第8章 热塑性塑料注射成型工艺及模具设计课件.ppt

第8章热塑性塑料注射成型工艺及模具设计,8.1注射成型原理及工艺 8.2注射模分类及典型结构 8.3注射机基本参数与注射模的关系 8.4塑件在模具中的位置 8.5成型零部件设计 8.6浇注系统设计 8.7脱模机构设计8.8合模导向机构设计 8.9侧向分型与抽芯机构设计 8.10模具温度调节系统设计 8.11注射模的标准化 8.12注射模设计程序,8.1注射成型原理及工艺注射成型又称注射模塑或注塑,是热塑性塑件成型的一种重要方法,也已成功地用于成型某些热固性塑件。其加工的塑件在塑件总量中约占20%30%,塑件的用途已扩大到各个领域。,8.1.1注射成型原理及分类注射成型的工作原理如图81所示。将粒状或粉状塑料从料斗1送进料筒,经加热器5加热熔化呈流动状态后,由螺杆4(或柱塞)以一定的压力与速度推动,通过喷嘴6和模具的浇注系统注入温度较低的闭合的模具型腔各处,经一定时间保压、冷却、硬化定型得到所需形状和尺寸的塑件。开启模具,由顶出杆顶出塑件,完成一个注射成型周期。注射成型周期从几秒钟至几分钟不等,它取决于塑件的大小、形状与厚度。,图81注射成型工作原理,注射成型分为普通注射成型、精密注射成型和特种注射成型三类:(1)普通注射成型。主要针对要求较低的热塑性塑料和一些热固性塑件成型。(2)精密注射成型。可以成型要求较高的塑件。(3)特种注射成型。这种成型方法很多,主要有气体辅助注射成型、共注射成型、动力熔融注射成型、结构发泡注射成型、排气注射成型、BMC注射成型、多级注射成型、反应注射成型、液态注射成型、高速注射成型、复合注射成型、多材质注射成型及内加饰注射成型等,随着注射成型工艺技术的不断发展,定会有更多的方法涌现出来。,8.1.2注射机1.注射机的分类、应用不同的注射成型方法,对注射机的要求及装置配置是不同的。用于注射成型的设备有:通用注射机、热固性塑料注射机、特种注射成型工艺用注射机等类别。通用注射机主要用于热塑性塑料注射成型,是一类应用很广泛的注射机。在这种注射机上加上特定的辅助设施,可以用于热流道注射成型、气体辅助注射成型、多级注射成型等。热固性塑料注射机用于热固性塑料注射成型,在其上面添加流道的温度调节与控制系统,或在锁模机构上加设二次合模系统,可用于热固性塑料冷流道注射成型或热固性塑料压铸成型。特种注射机有很多,如动力熔融注射机、排气注射机、结构发泡注射机、BMC注射机、液态注射机、反应注射机等,它们主要用于不同的特种注射成型工艺。,通用注射机按分类方式不同,有多种形式:(1)按注射机的注射方向和模具的开合方向分类,可分为三类。卧式注射机。这种注射机成型物料的注射方向与合模机构开合方向均沿水平方向。其特点是重心低、稳定,加热、操作及维修均很方便,塑件推出后可自行脱落,便于实现自动化生产。其缺点是模具安装较麻烦,嵌件放入模具有倾斜和脱落的可能,机床占地面积较大。目前,大、中型注射机一般采用这种形式。立式注射机。成型物料的注射方向与合模机构开合方向均垂直于地面。其主要优点是占地面积小,安装和拆卸模具方便,安放嵌件较容易。缺点是重心高、不稳定,加料较困难,推出的塑件要人工取出,不易实现自动化生产。这种机型一般为小型的,最大注射量在60g以下。,角式注射机。成型物料的注射方向与合模机构开合方向相互垂直,又称为直角式注射机。目前国内使用最多的角式注射机采用沿水平方向开合模,沿垂直方向注射。其主要优点是结构简单,便于自制。主要缺点是不能准确可靠地控制注射压力、保压压力和锁模力,模具受冲击和振动较大。,(2)按注射装置分类,可分为三类。螺杆式。以同一螺杆来实现成型物料的塑化和注射。它能使成型物料的混炼塑化均匀,无材料滞流,构造简单,但压力损失较大,是当前使用较广泛的机型。柱塞式。以加热料筒、分流梳和柱塞来实现成型物料的塑化和注射。它构造简单,适合于小型塑件的成型,但材料滞流严重,压力损失大。螺杆预塑化型。这是双料筒形式,螺杆、料筒进行塑化,柱塞、料筒进行注射。它能使塑化均匀,计量准确,适合于精密成型。但其结构复杂,材料滞流大。,(3)按锁模装置分类,可分为两类。直压式。以液压缸直接锁模。这种形式调整、保压都较容易,但能量消耗较大。肘拐式。以连杆机构实现锁模,常与液压缸一起组合使用。它可以实现高速合模,锁模可靠,产品不易出现飞边,但调整复杂,需要经常保养。,2.注射机的组成无论是哪一类注射机,它们都是由以下几大部分组成:(1)注射机构。