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模具结构设计与制造
注射模具设计
时间: 2018-02-27 10:07 浏览次数:
塑料在当今世界上无处不用,因此塑料模具有很大发展,特别是注塑模。由此可知,研究注塑模具对了解塑料产品的生产过程和提高产品质量有很大意义。本课题主要是针对瓶盖的模具

模具工业的地位

模具是制造业的一种基本工艺装备,它的作用是控制和限制材料(固态或液态)的流动,使之形成所需要的形体。用模具制造零件以其效率高,产品质量好,材料消耗低,生产成本低而广泛应用于制造业中[1]
模具是一种重要的国工工艺装备,是国民经济各工业部门发展的重要基础之一。模具是压力加工或其它成形加工工艺中,使材料变形制成产品的一种重要工艺装备,应用广泛。它在锻造、塑料加工、压铸等行业中起着重要作用[2]。模锻件、冲压件、挤压和拉拔件等,都是使金属材料在模具中发生塑性变形而获得的;压铸零件、粉末冶金零件也在模具中充填加工成形的;而塑料、陶瓷、玻璃制品等非金属材料的成形加工也多是依靠模具。少无切削加工是机械制造业发展的一个方向,而模具是利用压力加工实现无切削工艺的关键。模具成形有优质、高产、低消耗和低成本等特点,因此得到了广泛应用。据初步统计:依靠模具加工的产品和零件,电行业占80%,机电行业占70%以上。轻工、军工、冶金及建材等行业大部分产品和生产都离不开模具[3]

