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注射模具設計
發布人:chuge8  時間:2019/3/20 15:15:13   瀏覽:751次
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模具工業的地位

模具是制造業的一種基本工藝裝備,它的作用是控制和限制材料(固態或液態)的流動,使之形成所需要的形體。用模具制造零件以其效率高,產品質量好,材料消耗低,生產成本低而廣泛應用于制造業中[1]
模具是一種重要的國工工藝裝備,是國民經濟各工業部門發展的重要基礎之一。模具是壓力加工或其它成形加工工藝中,使材料變形制成產品的一種重要工藝裝備,應用廣泛。它在鍛造、塑料加工、壓鑄等行業中起著重要作用[2]。模鍛件、沖壓件、擠壓和拉拔件等,都是使金屬材料在模具中發生塑性變形而獲得的;壓鑄零件、粉末冶金零件也在模具中充填加工成形的;而塑料、陶瓷、玻璃制品等非金屬材料的成形加工也多是依靠模具。少無切削加工是機械制造業發展的一個方向,而模具是利用壓力加工實現無切削工藝的關鍵。模具成形有優質、高產、低消耗和低成本等特點,因此得到了廣泛應用。據初步統計:依靠模具加工的產品和零件,電行業占80%,機電行業占70%以上。輕工、軍工、冶金及建材等行業大部分產品和生產都離不開模具[3]

