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模具设计理论知识 第一节 模具结构第二节 模具设计第三节 模具材料及热处理第四节 模具的使用与维护 1 第一节模具结构 冲模结构塑料成型模具结构压铸模结构锻模结构 2 1 冲模结构 1 1冲压基本工序及变形特点按其类别可分为 分离和成型落料冲裁冲孔剪切a 分离切口切边剖切落料特点 用模具沿封闭线冲切板料 冲下的部分为工件 其余部分为废料 冲孔特点 用模具沿封闭线冲切板材 冲下的部分是废料 剪切特点 用剪刀或模具切断板材 切断线不封闭 切口特点 在坯料上将板材部分切开 切口部分发生弯曲 切边特点 将拉深或成型后的半成品边缘部分的多余材料切除 剖切特点 将半成品切开成两个或接个工件 常用于成双冲压 3 弯曲卷圆扭曲拉深变薄拉深孔的翻边翻边外缘翻边缩口b 成型扩口起伏卷边胀形旋压整形校平压印正挤压挤压反挤压复合挤压 4 1 弯曲特点 用模具使板材弯曲一定形状 2 卷圆特点 将板料端部卷圆 3 扭曲特点 将平板坯料的一部分相对于另一部分扭转一个角度 4 拉深特点 将板料压制成空心工件 壁厚基本不变 5 变薄拉深特点 用减小直径与壁厚 增加工件高度的方法来改变空心件的尺寸 得到要求的底厚 壁薄的工件 6 孔的翻边特点 将板料或工件上有孔的边翻成竖立边缘 7 外缘翻边特点 将工件的外缘翻起圆弧或曲线状的竖立边缘 8 缩口特点 将空心件的口部缩小 9 扩口特点 将空心件的口部扩大 常用于管子 10 起伏特点 在板料或工件上压出筋条 花纹或文字 在起伏处整个厚度上都变薄 11 卷边特点 将空心件的边缘卷成一定的形状 12 胀形特点 使空心件 或管料 的部分沿径向扩张 呈凸肚形 13 旋压特点 利用擀棒或滚轮将板料毛坯擀压成一定形状 分变薄与不变薄两种 14 整形特点 把形状不太准确的工件校正成型 15 校平特点 将毛坯或工件不平的面或弯曲面予以压平 16 压印特点 改变工件厚度 在表面上压出文字或花纹 17 正挤压特点 凹模腔内的金属毛坯在凸模压力的作用下 使其由凹模孔挤出 金属流动的方向与凸模运动方向相同 18 反挤压特点 金属挤压过程中 沿凸模与凹模的间隙塑流 其流动方向与凸模运动方向相反 19 复合挤压特点 正挤与反挤的结合 5 1 2冲模分类及其结构 一 冲模分类冲模按工序性质分 冲裁模 弯曲模 拉深模 成型模 翻边模 缩口模 胀形模等 按工序组合分为 单工序模 复合模 连续模 按导向方式分为 无导向模 导柱模 导板模 导筒模等 按机械化程度性分为 通用模和专用模 按冲模材料分为 钢模 铸铁模 锌基合金模 聚氨酯橡胶模等 按冲模尺寸分为 大型冲模 中型冲模 小型冲模 二 冲模基本结构组成冲模基本结构可分为工艺类零件和辅助类零件工艺类零件有 工作零件 定位零件 卸料和顶出零件等 其主要组成如下 工作零件 凸模 凹模 凸凹模 刃口镶块 定位零件 定位销 挡料销 导正销 导料板 定距侧刃等 卸料 顶出零件 压料板 卸料板 顶出器 顶销 推板等 辅助零件有 导向零件 支撑及夹持零件 紧固零件等 其主要组成如下 导向零件 导柱 导套 导板 导筒 支撑及夹持零件 上 下模板 模柄 凸凹模固定板 垫板 限位器 紧固零件 螺钉 销钉 弹簧 其重柄 托料架等 6 三 模具的自动送料及出件装置1 自动送料装置工作原理 压力机滑块或上模带动送料钩作往复运动 送料钩在进给过程中钩住坯料搭边沿送料方向送进 回程时止回销可阻止送料钩背面将坯料退回 2 