塑料模具设计的内涵与方法.pdf

1 9 6 机械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y D e s i g n Ma n u f a c t u r e 第 5期 2 0 0 7年 5月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 0 7 0 5 0 1 9 6 0 3 塑料模具设计的内涵与方法 李国锋 长沙学院 长沙 4 1 0 0 0 3 De s i g n me a n i n g an d me t h o d o f t h e p l a s t i c s mo l d L I G u o f e n g C h a n g s h a U n i v e r s i t y C h a n g s h a 4 1 0 0 0 3 C h i n a 摘要 塑料模具的设计牵涉到方方面面 设计塑料模具应按一定的设计程序进行 并对几个 设计要 点必须予以足够重视 这样才能保证模具的设计制造质量 塑料模具设计不仅仅是结构设 计还包括模具材料及其热处理选择 选择正确与否对模具的使用性能及其寿命将产生重大影响 模具设计与模具失效紧密相关 为了尽量避免模具失效 应充分研究分析塑料模具的失效机制 并 在模具设计上采取相应的防范措施 关键词 塑料模具 设计 内容 设计方法 A b s t r a c t T h e d e s ig n of t h e p la s t i c s m o l d is w id e Z y r e la t e d to m a n y f a c to r s T h e des ig n in g p r o g r a m a n d t h i n k i ng mu c h of des i gn k e y s is s u r e l y n e c e s s a r yf o r p l a s t ic s mo l d d e s i g n S O t h a t t he q u a l i t y of des i gn a n d m a n u f a c t u r e c a n b e e n s u red T h e p l ast ic s mo l d des i gn i n c l u d e s t he c o n s t r u c t des i g n s a n d c h o ice s of m a t e r i a l s a n d hea t t r e atm e n t p r o c e s s e s w h ic h gre atl y c t t he u s i n g p e 咖期 伽e a n d l o n g e v i t y oft h e p l ast ic s mo l d T h e mo l d des i g n is c l o s e l y r e l a t e d t o mo ld i n v a l i d a t i o n A n d t o a v o i d mo l d i n v a l i d a t io n s t u d y i ng t he m e c h a n is m of i n v a l i d a t ion a n d t a k i n g p r o p e r de f e ndi ng r I e c e s mu s t b e c a r r i e d o u t Ke y wo r d s Pl a s ti c s mo l d De s i g n c o n t e n t De s i gn me t h o d 中图分类号 T G 7 6 文献标识码 A 1 塑料模具的设计程序 从工程思维的角度对塑料模具设计的内涵与方法进行研 究分析 首先就是要制定出科学合理的设计程序 科学的设计程 序是设计制造出高水平 高质量模具的有力保障 无论是简单模 具还是复杂模具都应该按照这种设计程序进行设计制造 这种 设计程序应包括以下几个方面并依次进行 1 1明确设计任务和技术经济目标 明确塑件的技术质量要求及其结构特点 能否顺利实现该 模具的设计制造 并保证其高效率的工作 必要时应与塑件设计 者协商 修改塑件的设计 其次要明确塑件的生产批量 成型方 法和技术经济目标 在满足塑件使用性能要求 保证产品质量的 前提下按最经济的原则选择成型方法 1 2调查 收集相关设计资料 确定成型方法后 应收集同类塑件的模具资料 工艺资料和 有关标准 设计手册等模具设计资料 为新模具设计做好准备 1 3 熟悉生产条件 在设计模具前 必须了解相应的成型设备的技术规范 保 证模具与成型设备能合理匹配 同时要了解生产现场工艺水平 5 针对 T C 1 T C 2 类钛板材拉深表面破裂 冲压成形难度评价系统 T C 1 T C 