模具设计（下篇共上下2篇）734

第六章塑料成型工艺6.1塑料的种类

6.2塑料制件的结构工艺性

6.3塑料成型设备

6.4塑料模具材料

习题

6.1塑

料

的

种

类6.1.1塑料及其类型塑料的主要成分是树脂,无论是天然树脂(如松香、沥青、琥珀、虫胶等)还是合成树脂(酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂、聚乙烯等),它们都属于高分子聚合物,简称高聚物。按制造方法,塑料可分为聚合树脂塑料和缩聚树脂塑料两类;按成型性能,塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两类,前者主要由聚合树脂制成,后者大多以缩聚树脂为主。常用塑料名称及英文代号如表6-1所示。此外,按用途,塑料还可分为通用塑料、工程塑料和特殊用途塑料等。

表6-1常用塑料名称及英文代号

6.1.2热塑性塑料的工艺特性

1.收缩性在熔融状态下一定量塑料的体积总比其固态下的体积大,说明塑料经成型冷却后发生了体积收缩,塑料的这种性质称为收缩性。收缩性的大小以收缩率表示,即单位长度塑件收缩量的百分数。由于成型模具材料与塑料的线膨胀系数不同,因此塑件的实际收缩率和计算收缩率也不相同。

计算收缩率表示室温时模具尺寸与塑件尺寸的差别,在普通中、小型模具成型零件尺寸计算时,计算收缩率与实际收缩率相差很小,常采用计算收缩率;而实际收缩率则表示模具或塑件在成型温度时的尺寸与塑件在室温时的尺寸之间的差别,实际收缩率表示塑料实际所发生的收缩,在大型、精密模具成型零件尺寸计算时常采用。塑件收缩的形式除由于热胀冷缩、塑件脱模时的弹性恢复、塑性变形等原因产生的尺寸线性收缩外,还会按塑件形状、料流方向及成型工艺参数的不同产生收缩方向性。另外,塑件脱模后残余应力的缓慢释放和必要的后处理工艺也会使塑件产生后收缩。

2.流动性

塑料的流动性是指在成型过程中,塑料熔体在一定的温度与压力作用下充填模腔的能力。塑料流动性的好坏,在很大程度上影响成型工艺的许多参数,如成型温度、压力、周期、模具浇注系统的尺寸及其它结构参数等。在决定零件大小与壁厚时,也要考虑流动性的影响。

流动性主要取决于分子组成、相对分子质量大小及其结构。只有线形分子结构而没有或很少有交联结构的聚合物流动性好。合物中加入填料会降低树脂的流动性,加入增塑剂、润滑剂可以提高流动性。流动性差的塑料,在注射成型时不易充填模腔,易产生缺料,在塑料熔体的会合处不能很好地熔接而产生熔接痕。这些缺陷甚至会导致零件报废。反之,若材料流动性太好,注射时容易产生流涎,造成塑件在分型面、活动成型零件、推杆等处的溢料飞边,因此,成型过程中应适当选择与控制材料的流动性,以获得满意的塑料制件。

热塑性塑料的流动性分为三类:流动性好的,如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、醋酸纤维素等;流动性中等的,如改性聚苯乙烯、ABS、AS、有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲脂)、聚甲醛、氯化聚醚等;流动性差的,如聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、氟塑料等。通常料温高,则流动性大。但不同塑料也各有差异,聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、有机玻璃、ABS、AS、聚碳酸酯、醋酸纤维等塑料的流动性随温度变化的影响较大;而聚乙烯、聚甲醛的流动性受温度变化的影响较小。

如果注射压力增大,则熔料受剪切作用大,流动性也增大,聚乙烯、聚甲醛等尤为敏感。另外，浇注系统的形式、尺寸、布置,包括型腔表面粗糙度、浇道截面厚度、型腔形式、排气系统、冷却系统的设计及熔料的流动阻力等因素都直接影响塑料熔体的流动性。总之,凡促使熔料温度降低、流动阻力增加的,流动性就会降低。

3.相容性相容性又俗称为共混性,是指两种或两种以上不同品种的塑料,在熔融状态不产生相分离现象的能力。如果两种塑料不相容,则混熔时制件会出现分层、脱皮等表面缺陷。不同塑料的相容性与其分子结构有一定关系,分子结构相似者较易相容,例如高压聚乙烯、低压聚乙烯、聚丙烯彼此之间的混熔等。分子结构不同时较难相容,例如聚乙烯和聚苯乙烯之间的混熔。通过塑料的这一性质,可以得到类似共聚物的综合性能,这是改进塑料性能的重要途径之一,例如聚碳酸酯和ABS塑料相容,就能改善聚碳酸酯的工艺性。

4.吸湿性

吸湿性是指塑料对水分的亲疏程度。据此塑料大致可以分为两类:一类是具有吸湿或黏附水分倾向的塑料,例如聚酰胺、聚碳酸酯、ABS、聚苯醚、聚砜等;另一类是吸湿或黏附水分极小的材料,如聚乙烯、聚丙烯等。具有吸湿或黏附水分的塑料,当水分含量超过一定的限度时,由于在成型加工过程中,水分在成型机械的高温料筒中变成气体,促使塑料高温水解,导致塑料降解,因此使成型后的塑件出现气泡、银丝与斑纹等缺陷。可见,塑料在加工成型前,一般都经过干燥,使水分含量在0.5％～0.2％以下。并要在加工过程中继续保温,以免重新吸潮。