其主要作用是使固态的成型物料均匀地塑化成熔融状态,并以足够的压力和速度将熔融物料注入到闭合的模具型腔中。注射机构包括加料器、料筒、螺杆(或柱塞与分流梳)及喷嘴等部件。(2)锁模机构。其作用有三点:锁紧模具;实现模具的开合动作;开模时顶出模内塑件。锁模机构可以是全液压式(直压式),也可以是液压-机械联合作用式(肘拐式);顶出机构也有机械式顶出和液压式顶出两种。,(3)液压传动和电器控制系统。液压传动和电器控制系统是为保证注射成型过程按照预定的工艺要求(压力、速度、温度、时间)和动作程序能准确进行而设置的。液压传动系统是注射机的动力系统,而电器控制系统则是各动力液压缸完成开启、闭合和注射等动作的控制系统。,8.1.3热塑性塑料注射成型工艺1.注射成型工艺过程注射成型工艺过程包括成型前准备、注射成型过程和塑件的后处理。1)成型前的准备为保证塑件质量,在成型前应作一些工艺准备,包括:对成型物料进行外观(如物料的色泽、颗粒大小及均匀度等)检验;对成型物料的工艺性能(如熔融指数、流动性、收缩性及热性能等)进行测试;对于某些容易吸湿的塑料(如聚酰胺、聚碳酸酯、ABS等),成型前应进行充分的干燥,以避免产品表面出现银丝、斑纹和气泡等缺陷;成型不同种类塑料前,应对料筒进行清洗;对成型带有嵌件的塑件,应先对嵌件进行预热;对脱模困难的塑件,预备好合适的脱模剂等等。,2)注射工艺过程注射过程一般包括加料、塑化、注射、冷却和脱模几个步骤。(1)加料。注射成型是一个间歇过程,因而需定量(或定容)加料,以保证操作稳定,塑料塑化均匀,最终获得良好的塑件。,(2)塑化。加入的塑料在料筒中进行加热,由固体颗粒转变成粘流态并且具有良好的可塑性的过程称为塑化。决定塑料塑化质量的主要因素是物料的受热情况和所受到的剪切作用:一定的温度是塑料得以形变、熔融和塑化的必要条件,通过料筒对物料加热,使聚合物分子松弛,出现由固体向液体转变;而剪切作用则以机械力的方式强化了混合和塑化过程,使混合和塑化扩展到聚合物分子的水平(而不是静态的熔融),它使塑料熔体的温度分布、物料组成和分子形态都发生改变,并更趋于均匀,同时螺杆的剪切作用能在塑料中产生更多的摩擦热,促进了塑料的塑化。因此,螺杆式注射机对塑料的塑化比柱塞式注射机要好得多。对塑料的塑化要求是:塑料熔体在进入型腔之前要充分塑化,既要达到规定的成型温度,又要使塑化料各处的温度尽量均匀一致,还要使热分解物的含量达到最小值;并能提供满足上述质量的足够的熔融塑料以保证生产连续并顺利进行。这些要求与塑料的特征、工艺条件的控制及注射机塑化装置的结构等密切相关。,(3)注射。不论何种形式的注射机,注射的过程可分为充模、保压、倒流、浇口冻结后的冷却和脱模等几个阶段,如图82所示。,图82成周期中的压力变化曲线,充模。塑化好的熔体被柱塞或螺杆推挤至料筒前端,经过喷嘴及模具浇注系统进入并充满型腔,此时(t=t1),型腔内熔体压力迅速上升,达到最大值,这一阶段称为充模。保压。在模具中熔体冷却收缩时,继续保持施压状态的柱塞或螺杆迫使浇口附近的熔料不断补充进入模具中(时间t1t2),使型腔中的塑料能成型出形状完整且致密的塑件,这一阶段称为保压。,倒流。保压结束后,柱塞或螺杆后退,型腔中的压力解除(时间t2t3),这时型腔中的熔料压力将比浇口前方的高,如果浇口尚未冻结,就会发生型腔中的熔料通过浇口流向浇注系统的倒流现象,使塑件产生收缩、变形及质地疏松等缺陷。如果保压结束之前浇口已经冻结,那就不存在倒流现象。浇口冻结后的冷却。当浇注系统的塑料已经冻结后,继续保压已无必要,因此可以退回柱塞或螺杆,卸除料筒内塑料的压力,并加入新料,同时通过模具冷却系统对模具进行进一步的冷却,这一阶段称为浇口冻结后的冷却(时间t3t4)。脱模。塑件冷却到一定的温度即可开模,在推出机构的作用下将塑件推出模外。,3)塑件的后处理塑件脱模后常需要进行适当的后处理(退火后调湿),以便改善和提高塑件的性能和尺寸稳定性。退火处理是使塑件在定温的加热介质或热空气循环烘箱中静置一段时间。一般,退火温度比塑件使用温度高1020,或比塑料热变形温度低1020,以消除塑件的内应力、稳定结晶结构。有些塑件(如聚酰胺等)在高温下与空气接触会氧化变色或容易吸收水分而膨胀,此时需进行调湿处理,即将刚脱模的塑件放在热水中处理,这样既可以隔绝空气,进行无氧化退火,又可以使塑件快速达到吸湿平衡状态,从而使塑件尺寸稳定。,2.注射成型工艺参数1)温度在注射成型过程中需要控制的温度有料筒温度、喷嘴温度和模具温度等。