医用接插件模具设计及工艺优化

Die System Design and Process Optimization of Medical Connector

摘要

以一款医用接插件为例，设计一套一模两腔的四面滑块抽芯两板模。整套模具的主要结构包括分型面、成型零件、浇注系统、抽芯机构和其他系统部分。为进一步提高产品质量和满足二次注射热固性液态硅胶所需的尺寸要求，通过响应面法，以保压压力、模具温度和熔体温度为影响因素，以翘曲变形作为响应目标，通过BBD设计实验方案，使用Moldflow软件进行仿真实验，通过Design Expert软件分析数据，获得最佳工艺参数为：保压压力104.549 MPa、模具温度81.086℃、熔体温度304.750℃。使用该工艺参数生产的医用接插件翘曲变形下降27.2%。

关键词

接插件 / 注塑模具设计 / Moldflow / 响应面法 / 翘曲变形

Key words

Connector / Injection mold design / Moldflow / Response surface method / Warpage deformation

随着现代工业的蓬勃发展，注塑成型技术在接插件产业中的应用日益广泛，已实现产品的高效大批量生产。然而，接插件塑件通常壁厚不均、精度要求高，且结构复杂（如孔位、筋位、柱位较多，内外设计存在倒扣），导致模具设计难度大^[1]。在注塑过程中，工件易出现飞边、短射、翘曲变形等问题，其中翘曲变形对产品尺寸、外观和力学性能影响最大，是生产中亟待解决的关键问题，需要通过优化设计满足客户需求。

随着计算机技术的飞速发展，传统的依靠经验设置工艺参数的方法已无法满足行业需求。越来越多的公司开始采用CAE技术进行虚拟实验和优化设计，以降低实际生产中的试模成本和时间。Moldflow软件能够模拟塑料注塑过程，预测熔融塑料在成型过程中的流动状态，直观呈现可能出现的缺陷，是材料成型企业的必备工具^[2]。响应面法用于研究输入变量对输出变量的影响，确定最优输入变量组合以获得期望输出结果。本文结合Moldflow软件和响应面法，通过模拟试验找到一款医用接插件的最优工艺参数，并进行模拟验证，以提高生产效率和产品质量。

1 医用接插件工艺性分析

图1为医用接插件的3D模型，图2为产品三视图，其整体尺寸为45.4 mm×23.6 mm×50.3 mm，利用UG对产品进行壁厚计算，平均厚度为1.67 mm，最大厚度为4.32 mm。产品结构复杂，有多处卡扣和加强筋等，接插件内有12处接插口用于插入金属端子，尺寸精度要求高，翘曲变形会影响接插件的力学与电器性能。

医用接插件材料选取为SABIC公司的LEXAN 945聚碳酸酯(PC)树脂。该材料是一种非填充、注塑级、非氯化、非溴化、具有UL-94 V0额定值的阻燃PC材料，有各种不透明颜色选择，可以满足多种应用需求，收缩率较低，额定值为0.6%~0.8%，表1为LEXAN 945 PC树脂常用工艺参数。图3为LEXAN 945 PC树脂pvT属性曲线，图4为LEXAN 945 PC树脂黏度曲线。端子材料为铜-铍合金(Cu-Be)。

2 医用接插件模具设计

2.1 分型面设计

在注塑件模具设计过程中，分型面的选择很重要，分型面的位置对模具的开模、结构及制造影响很大，分型面的主要作用包括密封型腔、塑件脱模、选择浇注方式等^[3]。由于塑件结构复杂，侧面有卡扣，前后面有boss柱，为了方便脱模和侧面成型，选择采用四面滑块抽芯成型前后表面和卡扣。考虑到四面滑块抽芯结构复杂、实际产量要求及PC材料流动性较差，最终采用侧浇口的一模两腔两板模。根据分型面的选取原则，分型面应选择在外形最大轮廓处，图5为分型面位置。从图5可以看出，分型面位置为A-A处，优点是模具开模时塑件仍留在动模内，方便塑件推出^[4]。