2类钛板材拉深冲压破裂部位的破裂极限应变表 示为 当 不变 取 为局部成形度 当 0 噌 不 变 取 为局部成形度 则成形难度为 S e 或 s 广8 8 6结论 建立了针对 T C 1 T C 2类钛板材拉深表面破裂冲压成形难 度评价系统 研究了自 适应共振神经网络的结构和内部作用原 理 结合 目标样本 给出了用于 T C 1 T C 2类钛板材弯曲及拉深 冲压成形难度评价的分类评价算法 参考文献 1 杨遇春 宇航材料工艺 2 0 0 4 年 第 1 期 2 吴今培 智能故障诊断与专家系统 北京 科学出版社 1 9 9 7 3 黄毅宏 模具制造工艺 t 京 机械工业出版社 1 9 8 8 4 韩小云 刘瑞岩 A R T 2网络学习算法的改进墩 据采集与处理 1 9 9 6 1 1 5 刘占军 基于最优预见控制算法构造实时监控与发射专家系统的研 究 航空制造技术 2 0 0 4 7 维普资讯 第 5 期 李国锋 塑料模具设计的内涵与方法 1 9 7 一 和操作人员的业务素质 保证所设计的模具能在现场顺利使用 1 4 拟定模具结构设计方案 在掌握了第一手设计资料后 接着将进行模具结构的方案 设计 即根据生产批量 塑件结构特点和设备吨位等设计条件确 定模具的分型面 型腔布局 浇注系统 加热与冷却系统及抽芯 方式等 初步拟定模具设计方案 1 5主要结构或系统的设计计算 根据初步拟定的模具设计方案 对锁模力 脱模力 型芯抽 拔力 抽芯机构 浇注系统 模温控制系统等结构和系统进行设 计计算 必要时可对原拟定的方案进行修改 1 6模具总装配图设计 在对模具的结构和系统进行了详细的设计计算的基础上 初步绘制模具总装配图 确定各部分之间的装配关系 1 7 模具零件图设计 根据总装配图对模具的各部分结构进行设计 确定各部分 的工作零件 1 8 关键零部件或系统的设计校核 对重要零部件或工作系统进行校核 检查其是否达到设计 目 标 必要时应修改原设计方案 重新进行设计计算 1 9 加工制造 根据模具设计要求 制造批量和加工条件 制定科学合理 的模具制造工艺 保证模具制造质量完全符合设计要求 1 1 0试模 对加工制造好的模具进行试模 检查模具是否能顺利工 作 是否能满足制品生产要求 设计者应深人试模现场 收集有 关试模资料 对模具进行及时修改 试模是模具设计制造的一个 重要环节 必须严格按照有关程序进行试模 确保模具能正常用 于生产 2塑料模具的设计要点 一 副塑料模具能否顺利用于生产 取决于很多因素 除了 模具本身的原因外 还与塑件用料 成型设备和成型工艺有关 并且这些因素相互关联 因此 在设计塑料模具时 必须充分考 虑各方面因素 用工程综合性思维拟定模具设计方案 并重点突 出以下几个关键结构或系统的设计 2 1 成型体的尺寸和公差 塑料成型的方法有很多种 各种模具的结构和形状千差万 别 直接成形塑料制品的零件叫成型体 由于成型体直接成形塑 件 其工作尺寸与公差直接影响塑件的形状和精度 因此在模具 设计中成为至关重要的设计对象 成型体的工作尺寸与公差必 须按塑件的名义尺寸与公差 在考虑了塑料收缩率及其波动 模 具磨损量和制造公差后进行设计计算 同时还要考虑塑件的大 小 在设计大件时 以考虑收缩率为主 在设计小件时 以提高模 具制造精度和减少磨损量为主 在精密成型中 更要考虑因工艺 因素引起的波动网 为了便于修模 合理设计模具的凸 凹部位的 尺寸与公差也是一个很重要的方面 2 2模具的导向与定位装置 模具的导向与定位装置是为了保证模具正确工作 使动 定模在工作过程中有一个确定的位置 保持模具的精度 使模具 顺利实现脱模与合模 同时承受适当的侧向压力 它包括动模与 定模上的导柱 导套 锥形销和楔形块等 模具的导向与定位装 置的设计必须考虑其在模具上的分布位置与数量 结构形式 其 轴线必须保证相互平行 严防出现咬死现象 2 3抽芯机构 塑件上有侧向孔 槽结构时 在模具脱模过程中必须抽芯 抽芯机构的设计很重要 关系到能否顺利脱模 制品质量 模具 寿命和生产效率 在设计抽芯机构时 首先要计算抽拔力 其次 要设计合理的抽芯机构 保证抽拔方便 机构运动高效 自如 抽 芯方式有直抽和斜抽两种 抽芯机构应尽量简单 可靠 直接利 用脱模力通过斜导柱或斜滑块抽芯 必要时也可设计气动或液 压直抽芯 2 4顶出机构 塑件在成型时往往紧紧包裹在型芯上或内嵌在型腔内 脱 模时必须借助顶出机构才能从型芯上或型腔内顺利脱出 设计 顶出机构必须要计算顶出力的中心 顶杆的布局应均衡 其合力 的中心必须与顶出力的中心重合 以避免顶出板因受力不均匀 而倾斜 甚至造成顶出导向装置因受力不均而 咬死 此外 顶出位置应选择在塑件比较隐秘的部位 防止顶出痕迹影响塑 件美观 2 5浇注系统 浇注系统的设计主要包括浇 口的形式 位置及其分布 在 设计浇注系统时 首先要熟悉塑料的工艺性能 明确浇注系统可 能对熔体流动产生的影响 其次要分析浇12 1 的位置及其分布可 能对塑件变形所带来的影响 最后还要考虑浇注系统尽量以最 