，來模擬包含殘余應力的注塑部件的收縮率是非常重要的。在這項研究中，對澆注系統(tǒng)設計的收縮率進行預測的綜合仿真程序和神經(jīng)網(wǎng)絡被作為注塑計算機輔助工程的一部分。
1.1 文獻綜述
最近,對澆注系統(tǒng)的研究包括了越來越多的優(yōu)化算法的論文，重點是產(chǎn)生程序，以協(xié)助設計師在模具和零件設計的工作。Li[1]提出優(yōu)化流道設計的自動優(yōu)化理論與流動/熱模擬程序整合的可行途徑。Shamsuddin[2]利用網(wǎng)絡和FORTRAN模擬流道和澆口系統(tǒng)有四個門。分支通向柵極和模具腔的角分別為40?90°。Hu[ 3 ]將數(shù)值模擬技術應用于流道優(yōu)化澆注系統(tǒng)。由Lin[ 4 ]定義的最佳位置與質量功能，包括溫差確定的最佳位置，過度包裝和摩擦生熱條款。Jong和Wang[ 5 ]介紹了一個基于流模擬澆注系統(tǒng)的優(yōu)化設計。
該溯神經(jīng)網(wǎng)絡分析方法以C語言程序的形式用于仿真技術。它已經(jīng)表明，在溯網(wǎng)絡的預測精度比傳統(tǒng)網(wǎng)絡[ 6 ]高多了?；谒菟萆窠?jīng)分析建模技術是能夠代表注射分析結果和澆注系統(tǒng)的設計之間的復雜的、不確定的關系。它表明了經(jīng)紗和轉輪，以及澆注系統(tǒng)參數(shù)可以與基于開發(fā)的網(wǎng)絡上合理的精確度來預測。
1.2 研究設計和仿真步驟
本研究的目的是利用CAD / CAE軟件系統(tǒng)模擬注塑成型的設計過程，并推導出的澆口和流道系統(tǒng)參數(shù)的注射過程的最優(yōu)解集。這個模擬開始使用CAD軟件（如Pro / Engineer的）來創(chuàng)建一個注射部位的模型。接著，將有限元包（即模流/ MPI3.1版[7]系統(tǒng)）來分析注塑加工的多注塑模具的條件。
本研究采用有限元和神經(jīng)網(wǎng)絡建立流道參數(shù)關系及澆注系統(tǒng)的參數(shù)，以找到關系方程。它提供了基于技術開發(fā)和應用模擬的理論基礎。
有限元仿真后，溯網(wǎng)絡方程建立翹曲和澆口澆注系統(tǒng)參數(shù)模型之間的關系。通過使用溯建模技術，輸入和輸出變量之間的復雜的和不確定的關系，可以將其配制成一種有用的數(shù)學模型。為以后的推導，該模型將被視為一個黑盒子來表示注射成型的過程中，具有可調參數(shù)來操縱模型的整體性能。
一旦網(wǎng)絡模型，輸入和輸出的澆注參數(shù)變量之間的關系變得明顯。建立了一種算法來優(yōu)化尋找最佳的參數(shù)與性能指標的過程。在這個階段，運用模擬退火算法[ 8 ]采用。模擬退火算法是類似于用于最小化的性能指標的材料的退火工藝。
2 問題的配方
2.1 注塑模具流動過程：
主要模具流動方程被分成三個部分，如下所示：
(A) 在充填階段，模腔填充有在高壓下熔融的塑性流體。因此，控制方程包括：
(1) 連續(xù)性方程，塑性變形或形狀變化在填充過程伴隨著流動的，但質量守恒。
(2) 動量方程，牛頓的塑性流動產(chǎn)生的第二定律推導一貫的激情（加速狀態(tài)）或力平衡。
(3)能量方程，這是節(jié)約的流動材料的系統(tǒng)和法律的能量守恒，如果是不可壓縮的流體。
(B) 保壓分析。保壓過程是，把壓力保持后在模腔中填充以注入更多的塑料在冷卻以補償收縮。
(C) 冷卻和翹曲分析。冷卻過程中的分析是討論塑料的流動分布和熱傳導的關系。
同質模具溫度，填充序列遵循亞軍系統(tǒng)和門控設計的優(yōu)化，并會因產(chǎn)品的收縮。如果流路徑是不平衡，或溫度分布的分布不均勻，有對翹曲發(fā)生的傾向。
2.2 仿真參數(shù)及田口方法
經(jīng)過有限元模型的制訂，需要一個溯網(wǎng)絡結構，利用Moldflow軟件/ MPI系統(tǒng)的結果來確定。在這個階段中，驗證數(shù)據(jù)集被施加到輔助在網(wǎng)絡的配置。這將確保網(wǎng)絡正常訓練，以避免過度訓練或訓練不足，因不良的拓撲數(shù)據(jù)集。
為了提供一個合適的數(shù)據(jù)集來訓練相關溯網(wǎng)絡模型，田口的方法被使用。田口方法結合工程和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以提供改善成本和質量。它是一種眾所周知的方法，以優(yōu)化過程和產(chǎn)品的設計開發(fā)。不同于傳統(tǒng)的質量控制，其目的是消除變化的原因，田口方法是基于一個更好的方法來提高質量是通過系統(tǒng)地減少階乘模擬次數(shù)的概念。在這項研究中，參數(shù)是針對彼此平衡，以提供一個“最佳”，其中兩個過程和產(chǎn)物發(fā)生在一個可接受的水平。
本研究的目的是確定在哪個以減少翹曲的最佳澆口和流道系統(tǒng)的設置。被選中的幾個參數(shù)進行模擬，如：（1）模腔中，（2）噴射部卷，（3）澆口直徑，（4）轉輪直徑，澆口直徑等于轉輪直徑如圖1。一個L327正交入選仿真（表1，表2）。對于每個27試驗中，生成的質量特性。
2.3 溯網(wǎng)絡綜合評價
神經(jīng)網(wǎng)絡，作為一類車型，而備受關注過程工程在過去十年中，由于其創(chuàng)建復雜流程的能力，以及其快速執(zhí)行和再培訓能力。在一個溯網(wǎng)絡，一個復雜的系統(tǒng)可以被分解為分組為利用多項式函數(shù)節(jié)點幾層較小，較簡單的子系統(tǒng)。建議Ivakhnenko[9]多項式網(wǎng)絡是數(shù)據(jù)處理（GMDH）技術的一組方法。這些節(jié)點評估輸入的有限數(shù)目的多項式函數(shù)，并產(chǎn)生作為一個輸入到下一層的后續(xù)節(jié)點的輸出。在一個多項式函數(shù)節(jié)點的一般多項式函數(shù)可以表示如下：
（1）
其中xi，xJ，xK是輸入，y0為輸出，和B0，Bi，Bij的，Bijk是多項式功能節(jié)點的系數(shù)。
在本文中，一些特定類型的多項式函數(shù)的節(jié)點被用于在不同種類的流道和澆口系統(tǒng)的預測翹曲。這些多項式函數(shù)的節(jié)點被稱為歸一化（N），整合，單倍（S），雙倍（D）和三倍（T）節(jié)點。
圖1：澆口系統(tǒng)設計參數(shù)
（Sprue Dia 直澆口直徑；Gate Dia澆口直徑; Runner Dia 流道直徑）
表1 三個層次的因素進行了正交設計
選定 一級 二級 三級
因素
A模具型腔（N）
B塑件體積（V）
C流道直徑（Rd）
D澆口直徑（Gd）
表2 模流仿真澆口流道系統(tǒng)的設計數(shù)據(jù)
次 型腔 塑件 流道 澆口
數(shù) 數(shù) 體積 直徑 直徑
它們的解釋如下：
（2）
這些節(jié)點是最大的第三次多項式方程和雙打和三倍具有交叉項（三節(jié)點），允許節(jié)點的輸入變量之間的互動。其中i1，i2，i3的前一層的輸入?yún)?shù)，O為節(jié)點的輸出，以及u0，u1，u2，u3...聯(lián)合國是單倍，雙倍，三倍和白色節(jié)點的系數(shù)。一個單一的節(jié)點是僅具有一個輸入?yún)?shù)和一個輸出參數(shù)（i1= 0，i2 = i3= 0）的方程。一個雙節(jié)點是具有兩個輸入?yún)?shù)和一個輸出參數(shù)的方程（i1，i2= 0，i3= 0）。三重節(jié)點是具有三個輸入?yún)?shù)和一個輸出參數(shù)（i1，i2，i3= 0）的方程。白色節(jié)點是有許多輸入?yún)?shù)和一個輸出參數(shù)的方程（i1，i2，i3...=0）。
建立一個完整的溯網(wǎng)絡，第一個要求是訓練數(shù)據(jù)庫。通過輸入和輸出參數(shù)給出的信息必須是足夠的。甲預測均方誤差（PSE）標準，然后用于自動地確定一個最佳的結構[10]。的PSE標準的原則是選擇最不復雜，但最準確的網(wǎng)絡成為可能。該PSE是由兩個方面，即：
PSE=FSE+Kp （3）