塑料注射模具的現狀及發展趨勢

1)注射模的現狀
塑料制品在人們的日常生活中及現代化工業生產領域中得到日益廣泛的應用。隨著塑料工業的發展,社會對塑料制品的需求愈來愈大。據統計,在現代化工業生產中,60%~90%的工業產品需要使用模具加工,模具工業已經成為工業發展的基礎[2]。而塑料注射模在模具中所占的分量越來越大,其發展也非常迅速,大有凌駕其它模具之上的趨勢。專家預測,在未來的模具市場中,塑料模具在模具總量中的比例將逐步提高,且發展速度將高于其他模具。
一般來說,國外的模具工業起步比較早,發展也比較靠前,技術也比較成熟,現在注塑成型技術在向多工位、高效率、自動化、連續化、低成本方向發展。例如:(1)混煉與注塑成型組合技術的應用,WP公司將雙螺桿聚合物玻纖混煉技術與活塞注塑成型技術組合,把多相體系共混與注塑組合成連續成型過程[2]。(2)多工位、連續注塑技術的應用。德國FOBOHA公司4工位雙機注塑成型64件雙色塑料制品技術,4個側面各有64個陽模的結構居中并可轉動,兩側各配有1套陰模和1臺注塑機,每次轉動90度后合模,2臺注塑機同時注塑。如果注塑2種不同材料或雙色制品,每轉動一次,這套設備可注塑成型64個制品。意大利PRESMA公司的10工位EVA交聯發泡注塑機組,由1臺注塑機和沿圓周排列的10套注塑模具組成,這10個模具依次被移動到注塑機前進行注塑成型,被注塑后的模具在移動中需要完成定型、開模、取出制品、合模的工序,這些工序全部由電腦自動控制。這套交聯發泡注塑機組將中型塑料制品注塑成型過程連續化,提高了注塑機的生產效率[2]。法國BILLION公司雙注塑、可旋轉模具注塑技術,將2個陽模平行放置在1個可轉動的支架結構上,2臺注塑機同時向各自對應的模具內注塑不同物料,然后開模,陽模支架整體向前移動后旋轉180度,其中1個陽模上的雙色制品被取出,進行下次注塑工作。這套雙注塑設備提高了連續化程度和設備操作空間的緊湊性。(3)子母螺桿注塑成型技術的應用。INSHOT公司推出的子母螺桿雙色注塑技術,可以被稱作是共注塑成型技術的一次重大突破。這臺注塑成型設備主要是由1個機筒、2個子母螺桿和2套傳動系統組成。將大螺桿的空腔作為小螺桿的機筒組成了子母螺桿,這兩個螺桿各自的轉動與移動由2個獨立的傳動系統控制,注塑模具的結構也相對簡單,極大地降低了共注塑成型技術所需的設備成本。另外,國外在壓塑成型和吹塑成型自動化和連續化生產技術方面也有很大的進展。如意大利薩克米公司的連續快速壓蘇瓶蓋成型機,主要是由1臺片材擠出機、自動切片機構、配有64套瓶蓋壓塑模具的快速旋轉機構組成。擠出片材被切下落到陰模中,陽模與陰模合模,定型后開模,由一個搓動機構將陽模上的瓶蓋取出。這臺設備每分鐘最快可制成1200個塑料瓶蓋,生產效率之高是目前在國內難以見到[2]
相比而言,國內相塑料模具就比國外落后得多,目前大多用的是單型腔,簡單型腔的模具達70%以上,仍占主導地位,一模多腔精密復雜的塑料注射模,多色塑料注射模已經能初步設計和制造,但是有很多精密的模具都要靠進口。不過,我國模具從開始起步到現在有經歷了半個世紀的發展,模具工業有了很大的發展,1999年我國模具工業產值為245億,至2002年我國模具總產值約為360億元,其中塑料模約30%左右,年均增速均為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產48英寸大屏幕彩電塑殼注射模具、6.5Kg大容量洗衣機全套塑料模具以及汽車保險杠和整體儀表板等塑料模具,精密塑料模具方面,已能生產照相機塑料件模具、多型腔小模數齒輪模具及塑封模具。如天津津榮天和機電有限公司和煙臺北極星模具有限公司制造多腔VCD和DVD齒輪模具,所生產的這類齒輪塑件的尺寸精度、同軸度、跳動等要求都達到了國外同類產品的水平,而且還采用最新的齒輪設計軟件,糾正了由于成型收縮造成齒形誤差,達到了標準漸開線齒形要求。還能生產厚度僅為0.08mm的一模兩腔的航空杯模具和難度較高的塑料門窗擠出模等等。注塑模型腔制造精度可達0.02mm~0.05mm,表面粗糙度Ra0.2μm,模具質量、壽命明顯提高了,非淬火鋼模壽命可達10~30萬次,淬火鋼模達50~1000萬次,交貨期較以前縮短,但和國外相比仍有較大差距。成型工藝方面,多材質塑料成型模、高效多色注射模、鑲件互換結構和抽芯脫模機構的創新方面也取得較大進展。氣體輔助注射成型技術的使用更趨成熟,如青島海信模具有限公司、天津通信廣播公司模具廠等廠家成功地在29~34英寸電視機外殼以及一些厚壁零件的模具上運用氣輔技術,一些廠家還使用了C-MOLD氣輔軟件,取得較好的效果。如上海新普雷斯等公司就能為用戶提供氣輔成型設備及技術。熱流道模具開始推廣,有的廠采用率達20%以上,一般采用內熱式或外熱式熱流道裝置,少數單位采用具有世界先進水平的高難度針閥式熱流道模具。但總體上熱流道的采用率達不到10%,與國外的50%~80%相比,差距較大[2]
2)注射模具國內外的發展狀況
近年來,隨著塑料工業突飛猛進地向前發展,模具設計和制造工業也發生了根本的變化.高效率、自動化、大型、超小型、高精度、高壽命的模具在整個模具產量中所占的比例越來越大。據統計,汽車、拖拉機、電機電器、儀器儀表、自行車、電冰箱、電風扇等,分別有60%、85%和92%以上的零件用模具進行成型加工。模具生產的費用將占產品成本的10%-30%且逐步提高。因此日本稱模具是進入“富裕社會的原動力” 德國稱為“金屬加工中的帝王”工業發達國家的模具工業已成為獨立的行業,把模具技術水平作為國家機械制造工藝水平的重要標志之一。而國內塑料塑件在人們的日常生活中及現代工業生產領域中占有很重要的地位。采用模具成型的工藝代替傳統的切削加工工藝,可以提高生產效率,保證零件質量,節約材料,降低生產成本,從而取得很高的生產效率。因此,在機電、儀表、化工、汽車和航天航空等領域,塑料已成為金屬的良好代用材料并得到了廣泛的應用,出現了金屬材料塑料化的趨勢。作為最有效的塑料成型方法之一的注射成型技術具有可以一次成型各種結構復雜和尺寸精密的塑件。成型周期短、生產率高、大批生產時成本低廉、易于實現自動化或自動化生產等優點,因此,世界塑料成型模具產量中約半數以上是注射模具[2]
近幾年來,在我國其發展速度之快、需求量之大是前所未有的,但總體上與工業發達的國家相比仍有較大的差距。目前,我國模具工業的當務之急是加快技術進步,調整產品結構,增加高檔模具的比重,質中求效益,提高模具的國產化程度,減少對進口模具的依賴。未來國內外塑性模具的制造技術和成型技術有如下發展趨勢:1)在模具設計制造中廣泛應用CAD/CAE/CAM 技術;2)高速銑削加工將得到更廣泛地應用;3)在塑料模具中推廣應用熱流道技術、注射成型和高壓注射成型技術;4)提高模具標準化水平和模具標準件的使用率;5)研究和應用模具的高速測量技術與逆向工程;6)虛擬技術將得到發展;7)模具自動加工系統的研制和發展。廣泛應用CAD/CAE/CAM技術,逐步走向集成化的方向發展。