自动出件装置自动出件装置的作用是把冲压下来的工件或废料及时送出 按其特点可分为 气动式和机械式 7 2 塑料成型模具结构 2 1塑料成型方法压缩成型压注成型 活板式压注成型 罐式压注成型 柱塞式压注成型 注射成型吹塑成型 注射吹塑成型 挤出吹塑成型 发泡成型 机械发泡成型 物理发泡成型 化学发泡成型 塑料制品成型方法发泡成型挤出成型热成型 差压成型 柱塞助压成型 回吸成型 对模成型 覆盖成型 双片热成型 铸塑成型 嵌铸 离心浇铸 流延浇铸 搪塑 滚塑 压延成型层压成型 8 2 2塑料成型模具分类及结构 一 塑料成型模具分类注射成型模具压缩成型模具压注成型模具塑料成型模具分类挤出成型模具吹塑成型模具热成型模具发泡成型模具 二 塑料成型模具的结构及其组成1 注射模具的基本类型 9 2 注射模的结构组成 10 模具基本结构 11 两板模 12 三板模 13 3 压铸模结构 压铸是压力铸造的简称 它是将液态或半液态金属 在高压作用下 以高速度填充压铸模具型腔并在压力下快速凝固而获得铸件的一种方法 3 1压铸的特点 3 1 1 生产效率高3 1 2 产品质量好3 1 3 经济效果好3 1 4 目前存在的问题大3 2压铸模结构组成和作用压铸模一般由三部分组成 定模部分 动模部分 卸料部分 压铸模的结构与注射模具的两板模结构很相似 除流道和排气有区别外在模具结构设计上基本类似 14 4锻模结构 4 1模锻分类及成型特点常用模锻方法分 胎模锻 固定模锻 15 第二节模具设计 1 塑料模具设计一般资料2 塑料制品的结构工艺性3 注射模设计 16 1塑料模具设计一般资料 1 1常用塑料种类及性能塑料是以高分子量合成树脂为主要成分 在一定条件下 如温度 压力等 可塑制成一定形状且在常温下保持形状不变的材料 塑料按受热后表面的性能 可分为热固性塑料与热塑性塑料两大类 17 1 1 1热固性塑料PF UF MF EP1 1 2热塑性塑料ABS AS PS HDPE PP PA PC POM PPO PPS PMMA1 2常用成型设备的主要技术参数1 2 1理论注射容量1 2 2螺杆直径1 2 3注射压力1 2 4注射速率1 2 5塑化能力1 2 6螺杆转速 18 1 2 7锁模力1 2 8拉杆内间距1 2 9模板行程1 2 10最小模具厚度1 2 11最大模具厚度1 2 12顶出行程1 2 13顶出力1 2 14定位圈尺寸1 2 15顶出孔中心距1 2 16喷嘴SR尺寸 19 2塑料制品的结构工艺性 塑料制品的结构工艺性直接影响制品本身的性能指标 成型工艺的实施和模具结构的复杂程度 因此 模具设计人员必须熟悉与设计模具相关的塑料制品结构工艺性方面的要求 以便在满足使用要求的前提下 考虑塑件在模具中成型的特点 充分发挥所用塑料在性能上的优势 达到简化塑件及模具结构 降低生产成本的目的 20 2 1塑料制品结构设计的主要内容2 1 1壁厚2 1 2脱模斜度2 1 3加强与防止变形的结构2 1 4孔的设计要点2 1 5螺纹设计要点2 1 6嵌件设计要点2 1 7侧凸或侧凹 21 2 1 1塑件壁厚的选择原则 1 从塑件结构考虑 塑件应有足够的强度和刚度 塑件壁厚应尽量均匀 不同壁厚或转角处比例不应相差太大 不超过1 3 并且应尽量用圆弧过渡 嵌件部分的包容塑料不宜太小 以防开裂 2 从塑件成型考虑 壁厚应与塑料流动性和成型压力适应 壁厚应适应塑件形状的需求 3 从脱模考虑 应能承受脱模力的作用 22 2 1 2塑件脱模斜度的选择原则 1 在许可的情况下 斜度尽量去大 2 塑件内表面斜度 