其中FSE是網(wǎng)絡的擬合訓練數(shù)據(jù)和Kp是網(wǎng)絡的復雜補償?shù)钠骄椒秸`差。
如下公式所示：
2σp2K
KP = CPM （4）
N
其中CPM是復雜補償因子，K是該網(wǎng)絡的一個系數(shù)，N是所使用的訓練數(shù)據(jù)的數(shù)量和σ2p是模型誤差方差的估計值。
3 解決問題
3.1 有限元分析
有限元模擬進行了各種流道和澆口系統(tǒng)，包括不同的卷，齲齒，轉輪直徑，澆口直徑和柵極長度為尋找最大翹曲。表3顯示在模擬材料(ABS)的物理性質。圖2是多型腔塑件的有限元網(wǎng)格。主要模具流動模擬被分成4部分，即有一個快速的填充過程中，保持壓力的過程中，涼爽和經(jīng)紗的過程。圖3示出了有限元分析的翹曲的最終結果。
同樣，輸入?yún)?shù)（腔容積，澆道和澆口系統(tǒng)的參數(shù)）和輸出參數(shù)（經(jīng)紗）之間的關系，當注射完成時被建立。表4在不同流道系統(tǒng)的模流仿真結果。
根據(jù)一個最佳的流道和澆口系統(tǒng)模型，三層溯網(wǎng)絡，由橫澆道和澆口系統(tǒng)參數(shù)和噴射結果（經(jīng)紗）的發(fā)展，已自動合成。溯因網(wǎng)絡能夠根據(jù)不同閘流道參數(shù)，注塑桿和模腔的體積預測產(chǎn)品的翹曲。在這個網(wǎng)絡中使用的所有多項式方程列于附錄（FSE=1.2710-3，PSE=1.26×10-3）。
表5比較了根據(jù)模擬測試情況通過溯模型仿真的結果。這些測試情況沒有包括建立模型L327的設置。這組數(shù)據(jù)是用來檢測以上溯模型測試的合理性。我們可以從表5看到,最大誤差約為4%。結果表明溯模型仿真是適用的。
圖2：多型腔塑件的有限元網(wǎng)格
圖3：有限元建模變形結果
表3 材料的性能、熱性能
（電導率0.149500 / m /℃、比熱2213.000000 J /Kg/℃、密度949.100037kg/m3、壓射111.900002℃、無流動溫度145.300003℃）
溫度 剪切 粘度 溫度 壓力 具體的體
速率 MPa 積
3.2 模擬退火（SA）算法和選擇最佳的澆口澆道參數(shù)
Metropolis[11]提出的標準，以模擬的固體冷卻到能量平衡的一個新的狀態(tài)。使用的Metropolis基本標準是一個被稱為“模擬退火”算法。該算法是由Kirkpatrick[8]在1983年開發(fā)的。
如果所述新的目標函數(shù)變得更小，擾動過程參數(shù)被接受作為新的工藝參數(shù)和溫度在規(guī)模下降一點。表示為：
（5）
這里i表示溫度降低的指標，CT指溫度降低率(CT< 1)。
然而，如果目標函數(shù)變大，則工藝參數(shù)的允收概率將表示為：
（6）
其中kB為玻爾茲曼常數(shù)和Δobj是在目標函數(shù)中的差別。該過程反復進行，直到溫度T接近零，這表明了能級下降到其最低狀態(tài)。目標函數(shù)[obj]配制如下：
obj = w* (最小偏差，用A表示） （7）
其中w是加權函數(shù)。
在多型腔模具的澆口和流道參數(shù)應匹配的模擬數(shù)據(jù)的方法。換句話說，優(yōu)化的基本條件，應在一定范圍內下降，如下所示：
(1)從優(yōu)化所確定的流道直徑RD應比最小流道直徑RD大，比最大轉輪直徑RD小。
(2)澆口直徑GD從優(yōu)化確定應比最小的澆口直徑GD大，比最大門直徑GD小。
(3)最優(yōu)的模具型腔數(shù)N應該比最少模具數(shù)多，比最多型腔數(shù)少。
(4)從優(yōu)化所確定的噴射部分容積V應比最小噴射部分容積V大，比最大注射體積份的V小。
不等式如下所示：
最小流道直徑Rd<設計流道直徑<最大流道直徑； （8）
最小澆口直徑Gd<設計澆口直徑<最大澆口直徑； （9）
最小模具型腔數(shù)N<設計模具型腔數(shù)<最大模具型腔數(shù)； （10）
最小注射件體積V<設計注射件體積<最大注射件體積。 （11）
為了找到澆口和流道系統(tǒng)參數(shù)的最優(yōu)值的搜索例行程序期間的上限的條件應保持在一個可接受的水平。
表4 在不同流道系統(tǒng)的模流仿真結果
次數(shù) 型腔數(shù) 注射塑件 流道直徑 澆口直徑 最大翹曲
(N) 體積（V） (Rd) （Gd） (mm)
4 討論結果
該仿真是用來說明優(yōu)化的多型腔注射成型參數(shù)的過程。當重函數(shù)wn= 1，RD，GD和V是相等的進口和加權值= 1。固定腔（N）和體積（V）的模擬退火算法用于參數(shù)分別為：初始溫度Ts=100?C時，最終的溫度Te=0.0001?C時，衰減比CT =0.95，玻耳茲曼常數(shù)KS=0.00667。主要目的是從溯網(wǎng)絡模型和gaterunner系統(tǒng)參數(shù)得到最小翹曲。在圖5，當模腔是N= 2，以及注射部位的體積為18x18x18x1.0t毫米??，澆口直徑GD =1.82毫米是固定的，轉輪直徑的參數(shù)具有最小翹曲時的流道直徑的尺寸（RD）為2.4mm，可以發(fā)現(xiàn)，該經(jīng)紗是0.711（最低）。在圖6，轉輪直徑RD=2.4mm，柵極直徑的參數(shù)具有最小翹曲時的澆口直徑（GD）的尺寸為1.82毫米，它可以被發(fā)現(xiàn)，經(jīng)紗是0.711 （最低） 。
表5 神經(jīng)網(wǎng)絡預測與有限元模擬之間的誤差
(它不包括在任何原始27集數(shù)據(jù))
（Item 項目 set1,set2 第一、二組；Maximum error 最大誤差；Simulation method模擬方法；Mould cavity(N)模腔體積；Volume of injection part注射件體積； Runner dimension流道直徑；Gate dimension澆口直徑；Warp變形值；Absolute value絕對值；FEM (mould flow) 有限元（模流）；Neural network 神經(jīng)網(wǎng)絡）
圖4：模擬退火研究流程圖
（set initial condition 設定初始條件 random(new conditon) 隨機(新情況下) If x is Feasible 如果x是可行的）
5 總結
本文闡述了在多型腔模具中通過溯網(wǎng)絡的方法來建模和優(yōu)化流道和澆口系統(tǒng)參數(shù)。本文的結論如下：
（1） 通過比較采用有限元方法和溯因網(wǎng)絡預測誤差的價值，我們取得了最好的熱流道系統(tǒng)和伸縮參數(shù)模型?；谒菥W(wǎng)絡的最佳建模，澆道系統(tǒng)參數(shù)和經(jīng)紗之間的復雜關系，可以得到。
（2） 在有限元模擬模具流量誤差和優(yōu)化過程的預測值的模型之間進行比較。這一比較表明，該模型不僅適合有限元模擬模具流量，而且適合神經(jīng)網(wǎng)路的預測?？焖俅_定最佳的流道系統(tǒng)參數(shù)的注塑成型的效率，可以成功地提高了注塑模具設計過程的準確性。
（3） 現(xiàn)代注塑機-尤其是在3C產(chǎn)業(yè)，需要更少的時間來制作精確的產(chǎn)品，如手機與數(shù)碼相機，相機鏡頭和手機殼。注塑模具，但是，是由注射參數(shù)的限制，只能通過單或雙腔來制造。為模塑制品具有多個空腔，調整每個空腔的噴射參數(shù)，以相同的水平是特別困難的。不合格產(chǎn)品的產(chǎn)生率是站不住腳的。的內收網(wǎng)絡技術，將SA被用于搜索多個型腔模具的最佳條件。其目的是為了獲得高的生產(chǎn)率，并達到精度滿足要求的條件下的電平。
圖5：流道直徑與最小翹曲之間的關系
（minimum warp 最低翹曲 Runner Diameter(mm) 流道直徑
圖6：澆口直徑和最小翹曲之間的關系
（Minimum War最小翹曲 Gate Diameter 澆口直徑 ）
表6 優(yōu)化選擇的理論和有限元方法相比最大翹曲值
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醫(yī)用注射器筒體注塑模具的設計
