《塑料成型工艺与模具设计》-项目 ９　调温系统设计及模架选用

９.１注射模具模温控制系统设计１.模温调节系统的概念模温是指模具型腔和型芯的表面温度。模温是否合适、均一与稳定，对塑料熔体的充模流动、固化定型、生产效率及塑件的形状、外观和尺寸精度都有着重要的影响。模具中设置温度调节系统的目的就是要通过控制模具的温度，使注射成型的塑件有良好的产品质量和较高的生产效率。（１）重要性注射到模具中的热塑性熔融树脂，必须在模具内冷却固化之后才能成为塑件，所以模温必须低于注射到模具型腔内的熔融树脂的温度，即达到Ｔ（玻璃化温度）以下的某一温度范围。为了提高成型效率，一般通过缩短冷却时间的方法来缩短成型周期。由于树脂本身的性能特点不同，所以不同的塑料要求有不同的模温。下一页返回９.１注射模具模温控制系统设计常用塑料在成型时的熔料温度和模温如表９－１所示。（２）基本要求１）模温调节系统应能使型腔和型芯的温度保持在规定的范围之内，并保持均匀的模温，以使塑料的物理、化学和力学性能良好。２）根据塑料品种、成型方法及模具尺寸大小，正确确定模温的调节方法。对于热固性塑料的压缩成型和压注成型，一般是在较高的温度下成型，要求模温较高。因此，必须设置加热系统对模具进行加热。对于热塑性塑料和热固性塑料的注射模，则应根据塑料品种和模具尺寸大小等不同情况进行温度调节。３）温度调节系统要尽量做到结构简单，加工容易，成本低廉。上一页下一页返回９.１注射模具模温控制系统设计２.模具加热装置的设计模具的加热方式有很多种，如热水、热油、水蒸气和电加热等。目前，普遍采用的是电加热温度调节系统。如果加热介质采用各种流体，那么其设计方法类似于冷却水道的设计，这里不再详述。（１）电加热的主要方式１）电热丝加热。将选择好的电热丝放入绝缘瓷管中并装入模板的加热孔内，通电后就可对模具进行加热。这种加热方法结构简单、成本低廉，但不足之处是电热丝与空气接触后易氧化，寿命较短，同时也不太安全。２）电热棒加热。电热棒是一种标准的加热元件，由具有一定功率的电阻丝和带有耐热绝缘材料的金属密封管组成，使用时只要将其插入模板上的加热孔内通电即可，如图９－２所示。电热棒加热的特点是使用和安装都很方便。上一页下一页返回９.１注射模具模温控制系统设计３）电热圈加热。将电热丝绕制在云母片上，再将其装夹在特制的金属外壳中，电热丝与金属外壳之间用云母片绝缘，将它围在模具外侧对模具进行加热，如图９－３所示。其特点是结构简单、更换方便，但缺点是耗电量大。这种加热装置更适用于压缩模和压注模。（２）电加热的总功率计算电加热装置加热模具的总功率为电加热装置加热模具的总功率也可根据经验确定，先查表９－２，得单位质量模具所需的电功率，然后乘以模具质量即可得到所需的电功率。上一页下一页返回９.１注射模具模温控制系统设计３.模具冷却装置的设计设置冷却效果良好的冷却水回路是缩短成型周期、提高生产效率最有效的方法。如果不能实现均匀的快速冷却，则会使塑件内部产生应力而导致产品变形或开裂，所以应根据塑件的形状、壁厚及塑料的品种，设计与制造出均匀、高效的冷却回路。（１）冷却装置设计的基本原则１）冷却水道应尽量多、截面尺寸应尽量大。如图９－４所示，型腔表面的温度与冷却水道的数量、截面尺寸及冷却水的温度有关。图９－４（ａ）所示的５个较大的水道孔比图９－４（ｂ）所示的两个较小的水道孔的冷却效果好得多。图９－４（ａ）所示的模具表面温差较小，塑件冷却均匀，成型的塑件变形小，尺寸精度容易保证。上一页下一页返回９.１注射模具模温控制系统设计２）冷却水道至型腔表面的距离。当塑件壁厚均匀时，各冷却水道到型腔表面的距离最好相等。