外表面斜度 3 形状复杂的塑件比形状简单塑件的斜度大 4 厚度塑件比薄壁的斜度大 5 热塑性塑料比热固性塑料的斜度大 6 硬塑料比软塑料的斜度大 23 2 1 3加强与防止变形的结构加强筋圆角 A B B的厚度大约是A的2 3 圆角的优点a可起加强作用b还有利于料的流动c方便加工d减小产品的内应力等优点 不好 好 24 2 1 4孔的设计要点 S1 d1 S2 d2 d10时S1 d1 L 盲孔直径D 压缩成型 注射或压注成型 1 5 5 5 10 D1 5D2D 2D3D4D d D D d 0 5 25 2 1 5螺纹设计要点1 直接模塑成型的螺纹直径不小于3MM2 避免模塑成型螺距 0 5MM的螺纹3 螺纹的旋合长度L应 直径的1 5倍 2倍4 同一螺纹型芯上有两段螺纹时 必须旋向相同 螺距相等 5 对螺距不等或旋向不同的同轴螺纹 则应使组合型芯 型环 26 2 1 6嵌件设计要点1 嵌入部分边棱要倒钝 表面应防脱 2 内螺纹最好不做通 3 嵌件外侧的塑料层应有作够的厚度 4 嵌件设在塑件上的凸起部位时 嵌入深度应 凸起部位的高度5 螺纹嵌件应设计无螺纹区 以防熔料渗入模内6 嵌件在模内要定位准确 其高度一般 直径的2倍 且应有公差要求 27 2 1 7侧凸或侧凹1 允许强行脱模时 不同的塑料材料 侧凹的尺寸也是不一样的 软一点的塑料倒扣可设计大 硬一点的不允许或很小 关于内部的强拉扣位 道理也是一样 28 3注射模设计 一 确定成型设备二 浇注系统三 成型零部件结构四 导向机构五 顶出机构六 冷却 加热系统七 排气系统 29 一 成型设备相关信息选择成型设备的主要依据是成型制件所需的1 最大注射容量 2 锁模力 3 塑化量 4 注射机最大 最小的允许容模厚度 5 注射机的最大开模行程 6 注射机的最大顶出行程7 模具最大外形尺寸应符合注射机的模板尺寸和拉杆间距8 定位圈应符合注射机的模板的定位尺寸 浇口套主浇道端部的圆弧半径应符合注射机喷嘴圆弧尺寸 一般应比喷嘴圆弧半径大1MM 9 模具固定应符合注射机模板固定用螺孔尺寸10 模具顶出孔位置符合注射机的顶出位置 30 二 浇注系统浇注系统是指注射机喷嘴到型腔之间的进料通道 其中包括 主流道 分流道 浇口 冷料穴等 浇注系统设计的是否合理 直接影响到产品能否生产出来 合理的流道产品容易成型 尺寸稳定 外观精美 1 主流道设计要点 a 主流道长度应尽量短 一般为20MM 40MM 以减少冷料回收量 压力损失和热损失 b 流道应光洁 以确保让料流顺畅 并防止冷料脱模困难 c 当主流道贯穿几块模板时 浇口套不应采用分段结构 以免塑料进入接缝内 影响冷料脱模 d 浇口套的长度和定模配合部分的厚度应一致 以防止模具闭合不严而造成溢料 31 2 分流道设计原则 a 比表面积 流道表面积与其体积之比 为最小 b 流道长度应尽量短 截面尽量小 2 1分流道的截面形状 矩形 半圆形 U形 梯形 正方形 圆形 理论上圆形流道流动性最好 压力损失和热损失最小 在实际生产中圆形流道由于加工精度的原因 不是很好控制 所以很少采用 经常用的是U形和梯形流道 各种塑料产品所用的塑料不同 流道的截面尺寸也是不同的 流动性好 产品小的流道相对可以设计小 反之流动性不好的流道截面要设计大 在模具设计中 经常有多腔模具 此时经常用的是平衡流道 特殊的产品才用非平衡式流道 32 3 冷料穴注射成型时 喷嘴前端的熔料温度较低 为防止其进入型腔 通常在流道的末端设计用以集存这部分冷料的冷料穴 冷料穴的设计 即沿料流方向做成延长流道 