塑料注射模具的现状及发展趋势

1)注射模的现状
塑料制品在人们的日常生活中及现代化工业生产领域中得到日益广泛的应用。随着塑料工业的发展,社会对塑料制品的需求愈来愈大。据统计,在现代化工业生产中,60%~90%的工业产品需要使用模具加工,模具工业已经成为工业发展的基础[2]。而塑料注射模在模具中所占的分量越来越大,其发展也非常迅速,大有凌驾其它模具之上的趋势。专家预测,在未来的模具市场中,塑料模具在模具总量中的比例将逐步提高,且发展速度将高于其他模具。
一般来说,国外的模具工业起步比较早,发展也比较靠前,技术也比较成熟,现在注塑成型技术在向多工位、高效率、自动化、连续化、低成本方向发展。例如:(1)混炼与注塑成型组合技术的应用,WP公司将双螺杆聚合物玻纤混炼技术与活塞注塑成型技术组合,把多相体系共混与注塑组合成连续成型过程[2]。(2)多工位、连续注塑技术的应用。德国FOBOHA公司4工位双机注塑成型64件双色塑料制品技术,4个侧面各有64个阳模的结构居中并可转动,两侧各配有1套阴模和1台注塑机,每次转动90度后合模,2台注塑机同时注塑。如果注塑2种不同材料或双色制品,每转动一次,这套设备可注塑成型64个制品。意大利PRESMA公司的10工位EVA交联发泡注塑机组,由1台注塑机和沿圆周排列的10套注塑模具组成,这10个模具依次被移动到注塑机前进行注塑成型,被注塑后的模具在移动中需要完成定型、开模、取出制品、合模的工序,这些工序全部由电脑自动控制。这套交联发泡注塑机组将中型塑料制品注塑成型过程连续化,提高了注塑机的生产效率[2]。法国BILLION公司双注塑、可旋转模具注塑技术,将2个阳模平行放置在1个可转动的支架结构上,2台注塑机同时向各自对应的模具内注塑不同物料,然后开模,阳模支架整体向前移动后旋转180度,其中1个阳模上的双色制品被取出,进行下次注塑工作。这套双注塑设备提高了连续化程度和设备操作空间的紧凑性。(3)子母螺杆注塑成型技术的应用。INSHOT公司推出的子母螺杆双色注塑技术,可以被称作是共注塑成型技术的一次重大突破。这台注塑成型设备主要是由1个机筒、2个子母螺杆和2套传动系统组成。将大螺杆的空腔作为小螺杆的机筒组成了子母螺杆,这两个螺杆各自的转动与移动由2个独立的传动系统控制,注塑模具的结构也相对简单,极大地降低了共注塑成型技术所需的设备成本。另外,国外在压塑成型和吹塑成型自动化和连续化生产技术方面也有很大的进展。如意大利萨克米公司的连续快速压苏瓶盖成型机,主要是由1台片材挤出机、自动切片机构、配有64套瓶盖压塑模具的快速旋转机构组成。挤出片材被切下落到阴模中,阳模与阴模合模,定型后开模,由一个搓动机构将阳模上的瓶盖取出。这台设备每分钟最快可制成1200个塑料瓶盖,生产效率之高是目前在国内难以见到[2]
相比而言,国内相塑料模具就比国外落后得多,目前大多用的是单型腔,简单型腔的模具达70%以上,仍占主导地位,一模多腔精密复杂的塑料注射模,多色塑料注射模已经能初步设计和制造,但是有很多精密的模具都要靠进口。不过,我国模具从开始起步到现在有经历了半个世纪的发展,模具工业有了很大的发展,1999年我国模具工业产值为245亿,至2002年我国模具总产值约为360亿元,其中塑料模约30%左右,年均增速均为13%。模具制造水平也有了很大的提高,在大型模具方面已能生产48英寸大屏幕彩电塑壳注射模具、6.5Kg大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具,精密塑料模具方面,已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。如天津津荣天和机电有限公司和烟台北极星模具有限公司制造多腔VCD和DVD齿轮模具,所生产的这类齿轮塑件的尺寸精度、同轴度、跳动等要求都达到了国外同类产品的水平,而且还采用最新的齿轮设计软件,纠正了由于成型收缩造成齿形误差,达到了标准渐开线齿形要求。还能生产厚度仅为0.08mm的一模两腔的航空杯模具和难度较高的塑料门窗挤出模等等。注塑模型腔制造精度可达0.02mm~0.05mm,表面粗糙度Ra0.2μm,模具质量、寿命明显提高了,非淬火钢模寿命可达10~30万次,淬火钢模达50~1000万次,交货期较以前缩短,但和国外相比仍有较大差距。成型工艺方面,多材质塑料成型模、高效多色注射模、镶件互换结构和抽芯脱模机构的创新方面也取得较大进展。气体辅助注射成型技术的使用更趋成熟,如青岛海信模具有限公司、天津通信广播公司模具厂等厂家成功地在29~34英寸电视机外壳以及一些厚壁零件的模具上运用气辅技术,一些厂家还使用了C-MOLD气辅软件,取得较好的效果。如上海新普雷斯等公司就能为用户提供气辅成型设备及技术。热流道模具开始推广,有的厂采用率达20%以上,一般采用内热式或外热式热流道装置,少数单位采用具有世界先进水平的高难度针阀式热流道模具。但总体上热流道的采用率达不到10%,与国外的50%~80%相比,差距较大[2]
2)注射模具国内外的发展状况
近年来,随着塑料工业突飞猛进地向前发展,模具设计和制造工业也发生了根本的变化.高效率、自动化、大型、超小型、高精度、高寿命的模具在整个模具产量中所占的比例越来越大。据统计,汽车、拖拉机、电机电器、仪器仪表、自行车、电冰箱、电风扇等,分别有60%、85%和92%以上的零件用模具进行成型加工。模具生产的费用将占产品成本的10%-30%且逐步提高。因此日本称模具是进入“富裕社会的原动力” 德国称为“金属加工中的帝王”工业发达国家的模具工业已成为独立的行业,把模具技术水平作为国家机械制造工艺水平的重要标志之一。而国内塑料塑件在人们的日常生活中及现代工业生产领域中占有很重要的地位。采用模具成型的工艺代替传统的切削加工工艺,可以提高生产效率,保证零件质量,节约材料,降低生产成本,从而取得很高的生产效率。因此,在机电、仪表、化工、汽车和航天航空等领域,塑料已成为金属的良好代用材料并得到了广泛的应用,出现了金属材料塑料化的趋势。作为最有效的塑料成型方法之一的注射成型技术具有可以一次成型各种结构复杂和尺寸精密的塑件。成型周期短、生产率高、大批生产时成本低廉、易于实现自动化或自动化生产等优点,因此,世界塑料成型模具产量中约半数以上是注射模具[2]
近几年来,在我国其发展速度之快、需求量之大是前所未有的,但总体上与工业发达的国家相比仍有较大的差距。目前,我国模具工业的当务之急是加快技术进步,调整产品结构,增加高档模具的比重,质中求效益,提高模具的国产化程度,减少对进口模具的依赖。未来国内外塑性模具的制造技术和成型技术有如下发展趋势:1)在模具设计制造中广泛应用CAD/CAE/CAM 技术;2)高速铣削加工将得到更广泛地应用;3)在塑料模具中推广应用热流道技术、注射成型和高压注射成型技术;4)提高模具标准化水平和模具标准件的使用率;5)研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程;6)虚拟技术将得到发展;7)模具自动加工系统的研制和发展。广泛应用CAD/CAE/CAM技术,逐步走向集成化的方向发展。