但当塑件壁厚不均匀时，厚处冷却水道到型腔表面的距离则应近一些，间距也可适当小一些，一般水道孔边至型腔表面距离为１０～１５ｍｍ。３）水道出入口的布置。水道出入口的布置应该注意两个问题，即浇口处加强冷却以及冷却水的出入口处的温差应尽量小。塑料熔体充填型腔时，浇口附近温度最高，距浇口越远，温度就越低，因此，浇口附近应加强冷却，其办法就是将冷却水道的入口处设置在浇口的附近。如图９－５所示分别为侧浇口、多点浇口、直接浇口的冷却水道的布置形式示意图。上一页下一页返回９.１注射模具模温控制系统设计４）冷却水道应沿着塑料收缩方向设置。对于聚乙烯、聚丙烯等收缩率大的塑料，冷却水道应尽量沿着塑料收缩的方向设置。５）冷却水道的布置应避开塑件易产生熔接痕的部位。塑件易产生熔接痕的地方，本身的温度就比较低，如果在该处再设置冷却水道，就会加剧熔接痕的产生。（２）常见冷却系统的结构冷却水道的形式是根据塑件形状而设置的，塑件的形状是多种多样的，因此，对于不同形状的塑件，冷却水道的位置与形状也不一样。１）浅型腔扁平塑件。对于扁平的塑件，在使用侧浇口的情况下，常采用动、定模两侧与型腔等距离钻孔的形式设置冷却水道，如图９－６（ａ）所示；在使用直接浇口的情况下，可采用图９－６（ｂ）所示的形式。上一页下一页返回９.１注射模具模温控制系统设计２）中等深度塑件。采用侧浇口进料的中等深度的壳形塑件，可在凹模底部采用与型腔表面等距离钻孔的形式设置冷却水道。在凸模中，由于容易储存热量，所以要加强冷却，按塑件形状铣出矩形截面的冷却环形水槽，如图９－７（ａ）所示。如果凹模也要加强冷却，则可采用图９－７（ｂ）所示的铣出冷却环形槽形式。凸模上的冷却水道也可采用图９－７（ｃ）的形式。上一页下一页返回９.１注射模具模温控制系统设计３）深型腔塑件。对于深型腔塑件模具来说，最困难的是凸模的冷却问题。图９－８所示的大型深型腔塑件模具，在凹模一侧，其底部可从浇口附近通入冷却水。流经矩形截面水槽后流出，其侧面开设圆形截面水道，围绕模腔一周之后从分型面附近的出口排出。凸模上加工出螺旋槽，并在螺旋槽内加工出一定数量的回路，而每个盲孔用隔板分成底部连通的两个部分，从而形成凸模中心进水、外侧出水的冷却回路。这种隔板形式的冷却水道加工麻烦，对隔板与孔的配合要求高，若达不到要求则隔板会因转动而达不到要求。隔板常车削成型（与孔过渡配合）后把两侧铣削掉或用线切割成型的方法制成，然后再插入孔中。上一页下一页返回９.１注射模具模温控制系统设计４）空心细长塑件。空心细长塑件需要使用细长的型芯，在细长的型芯上开设冷却水道是比较困难的。当塑件内孔相对比较大时，可采用喷射式冷却方法，如图９－９所示。即在型芯的中心制出一个盲孔，在孔中插入一根管子，冷却水从中心管子流入，喷射到浇口附近型芯盲孔的底部来对型芯进行冷却，然后经过管子与凸模的间隙从出口处流出。对于型芯更加细小的模具，可采用间接冷却的方式进行冷却。图９－１０（ａ）所示为冷却水喷射在铍铜制成的细小型芯的后端，靠铍铜良好的导热性能对其进行冷却；图９－１０（ｂ）所示为在细小型芯中插入一根与之配合接触很好的铍铜杆，在其另一端加工出翅片，用来扩大散热面积，以提高水流的冷却效果。上一页下一页返回９.１注射模具模温控制系统设计（３）冷却水体积流量的计算塑料树脂传给模具的热量与自然对流辐射散发到空气中的模具热量及模具传给注射机热量的差值，即用冷却水扩散的模具热量。假如塑料树脂在模具内释放的热量全部由冷却水传导，即忽略其他传热因素，那么，模具所需的冷却水体积流量可用式（９－３）计算。求出所需冷却水体积后，可根据冷却水处于湍流状态的流速、流量与管道直径的关系，确定下水道直径，如表９－４所示。上一页返回９.２塑料模具的标准化及标准模架的选用１.