5.热敏性某些热稳定性差的塑料,在高温下受热时间较长、浇口截面过小或剪切作用大时,料温增高就易发生变色、降解、分解的倾向,塑料的这种特性称为热敏性。如硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚甲醛、聚三氟氯乙烯等就具有热敏性。热敏性塑料在分解时产生单体、气体、固体等副产物,分解产物有时对人体、设备、模具等有刺激、腐蚀作用或毒性,有的分解物往往又是促使塑料分解的催化剂(如聚氯乙烯的分解物为氯化氢)。为防止热敏性塑料在成型过程中出现过热分解现象,可采取在塑料中加入稳定剂、合理选择设备、合理控制成型温度和成型周期、及时清理设备中的分解物等措施。另外,还可采取模具表面镀铝、合理设计模具的浇注系统等措施。

6.1.3热固性塑料的工艺特性

1.收缩率热固性塑料也具有因成型加工而引起的尺寸减小现象。计算方法与热塑性塑料收缩率相同。收缩率的影响因素有原材料、模具结构或成型方法及成型工艺条件等。塑料中树脂和填料的种类及含量,直接影响收缩率的大小。当在固化反应中树脂放出的低相对分子质量挥发物较多时,收缩率较大，反之收缩率小;在同类塑料中,填料含量多时收缩率小,无机填料比有机填料所得的塑料件收缩小。

凡有利于提高成型压力、增大塑料充模流动性、使塑件密实的模具结构,均能减少制件的收缩率,例如用压缩或压注成型的塑件比注射成型的塑件收缩率小;凡能使塑件密实,成型前使低分子挥发物溢出的工艺因素,都能减少制件收缩率,例如成型前对酚醛塑料的预热、加压等可降低制件收缩率。

2.流动性

流动性的意义与热塑性塑料流动性类同,每一品种的塑料分为三个不同等级的流动性:流动性较差的,适用于压制无嵌件、形状简单、厚度一般的塑件;流动性中等的,用于压制中等复杂程度的塑件;流动性好的,可用于压制结构复杂、型腔很深、嵌件较多的薄壁塑件,或用于压注成型。流动性过大,容易造成溢料过多、填充不密实、塑件组织疏松、树脂与填料分头聚积、因易粘模而使脱模困难。可见,必须根据塑件要求、成型工艺及成型条件选择塑料的流动性。模具设计时应根据流动性来考虑浇注系统、分型面及进料方向等。

3.比容和压缩率

比容和压缩率都表示粉状或短纤维状塑料的松散性。单位质量中松散塑料所占的体积称为比容(cm3/g),压缩率是塑料的体积与塑件的体积之比,其值恒大于1。可用比容和压缩率来确定模具加料室的大小。比容和压缩率较大,要求模具加料室尺寸要大,从而使模具体积增大,操作不便,浪费钢材,不利于加热;同时,使塑料内充气增多,排气困难,成型周期变长,生产率降低。比容和压缩率小,使压锭和压缩、压注容易,压锭质量也较准确,但是,比容太小,则影响塑料的松散性,以容积法装料时造成塑件质量不准确。

4.硬化速度

热固性塑料树脂分子完成交联反应,由线形结构变成体形结构的过程称为硬化。硬化速度通常以塑料试样硬化1mm厚度所需的秒数来表示,此值越小时,硬化速度就越快。影响硬化速度的因素有塑料品种、塑件形状、壁厚、成型温度及是否预热、预压等。通常,采用压锭、预热、提高成型温度、增长加压时间等,都能显著加快硬化速度。另外,硬化速度还必须与成型方法的要求相适合。如压注或注射成型时要求在塑化、填充时化学反应慢,硬化慢,以保持长时间的流动状态,但当充满型腔后,应在高温、高压下快速硬化。硬化速度慢的塑料,会使成型周期变长,产率降低;硬化速度快的塑料,则不能成型大型复杂的塑件。

5.水分与挥发物含量

塑料中的水分及挥发物来自两个方面:其一是塑料在制造中未能全部除净水分,或在储存、运输过程中,由于包装或运输条件不当而吸收水分;其二是来自压缩或压注过程中化学反应的副产物。塑料中水分及挥发物的含量,在很大程度上直接影响塑件的物理、力学和介电性能。塑料中水分及挥发物的含量大,在成型时产生内压,促使气泡产生或以内应力的形式暂存于塑料中,一旦压力除去后便会使塑件发生变形,降低其机械强度。

压制时,由于温度和压力的作用,有大多数水分及挥发物逸出。在逸出前,这些水分和挥发物占据着一定的体积,严重地阻碍化学反应有效进行,造成冷却后塑件的组织疏松;当挥发物气体逸出时,会割裂塑件,使塑件产生龟裂,机械强度和介电性能降低。过多的水分及挥发物含量,使塑料流动性过大,容易溢料,成型周期长,收缩率增大,塑件容易发生翘曲、波纹及光泽不好等现象。反之,塑料中水分及挥发物的含量不足,会导致流动性不良,成型困难,不利于压锭。水分及挥发物在成型时变成的气体,必须排出模外,有的气体对模具有腐蚀作用,对人体也有刺激作用。为此,在模具设计时应对这种特征有所了解,并采取相应措施。

6.2塑料制件的结构工艺性

塑件结构工艺性设计时必须遵循的原则如下:

(1)在保证使用性能、物理与力学性能、电性能、耐化学腐蚀性能和耐热性能等的前提下,力求壁厚均匀,结构简单,使用方便。

(2)在设计塑件时,考虑其成型模具的总体结构,使模具型腔易于制造、装配和修模,抽芯和推出机构简单。

(3)考虑原料的流动性、收缩率等成型工艺性的同时,进行塑件设计。

(4)对外观要求较高的塑件,应先通过造型,而后逐步绘制图样。塑料制件结构工艺性设计的主要内容包括:尺寸和精度、表面粗糙度、塑件形状、壁厚、斜度、加强筋、支承面、圆角、孔、螺纹、齿轮、嵌件、文字、符号及标记等。