模具設計流程

一般來說,現在國際上比較經典的塑料模具設計步驟如下:
(1)首先了解塑料制品所用塑料的品種、塑料的特性、收縮率及塑料流動特性等。
(2)對塑料制品進行工藝分析,著重分析塑料制品的結構合理性及成型條件等。
(3)根據塑料制品的重量和塑料制品投影面積及模具結構類型等,選擇合適的注射成型機。
(4)進行模具結構設計

(4)進行模具結構設計
  1)選擇塑料制品成型位置和模具分型面;
  2)確定型腔數目和排列方式;
  3)澆注系統設計;
  4)成型零件結構設計;
  5)抽芯機結構設計和推出機構設計;
  6)加熱系統設計和冷卻系統設計;
  7)繪制模具結構圖。

 塑件分析

制件三維實體模型如右圖所示,材料為ABS,密度為1.05g/cm,收縮率0.4%-0.7%取0.5%,由Pro/e計算可得,單個制件的體積為107.41cm。ABS是由丙烯**、丁二烯和苯乙烯三種化學單體合成。每種單體都具有不同特性,丙烯**有高強度、熱穩定性及化學穩定性;丁二烯具有堅韌性、抗沖擊特性;苯乙烯具有易加工、高光潔度及高強度。
 單件體積為94.66,總高54mm,徑向最大長度近100mm,厚度10mm,內部有螺紋, 該塑件茶杯蓋如圖1-1所示。 
ABS具有如下特性[1] 
(1).綜合性能較好,沖擊強度較高,化學穩定性,電性能良好;
(2).與372有機玻璃的熔接性良好,制成雙色塑件,且可表面鍍鉻,噴漆處理;
(3).有高抗沖、高耐熱、阻燃、增強、透明等級別;
(4).流動性比HIPS 差一點,比PMMA、PC 等好,柔韌性好,適于制作一般機械零件,減磨耐磨零件。ABS成型的工藝條件見下表:
預熱溫度 80~85ºC 注射溫度 20~90ºC 料筒前段溫度 150~170 ºC
預熱時間 2~3h 高壓時間 0~5s 料筒中段溫度 165~180 ºC
噴嘴溫度 170~180 ºC 冷卻時間 2~120s 料筒后段溫度 180~200 ºC
模具溫度 50~80 ºC 總周期 5~220s
方案的選擇
     分析結構,由于其內螺紋結構,則設計必須采用側抽心機構,為保證其表面質量,采用點澆口澆注。
方案1:直接分模
方案2:斜導柱側抽芯
針對方案一,本設計產品含內螺紋,無法直接拔模,其型心須采用雙滑塊側抽心機構。為滿足產品所需表面質量,開模時模具在彈簧作用下,點澆口分開。
經多方面考慮采用方案二,此方案結構合理,質量可靠,操作方便。

制件成型位置及分型面選擇

分型面是指分開模具取出塑件和澆注系統凝料的可分離的接觸表面。以有利于塑件脫模、保證塑件外觀不被破壞、尺寸精度滿足要求、有利于排氣以及模具加工方便等原則選取分型面,分型面。由于制件比較大,所以采用一模一件。