塑料模具的标准化注射模的制造属于典型的单件（或小批量）生产类型，生产中常出现如下问题：１）生产周期长，影响产品的更新换代。２）模具生产成本高。解决办法：１）使用先进的生产工程技术（如成组技术、数控加工、ＣＡＤ／ＣＡＭ以及ＦＭＳ等）。２）对模具零件实行标准化设计和专业化生产。有关塑料模的国家标准如表９－５所示。下一页返回９.２塑料模具的标准化及标准模架的选用２.塑料注射模零件的标准ＧＢ／Ｔ４１６９—２００６《塑料注射模零件》制定了２３种标准件，如表９－６所示。ＧＢ／Ｔ４１７０—２００６《塑料注射模零件技术条件》规定了对塑料注射模零件的要求、检验、标志、运输和储存。３.注射模标准模架模架是塑料模的骨架和基体，模具的每一部分都寄生其中，通过它将模具的各个部分有机地联系在一起。模架由定模座板、定模板（可带有型芯或凹模）、导柱、导套、复位杆、动模板（可带有型芯或凹模）、支承板、垫块、动模座板、推板、推杆固定板等组成，如图９－１１所示。上一页下一页返回９.２塑料模具的标准化及标准模架的选用４.选用标准模架的优点及局限性采用标准模架，只要在其中增添一些必要的成型零件、浇注系统、推出脱模机构、侧向分型或抽芯机构、排气结构和温度调节系统等功能结构之后，便可以得到一副完整的注射模。因此，如能对这种模架进行标准化和专业化生产，则可大幅节省模具设计时间和加工周期，在很大程度上解决了模具单件生产中的问题，同时也会给模具的计算机辅助设计（ＣＡＤ）带来方便。选用标准模架的优点：１）简单方便、买来即用、不必库存。２）降低了模具成本。３）简化了模具的设计和制造。４）缩短了模具生产周期，促进了塑料制品的更新换代。上一页下一页返回９.２塑料模具的标准化及标准模架的选用５）模架的精度和动作可靠性得到保证。６）提高了模具中易损零件的互换性，便于模具的维修。标准模架的局限性：１）标准模架中模板的长、宽、高都限定在一定的范围内，对于一些特殊的塑料制品，可能无标准模架可选。２）标准模架中导柱、紧固螺钉及复位杆的位置已确定，有时可能会妨碍冷却水管道的开设。３）标准模架中动模的两垫块之间的跨距无法调整，在模具设计中往往需要增加支承柱来减小模板的变形。上一页下一页返回９.２塑料模具的标准化及标准模架的选用５.我国标准模架的结构与形式（１）模架组成零件ＧＢ／Ｔ１２５５５—２００６《塑料注射模模架》国家标准按模架在模具中的应用方式，分为直浇口与点浇口两种形式，其组成零件分别如图９－１２和图９－１３所示。（２）模架的结构类型模架按模具所采用的浇口形式、制件脱模方法和动定模组成数等结构特征划分为直浇口模架、点浇口模架、简化点浇口模架。１）直浇口模架。直浇口模架有１２种，结构形式以直接浇口及潜伏浇口为主，其中基本型４种、直身基本型４种、直身无定模座板型４种。①浇口基本型。直浇口基本型又分为Ａ型、Ｂ型、Ｃ型和Ｄ型，如图９－１４所示。上一页下一页返回９.２塑料模具的标准化及标准模架的选用②直身基本型。直身基本型又分为ＺＡ型、ＺＢ型、ＺＣ型和ＺＤ型。结构和用途与直浇口基本型基本相似，只是去掉了动、定模座板的台肩，减小了模具的安装尺寸，但要求加工固定结构。③直身无定模座板型。直身无定模座板型又分为ＺＡＺ型、ＺＢＺ型、ＺＣＺ型和ＺＤＺ型。在直身基本型的基础上去掉了定模座板。２）点浇口模架。点浇口模架有１６种，结构形式以点浇口和多分型面为主，其中点浇口基本型４种、直身点浇口基本型４种、点浇口无推料板型４种、直身点浇口无推料板型４种。３）简化点浇口模架。对点浇口模架各种类型中的Ａ型和Ｃ型进行对应简化，即可得到简化点浇口基本型ＪＡ、ＪＣ，直身简化点浇口型ＺＪＡ、ＺＪＣ，简化点浇口无推料板型ＪＡＴ、ＪＣＴ，直身简化点浇口无推料板型ＺＪＡＴ、ＺＪＣＴ等８种简化点浇口模架。