模具设计流程

一般来说,现在国际上比较经典的塑料模具设计步骤如下:
(1)首先了解塑料制品所用塑料的品种、塑料的特性、收缩率及塑料流动特性等。
(2)对塑料制品进行工艺分析,着重分析塑料制品的结构合理性及成型条件等。
(3)根据塑料制品的重量和塑料制品投影面积及模具结构类型等,选择合适的注射成型机。
(4)进行模具结构设计
         
(4)进行模具结构设计
  1)选择塑料制品成型位置和模具分型面;
  2)确定型腔数目和排列方式;
  3)浇注系统设计;
  4)成型零件结构设计;
  5)抽芯机结构设计和推出机构设计;
  6)加热系统设计和冷却系统设计;
  7)绘制模具结构图。

 塑件分析

制件三维实体模型如右图所示,材料为ABS,密度为1.05g/cm,收缩率0.4%-0.7%取0.5%,由Pro/e计算可得,单个制件的体积为107.41cm。ABS是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种化学单体合成。每种单体都具有不同特性,丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性;丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性;苯乙烯具有易加工、高光洁度及高强度。
 单件体积为94.66,总高54mm,径向最大长度近100mm,厚度10mm,内部有螺纹, 该塑件茶杯盖如图1-1所示。              
ABS具有如下特性[1]:                                  
(1).综合性能较好,冲击强度较高,化学稳定性,电性能良好;
(2).与372有机玻璃的熔接性良好,制成双色塑件,且可表面镀铬,喷漆处理;
(3).有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、透明等级别;
(4).流动性比HIPS 差一点,比PMMA、PC 等好,柔韧性好,适于制作一般机械零件,减磨耐磨零件。ABS成型的工艺条件见下表:
预热温度 80~85ºC 注射温度 20~90ºC 料筒前段温度 150~170 ºC
预热时间 2~3h 高压时间 0~5s 料筒中段温度 165~180 ºC
喷嘴温度 170~180 ºC 冷却时间 2~120s 料筒后段温度 180~200 ºC
模具温度 50~80 ºC 总周期 5~220s    
 方案的选择
     分析结构,由于其内螺纹结构,则设计必须采用侧抽心机构,为保证其表面质量,采用点浇口浇注。
方案1:直接分模
方案2:斜导柱侧抽芯
针对方案一,本设计产品含内螺纹,无法直接拔模,其型心须采用双滑块侧抽心机构。为满足产品所需表面质量,开模时模具在弹簧作用下,点浇口分开。
经多方面考虑采用方案二,此方案结构合理,质量可靠,操作方便。

制件成型位置及分型面选择

分型面是指分开模具取出塑件和浇注系统凝料的可分离的接触表面。以有利于塑件脱模、保证塑件外观不被破坏、尺寸精度满足要求、有利于排气以及模具加工方便等原则选取分型面,分型面。由于制件比较大,所以采用一模一件。