目 錄
中文摘要 I
英文摘要 II
1 緒論 1
1.1 塑料模具的認識和發(fā)展 1
1.2 塑料模具的組成 2
1.3 我國和國外模具發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 2
2 塑料模具的成型工藝分析 4
2.1 塑料的簡介與選擇 4
2.2 醫(yī)用注射器筒體塑件的測繪 5
2.2.1 醫(yī)用注射器筒體塑件的二維視圖 5
2.2.2 醫(yī)用注射器筒體塑件的三維視圖 6
2.3 醫(yī)用注射器筒體塑件的結構分析 6
2.4 醫(yī)用注射器筒體塑件的鑲件設計 7
3 模仁及模架的設計 9
3.1 模仁的尺寸確定 9
3.2 模仁的固定 10
3.3 模架的選擇與設計 11
4 醫(yī)用注射器筒體塑件的型腔數(shù)量及布局 13
4.1 醫(yī)用注射器筒體塑件型腔數(shù)量的確定 13
4.2 醫(yī)用注射器筒體塑件型腔的布局 13
5 醫(yī)用注射器筒體塑件的澆注系統(tǒng) 14
5.1 澆注系統(tǒng)的介紹及構成 14
5.2 澆注系統(tǒng)各部分的詳細介紹 15
5.3 產(chǎn)品的澆注系統(tǒng)設計 16
6 醫(yī)用注射器筒體塑件的頂出系統(tǒng) 18
6.1 頂出系統(tǒng)的作用 18
6.2 頂出系統(tǒng)的常用結構 18
6.3 產(chǎn)品頂出系統(tǒng)設計 19
6.4 頂出行程的計算 21
7 醫(yī)用注射器筒體塑件的冷卻系統(tǒng) 22
7.1 冷卻系統(tǒng)的介紹 22
7.2 冷卻系統(tǒng)的分類 22
7.3 產(chǎn)品的冷卻系統(tǒng)設計 23
8 模具的工作原理 26
結束語 28
致 謝 29
參考文獻 30
附 錄 31
醫(yī)用注射器筒體注塑模具的設計
摘 要
模具生產(chǎn)技術水平的高低，已經(jīng)成為衡量一個國家產(chǎn)品制造水平高低的一個標志，并且塑料工業(yè)是當今世界上增長最快的工業(yè)門類之一，而注塑模具是其中發(fā)展較快的種類，因此，研究注塑模具對了解塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和提高產(chǎn)品質量有很大意義。本文是關于醫(yī)用注射器筒體注塑模具設計的說明,分別從七個章節(jié)介紹了注塑模具的設計，即對型腔、模仁、澆注系統(tǒng)、頂出系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等設計的詳細闡述。通過本設計，可以對注塑模具有一個初步的認識，注意到設計中的某些細節(jié)問題，了解模具結構及工作原理；通過運用SolidWorks來進行設計過程，并運用CAD軟件來進行繪制零件圖和工程圖，從而有效的提高工作效率。
關鍵詞：注射器筒體；注塑模具；模具設計
MEDICAL SYRINGE BARREL INJECTION
MOLED DESIGN
ABSTRACT
The level of mold manufacturing technology has become an indicator to measure the products manufacture standards of its country. With plastics industry being one of the world's fastest growing industrial sectors, and injection mold coming as one of rapid development among its species, the study of injection mold thus is of great significance to the understanding of production process and quality improvment of plastic products. This article, mainly concerned with the design description of medical syringe barrel injection mold, elaborates on the design of mold cavity, mold insert, gating system, ejection system and cooling system in seven chapters.This design helps provide people with a basic understanding of the mold structure and operational principles of injection mold through some detail problems. At the same time, flexible usage of Solidworks and CAD software in part drawing and schedule drawing also effectively enhanced work efficiency.
KEYWORDS :Syringe barrel;injection mold;mold design
I
1 緒論
1.1 塑料模具的認識和發(fā)展
在日常生活和工作中，經(jīng)常能夠碰到很多塑料制品。在不同的環(huán)境中使用，能夠滿足人們的各種需求。除了生活日用品之外，塑料制品孩子農業(yè)生產(chǎn)、儀器儀表、醫(yī)療器械、食品工業(yè)、建筑器材、汽車工業(yè)、航空航天、國防工業(yè)等眾多領域都得到了極為普通和廣泛的應用。
模具是利用它特定的形狀去成型具有一定的形狀和尺寸零件的工具。成型塑料制品的模具叫塑料模具。
對塑料模具的全面要求是：能生產(chǎn)出在尺寸精度、外觀、物理性能，化學性能等方面都達到要求的優(yōu)質產(chǎn)品。從模具的使用方面來看，要求效率高、自動化、操作簡潔方便；從模具的制造方面來看，要求結構合理、制造方便簡單、成本低廉。
塑料模具影響著材料制品的質量。首先，模具型腔的形狀、尺寸大小、表面的光潔度、分型面、進澆口和注塑模具制品的冷卻，以及脫模方式等對制件尺寸精度和形狀精度，以及制件的物理性能、機械性能、電性能、內應力大小、各向同向性、外觀質量、表面光潔度、等都會產(chǎn)生十分重要的影響。其次，在塑料加工過程中，模具結構對操作難易程度影響很大。在大批生產(chǎn)塑料制品時，應盡量改小開模，合模和取制件過程中的手工勞動，為此常采用自動開模，自動合模和自動頂出系統(tǒng)。在全自動生產(chǎn)時還要保證證件能自動從模具上脫落。此外，模具對塑料制品的成本也有相當?shù)挠绊?。除簡易模具外，一般來說制模費是十分貴的。當生產(chǎn)批量不大時，模具費用在制品成本中所占的比例將會很大，此時應盡可能的采取結構簡單合理的模具，從而降低成本。
現(xiàn)代塑料制品生產(chǎn)中，合理的加工工藝、高效的設備、先進的模具是必不可少的三個很重要的因素，其中尤為重要的是塑料模具對實現(xiàn)塑料加工工藝要求。塑料制品使用要求和造型設計起著非常重要的作用。高效的全自動設備也只有裝上能夠自動化生產(chǎn)的模具才能發(fā)揮其效能，產(chǎn)品的生產(chǎn)和更新都是以模具的制造和更新為前提標準的。
由于工業(yè)塑件和日用塑料制品的品種和產(chǎn)量都要求非常大，并且對塑料模具也提出了越來越高的要求，因此促使塑料模具生產(chǎn)不斷向前發(fā)展。
1.2 塑料模具的組成
通常情況下，對于塑料模具來說，可以分為兩類：一類叫二模板（或者叫大水口），另一類叫三模板（或者叫細水口）。他們一般由以下幾個部分構成：
（1） 塑料模具的標準模架。
（2） 塑料模具的核心部分——模仁。
（3） 塑料模具的常用輔助零件：澆口套、定位環(huán)、頂針、拉料桿、頂針、頂出板、導柱、垃圾釘?shù)鹊取?
