（机械设计及理论专业论文）注塑模具成型零件工作尺寸算法分析及试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 注塑模具成型零件工作尺寸直接影响塑件的尺寸精度和模具使用寿命，因此，成 型零件工作尺寸的计算是设计注塑模具的重要环节。从事注塑成型加工领域研究的科 研人员一直在努力研究注塑模具成型零件工作尺寸的计算方法及注塑制品收缩特性， 以便指导注塑模具设计、缩短注塑模具制造周期。 目前，有关注塑模具成型零件工作尺寸的算法很多，但是实际上各模具设计制造 单位并不都是按照相关手册、文献中的有关算法进行注塑模具设计与制造的。这就体 现出了在注塑模具成型零件工作尺寸计算方面，理论与实际不一致的问题。为了探明 原因，本课题对目前比较混乱的注塑模具成型零件工作尺寸计算方法进行比较分析， 在注塑制品的尺寸精度满足要求的前提下，提出中差法是一种既简捷又准确的成型零 件工作尺寸计算方法。文中给出了对比各算法的算例。 同时，本课题开发了注塑模具成型零件工作尺寸计算模块，实现了注塑模具成型 零件工作尺寸计算机辅助计算。注塑模具成型零件工作尺寸计算模块包含十种注塑模 具成型零件工作尺寸计算方法，并且可以对计算结果进行超差分析。注塑模具成型零 件工作尺寸计算模块对注塑模具设计及注塑制品的生产具有指导意义和实用价值。 最后，本课题针对一些常见典型几何形状( 方形、凸形、凹形、扇形) 塑件的收 缩特性进行了理论与试验的研究。通过试验得出塑件向心收缩以及扇形塑件注塑成型 后角度增大的规律。另外，通过试验还得出注塑工艺条件对几种典型塑件尺寸变化趋 势的影响规律。常见典型几何形状塑件收缩特性的研究，对此类典型几何形状塑件对 应的成型零件工作尺寸计算有着重要的指导意义。 关键词：注塑模具；成型零件；计算方法；收缩特性 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ec a l c u l a t i n gm e t h o d so ft h e w o r k i n g d i m e n s i o n s f o rt h e i n j e c t i o nm o l d i n g p a r t s a b s t r a c t t h e w o r k i n gd i m e n s i o n sf o rt h ei n j e c t i o nm o l d i n gp a r t sa f f e c td i r e c t l yt h ed i m e n s i o n p r e c i s i o n o fp l a s t i c p a r t s a n du s i n g1 i r eo fm o l d s t h e r e f o r eh o wt oc a l c u l a t et h e m a c c u r a t e l yi st h ek e yp o i n to fi n j e c t i o nm o l dd e s i g n i n g t h ep e o p l e h a v eb e e ns t u d y i n gt h e c a l c u l a t i n gm e m o d sf o rt h ew o r k i n gd i m e n s i o n sa n ds h r i n k a g ec h a r a c t e r i s t i co fp l a s t i c p a r t s t od i r e c ti n j e c t i o nm o l d d e s i g n i n g a n ds h o r t e nm o l d m a n u f a c t u r i n gc y c l e p r e s e n t l yt h e r e f i r em m a y c a l c u l a t i n gm e t h o d s 。f o rt h ew o r k i n gd i m e n s i o n s e a c hm o l d c o m p a n y h a sad i f f e r e n tm e t h o di nd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n g s o m em o l dc o m p a n i e s d o n t d e s i g n m o l d s a c c o r d i n g t ot h em e t h o d si nh a n d b o o k sa n dd o c u m e n t s t h e d i s a g r e e m e n tb e t w e e ne x p e r i e n c ea n dt h e o r yi so b v i o u s l yf o m a d t h r o u g ht h er e s e a r c ho n a l lk i n d so ft h e s em e t h o