《塑料模具设计》-陈志刚-主编第3.3PPT课件.ppt

3 4成型零件的设计3 4 1成型零件的结构设计在进行成型零件的结构设计时 首先应根据塑料的性能和塑件的形状 尺寸及其它使用要求 确定型腔的总体结构 压缩模的加压方向或压注模和注射模的浇注系统及浇口位置 分型面 脱模方式 排气等 然后根据塑件的形状 尺寸和成型零件的加工及装配工艺要求进行成型零件的结构设计和尺寸计算 1 1 凹模的结构设计凹模是成型塑件外表面的凹状零件 包括零件的内腔和实体两部分 它的结构决定于塑件的成型需要和加工与装配的工艺要求 通常可分为整体式和组合式两大类 2 1 整体式凹模1 是由整块钢材直接加工而成的 2 结构简单 牢固可靠 不易变形 成型的塑件质量较好 3 当塑件形状复杂时 其凹模的加工工艺性较差 采用一般机械加工方法 因此 在先进的型腔加工机床尚未普遍应用之前 整体式凹模适用形状简单的小型塑件的成型 3 4 2 组合式凹模1 组合式凹模是由两个以上零件组合而成的 2 这种凹模改善了加工性 减少了热处理变形 节约了模具贵重钢材 3 结构复杂 装配调整比较麻烦 塑件表面可能留有镶拼痕迹 组合后的型腔牢固性较差 因此 这种凹模主要用于形状复杂的塑件的成型 5 组合式凹模的组合形式很多 常见的有以下几种 1 嵌入式组合凹模 整体嵌入式组合凹模对于小型塑件采用多型腔塑料模成型时 各单个凹模一般采用冷挤压 电加工 电铸等方法制成 然后整体嵌入模中 其结构如图3 50所示 6 这种凹模形状及尺寸的一致性好 更换方便 加工效率高 可节约贵重金属 但模具体积较大 需用特殊加工法 7 局部镶嵌式组合凹模为了加工方便或由于型腔某一部位容易磨损 需要更换者采用局部镶嵌的办法 如图3 51所示 此部位的镶件单独制成 然后嵌入模体 8 2 镶拼式组合凹模为了便于机械加工 研磨 抛光和热处理 整个凹模可由几个部分镶拼而成 镶拼的方法有 当凹模型腔底部形状比较复杂或尺寸较大时 可将凹模做成穿孔的 再镶上底部 如图3 52所示 9 如塑件结构需要 也可将凹模侧壁做成镶拼的 如图3 53所示 10 对于大型型腔 由于塑料的压力很大 螺钉易被拉伸变形或剪切变形 为此 可将侧壁镶拼部分压入模板中 如图3 54所示 但这样却增加了模具的尺寸和重量 11 12 3 瓣合式凹模对于侧壁带凹的塑件 如线圈骨架 为了便于脱模 可将凹模做成两瓣或多瓣组合式的 成型时瓣合 脱模时瓣开 常见的瓣合式凹模是两瓣组合式 如图3 56所示 13 14 2 凸模和型芯的结构设计 1 凸模或型芯凸模是指在压缩模中承受或传递压机压力 与凹模有配合段 直接接触塑料 成型塑件内表面或上 下端面的零件 型芯是指注射模中成型塑件有较大内表面的凸状零件 它又称主型芯 15 凸模或型芯有整体式和组合式两大类 16 17 2 小型芯小型芯又称成型杆 它是指成型塑件上较小孔或槽的零件 1 孔的成型方法 通孔的成型方法如图3 59所示 18 盲孔的成型方法只能采用一端固定的型芯来成型 为了避免型芯弯曲或折断 孔的深度不宜太深 注射模或压注模 孔深 3倍孔径 压缩模塑 平行于压制方向的孔深 2 5倍孔径 垂直于压制方向的孔深 2倍孔径 19 复杂孔的成型方法形状复杂的孔 或斜孔可采用型芯拼合的方法来成型 如图3 61所示 这种拼合方法可避免采用侧抽芯机构 从而使模具结构简化 20 21 2 小型芯的固定方法小型芯通常是单独制造 然后嵌入固定板中固定 其固定方式如图3 62所示 22 23 24 3 螺纹型芯和螺纹型环的结构设计螺纹型芯是用来成型塑件上的内螺纹 螺孔 