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注塑模设计 塑料成型工艺及模具设计 第8章注塑模设计 本章基本内容 模具与注塑机的关系浇注系统的组成及其设计原则普通浇注系统的设计无流道浇注系统的设计注射模的设计程序 第 章注塑模设计 学习目的与要求 了解注塑机的种类掌握注塑模的设计程序掌握浇注系统的组成 作用掌握浇注系统设计原则 第 章注塑模设计 本章重点 浇注系统的组成 设计原则及其作用 注塑模设计程序 浇口的设计 浇口位置的选择 第 章注塑模设计 本章难点 8 1概述8 2模具与注塑机的关系8 3浇注系统设计8 4注塑模的设计程序8 5热塑性塑料注塑模示例8 6思考题 第 章注塑模设计 概述 注塑模主要是用来成型热塑性塑料 根据成型的塑料种类分 1 热塑性塑料注塑模2 热固性塑料注塑模8 1 1注塑模的特点8 1 2注塑模的品种 概述 注塑模的特点 用注塑模来生产制品主要有以下特点 塑料的加热和塑化是在注塑机的高温料筒内完成的 注塑机无加料腔结构 而需要设计浇料筒注系统 成型时 先闭紧模具 熔融塑料通过浇注系统注入型腔里面 每一模成型中产生的浇注系统凝料为废料 它将损耗部分原料 成型制品精度较高 生产批量较大时 模具应当设有温度控制系统 对制品成型的适应性很强 成型周期短 生产效率最高 便于实现自动化操作 因此便于大批量制品的生产 注塑模的品种 注塑模的品种很多 表8 1所为生产中常用的模具分类方法 以及种分类方法下的模具名称 设计模具时 应详细地了解注塑机的技术规范 才能设计出合乎要求的模具 8 2 1注塑机的种类及应用8 2 2对使用注塑机型号的确定 模具与注塑机的关系 模具与注塑机的关系 每副模具都只能安装在与其相适应的注塑机上进行生产 因此设计模具时 应详细地了解注塑机的技术规范 以及注射模与设备相关部分 一 注塑机的种类及应用 注塑机的组成塑料注射成型机简称注塑机 主要由注射装置 锁模装置 液压传动及电器控制系统 机架等组成 如图8 1所示 注塑机的种类及应用 注塑机的种类及其应用 按成型塑料性质 有热塑性塑料注塑机和热固性塑料注塑机 这两种类型的注塑机的差别主要体现在注射螺杆和料筒的结构细节上 按塑化方式 有柱塞式注塑机和螺杆式注塑机 柱塞式注塑机一般在公称注射量60cm3以下 螺杆式注塑机比较先进 是目前产量最大 应用最广的类型 注塑机的种类及应用 按可成型塑件的精度高低 有一般注塑机和精密注塑机 它与一般注塑机相比 具有注射压力高 注射速度快和温度控制精确的特点 按锁模机构驱动方式 有液压式和液压 机械联合式 按操作方式 有全自动 半自动和手动式 按结构形式 有立式 卧式和直角式 注塑机的种类及应用 特点及应用 立式注塑机如图8 2所示 它的注射装置垂直装设 并与锁模机构移动方向成一条轴线 优点 占地面积小 拆装模具方便 易于安放嵌件等 缺点 塑件推出后需由人工取出 不易实现全自动操作 卧式注塑机如图8 3所示 它的注射装置轴线与锁模机构轴线呈一条直线并水平排列 优点 机身较低 利于操作和加料 可实现全自动操作 机床因重心低而稳定 缺点 模具装拆与嵌件安放都比较麻烦 机床占地面积较大 注塑机的种类及应用 直角式注塑机如图8 4所示 其注射装置轴线与锁模机构轴线相互正交垂直 优点 结构简单 便于自制 适于一模仅成型一件 而中心部位不留有浇口痕迹 适用于带有自动回转脱螺纹机构的模具 缺点 占地面积介于立式和卧式两者之间 注射量的提高也受到限制 此外 还有多工位旋转式注塑机 双色注塑机等专用注塑机 注塑机的种类及应用 注塑机的种类及应用 注塑机的规格型号注塑机的最大注射量 注射柱塞或螺杆作一次最大注射行程时 注射装置所能达到的最大注出量 注出量的表示方法 1 公称重量 g 2 公称容积 cm3 例如 国产注塑机xs z 30型 xs zy 500型 xs zy 1000型 表示注塑机可注射聚苯乙烯塑料的公称容积为30cm3 500cm3和1000cm3 xs 塑料注射成型机 z 柱塞式 zy 螺杆式 注塑机型号的确定 计算校核注塑机成型工艺参数是否满足制品成型的要求1 最大注射量的校核计算 