d s ，i ts h o w st h a tt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sb ym e t h o do fi n t e r m e d i a t e r a n g ec a r te n s u r eb o t ht h ea c c u r a c yo ft h ed i m e n s i o n sa n dc o n v e n i e n c eo fc a l c u l a t i n g a c t u a lc a l c u l a t i o ne x a m p l ei sg i v e n a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rd e v e l o p sc a l c u l a t i o nm o d u l eo f w o r k i n gd i m e n s i o n sf o r t h ei i l i e c t i o nm o l d i n gp a r t sa n dr e a l i z e s c o m p u t e r a i d e dc a l c u l a t i o n t h ec a l c u l a t i o n m o d u l ei n c l u d e st e nk i n d so fm e t h o d s e a c hm e t h o dc a nb o t hc a l c u l a t et h ew o r k i n g d i m e n s i o n sa n da n a l y s et h ec a l c u l a t i o nr e s u i t s c a l c u l a t i o nm o d u l eh a ss i g n i f i c a t i v ea n d p r a c t i c a lv a l u e so fd i r e c t i n gt h ei n j e c t i o nm o l dd e s i g n i n ga n dt h ep r o d u c t i o no fp l a s t i c p a r t s f i n a l l y , t h i sp a p e rr e s e a r c ho ns h r i n k a g ec h a r a c t e r i s t i c so fp l a s t i cp a r t sw i t hs o m e f a m i l i a ra n dt y p i c a l s h a p e ( s q u a r e ，c o n v e xf o r m ，c a v ef o r m ，s e c t o r ) t h e o r e t i c a l i y a n d e x p e r i m e n t a l l y r e s u l t so fe x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tp l a s t i cp a r t ss h r i n ka l o n g i t sg e o m e l r y c e n t e ra n da n g l eo fs e c t o rp a r te n l a r g ea f t e ri n j e c t i o nm o l d i n g m o r e o v e r ，t h ee f f e c to f i n j e c t i o np r o c e s s o nd i m e n s i o n sc h a n g et r e n do f t y p i c a l p l a s t i cp a r t s i sd e e p l ys t u d i e d n l e r e s e a r c hh a st h ed i r e c t i v es i g n i f i c a n c et oc a l c u l a t et h ew o r k i n gd i m e n s i o n sf o rt h ei n j e c t i o n m o l d i n gp a r t so f t h e s et y p i c a ls h a p e k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o l d ；m o l d i n gp a r t ；c a l c u l a t i n gm e t h o d ；s h r i n k a g e c h a r a c t e r i s t i c 太迤理王太攀颈士攀经论文 1 绪论 1 1 圜肉外发疑现状 1 i 1 淀攫模辩成型零讳工作咫寸算法研究的寮麓现袄 液繁模菇或蕉零箨z 佟足砖是攒搂篡菇鼙零释上麓茨塞籀成鍪鬻释舔霞赫定专， 包括溅腚的径向尺寸朔深度尺寸、型麟的径向尺寸和瀚臌尺寸及型腚中的孔娥姻起中 心筵覆寸。