澆注系統設計

采用簡單澆注系統,由主流道,分流道,冷料穴和點澆口組成。
主流道是一端與注射機噴嘴相接觸,另一端與分流道相連的一段帶有錐度的流動通道。主流道小端尺寸為3.5~4mm,一段主流道的設計,主流道圓錐角α=2º~6º,內壁粗糙度Ra0.63μm,主流道的大端呈圓角,半徑r=1~3mm ,以減小料流轉向過渡時的阻力。主流道襯套與定模板采用H7/m6過渡配合,與定位圈的配合采用H9/f9間隙配合。主流道襯套一般選用T8、T10制造,熱處理強度為52~56HRC。主流道襯套的形式,主流道小端入口處與流向機噴嘴反復接觸,屬易損件,對材料要求較嚴,因而模具主流道部分常設計成可拆卸更換的主流道襯套形式,以便有效的選用優質鋼材單獨進行加工和熱處理。襯套都是標準件,只需去買就行了。襯套小端直徑的規格有φ12, φ16、φ20等幾種[9]
主要參數:
(1).塑件材料為ABS,流動性好,故選擇主流道圓錐角為α=2º~6º,。
(2).主流道大端呈圓角,半徑r=1~3mm 。
(3).由塑件材料為ABS,選擇主流道直徑為d=3mm,D=6mm。
    (4).澆口套與注射機噴嘴由的接觸球面要求吻合,由于注射機噴嘴球面半徑SR是定值,由所選取的注射機決定,根據所選注射機,SR=20mm,一般取sr=SR+0.5,為sr=20.5mm。斷面凹球面深度L2=3mm,球面與主流道孔應以清角度連接,不應有倒拔痕跡,以保證主流道凝料順利脫落。
(5).定位環是模體與注射機的定位裝置,保證澆口套與注射機噴嘴對中定位,定位環的外徑D應與注射機的定位孔間隙配合,定位環厚度取L1=6mm。
(6).澆口套長度L取為50mm。

2)澆口設計
澆口是連接分流道與型腔的一段細短的通道,它是澆注系統的關鍵部分,澆口的形狀,數量,尺寸和位置對塑件的質量影響很大,澆口的主要作用有兩個,一是塑料熔體流經的通道,二是澆口的適時凝固可控制保壓時間。一般澆口截面面積為分流道截面面積的3%-9%截面形狀常為矩形或圓形,澆口長度為0.5mm,由于制件要求表面光滑無痕跡,故選用點澆口形式。塑件壁厚為1.6mm,故取澆口直徑d=1.0mm。

脫模機構設計

脫模機構是在一次注射完成后,取出制件及澆注系統凝料的裝置,包括脫出和取出兩個動作,即先將塑件和澆注系統凝料等與模具分離,再將塑件和凝料取出。
1)設計原則
脫模機構的設計一般遵循以下原則[1]
(1)塑件滯留于動模邊,以便借助于開模力驅動脫模裝置,完成脫模動作。
(2)由于塑件收縮時包緊型芯,因此推出力作用點盡量靠近型芯,同時推出力應施于塑件剛性和強度最大的部位。
(3)結構合理可靠,機械的運動準確、可靠、靈活,并有足夠的剛度和強度,便于制造和維護。
(4)保證塑件不變形、不損壞,保證塑件外觀良好。
本設計使用簡單的推件板脫模機構和成型零件的脫模機構,如圖3-6所示。因為該塑件的分型面簡單,結構也不復雜,采用推簡單的脫模機構可以簡化模具結構,給制造和維護帶來方便。在對脫模機構做說明之前,需要對脫模力做個簡單的計算。
點澆口澆注系統凝料,一般可采用人工機械手取出,但生產效率低,勞動強度大,為適應自動化生產的需要,可利用定模推板拉斷澆口料機構,如圖所示,在定模型腔板3內鑲一推板5,開模時由定距分型機構保證定模型腔板3與定模底座4首先沿A-A而分型,拉料桿2將主流道凝料從澆口套中拉出,當開模到L距離十,限位釘1帶動流道推板5使主流道凝料與拉料桿脫離,既實現B-B分型面,同時拉斷點澆口,澆注系統凝料便自動脫離

溢料 排氣系統設計

  模具內除了型腔和澆注系統中原有的空氣塑料受熱或凝固產生的低分子揮發氣體,這些氣體若不能順利排出,則可能因充填時氣體被壓縮而產生高溫,引起塑料局部炭化燒焦,或使塑料產生氣泡,或使塑料熔接不良而引起缺陷。 
  通常,選擇排氣槽的開設位置時,應遵循以下原則:
  1)排氣口不能正對操作者,以防熔料噴發而發生工傷事故:
  2)最好開設在分型面上,如果產生飛邊易隨塑件脫出:
  3)最好設在凹模上,以便于模具加工和清模方便;
  4)開設在塑料熔體最后才能填充的模腔部位,如流道或冷料穴的終端;
  5)開設在靠近嵌件和制件壁最薄處,因為這樣的部位最容易形成熔接痕;
  6)若型腔最后充滿部位不在分型而上,其附近又無可供排氣的推桿或活動的型心時,可在型腔相應部位鑲嵌燒結的多孔金屬塊,以供排氣;
  7)高速注射薄壁型制件時,排氣槽設在澆口附近,課使氣體連續派出;
若制作具有高深的型腔,那么在脫模時需要對模具設置引氣系統,那是因為制作表面與型心表面之間在脫模過程中形成真空,難于脫模,制件容易變形或損壞。熱固性塑料制件在型腔內的收縮小,特別是不采用鑲拼結構的深型腔,在開模時空氣無法進入型腔與制件之間,使制件附粘在型腔的情況比熱塑性制件更甚,因此,必須引入氣系統