冷料穴设计的是否合理 直接影响到成型产品的外观 冷料穴 33 4 浇口浇口是连接分流道和型腔的进料通道 在浇注系统个要素中 浇口的形状 尺寸 位置对塑件的质量影响很大 a 浇口的形状有以下几种 1 直接浇口2 侧浇口3 扇形浇口4 点浇口5 潜伏浇口6 平缝浇口7 盘形浇口8 环行浇口9 轮辐式浇口10 护耳浇口 34 b 浇口的位置对制件质量影响很大 在确定浇口位置时 应充分考虑物料的流动状况 填充顺序 冷却与补料 塑件性能要求等因素 c 注胶平衡设计多腔模和单腔模多点进胶时 为保证填充条件一致 应结合流道平衡保证浇口平衡 尽量做到使熔料同时均匀充满各型腔或型腔的各部位 为此 必须将浇口尺寸进行修正 通常的做法是 首先保证浇口的长度和深度不变 然后通过改变浇口宽度的方法来进行修正 直到填充平衡 35 三 成型零不件结构成型零不见是指构成模具型腔的零件 设计原则如下 第一步 根据塑料性能 塑件的使用要求确定型腔的总体结构 主要有 浇口及其位置 分型面 排气 脱模 模温调节等 第二步 从机械加工工艺要求出发 决定型腔各零件的组合方式及装配结构 第三步 根据塑件尺寸 计算成型零件的工作尺寸并确定零件结构的细部尺寸 第四步 根据成型工艺要求对关键成型零件进行强度和刚度校核 36 37 38 39 四 导向机构导向机构的作用 1 定位作用 保证模具闭合后型腔具有正确的形状 2 引导作用 保证型芯准确进入凹模 3 承受一定的侧向力 导向机构设计要点 1 导柱长度应比型芯端面高度高出10MM 以引导动 定模正确闭合 2 导柱 导套应有先导部分 一般均做成锥度或圆弧状 3 导柱的固定方式一般用螺丝或挂台4 导柱与导套的配合一般为H8 f85 导柱的布置必须保证动 定模只能按一个方向合模 通常采用相同直径不对称布置和不同直径对称布置形式 6 在不同的场合选择不同形式的导柱和导套 40 五 顶出机构顶出机构的作用 塑件成型后 使其从预定模板上脱出 所以又称为脱模机构 顶出机构不仅要完成塑件的可靠脱出 而且要保证合模时与其他零件不发生干扰 完全复位 为此 顶出机构设计应遵循的一般原则是 1 顶出运动要可靠 灵活 无卡死现象 机构本身要有足够的强度和刚度 足以克服脱模阻力 2 保证塑件在顶出过程中不变形 3 顶出力的部分应尽量靠近型芯 且顶出面积应尽可能大 4 顶出的位置应设在不宜使塑件产生变形的部位 如凸缘 加强筋 厚壁等处 尽量避免顶出力作用在塑件的平面上 5 为不影响塑件尺寸和使用 一般顶出零件端头应稍高出成型零件表面 顶出零件有 顶针 双节顶针 司筒 推块 推板 斜顶等 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 六 冷却 加热系统在注射成型过程中 模具的温度直接影响成型塑件的质量 成型性 尺寸稳定性 变形 表观缺陷 物理力学性能等 和生产效率 温度调节的目的就是使模温控制在适合塑件质量要求的最佳成型的温度范围 温度调节包括冷却和加热 一般热塑性塑料注射成型时要求模具温度较低 经济的调节方法是采用冷却水冷却 即在模具型腔周围或型内开设冷却水道 用循环水带走多余的热量 达到调节模具温度的目的 有些塑料的流动性不是很好的情况下或外观要求透明 此时就需要用到模温或局部加热的方法 57 冷却水设计要点 1 冷却水道的数量越多 对塑件的冷却也就愈均匀 2 水道与型腔表面各处最好有相同的距离 即均匀冷却 3 对热量积聚大 温度上升快的部位要加强冷却 4 尽量降低入水与出水的温度差 5 