窨蠹羧骛域豢嫠煞足寸，影蟪羞鬟羚豹穗嶷。逢攀乏嫠昃寸楚稷懿羧具魏 制造公麓、爨瓣成螫蹙缩率和成羹零彳警磨损确怒静。 鼹麓，众多注望模熙设计擎册中最鬻见的浪耀模舆贼型零体工作尺寸的计艨方法 慈筵趣采毒薄耱，一释燕乎瓣羧缭零法 要一耱蹩公蓑荣法i ，2 j 。乎蜷菽臻攀渣， 是以平均概念避行计辫，从收缭率的鳃义出缴，按塑伟收缩翠、成戮零件制造公差、 蹇撰燕豁鸯擎坶灌豺诗舞+ 公麓穆法孳l 入登蓑紫麓壤念，将塑髂足寸、模具尺寸、各 荦孛诿蘩绘睾黢覆寸公麓黪瑟。嚣簿霾孛势楚趸寸诗葬黎式寸校缓薅帮努，蓿葭缓皆蠢瑗 超差，聊通过棚* 误麓的修正求调整，近年裳，从事淀避成烈加工领域研究的枣埠研人 罴在爨土嚣转鬻耀翁渡壤搂舆袋鍪零静工露足寸算法煞萋懿上辫注塑搂具袋燮零绺 正作尺寸算法擒出了魑改谶计算公式秘方法。 牮巾理工丈学的时艘毫镣3 3 提如了一种考虑到修模余爨的计算方法。这j f 申算法 发箨了臻模衾爨熬嚣耋嚣震餐戆竣薅率翁渡羲黎援涯攘基翡诲黎壤攫爨。黧导爨 修正繇数的取鬣范暖、勰件咫寸公差怒褥合理的判别戏，并谶步雅姆出模瓣成型零 佟工佟足寸瓣计箕公式。惩澍涝照密擐爨进行了定爨豁分辑，撼出7 成翅塑料收臻率 翡橇奉努京黎诗箨成罄攀释必寸懿方法。 馘嵌工、业攀院的赵洪兵 4 椁对淀耀模舆成型零件工作尺寸的计黧进行了分析， 遘过瓣瓣势蓊，疆考惑鬻墼秘牧鲸霉瓣浚毯，又考露? 簸型零黪餐摸、骖攘簿工艺薮 索，辱国了成黧零佟王作尺寸的计舅试。 耀焱理工大学数玛建烬【5 3 提出了神髑檄值法诗算注鞭模具成型零件工作尺寸 翡方法，瀵饕了该方法态实舔诗舞串魏瘫露，避露撩霉壤芗举瓣壤嚣下涟鳖摸嶷蔑蘩 零件工作尺寸的计算公斌。极假法计簿步骤为：先画幽甑括凝件尺寸及公差、成型零 箨z 穆足李及公差等农蠹豹公黢赘辫；熬后嚣食壅终生产瓣麓戆趣瑷黔收缨率嶷化藏 匿，蕊露塑释霹髓鑫臻最大与最小足寸豹楱寝往嚣，形成公蓑带结耩鼙；最藩靛罄上 找出备尺寸姻对应美獠。计髀嫩成型鼙件工作咫寸及熊公差。这种方法与公靛带法十 分覆髅，蘸蠹凌蕊墼零搏公蓑辩臻囊露法主凑鬓苓鬻。 健术斯电概机厂的正熹e 6 j 提出艨校据辫件尺寸精发的加工滩荔耩魔分剐采用不 鞭翁计箨公式，患考虑了摸具麴热线性膨胀，誉足之娃建对辍抟尺寸糖艘的加工难翁 程囊瓣定量势捺不够。 “ 湖南工程学院机械工程系的支翠寂等 7 在扔步分析现褥波塑横县成型譬件工作 足寸诗嚣公式簌实繇健嚣孛存在不是鼗宠分考惑塑料数缭攀波动对鬻糕只寸糖度影 稿的基础上，掇密了释考虑蚕l 修模余蠢麓诗簿方法。 注塑模具成型零件工作尺寸算法分析及试验研究 四川联合大学林旭东 8 提出了利用功效系数法实现设计模具制造公差、模具磨 损量、收缩率估计误差、修模余量同时达到最优值的多目标型腔尺寸优化思想，并结 合修正后的计算公式得到优化的模具尺寸。 常州轻工业学校的h 建新 9 采用尺寸链的计算方法阐述了型芯型腔的径向尺 寸、型芯高度、型腔深度尺寸作为独立工作尺寸，以及作为关联工作尺寸时的计算方 法，并分析了影响塑件壁厚尺寸精度的因素。 东莞理工学院机械工程系的赵建华 1 0 通过分析影响塑件尺寸精度的因素，提出 了按基本尺寸分段考虑模具的制造公差和磨损公差的思想，并对注塑模具成型零件工 作尺寸的计算公式进行了修正。 燕山大学的秦泗吉等 1 1 针对注塑模具成型零件工作尺寸的几种不同计算方法， 分析了它们的内在联系，说明了其适用条件。可为合理地设计注塑模具成型零件工作 尺寸提供依据。 浙江大学的顾正朝等e 1 2 提出一种由塑件尺寸生成注射模型腔尺寸的智能算法， 根据塑件的形状信息、尺寸的精度等级和不同工艺难度，自动调用不同的经验公式， 进行模具型腔尺寸计算，并可进行塑件尺寸超差与否的校验。 广东工业大学的李思良 1 3 根据尺寸链原理，对在不同成型零件装配过程中，由 不同工作尺寸组合和累积形成的工作尺寸的计算进行分析探讨，提出了采用修配法来 保证此类工作尺寸精度要求的判断标准及如何确定其合理的修配补偿量。 另外，在精密注塑模具成型零件工作尺寸的设计计算方面，广东工业大学材料系 的李江平 1 4 通过分析研究一些主要因素对精密塑件精度的影响，提出了精密注塑模 具设计和提高精密塑件精度的方法，即分两步解决确定精密注塑模具成型零件工作尺 寸和精度的问题：第一步在设计计算精密注塑模具高精度要求的型腔尺寸时，把生产 厂家提供的注塑成型收缩率波动值加以放大，按放大后的最大收缩率或最小收缩率计 算型腔的公称尺寸，而把尺寸精度定为i t 8 级。按照这样的要求完成精密注塑模型 腔的初步加工。第二步利用初步加工好的模具进行试模，试模后实测塑件的尺寸，从 而决定高精度要求的型腔尺寸的修正量，按修正量精修精密注塑模高精度要求的型腔 尺寸。精修后的型面用于生产精密塑件，故精修糟度定为i t g 级。 总而言之，目前国内有关注塑模具成型零件工作尺寸计算方法的研究很多，研究 涉及到平均收缩率法、公差带法、分段法、极值法及修模余量法等等。但是这些研究 都是针对其中某一种算法进行深入地分析，缺乏对各种成型零件工作尺寸算法横向的 对比。因此，有关注塑模具成型零件工作尺寸计算方法的应用在国内仍然处于较混乱 的状态。 