8 1 式中 注塑机公称注射量 cm3 每模的塑料体积量 cm3 是所有型腔的塑料加上浇注系统塑料的体积总和 注塑机公称注射量是以注射聚苯乙烯塑料为基础 当注射其他塑料时 应换算成其他塑料时的最大注射量V 公 换算公式为 8 2 P2 P1 为注射塑料的密度 g cm3 与聚苯乙烯密度之比 各种塑料的密度值参见表8 2 成型热敏性塑料时一模的注射量最好不底于设备最大注射量的20 物料在料筒内停留时间过长会发生分解 导致制品成型质量变劣 注塑机型号的确定 根据注塑机的最大注射量来确定模具所允许的型腔数目N 可用下式计算 8 3 式中V浇 浇注系统和溢边塑料的体积cm3 V件 一个塑料所需要的塑料体积cm3 K 设备公称注射量利用率k 0 8 0 85 注塑机型号的确定 注塑机型号的确定 2 注射压力的校核塑料机的最大注射压力应等于或大于塑件成型所需要的注射压力 校核关系式如下 8 4 式中P机 注塑机的最大注射压力 Mpa或N cm2P塑 成型塑件所需的注射压力 Mpa或N cm2 可参考表8 3取值 3 锁模力的校核锁模力又称合模力 注塑机的锁模力必须大于模具在模腔压力作用下产生的开模力 否则模具分型面将会分开而溢料 校核公式 8 5 8 6 式中F 注塑机的额定锁模力KNA 模内所有塑料在水平分型面上的投影面积cm2 K 设备注射压力的损耗系数 值在1 3 2 3范围 P腔 模腔压力N cm2 P机 注塑机的注射压力N cm2 注塑机型号的确定 注塑机型号的确定 对模具安装固定的校核1 模板规格与拉杆间距模具需经过注塑机拉杆夹持的空间而装入机内 三种装机见图 8 5 a 从上方将模具吊装入机 b 模具由侧面推入机内c 是先以其厚度装入机 然后旋转90度安装 注塑机型号的确定 2 模具厚度与注塑机模板的闭合厚度安装模具的厚度 Hm 应在注塑机的最大模具厚度和最小模具厚度之间 即 Hmin Hm Hmax 8 7 液压机械式锁模机构的注塑机 图8 6 注塑机型号的确定 3 模具定位圈与注塑机定位孔 模具主流道端与喷嘴的配合 模具装机时 定位圈应与注塑机定模板的定位孔配合间隙0 3 0 5之间 中小型模具在定模板上设置定位圈 大型模具在动 定模座板上均设置定位圈 如图8 7所示 模具主流道入口孔径D和球面凹坑半径SR与注塑机喷嘴的孔径d和球面半径Sr关系 图8 8 D d 0 5 1 mm 8 8 SR Sr 1 2 mm 8 9 注塑机型号的确定 4 模具固定位置的校核注塑机的固定模板上和移动模板上设有一系列的螺纹孔 以供固定模具之用 如图8 9和8 10 注塑机型号的确定 计算与校核注塑机保证实现模具动作要求移动模板的行程Sz 安装模具的开模距离Sm校核关系式 8 10 Sm的大小根据脱模需要确定 图8 11Sm H1 H2 5 10mm 图8 12Sm H1 H2 a 5 10mm 图8 13Sm H1 H2 5 10mm 2 顶出装置的校核塑料机的顶出装置有两种 1 机械顶2 液压顶杆大型注塑机一般设有中心液压顶出装置和两侧机械顶杆 联合使用 如 xs zy 500 xs zy 2000型等 设计模具的脱模机构时必须注意与设备的顶出方式 顶出位置相适应 注意要校核设备的推出力是否大于模具的脱模力 注塑机型号的确定 8 3浇注系统设计 浇注系统的组成及其设计原则 普通浇注系统 无流道浇注系统 浇注系统设计 一 浇注系统的组成及其设计原则 浇注系统 塑料熔体从注塑机喷嘴出来后 到达模腔之前在模具中流经的通道 浇注系统 1 普通浇注系统2 无流道浇注系统 作用 将熔体平稳地引入型腔 使之充满型腔内各个角落 在熔体填充和凝固过程中 能充分地将压力传递到行腔的各个部位 获得组织致密 外形清晰 尺寸稳定的塑件 浇注系统的组成及其作用浇注系统的组成 图8 14 1 主流道2 分流道3 浇口4 冷却穴 浇注系统设计 1 主流道 从注塑机喷嘴与模具接触位起 到分流道为止的这一段流道 作用是负责将塑料熔体输往分流道 2 分流道 介于主流道和浇口之间的一段流道 它开设在分型面上 作用是将主流道送来的塑料分配后 输往各个浇口 3 浇口 连接分流道与型腔之间的一段细短通道 4 