上一页下一页返回９.２塑料模具的标准化及标准模架的选用（３）导向件及螺钉安装形式根据使用要求，模架中的导向件与螺钉可以有不同的安装形式，ＧＢ／Ｔ１２５５５—２００６《塑料注射模模架》国家标准的具体规定如下：１）模架中的导柱和导套分正装（代号取Ｚ）和反装（代号取Ｆ）两种形式，如图９－１５所示。２）模架中的拉杆导柱可以分为装在外侧与装在内侧两种形式，如图９－１６所示。３）模架中的推板可以加装推杆导柱及限位钉，如图９－１７所示。４）模架中的定模板厚度较大时，导套可以装配成如图９－１８所示结构。上一页下一页返回９.２塑料模具的标准化及标准模架的选用（４）基本型模架组合尺寸ＧＢ／Ｔ１２５５５—２００６《塑料注射模模架》标准规定，组成模架的零件应符合ＧＢ／Ｔ４１６９—２００６《塑料注射模零件》标准的规定。标准中的组合尺寸为零件的外形尺寸和空位尺寸。直浇口模架和点浇口模架组合尺寸如图９－１９所示。在组合系列中，以模板的每一宽度尺寸为系列主参数，各配以一组长度尺寸要素，共组成１１０个尺寸系列，适用模板尺寸为Ｗ×Ｌ＝１５０ｍｍ×１５０ｍｍ～１２５０ｍｍ×２０００ｍｍ。按照同品种、同系列所选用的模板厚度Ａ、Ｂ和垫块高度Ｃ划分为每一系列中的规格，供设计时任意组合采用。上一页下一页返回９.２塑料模具的标准化及标准模架的选用６.标准模架大小的选择方法模具的大小主要取决于塑件的大小与结构。１）在保证足够强度和刚度的条件下，结构越紧凑越好。２）可以以塑件布置在推杆推出的范围之内及复位杆与型腔保持一定距离为原则来确定模架大小，大致按下列经验公式来计算：推板宽度Ｗ２应满足Ｗ２≥Ｗ＋１０（９－４）上一页返回９.３模架结构零部件的设计１.模架的主要组成零件塑料模的模架包括动模座板、定模座板、动模板、定模板、支承板以及垫块等零件。注射模的典型模架组合如图９－２０所示。（１）动模座板和定模座板动模座板和定模座板是动模和定模的基座，也是固定式塑料模与成型设备连接的模板。因此，座板的轮廓尺寸和固定孔必须与成型设备上模具的安装板相适应，即移动模板与固定模板或上压板与下压板相适应。座板还必须具有足够的强度和刚度。注射模的动模座板和定模座板尺寸可参照国家标准（ＧＢ／Ｔ４１６９.８—２００６）选用。下一页返回９.３模架结构零部件的设计（２）动模板和定模板动模板和定模板的作用是固定凸模或型芯、凹模、导柱、导套等零件，所以又称固定板。由于模具的类型及结构的不同，固定板的工作条件也有所不同。对于移动式压缩模，开模力作用在固定板上，因此，固定板应有足够的强度和刚度。为了保证凹模、型芯等零件稳固，固定板也应有足够的厚度。动模板和定模板与型芯或凹模的基本连接方式如图９－２１所示。固定板的尺寸可参照标准模板（ＧＢ／Ｔ４１６９.８—２００６）选用。（３）支承板支承板是垫在固定板背面的模板。其作用是防止型芯、凸模、凹模、导柱以及导套等零件脱出，增强这些零件的稳固性并承受型芯和凹模等传递而来的成型压力。上一页下一页返回９.３模架结构零部件的设计支承板与固定板的连接方式如图９－２２所示。其中，图９－２２（ａ）（ｂ）、（ｃ）三种方式为螺钉连接，适用于推杆分模的移动式模具和固定式模具，为了增强连接强度，一般采用圆柱头内六角螺钉；图９－２２（ｄ）所示为铆钉连接，适用于移动式模具，但缺点是拆装麻烦，修理不便。（４）垫块垫块的作用是使动模支承板与动模座板之间形成用于推出机构运动的空间，或调节模具的总高度以适应成型设备上模具安装空间对模具总高度的要求。垫块与支承板和座板之间的组装方法如图９－２３所示。所有垫块的高度应一致，否则会由于负荷不匀而造成动模板损坏。