6.2.1塑料制件的尺寸和精度塑件尺寸的大小主要取决于塑料品种的流动性。在一定的设备和工艺条件下,流动性好的塑料可以成型较大尺寸的塑件;反之,成型出的塑件尺寸较小。另外,塑件外形尺寸还受成型设备的限制。从能源、模具制造成本和成型工艺条件出发,在满足塑件使用要求的前提下,应将塑件设计得尽量紧凑、尺寸小巧一些。

塑件的尺寸精度是指所获得的塑件尺寸与产品图中设计尺寸的符合程度,即所获得塑件尺寸的准确度。影响塑件尺寸精度的因素很多,首先是模具的制造精度和模具的磨损程度,其次是塑料收缩率的波动以及成型时工艺条件的变化,塑件成型后的时效变化和脱模斜度及模具的结构形状等。为降低模具制造成本和便于模具生产制造,在满足塑件使用要求的前提下应尽量把塑件尺寸精度设计得低一些。塑件的精度等级分为八个等级,其中1、2级为精密技术级,只有在特殊要求下使用。7、8级的精度太低,一般不用,常用的是3～6级。未注公差尺寸通常为8级精度。

6.2.2塑料制件的表面质量塑料制件的表面质量包括表面粗糙度和表观质量。塑件表面粗糙度主要与模具型腔表面的粗糙度有关。目前,注射成型塑件的表面粗糙度通常为Ra0.02～1.25μm,模腔表壁的表面粗糙度应为塑件的一半,取Ra0.01～0.63μm。塑件的表观质量指的是塑件成型后的表观缺陷状态,常见的如缺料、溢料、飞边、凹陷、气孔、熔接痕、银纹、斑纹、翘曲与收缩、尺寸不稳定等。其与塑件成型工艺条件、塑件成型原材料的选择、模具总体设计等多种因素有关。

6.2.3形状塑件的内外表面形状应尽可能保证有利于成型。侧抽芯或瓣合凹模或凸模使模具结构复杂,制造成本提高,并且还会在分型面上留下飞边,增加塑件的修整量,可见塑件设计时应尽可能避免侧向凹凸,若有侧向凹凸,则在保证塑件使用要求的前提下,适当改变塑料制件的结构,以简化模具的结构。塑件内侧凹较浅并允许带有圆角时,则可以采取强制脱模的方法使塑件从凸模上脱下,但此时塑件在脱模温度下应具有足够的弹性,以使塑件在强制脱下时不会变形,例如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等能适应这种情况。多数情况下塑件的侧向凹凸不可能强制脱模,应采用侧向分型抽芯结构的模具。

6.2.4脱模斜度由于黏附作用,塑件紧贴在凹模型腔内,另外,塑料制件冷却后产生收缩,会紧紧包在凸模或成型型芯上。为了便于脱模,防止塑件表面在脱模时划伤、擦毛等。在设计时塑件表面沿脱模方向应具有合理的脱模斜度。影响塑件脱模斜度的因素有塑件的性质、收缩率、摩擦因数、塑件壁厚和几何形状等。硬质塑料比软质塑料脱模斜度大;成型孔较多或形状较复杂的塑件取较大的脱模斜度;塑件高度较大、孔较深时,则脱模斜度取小值;壁厚增加,内孔对型芯的包紧力大,脱模斜度应大些。为了在开模时让塑件留在凹模内或型芯上,有时有意将该边斜度减小或将斜边放大。

表6-2常用塑件的脱模斜度

6.2.5壁厚在脱模时,壁厚承受着脱模推力,并且要满足使用时的强度和刚度要求,因此,塑件应有一定的厚度。壁厚应设计合理,壁厚太薄会增加塑料熔体充满型腔时的流动阻力,出现缺料现象;壁厚太大会在塑件内部产生气泡、外部产生凹陷,并增加成本;壁厚不均匀造成塑件各部分收缩不一致,导致塑件翘曲、缩孔、裂纹甚至开裂,因此在可能的条件下应使壁厚尽量均匀一致。如果结构要求必须有不同壁厚时,其比例不应超过1∶3,且应采用适当的修饰半径以减缓厚薄过渡部分的突然变化。塑件的壁厚一般为1～4mm。大型塑件的壁厚可达8mm。热固性与热塑性塑件壁厚常用值见表6-3和表6-4。表6-3热固性塑件的壁厚

表6-4热塑性塑件的最小壁厚和推荐壁厚

6.2.6加强筋加强筋的主要作用是增加塑件的强度和刚度,避免塑件翘曲变形,而不增加壁厚。合理布置加强筋还起着改善充模流动性、减少内应力、避免气孔、缩孔和凹陷等缺陷的作用。加强筋的厚度应小于塑件壁厚,并与壁圆弧过渡。若t为塑件壁厚,则:加强筋高度L＝(1～3)t,筋条宽A＝(1／4～1)t,筋根过渡圆角R＝(1／8～1／4)t,收缩角α＝2°～5°;筋端部圆角r＝t/8。当t≤2mm,取A=t,加强筋端部不应与塑件支承面平齐,而应缩进0.5mm以上。6.2.7支承面与凸台塑件的支承面应充分保证其稳定性,不宜以塑件的整个底面作支承面,因为塑件稍有翘曲或变形就会使底面不平。通常采用凸缘或凸台作为支承面。凸台是用来增强孔或装配附件的凸出部分的。设计时,凸台应当尽可能位于边角部位,其几何尺寸应小,高度不应超过其直径的两倍,并应具有足够的脱模斜度。设计固定用的凸台时,除应保证有足够的强度以承受紧固时的作用力外,在转折处还不应有突变,连接面应局部接触。