冷却穴 一般在主流道的末端设置 以装纳冷却头 浇注系统设计 浇注系统的设计原则1 确保塑料充满整个型腔2 保证塑料熔体流动平稳3 应尽量减短流程4 流道表壁的粗糙度要低5 防止制品变形和翘曲6 防止型芯变形和嵌件位移7 去除浇口应尽量方便 且不影响制品质量8 合理设计冷却穴 浇注系统设计 普通浇注系统 主流道的设计一般将主流道设在模具的中心位置 模腔内的塑料就以模具的中心进行对称平衡布局 卧 立式注塑机使用模具的主流道垂直于水平分型面 而角式注塑机用模具的主流道平行并位于水平分型面上 主流道的端面形状多为圆形 一般都不将主流道直接开在定模板上 而是将其单独设在一个衬套中 然后将衬套镶入模板内 此衬套称为浇口套 图8 15中 a是主流道整个加工在浇口套上 b和c的主流道是由加工在两块模板上的流道孔组成 图8 16为浇口套的结构尺寸 主流道的设计事项 主流道进口端与喷嘴头部接触处应做成球面凹坑 如图8 17 通常主流道进口端凹坑的球面半径Sr要比喷嘴球面半径Sr大1 2mm 凹入深度约5mm 为了补偿主流道与喷嘴的对中误差 主流道进口端的直径D应比喷嘴出口直径d大0 5 1mm 主流道的锥角取2 4 对流性差的塑料可增加大到6 左右 主流道表壁的表面粗糙度取Ra0 8 0 4 主流道出口端应与分流道之间呈圆滑过渡 过渡角R为0 3 3mm 普通浇注系统 浇口套与安装孔应为过渡配合 浇口套与定模板之间的连接力必须足够 图8 18a所示为用螺钉来固定定位圈 定位圈压紧浇口套的形式 图8 18b所示是注塑机固定模板压住定位圈 从而压紧浇口套的形式 采用定位圈定位法 定位圈与定位孔的配合长度 中小型模具8 10mm 大型模具15mm左右 普通浇注系统 冷却穴的设计冷却穴一般设在主流道的末端 在动模或下模一侧 1 使用推杆推出机构时 冷却穴的设计 如图 8 19 8 20 2 用推件板推出机构时 冷料穴和拉料杆的设计 如图 8 21 3 垂直分型面模具用的拉料穴 如图 8 22 28 23 普通浇注系统 分流道的设计1 分流道的断面形状及尺寸分流道的断面形状有圆形 U形 梯形和矩形等 如图8 24所示 从传热面积考虑 成型热固性塑料的压注模和注射模宜采用正方形断面的分流道 从散热面积考虑 热塑性塑料注射模分流道的断面形状则宜采用圆形 分流道的断面形状及尺寸大小 应根据塑料品种 成型塑料件的体积 塑件壁厚 塑件形状 分流道长度以及注射速度等而定 普通浇注系统 2 分流道的布置形式分流道的布置形式有 平衡式和非平衡而平衡式布置为较佳 所谓平衡式布置就是将通往各个型腔的分流道的断面形状 大小及分流道长度都取作一致 如图8 25所示 非平衡式布置分流道如图8 26所示 优点 型腔数量较多是可缩短流道的长度 模具机构紧凑 缺点 精度要求特别高的塑件不宜采用 普通浇注系统 布置分流道时 还应注意使腔内塑料胀模力的中心与设备锁模力的重型重合 以防发生溢料现象 在图8 27中 图a流道布置不合理 图b的合理 当流道的长度较长时 可将分流道的尽头沿前进方向稍稍延长作为冷料穴 使冷料不致进入型腔 分流道冷料穴的实际参考尺寸为 b 1 1 5 d b1 1 1 5 d1 图8 28所示 普通浇注系统 3 分流道的转折过渡和表面粗糙度分流道改变方向时 其转折处应做圆角过渡 使流动阻力减小 分流道的包面粗糙度取Ra1 6 图8 29a所示的圆形浇口能够达到 图8 29b所示的梯形流道则不能达到 普通浇注系统 浇口的设计1 浇口形状及尺寸所产生的影响浇口的断面形状有圆形 矩形或正方形 优点 取较小的浇口 可以增加物料的充模流速 产生摩擦热或增大剪切速率来提高流动性 控制浇口封闭时间 降低模塑周期 易于平衡各型腔的进料速度 尤其是使平衡式分流道达到各浇口同时进料 容易与塑件断离 缺点 浇口过小会造成太大的流动阻力 延长进料时间 普通浇注系统 2 浇口的类型 直接浇口又称主流道型浇口 图8 30 优点 利于排气和消除熔结痕 模具机构简单而紧凑 缺点 周期延长 超压填充 容易产生残余应力 适用于单腔模 侧浇口 一般开设在分型面上 由塑件侧面进料如图8 31所示 广泛使用于多腔模 图8 32a