目前，各类电器、电子设备和工业设备的应用越来越多，由于缺少必要的警报措施，火灾的发生频率越来越高[1-2]。智能烟雾报警器基于传感器融合技术，利用光电式感烟原理，由内部的烟雾传感器和光电感烟器件以及外部的塑料壳体构成[3-4]，其塑料外壳具有保护内部各类电子元器件的作用[5]，因此十分重要。Creo具有强大的三维建模能力，能够完成各类产品的机械设计。本实验以某型号智能烟雾传感器为实例，基于计算机辅助技术，结合Creo软件对智能烟雾传感器的外壳进行模具设计，为其他类似模具设计提供参考。1产品结构与材料分析1.1结构分析图1为智能烟雾报警器的塑料壳体三维模型。外形最大尺寸为159.94 mm×80.00 mm×160.00 mm，塑件平均壁厚约5 mm，体积357 119 mm3，表面积45 973 mm2。塑件在设计、加工和生产时应注意以下问题[6-7]：(1)塑件尺寸较大，表面呈阶梯状，内部为部分空心，在分模时应注意动模仁和定模仁的设计和拔模顶出机构的设计。(2)注塑成型后，塑件表面不允许有顶针、浇口的痕迹，也不可出现明显翘曲变形、熔接痕、填充不足、收缩痕和空穴等现象。(3)注塑成型后表面应光滑，不允许出现污渍、油渍和毛刺，保证塑件各处圆角和倒角等细节完好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.015.F001图1智能烟雾报警器外壳三维模型Fig.1Three-dimensional model of the intelligent smoke alarm shell1.2材料分析考虑智能烟雾报警器需要安装在天花板或墙壁上，并且会出现高温环境，因此选择的材料为Daicel Polymer Ltd公司的牌号为Novalloy S 1220的PC和ABS混合材料。其熔体密度为0.925 8 g/cm3，固体密度为1.116 1 g/cm3，第一主方向和第二主方向的弹性模量均为2 780 MPa，泊松比为0.4，剪切模量为992.9 MPa。热膨胀数据的横向各向同性系数为6.7×10-5。此材料具有优良的力学性能、较高的强度和刚度、较好的抗冲击能力，即使塑件制品被破坏，也只是拉伸破坏而不是冲击破坏[8-9]。此外，此材料具有优异的耐磨性和耐疲劳性，并且收缩率小，尺寸稳定性好，绝缘性好，在电子设备生产时应用广泛。表1为此材料的其他注塑参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.015.T001表1PC和ABS混合材料的工艺参数Tab.1Process parameters of PC and ABS mixed materials工艺参数数值工艺参数数值模具表面温度/℃75熔体温度最小值/℃230熔体温度/℃265绝对最大熔体温度/℃340模具温度最大值/℃100顶出温度/℃117模具温度最小值/℃50最大剪切应力/MPa0.4熔体温度最大值/℃300最大剪切速率/s-1400002浇注系统及冷却系统设计Creo和Moldflow是模具设计时常用的CAE软件，能够极大提高模具设计过程中的效率[10]。考虑塑件最大外形结构尺寸较大，故本次选择单型腔模具进行设计[11]。2.1浇注系统设计浇注系统指熔融状态的塑料从注射机喷嘴开始到模具型腔间的管道[12-13]。将模型导入Moldflow中，开展浇口位置分析，图2为具体浇口位置。由于智能烟雾报警器顶端面积较小，内部有中空部分，为便于型腔内的塑件抽芯，同时不使塑件表面存在浇口的痕迹，设计浇注系统为单浇口形式，浇口位于顶面的中间位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.015.F002图2浇口位置Fig.2Gate matching图3为网格划分结果，共得到13 328个网格，纵横比的最大值、平均值和最小值分别为20.19、1.83和1.16，匹配百分比92.3%，相互百分比93.8%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.015.F003图3网格划分Fig.3Meshing result图4为浇注系统。其中，设计主流道的初始直径为3 mm，末端直径为18 mm，流道长度为46 mm，切削半径为15.5 mm，头部厚度为18 mm，10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.015.F004图4浇注系统Fig.4Gating system2.2冷却系统设计一般而言，完成的成型周期中约50%~60%的时间用于模具和内部塑件的冷却，冷却不匀会造成型腔内各处压力不同，进而造成收缩率和变形的不同，产生残余应力，使得产品的外观受影响。冷却系统的主要目的在于保证模具型腔内部各处温度下降均匀，以使整个系统的温度保持在合理范围之内[14]。冷却系统主要由冷却管道、冷却介质和温度控制器构成。冷却管道在设计和选择时应沿着塑件形状尺寸最大的方向对称布置，以保证型腔上下受热均匀。从塑件的外形尺寸出发，选择冷却管道直径为20 mm，水管与零件的距离为20 mm，零件外的距离为200 mm。图5为设计的冷却系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.015.F005图5冷却系统Fig.5Cooling system2.3模流分析将浇注系统和冷却系统及表1中的推荐工艺在Moldflow中进行模流分析验证，图6为得到的模流分析结果。从图6a充填时间可以看出，塑件在成型过程顺畅，无短射和填充不足的现象。