的 螺纹型环则是用来成型塑件上的外螺纹 螺杆 的 此外它们还可用来固定金属螺纹嵌件 无论螺纹型芯还是螺纹型环 在模具上都有模内自动卸除和模外手动卸除两种类型 此处仅介绍手动卸除的结构 25 在模具内安装螺纹型芯或型环的主要要求是 成型时要可靠定位 不因外界振动或料流的冲击而位移 在开模时能随塑件一起方便地取出 并能从塑件上顺利地卸除 26 1 螺纹型芯按其用途可分为成型塑件上的螺孔用的和装固金属螺母用的两种方式 这两种形式的螺纹型芯在结构上差别不大 但前者在设计时应考虑塑料的收缩率 粗糙度应小一些 螺纹的始端和末端还应留有过渡长度 后者仅按一般螺纹制造 不考虑收缩率 粗糙度可以大些 为了使螺纹型芯能从塑件螺孔或螺纹嵌件的螺孔中顺利拧出 一般将其尾部做成四方形或相对的两边磨成两个平面 以便于夹持 27 28 29 2 螺纹型环螺纹型环也有两种类型 成型塑件外螺纹用的 图3 67a 和固定带有外螺纹的环状嵌件用的 图3 67b 所示 后者又称嵌件环 30 31 4 齿轮型腔的结构设计由于塑料都有一定的成型收缩率 因此成型塑料齿轮的模具型腔需要放大一个考虑综合收缩的尺寸 塑料齿轮型腔加工根据设备条件 塑料性能及生产批量等因素 可选用机械切削加工 冷挤压成型 电火花加工 线切割加工 电铸加工 浇铸锌基合金 注压耐高温塑料等方法 32 适用于冷挤压成型的型腔 适用于超塑合金压制而成的型腔 适用于浇铸锌基合金或注压耐高温塑料制成的型腔 适用于机械加工而成的型腔 适用于电铸加工而成的型腔 33 3 4 2成型零件的工作尺寸计算工作尺寸 是指成型零件上直接用以成型塑件部分的尺寸 主要有型腔和型芯的径向尺寸 包括矩形或异形的长和宽 型腔的深度或型芯的高度尺寸 中心距尺寸等 图3 71 34 任何塑件都有一定的尺寸要求 在安装和使用中有配合要求的塑件 其尺寸公差常要求较小 在设计模具时 必须根据塑件的尺寸和公差要求来确定相应的成型零件的尺寸和公差 35 1 影响塑件尺寸公差的因素 1 成型零件的制造误差 Z 成型零件的公差等级越低 其制造公差也越大 因而成型的塑件公差等级也就越低 实验表明 成型零件的制造公差 Z 一般可取塑件总公差 的1 3 1 4 即 z 3 4 组合式成型零件的制造公差应根据尺寸链加以确定 36 2 成型零件的磨损量 c 由于在成型过程中的磨损 型腔尺寸将变得越来越大 型芯或凸模尺寸越来越小 中心距尺寸基本保持不变 造成成型零件磨损的因素很多 但塑件脱模过程的摩擦磨损是最主要的 因此 为了简化计算 规定 凡与脱模方向相垂直的成型零件表面可不考虑磨损 而与脱模方向相平行的表面应考虑磨损 对小型塑件而言 成型零件的磨损量对塑件公差影响很大 对大型塑件则影响较小 对于中小型塑件 最大磨损量 c可取塑件总公差 的1 6 即 c 6 对于大型塑件则取 6以下 37 3 成型收缩率的偏差和波动 s 成型收缩率是指室温时塑件与模具型腔 或型芯 两者尺寸的相对差 它可按下式求得 3 1 式中S 塑料成型收缩率 LM 模具型腔在室温下的尺寸 Ls 塑件在室温下的尺寸 LM Ls LsS 3 2 38 塑件尺寸误差 收缩率在一定范围内的变化与波动 在设计计算时对收缩率估计不准 偶然误差 系统误差 一副已完工的模具出现的产品误差 39 通常 塑料收缩率波动越大 可能产生的成型收缩率的估计误差也越大 因收缩率波动所引起的塑件尺寸误差可按下式计算 s Smax Smin Ls 3 3 式中 s 收缩率波动所引起的塑件尺寸误差 Smax 塑料的最大收缩率 Smin 塑料的最小收缩率 据有关资料介绍 