6.2.8圆角对于塑件来说,除使用要求需要采用尖角之外,其余所有内外表面转弯处都应尽可能采用圆角过渡,以减少应力集中度,并且还能增加塑件强度,提高塑件在型腔中的流动性,同时比较美观,模具型腔也不易产生内应力和变形。但是,采用圆角会使钳工劳动量增大,使凹模型腔加工复杂化。圆角半径的大小主要取决于塑件的壁厚,通常,内壁圆角半径应是壁厚的一半,而外壁圆角半径可为壁厚的1.5倍,一般圆角半径大于0.5mm。壁厚不等的转角可按平均壁厚确定内、外圆角半径。

6.2.9孔的设计塑件上的孔通常有通孔、盲孔、异型孔(形状复杂的孔)。理论上讲,这些孔均能用一定的型芯成型。孔与孔边缘之间的距离应大于孔径。表6-5所示为热固性塑料制件的孔与孔之间、孔与壁之间所应留有足够的距离。

表6-5热固性塑料制件孔间距、孔边距与孔径的关系

为防止型芯弯曲,孔深不宜太大。通常,注射成型或压注成型时,孔深度应不超过孔径的4倍;压缩成型时,孔深应不超过孔径的2.5倍;当孔径较小深度又太大时,只能在成型后用机械加工的方法加工孔。当成型带有侧孔或侧凹的塑件时,模具必须设置侧向分型与抽芯机构或采用瓣合式结构,这使模具结构复杂。可见,在不影响制件使用要求的前提下,应尽量避免塑件侧孔或侧凹结构。

6.2.10嵌件设计嵌件是指塑件内部镶嵌的金属、玻璃、木材、纤维、橡胶或已成型的塑件。使用嵌件可提高塑件的强度,满足塑件导电、导磁、耐磨和装配连接等特定的要求。另一方面,嵌件的设置往往增加模具结构复杂性,延长成型周期,增加制造成本,并且不易实现自动化生产。金属是常用的嵌件材料,嵌件形式繁多。

对带有嵌件的塑件,通常先设计嵌件,然后再设计塑件。由于金属与塑件冷却时的收缩值相差较大,使周围的塑料存在很大的内应力,设计不当会造成塑件的开裂,所以应优先选用与塑料收缩率相近的金属嵌件,或保证嵌件周围的塑料层有足够的厚度。为避免出现豉泡或裂纹,嵌件顶部的塑料也应有足够的厚度。嵌件不应带有尖角,以减少应力集中度。对于大嵌件通常进行预热,使其温度达到接近塑料温度。同时嵌件上尽量不要有穿通的孔以免塑料挤入孔内。

嵌件的形状应保证嵌件与塑件之间具有牢固的连接以防受力脱出,并满足成型要求。成型时要将嵌件先放在模具中固定,以使嵌件镶嵌在塑件中,然后注入塑料熔体加以成型,亦可把嵌件在塑料预压时放在塑料中,然后模塑成型,但首先必须对嵌件进行可靠的定位,保证其尺寸精度。当细长杆状嵌件或嵌件过长时,为防止嵌件弯曲应在模具内设支柱。成型时为了使嵌件在塑料内牢固地固定,其嵌件表面可加工成沟槽、滚花,或制成各种特殊形状。

6.2.11标记符号为满足装潢或某些特殊要求,有时需要塑件上带有文字或图案标记的符号。符号应放在分型面的平行方向上,并有适当的脱模斜度。

6.2.12表面彩饰塑件的表面彩饰,增加了产品外观的美感,同时可以掩盖塑件表面在成型过程中产生的疵点、银纹缺陷,如收音机外壳采用皮革纹装饰。表面彩饰常用凹槽纹、皮革纹、菱形纹、芦饰纹、木纹、水果皮纹等。目前常用表面彩饰方法有彩印、胶印、丝印、喷镀漆等。

6.3塑料成型设备

6.3.1注射成型工艺

1.注射成型工艺过程注射成型的原理如图6-1所示。在注射成型的整个周期中,有以下几个动作;

(1)计量:为了成型一定大小的塑件,必须使用一定量的颗粒状塑料。

(2)塑化:为了将塑料充入模腔,就必须使之成熔融状态,而流动充入模腔。

(3)注射充模:为了将熔融塑料充入模腔,需要对熔融塑料施加注射压力。

(4)保压增密(预冷却):熔融塑料充满型腔后,并向模腔内补充因制品冷却收缩而所需的物料。

(5)制品冷却:保压结束后,制品即开始进入正式冷却定型阶段。

(6)开模:制品冷却定型后,注射机的合模装置带动模具动模部分与定模部分分离,即开模。

(7)顶件:注射机的顶出机构顶出塑件。

(8)取件:通过人力或机械手取出塑件和浇注系统冷凝料等。

(9)闭模(锁模):通过注射机的合模装置闭合并锁紧模具(在安全门合上后进行)。

(10)注射座前移与后退:在注射成型的过程中,有时需要让注射座前移或后退。如果注射座在整个工作循环中始终处于与模具喷嘴接触状态的加料计量方式,就叫固定加料法;如果塑料的加料计量是在注射座后退之前完成的,就叫前加料法;如果塑料的加料计量是在注射座后退之后进行的,就叫后加料法。

图6-1螺杆式注射机注射模塑原理图

2.注射成型特点与应用注射成型也称注塑成型,是一种重要的热塑性塑料成型方法。注射成型具有对各种塑料的适应性强、应用广泛、成型周期短、生产效率高、制品精度高、生产条件较好、易于实现机械化和自动化生产、便于改善模具工作条件等诸多优点,能一次成型空间几何形状非常复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的塑料制件,广泛地用于塑料制件的生产中。在整个塑料制品生产行业中,占有非常重要的地位,其产品占目前塑料制件生产的30％左右。全世界每年生产的注射模数量约占所有塑料成型模具数量的50％。