（4） 塑料模具的輔助系統(tǒng)：一般分為澆注系統(tǒng)、頂出系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。
（5） 塑料模具的輔助結構：如吊環(huán)孔、KO孔等。
（6） 當塑料模具產(chǎn)品有死角的時候，模具還會有一個或者多個處理死角的結構：如滑塊、油壓缸、斜頂?shù)取?
1.3 我國和國外模具發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
模具生產(chǎn)技術水平的高低，已經(jīng)成為衡量一個國家產(chǎn)品制造水平高低的一個標志，因為模具在很大程度上反映和決定著產(chǎn)品的質量、效益和新產(chǎn)品的的開發(fā)能力。隨著我國加入WTO，我國模具工作的發(fā)展將面臨一個新的機遇和挑戰(zhàn)。
我國的模具工業(yè)發(fā)展，日益受到人們的重視和關注?！澳＞呤枪I(yè)生產(chǎn)的基礎工藝裝備”也已經(jīng)取得了共識。在電子、電機、電器、儀表、汽車、家電和通信等產(chǎn)品中，60%~80%的零部件都要依靠模具成型。用模具生產(chǎn)的制件所具有的高精度、高效率、高復雜度、高一致性、高生產(chǎn)率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比擬的。模具又是“效益放大器”，用模具生產(chǎn)的最終產(chǎn)品的價值，往往是模具自身價值幾十倍，甚至是上百倍。目前全世界模具年產(chǎn)值約為600億美元，日、美等工業(yè)發(fā)達國家的模具工業(yè)產(chǎn)值已超過機床工業(yè)。
目前我國模具工業(yè)的發(fā)展步伐日益加快，但在整個模具設計制造水平和標準化程度上，與美國、德國、日本的發(fā)達國家相比較還存在著相當大的差距。在經(jīng)濟全球化的新形勢下，隨著技術、資本和勞動力市場的重新整合，我國的裝備制造業(yè)將成為世界裝備制造業(yè)的基地。而在現(xiàn)代制造業(yè)中，無論哪一個行業(yè)的工程裝備，都越來越多的采用由模具工業(yè)提供產(chǎn)品。為了滿足用戶對模具制造的高精度、低成本、短交貨期的迫切要求，模具工業(yè)應廣泛應用于現(xiàn)代先進制造技術中來加速模具工業(yè)的技術進步，適應各行各業(yè)對模具的迫切需求，以實現(xiàn)我國模具工業(yè)的跨越式發(fā)展。
與國內相比，歐美模具企業(yè)的管理經(jīng)驗是很值得借鑒和學習的。他們采取的方式是：
（1） 人員精簡，“瘦”型管理。歐美企業(yè)各類人員的配置很精簡，都是一專多能，一人多職。
（2） 采用專業(yè)化，產(chǎn)品定位準。歐美模具企業(yè)都有自己明確的產(chǎn)品和市場定位。大多數(shù)模具企業(yè)都有一批長期合作的用戶，從而達到互惠、互利、共贏、共存。
（3） 采用先進的管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)集成化管理。從生產(chǎn)計劃、工藝制定，到質量檢查、庫存量、統(tǒng)計等，都普遍使用了計算機，公司內部各部門之間可以通過計算機網(wǎng)絡達到資源共享。
（4） 工藝管理先進，標準化程度高。歐美的模具生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的每副模具都有詳細的設計圖，包括每個零件的詳細設計，并且都制定了詳細的加工工藝。
歐美模具企業(yè)的先進技術和先進管理，使他的生產(chǎn)的精密、大型、復雜模具，對促進汽車、電子、家電等各個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到極其重要的作用，也給模具企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟效益。歐美模具帶來的經(jīng)濟效益與國內模具相比，即使扣除價格因素的影響，他們的生產(chǎn)效率仍比我國高許多倍。要縮短與先進工業(yè)國家的距離，必須加快技術提高，提高CAD/CAE/CAM的應用程度，增加數(shù)控加工的比重，用信息化技術進一步提高模具的設計制造水平。同時，要通過借鑒學習外國的先進管理經(jīng)驗，從而進一步的深化企業(yè)改革。目前，國內有些模具廠沖模、塑料模都生產(chǎn)，大中小型的模具也生產(chǎn)，這樣很難于做好，所以必須走小而專、小而精、小而特的道路。同時，要增強參與與國際化競爭的意識，加強國際經(jīng)濟技術的交流學習與合作，在提高模具國產(chǎn)化的程度的同時，進一步的擴大出口，走向世界。
2 塑料模具的成型工藝分析
2.1 塑料的簡介與選擇
塑料是指以樹脂作為主要成分，以增塑劑、著色劑、潤滑劑、填充劑等添加劑為輔助成分，在加工過程中能流動成型的材料，其中樹脂是主體，添加劑為輔助成分。
樹脂通常是指受熱后有軟化或者熔融范圍，在軟化的時候，有外力的情況下有流動傾向，常溫下是固態(tài)、半固態(tài)，有時也會是液態(tài)的有機聚合物。樹脂分為兩類：天然樹脂和合成樹脂。
添加劑是指分散在塑料分子結構中，不會影響塑料的分子結構，卻能改善它的性質或降低成本的化學物質。
塑料的主要性能特點：質量輕；優(yōu)良的化學穩(wěn)定性；優(yōu)異的電絕緣性能；熱得不良導體，具有消聲、減振的作用；機械強度分布廣和較高的強度化。
塑料的分類：一般分為熱塑性材料和熱固性材料。
本次設計選擇的是熱塑性材料，聚丙烯（PP）。
聚丙烯的優(yōu)良特性：
（1） 相對密度小，僅為0.89~0.91，是材料中最輕的品種之一。
（2） 良好的力學性能，除耐沖擊性以外，其他力學性能均比聚乙烯好，成型加工性能好。
（3） 具有較高的耐熱性，連續(xù)使用溫度可達110~120°C。
（4） 化學性能好，幾乎不吸水，與絕大數(shù)化學藥品不反應。
（5） 質地純凈，無毒性。
（6） 電絕緣性好。
（7） 聚丙烯制品的透明性比高密度聚乙烯制品的透明性好。
聚丙烯的有很多優(yōu)點，同時也存在一些缺點：
（1） 制品耐寒性差，低溫沖擊強度低。
（2） 制品在使用中容易受光、熱和氧的作用而老化。
（3） 著色性不好。
（4） 易燃燒。
（5） 韌性不好，靜電度高，染色性、印刷性和粘合性差[1]。
但是這些缺點對于注射器筒體的設計沒有影響，所以，于是根據(jù)以上優(yōu)點決定選取聚丙烯（透明），性能參數(shù)如表2-1所示。