2.2 成型零件设计

注塑模具的主要成型零件包括定模仁、动模仁、型腔和型芯。定模仁和动模仁应该有较高的加工精度和满足要求的物理性能。该注塑产品使用的材料为PC，PC材料较硬，对成型零件的损耗较大，结合实际生产情况，成型零件的材料选择为4CR13钢。

图6为定模仁和动模仁。从图6a可以看出，产品上表面12处孔位需要插入型芯，两侧面有卡扣，需定模仁与型芯形成狭窄空间来成型，该狭窄空间深度为24 mm，平均厚度为3.1 mm并有一定倾斜角度。背面2处柱位与后方滑块配合成型，正面2处柱位与前方滑块配合成型，皆通过斜导柱抽芯脱模。从图6b可以看出，12根长型芯柱用于形成通孔，6根短型芯柱用于形成深孔，两侧的凸台形成塑件表面凹槽。型芯组件嵌入模板内，底部用内六角螺栓与模板紧固，使型芯装配到位。

2.3 浇注系统设计

考虑到外形尺寸、产品质量和生产成本等，浇注系统选择冷流道系统。图7为浇注系统。从图7可以看出，主流道截面为圆形，入口直径为3 mm，长度为74 mm，锥度为0.6%，主流道由浇口套组件成型，浇口套与注塑件喷嘴配合的凹坑球直径为13 mm；分流道截面为普通圆形，直径为5 mm，分流道起到转向与分流的作用，由动、定模板半圆凹槽配合成型，半圆凹槽直径为5 mm；考虑PC材料的流动性和实际生产需要，浇口类型选择侧浇口，其特点是浇口位置选择灵活、痕迹小、分流道短^[5]，浇口端面尺寸为3.70 mm×1.45 mm。

2.4 抽芯机构设计

本文接插件结构复杂，四面皆有卡扣和多处柱位，无法直接脱模，因此设计一套四面斜导柱侧向抽芯机构。斜导柱侧向抽芯特点是动作安全可靠、结构紧凑、加工方便和抽芯距离大等^[6]。其工作原理是动模开模时，固定在定模上的斜导柱不动，动模做纵向运动，滑块沿着斜导柱做轴向运动，随后动模底板推动顶针顶出。图8为斜导柱滑块抽芯机构。抽芯距计算公式为：

S = L + \left(\mathrm{3}~\mathrm{5}\right)mm(1)

式(1)中：S为抽芯距离，mm；L为倒扣、卡扣、凸起距离，mm。

前侧凸起尺寸为3.32 mm，取抽芯距为8 mm；后侧凸起尺寸为3.32 mm，取抽芯距为8 mm；两侧卡扣尺寸为5.22 mm，取抽芯距为10 mm。

斜导柱主要参数设计：A1斜导柱直径为10 mm，A2和A3斜导柱直径为8 mm，A4斜导柱直径为12 mm；A1斜角为17°，A2和A3斜角均为20°，A4斜角为15°。斜导柱由压板固定在定模板上，四处滑块都装有导轨以确保滑块按一定轨迹做往返运动。

2.5 顶出机构与冷却系统设计

图9为冷却系统和顶出机构。从图9a可以看出，为确保模具温度始终处于指导工艺参数范围内，在定模仁和动模仁各设置1条冷却水路，定模水路有3处易出现死水的地方分别放置了隔水片，隔水片具有引导水流的作用^[7]；动模水路有4处易出现死水的地方也分别放置了隔水片，用于引导水流。冷却系统可以保证型腔内温度均匀，提高塑件成型质量。定模仁尺寸为190 mm×190 mm×55 mm，冷却管道直径选取为8.0 mm；动模仁尺寸为190 mm×190 mm×50 mm，冷却管道直径选取为8.0 mm。冷却介质选为水。从图9b可以看出，顶出机构采用注射机顶棍顶动顶模块，继而推动推板和推板固定板，最后推动10根顶针顶出产品和流道凝料杆脱离型腔。产品顶出后，顶模块拉回顶出系统进行复位，复位结束后复位开关反馈给注射机复位信号，至此模具完成一次注射过程。顶针长度皆为156.0 mm，其中塑件两侧有卡扣和柱位，故用较粗顶针^[8]，直径为2.0 mm；为保证塑件成功脱模，且有良好外观，故在中间对称布置8根细顶针，直径为1.5 mm。