1 1 2 注塑成型制品收缩特性研究的发展现状 注塑工艺条件的波动对收缩率所产生的影响是不可忽视的。近年来，研究人员进 行了大量的注塑试验，试图找出注塑工艺条件与收缩率之间的定量关系。在积累了一 定的经验后，有学者提出用试验数据拟合的方法来预测实际生产条件下的注塑制品收 缩率，其基本思想是通过多因素正交试验测量某种塑料在不同的料筒温度、注射压力、 注射速度、保压压力、保压时间等工艺参数下的收缩率，根据试验测得的样点数据拟 合出收缩率与各工艺参数之间的函数关系：在应用时将实际注塑生产所采用的各工艺 参数值代入对应的函数关系式，得到各自对应的收缩率数值，对其进行加权平均，便 大连理工大学硕士学位论文 得到模具设计者所需要的“实际收缩率”。 在国内，大连理工大学模具研究所的于同敏副教授等 1 5 从塑料本身特性、注塑 成型工艺条件及塑件结构等主要方面，揭示了注塑成型收缩与塑件尺寸精度的内在关 系及外部因素的影响，提出了减小塑件成型收缩的相应措施，为精密塑件的注塑成型 提供了技术基础。 大连理工大学模具研究所的祝铁丽博士 1 6 提出了：模具成型结构从根本上决定 了注塑制品的收缩率分布趋势，注塑材料特性与注塑工艺条件则是在此基础上影响注 塑制品各点收缩率的具体数值。塑料生产厂家提供的某种塑料在某批量的收缩率平均 值，在一定程度上代表了注塑材料的特性，所以在根据模具成型结构得出制品收缩率 分布趋势后，可以结合塑料生产厂家提供的注塑材料收缩平均值来确定制品各点的收 缩率。从而免去对注塑材料各种材料常数的测量求解工作。如果对注塑制品收缩率分 布趋势的预测符合实际，那么通过调整注塑成型工艺参数使注塑制品实际收缩率僮向 预测收缩率值靠拢，就能够得到合格的塑料制品。 西北工业大学的张克惠、寇开昌 1 7 与郑州大学的李倩 1 8 等都采用注塑试验模 具，通过大量试验，研究了熔体温度、模具温度、注射压力、保压时间、试样厚度和 浇口尺寸等对聚苯乙烯注塑件纵向和横向收缩率以及纵向与横向收缩率比值的影响 规律。 国外研究人员 1 9 一z 5 对注塑模具成型制品收缩特性进行了大量的理论与试验研 究。还有许多研究人员利用田口方法对注塑模具成型制品收缩特性进行了研究。田口 方法 2 6 是基于试验的优化方法，它考虑两类因素：可控的设计参数和不可控的噪声 因素。该方法采用正交排列和信噪比( 信号与噪声之比) 分析法，将各参数不同水平的 设计值迸行组合，用较少的试验次数收集尽可能多的较全面的信息，从中获得各参数 的最优值，田口优化法是注塑领域较早使用的优化方法之一，具有较好的优化效果。 t c c h a n g 2 7 对半结晶材料和非结晶材料在注射成型中的收缩问题进行了系统 的研究。首先用c a e 软件( c m o l d ) 进行模拟预测，确立最优加工范围，以此作为田 口方法设计正交排列的参考数据。用田口试验设计法对料筒温度、模具温度、注射压 力、保压压力、背压以及保压时间和冷却时间等7 个参数对注塑件收缩影响程度的大 小进行了1 6 次试验。结果表明，模具温度、料筒温度、保压压力和保压时间是对3 种材料的收缩行为影响最大的参数。 b h l e e 2 8 则对制品的壁厚进行了优化研究。在指定的尺寸公差范围内，有意 识地改变注塑件的壁厚来降低制品的翘曲。用田口方法对壁厚进行变壁厚设计，由此 产生的塑件翘曲与用普通的均匀壁厚设计原则设计出的等壁厚塑件所产生的翘曲相 比较，前者的翘曲平均值及其变化远好于后者。 c l i u 等 2 9 就精密注塑成型中加工参数对塑件质量的影响，用两种含填充物的 热塑性工程材料( p e i 和l c p ) 进行了参数优化的研究。优化的参数为料简温度、保 压压力、模具温度和注射速度，每个参数选取3 个值，用试验法设计了l 9 正交排列。 所得试验结果表明：( 1 ) 非结晶材料( p e i ) 的塑件质量( 尺寸精度) 与熔体的流动状态 密切相关，熔体和模具温度越高，注射速度越大，熔体流动性越好，质量就越高；( 2 ) l c p 材料的塑件质量( 尺寸精度) 依赖于模具温度，模温较低时，l c p 塑件的尺寸更具一致 性。 r o b e r te f a r r e l l 3 0 3 对于注塑成型制品的工艺过程建立了比较全面的数学模 型，根据这些数学模型在专家系统上的应用来确定被专家系统监控的一些注塑工艺参 数变化对成型塑料制品的影响。专家系统不能自动对注塑机的工艺参数设置做任何改 注塑模具成型零件工作尺寸算法分析及试验研究 变，它只能给注塑人员参考，最后由注塑人员根据专家系统的建议对注塑工艺参数进 行调整，以达到良好的注塑状态。 综上所述，国内外对注塑成型制品收缩特性的研究很多。主要是从塑料本身特性、 注塑工艺条件及模具成型结构等主要因素着手，对塑料制品收缩特性进行分析研究。 在试验研究中，大家采用的塑件形状均以正方形、矩形及圆形为主，有关于凸形、凹 形、扇形类常见典型形状塑件收缩的研究却不多见。 1 13 注塑模具成型零件工作尺寸计算机辅助计算发展现状 上海南正软件工程有限公司编制的注射模具设计计算软件模块，与北京华正软件 研究所的c a x a 电子图板衔接，可以在运行电子图板进行模具设计时，随时计算单个 或多个成型零件工作尺寸，也可集中成批计算，可贮存或打印输出。