前两种温度主要影响塑料的塑化和流动,而后一种温度主要影响塑料的流动和冷却。(1)料筒温度。料筒温度的选择与塑料的特性有关。每一种塑料都具有不同的粘流态温度Tf(对结晶型塑料即为熔点Tm),为了保证塑料熔体的正常流动,不使塑料在料筒中发生热降解,料筒温度需控制在粘流态温度Tf与热分解温度Td之间。料筒温度的分布,一般是从料斗一侧(后端)起至喷嘴(前端)止逐步升高,以使塑料温度平稳地上升以达到均匀塑化的目的。对于螺杆式注射机,因剪切摩擦热有助于塑化,因而前端的温度也可略低于中段,以防止塑料的过热分解。,(2)喷嘴温度。喷嘴温度一般略低于料筒的最高温度,以防止直通式喷嘴发生“流涎现象”。喷嘴低温产生的影响可以从塑料注射时所产生的摩擦热得到一定的补偿。但应注意,温度低得太多可能导致熔体早凝而将喷嘴堵死。料筒和喷嘴温度的选择不是孤立的,与其它工艺条件存在一定的关系。如注射压力的大小对温度有直接影响:在保持同样流速的前提下,较低的注射压力一般对应较高的温度,反之,较高的注射压力对应于较低的温度。,(3)模具温度。模具温度对塑料熔体的充型能力及塑件的内在性能和外观质量影响很大。模具温度的高低决定于塑料结晶性的有无、塑件尺寸和结构、性能要求以及其它工艺条件(熔体温度、注射速度、注射压力、成型周期等)。模具温度由模具温度调节系统来调节控制。,2)压力注射成型过程中的压力包括塑化压力和注射压力两种。(1)塑化压力。塑化压力又称背压,是指注射机螺杆顶部的熔体在螺杆转动后退时所受到的压力。增加背压能提高熔体温度并使温度均匀,但会降低塑化的速度。背压可以通过液压系统中的溢流阀来调整。注射中,塑化压力的大小是随螺杆的设计、塑件的质量要求以及塑料的种类不同而异的。,(2)注射压力。注射压力用以克服熔体从料筒流向型腔的流动阻力,提供充模速度以及对熔体进行压实等。注射压力的大小与塑件的质量和生产率有直接关系。影响注射压力的因素很多,有塑料品种、注射机类型、塑件和模具结构以及其它工艺条件等,而各因素之间的关系十分复杂。近年来,国内外成功地采用注射流动模拟计算机软件,对注射压力进行了优化设计。,3)时间完成一次注射成型过程所需的时间称为成型周期,它包括以下几个部分:,在保证塑件质量的前提下,应尽量缩短成型周期中各段时间,以提高生产率。其中最重要的是注射时间和冷却时间,它们对产品的质量有着决定性的影响。在生产中,充模时间一般为35s,保压时间一般为20120s,冷却时间一般为30120s。,8.2注射模分类及典型结构8.2.1注射模的结构组成注射模由动模和定模两大部分组成。动模安装在注射机的移动模板上,在注射机锁模机构的驱动下可往复运动,定模安装在注射机的固定模板上固定不动。注射前,动、定模沿分模面闭合,形成型腔和浇注系统,注射机将塑化的塑料熔体通过浇注系统注入型腔,经冷却凝固后,动、定模打开,脱模机构推出塑件,获得所需的塑件。,图83单分型面注射模(a)闭模状态;(b)开模状态,根据模具中各个零件的不同功能,注射模由以下七个(或部分)系统或机构组成:(1)成型零部件。成型零部件是指构成模具成型塑件型腔,并与塑料熔体直接接触的模具零件或部件。一般有型腔(凹模)、型芯(凸模)、成型杆、镶件等,在动、定模闭合后,成型零件便确定了塑件的内外形状和尺寸。(2)浇注系统。浇注系统是将熔融塑料引向闭合型腔的通道。通常由主流道、分流道、浇口和冷料穴组成。,(3)导向装置。导向装置是用以保证动模和定模闭合时位置准确。它由导柱和导套组成。对于多型腔注射模,其脱模机构也设置了导向装置,以免推杆弯曲和折断。(4)脱模机构。脱模机构是实现塑件脱模的装置。常见的有推杆式、推管式、推板式和推块式等。(5)侧向分型与抽芯机构。当塑件上带有侧孔或侧凹结构时,在塑件被脱出模具之前,必须先侧向分型并将侧向型芯抽出。完成上述动作的零部件所构成的机构,称侧向分型与抽芯机构。,(6)温度调节系统。为了满足注射成型工艺对模具的温度要求,模具应设有冷却或加热系统。模具的冷却通常采用循环水冷却。模具的加热可通入热水、蒸汽、热油或在模具中设置加热元件,对于温度要求较高的还需配置温控系统。(7)排气系统。排气系统是为了把型腔内原有的空气以及塑料受热过程中产生的气体排出,而在模具分型面处开设的排气槽。利用推杆、镶件的配合间隙也可排气。,8.2.2注射模的分类1.按注射模的总体结构特征分(1)单分型面注射模。又称双板式注射成型模,如图83所示。