3 模具工作过程

图10为模具结构，工作过程如下：(1)模具合模。注射机收到顶出机构复位完成的复位信号，推动动模座板3合模，同时动模内的滑块在斜导柱的作用下复位至滑块定位柱处停止，此时模具密封。(2)注塑成型。模具锁紧后，熔体从注射机喷嘴中射出经主流道9进入分流道27，再流向侧浇口注入密封模腔，模具经过填充、保压和冷却后开模。(3)模具开模。注射机拉动底板7使模具打开分型面，固定在定模上的斜导柱带动滑块移动解除产品轴向固定，塑件及浇注系统废料留在动模仁内。同时，注射机顶棍顶动顶模块22，继而推动推板6和推板固定板5，最后推动10根顶针顶出产品和流道凝料杆脱离型腔。产品顶出后，顶模块拉回顶出系统进行复位，复位结束后复位开关反馈给注射机复位信号，至此模具完成一次注射过程。

4 医用接插件翘曲变形工艺参数优化

4.1 建立初始成型工艺模型

使用UG7.5绘图软件，根据产品图纸三维建模，将3D模型导入CAD doctor对其进行简化和修复，将简化后的3D模型导入Moldflow，以3D实体网格类型划分网格，设置网格边长为0.87 mm。图11为四面体网格信息。从图11可以看出，四面体个数为930 161，已连接的节点为168 775，连通区域为1，平均纵横比为5.08，最大二面角为175.0，满足Moldflow软件进行模拟分析的要求，在软件分析序列中选择“填充+保压+翘曲”，材料选择为Lexan 945 PC resin。

利用Moldflow高级浇口定位器得出最佳浇口位置，出于生产成本考虑并结合模具结构确定实际注射位置，最终采用侧浇口进胶一模两腔的布局。侧浇口的特点是加工方便，浇口封闭时间、浇口尺寸和剪切速率易于控制，去浇口简单，保护了产品尺寸^[9]。同时，本产品需要大批量生产，采用冷流道进行充填，冷流道的喷嘴直径为3 mm。表2为初始成型工艺参数设置。其他工艺参数设为系统推荐参数。开始分析，图12为初始成型工艺参数翘曲变形。从图12可以看出，最大翘曲变形为0.335 2 mm。

4.2 实验变量筛选

本文采用Moldflow模流分析软件与响应面统计分析方法相结合进行研究，对医用接插件翘曲变形进行优化，以获得最优的成型工艺参数。

医用接插件属于精密注塑产品，需要尽可能地降低翘曲变形，以满足装配要求^[9]。根据接插件实际注塑经验，其中模具温度、熔体温度和保压压力对翘曲变形有较大影响。模具温度会影响材料在型腔内的流动性、光泽度和成型精度等；熔体温度会影响材料在型腔内的熔体状态、黏度和成型后的力学性能等；保压压力会影响产品尺寸，收缩率和质量等^[10]。因此，本文确定的设计变量为模具温度(A)、熔体温度(B)、保压压力(C)，选取的响应目标为翘曲变形(R ₁)。表3为注塑因素水平。

4.3 实验方案设计

响应面分析法是一种寻找最优解的分析方法，并结合图形技术将函数关系显示出来，本文使用Box-Behnken实验设计(BBD)^[11]。实验方案为三因素三水平，使用Design-Expert数据分析软件对数据进行分析。表4为BBD实验方案及响应目标。