冷却水道要避开塑件的熔接痕部位 保证水道密封 6 冷却水道要便于加工和清理 58 七 排气系统在注射模试模生产中常会出现填充不足 压缩空气灼伤 制品内部很高的内应力 表面流线和熔合线等现象 对于这些现象除了应首先调整注塑工艺外 还要考虑模具浇口是否合理 当注塑工艺和浇口这两个问题都排除以后 那么模具的排气就是主要的问题了 解决这一问题的主要手段是开设排气槽 59 排气槽的作用主要有两点 一是在注射熔融物料时 排除模腔内的空气 二是排除物料在加热过程中产生的各种气体 越是薄壁制品 越是远离浇口的部位 排气槽的开设就显得尤为重要 另外对于小型件或精密零件也要重视排气槽的开设 因为它除了能避免制品表面灼伤和注射量不足外 还可以消除制品的各种缺陷 减少模具污染等 那么 模腔的排气怎样才算充分呢 一般来说 若以最高的注射速率注射熔料 在制品上却未留下焦斑 就可以认为模腔内的排气是充分的 60 模腔排气的方法很多 但每一种方法均须保证 排气槽在排气的同时 其尺寸设计应能防止物料溢进槽内 其次还要防止堵塞 因此从模腔内表面向模腔体外缘方向测量 长6 12mm以上的排气槽部分 槽高度要放大约0 25 0 4mm 另外 排气槽数量太多是有害的 因为如果作用在模腔分型面未开排气槽部分的锁模压力很大 容易引起模腔材料冷流或裂开 这是很危险的 除了在分型面上对模腔排气外 还可以通过在浇注系统的料流末端位置设排气槽 以及沿顶出杆四周留出间隙的方式达到排气的目的 因为排气槽开的深度 宽度以及位置的选择 如果不适当 产生的飞边毛刺 将影响制品的美观和精度 因此上述间隙的大小以防止顶出杆四周出现飞边为限 这里应特别注意的是 齿轮这样的制件在排气时 可能连最微小的飞边也是不希望有的 这一类制件最好采用以下方式排气 彻底清除流道内气体 用粒度为200 的碳化硅磨料对分型面配合表面进行喷丸处理 另外 在浇注系统料流末端开设排气槽主要是指分流道末端位置的排气槽 其宽度应等于分流道的宽度 高度视材料而异 61 第三节模具材料及热处理 一 注射模具常用材料H13 2344 2083 S136 8407 NAK80 P20 718 738 SKD61 SKD11 2510 8402等二 模具钢材选择原则1 要满足工作条件要求耐磨性 强韧性 疲劳断裂性能 高温性能 耐冷热疲劳性能 耐蚀性 2 满足工艺性能要求可锻性 退火工艺性 切削加工性 氧化 脱碳敏感性 淬硬性 淬透性 淬火变形开裂倾向 可磨削性3 满足经济性要求考虑经济性原则 在满足使用性能前提下 首选价格较低的 能用碳钢不用合金钢 能用国产料不用进口料 62 三 模具钢材热处理金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度 并在此温度中保持一定时间后 又以不同速度冷却的一种工艺 金属热处理是机械制造中的重要工艺之一 与其它加工工艺相比 热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分 而是通过改变工件内部的显微组织 或改变工件表面的化学成分 赋予或改善工件的使用性能 其特点是改善工件的内在质量 而这一般不是肉眼所能看到的 热处理工艺一般包括加热 保温 冷却三个过程 有时只有加热和冷却两个过程 这些过程互相衔接 不可间断 退火 正火 淬火 回火是整体热处理中的 四把火 其中的淬火与回火关系密切 常常配合使用 缺一不可 63 1 退火 淬火 回火一 退火的种类1 完全退火和等温退火完全退火又称重结晶退火 一般简称为退火 