开模时动、定模分开,从单一的分型面取出塑件和浇注系统冷凝料。(2)双分型面注射模。如图84所示,它有两个不同的分型面,用于分别取出塑件和浇注系统凝料。在动模板和定模板之间增加一块可往复移动的型腔板(又称中间板或流道板),因此又称三板式注射成型模。适用于点浇口形式的注射成型模。,图84双分型面注射模,(3)带有侧向分型与抽芯机构的注射模。当塑件有侧凹或侧孔时,需采用有可侧向移动的型芯或滑块成型。如图85所示为斜导柱驱动的侧向抽芯注射模。(4)带有活动成型零件的注射模。由于塑件的某些特殊结构,要求模具设置可活动的成型零件,开模时活动成型零件可与塑件一起从模具内取出,然后由手工或简单工具使活动成型零件与塑件分离并将活动成型零件放回模具中,如图86所示。如活动型芯、活动型腔、活动镶件、活动螺纹型芯或型环等。,图85侧向抽芯机构的注射模,图86活动成型零件的注射模,(5)机动脱螺纹的注射模。对于有螺纹的塑件,当要求自动脱模时可在模具上设置转动的螺纹型芯或型环。它是利用注射机的开模动作设置传动装置(或专门传动装置),带动螺纹型芯或型环转动,从而脱出塑件。图87为在较简单的角式注射机上用的机动脱螺纹注射模。(6)热流道注射模。热流道注射模是指在浇注系统中无流道凝料的注射模,它包括用于热塑性塑料的绝热流道和热流道模具,以及用于热固性塑料的温流道注射模等。这类模具通过对流道加热或绝热的方法来保证从注射机喷嘴到浇口之间的塑料始终保持熔融状态,这样,在每次注射成型后,没有浇注系统冷凝料,从而降低注射压力、缩短成型周期、减少回收料,有利于提高生产效率和改善产品质量。图88所示为一模两腔热流道注射模。,图87自动脱螺纹的注射模,图88热流道注射模,(7)定模推出机构注射模。由于塑件结构特殊,要求在定模设置推出机构。如图89所示。,图89定模设置推出机构的注射模,2.按所用注射机类型不同分分为卧式注射成型模、立式注射成型模和角式注射成型模。3.按塑料品种不同分分为热塑性塑料注射成型模和热固性塑料注射成型模。目前,除此之外,应用较多的还有橡塑改性的材料如、的注射成型,低发泡注射成型,多种物料或多色的共注射成型等。,4.按模具型腔的容积分有大型注射模(模具型腔容积达3000cm3以上)、中型注射模(模具型腔容积为1003000cm3)和小型注射模(模具型腔容积在100cm3以下)。,8.3注射机基本参数与注射模的关系注射成型模具是安装在注射机上的。在设计注射模时,必须了解注射机的技术规格(基本参数),正确处理好注射模与注射机的关系,才能设计出合乎要求的模具。8.3.1最大注射量设计模具时,应使成型塑件每次所需注射总量小于注射机的最大注射量Gmax,即:,max G=nG1+G2,(81),(82),式中: n模具中的型腔数;1每个塑件的重量;2浇注系统的重量。 通常,要求注射成型时的总重量应是注射机最大注射量的80以下,即:,80%Gmax,(83),最大注射量的标定随注射机结构不同而异。柱塞式注射机的最大注射量是以一次注射聚苯乙烯的最大重量为标准规定的。当注射其它塑料时,其最大注射量应进行换算:,(84),式中:0一次注射聚苯乙烯的最大注射量();max注射其它塑料的最大注射量();常温下聚苯乙烯的重度(m3);常温下其它塑料的重度(m3)。对于螺杆式注射机,其最大注射量是以螺杆一次注射的最大推进容积V(10-6m3)来表示。它与塑料品种无关,使用比较方便。,8.3.2锁模力锁模力是在成型时锁紧模具的最大力。用于实现动、定模紧密闭合,保证塑件的尺寸精度,尽量减少分型面处的溢边(或毛边)厚度和确保操作者的人身安全。因此,成型时高压熔融塑料在分型面上显现的涨力应小于锁模力。该涨力大小等于塑件加上浇注系统在分型面上垂直投影面积之和乘以型腔内熔融塑料的平均压力。如图810所示。,(85),式中:F注射机的额定锁模力();A塑件与浇注系统在分型面上的总投影面积(m2);p熔融塑料在型腔内的平均压力(MPa);k安全系数,常取k=1.11.2。,图810涨模力与锁模力,型腔内平均压力p约为注射压力的25%50%,表81列出了塑件形状和精度不同时可选用的型腔压力。,8.3.3注射压力注射压力是成型时柱塞或螺杆施加于料筒内熔融塑料上的压力,常取70150MPa。注射机的最大注射压力要大于成型塑件所需要的注射压力。8.3.4注射速率注射速率即注射过程中每秒钟通过喷嘴的塑料容量。在一定注射压力和温度下的最大注射率,受喷嘴孔的尺寸、塑料种类和注射柱塞的最大速度制约。