从图6b可以看出，最大翘曲变形为1.217 mm，位于底部的圆柱边，对表面质量影响较小。从图6c可以看出，流动前沿温度差值为1.9 ℃，说明各处温度较为均匀。从图6d可以看出，表面气穴较少，仅内部有少量气穴，不影响外观。从图6e可以看出，塑件表面的熔接线少数集中在内表面的上部，对外观质量影响较小。从图6f可以看出，塑件的体积收缩率最大为1.69%，说明塑件尺寸变化较小。从图6g可以看出，成型过程中最大压力49.61 MPa，能够满足成型需要。上述结果说明，设计的浇注系统、冷却系统和成型工艺方案具有一定的可行性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.015.F006图6模流分析结果Fig.6Mold flow analysis results3模具结构设计本实验选择的模具尺寸为159.94 mm×80.00 mm×160.00 mm，整个模架的尺寸为596 mm×596 mm，模具的行程为100 mm，整个模具的高度为444.5 mm。3.1分型面设计图7为所做的分型面及分模结构。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.015.F007图7分型面及分模结构Fig.7Parting surface and parting structure由于智能烟雾报警器的底部为平面，故此平面部分用拉伸法作出主分型面。智能烟雾报警器的外表面和内表面为阶梯状，采用复制延伸法依次作出副分型面1和副分型面2。利用体积块分割法，根据所做的分型面，将模具工件分割成定模仁和动模仁两部分。3.2模具材料的选择由于智能烟雾报警器的壳体外部呈阶梯圆柱状，内部有中空部分，选择定模仁(凹模)和动模仁(凸模)的形状均为整体式。模仁部分是模具的核心部分，材料的选择直接影响模具的工作寿命和模具的成本。考虑到模仁需要有一定硬度、耐磨性和抗腐蚀性，选择模仁的材料为P20模具钢，其硬度可达30~36 HRC，各项力学性能良好。由于模架部分起到固定和连接的作用，对材料特性要求不高，选择材料为45#钢。动模板和定模板主要作用是用于固定型腔和锁紧模具，模板要承受弯曲应力和压缩变形，同时接触面的粗糙度应比较光滑，防止合模时出现损伤和塌边，故动模板和定模板的材料选择3Cr2Mo，此材料为预硬化塑料模具钢，具有良好的淬透性和韧性，渗碳淬火后表面硬度可达65 HRC，具有较高的热硬度及耐磨性，抛光后具有良好的光洁度。3.3顶出机构塑件在成型完毕后，需要将其从型腔中顶出，以便于后续加工处理。考虑到智能烟雾报警器的结构形式，为使塑件均匀受力，平稳的被推出型腔，采用四顶杆的方式，主要包括顶杆、顶杆固定板和顶杆基板，图8为顶杆分布。顶杆直接作用在塑件上，将塑件从模具中脱离出来，顶杆基板和固定板起到承载和固定顶杆的作用。此外，为保证强度和刚度足够，顶杆选择CPM 9V钢材加工，淬火处理后，硬度可达到48~52 HRC。顶杆与动模板间的配合精度选择H8/f7的间隙配合，动模板内孔及顶杆外表面粗糙度设计为Ra=0.8 μm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.015.F008图8顶杆分布Fig.8Distribution of ejector pins3.4导向及夹紧机构导向及定位机构主要包括导套(居中导套9、套筒10)和导柱(居中顶板导柱11)等机构，目的在于使顶出动作、合模动作和脱模动作更加平稳，防止出现卡滞现象，保证塑件的外形尺寸及同轴度[15-16]。导柱的材料选择淬火处理的碳素工具钢T10，以保证导柱的耐磨性和足够的抗弯曲能力。此外，导柱与导套的配合选用H7/f6的间隙配合，配合面的粗糙度采用Ra=0.8 μm。夹紧机构是为了使型腔零件紧密配合，防止出现塑料熔体泄露的状况[17]。夹紧机构主要包括动模夹紧螺钉12和定模夹紧螺钉13。3.5模具结构及工作过程图9为智能烟雾报警器的外壳注塑模具的结构，其主要工作过程为：10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.015.F009图9智能烟雾报警器外壳注塑模具结构Fig.9Injection mold structure for intelligent smoke alarm shell1-上模座；2-定模板；3-动模板；4-垫板；5-支撑块；6-顶杆固定板；7-顶杆基板；8-下模座；9-居中导套；10-套筒；11-居中顶板导柱；12-动模夹紧螺钉；13-定模夹紧螺钉；14-动模顶杆螺钉；15-定位环定模；16-隔热板定模；17-流道；18-定模仁；19-动模仁；20-塑件；21-顶杆(1)装配好模具，使模具处于合模状态后，启动注射机，加热塑料至熔融状态。(2)塑料熔体经过热喷嘴、流道17和潜伏式浇口进入模具型腔。(3)经过一段时间后，型腔被塑料熔体填充满，再经过保压和冷却一定时间后执行开模动作。(4)开模时，注射机拉动下模座8，带动动模板3和动模仁19向远离定模板的方向移动，使模具在分型面处分离。(5)在移动100 mm的距离后，顶出系统通过顶杆21将塑件20从动模仁19中顶出，塑件20和多余的凝料一起被顶出。(6)塑件在进行二次加工处理后方可出厂。4结论以某型号的烟雾报警器为实例，分析了其外形结构和成型要求，选择了合适的成型材料，设计了较为合理的冷却系统和浇注系统。基于计算机辅助技术，在Creo三维建模软件中，对模具的顶出机构、导向和夹紧机构及整个模具进行设计，并介绍了此模具的工作过程，为此类注塑模具的设计提供了思路和参考。