一般可取 s 3 40 4 模具安装配合的误差 j 由于模具成型零件的安装误差或在成型过程中成型零件配合间隙的变化 都会影响塑件的尺寸误差 例如由上模或下模之间合模位置确定的尺寸 其尺寸波动要受导向零件配合间隙值的影响 如壳体塑件侧壁厚度的波动 是由导柱与导向孔的配合间隙来确定的 又如成型零件上孔的型芯 若按间隙配合安装在模内 则中心位置的误差 型芯最大偏移量 要受配合间隙值的影响 但若采用过盈配合 则不存在此误差 41 5 水平飞边厚度的波动 f 采用溢式或半溢式压缩模成型塑件 其水平飞边厚度常因工艺条件等因素的变化而波动 从而影响塑件高度尺寸 使高度尺寸公差低于横向尺寸的公差 水平飞边厚度波动所造成的误差以 f表示 对于压注模和注射模 水平飞边厚度很薄 甚至没有飞边 所以对塑件高度尺寸影响很小 42 综上所述 塑件可能产生的最大误差 为上述各种误差的总和 即 z c s i f 3 4 式 3 4 是极端的情况 即所有误差都同时偏向最大值或最小值时得到的 但从或然率的观点出发 这种机率接近于零 因为 z s等呈正态分布 它们有一定的分布范围和分布中心 分布中心附近误差出现的机率较多 而且各种误差因素还会互相抵消一部分 43 由式 3 4 可知 塑件公差等级往往是不高的 设计塑件时 其公差的选择不仅要从塑件的装配和使用需要出发 而且还要充分考虑塑件在成型过程中可能产生的误差 也就是说 塑件的公差要求受到可能产生的误差限制 塑件的公差值应大于或等于上述各种因素所引起的积累误差即 3 5 因此 在设计塑件时应慎重决定其公差值 以免给模具制造和成型工艺条件的控制带来困难 44 通常情况下 影响 的主要因素有 成型零件的制造误差 Z 成型零件的磨损量 c 成型收缩率的偏差和波动 s 45 整体式凹模 Z c s Z s c Z s f 46 各种主要误差随塑件尺寸的增加而变化的情况 z是随塑件尺寸的增大按立方抛物线关系增加 s是随塑件尺寸的增大成正比地增加 c是随塑件尺寸的增大而增加速度比较缓慢 问题1 针对上述情况 请问在生产大尺寸塑件时对哪些误差应重点考虑 具体应采取什么措施 问题2 针对上述情况 请问在生产小尺寸塑件时对哪些误差应重点考虑 具体应采取什么措施 47 2 成型零件工作尺寸计算方法成型零件工作尺寸的计算方法有以下两类 一类是按平均收缩率 平均制造公差和平均磨损量进行计算 简便易行 但对设计高精度塑件的模具不利 一类是按极限收缩率 极限制造公差和极限磨损量进行计算 塑件尺寸精度高 但计算比较烦琐 本书是按平均收缩率进行计算的 48 为计算简便起见 塑件和成型零件均按单向极限将公差带置于零线的一边 并规定 以型腔内径成型塑件外径时 规定型腔基本尺寸LM为型腔最小尺寸 偏差为正 表示为LM z 塑件基本尺寸Ls为塑件最大尺寸 偏差为负 表示为LS 如图3 72a所示 以型芯外径成型塑件内径时 规定型芯最大尺寸为基本尺寸 表示为LM z 塑件内径最小尺寸为基本尺寸 表示为LS 如图3 72b所示 49 50 即凡是孔都是以它的最小尺寸作为基本尺寸 凡是轴都是以它的最大尺寸作为基本尺寸 从图3 72a可见 计算型腔深度时 以H z表示型腔深度尺寸 以Hs 表示对应的塑件高度尺寸 计算型芯高度尺寸时 以HM z表示型芯高度尺寸 以Hs 表示对应的塑件上的孔深 如图3 72b所示 如塑件上原有公差为双向偏差制 则应按上述要求加以换算 51 3 型腔和型芯工作尺寸计算 1 型腔和型芯径向尺寸1 型腔径向尺寸已知在规定条件下的平均收缩率Scp 塑件尺寸Ls 磨损量 c 