柱塞注射速度常取3358mm/s。小型注射机较快,而大型注射机则较慢。,8.3.5模具在注射机上的安装尺寸不同型号的注射机安装模具部分的形状和尺寸各不相同,为了使模具能顺利地安装在注射机上并生产出合格的塑件,在设计模具时必须校核注射机上与模具安装有关的尺寸。需校核的主要内容有喷嘴尺寸、定位圈尺寸、模具闭合厚度和安装螺孔尺寸。(1)喷嘴尺寸。注射机喷嘴头一般为球面,球面半径应与其相接触的模具主流道入口端凹下的球面半径相适应(详见浇注系统设计)。角式注射机喷嘴头多为平面,模具与其相接触处也应做成平面。,(2)定位圈尺寸。为保证模具主流道的中心线与注射机喷嘴的中心线相重合,模具定模板上凸出的定位圈必须与注射机固定模板上的定位孔呈较松动的间隙配合。(3)模具闭合厚度。模具闭合厚度是指模具处于闭合状态时,定模板安装端面到动模板安装端面之间的距离。模具闭合厚度必须满足:,(86),式中:Hm模具的闭合厚度;Hmin动、定模间的最小开距;Hmax动、定模间的最大开距。同时,应该校核模具的外形尺寸,使模具能从注射机的拉杆间装入。,(4)螺孔尺寸。模具常用的安装方法有两种:一种是用螺钉直接固定;另一种是用螺钉压板固定。采用前一种方法设计模具时,动、定模座板上螺孔位置及尺寸应与注射机对应模板上的螺孔位置和尺寸相适应;而采用后一种方法,则比较灵活。,8.3.6开模行程和顶出机构对液压-机械式锁模机构,其最大开模行程由连杆机构的最大行程决定,而与模具厚度无关。(1)单分型面注射模的开模行程,如图811所示。,1+H2+(510)(mm),(87),式中:注射机开模行程(即移动模板行程)(mm);H1脱模距离(mm);H2包括浇注系统在内的塑件高度(mm)。,图811单分型面模具开模行程的校核,(2)双分型面注射模的开模行程,如图812所示。为取出浇注系统凝料,开模行程中必须增加定模板1与型腔板2的分离距离a,即:,H1+H2+(510)+a (mm),(88),对于全液压式锁模机构,其最大开模行程等于动模与定模之间的最大开距(k)减去模具的闭合厚度(m)。当模具厚度增大,则开模行程减小。,图812 双分型面模具开模行程的校核,(1)单分型面注射模的开模行程,Lk-HmH1+H2+(510) (mm),或,kHm+H1+H2+(510) (mm),(89),(810),(2)双分型面注射模的开模行程,Lk-HmH1+H2+(510)a(mm),或,kHm+H1+H2+(510)a (mm),当模具需要利用开模动作完成侧向抽芯时,开模行程应考虑加上完成抽芯所需的距离c,如图813所示。(1)当c12时,以上各式中的项均用c代替,其它各项不变。(2)当c时,可不考虑侧向抽芯的影响。除上所述而外,当成型带螺纹的塑件时,如需要在注射机上完成脱螺纹型芯的动作,则在考虑开模行程时还要增加旋出螺纹型芯的距离。在设计模具顶出机构时,需校核注射机顶出机构的顶出形式(是中心顶杆顶出还是两侧顶杆顶出等)、最大顶出距离以及双顶杆中心距等,以便保证模具的顶出机构与注射机的顶出机构相适应。,图813有侧向抽芯时的开模行程,表82部分国产注射机的主要技术参数,8.4塑件在模具中的位置塑件在成型模具中的位置,是由模具的分型面决定的。在注射模具的设计中,必须根据塑件的结构、形状,首先确定成型时塑件在模具中的位置,亦即确定分型面,再根据成型塑料的性能特点、塑件的生产批量,确定一模中成型件数(即一模几腔)、浇口形式、排气系统及脱模方式等。,8.4.1分型面设计1.选择分型面的基本原则模具上用以取出塑件和浇注系统凝料的可分离的接触表面称为分型面。分型面的正确选择,对塑件的质量、工艺操作和模具制造均有很大的影响。分型面的形式有:平直分型面、倾斜分型面、阶梯分型面、曲面分型面及瓣合分型面等,如图814所示。其中平直分型面结构简单,加工方便,经常采用。,图814分型面的形式(a)平直分型面;(b)倾斜分型面;(c)阶梯分型面;(d)曲面分型面;(e)瓣合分型面,一副模具至少有一个分型面,有的有多个分型面。选择分型面的基本原则是:分型面应选择在塑件断面轮廓最大的位置,以便顺利脱模。同时在选择分型面时考虑以下因素:(1)不应影响塑件的尺寸精度和外观;(2)尽量简单,避免复杂形状,使模具制造容易;(3)不妨碍塑件脱模和抽芯;(4)有利于浇注系统的合理设置;(5)尽可能与料流的末端重合,有利于排气。,2.合理选择分型面图例见表83。