上一页下一页返回９.３模架结构零部件的设计２.合模导向装置的设计合模导向装置是保证动、定模或上、下模合模时，正确地定位和导向的零件。合模导向装置主要有导柱导向和锥面定位两种形式，通常采用导柱导向定位，如图９－２４所示。（１）导向装置的作用１）导向作用。合模时，首先是导向零件接触，引导动、定模或上、下模准确闭合，避免因型芯先进入型腔而造成成型零件的损坏。２）定位作用。模具闭合后，保证动、定模或上、下模位置正确，保证型腔的形状和尺寸精度。导向装置在模具装配过程中也会起到定位作用，即便于模具的装配和调整。３）承受一定的侧向压力。塑料熔体在充型过程中可能产生单向侧压力或受成型设备精度低的影响，导柱将承受一定的侧向压力，以保证模具的正常工作。上一页下一页返回９.３模架结构零部件的设计（２）导向零件的设计原则１）导向零件应合理均匀地分布在模具的周围或靠近边缘的部位，其中心至模具边缘应有足够的距离，以保证模具的强度，防止压入导柱和导套时模具发生变形。２）根据模具的形状和大小，一副模具一般需要２～３个导柱。对于小型模具，无论是圆形或是矩形的，通常只用两个直径相同且对称分布的导柱，如图９－２５（ａ）、（ｄ）所示。如果模具的凸模与型腔合模有方位要求时，则用两个直径不同的导柱，如图９－２５（ｂ）、（ｅ）所示。对于多分型面的模具，最好采用阶梯形导柱，如图９－２６所示。３）为了便于塑料制品脱模，导柱通常安装于定模或动模上。４）当上模板与下模板采用合模并加工时，导柱装配处直径应与导套外径相等。上一页下一页返回９.３模架结构零部件的设计５）为保证分型面能很好地接触，导柱和导套在分型面处应设有承屑槽，一般都是削去一个面，如图９－２７（ａ）所示，或在导套的孔口倒角，如图９－２７（ｂ）所示。６）各导柱、导套（导向孔）的轴线应保证平行，否则将影响合模的准确性，甚至损坏导向零件。（３）导柱的结构、特点及用途导柱的结构形式随模具结构大小及塑料制品生产批量的不同而不同。常用的种类有以下几种。１）台阶式导柱。注射模常用的标准台阶式导柱有带头（ＧＢ／Ｔ４１６９.４—２００６）和有肩（ＧＢ／Ｔ４１６９.５—２００６）两大类，压缩模也采用类似的导柱。如图９－２８所示为台阶式导柱导向装置。小批量生产时，带头导柱通常不需要导套，导柱直接与模板导向孔配合，如图９－２８（ａ）所示；也可以与导套配合，如图９－２８（ｂ）所示。上一页下一页返回９.３模架结构零部件的设计２）铆合式导柱。在图９－２９（ａ）所示的结构中，导柱的固定不够牢固，稳定性较差，为此可将导柱沉入模板１.５～２ｍｍ，如图９－２９（ｂ）、（ｃ）所示。铆合式导柱结构简单，加工方便，但导柱损坏后更换麻烦，主要用于小型、简单的移动式模具。３）合模销。如图９－３０所示，在垂直分型面的组合式型腔中，为了保证锥模套中的拼块相对位置的准确性，常采用两个合模销。开模时，为了使合模销不被拔出，其固定端部分采用Ｈ７／ｋ６过渡配合，另一滑动端部分采用Ｈ９／ｆ９间隙配合。（４）导套和导向孔的结构、特点及用途１）导套。注射模常用的标准导套有直导套（ＧＢ／Ｔ４１６９.２—２００６）和带头导套（ＧＢ／Ｔ４１６９.３—２００６）两大类，压缩模也可采用类似这种结构的导套，其固定方式如图９－３１所示。上一页下一页返回９.３模架结构零部件的设计２）导向孔。直接开设在模板上，适用于生产批量小、精度要求不高的模具。导向孔应做成通孔，如图９－３２（ａ）所示；若加工成盲孔，则如图９－３２（ｂ）所示，这种形式不但使孔内空气无法逸出，对导柱的进入也有反压缩作用，而且落入孔内的废料不易清除，有碍导柱导入。如果模板很厚，导向孔必须做成盲孔时，则应在盲孔侧壁增加通孔或排除废料的孔，如图９