4.4 响应面模型的建立

响应面法中的BBD模型是一种特殊类型的三水平因子设计，用于拟合二次响应面模型，可以有效反映设计变量与响应目标之间数量关系的分析函数^[12]。对于二阶多项式的响应面，其对应的响应目标值的函数表达式为^[12]：

f_{\left(x\right)}^{\mathrm{\text{'}}} = {\alpha }_{\mathrm{0}} + {\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n} {\alpha }_i{x}_i+ {\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n} {\alpha }_{ii}{x}_i^{\mathrm{2}}+ {\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^n} {\alpha }_{ij}{x}_i{x}_j+ \epsilon (2)

式(2)中： f^{\text{'}}为响应目标值； {\alpha }_{\mathrm{0}}为常数项系数； x为设计变量； i \mathrm{、} j为变量下标；n为变量个数； \epsilon为统计误差。

根据Design-Expert所模拟的结果，所建立翘曲变形与工艺参数模具温度、熔体温度和保压压力之间的回归模型为：

R_{\mathrm{1}} = \mathrm{0.24} - \mathrm{0.006} \mathrm{837} A - \mathrm{0.001} \mathrm{813} B - \mathrm{0.015} C - \mathrm{0.005} \mathrm{45} A B - \mathrm{0.000} \mathrm{975} A C - \mathrm{0.004} \mathrm{975} B C + \mathrm{0.017} A^{\mathrm{2}} - \mathrm{0.012} B^{\mathrm{2}} - \mathrm{0.017} C^{\mathrm{2}} (3)

Design Expert软件可以预测翘曲变形的响应值，并以曲线图的形式直观地表现出来。图13为翘曲预测值与翘曲实际值的离散对比，离散点为翘曲实际值。从图13可以看出，预测值和实际值较接近，响应面模型合理。

4.5 响应面模型的分析

为了更加直观地分析各个因素之间的相互作用，使用Design expert统计分析软件中的“Model Graphs”功能，可以得到响应面模型的三维曲面图，如图14所示。图14反映3个因素之间的相互作用对翘曲变形的影响。从图14a可以看出，当保压压力不变时，随着熔体温度升高，翘曲变形先降低再升高；当熔体温度为304.750 ℃时，翘曲变形最低。从图14b可以看出，当模具温度不变时，随着保压压力升高，塑件的翘曲变形先缓慢降低至最低点后快速升高；当保压压力为104.549 MPa时，翘曲变形最低。从图14c可以看出，当熔体温度不变时，随着模具温度升高，翘曲变形先降低再升高，当模具温度为81.086 ℃时，翘曲变形最低。

表5为回归模型的的方差分析结果。从表5可以看出，该模型的P值小于0.000 1，影响极显著；保压压力的P值小于0.000 1，影响极显著；模具温度和熔体温度的P值小于0.05，影响显著。结果表明该回归模型对翘曲变形的影响显著。该模型的R ²为0.996 20，R _Adj ²为0.988 8，R _Pre ²为0.940 8，均接近1，误差较小，表明该模型设计合理。同时，该模型的信噪比为36.292 0，大于4，表明该模型信号充足^[13]。

5 结果验证

5.1 仿真模拟验证

为验证BBD实验模型所得响应值的准确性，在Moldflow软件中按照Design expert给出的最优工艺参数进行注塑成型仿真模拟。表6为Design expert给出的最优工艺参数及响应值。

从表6可以看出，BBD实验模型的翘曲变形为0.238 mm。

图15为优化后Moldflow软件仿真模拟的翘曲变形。从图15可以看出，翘曲变形为0.2440 mm，与BBD实验模型的翘曲变形0.238 0 mm接近，说明通过BBD实验模型获得最优工艺参数的方法可行且合理。与最初设计方案的翘曲变形0.335 2 mm相比，优化后的翘曲变形降低27.2%。