短的流程充满型腔 保证压力损失小 并便于排气 如果条件允 许 应采用专用软件进行流动模拟和保压模拟分析 以确定合理 的浇注系统 优化工艺参数 2 6模具的加热与冷却装置 不同种类的塑料在成型时对模具的温度要求不同 模温高 低直接影响制品成型的质量和生产效率 一般要求模温在 8 o c 以上时 应对模具进行加热 反之 则应对模具进行冷却 对模具 加热以电加热为主 有时也用热水加热 对模具冷却以水冷为 主 有时也用风力冷却 不管采用哪种冷却方式 都必须注意加 热或冷却装置在模具成型体上的合理分布 以及进出口水温的 差异 避免模温不均匀 并根据塑料工艺特性 模具尺寸和成型 速度 经过精确的计算后设计 避免模温过高或过低 3 塑料模具的选材与热处理 针对塑料模具工作条件 使用寿命和制造成本选择适当的 模具材料 提出合理的热处理要求是塑料模具设计的重要内容 之一 国内外许多研究机构已开展模具材料数据库的建立和模 具材料选用专家系统的研究工作H 3 1选材 3 1 1 明确模具材料的性能要求 模具材料作为一种工程材料必须具备一定的使用性能和 工艺性能 总的来说 对模具材料的使用性能要求主要包括 较高的硬度 以抵抗塑料熔体对它的磨损 足够的强度 以抵 维普资讯 1 9 8 机 械 设 计 与制 造 NO 5 Ma v 2 0 07 抗强大的成型压力 良 好的韧性 保证模具在热处理和使用过 程中不开裂 良好的耐腐蚀性 同时还要具备一定的抗回火稳 定性能和低的热膨胀系数 对模具材料的工艺性能要求主要包 括 优良的锻造或压力加工性能 硬化状态下具有良好的切 削性能和抛光性能 热处理性能好 尺寸稳定 变形小 较好 的焊接性能 有时还要求模具材料具有 良好的电加工性能和纹 饰加工性能 在模具设计过程中 要根据每一副塑料模具的工作特点及 制造工艺确定其具体的性能要求 从而为模具选材提供依据 3 1 2选 材 的 方 法 可用于制造塑料模具的材料品种繁多 不同的模具或同一 模具上的不同零件应根据需要选用不同的材料 所以在进行模 具设计时关键是要掌握一种选择模具材料的方法 有资料表明 模具原材料价格在模具生产成本中占较小的比 例 如表 I 所示嘲 表 1塑料模成本构成 这就是说 在满足模具使用性能和工艺性能的前提下 应 尽可能选价格低廉的材料 而满足工艺性能的关键是要材料具 有良好的锻造性能 切削加工性能和抛光性能 因此 在选择塑 料模具材料时可根据以下几方面来选择 I 根据制品的塑料种类和质量要求选用 在选择模具材 料时 一定要仔细考虑制品所用塑料是否有腐蚀性 是否有硬质 颗粒对模具产生较强的磨损 制品的表面质量是否要求很高甚 至透明 相应的选用耐蚀钢 淬硬钢 时效硬化型钢或预硬钢等 反之 则选用普通模具钢 2 根据塑件的大小和形状复杂程度选用 可选用预硬钢 或热处理变形小的钢 反之 如果模具尺寸较小 且形状 比较简 单 则可选用成形加工性能好的材料 通过冷挤压一次成型 此 时可选用冷挤压型塑料模具钢 3 根据塑件的生产批量选用 选用普通模具钢 4 根据塑件类型和成型方法选用 应选用高耐磨性钢种 或工具钢淬火后表面镀铬 3 2塑料模具的热处理 虽然热处理在模具成本构成中占的比例并不大 但热处理 对模具的使用性能和使用寿命有重大影响 只有经过适当的热 处理才能充分发挥模具材料的潜力 很多模具失效就是因为热 处理不当所造成的 因此 在塑料模具设计中必须根据所设计的 模具的具体情况提出合理的力学性能指标和尺寸与公差精度等 级要求 进而提出相应的热处理要求 在满足模具使用性能与寿 命的前提下 尽可能降低力学性能指标和尺寸与公差精度等级 要求 以便简化热处理工艺 易于实现 譬如 在模具制造过程中由于机加工的强力切削使模具零 件产生很大的残余内应力 在使用过程中该内应力将逐渐释放 而使模具发生塑性变形 为此在设计模具时 必须根据模具的精 度要求在机加工后提出相应的退火要求 又如 在选用渗碳型塑料模具钢时必须设计合适的渗碳层 厚度 渗碳层太厚增加了热处理难度 也不经济 渗碳层太薄则 达不到强化工件表面 提高工件耐磨性的目的 而且在规定了合 适的渗碳层厚度的同时还必须要求有相应的基体强度作支撑 否则 渗碳层容易剥落或塌陷 这就是说在设计时还必须规定渗 碳前应对基体作相应的热处理 4塑料模具的失效形式与防护 塑料模具在工作时要承受塑料中的硬质颗粒对模具表面 的冲刷磨损 以及由塑料分解出来的腐蚀性气体对模具的腐蚀 同时要承受较强大的成型压力和高温的作用 因此 塑料模具的 失效形式主要有以下几种 对它们的失效机制进行分析研究 有 利于在设计上采取相应的防范措施 4 1 磨损与腐蚀 塑料中一般含有一定的固体填充剂 塑料加热软化后 这 种固体颗粒成为相对较硬的质点 在熔融塑料冲人模具型腔的 过程中 它们与模具型腔表面发生摩擦 使型腔表面磨损 粗糙 度加大 当塑料 中有腐蚀性气体逸出时 还会对型腔表面产生腐 蚀 此时 因颗粒磨损 腐蚀和高温的综合作用 将产生严重的腐 蚀磨损 更加快了模具的磨损