b所示浇口与分流道相接处采取斜面或圆弧过度 图c为分流道与浇口在宽度方向的连接情况 普通浇注系统 扇形浇口 如图8 33所示 它是矩形侧浇口的一种变异形式 如图8 34所示 如此浇口的加工虽困难一些 但有助于熔体均匀地流过扇形浇口 优点 使塑料充模时横向得到更均匀的分配 降低制品的内应力和带入空气的可能性 常用来成型宽度较大的薄片状制品 普通浇注系统 普通浇注系统 薄片浇口特点 将浇口的厚度减薄 而宽度取作浇口边制品宽度的1 4至全宽 浇口台阶长约0 65mm 优点 能使物料在平行流道内均匀分配 以较低的线速度呈平行流均匀地进入型腔 降低了制品的内应力 减少了因取向而产生的翘曲 缺点 提高了制品的生产成本 适于成型大面积的扁平制品 如图8 35所示 环形浇口 优点 进料均匀 流速大致相同 空气容易顺序排出 同时避免了侧浇口的型芯对面的熔结痕 主要用于圆筒形制品或中间带有孔的制品 如图8 36a b所示 普通浇注系统 轮辐浇口 这种浇口将整圆周进料改成了几小段圆弧进料 如图8 37所示 优点 去除浇口方便 浇口回头料较少 缺点 熔结痕增多 塑件强度受到影响 爪形浇口 分流道与浇口不在同一个平面内 如图8 38所示 普通浇注系统 普通浇注系统 护耳浇口 小浇口加护耳 如图8 39所示 作用 可以避免喷射现象 降低速度 均匀地进入型腔 确保制件质量 缺点 割除护耳比较麻烦 适于有机玻璃 聚碳酸脂等透明材料和大型ABS塑料成型 点浇口 是一种断面尺寸很小的浇口 优点 自行切断 无需修剪浇口 生产效率高 单腔模多腔模均适用 断离后的点浇口凝料可以由手工取出或靠点浇口自动脱落机构脱模 潜伏浇口 采用潜伏浇口只需要两板式的单分型面模具 而采用点浇口则需要三板式的双分型面模具 特点 1 浇口位置一般选择在制品侧面不影响外观的地方 图8 46 或是加工圆柱形分流道 2 分流道设置在分型面上 图8 47 3 浇口部位宜设计为镶拼结构 图8 48 普通浇注系统 浇口位置的选择浇口位置对制品质量影响极大 应注意以下几点 1 避免熔体破裂在塑件上产生缺陷 见图8 49 8 50 2 考虑分子定向对塑件性能的影响 见图8 51 8 52 8 53 3 有利于流动 排气和补缩 见图8 54 8 55 8 56 8 57 4 在多腔模中 各个型腔浇口方位必须保持一致 见图8 58 8 59 5 减少熔结痕和提高熔结痕的强度 见图8 60 8 61 8 62 8 63 8 64 6 校核流动距离比 见图8 65 7 浇口位置应使浇口便于修整 见图8 66 8 67 8 防止料流将型芯或嵌件挤歪变形 见图8 68 8 69 普通浇注系统 三 无流道 绝热流道 热流道 浇注系统优点 缩短生产周期 节约原料 大大提高生产效率 减低成本 保证注射压力在流道中的传递 在一定程度上克服了塑件因补缩不足而产生的凹陷 缩孔等缺陷 使用无流道系统对塑料有以下要求 熔融温度的范围要较宽粘度随温度改变而改变甚小 在较低温度下具有较好流动性 在较高的温度下具有优良的热稳定性 对压力敏感 热变形温度较高 普通浇注系统 热塑性塑料的无流道浇注系统分为绝热流道和热流道 绝热流道模具绝热流道的特点 流道比普通浇注系统做得粗大的多 1 井式喷嘴绝热流道模具井式喷嘴的结构是用来绝热主流道 她是最简单的绝热流道形式 适用于单腔模 如图8 70 8 71所示 普通浇注系统 2 多型腔的绝热流道模具如图8 72所式 该模具无论主流道还是分流道均做得特别大 流道断面呈圆形 常用的分流道直径为16 30mm 最大达74mm 视塑料品种和塑料尺寸 成型周期而定 普通浇注系统 普通浇注系统 热流道模具主 分流道带有加热器的热流道是无流道模具的主要形式 与绝热流道相比 适用于热流道的塑料较多 由于塑料熔体在分流道中压力传递好 可相应降低塑料熔料温度和注射压力 塑件产生的内应力较少 热流道模具图8 82 在绝热流道模中设置加热器 图8 74 是起辅助加热和保温作用 设计热流道模具流道板时 必须留出它的热膨胀量 以保证模具正常生产时 热流道板上的给料喷嘴也型腔的浇口对中 计算公式如下 e L a t式中e 物体被加热之后产生的线形膨胀量L 被加热物体在室温下