程序中贮有 s j l 3 7 2 7 8 塑料制品公差数值表，也有g b t1 4 4 8 6 9 3 工程塑料模塑塑件公差表， 还有金属件的g b l 8 0 0 7 9 公差数值表。并附有众多塑料品种的收缩率数据供参考， 也能输入新的塑料品种的收缩率。 华东理工大学的徐佩弦和复旦大学朱松 3 1 讨论了用收缩率计算注塑模具成型 尺寸的重要性和电算化的难度，提出了按塑件尺寸公差确定计算系数的方法及按平 均收缩率计算成型尺寸时，此系数的准确选取的方法。 成型零件工作尺寸分类众多，各种尺寸分别按各自计算公式算出各类别的模具成 型尺寸。然后，成型尺寸还要按上述的尺寸类别，标注各自的模具制造公差，其公差 的精度、偏差方向等均须适用于模具加工。在计算机上塑料件三维造型后，或是在电 子图板上绘成二维视图后，依靠计算机技术完全正确地区别以上各种尺寸类别，目前 尚有困难。另外，目前有关包括所有成型零件工作尺寸计算方法的计算模块还鲜有报 道。 1 2 课题的研究意义 随着塑料合成技术的发展以及塑料的力学性能得到显著提高，塑料制品在社会生 活各个方面的应用日益广泛。随之而来，应用于汽车、机械、仪表、电子等工业部门 的塑料制品，对其精密性的要求也越来越高。注塑成型具有成型周期短，对各种塑料 的加工适应性强，能制造外形复杂、尺寸比较精确或带有嵌件的塑料制品，因此成为 塑料制品主要的成型加工方法。工程塑料制品中，有8 0 以上的塑料制品是采用注 塑加工成型 3 2 。注塑模具成型零件工作尺寸计算是注塑模具设计的重要一环，从事 注塑成型加工领域研究的科研人员一直在努力研究注塑模具成型零件工作尺寸的计 算方法及注塑制品收缩特性，以便指导注塑模具设计、缩短注塑模具制造周期、提高 注塑制品的尺寸精度与注塑制品合格率。 通过本课题对目前比较混乱的注塑模具成型零件工作尺寸算法的调研，对注塑模 具成型零件工作尺寸算法加以对比分析，在使注塑制品的尺寸精度满足要求的前提 下，找出既简捷又准确的算法。本课题针对一些常见典型几何形状的塑件收缩特性进 行了理论与试验的研究，这对此类典型几何形状塑件成型零件工作尺寸的计算有重要 的指导作用。同时，本课题开发了注塑模具成型零件工作尺寸计算模块，实现了注塑 大连理工大学硕士学位论文 模具成型零件工作尺寸计算机辅助计算，对注塑模具设计及注塑制品的生产具有指导 意义和实用价值。 1 3 本文的主要工作 本课题是为适应目前大多数注塑模具生产企业生产实际和模具科研单位的科研 需要而提出的。主要工作如下： ( 1 ) 对现有的注塑模具成型零件工作尺寸各种算法进行调研。 ( 2 ) 以v b 为平台，编制方便、实用的注塑模具成型零件工作尺寸计算模块。 ( 3 ) 利用注塑模具成型零件工作尺寸计算模块的计算结果，对各种算法进行比 较分析。 ( 4 ) 通过试验，利用各种算法将试验所得塑件的尺寸反推成型零件工作尺寸， 并与实际模具成型零件工作尺寸进行比较，从而进一步对比各种算法的优劣。 ( 5 ) 理论分析典型几何形状塑件的收缩规律，并通过试验所得塑件进一步分析 研究典型几何形状塑件的收缩规律。 ( 6 ) 通过试验得出注塑工艺条件对典型几何形状塑件的尺寸变化趋势的影响规 律。 注塑模具成型零件工作尺寸算法分析及试验研究 2 注塑模具成型零件工作尺寸算法分析 2 1 影响成型零件工作尺寸的因素 在设计注塑模具型腔时，如何将塑件尺寸及公差较精确、合理地反映成模具型腔 尺寸及公差是经常困扰模具设计人员的一大难题，因为太多不确定的因素将直接和间 接影响塑件最后的成型尺寸，而目前国内大多数手册上列出的计算公式在使用时不能 完全或准确的反映所有因素的影响，因此公式本身存在一些缺陷。只能在对各影响因 素进行深入的理论和实验研究后，才能从客观上较真实的反映成型尺寸随影响因素变 化的情况，为从根本上解决型腔成型尺寸的设计问题指明方向。 影响成型零件工作尺寸的因素主要有： ( 1 ) 模具设计时对塑件收缩率的估计误差 模具设计人员视塑料种类、塑件加工条件以及塑件复杂程度等因素综合考虑选取 收缩率，因此收缩率的选取过程含有浓厚的经验成分和不确定性。一般情况下，对于 是收缩率估计不准所造成的误差与收缩率波动有关，最大、最小收缩率波动不大的塑 料较易总结和把握其取值范围，成型尺寸相对误差较小，对于收缩率波动较大的塑料 则相反。 ( 2 ) 成型机械的波动对塑件收缩率的影响 注塑机在成型过程中，注射速度、螺杆各段的加热温度以及模具温度等因素都会 随电压的波动、机械震动、环境温度的变化以及控制元件精度等因素的变化而变化。 这些因素的变化又直接影响着加工工艺，使得塑料的收缩率不断发生变化，最终影响 塑件的尺寸精度。 ( 3 ) 加工工艺对塑件收缩率的影响 塑料加工时注射压力的增大有利于高温熔体的保压和补缩，高注射压力下塑件的 尺寸精度较低压下生产的塑件尺寸精度要高。此外，加工时选用的熔体温度、模具温 度、注射速率、冷却时间的因素的变化都会对加工中的塑料熔体粘度产生影响，致使 熔体充模情况不断变化。这种工艺变化的结果使得冷却后的塑件收缩率也相应地不断 发生变化。 ( 4 ) 模具进料口的位置 注塑模成型的塑件的尺寸精度与进料1 3 的位置有关，距进料口远，塑料收缩程度 大，塑件尺寸精度就低些；距进料口近，塑料的收缩程度小，则塑件尺寸精度就高些。 ( 5 ) 塑件内部结构对塑件收缩率的影响 对于一些内部存在有复杂结构的塑件而言，熔体在模具嵌件位置的收缩产生困 难，引起塑件各个方向上产生的收缩率不同，使得最终尺寸产生与设计有较大的误差。 ( 6 ) 塑件脱模后的经时变化( 后收缩) 塑件脱模后，成型时的热条件稳定需要一定的时间，因此塑件的尺寸将随环境温 度、湿度的变化而变化，等结晶稳定后，尺寸趋于稳定。此外，成型时产生的残余应 力也将引起塑件的变化，随时间的推移，这种变化不久也会趋于稳定。对于收缩率较 大的结晶性塑料采用高温成型会使后收缩减小，而对非结晶塑料而言，成型后的后收 缩较小。 大连理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 模具加工时的误差以及模具装配误差 对于中小型塑件而言，提高模具制造精度有利于塑件精度的提高。机械加工零件 的误差值与零件尺寸基本上成立方根抛物线关系： 疋= n ( o 4 5 佤+ o 0 0 1 l , ) ( 2 1 ) 式中，疋模具成型零件制造公差( i n t o ) 三。一模具成型零件工作尺寸( m m ) ； a 一公差单位。 模具加工完成后，其成型尺寸就固定下来，这时成型尺寸的制造偏差造成的塑件 产品的系统误差。 此外，由模具活动部分成型的塑件尺寸还受到模具安装配合误差的影响，如成型 塑件上孔的型芯若呈动配合安装在模内的话，则配合间隙值会造成中心位置的误差 ( 型芯最大位移量) 。由动、定模板之间的合模位置确定的尺寸，其尺寸波动受导向零 件的影响，如壳型塑件侧壁厚度的波动由导向柱与导向孔之间的配合间隙而定。 ( 8 ) 模具加工时所考虑的修模余量 模具在试模前，根据所生产的塑料收缩率的大小预先需对模具尺寸进行调整，即 将模具尺寸保留至一定的修模余量，再根据试模后的结果对模具尺寸进行加工，直至 新的模具尺寸达到要求为止。修模余量的预留多少直接涉及到事后对模具调整加工的 难易程度及时间问题。 型腔深度计算，当型腔容易修浅时，修模余量取正值，其目的是使型腔尺寸偏深。 当型腔容易修深时，修模余量取负值。型芯高度尺寸有时容易修长，有时容易修短( 大 多数) ，视型芯结构而定。容易修长时取负值，否则取正。 ( 9 ) 模具达到设计寿命时的磨损 由于型腔在使用时受到磨损，其尺寸不断变化，因此，在其他条件不变的情况下， 新模具与使用一段时间之后的同一模具所成形的塑件尺寸有所不同，由于成型过程中 的磨损，型腔内径和模具上的孔的尺寸将会越来越大，而凸模或型芯外径则会使磨损 越来越小，中心距尺寸在磨损过程中可近似看成不变。 模具达到设计寿命时的最大许用磨损量6c 与模具的产量有关，一般推荐6c 取 为塑件产量的1 0 。倍。中小型模具的平均无故障次数大约为2 0 0 0 0 0 左右，因此，对 6c 较为适中的考虑应为0 0 2 。6c 低于此值的一半会因精度要求高而给制造者带来 麻烦，同时这样也没有必要；另一方面，若6c 高于此值的一倍，则又增加了模具制 造难度，因此6c 也不宜过大。综上所述，6c 的合理选择域应是0 0 1 o 0 4 。 就问题的本质而言，无论是设计时对塑件收缩率的估计误差、注塑机参数的波动、 注塑工艺的变化、模具进料口的位置、塑件的内部结构还是塑件经时变化等区素都可 归结为它们直接或间接引起塑料收缩率相对于平均收缩率的变化，从而引起对模具型 腔尺寸的补偿等新的要求。此外，因设计时对模具尺寸精度等级的考虑，模具正常使 用过程中的受到磨损以及模具加工时在达到最终尺寸之前所必须预留的修模余量等 也相应需要对成型尺寸进行修正。相比较而言，因模具磨损，模具修模等因素对成型 尺寸的影响比起收缩率对成型尺寸的影响要小得多。 注塑模具成型零件工作尺寸算法分析及试验研究 2 2 注塑模具成型零件工作尺寸计算方法 2 2 1 注塑模具成型零件工作尺寸的定义及分类 注塑模具成型零件工作尺寸是指模具成型零件上用以直接成型塑件部位的尺寸。 其计算的目的是根据塑件的尺寸和精度要求( 尺寸和公差) ，确定模具对应部位的尺寸 和公差。 塑料模具设计的关键之一是如何根据塑件的尺寸及精度精确地确定相应的模具 成型部位尺寸和公差。按照注塑模具各类成型尺寸的性质阻及计算方法的不同，成型 零件工作尺寸分为：型腔或型芯的径向尺寸、型腔或型芯的深度尺寸、型腔中的孔或 凸起中心距尺寸。 2 2 2 注塑模具成型零件工作尺寸计算方法简介 目前，国外有关注塑模具成型零件工作尺寸计算方法很少见报道，与尺寸相关的 大量研究集中在塑料收缩率的变化上，而对设计及制造注塑模具成型零件关键的模具 制造公差、模具磨损和模具修模余量控制以及它们之间相互协调的方法贝较为分散和 不系统。 国内有关注塑模具成型零件工作尺寸计算的报道较多，众多注塑模具设计手册中 最常见的注塑模具成型零件工作尺寸的计算方法有两种，一种是按平均收缩率、平均 制造误差以及平均磨损进行计算的平均收缩率法；另外一种是按最大最小收缩率、最 大制造误差以及最大磨损进行计算的公差带法。另外较常用的方法还有分段分配模具 成型零件制造公差6z 、最大许用磨损量6c 值算法、精度等级计算法、中差法等。 