浇注系统设计

采用简单浇注系统,由主流道,分流道,冷料穴和点浇口组成。
主流道是一端与注射机喷嘴相接触,另一端与分流道相连的一段带有锥度的流动通道。主流道小端尺寸为3.5~4mm,一段主流道的设计,主流道圆锥角α=2º~6º,内壁粗糙度Ra0.63μm,主流道的大端呈圆角,半径r=1~3mm ,以减小料流转向过渡时的阻力。主流道衬套与定模板采用H7/m6过渡配合,与定位圈的配合采用H9/f9间隙配合。主流道衬套一般选用T8、T10制造,热处理强度为52~56HRC。主流道衬套的形式,主流道小端入口处与流向机喷嘴反复接触,属易损件,对材料要求较严,因而模具主流道部分常设计成可拆卸更换的主流道衬套形式,以便有效的选用优质钢材单独进行加工和热处理。衬套都是标准件,只需去买就行了。衬套小端直径的规格有φ12, φ16、φ20等几种[9]
主要参数:
(1).塑件材料为ABS,流动性好,故选择主流道圆锥角为α=2º~6º,。
(2).主流道大端呈圆角,半径r=1~3mm 。
(3).由塑件材料为ABS,选择主流道直径为d=3mm,D=6mm。
    (4).浇口套与注射机喷嘴由的接触球面要求吻合,由于注射机喷嘴球面半径SR是定值,由所选取的注射机决定,根据所选注射机,SR=20mm,一般取sr=SR+0.5,为sr=20.5mm。断面凹球面深度L2=3mm,球面与主流道孔应以清角度连接,不应有倒拔痕迹,以保证主流道凝料顺利脱落。
(5).定位环是模体与注射机的定位装置,保证浇口套与注射机喷嘴对中定位,定位环的外径D应与注射机的定位孔间隙配合,定位环厚度取L1=6mm。
(6).浇口套长度L取为50mm。
 
2)浇口设计
浇口是连接分流道与型腔的一段细短的通道,它是浇注系统的关键部分,浇口的形状,数量,尺寸和位置对塑件的质量影响很大,浇口的主要作用有两个,一是塑料熔体流经的通道,二是浇口的适时凝固可控制保压时间。一般浇口截面面积为分流道截面面积的3%-9%截面形状常为矩形或圆形,浇口长度为0.5mm,由于制件要求表面光滑无痕迹,故选用点浇口形式。塑件壁厚为1.6mm,故取浇口直径d=1.0mm。

脱模机构设计

脱模机构是在一次注射完成后,取出制件及浇注系统凝料的装置,包括脱出和取出两个动作,即先将塑件和浇注系统凝料等与模具分离,再将塑件和凝料取出。
1)设计原则
脱模机构的设计一般遵循以下原则[1]
(1)塑件滞留于动模边,以便借助于开模力驱动脱模装置,完成脱模动作。
(2)由于塑件收缩时包紧型芯,因此推出力作用点尽量靠近型芯,同时推出力应施于塑件刚性和强度最大的部位。
(3)结构合理可靠,机械的运动准确、可靠、灵活,并有足够的刚度和强度,便于制造和维护。
(4)保证塑件不变形、不损坏,保证塑件外观良好。
本设计使用简单的推件板脱模机构和成型零件的脱模机构,如图3-6所示。因为该塑件的分型面简单,结构也不复杂,采用推简单的脱模机构可以简化模具结构,给制造和维护带来方便。在对脱模机构做说明之前,需要对脱模力做个简单的计算。
点浇口浇注系统凝料,一般可采用人工机械手取出,但生产效率低,劳动强度大,为适应自动化生产的需要,可利用定模推板拉断浇口料机构,如图所示,在定模型腔板3内镶一推板5,开模时由定距分型机构保证定模型腔板3与定模底座4首先沿A-A而分型,拉料杆2将主流道凝料从浇口套中拉出,当开模到L距离十,限位钉1带动流道推板5使主流道凝料与拉料杆脱离,既实现B-B分型面,同时拉断点浇口,浇注系统凝料便自动脱离

 溢料 排气系统设计

  模具内除了型腔和浇注系统中原有的空气塑料受热或凝固产生的低分子挥发气体,这些气体若不能顺利排出,则可能因充填时气体被压缩而产生高温,引起塑料局部炭化烧焦,或使塑料产生气泡,或使塑料熔接不良而引起缺陷。  
  通常,选择排气槽的开设位置时,应遵循以下原则:
  1)排气口不能正对操作者,以防熔料喷发而发生工伤事故:
  2)最好开设在分型面上,如果产生飞边易随塑件脱出:
  3)最好设在凹模上,以便于模具加工和清模方便;
  4)开设在塑料熔体最后才能填充的模腔部位,如流道或冷料穴的终端;
  5)开设在靠近嵌件和制件壁最薄处,因为这样的部位最容易形成熔接痕;
  6)若型腔最后充满部位不在分型而上,其附近又无可供排气的推杆或活动的型心时,可在型腔相应部位镶嵌烧结的多孔金属块,以供排气;
  7)高速注射薄壁型制件时,排气槽设在浇口附近,课使气体连续派出;
若制作具有高深的型腔,那么在脱模时需要对模具设置引气系统,那是因为制作表面与型心表面之间在脱模过程中形成真空,难于脱模,制件容易变形或损坏。热固性塑料制件在型腔内的收缩小,特别是不采用镶拼结构的深型腔,在开模时空气无法进入型腔与制件之间,使制件附粘在型腔的情况比热塑性制件更甚,因此,必须引入气系统