,表83合理选择分型面的图例与说明,8.4.2型腔布置型腔布置包括两方面的内容,即模具型腔的数目和各型腔在模具中的排列。1.型腔数目的确定确定合适的型腔数目可选用下列方法:(1)根据注射机的注射能力确定型腔数以注射机的注射能力为基础,每次注射量不超过最大注射量的80%。,(813),式中:|x|多型腔时塑件尺寸公差(mm);|单型腔时塑件尺寸公差(mm);单件塑件的基本尺寸(mm)。一般当n4时,生产不出高精度塑件。,(4)确定型腔数目应考虑塑件的产量。对于试塑件或小批量塑件宜取单腔或少腔;对于大批量塑件宜取多型腔。,2.多型腔的布置多型腔的布置与浇注系统的流道、浇口的配置密切相关。多型腔的布置若按分流道的布置特点,可分为平衡式布置和非平衡式布置。平衡式布置是指主流道到各型腔的通道长度、截面形状、尺寸都对应相同;非平衡式布置是指分流道到各型腔浇口的长度不相等的布置形式。若按分流道的布置形状,可分为O形排列(辐射形排列)、I形排列、形排列、形排列和混合形排列等多种形式。图815是O形排列。其主要优点是分流道至各型腔的流程相等,属于分流道的平衡式布置形式,其缺点是所占模板尺寸较大,加工较麻烦,也不便于热交换系统的设计。,图815分流道的O形排列,图816分流道的形排列,图817分流道的非平衡布置,8.5成型零部件设计 8.5.1成型零件的结构设计进行成型零部件的结构设计时,既要考虑保证获得合格的塑件,又要便于加工制造,还要注意尽量节约贵重的模具材料,以降低模具成本。,图818整体式凹模,1.凹模的结构设计凹模也称为型腔、凹模型腔,用以形成塑件的外形轮廓。按结构形式的不同可分为整体式、整体嵌入式、局部镶拼式和四壁拼合式四种类型。1)整体式凹模如图818所示,这种凹模由整块材料制成,结构简单,成型处塑件的质量较好,模具强度高,不易变形。但其加工工艺性差,热处理不方便,内尖角处易开裂,所以只适用于形状简单的塑件成型。,2)整体嵌入式凹模对于多型腔模具,一般情况都是将每个型腔单独加工,然后压入模板中。凹模与模板采用小间隙配合或过渡配合。如图819所示。图(a)、(b)、(c)是反装式,其中图(b)、(c)的型腔有方向性,用圆柱销或平键进行止转定位;图(d)、(e)是正装式,可省去支承板。,图819整体嵌入式凹模及固定,3)局部镶拼式凹模对于形状复杂或易损坏的凹模,将难以加工或易损坏的部分设计成镶件形式,嵌入型腔主体上,以方便加工和更换。常用结构如图820所示。嵌入部分与凹模采用过渡配合H7/m6。,图820局部镶拼式凹模,4)四壁拼合式凹模对于大型的复杂凹模,可以采用将凹模四壁单独加工后镶入模套中,然后再和底板组合的方式,如图821所示。,图821四壁拼合式凹模,2.凸模和成型杆的结构设计凸模又称型芯,是用以成型塑件内表面的零部件。成型杆是指能形成塑件孔、槽的小型芯。在小型模具中,常将凸模与底板做成一体,而在大、中型模具中,凸模常用装配式结构,如图822所示。,图822凸模的结构形式,图(a)为模体与底板做成一体的凸模,其优点是结构牢靠、不易变形、塑件无拼缝的溢料痕迹;缺点是当塑件内表面形状复杂时难加工,且模具材料损耗量大,主要适用于成型一些小型塑件。图(b)是凸模与凸模固定板用螺钉联接、销钉定位,该结构适用于任何截面形式凸模的固定,但装配工艺性差。图(c)是凸模与凸模固定板用螺钉联接,靠过渡配合(H7/m6)定位,适用于任何异形截面凸模的固定。图(d)是凸模与凸模固定板用台肩联接、定位,适用于方形、圆形截面凸模的固定。用于固定圆形截面凸模时,注意采用销或键定位,以防止凸模与凸模固定板发生相对转动。成型杆单独加工后,再嵌入到模具中的安装孔内固定,其固定方式如图823所示。,图823成型杆的固定方法,最为简单的固定方式是压入式,如图(a)所示;图(b)的形式是从正面镶入模板后在反面铆接;图(c)为最常用的台阶式固定形式;若固定的模板太厚,可采用图(d)的形式,在下面用一圆柱垫块;图(e)采用螺钉压紧。图(c)、(d)、(e)成型杆与固定板的配合可采用H7/m6。,3.螺纹型芯和螺纹型环的结构设计塑件上的内螺纹是用螺纹型芯来成型,而外螺纹则用螺纹型环成型。在经常装拆和受力较大之处,常用金属螺纹嵌件。而金属螺纹嵌件必须用螺纹定位芯棒和螺纹定位环来固定。它们按模具装拆方法不同分为自动装拆和手动装拆两种类型。这里仅介绍手动装拆类型。1)螺纹型芯及螺纹定位芯棒的安装形式螺纹型芯有装于凹模,有装于凸模,也有装于模具侧面的,其安装形式如图824所示。