扫地机器人底座注塑模具设计

摘要：针对扫地机器人底座的结构特点，设计了一套一模一腔注塑模具，主要包括分型面设计、浇注系统设计、冷却系统设计、型芯型腔设计、斜顶与推出机构设计。使用Moldflow軟件对浇注系统和冷却系统进行了仿真，验证了设计的合理性。

关键词：扫地机器人;底座;注塑模具;UG;Moldflow

中图分类号：TQ320.5    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）04-0048-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.04.014

0    引言

在家务服务机器人领域，扫地机器人具有生产技术相对成熟、需求量大的特点[1-2]。扫地机器人底座是扫地机器人的重要组成零件，本研究以某型号扫地机器人底座为例，分析其产品特点，对其进行注塑模具设计和仿真分析，为类似复杂底座注塑模具设计提供参考。

1    产品分析

产品对象是一款扫地机器人底座，结合实际，使用UG软件建立三维模型，如图1所示。扫地机器人底座外形尺寸为270 mm×260 mm×60 mm，材料为ABS，底座要有一定的强度，起到支撑的作用，承重约5 kg。底座要与顶盖、车轮、万向轮、边刷等零件配合，要有较高的精度，尺寸精度为4级。运用UG软件注塑模具向导应用模块，进行零件壁厚的检查分析，得到零件的平均壁厚约2.3 mm。使用UG软件对产品进行测量，得到塑件的体积约为25 300.3 mm3，质量约为265.6 g。

2    注塑模具设计

根据产品的尺寸和特点，型腔布局为一模一腔，选择LKM-SG模架，模架号为CI-5050-A110-B120-C140。

2.1    分型面设计

根据分型面的选择设计原则，在选择扫地机器人底座分型面时主要考虑以下几个问题[3-4]：

（1）扫地机器人底座的分型面应该选择在底座的最大圆环处。

（2）底座的分型面应该便于推杆将成型后的底座件顶出。

（3）所选择的底座的分型面尽量不能影响扫地机器人底座的外观。

（4）底座分型面的选择不能影响到后期的浇注系统的设计。

根据以上的选择原则以及扫地机器人的形状和结构，分型面设计在底座最大外轮廓处。

2.2    浇注系统设计

普通的浇注系统一般由主流道、分流道和浇口组成[5]，主流道一端与喷嘴相连，一端与模具内腔相互连接。在模具设计中，主流道在与注塑机喷嘴接触以及一定的温度、压力这种复杂环境下工作时会出现磨损。所以，对于流道的设计经常会使用主流道衬套，材料为T8，衬套底部直径为3 mm，高度为45 mm。

扫地机器人底座零件高度不高，但是底座面积较大，根据其一模一腔的布局，本次设计采用直接浇口。直接浇口的位置对制品的成型质量有较大的影响，在浇口切除后可能会产生比较大的痕迹，扫地机器人底座为圆形，材料为ABS（流动性好），在工作过程中底座面会与地面接触，不是重要外观表面。根据分析选择浇口的位置为底面圆环中心处，如图2所示。

2.3    冷却系统设计

冷却水管大小以及冷却水路布局是冷却系统设计的主要内容。冷却系统的设计主要考虑两个方面：一方面要考虑如何布局冷却回路，使得模具在制品注塑过程中保持均匀的温度;另一方面还应考虑模具的制造成本。参考文献[6]，通过对冷却水流量进行初步计算，在型腔和型芯分别设计冷却水路，型腔中的水路距分型面26 mm，型芯中的水路到分型面的距离为30 mm，冷却管道直径为8 mm。

2.4    型芯型腔设计

因为扫地机器人底座上要承载轮子、电池等零件，同时为了满足型芯和型腔的结构合理性和制造的经济性，设计整体嵌入式型芯与型腔，如图3所示，材料为3Cr2Mo钢材。这种结构的优点是结构稳定、可靠，因为型芯直接镶嵌在动模板上，所以产品表面不会在接缝处产生溢料痕迹。

2.5    斜顶与推出机构设计

扫地机器人底座存在两个卡扣，会影响到正常脱模，故设计了斜顶侧向抽芯机构解决此问题。此机构由顶杆和斜顶座组成，斜顶座为T型滑块，斜角为3°[7]。

推出机构的作用就是将成型好的产品从动模板上推出来，设计采用常用的推杆推出机构，保证产品顺利脱模。

推出机构的设计原则如下：

（1）推出机构应设计在动模侧。

（2）推出机构力的作用点应该尽量作用在塑料件强度和刚度最大的地方，以保证制品在推出过程中不会变形。

（3）推出零件的位置设置应该保证制品能够平稳地推出。

（4）推出机构在工作时，不能影响到侧抽芯机构的运动。

（5）推出机构应该尽量设计在模具内部，不能影响制品的外观。

因为扫地机器人底座连接杆比较多，此处布局18根顶杆，利用顶杆固定板将其固定。斜顶和推出机构如图4所示。

3    注塑模具有限元分析

使用Moldflow软件对设计的浇注系统和冷却系统进行分析，从而验证设计的合理性[8]。将设计的扫地机器人底座模型导入到Autodesk Simulation软件中，划分网格类型为双层面网格，网格数目为34 740个。设置熔体温度为250 ℃，开模时间为5 s，注塑、保压、冷却时间为30 s。模流分析如图5所示，回路冷却温度和水路布局如图6所示。

根据浇口匹配性分析结果，可得设计的浇注系统是比较合理的。充填时间为2.091 s，回路冷却温度差为4.29 ℃。综上分析，设计的浇注系统和冷却系统是合理可行的。

4    结语

本文针对某型号扫地机器人底座设计了一模一腔两板模注塑模具，设计了直接浇口的浇注系统和回流冷却系统、整体嵌入式型芯与型腔、斜顶侧向抽芯机构和18根顶杆;使用Moldflow软件对设计的浇注系统和冷却系统进行仿真，结果表明，设计的浇注系统和冷却系统符合要求。

[参考文献]

[1] 赵航，刘玉梅，卜春光，等.扫地机器人的发展现状及展望[J].信息与电脑，2016（12）：167-168.

[2] 傅一元.扫地机器人：它们正在发展，它们正在壮大[J].电器，2017（10）：32-34.

[3] 李耀辉，江泱.笔记本电脑转轴注塑模具设计[J].机械工程与自动化，2020（5）：89-90.

[4] 陈森林，徐滨.基于UG的头帽塑料模具设计及CAM加工[J].机电工程技术，2020，49（11）：195-197.

[5] 傅莹龙，褚建忠，邵明朝.高光后盖热流道注塑模具结构设计[J].工程塑料应用，2020，48（3）：104-108.

[6] 张世阳，陈荣创，高广宇，等.商用车外视镜镜框注塑模具设计[J].工程塑料应用，2021，49（10）：93-97.

[7] 胡清根，邹彩平，陈弛文.复读机面壳注塑模具设计[J].工程塑料应用，2020，48（7）：91-94.

[8] 杨鸿.基于Moldflow的无人机上盖模流优化分析与模具设计[J].中国塑料，2020，34（6）：92-99.

收稿日期：2021-11-03

作者简介：吴小飞（1996—），男，陕西渭南人，硕士研究生，研究方向：机械设计及其自动化。

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