表2-1 聚丙烯PP（透明）的性能參數(shù)
名稱
取值
名稱
取值
密度(g/cm3)
0.89~0.91
注射壓力(bar)
1800
吸水率(%)
1.8~2.5
剛性
較好
收縮率(%)
1.0~2.5
強度
較高
熔點(℃)
220~275
成型加工性
好
熱變形溫度(℃)
80~100
化學穩(wěn)定性
好
成型溫度(℃)
160~220
毒性
無毒
2.2 醫(yī)用注射器筒體塑件的測繪
2.2.1 醫(yī)用注射器筒體塑件的二維視圖
本次的設計的制品是醫(yī)用注射器筒體，該制品的材料選擇的是聚丙烯PP（透明）。任何一個設計都要有零件的二維視圖，這樣才可以使零件的形狀尺寸充分展現(xiàn)出來，讓讀者一目了然。注射器筒體尺寸介紹：
注射器筒體筒長：95mm； 筒體總長：107mm；
筒內腔直徑：16mm； 筒內腔不拔模；
筒外壁最大處直徑：20mm； 壁厚：2mm； 拔模：0.5°；
手柄厚：2mm；
頂部安裝針頭處長：10mm；
安裝針頭處外壁最大外直徑：4.5mm；拔模：2°；
安裝針頭處內壁直徑：2mm；不拔模；
針筒主體頂部中心高：1mm。
本次設計的注射器筒體零件二維平面視圖如圖2-1所示。
圖2-1 醫(yī)用注射器筒體零件圖平面視圖（單位：mm）
2.2.2 醫(yī)用注射器筒體塑件的三維圖
三維視圖可以直觀的看出成品的形態(tài)，因此同樣繪制了三維視圖，如圖2-2所示。
圖2-2 醫(yī)用注射器筒體三維視圖
2.3 醫(yī)用注射器筒體塑件的結構分析
結構分析：注射器筒體是長薄壁件，外壁拔模斜度，內壁不拔模。
成型分析：該筒體塑件是圓柱形，結構對稱，內部結構簡單，采用鑲件結構，整體成型。
醫(yī)用注射器筒體塑件的分型面選擇：以注射器手柄上表面為分型面，手柄位于動模仁內，筒體位于頂模仁內。
2.4 醫(yī)用注射器筒體塑件的鑲件設計
由于本制品是一個中間為空腔的圓柱形筒體，為了使加工方便，便于成型和脫模，以及從降低材料和成本的方面考慮，所以本設計選用鑲件這一設計思路。
在鑲件的設計過程中，本設計設計了兩個方案，分別為方案一的整體式鑲件，即如圖2-4所示，將整個鑲件都固定在動模仁上；和方案二的拆分式鑲件，即將鑲件分為兩個部分，一部分是注射器安裝針頭處的鑲件，將其固定在定模仁上，另一部分是注射器筒體的鑲件，將其固定在動模仁上。在筒體的鑲件上有盲孔，與安裝針頭處的鑲件這兩部分是互相咬合的，如圖2-5所示。
圖2-4 整體式鑲件
圖2-5 拆分式鑲件
經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，整體式鑲件屬于懸臂梁支承，易受到徑向力的影響，又因為注射器筒體頭部是細小結構，設計成拆分式鑲件有利于保證精度，并且注射器筒體內壁要和注射器活塞配合，所以要有很高的光潔要求，而且動模仁上鑲件的盲孔與定模仁鑲件頭部的配合是咬合的過度配合，這樣可以保證緊密連接，減少泄漏，提高零件光潔度。因此，方案二比方案一更合理，更適合本設計，故選擇拆分式鑲件。拆分式鑲件的設計：
兩部分鑲件整體長：194mm；
上鑲件總長：35mm；上鑲件座：21mm；底座：7mm；
下鑲件總長：163mm；塑件外長度：66mm；底座：7mm；鑲件直徑：Φ16；
下鑲件拔模角度：2°；上鑲件不拔模。
鑲件固定都為單邊切除。拆分式鑲件尺寸及設計如圖2-6所示。
圖2-6 拆分式鑲件尺寸及設計（單位：mm）
3 模仁及模架的設計
3.1 模仁的尺寸確定
模仁尺寸的大小取決于塑件的尺寸大小及排位。為了保證鋼的強度，模仁需安排的緊湊些。模仁尺寸確定的方法有兩種，分別是計算法和估算法。一般選用的都是估算法，因為計算法太復雜且實用性差，對于實際工程中的模具，都是根據(jù)個人經(jīng)驗以及公司要求來估算設計的。
估算法的要求：
（1） 產(chǎn)品最外邊到模仁側面的距離不小于15mm，通常取30mm。產(chǎn)品與產(chǎn)
品的距離，若沒有流道，則常取10mm以上；若沒有流道，則常取30mm以上[2]。
（2）產(chǎn)品頂端至定模仁底面距離大于10mm，常取25mm以上[2]。
（3）產(chǎn)品底端到動模仁底面距離大于15mm，常取30mm以上[2]。
根據(jù)這些尺寸可以計算出模仁的長、寬、高，并且這些值要取整數(shù)，要相對于模具中心線對稱。
本設計中模仁的尺寸正式按照以上三點設計的，如圖3-1所示。模仁的長、寬、高分別為246mm、180mm、174mm。
圖3-1 模仁的三維視圖（單位：mm）
3.2 模仁的固定
模仁需要安裝到模架里，對于如何安裝，通常是將模架的動模板和定模板上都開出凹槽，然后將模仁安裝在凹槽里即可。
模仁的固定方法有兩種，一種為采用避空角或R角形式固定在模板上，另一種是通過螺釘固定在模板上。采用第一種方式時，模仁尺寸小的話，用避空角形式，模仁尺寸大時，用R角形式。采用螺釘固定時，要根據(jù)模仁的尺寸來選擇螺釘?shù)男吞?，最好選用四個螺釘均勻的布置在模仁周圍。
本設計采取的是避空角的形式。設計中的模仁的尺寸略大，并且避空角的形式，容易加工與設計。同時還分別各用了四個M12螺釘來固定動模仁和定模仁，如圖3-2所示和圖3-3所示。以垂直主澆道孔的直線為中心線，在主澆道中心建立直角坐標系，中心線所在位置為y軸，次澆道中心所在位置為x軸。圖中螺釘A的位置坐標為（-88，60），螺釘B的位置坐標為（-88，-60），其余兩個螺釘和螺釘A、B是以y軸為中心線的軸對稱布局，因此，位置可想而知無需表達。定模仁上的固定螺釘?shù)奈恢门c動模仁位置完全相同。螺釘?shù)倪x擇及尺寸如表3-1所示。
圖3-2 動模仁的固定
圖3-3 模仁的固定
表3-1 螺釘參數(shù)
固定零件名稱
螺釘代號
長度L
定模仁
M12
85mm
動模仁
M12
40mm
3.3 模架的選擇與設計
標準模架的規(guī)格是根據(jù)模仁的幾何尺寸確定的。通常，模架單邊長度需比模仁的外輪廓長50mm。醫(yī)用注射器筒體模仁的長寬高分別是246mm、180mm、174mm，其中長246mm，寬180mm。因此，模架的長邊至少為246+50×2=346mm；模架的短邊至少為180+50×2=280mm。因此需調用長為346mm寬為280mm的模架。但因為標準模架在生產(chǎn)制造時不可能出現(xiàn)非整數(shù)的尺寸，所以可以選用數(shù)值與計算數(shù)值相近的模架，如2836、3036等。選用的標準模架是否符合產(chǎn)品制造要求，還需通過檢查才能確定。檢查是有以下三個原則：