,图824螺纹型芯的安装形式(a)用开口涨力装固式;(b)用弹簧钢丝装固式;(c)用圆柱形的配合体及底板固定,金属螺纹嵌件用螺纹定位芯棒的安装形式如图825所示。图(a)用圆柱体配合及底台固定;图(b)用开口涨力固定;图(c)用尾耳及底板固定,嵌件插入光杆芯棒上。螺纹型芯与模具孔一般采用间隙配合,如H8/r8。,图825螺纹定位芯棒的安装形式,2)螺纹型环及螺纹定位环的安装形式螺纹型环在模具闭合前装在型腔内,成型后随塑件一起脱模,在模外卸下。螺纹型环常见两种结构形式,如图826所示。图(a)为整体式螺纹型环,它的外径与模具孔采用H8/f8配合,配合高度为310mm,其余倒成35角,下面加工成台阶平面(约H/2),可用扳手将其从塑件上旋下;图(b)为组合式螺纹型环,由两半组成,两半之间用定位销定位,可放入锥模套中,为便于取出塑件,可在结合面外侧开出两条楔形槽,用尖劈状分模器分开,此方法卸螺纹快而省力,但产生溢边难以修整。,图826螺纹型环结构形式,螺纹定位环的结构形式如图827所示。螺纹杆的成型部分刻出花纹,以加强结合牢固性。连接嵌件用的螺纹按一般螺纹制造。,图827螺纹定位环的结构形式,8.5.2成型零件工作尺寸的计算塑件尺寸能否达到图纸尺寸的要求,与型腔、型芯的工作尺寸的计算有很大关系,成型零件工作尺寸的计算内容包括:型腔和型芯的径向尺寸(含矩形的长和宽)、高度尺寸及中心距尺寸等。成型零件工作尺寸的计算方法很多,有按中限尺寸计算法,按公差带计算法等。这里仅介绍以塑料平均收缩率为基准的计算方法。计算模具成型零件最基本公式为,AM=A+AQ,(814),式中:塑料的平均收缩率;模具成型零件在室温(20)时的尺寸;A塑件在室温时的尺寸。,1.型腔和型芯尺寸计算1)型腔内径尺寸的计算型腔内径尺寸的计算推导如图828所示。模具的型腔内径尺寸是由塑件的外径尺寸所决定。设塑件公称尺寸为D,偏差为-(若塑件图纸上公差的标注方法与此不符,应进行转换),则塑件平均尺寸为D-/2,收缩量为(D-/2)Q。,图828型腔内径尺寸的计算推导示意图(a)计算公式分析;(b)模具型腔内径尺寸,设型腔内径公称尺寸为,制造公差为+z,则其平均尺寸为z,考虑到型腔工作过程中最大磨损量c,取其平均值为c,则有,(815),对于中小塑件,可取z=/3,c=/6,代入上式,得,(816),因为Q/2与其它各项相比很小,可略去,加上制造偏差,得模具型腔内径计算公式为,(817),式中:DM型腔的内径尺寸(mm);D塑件的最大尺寸(mm);Q塑料的平均收缩率();塑件公差;3/4系数,可随塑件精度变化,一般取0.50.8。若塑件偏差大取小值,若塑件偏差小则取大值;z模具制造公差。,2)型芯径向尺寸的计算模具型芯径向尺寸是由塑件的内径尺寸所决定。如图829(a)所示。设塑件公称尺寸为d,偏差为+,则塑件平均尺寸为d+/2,收缩量为(d+/2)Q,再设模具制造公差为-z,模具磨损量为c。用上述型腔径向尺寸相类似的推导方法,可得型芯的径向尺寸计算公式为,(818),式中:dM型芯外径尺寸(mm);d塑件内径最小尺寸(mm)。其余符号含义同式(817)。,图829模具部分型腔零件尺寸与塑件结构尺寸的关系(a)型芯的径向尺寸;(b)型腔的深度尺寸;(c)型芯的高度尺寸;(d)中心距尺寸,3)型腔深度尺寸的计算模具型深深度尺寸是由塑件的高度尺寸所决定。如图829(b)所示。设塑件高度名义尺寸h为最大尺寸,其公差为负偏差-。型腔深度名义尺寸为最小尺寸,其公差为正偏差z。由于型腔底面或型芯端面的磨损很小,可略去磨损量c,故可参照式(815),取z=/3,略去Q/2,加上制造偏差,经整理,得,(819),4)型芯高度尺寸的计算模具型芯高度尺寸是由塑件的深度尺寸所决定。如图829(c)所示。设塑件深度尺寸H为最小尺寸,其公差为正偏差。型芯高度尺寸为最大尺寸,其公差为负偏差-z。用式(819)相类似的分析方法,推导得:,(820),式中:hM型芯高度尺寸(mm);H塑件深度最小尺寸(mm),5)中心距尺寸计算模具型腔(孔)或型芯(轴)的中心距尺寸是由塑件的型芯或型腔的中心距尺寸所决定。如图829(d)所示。设塑件和模具中心距的公差均采用双向等值偏差,又不考虑磨损量,故它们的名义尺寸均为平均尺寸,即:,(821),式中:LM模具中心距尺寸(mm);L塑件中心距尺寸(mm);z模具中心距制造公差,可取塑件公差的1/31/6。