则塑件的平均尺寸为 Ls 2 如以L z表示型腔尺寸 则型腔的平均尺寸为L z 2 型腔磨损量 c 2时的平均尺寸为 L z 2 c 2 52 塑件和模具型腔尺寸之间的关系式为 模具在室温下型腔尺寸 塑件在室温下的尺寸 塑件在室温下的尺寸 塑料的收缩率 L z 2 c 2 Ls 2 Ls 2 Scp 对于中小型塑件 令 z 3 c 6 并将比其它各项小得多的 2 Scp略去 则有 标注制造公差后 则为 53 2 型芯径向尺寸 上列公式 3 6 及 3 7 中 的系数取1 2 3 4 塑件尺寸及公差大的取1 2 相反则取3 4 2 型腔深度和型芯高度尺寸 公式见P92页 3 8 3 9 的系数有的资料取1 2 54 3 型腔和型芯脱模斜度的确定塑件成型后为便于脱模 型腔和型芯在脱模方向应有脱模斜度 其值的大小按塑件精度及脱模难易而定 一般在保证塑件精度要求的前提下 宜尽量取大些 以便于脱模 型腔的斜度可比型芯取小些 因为塑料对型芯的包紧力较大 难于脱模 55 在取脱模斜度时 对型腔尺寸应以大端为基准 斜度取向小端方向 对型芯尺寸应以小端为基准 斜度取向大端方向 当塑件的结构不允许有较大斜度或塑件为精密级精度时 脱模斜度只能在公差范围内选取 当塑件为中级精度要求时 其脱模斜度的选择应保证在配合面的2 3长度内满足塑件公差要求 一般取 10 20 当塑件为粗级精度时 脱模斜度值可取 20 30 1 1 30 2 3 56 4 说明1 成型精度较低的塑件 按上列公式计算而得的工作尺寸 其数值只算到小数点后的第一位 第二位数值四舍五入 成型精度较高的塑件 其工作尺寸的数值要算到小数点后第二位 第三位数值四舍五入 57 2 对于收缩率很小的聚苯乙稀 醋酸纤维素等塑料 在用注射模成型薄壁塑件时 可以不必考虑收缩 其工作尺寸按塑件尺寸加上其制造公差即可 3 在计算成型零件尺寸时 如能了解塑件的使用性能 着重控制它们的配合尺寸 如孔和外框 装配尺寸等 对其余无关重要的尺寸简化计算 甚至可按基本尺寸不放收缩 也不控制成型零件的制造公差 则可大大简化设计和制造 58 4 中心距工作尺寸计算中心距尺寸标准一般采用双向等值公差 设塑件中心距尺寸为Ls 2 模具中心距尺寸为LM z 2 由于塑件尺寸和模具尺寸都是按双向等值公差标准 磨损又不会引起中心距尺寸变化 因此塑件基本尺寸Ls和模具基本尺寸LM分别是塑件和模具的平均尺寸 故有LM Ls LsScp标注制造公差后 则为 59 影响模具中心距尺寸的因素有 1 模具上型芯的中心距取决于安装型芯的孔的中心距 用普通方法加工孔时 制造误差与孔间距离有关 表3 23列出了经济制造误差与孔间距之间的关系 2 若型芯与模具上孔成间隙配合 配合间隙 j也会影响模具的中心距尺寸 对一个型芯来说 当偏移到极限位置时引起的中心距偏差为0 5 j 如图3 73a所示 过盈配合的型芯或模具上的孔没有此项偏差 60 61 3 由于工艺条件和塑料变化引起收缩率波动 使中心距尺寸发生变化 4 假设模具在使用过程中型芯在圆周上系均匀磨损 则磨损不会使中心距发生变化 62 5 型芯 或成型孔 中心到成型面距离尺寸计算 63 1 安装在凹模内的型芯中心与凹模侧壁距离尺寸的计算按平均收缩率计算模具基本尺寸如下 整理并标注制造公差 64 2 安装在凸模上的型芯 或孔 中心与凸模边缘距离尺寸计算 由于 c 4的数值很小 因为一般 c 1 6 只有成型精密塑件时才考虑该磨损 一般塑件 此类尺寸仍可按中心距工作尺寸计算 65 6 螺纹型芯和螺纹型环工作尺寸计算 1 概述螺纹连接的种类很多 