（1） 模架上頂出板的寬度須大于或等于模仁的寬度；
（2） 模架設置的頂出距離需至少比產(chǎn)品高度多5mm；
（3） 復位針的彈簧頂邊距離內膜仁需保證在10mm以上。
根據(jù)這三個原則，以及計算出的結果，認為選取3036模架比較合適。但是根據(jù)標準模架最后選擇為DI4040模架。
確定模架型號之后，需確定A、B板的厚度。根據(jù)之前計算的結果，選擇A板厚度為217mm，B板厚度為82mm，墊板即頂板厚度為20mm，C板厚度為200mm，上、下頂出板厚度分別為25mm和30mm，上、下底邊厚度都為30mm，如圖3-4所示。
圖3-4 模架選擇及尺寸（單位：mm）
4 醫(yī)用注射器筒體塑件的型腔數(shù)量及布局
型腔是指模具中成型塑件的空腔，而這個空腔就是所設計塑件的負形，它除了具體的尺寸比所設計塑件大些，和應該凹凸的地方恰恰相反而已以外，其它的都和塑件完全相同。
4.1 醫(yī)用注射器筒體塑件型腔數(shù)量的確定
塑件型腔數(shù)量的確定由以下幾點來決定：
（1） 塑件的尺寸精度：當型腔數(shù)越來越多，精度也隨之降低。
（2） 塑件模具的制造成本：單腔模的制造成本低于多腔膜，不是倍數(shù)比。但是，從制造塑件的成本的角度看，其所占的模具費的比例，單腔模比多腔模高。
（3） 塑件注塑成型的生產(chǎn)效益：從表面上看，多腔模的經(jīng)濟效益比單腔模高，但是注射機大的話，每一注射循環(huán)期長，維持費用較高，而多腔模使用的注塑機就是大注塑機。
（4） 塑件型腔的制造難度：單腔模的制造難度比多腔模小，對于多腔模來說，當其中任意一個型腔損壞時，整個注塑機都要停止運作來進行維護，從而影響正常的生產(chǎn)[3]。
4.2 醫(yī)用注射器筒體塑件型腔的布局
對于多型腔模具的設計，澆注系統(tǒng)的布置方式是其重要問題之一。由于塑件型腔的布局與澆注系統(tǒng)安放之間的密切關系，因此，塑件型腔的布局在多型腔模具的設計中應該加以綜合考慮。在型腔的排布的設計中，應該使每一個型腔都通過澆注系統(tǒng)從總壓力中心中均分得到所需的壓力，從而保證塑料熔體能夠同時并且均勻的充滿各個型腔，以使每個型腔中的塑件的內在質量都是一樣的穩(wěn)定且均一。這就要求型腔與主流道之間的距離盡可能達到最短，同時采用平衡的分流道和合理的澆口設計，以及均勻的冷卻系統(tǒng)等等。合理的型腔布局可以避免塑件的尺寸差異、應力形成，以及脫模困難的問題等。
流道有兩種布置方式：平衡式和非平衡式。設計時，首選是平衡式進膠方案，只有當平衡式不行時，才考慮非平衡式。
平衡式型腔布局的特點是從澆注系統(tǒng)的主流道到各個型腔澆口的分流道的長度、尺寸、截面形狀都是對應相同的，從而可以達到均衡進料和同時充滿型腔的目的；非平衡式型腔布局的特點是從澆注系統(tǒng)的主流道到各個型腔的的分流道的長度不等，所以對均衡進膠不利，但是卻可以縮短流道的總長度，為了達到同時充滿型腔的目的，所以各澆口的截面形狀及尺寸制作的不一樣[4]。
但是要注意的是，多型腔模具要成型同一尺寸和精度要求的塑件，在原則上，不同的塑件不能夠用同一副多型腔模具來生產(chǎn)。
本設計中的注射器筒體的塑件是各要求均相同的制品，并且壁厚相同，因此采用平衡式型腔布局，本設計根據(jù)醫(yī)用注射器筒體塑件的結構特點，考慮型腔的布局方式，采用的是一模六腔的模具結構，這樣相較于一模一腔模具的生產(chǎn)效率高很多，與此同時，結構也更為合理。型腔的具體設計如圖4-1所示。
圖4-1 型腔布局平面圖（單位：mm）
5 醫(yī)用注射器筒體塑件的澆注系統(tǒng)
5.1 澆注系統(tǒng)的介紹及構成
澆注系統(tǒng)也稱進膠系統(tǒng)，是指熔體從注射機的噴嘴開始流動到模具的型腔為止所經(jīng)過的一個通道。這個通道在模具當中充當一個橋梁的作用，它把模具型腔與外部的注塑機連在一起，是的流動的塑膠熔體能夠對模具進行填充[5]。
澆注系統(tǒng)在模具結構中的作用：引導熔體平穩(wěn)的進入型腔，使之按要求填充型腔的各個角落；使型腔內的氣體能夠順利的排出；在熔體填充型腔凝固的過程中，能充分的把壓力傳到型腔各部位，以獲得外形清晰、尺寸穩(wěn)定的塑料制品。
澆注系統(tǒng)有四部分構成：主流道、分流道、冷料井、澆口。
5.2 澆注系統(tǒng)各部分的詳細介紹
（1）主流道的設計
主流道是澆注系統(tǒng)的主干，是塑膠熔體進入模具型腔必須通過的流道，也是第一流道。它是一個錐形通道位于澆口套內部。一般的澆口套都是標準件，所以設計主流道就是確定澆口套的規(guī)格和尺寸。另外要注意的是定位環(huán)，它一般都是和澆口套是組合使用的。常用的澆口套直徑是φ12、φ16、φ20；定位環(huán)的直徑為φ60、φ100、φ120[6]。
（2） 分流道的設計
分流道的截面分為圓形流道、梯形流道、U形流道，和半圓形流道等，這四種是較為常用的。如圖5-1所示形狀。有的產(chǎn)品在設計中，由于型腔布置很多會出現(xiàn)次分流道，次分流道的流道尺寸要略小于分流道。
圖5-1 分流道的截面
（3） 澆口的設計
澆口的形式有直接式澆口、側澆口、潛伏式澆口、針點式澆口、環(huán)形式澆口、輪輻式澆口、扇形澆口、爪形澆口、矩形澆口等等。
（4）冷料井的設計
冷料井也被叫做冷料穴，它位于主流道和分流道的末端，用以儲存冷料、拉出凝料，防止冷料充入型腔而影響制品質量。冷料井由于位置的不同，又分為主流道冷料井和分流道冷料井。主流道冷料井的底部形狀由拉料桿頭部構成，拉料桿通常是由頂針加工而成，所以冷料井結構會根據(jù)拉料桿頭部形狀的不同而不同。
5.3 產(chǎn)品的澆注系統(tǒng)設計
本設計采用的是平衡式進膠方案，主澆道選擇的是B型澆口套，分流道和次分流道選擇的是半圓形流道，澆口選擇是側澆口澆注，拉料桿為Z型頭拉料桿。
由于定位環(huán)和澆口套都為標準件，因此不做過多介紹，尺寸如圖5-2所示。
圖5-2 注射器筒體塑件的主澆道和定位環(huán)（單位：mm）
分流道的尺寸為R4，長度為36mm；次分流道的尺寸為R3，長度為15mm。如圖5-3所示。澆口的設計尺寸為：澆口高為1mm；流道距產(chǎn)品邊沿的距離為2mm；角度為27°，如圖5-4所示。
圖5-3 分流道的設計及尺寸（單位：mm）
圖5-4 澆口的設計及尺寸（單位：mm）
6 醫(yī)用注射器筒體塑件的頂出系統(tǒng)
6.1 頂出系統(tǒng)的作用
塑件成型后，就要考慮如何將其從型腔中取出，而此時頂出系統(tǒng)就扮演了這一重要角色，來將塑件從模具中安全、無損傷的取出。頂出質量的好壞直接影響著塑件的質量。因此，塑件制品的頂出是不容忽視的重要。