目前,注射成型工艺发展很快,除了少数几种塑料外,几乎所有的塑料都可采用注射成型。热固性塑料注射成型也得到成功应用,具有效率高,产品质量稳定的特点。注射成型方法在生产通用塑料制品的同时,也是一种十分重要的工程塑料成型方法,目前工程塑料制品中,80％以上都采用注射成型方法生产。另一方面,注射成型的设备价格及模具制造费用较高,不适于单件及批量较小的塑件的生产。

6.3.2注射成型工艺参数的选择与控制注射成型工艺的核心问题,就是采用一切措施以得到塑化良好的塑料熔体,并将塑料熔体注射到型腔中去,在控制条件下冷却定型,使塑件达到所要求的质量。一般说来,影响注射成型工艺的有三大工艺条件,即压力、时间和温度。此外还有用料量与合模力等问题。

1.压力注射模塑过程中的压力直接影响塑料的塑化和塑件质量,其包括塑化压力和注射压力。

1)塑化压力塑化压力又称背压,是指采用螺杆式注射机时,在螺杆转动后退时螺杆头部熔料所受到的压力。其大小可以通过液压系统中的溢流阀来调整。注射成型时,塑化压力的大小因螺杆的设计、塑件质量的要求以及塑料的种类等的不同而异。但这些条件和螺杆的转速都不变时,增加塑化压力将提高熔体的温度,使熔体的温度均匀、色料的混合均匀并排出熔体中的气体。另一方面,增加塑化压力会降低塑化速率，延长成型周期,甚至可能导致塑料的降解。通常情况下,在保证塑件质量的前提下塑化压力越低越好,其具体数值随所用塑料的品种而异,但通常不超过6MPa。注射聚甲醛时,塑化压力较高(即熔体温度较高),会使塑件的表面质量提高,但也可能使塑料变色、塑化速率降低和流动性下降;对聚酰胺来说,塑化压力必须降低,否则因为螺杆中逆流和漏流增加,塑化速率将很快降低。可见,应采用提高料筒温度的方法来增加料温,而不采用增加塑化压力的办法。聚乙烯的热稳定性较高,提高塑化压力不会有降解的危险,这有利于混料和混色,但这会降低塑化速率。

2)注射压力注射机的注射压力是指螺杆(或柱塞)轴向移动时,其头部对塑料熔体所施加的压力。其作用是克服塑料熔体从料筒流向型腔的流动阻力,给予熔体一定的充型速率以及对熔体进行压实等。在注射机上常用表压指示注射压力的大小,注射压力一般在40～130MPa之间。

影响注射压力的因素十分复杂,有注射机的类型、塑料的品种、模具浇注系统的结构、尺寸与表面粗糙度、模具温度、塑件的壁厚及流程的大小等。在其它条件相同的情况下,由于塑料在柱塞式注射机料筒内的压力损耗比螺杆式的大,因此柱塞式注射机作用的注射压力应比螺杆式的大。决定塑料流动阻力的另一因素是塑料与模具浇注系统及型腔之间的摩擦系数和熔融黏度,同一种塑料的摩擦系数和熔融黏度随所用料筒温度和模具温度而变动,其值越大,注射压力应越高。另外,注射压力还与是否加润滑剂有关。

为保证塑件的质量,通常对熔融塑料在喷嘴处的喷出速度,即注射速度有一定的要求,而注射压力直接影响了注射速度的大小。就机械强度和收缩率而言,每一种塑件都有其最佳注射速度范围,这一数值与很多因素有关,其中最主要的影响因素是塑件的壁厚。厚壁的塑件用低的注射速度,反之则相反。

型腔充满后,注射压力对模内熔料起压实作用。在生产中,压实时的压力等于或小于注射时所用的注射压力。如果注射和压实时的压力相等,则往往可以使塑件的收缩率减小,并且它们的尺寸稳定性较好。缺点是会造成脱膜时的残余压力过大和成型周期过长。就结晶型塑料而论,由于压实压力大时可以提高塑料的熔点,因此成型周期不一定增长,可以提前脱模。例如聚甲醛的压力加大到50MPa时,其熔点可提高90℃。

2.时间成型周期是指完成一次注射成型过程所需的时间,它包括注射时间、模内冷却时间和其它时间。注射时间由充模时间(柱塞或螺杆前进时间)和保压时间(柱塞或螺杆停留在前进位置的时间)组成;模内冷却时间包含柱塞后撤或螺杆转动后退的时间;其它时间指进行开模、脱模、喷涂脱模剂、安放嵌件和合模等操作时所用的时间。

成型周期直接影响了劳动生产率和注射机使用效率。注射成型时,在保证质量的前提下,应尽量缩短成型周期中各个阶段的相关时间。在整个成型周期中,以注射时间和冷却时间最重要,其对塑件的质量有决定性的影响。注射时间中的充模时间一般为3～5s,其大小与充模速率成反比;注射时间中的保压时间是对型腔内塑料的压实时间,在整个注射时间内所占的比例较大,通常为20～25s,特厚塑件可高达5～10min。在浇口冻结前,保压时间的多少影响了塑件密度和尺寸精度。保压时间的长短与塑件的结构尺寸、料温、模温以及主流道和浇口的大小等有关。如果主流道和浇口的尺寸合理、工艺条件正常,通常以塑件收缩率波动范围最小的压实时间为最佳值。