模具主要零件的結構設計

      模具中決定塑件幾何形狀和尺寸的零件稱為成型零件,包括凹模、型芯、鑲塊、成型桿和成型環等。成型零件工作時,直接與塑料接觸,塑料熔體的高壓、料流的沖刷,脫模時與塑件間還發生摩擦。因此,成型零件要求有正確的幾何形狀,較高的尺寸精度和較低的表面粗糙度,此外,成型零件還要求結構合理,有較高的強度、剛度及較好的耐磨性能。設計成型零件時,應根據塑料的特性和塑件的結構及使用要求,確定型腔的總體結構,選擇分型面和澆口位置,確定脫模方式、排氣部位等,然后根據成型零件的加工、熱處理、裝配等要求進行成型零件結構設計,計算成型零件的工作尺寸,對關鍵的成型零件進行強度和剛度校核。成型零件的工作尺寸是指凹模和凸模直接構成塑件的尺寸。凹、凸模工作尺寸的精度直接影響塑件的精度。該塑件有需要配合的地方,所以對尺寸的要求比較高。 成型零件工作尺寸計算方法一般有兩種:一種是平均值法,即按平均收縮率、平均制造公差和平均磨損量進行計算;另一種是按極限收縮率、極限制造公差和磨損量進行計算[11];前一種方法簡便,但不適合精密塑件的模具設計,后一種復雜,但能較好的保證尺寸精度。本設計采用平均值法。

3.5.4成型零件的設計

(1)模仁尺寸的確定
因為采用的是整體式凹模和整體式凸模,所以模仁的大小可以任意制定,模仁所承受的力最終是傳遞到凸、凹模上,從節約材料和見效模具尺寸出發,模仁的值取的越小越好,但實際中因為要考慮冷卻因素,又因為經過模仁的冷卻系統比經過模仁外部的冷卻系統效率高,所以為了給冷卻系統留有足夠的空間,該設計取模仁的大小為400×400 mm。 
(2)凸、凹模尺寸的確定
凸、凹模受力的作用,其尺寸需要進行強度或剛度校核來確定。只要凹模長邊的寬度滿足12.85 mm就可以達到剛度要求,理論上只要取大于12.85 mm的值就滿足設計要求,但考慮到導柱和導套、螺釘、冷卻水孔等對模架強度、剛度的削弱作用,實際生產中都取比理論值大得多的值,在本設計中,在長度方向,取模仁到模具邊的單邊寬度為40mm,在寬度方向,取模仁到模具邊的單邊寬度為40 mm(實際生產中寬度方向的邊值一般比長度方向的邊值大)。所以凸、凹模尺寸為400×400 mm。
(3)模具高度尺寸的確定
各塊板的厚度已經標準化,所需要的只是選擇,如何選擇合理的厚度,這里有兩個尺寸需要注意:
①凸模底板厚度和凹模底板厚度;在注射成型時型腔中有很大的成型壓力,當塑件和凝料在分型面上的投影面積很大時,若凸模底板厚度不夠,則極有可能使模架發生變形或者破壞,所以凸模底板厚度尺寸需要校核才能確定,厚度滿足26.8可滿足要求,為了安全,取底板厚度為50 mm,。凹模的底板因為是與注塑機的工作臺接觸的,所受的力傳遞到工作臺上,又型腔的深度為102mm,所以凹模底板的厚度同樣只要留有走冷卻系統的空間就可以。該計取凹模底板厚度為125 mm。 
②推板推出距離;在分模時塑件一般是黏結在型芯上的,需要推桿或推板推出一定的距離才能脫離型芯,該塑件的高度為132 mm,黏結在型芯上的尺寸約102mm左右,所以當推出距離為140 mm時就能使塑件和型芯分離。
需要滿足關系:H-h1-h2-h3-h>0 
H——C板高度;
h1——擋銷高度;
h2——推板厚度;
h3推桿固定板厚度; 
h——推出距離;
完成了以上的工作,確定模具尺寸為450×400 mm,型腔厚度125 mm,型芯板厚度50 mm。
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