基于Pro/E和EMX的自由曲面零件的注塑模设计

葛正浩, 李 欢， 秦宇渤

(1.陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021； 2.西安东风仪表厂， 陕西 西安 710000)

0 引言

随着现代科技及工业的发展，自由曲面已广泛应用于各行各业，大到汽车外形，飞机机身，小到电话机座，调料盒等.本文借助曲面造型软件Pro/E对自由曲面零件隐形眼镜盒进行设计，并利用EMX完成模具的设计[1,2].设计中采用一模两腔、侧浇口的形式，成型块以及斜导柱分型抽芯机构.

1 隐形眼镜盒的三维造型

1.1 塑件结构分析

隐形眼镜盒的塑件表面为曲面，平均壁厚1.5 mm.塑件要求表面光洁度很高，而且不得有裂痕、缺口、擦伤等明显缺陷，这就要求模具在各个面上不能留有明显的浇口痕迹[3].盒盖表面是自由曲面，表面有一定的纹理，该盒盖的材料为：PP(聚丙烯).

1.2 自由曲面模型创建方法

与规则曲面形体相比，自由曲面的模型比较复杂，其设计、应用的过程要困难得多.在自由曲面的设计中，其模型的创建主要有以下几种方式：

(1)利用基本的曲面创建方法直接建立及编辑曲面，像拉伸(Extrude)、旋转(Revolve)、扫掠(Sweep)、混合(Bleed)等.这些方法创建的曲面形状比较简单，应用范围很有限；

(2)基于自由曲线交互创建曲面，它是先设计好一系列曲线，再根据相关条件和要求，交互的完成自由曲面的创建；

(3)对于给定的型值点或数据点进行插值或拟合构造曲面.

后两种方式是自由曲面模型生成的主要形式，也是自由曲面广泛应用于众多领域建模的主要途径.

1.3 塑件的三维建模

Pro/E是国内最受欢迎的三维CAD/CAM软件，应用范围遍及汽车、电子、机械、模具等[4].本文中借助软件Pro/E对隐形眼镜盒盖进行三维造型，采用基于自由曲线交互创建曲面，将完成自由曲面建模.

如图1所示为隐形眼镜盒的整体图，该眼镜盒盖的上表面采用造型曲面功能绘制平面曲线，绘制盒盖边缘曲线，形成多个封闭的四边形；通过选择曲线形成曲面，最终完成盒盖的上表面.之后通过基础建模工具，如拉伸、旋转等完成盒盖的底盖部分，如图2所示为隐形眼镜盒的内部结构放大图.

图1 隐形眼镜盒整体图

图2 隐形眼镜盒的内部结构放大图

2 隐形眼镜盒的模具结构设计

确定模具的结构方案：根据制件的结构分析、制品尺寸及密度选择相应的注塑机，确定腔数为一模两腔；考虑到制件的外观，浇口采用侧浇口，浇口位置在塑件侧面；为成型制件内侧的凸起(如图2所示)，需要有侧抽芯机构； 顶出机构采用推杆，同时可用成型块成型兼推出制件.

2.1 分型面的设计

由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统的设计、模具的制造、排气等多种因素的影响，因此在选择分型面时应综合分析[5,6].通过对眼镜盒的结构分析，该塑件的模具有三个分型面，一个主分型面(如图3所示为眼镜盒的主分型面)，其他均为侧向分型(如图4所示为眼镜盒的侧向分型面).为了模具结构简单，而且又要便于模具加工和顺利脱模，可确定该模具的主分型面在制件的上边沿上，便于分型.在开模时，将塑件留在设有顶出装置的动模一侧，以利于顶出脱模.采用pro/e中的制造版块、模具型腔进行分型面设计及型芯、型腔的设计.

图3 主分型面

图4 制件的内侧分型面

2.2 浇注系统的设计

浇注系统应能够顺利地引导熔体迅速有序地充满型腔，获得外观清晰、质量优良的塑件.为使凝料能从其中顺利拔出，主流道通常设计成圆锥形.通过查阅资料[1]得pp流动性好，主流道小端直径d=3 mm，大端D=6 mm.为减小料流转向过渡时的阻力，主流道大端呈圆角过渡，其圆角半径r=2 mm.如图5所示为眼镜盒的浇注系统，本设计采用侧浇口[7,8]，侧浇口开设在分型面上，从制件边缘进料.冷料穴设在与主流道末端相对的动模板上；钩料装置采用Z形顶杆式钩料杆.