冷却时间主要取决于塑件的厚度、塑料的热性能和结晶性能以及模具温度等。冷却时间的长短应以脱模时塑件不引起变形为原则,一般在30～120s之间。冷却时间过长,不仅延长生产周期,降低生产效率,对复杂塑件还造成脱模困难。成型周期中的其它时间则与生产过程连续化和自动化的程度等有关。

3.温度

1)模具温度模具温度直接影响了塑料熔体的充型能力以及塑件的内在性能与外观质量。模具温度取决于塑件的尺寸及其结构与性能要求、塑料结晶性以及熔料温度、注射速度、注射压力、模具周期等其它工艺条件。

模具温度一般通过冷却系统来控制,在特殊情况下,可采用电阻加热圈和加热棒对模具加热等来保持定温,也有靠熔料注入模具自然升温和自然散热达到平衡而保持一定的模温。模具温度必须低于塑料的玻璃化温度Tg或热变形温度,以保证制品有较高的形状和尺寸精度,避免制品脱模后发生较大的翘曲变形。无定形塑料熔体注入模腔后,并不发生相变,随着温度的不断降低而固化。模温主要影响熔料的黏度及充型速率。在保证充型顺利的前提下,采用低模温是可取的,这样可以缩短冷却时间,提高生产效率。因此成型聚苯乙烯、醋酸纤维等熔融黏度较低或中等的无定形塑料时,模具的温度常偏低;反之,对于聚砜、聚碳酸酯、聚苯醚等熔融黏度高的塑料,则必须采取较高的模温,通常聚砜为130～150℃,聚碳酸酯为90～120℃,聚苯醚为110～130℃。对于软化点较高的塑料,提高模温可以调整制件的冷却速率使其均匀一致,以防因温差过大而使制件产生凹痕、内应力和裂纹等缺陷。

2)料筒温度料筒温度的选择与各种塑料的特性有关,每一种塑料都具有不同的黏流态温度Tf(对结晶型塑料即为熔点Tm),为了保证塑料熔体的正常流动,不使物料发生变质分解,料筒最合适的温度范围应在黏流态温度Tf和分解温度Td之间。螺杆式注射机的塑化过程与柱塞式注射机不同,选择料筒温度时也不同,前者选择的温度应比柱塞式注射机约低10～20℃。另外,还应结合塑件及模具的结构特点选择料筒温度。薄壁塑件的型腔比较狭窄,熔体注入的阻力大,冷却快,料筒温度应选择高一些,以便顺利充型;反之,注射厚壁塑件时,料筒温度可降低一些。对于熔体充模流程曲折较多或较长,或成型形状复杂及带有嵌件的塑件,料筒温度也应该选择高一些。为使塑料温度平稳地上升以达到均匀塑化的目的,料筒温度的分布,通常是从料斗一侧(后端)起至喷嘴(前端)止逐步升高的。但当原料含湿量偏高时,也可适当提高后端温度。因螺杆注射机的剪切摩擦热有助于塑化,为防止塑料的过热分解,其前段的温度不妨略低于中段。

3)喷嘴温度为防止熔料在直通式喷嘴口发生“流涎”现象,喷嘴温度通常略低于料筒的最高温度。喷嘴低温产生的影响可以从塑料注射时所发生的摩擦热得到一定的补偿。喷嘴温度过低,将会造成熔料的早凝而将喷嘴堵死,或者早凝料注入模腔而影响塑件的质量。料筒和喷嘴温度还与其它工艺条件有一定关系。当注射压力较低时,应适当提高料筒温度,以保证塑料流动;反之,若料筒温度偏低就需较高的注射压力。通常在成型前通过“对空注射法”或“塑件的直观分析法”来进行选择调整,以便从中确定最佳的料筒和喷嘴温度。

6.3.3注射成型工艺参数与模具的关系

1.注射部分的选用

(1)大注射量的校核:

K利G公≥G件+G废

(6-1)式中:G公为注射机公称质量注射量(g);K利为注射机最大注射量的利用系数,一般取0.75～0.85;G件为塑件的质量(g);G废为浇注系统等废料的质量(g)。

(2)注射压力的校核：

p公≥p注

(6-2)式中:p公为注射机的最大注射压力(Pa);

p注为塑件成型所需的实际注射压力(Pa)。

(3)注射速率的校核:根据塑件成型要求,注射机最大注射速率应大于所需要的注射速率。

(4)成型周期、时间的校核:应满足塑件成型的时间要求。

(5)加料方式的选择:根据需要选用前加料法、后加料法或固定加料法之一。

(6)料筒温度与喷嘴温度:应满足塑化温度要求。

(7)喷嘴及螺杆的匹配:根据塑料品种和注射成型的特点与要求选择。开式喷嘴用于聚碳酸脂、硬聚氯乙烯、有机玻璃、聚砜、聚苯醚、ABS、ACS、氟塑料、聚苯乙烯、聚乙烯、纤维素塑料、酚醛塑料等。关式喷嘴用于尼龙、涤纶、泡沫塑料等。渐变型螺杆用于硬聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸脂、聚砜、ABS。突变型螺杆用于聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、尼龙、涤纶、含氟塑料。

(8)喷嘴前端的孔径和球:D2=D1+(0.5～1)(6-3)R2=R1+(1～2)(6-4)式中:D2为模具流道入口直径(mm);D1为喷嘴注口直径(mm);R2为模具浇注套球面半径(mm);R1为喷嘴球面半径(mm)。2.合模部分的选用

(1)锁模力的校核:

F锁≥K损p注A分

(6-5)式中:F锁为注射机的额定锁模力(N);p注为塑件成型所需的实际注射压力(Pa);K损为注射压力到达型腔的压力损失系数,一般取0.34～0.67;A分为塑件及浇注系统等在分型面上的投影面积(m2)。(2)开模力:额定开模力一般取(1/10～1／20)的锁模力。(3)液压顶出力:额定液压顶出力一般取2％的锁模力。(4)模具闭合厚度及开模行程的校核:Hmin≤Hm≤Hmax,Hm>Lmin(6-6)式中:Lmin为注射机模板间最小开距;Hmax为可装模具最大厚度;Hmin为可装模具最小厚度;Hm为模具闭合厚度。如果模具的厚度小于规定的Hmin,装模时应加垫板(尽量避免)。对于不是通过螺纹肘杆调距的液压—机械式注射机的模板,实际行程(是一定的)应大于或等于实际所需要的开模行程S开。对于通过螺纹肘杆调距的液压—机械式注射机的模板,实际行程是变化的,肘节有效长度增加,行程加大;肘节有效长度减少,行程减小。其开模行程应大于或等于实际所需要的开模行程S开。对于液压式注射机,模板最大开距Lmax(考虑模板距离已调节)减去模具厚度就等于模板实际行程Lmax-Hm≥S开;如果注射机的Lmax太大,可通过调整合模装置部分的动模板行程开关,使Lmax减小。

(5)模具模板面尺寸校核:设计时安装模具的外形尺寸应小于注射机的拉杆间距,否则模具无法安装。

(6)装置与方式的选择:根据模具所需的顶出要求确定。

(7)行程:脱模所需顶出行程应在注射机能够达到的最大顶出行程范围内。

(8)模具定位圈校核:与注射机的定位孔径向间隙配合,轴向配合长度8～15mm。

(9)模温控制参数:应满足模温在成型周期中的要求。

6.4塑料模具材料

1.成型零件成型零件是指直接成型塑件内外表面的组成零件,包括型腔、型芯、成型镶件、成型顶杆等。这些零件要求具有一定的强度、表面耐磨性、热处理性能好、淬火变形小、耐腐蚀等性能。塑料模具成型零件的选择见表6-6所示。

表6-6塑料模具成型零件常用材料及热处理

2.一般零件

除成型零件外,塑料模具还有模体零件、浇注系统零件、导向零件、抽芯机构零件、顶出机构零件、定位零件、支承零件及其它零件。这些零件的选择见表6－7所示。

表6-7塑料模具一般零件常用材料及热处理

表6-7塑料模具一般零件常用材料及热处理

习题

1.根据塑料中树脂及其热性能,塑料分为哪几种？其特点是什么？

2.热塑性塑料的工艺特性有哪些？

3.热固性塑料的工艺特性有哪些？

4.设计塑件结构是应遵循哪些原则？

5.简述注射成型的工艺过程。

第七章注射模设计7.1注射成型原理及工艺过程

7.2注射成型模具各部分组成及设计

7.3设计实例

习题

7.1注射成型原理及工艺过程

7.1.1注射成型原理及工艺过程

1.注射成型原理注射成型又称注塑成型,是热塑性塑料成型的主要方法。注射成型原理如图6-1所示,将粒状或粉状的塑料加入到注射机的料斗1,注射机柱塞移动或螺杆４旋转将塑料加入料筒,在注射机料筒内塑料受加热圈５作用呈熔融状态,然后在注射液压缸３作用下,塑料在一定压力下经喷嘴６注入闭合的模具７,经保压、冷却定型后,动模和定模分离,将塑件从模具中取出,完成一个注射周期。模具闭合,进行下一次循环。

2.注射成型工艺过程

注射成型工艺过程包括成型前准备、注射过程及塑件的后处理等。

(1)成型前的准备工作:包括对原料外观的检验、工艺性能的测定、预热和干燥、注射机料筒的清洗、嵌件的预热及脱模剂的选用等。有时还需对模具进行预热。

(2)注射过程:一般包括加料、塑化、充模、保压、倒流、冷却和脱模等步骤。

①加料:将粒状或粉状塑料加入到注射机的料斗中。

②塑化:对料筒中塑料进行加热,使其由固体颗粒转变成熔融状态并具有良好的可塑性,这一过程称为塑化。

③充模:塑化好的熔体在注射压力作用下,被柱塞或螺杆推挤至料筒前端,经过喷嘴、模具浇注系统进入并充满型腔,这一阶段称为充模(图6-1(a))。

④保压:在模具中熔体冷却收缩时,柱塞或螺杆迫使料筒中的熔料不断补充到模具中,从而成型出形状完整、质地致密的塑件,这—阶段称为保压(图6-1(b))。

⑤倒流:保压结束后,型腔压力降低,柱塞或螺杆后退,为下次注射准备原料。此时料筒前沿塑料所受压力称为塑化压力。由于型腔中的熔料压力比浇口前方的高,因此如果浇口尚未冻结,型腔中的熔料就会通过浇口流向浇注系统,这一过程称为倒流。倒流使塑件产生收缩、变形及质地疏松等缺陷。如果保压结束时浇口已经冻结,那就不会存在倒流现象。

⑥冷却:塑件在模内的冷却过程是指从浇口处的塑料熔体完全冻结时起到塑件将从模腔内推出为止的全部过程。实际上冷却过程从塑料注入型腔起就开始了,它包括从充模完成、保压开始到脱模前的这一段时间。

⑦脱模:塑件冷却到一定的温度即可开模,在推出机构的作用下将塑件推出模外(图6－1(c))。

(3)塑件后处理:包括退火和调湿处理。退火处理是指将塑件在定温的加热液体介质(如热水、热的矿物油、甘油、乙二醇和液体石蜡等)或热空气循环烘箱中静置一段时间,然后缓慢冷却。其目的是减少塑件内部产生的内应力,在生产厚壁或带有金属嵌件的塑件时尤为重要。调湿处理是指将刚脱模的塑件放在热水中,隔绝空气,防止塑件的氧化,加快吸湿平衡速度。其目的是使塑件的颜色、性能以及尺寸稳定,主要用于吸湿性很强又容易氧化的聚酰胺类塑件。