以下是对注塑模具成型零件工作尺寸计算方法的具体介绍： ( 1 ) 平均收缩率法 目前绝大部分的注塑模具设计手册、教材和参考资料均采用平均收缩率法，这种 计算方法虽然简便，但存在一定的误差，当所设计的塑件在使用和装配中有配合要求， 或塑件的尺寸精度要求较高时就难以达到设计目的。 在应用平均收缩率计算成型零件工作尺寸时，又可分为3 种不同的算法。 1 ) 平均收缩率算法一( 6z 、6c 可自行选取的平均收缩率法) 以对模具制造偏差及塑件收缩引起的偏差的统计规律为基础，这种统计规律显示 出的模具制造偏差和塑件收缩引起的偏差都呈正态分布，它们取平均值的概率为最 大，而取最大值和最小值的概率接近为零。若在此基础上进一步假设，当塑件的成型 收缩率和成型零件工作尺寸的制造偏差及其磨损量分别等于它们各自的平均值时，则 塑件的尺寸偏差也恰好可以获得平均值。从而便可以推导出一系列计算型腔、型芯及 中心距等备类尺寸的计算公式。 以型腔内径尺寸为例，型腔成型塑件的外表面，型腔是孔，塑件是轴，相应的尺 寸关系如下： 塑件外径平均尺寸：l s 十= ( l s + l s a ) 2 = l s a 2 型腔内径平均尺寸：l m = ( l m + l m + 6z ) 2 = l m + 6 z 2 考虑到磨损值6c 和收缩量，并以型腔磨损到最大磨损值一半时计，则有 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 l m + 6z 2 = ( l s 一2 ) ( 1 + s c p ) 一6c 2 将比其他项小得多的( a 2 ) s c p 略去，则有 l m = l s + l s x s c p 一( + 6z + 6c ) 2 标上制造公差后，则有 ( 2 4 ) ( 2 5 ) l m = l s + l s s c p 一( a + 6z + 6c ) 2 ( 2 - 6 ) 式中， l m 一型腔的径向工作尺寸 l s 一塑件的径向图样尺寸 s c p 一收缩率的平均值 一塑件尺寸公差 6z 一型腔制造公差 6c 一型腔最大许用磨损量 同理可推出型芯径向尺寸、型腔深度尺寸、型芯高度尺寸及中心距尺寸。公式如 表2 1 。 表2 1 平均收缩率法一公式 法 6z 、6c 可自行选取的平均收缩率法 尺糠 型腔内径 l m = l s + l s x s e p - - ( + 6z + 6c ) 2 + 0 吒 型芯外径l m = 1 s + 1 s x s c p + ( + 6z + 6 c ) 2 o 疋 型腔深度 i m = h s + h s x s c p 一( + 6 z ) z 型芯高度h m ； h s + h s xs c p + ( + 6 z ) 2 0 疋 中心距c m = c s + c s x s c p 士( 6z 2 ) 这种算法将一些过去人为引入注塑模具成型零件工作尺寸计算的因素抛弃，但该 系列公式未考虑模具的修模。 2 ) 平均收缩率算法二( 6z 、6c 取固定值的平均收缩率法) 6z 、6c 取固定值的平均收缩率法是在6z 、6c 可自行选取的平均收缩率法的基 础上以塑件的平均收缩率、模具成型零件的平均制造公差值和模具最大许用磨损量作 为设定参数得出的算法。即模具制造公差6g 值取堡件允许公差值的l 3 ( 6z = 3 ) 和模具最大许用磨损量6c 取塑件的允许公差值的1 6 ( 6c = a 6 ) 。需注意，在计 算型腔深度与型芯高度工作尺寸时，由于塑件脱模时与成型零件之间的刮磨在型腔深 度和型芯高度的基准平面，与脱模方向垂直，所以可以不考虑磨损引起的尺寸偏差， 即6c = 0 。其计算公式见表2 2 。 注塑模具成型零件工作尺寸算法分析及试验研究 表2 - 2 平均收缩率法二公式 算法 尺寸淤 6z 、6 c 取固定值的平均收缩率法 型腔内径l m = rl s + l s x s c p - - ( 3 14 ) 型芯外径 l m = 1 s + l s x s c p + ( 3 4 ) 一0 疋 型腔深度 t i m = h s + h s x s c p 一( 2 3 ) 型芯高度 h m = h s + h s x s c p + ( 2 3 ) 一0 疋 中心距 c m = c s + c s ( s c p 土( 6z 2 ) 另外，在某些注塑模具设计手册、教材和参考资料中注塑模高度尺寸略有不同 3 3 。 型腔深度：h m = h s + h s s c p - - ( 1 2 ) ( 2 - 7 ) 型芯高度：h m 2 h s + h s s c p + ( 1 2 ) ! 疋 ( 2 8 ) 3 ) 平均收缩率算法三( 含有经验系数x 的平均收缩率法) 此算法是由6z 、6c 可自行选取的平均收缩率法演变而来的，分析公式( 2 - 5 ) 中 的6z 和6c 均是引起塑件尺寸偏差的主要因素，因此可近似用塑件公差表之，即 引入注塑模具成型零件工作尺寸的制造与使用情况系数x ，故( 2 - 5 ) 式可以改写为 l m = l s - f l s x s c p - - xa ( 2 9 ) 同理可推出型芯径向尺寸、型腔深度、型芯高度及中心距尺寸。公式见表2 ，3 。 