模具主要零件的结构设计

      模具中决定塑件几何形状和尺寸的零件称为成型零件,包括凹模、型芯、镶块、成型杆和成型环等。成型零件工作时,直接与塑料接触,塑料熔体的高压、料流的冲刷,脱模时与塑件间还发生摩擦。因此,成型零件要求有正确的几何形状,较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度,此外,成型零件还要求结构合理,有较高的强度、刚度及较好的耐磨性能。设计成型零件时,应根据塑料的特性和塑件的结构及使用要求,确定型腔的总体结构,选择分型面和浇口位置,确定脱模方式、排气部位等,然后根据成型零件的加工、热处理、装配等要求进行成型零件结构设计,计算成型零件的工作尺寸,对关键的成型零件进行强度和刚度校核。成型零件的工作尺寸是指凹模和凸模直接构成塑件的尺寸。凹、凸模工作尺寸的精度直接影响塑件的精度。该塑件有需要配合的地方,所以对尺寸的要求比较高。 成型零件工作尺寸计算方法一般有两种:一种是平均值法,即按平均收缩率、平均制造公差和平均磨损量进行计算;另一种是按极限收缩率、极限制造公差和磨损量进行计算[11];前一种方法简便,但不适合精密塑件的模具设计,后一种复杂,但能较好的保证尺寸精度。本设计采用平均值法。

3.5.4成型零件的设计

(1)模仁尺寸的确定
因为采用的是整体式凹模和整体式凸模,所以模仁的大小可以任意制定,模仁所承受的力最终是传递到凸、凹模上,从节约材料和见效模具尺寸出发,模仁的值取的越小越好,但实际中因为要考虑冷却因素,又因为经过模仁的冷却系统比经过模仁外部的冷却系统效率高,所以为了给冷却系统留有足够的空间,该设计取模仁的大小为400×400 mm。                                
(2)凸、凹模尺寸的确定
凸、凹模受力的作用,其尺寸需要进行强度或刚度校核来确定。只要凹模长边的宽度满足12.85 mm就可以达到刚度要求,理论上只要取大于12.85 mm的值就满足设计要求,但考虑到导柱和导套、螺钉、冷却水孔等对模架强度、刚度的削弱作用,实际生产中都取比理论值大得多的值,在本设计中,在长度方向,取模仁到模具边的单边宽度为40mm,在宽度方向,取模仁到模具边的单边宽度为40 mm(实际生产中宽度方向的边值一般比长度方向的边值大)。所以凸、凹模尺寸为400×400 mm。
(3)模具高度尺寸的确定
各块板的厚度已经标准化,所需要的只是选择,如何选择合理的厚度,这里有两个尺寸需要注意:
①凸模底板厚度和凹模底板厚度;在注射成型时型腔中有很大的成型压力,当塑件和凝料在分型面上的投影面积很大时,若凸模底板厚度不够,则极有可能使模架发生变形或者破坏,所以凸模底板厚度尺寸需要校核才能确定,厚度满足26.8可满足要求,为了安全,取底板厚度为50 mm,。凹模的底板因为是与注塑机的工作台接触的,所受的力传递到工作台上,又型腔的深度为102mm,所以凹模底板的厚度同样只要留有走冷却系统的空间就可以。该计取凹模底板厚度为125 mm。                         
②推板推出距离;在分模时塑件一般是黏结在型芯上的,需要推杆或推板推出一定的距离才能脱离型芯,该塑件的高度为132 mm,黏结在型芯上的尺寸约102mm左右,所以当推出距离为140 mm时就能使塑件和型芯分离。
需要满足关系:H-h1-h2-h3-h>0       
H——C板高度;
h1——挡销高度;
h2——推板厚度;
h3推杆固定板厚度;  
h——推出距离;
完成了以上的工作,确定模具尺寸为450×400 mm,型腔厚度125 mm,型芯板厚度50 mm。
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