其配合性质也不相同 影响螺纹连接的因素比较复杂 目前还没有成熟的计算方法 此处仅就普通紧固连接用的螺纹 牙型角为60 的公制螺纹 型芯和型环的计算方法加以讨论 66 螺纹成型尺寸的计算是以下列假设为前提的 1 塑件外螺纹与塑件内螺纹相配合 二者收缩率相同 例如内外螺纹由同种塑料制造 或相近时 可不考虑螺距的收缩 2 金属螺纹与塑件螺纹相配合 成型模具的螺纹部分放了螺距收缩率 3 金属螺纹与塑件螺纹相配合 成型模具未考虑螺距收缩 但配合长度很短 不超过7 8牙 67 2 螺纹成型尺寸计算1 螺纹型芯成型尺寸计算大径 z 0 3 13 式中dM 螺纹型芯大径 mm Ds 塑件内螺纹大径 mm Scp 塑件的平均收缩率 b 塑件内螺纹中径公差 mm z 螺纹型芯大径制造公差 mm 68 目前 我国尚无专门的塑料螺纹公差标准 可参照金属螺纹公差标准中精度最低者选用 一般选用其中的粗糙级 其公差值可查有关公差标准 GB197 2003 螺纹型芯大径制造公差一般取为 z b 3 或查表3 24及表3 25 69 3 说明1 成型塑件螺纹时 由于收缩的不均匀性及收缩率波动等因素 其尺寸 例如螺距尺寸 和牙型同正常螺纹相比都有较大的偏差和变化 降低了可旋入性 因此在不影响使用的情况下 为了确保两塑件螺纹的配合 要求它们的配合比较松动 这样螺纹型环的尺寸就要比螺纹型芯相应部分的尺寸小一些 从而保证塑件外螺纹比塑件内螺纹略小 70 2 考虑收缩而计算的螺距是带小数点的特殊螺距 给机械加工带来一定困难 此时可采用下列方法解决 可在普通车床上配置特殊齿数的变速挂轮来解决 但因挂轮的齿数有限 不能满足不同收缩率的需要 可以偏移车床的尾座 加上使刀具斜向运动的靠模板来解决 71 当放收缩的螺距无法加工时 可在中径公差范围内 用加大型芯中径或缩小型环中径的方法来补偿塑件螺纹的累积螺距误差 图3 76 但需要配合使用的螺纹长度L值不得超过极限长度 否则影响螺纹配合 极限长度可按下式计算 3 20 极 式中L极 允许配合使用的螺纹极限长段 mm b 螺纹中径公差 mm Scp 塑料的平均收缩率 72 7 成型零件工作尺寸计算实例 查表得PF2A1为通用类酚醛塑料粉 其最小收缩率为Smin 0 5 最大收缩率为Smax 1 0 平均收缩率为Scp 0 75 73 M8为普通粗牙螺纹孔 螺距P 1 25mm Ds 8mm D1s 6 65mm D2s 7 19mm M27 1 5为普通细牙螺纹 螺距P 1 5mm d1s 25 375mm d2s 26 026mm 模具成型零件的制造公差取 z 4 74 1 型腔尺寸 z z 75 z 2 型芯尺寸 z z 76 8 型腔和底板的强度及刚度计算 1 强度及刚度塑料模型腔壁厚及底板厚度的计算是模具设计中经常遇到的重要问题 尤其对大型模具更为突出 目前许多单位都凭经验决定 但常因估计不准确而造成模具报废或浪费材料 为此 建立科学的计算方法实属必要 目前常用计算方法有按强度和按刚度条件计算两大类 但实际的塑料模却要求既不允许因强度不足而发生明显变形 甚至破坏 也不允许因刚度不足而发生过大变形 因此要求对强度及刚度加以合理考虑 77 在塑料模塑过程中 型腔所承受的力是十分复杂的 就注射模而论 型腔所受的力有塑料熔体的压力 合模时的压力 开模时的拉力等 其中最主要的是塑料熔体的压力 在塑料熔体的压力作用下 型腔将产生内应力及变形 如果型腔壁厚和底板厚度不够 当型腔中产生的内应力超过型腔材料的许用应力时 型腔即发生强度破坏 与此同时 刚度不足则发生过大的弹性变形 从而