表2 3 平均收缩率法三公式 、箩法 含有经验系数x 的平均收缩率法 尺寸类八 型腔内径 l m = l s + l s x s c p - x a 型芯外径l m = 1 s + l s x s c p + x o 疋 型腔深度 湘= h s + h s x $ c p - x 型芯高度 h m = ( h s + h s x s c p + x a t 。_ 最 中心距c m = c s + c s x s c p ( 6z 2 ) 大连理工大学硕士学位论文 表2 - 3 中的注塑模具成型零件工作尺寸的制造和使用情况系数x 值的大小，与塑 件尺寸大小和精度有关。例如，当塑件的尺寸很大且精度很低时，此时的制造偏差和 磨损量均可忽略不计，即6z = 0 ，6c - - - - - 0 。由式( 2 - 5 ) 可得x = 0 5 ；当塑件的尺寸 不大且有一定精度要求时，则8z 和6c 对塑件尺寸偏差的影响不能忽略，此时可取 6z = a 3 ，6c = 6 ，由式( 2 - 5 ) 可得x = 3 4 。由此可知，修正系数x 的取值范 围一般为0 5 0 7 5 。 塑件的收缩率是波动的，其波动值随塑件尺寸的增大而成正比增加；制造误差随 塑件的尺寸增加呈立方根关系增大；许用最大磨损量随塑件的尺寸的增加其增加缓 慢。由此可见大尺寸塑件收缩率的波动是影响塑件尺寸的主要因素，应稳定注射工艺 条件和选用收缩率波动小的塑料。相反，对于小尺寸的塑件，影响塑件尺寸的主要因 素则是模具成型零件的制造公差和成型零件表面的磨损量。 以上3 种平均收缩率法均未能体现出收缩率的波动对模具工作尺寸的影响，因此 以上公式存在着一定使用上的局限性和理论上的缺陷。一般平均收缩率法多用在对塑 件的尺寸精度要求不高或塑件尺寸比较小的情况下。 ( 2 ) 公差带法 由于平均收缩率法计算公式是建立在塑件的成型收缩率和成型零件工作尺寸的 制造偏差及其磨损量分别等于它们各自平均值基础上，计算结果与实际需用的工作尺 寸之间容易出现较大的误差，当塑件的尺寸精度要求较高或塑件尺寸比较大时，这种 误差有可能会显著增加，这时一些模具设计单位就采用公差带法来进行尺寸计算。 公差带法的计算过程如下： 1 ) 初算用成型收缩的最大( 或最小) 值及塑件的尺寸公差，对成型零件工作 尺寸的最小( 或最大) 值进行初算，初算时对型腔类尺寸可先算最小值，而对型芯类 尺寸则先算最大值。 2 ) 验算根据预定的模具成型零件制造偏差和模具最大许用磨损量来验算塑件 可能出现的最大( 或最小) 尺寸是否位于塑件规定的公差范围内。 从理论上分析，对于型腔和型芯类尺寸，既可以先计算它们最小值再验算塑件 尺寸的最大值，也可以先计算它们的最大值再验算塑件尺寸的最小值。但实际经验表 明，这两种不同程序的计算结果往往不尽相同。因此，从可靠性及成型零件工作尺寸 的磨损性质来考虑，对于型腔类尺寸，一般宜先算其最小值( 即基本尺寸) ，然后再 验算塑件尺寸的最大值( 算小验大) ；而对于型芯类尺寸，则宜先算其最大值( 即基 本尺寸) ，然后再验算塑件尺寸的最小值( 算大验小) 。在某些特殊情况下，如计算 型腔深度或型芯高度需要考虑修磨部位时，对于型腔深度也有可能参照型芯类尺寸性 质进行计算。 以型腔内径尺寸为例，阐述公差带法计算注塑模具成型零件工作尺寸的整个过 程： 初算初算型腔的最小径向尺寸即基本尺寸l m 。设型腔内径尺寸取最小值， 塑件以最大收缩率进行收缩时可以获得其下限尺寸，可参考图2 1 。 于是有： l s 一= l m 一( l s 一) s m a x ( 2 - 1 0 ) 整理上式并忽略二阶小量s m a x ，可得 l m = l s ( 1 + s m a x ) 一 ( 2 1 1 ) 验算 按预定的模具型腔制造偏差6z 和许用最太磨损量6c 取值时，验算l m 是否能够 注塑模具成型零件工作尺寸算法分析及试验研究 保证塑件的最大尺寸不会超出塑件的公差范围。根据图2 - 1 所示，塑件可能取得最大 径向尺寸l s 为： l s = l s 一+ 6 = ( l m + 6z + 6 c ) 一( l s 一+ 6 ) s m i n( 2 - 1 2 ) 式中6 一塑件可能出现最大尺寸与其下限尺寸之间的差值。 整理式( 2 一1 2 ) 并忽略二阶小量s m i n 和6 s m i n 得， l s7 = ( l m + 6z + 6c ) - - l s - s m i n f 2 13 ) 于是若要保证上述验算条件，必须 ( l m + 6z + 6c ) 一l s s m i n l s ( 2 1 4 ) 很显然，如果上式不成立，则意味着6z 或6c 取值过大，必须修正；如果上式 两边相等，则说明6z 和6c 取值正好合适；如上式中的小于成立，则意味着6z 或 6c 的取值偏小，若要降低工作尺寸的加工难度，可以适当增加6z ，若要延长注塑 模具的使用寿命，可以适当增大6c 。 表2 4 公差带法公式 皿出l e2 - 4m e t h o do f t o l e r a n c ez o n e 箩法 尺寸类八 公差带法 型腔内径 l m = - l s x ( 1 + s m a x ) 一】 型芯外径 t i n = i s ( 1 + s m i n