这种退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸 锻件及热轧型材 有时也用于焊接结构 一般常作为一些不重工件的最终热处理 或作为某些工件的预先热处理 2 球化退火球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢 如制造刃具 量具 模具所用的钢种 其主要目的在于降低硬度 改善切削加工性 并为以后淬火作好准备 3 去应力退火去应力退火又称低温退火 或高温回火 这种退火主要用来消除铸件 锻件 焊接件 热轧件 冷拉件等的残余应力 如果这些应力不予消除 将会引起钢件在一定时间以后 或在随后的切削加工过程中产生变形或裂纹 二 淬火时 最常用的冷却介质是盐水 水和油 盐水淬火的工件 容易得到高的硬度和光洁的表面 不容易产生淬不硬的软点 但却易使工件变形严重 甚至发生开裂 而用油作淬火介质只适用于过冷奥氏体的稳定性比较大的一些合金钢或小尺寸的碳钢工件的淬火 三 钢回火的目的1 降低脆性 消除或减少内应力 钢件淬火后存在很大内应力和脆性 如不及时回火往往会使钢件发生变形甚至开裂 2 获得工件所要求的机械性能 工件经淬火后硬度高而脆性大 为了满足各种工件的不同性能的要求 可以通过适当回火的配合来调整硬度 减小脆性 得到所需要的韧性 塑性 3 稳定工件尺寸4 对于退火难以软化的某些合金钢 在淬火 或正火 后常采用高温回火 使钢中碳化物适当聚集 将硬度降低 以利切削加工 64 2 钢的氮化 气体氮化 概念 氮化是向钢的表面层渗入氮原子的过程 其目的是提高表面硬度和耐磨性 以及提高疲劳强度和抗腐蚀性 它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子 被钢吸收后在其表面形成氮化层 同时向心部扩散 氮化通常利用专门设备或井式渗碳炉来进行 适用于各种高速传动精密齿轮 机床主轴 如镗杆 磨床主轴 高速柴油机曲轴 阀门等 氮化工件工艺路线 锻造 退火 粗加工 调质 精加工 除应力 粗磨 氮化 精磨或研磨 由于氮化层薄 并且较脆 因此要求有较高强度的心部组织 所以要先进行调质热处理 获得回火索氏体 提高心部机械性能和氮化层质量 钢在氮化后 不再需要进行淬火便具有很高的表面硬度大于HV850 及耐磨性 氮化处理温度低 变形很小 它与渗碳 感应表面淬火相比 变形小得多钢的碳氮共渗 碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程 习惯上碳氮共渗又称作氰化 目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗 即气体软氮化 应用较是广 中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度 耐磨性和疲劳强度 低温气体碳氮共渗以渗氮为主 其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性 65 第四节模具的使用与维护 模具使用注意事项 1 使用前必须清理模具 保持清洁无异物 2 使用过程中对模具的活动部位如导柱 导套 滑块等应定期加润滑剂 3 在塑件脱模时 如发生粘模或难以取出时 可用紫铜棒或木质工具取出 不得用硬金属器物敲击 4 模具在使用一段时间后 应定期进行检查及维护保养 66 模具维护保养 模具是注塑生产的重要工具 模具状况的好坏直接关系到注塑产品质量和生产效