,在上述公式中,c、z和前的系数通常凭经验确定。为获得较精确的塑件尺寸,若塑料收缩范围较大时,还需进行验算:当塑件尺寸为轴的尺寸时,用:,(822),当塑件尺寸为孔的尺寸时,用:,(823),当塑件尺寸为中心距尺寸时,用:,(824),2.螺纹型芯和型环尺寸的计算模具上的螺纹型芯尺寸是由塑件上的内螺纹尺寸所决定;而螺纹型环尺寸是由塑件上的外螺纹所决定,如图830所示。现仅介绍紧固螺纹型芯和型环尺寸的计算方法。(1)螺纹型芯外径尺寸:,(825),式中:d螺纹型芯外径尺寸(mm);D1塑件内螺纹外径尺寸(mm);Q塑料的平均收缩率;cp塑件螺纹中径公差,见表84;螺纹型芯制造公差,见表85和表86。,图830 螺纹型芯、型环尺寸与塑件内螺纹、外螺纹的尺寸关系,(2)螺纹型芯中径尺寸:,(826),式中:dcp螺纹型芯中径尺寸(mm);D1cp塑件内螺纹中径尺寸(mm);cp螺纹型芯中径制造公差,见表85。,(3)螺纹型芯内径尺寸:,(827),式中:dn螺纹型芯内径尺寸(mm);D1n塑件内螺纹内径尺寸(mm);n螺纹型芯内径制造公差,见表85。,(4)螺纹型环外径尺寸:,(828),式中:D螺纹型环外径尺寸(mm);d1塑件外螺纹外径尺寸(mm);螺纹型环外径制造公差,见表85。,(5)螺纹型环中径尺寸:,(829),式中:Dcp螺纹型环中径尺寸(mm);d1cp塑件外螺纹中径尺寸(mm);cp螺纹型环中径制造公差,见表85。,(6)螺纹型环内径尺寸:,(830),式中:Dn螺纹型环内径尺寸(mm);d1n塑件外螺纹内径尺寸(mm);n螺纹型环内径制造公差,见表85。,(7)螺距尺寸的计算:,(831),式中:t螺纹型芯、型环的螺距尺寸(mm);t1塑件螺纹螺距尺寸(mm);型芯、型环螺距制造公差,见表86。当收缩率相同或相近的塑料外螺纹与内螺纹相配合时,两者螺距均可不考虑收缩率。当塑料螺纹与金属螺纹相配时,若其螺纹配合长度在表87所列范围内,塑件螺距也可略去收缩率的影响。,8.5.3型腔壁厚的计算注射模在工作过程中要承受多种外力,如注射压力、保压力、锁模力等。模具型腔如强度不够,将产生塑性变形或断裂破坏;如刚度不够,将产生较大的弹性变形,使模具贴合面处出现较大的间隙,由此会发生溢料及飞边现象。另外,当成型后成型压力消失时,型腔因弹性变形回复而收缩,当收缩量大于塑件的收缩时,型腔会紧紧包住塑件,造成脱模困难或塑件残留在定模上而损坏塑件或塑件质量不良。,因此,注射成型模型腔壁厚的确定应满足模具刚度好、强度大和结构轻巧、操作方便等要求,这是注射模设计中必须考虑的重要内容。确定型腔壁厚的方法有计算法和经验法。计算法又有按强度、按刚度计算两种。经验法又有查表法和查图法。目前,经验法应用较多,即直接凭经验确定模具结构尺寸。如果遇到大型塑件,或形状比较特殊的塑件,或者采用新的塑料时,往往缺乏经验,有必要进行强度和刚度的计算。,1.计算法实践证明,在型腔壁厚计算中,对于大尺寸型腔来说,刚度是主要矛盾,应按刚度计算;对于小尺寸型腔而言,因为在发生大的弹性变形前,其内应力往往超过许用应力,所以强度是主要矛盾,应按强度计算。计算时,常以规则形状型腔的壁厚和底板厚度计算方法作为基础,不规则形状的型腔可简化为规则形状型腔进行近似计算。这里列出矩形型腔壁厚及底板厚度的计算公式,推导过程从略。,1)组合式矩形型腔的壁厚及底板厚度的计算组合式矩形型腔如图831所示,腔壁与底板是分开的。(1)计算型腔壁厚。按强度计算型腔壁厚。,(832),式中:S型腔壁的厚度(m);b型腔内壁的短边尺寸(m);L1型腔内壁的长边尺寸(m);H型腔外壁的高度(m);h型腔盛放塑料的高度(m);型腔钢材的许用应力(MPa);p熔体进入型腔内的压力(MPa),常取2545MPa。,图831组合式矩形型腔结构(a)组合式矩形型腔;(b)增设一根补强支柱;(c)增设两根补强支柱,按刚度计算型腔壁厚。,(833),式中:E模具材料的弹性模量,钢材可取2.1105MPa;允许变形量(m);其余符号含义同前。,(2)计算底板厚度。按强度计算底板厚度。,(834),式中:Sh底板厚度(m);B底板宽度(m);其余符号含义同前。,按刚度计算底板厚度。,(835),为防止溢料,底板变形量必须限制在0.10.2mm以下。,当塑件的投影面积大时,底板的厚度就要加大,模具高度也随之增高,因此,开模距离就会变小。若在底板下面增设支柱,可以增加底板的刚性,减少底板的厚度,如图831(b