图5 浇注系统(侧浇口)

2.3 成型零部件的设计

本模具分型设计的关键在于如何分割型芯.在综合考虑加工和脱模等因素后，由于制件的表面较为复杂，应采用镶块形式成型[1,3]，如图6 所示为侧滑块，为成型与眼镜盒底相连的连接部位；如图7所示为凸模的成型块，为成型凸起部分，保证眼镜盒的闭合.借用pro/e软件对成型零部件进行设计，如图8所示为隐形眼镜盒的型腔镶块，采用数控加工可制造.如图9所示为眼镜盒的型芯镶块，联合侧滑块和凸模成型块一起成型眼镜盒的内部结构.

图6 侧滑块

图7 成型块

图8 型腔镶块

图9 型芯镶块

2.4 侧抽芯机构的设计[1,7,9]

本模具设计中采用斜导柱侧向分型与抽芯机构(如图10所示为侧抽芯机构).该机构的特点是结构紧凑、动作安全可靠、加工制造方便.为保证横向运动的顺畅平稳，本设计采用T型槽导滑.为避免闭模时斜导柱与滑块上斜孔对不准发生碰撞现象，采用弹簧加限位圆头销的限位方法，结构紧凑，同时使用寿命较长.

1.滑块 2.斜导柱 3.限位销 4.楔紧块 5.耐磨垫块 6.弹簧 7.导滑槽图10 侧抽芯机构

2.5 脱模机构的设计

当注射成型侧壁带有凹穴、凸台等的塑料制件时，模具上成型该处的零件就必须制成可侧向移动的零件，以便在脱模之前先抽掉侧向成型零件[1,3]. 结合本产品，采用推杆推出和成型块成型凸台的同时顶出制件(如图11所示为该模具的脱模机构).

1.推料杆 2.型腔 3.成型块 4.型芯 5.顶杆图11 脱模机构

3 模具工作过程

通过对模具结构的分析，借助pro/E和EMX软件对眼镜盒模具进行设计.如图12所示为pro/E的分模模拟图，可动态观察模具内部成型零件的开模和闭模动作.前面已经对眼镜盒的结构和模具结构进行详细的分析， 之后采用注塑模的专业软件EMX对模具整体进行设计和装配，整体效果如图13所示[10].将模具实体图转换为CAD三视图，如图14所示为模具的CAD三视图，A-A是模具主视图，依次为模具的俯视图，B-B为侧视图.

图12 Pro/E分模模拟图

图13 借助EMX完成的模具整体图

1.动模底板 2、3.螺钉 4.支撑板 5.导柱 6.型腔固定板 7.导套 8.定模底板 9.顶杆 10.成型块 11.推杆12.定位环 13.主流道衬套 14.拉料杆 15.型腔 16.型芯 17.回程杆 18.型芯固定板 19.螺钉 20.垃圾钉 21.垫块 22.推板 23.推杆固定板 24.冷却流道 25、26.螺钉 27.侧滑块 28.斜导柱 29.限位销 30.楔紧块 31.耐磨垫块 32.弹簧 33.T型导滑槽图14 模具三视图

模具工作过程为：在合模状态下，侧滑块(27)处的限位销(29)完全处于销孔内，弹簧(32)也处于压缩状态.开模时，借助导套(7)、导柱(5)的导向作用，分型面先分型，流道拉料杆(14)将主流道凝料带出；在此同时，在斜导柱(28)驱动下，侧滑块在T型导滑槽内进行横向抽芯，运动到一定位置时，滑块底部的限位孔和限位销对齐，限位销在弹簧的作用下卡入限位孔内，保证滑块停留在准确位置.因保证盒子顺利关闭的盒盖凸起卡在成型块镶件(10)和型芯镶件(16)内，塑件即隐形眼镜盒离开型腔镶件(15)留在动模上，当注射机的顶出杆作用在模具的推板(22)上时，成型块被顶杆(9)顶出，在推杆(11)和成型块的复合作用下，塑件完全从模具中脱出.合模时，借助回程杆(17)复位，侧滑块朝相反方向滑动，由于限位销和弹簧的作用，保证了斜导柱与滑块上斜孔对准，避免发生碰撞现象.

4 结束语

在隐形盒模具设计时，根据塑件的结构特点和表面质量要求，合理地选择了侧浇口的进料方式，避免充模产生的缩痕、气泡等缺陷.采用成型块兼顶杆和推杆的脱模机构，以减轻推出过程中塑件产生的变形等缺陷，符合产品外观的质量要求.采用侧抽芯机构成型制件的侧面凸起部位，同时使型芯镶件便于加工，降低成本，使模具在成型过程中保证产品质量，缩短成型周期，取得了较好的效果.

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