頂出的過程包括三個環(huán)節(jié)，依次是合模狀態(tài)，開模狀態(tài)，頂出狀態(tài)。頂出機構的形式和頂出的方式都與塑件制品的形狀，結構和塑料性能都相關。
6.2 頂出系統(tǒng)的常用結構
頂出系統(tǒng)有很多種形式，可以歸納為機械頂出、液壓頂出、氣動頂出這三大類。一般主要使用的是機械頂出，下面介紹一下機械頂出。
機械頂出有很多類，包括推桿頂出、推板頂出、司筒頂出、推塊頂出，以及復合頂出。
（1）頂桿頂出
頂桿頂出又稱作頂針頂出、頂桿頂出、頂出銷頂出等，頂針的形式可以分為直桿式和階梯式，截面包括圓形、方形和異形，即分為圓頂針、階梯型圓頂針、扁頂針和異形頂針。
頂桿頂出機構在設計時要注意的幾點要求：
①要設置在脫模阻力較大的地方；
②要設置在塑件承受力較大的位置；
③確保能夠頂出塑件制品的前提下，頂桿設計的不要過長過細，數(shù)量不要過多或過少；
④頂桿所擺放的位置不要與其他結構形成干涉[7]。
（2）頂板頂出
頂板頂出也稱作推板頂出和脫料板頂出，它是一整塊板長寬都與模板一致，它位于分型面處沿著塑件的周邊將塑料制品頂出，也是一種很常見的頂出方式。
頂板頂出的特點：推出力很大，并且力很均勻的施加在塑件周邊，運動平穩(wěn)，塑件不易產(chǎn)生變形，不會損害塑件外形，而且?guī)缀醪粫粝马敵龅暮圹E，不需要設置頂出機構的復位裝置，合模時頂板通過合模力的作用帶動頂出機構復位。
頂板頂出機構在設計時要注意的幾點要求：
①推動頂板的頂桿要以頂出力為中心，均勻的分布，從而使頂板能夠受力平衡，平行移動。有時，頂桿在頂出頂板的同時，也起到頂板的導向作用。但是，一般情況下導向都是由導柱來完成的，頂板要始終掛在導柱上的，因此，導柱要是足夠長，但是也不可過長，浪費材料；
②頂板的頂出距離不能超過導柱的有效導向長度；
③頂板與動模鑲件是錐面配合，配合的錐度可設置為3°~5°，配合時的長度不得少于10mm,其它的地方做成避空角就可以了；
④頂板的配合部分要做淬硬處理，常用做成鑲件結構[8]。
（3）司筒頂出
司筒頂出又稱作頂管頂出和推管頂出。司筒頂出時頂出力較大，并且各部分受力均勻，當塑件制品上有圓形的通孔或盲孔，或者有環(huán)形軸套等結構時，且膠位又必須設置頂出時，通常采用司筒頂出機構。頂出時，它是周邊接觸塑件，動作穩(wěn)定可靠，塑件制品頂出均勻，不易變形，并且沒有明顯的頂出痕跡，但是其精度要求較高，加工較難，最好采用標準件。
（4）頂塊頂出
頂塊頂出它的頂塊結構會受到塑件制品形狀的影響，因此，設計時要考慮和分析塑件的形狀結構等對頂塊系統(tǒng)的影響。頂塊頂出結構適用在平面度要求相對比較高的平板狀塑件上，以及表面不允許有明顯頂出痕跡的塑件上。它的應用效果在一般情況下比頂針和司筒好些，但是由于結構原因，頂塊頂出不如頂針和司筒運用廣泛[9]。
頂塊頂出的特點：由于是頂塊，所以塑件受力均勻，頂出面積大；塑件不易變形損壞，不易留下頂出痕跡。
6.3 產(chǎn)品頂出系統(tǒng)設計
由于本設計中，醫(yī)用注射器筒體的手柄是厚度為2mm平面，若使用頂針頂出機構或者司筒頂出機構的話，由于頂出力過大，會導致手柄被頂變形甚至頂破，因此，本設計選擇的是頂板頂出配合頂針來設計頂出系統(tǒng)，如圖6-1所示。
圖6-1 頂板與頂針配合的頂出系統(tǒng)
頂針的選擇的是普通頂針，尺寸設計為直徑為Φ6，長度為251mm，選擇了10個頂針均勻排布，如圖6-2所示。以垂直主澆道孔的直線為中心線，在主澆道中心建立直角坐標系，中心線所在位置為y軸，次澆道中心所在位置為x軸。圖中A頂針的位置坐標為（0，70），B頂針的位置坐標為（-103，70），C頂針的位置坐標為（-103，20），D頂針的位置坐標為（-103，-20），E頂針的位置坐標為（-102，-70），F(xiàn)頂針的位置坐標為（0，-70），其余的頂針與頂針B，C，D，E是關于中心線的軸對稱圖形，因此位置可想而知，具體布局如圖6-3所示。
圖6-2 頂針的選擇與尺寸（單位：mm）
圖6-3 頂針的排布（單位：mm）
6.4 頂出行程的計算
產(chǎn)品在開模后被頂出的距離，即塑件需要頂出多少，才能夠實現(xiàn)脫模，這個距離就稱作頂出行程。注塑機都是躺著擺放的，因此模具在注塑機里也是橫倒著放置的，所以只要塑件被頂出一定的距離，有因為自身的重力影響，塑件就可以自己脫落，離開注塑機。頂出行程的長度決定著C板的長度，因此模架的選擇也受其影響。
頂出行程的計算公式如下所示：
H = L + 安全余量
H：頂出行程；
L：產(chǎn)品高度，就是在開模方向上，產(chǎn)品的最低點到最高點的距離。
在實際設計當中，要根據(jù)實際來考慮，為了安全起見，頂出行程一般要取得略大一些，即安全余量，安全余量的取值范圍為5~10mm。本設計的產(chǎn)品高度為107mm，安全余量選擇為7mm，因此本設計的頂出行程為114mm。
7 醫(yī)用注射器筒體塑件的冷卻系統(tǒng)
7.1 冷卻系統(tǒng)的介紹
冷卻系統(tǒng)的設計是一項比較復雜的工作。在設計時要注意很多問題，例如，冷卻的效果，冷卻的均勻性，還要注意避開其他機構，不要與頂出系統(tǒng)等形成干涉，以及是否對模具的整體結構產(chǎn)生影響等進行考慮。
7.2 冷卻系統(tǒng)的分類
冷卻系統(tǒng)有很多種，在設計中最常見運用最多的是水冷卻的冷卻方式。水冷卻就是將冷水利用流道將其流入模具的模仁中，靠近塑件的位置，并循環(huán)流動來降低溫度，從而使塑料熔料快速冷卻成型。水冷卻也分很多種形式，根據(jù)不同的水路布局，可以分為直通式水路、階梯式水路、水井式水路、盤旋式水路、噴泉式水路等。
（1） 直通式水路
直通式水路，即水道直接貫穿模板，一端為進水口，另一端為出水口。直通式水路又可以分為平行直通式水路和非平行直通式水路。
平行直通式水路，就是水路既要直接貫穿模板同時還是是相互平行的。平行直通式水道要是穿過模仁的話，要注意采取防漏水措施。一般可以通過加長水嘴的方法，和在模仁側面添加防水膠圈的方法來防止漏水的現(xiàn)象，但是要注意的是前者中水嘴的螺紋必須固定在模仁上。非平行直通式水路，即直通式水路在同一平面內相互交接，構成一個循環(huán)系統(tǒng)，在不需要出水的地方設置堵頭將其堵住。該水路的冷卻效果比平行直通式水路效果好[10]。
（2） 階梯式水路
階梯式水路的形式是水道先從模板一端進入模具中，再進入模仁，在模仁中繞一圈，再從模仁中出來進入模板，最后從模具的另一端流出，水嘴安裝在模板上。階梯式水路一般擋水圈和堵頭來做密封和隔水。擋水圈一般設置在模仁側面。