5.2 实际生产验证

为了进一步验证优化结果的可靠性，使用Design expert给出的最优工艺参数进行生产试样，然后使用Hexagon公司生产的三坐标测量仪对试样进行测量，产品翘曲变形实际值与模拟试验结果相似。优化后的医用接插件不仅提高了产品的尺寸精度，同时也能更好地与二次注射的硅胶粘接^[14]。图16为在二次硅胶注射后最终成型的产品。经过拉伸测试，产品黏接牢固，产品尺寸与外观皆达到客户要求。

6 结论

本文设计一套医用接插件的两板模，采用一模两腔的布局，针对该接插件三面均有卡扣且剩余一面有柱位，设计一套四面斜导柱滑块抽芯机构。因为PC材料熔体温度较高，故在型腔内设计了冷却水道对模具降温。实际生产证明该模具结构可靠、设计合理，生产的塑件质量达标。为进一步提高产品质量和满足二次注射热固性液态硅胶所需的尺寸要求，本文通过BBD响应面法结合Moldflow有限元分析软件设计整体实验方案，以保压压力、熔体温度和模具温度为影响因素，以翘曲变形为响应目标，获得最佳工艺参数为：保压压力104.549 MPa、模具温度81.086 ℃、熔体温度304.750 ℃。将获得的最佳工艺参数在Moldflow中进行仿真实验，得到翘曲变形为0.244 0 mm，与初始方案的翘曲变形0.335 2 mm相比，产品的翘曲变形下降了27.2%。将最佳工艺参数用于实际生产试样，得到的产品尺寸与质量达到客户要求，验证了优化结果的可靠性。

参考文献

[1] 祝璐琨,廖秋慧,陈杰,汽车接插件随形水路设计及工艺优化[J].工程塑料应用,2017,45(9):71-75.

[2] 赵毅,刘淑梅,潘泓谊.基于响应面法的报警器上盖注塑工艺优化[J].轻工机械,2021,39(3):77-80, 84.

[3] 胡祚庥,刘淑梅,毛欣然,基于响应面法的汽车接插件翘曲变形优化[J].上海工程技术大学学报,2021,35(2):113-117.

[4] 黄继战,范玉,肖根先.温控器面壳注塑模具设计[J].工程塑料应用,2023,51(10):118-124.

[5] 沈言锦.饮水机接线端外壳注塑模具设计[J].工程塑料应用,2016,44(9):79-82.

[6] 黄继战,范玉.汽车侧后视镜壳体注塑模具设计[J].工程塑料应用,2019,47(5):110-114.

[7] 蒋燕,邓集华,方迪成.尾灯电镀装饰条注射模设计[J].模具制造,2022,22(8):26-31.

[8] 黄继战,陈炜,范玉.气缸感应开关壳体注塑模具设计[J].工程塑料应用,2019,47(12):79-85.

[9] 蔡厚道,李贵金,陈云.汽车马鞍盖板注射成型冷却系统优化及模具设计[J].中国塑料,2023,37(12):109-114.

[10] 庄燕.薄壁深孔复杂壳形塑件的多目标注塑工艺参数组合设计[J].合成树脂及塑料,2020,37(5):67-71.

[11] 齐雪,廖秋慧,祝璐琨,基于响应面法的汽车接插件注塑工艺优化[J].塑料科技,2018(10):95-99.

[12] 唐春华,夏琴香,张斌.基于响应面模型的仪器外壳注塑成型工艺混合优化[J].塑料工业,2018(6):37-40.

[13] 刘昌霖,高可可,孙江宏.基于Moldflow的套管注塑模拟分析及优化[J].塑料,2020,49(5):125-128.

[14] 李海林,李有兵.塑料制品真空注射成型工艺技术研究[J].模具制造,2023,23(1):24-27.