（3） 水井式水路
水井式水路，即在模仁中鉆一個水井，再在模板兩處分別開出流道作為進水口和出水口。水井的直徑一般取Φ16，Φ20，Φ25等。它又分為兩種形式為：隔板式水路和噴泉式水路。隔板式水路它的形式是在模仁中挖一個比較寬大的井，再在水井中安放一個銅薄片或鋁薄片將水井分成兩部分，這兩部分分別連接一個小水道，一個為進水口，另一個為出水口。使用銅片和鋁片是因為薄片長時間在水中，為了防止其生銹，薄片的厚度不宜過厚，一般可取3mm。噴泉式水路，即在水井中按裝一個噴水管，噴水管將冷水噴在水井內壁上，從而實現(xiàn)冷卻。
（4）盤旋式水路
盤旋式水路一般運用于空圓柱狀，和有深腔，以及需要使用鑲件的塑件制品。其形式是將鑲件內部做成螺旋狀，中間位置做一個水孔與螺旋上頂部連通，螺旋底部和水孔底部都分別連接水道，一個為進水口，一個為出水口。在使用盤旋式水路時，要注意鑲件需固定，不能轉動，鑲件還需使用防水膠圈來做密封處理[11]。
7.3 產(chǎn)品的冷卻系統(tǒng)設計
本設計的塑件由于是圓柱狀筒體，并且需要鑲件。本設計中鑲件直徑為Φ16足夠設計成水井式水路冷卻，于是本設計選取得是噴泉式水井水路，如圖7-1所示。該水路冷卻效果好，使塑件內壁冷卻均勻。
圖7-1 噴泉式冷卻水路（單位：mm）
噴泉式水路中的尺寸：
水井中入水管外直徑Φ6，內徑Φ3.5，出水管直徑為Φ10。頂板內水道直徑為Φ10.5。動模板中的入水管直徑為Φ6，出水管直徑為Φ8。出水管高度為153mm,進水管高度為162mm。該冷卻系統(tǒng)與鑲件內壁距離為3mm。噴泉式水路俯視圖，及尺寸標注，如圖7-2所示。
對于噴泉式冷卻系統(tǒng)而言，進水管的固定是很關鍵的。本設計采取的固定方法是在進水管上設置上兩個小圓環(huán)，它們和出水管是間隙配合，如圖7-3所示。它們可以加強噴水管的固定。
對于噴泉冷卻系統(tǒng)，為了防止漏水，本設計采用的是在動模仁外側加防水膠圈的措施。
圖7-2 噴泉式水路的俯視圖及尺寸標注（單位：mm）
圖7-3 噴水管的固定方法
冷卻系統(tǒng)，遵循水管盡量多管道盡量大的原則，來達到更均勻更好的冷卻效果。因此，在鑲件內部設計噴泉式冷卻水路的同時，本設計還在型腔與型腔之間交錯的布置了一系列直通式水路來進行冷卻，如圖7-4所示。其中橫向的水路在垂直地面方向上布置了3道水路，它的水道直徑為Φ8。該水路距離定模板底面也為30mm，水路之間距離也為30mm，如圖6-5所示?？v向的水路在垂直地面方向上布置了4道水路，它們的水道直徑為Φ8。該水路距離定模板底部為15mm，水路間距為30mm，如圖6-6所示。橫向和縱向水路它們是相互交錯的，在垂直定模板底面的方向上，兩種水路的中心距為15mm，如圖7-5所示。本設計中的防漏水措施是將水嘴的螺紋延長至模仁內，并鎖緊在模仁上。
圖7-4 直通式水路的布局
圖7-5 橫向直通式水路設計（單位：mm）
圖7-6 縱向直通式水路設計
8 模具的工作原理
塑料模用于塑料件成型，將顆粒塑料原料加熱后，有注射設備將熔融噴射入模具型腔成型，待產(chǎn)品冷卻后再開模，由頂出設備將產(chǎn)品頂出[12]。
首先在液壓缸或機械力的作用下，注塑機螺桿推動聚丙烯熔體通過噴嘴注入模具中。熔融塑料充滿模腔后，會冷卻收縮，為彌補收縮，使得制品密度提高，螺桿還需要對熔體繼續(xù)推動保持壓力，使其完全充入模腔內，此時澆注熔料完畢。接著開始冷卻，將冷水從各個入水口水嘴注入，開始冷卻。冷卻時間占整個成型周期的78%~80%。冷卻定型后，注塑機的合模裝置帶動模具動模部分與定模部分分離，如圖8-1所示。開模完成，此時注塑機的頂出機構推動上下頂出板帶動頂針和頂板將塑件頂出，再通過人力或機械手取出塑件和澆注系統(tǒng)冷凝料。這種設計不需要設置頂出機構的復位裝置，合模時頂板通過合模力的作用帶動頂出機構復位，如圖8-2所示。最后，模具動模部分在注塑機開合模系統(tǒng)作用下，向前移動與定模部分合攏，如圖8-3所示。一次完整的注塑過程就結束了。
圖8-1 開模狀態(tài)
圖8-2 頂出狀態(tài)
圖8-3 合模狀態(tài)
結束語
本設計分析了注射器筒體塑件的成型特點，設計了一副一模六腔、單分型面的，帶有側澆口的注射模具。該模具的關鍵是解決分型面的選擇、澆口位置確定、冷卻系統(tǒng)的布局、塑件澆注系統(tǒng)布局等問題，以及在實現(xiàn)這些功能的情況下，如何使模具有效而可靠的運動。該課題從產(chǎn)品結構工藝性，具體模具結構出發(fā)，對模具的澆注系統(tǒng)、模具成型部分的結構、頂出系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)都有詳細的設計。通過整個設計過程表明該模具能夠達到此注射器塑件所提出的要求。但是本設計也存在一些不足，由于塑件的原因，導致模架的A板、導柱和頂出行程都過長，這些都使合模，開模，頂出的時間過長，影響生產(chǎn)效率。通過本次設計，在各個方面都有了很大的提高，特別是在理論與實踐相結合方面，使大學期間所學的理論知識和專業(yè)知識都得到了很好的運用，為以后踏入社會奠定了堅實的基礎。
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致 謝
經(jīng)過幾個月的艱辛歷程，今天終于完成了本科的畢業(yè)設計，心中有一種莫名的自信和成就感。作為本科階段最后的一項任務，細細回想，完成地很辛苦，看著自己的設計成果，這些汗水也變得很值得。
從一開始的選件，構思，查看文獻，到最后的設計，計算，畫圖，每一項都可謂勞神苦思。有時候感慨自己的基礎不夠扎實，便認真地從頭開始了解，詢問老師和同學，從無知到精通，需要的不僅僅是毅力，還有堅持。
每個人都不可能無師自通，這次的設計，很多老師和同學幫助了很多，使得我的畢業(yè)設計能夠按質按量按時地完成。特別是我的導師王鑫老師，給予了很多的指導，在此我要對他表示由衷的感謝。此外，感謝這些年所有教過我的老師們，還有一起相處同學們，沒有你們的幫助，就沒有現(xiàn)在的成果，謝謝！
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附 錄
附錄1：醫(yī)用注射器筒體注塑模具裝配圖
附錄2：醫(yī)用注射器筒體注塑模具前模仁零件圖
附錄3：醫(yī)用注射器筒體注塑模具后模板零件圖
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