3.注射成型的特点及应用

注射成型是热塑性塑料成型的一种主要方法。它能一次成型形状复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的塑件。注射成型的成型周期短,生产率高,易实现自动化生产。到目前为止,除氟塑料以外,几乎所有的热塑性塑料都可以用注射成型的方法成型,一些流动性好的热固性塑料也可用注射方法成型。注射成型的缺点是所用的注射设备价格较高,注射模具的结构复杂,生产成本高,不适合于单件小批量塑件的生产。

7.1.2注射模具的分类及组成

1.注射模具的分类注射模具的种类有很多,生产中常按其结构特征分为:单分型面注射模具、双分型面注射模具、侧向分型与抽芯注射模具等;按模具可分开模面数目可以分为:两板式、三板式、四板三开式、五板四开式等。此外,根据模具型腔的数量可分为单型腔注射模具和多型腔注射模具等。

2.注射模具的组成

注射模具的种类很多,其结构和复杂程度各不相同,但其基本结构都由定模和动模两部分组成。其中定模安装在注射机的固定模板上,动模安装在注射机的移动模板上,由注射机的合模系统带动动模运动,完成动、定模的开合及塑件的推出。按模具上各个部分的功能和作用来分,注射模具一般由以下几个部分组成,如图7-1所示。

1)成型部分成型零部件是指组成模具型腔直接形成塑件的零件。凸模(型芯)形成塑件的内表面形状,凹模(型腔)形成塑件的外表面形状。合模后凸模和凹模便构成了模具的模腔。图7-1所示的模具中,模腔是由动模板1、定模板2、凸模7等组成的。

2)浇注系统熔融塑料从注射机喷嘴进入模具型腔所流经的通道称为浇注系统,浇注系统由主流道、分流道、浇口及冷料穴等组成,它直接影响到塑件能否成型及塑件质量的好坏。

3)导向机构导向机构保证动、定模合模时正确对合和推出机构运动的平稳性。为了确保动、定模之间的正确导向与定位,需要在动、定模部分采用导柱、导套(图7－1的8、9)或在动、定模部分设置互相吻合的内外锥面导向。推出机构的导向通常由推板导柱和推板导套(图7-1的16、17)所组成。

图7-1注射模的结构

4)侧向分型与抽芯机构塑件侧向如有凹凸形状、孔或凸台,就需要有侧向的凸模或成型块来成型。在塑件被推出之前,必须先拔出侧向凸模(侧向型芯)或侧向成型块,然后才能顺利脱模。带动侧向凸模或侧向成型块移动的机构称为侧向分型与抽芯机构,如图7－2所示。

图7-2斜导柱侧抽芯注射模

5)推出机构推出机构是指模具分型后将塑件从模具中推出的装置。一般情况下,推出机构由推杆、复位杆、推杆固定板、推板、主流道拉料杆、推板导柱和推板导套等所组成。图7-1中的推出机构由推板13、推杆固定板14、拉料杆15、推板导柱16、推板导套17、推杆18和复位杆19等组成。

6)温度调节系统为了满足注射工艺对模具的温度要求,必须对模具的温度进行控制,所以模具常常设有冷却或加热的温度调节系统。冷却系统一般在模具上开设冷却水道(图7-1中3),加热系统则在模具内部或四周安装加热元件。

7)支承零部件用来安装或支承前述的各部分机构的零部件均称为支承零部件。它们与导向机构构成注射模具的基本骨架。此外,为了将型腔中的空气及注射成型过程中塑料本身挥发出来的气体排出模外,常常需要开设排气系统。其常用的方法是在分型面上开设排气槽。小型模具由于排气量小,通常可直接利用推杆或活动型芯与模具之间的配合间隙和分型面直接排气。

7.1.3典型注射模具结构

1.单分型面注射模单分型面注射模又称二板式注射模,这种模具只有动模板和定模板之间一个分型面,其典型结构如图7-1所示,其工作原理及过程如下:

合模时,在导柱8和导套9的引导下动模与定模正确对合,并在注射机提供的锁模力作用下,动定模紧密贴合;注射时,塑料熔体由模具浇注系统进入型腔,经过保压(补缩)和冷却(定型)等过程后开模;开模时,由注射机开合模系统带动动模后退,分型面被打开,塑件包紧在凸模7上并随动模一起后退,同时浇注系统在拉料杆15的作用下,离开主流道;当动模移动一定距离后注射机顶杆21推动推板13,推杆18和拉料杆15分别将塑件和浇注系统凝料从凸模7和冷料穴中推出,从而完成塑件与动模的分离,即塑件被推出,至此完成一次注射过程。合模时,推出机构由复位杆19复位,准备下一次注射。

2.双分型面注射模在单分型面模具的动定模之间增加一个可以相对移动的中间板,就形成了有两个可以分开的模面,即双分型面注射模,也称三板式注射模或三板二开式注射模。如图7-3所示,其中件12即为中间板,它常用于点浇口形式浇注系统的注射模,增加的一个分型面是为了取出浇注系统的凝料。

图7-3双分型面注射模

其工作原理和过程如下:合模及注射过程同单分型面模具一样。开模时,动模后移,由于弹簧7的作用,迫使中间板与动模一起后移,即A-A分型面先分型,主流道凝料随之拉出;当限位销6后移分型距s后与定距拉板8接触时,中间板12停止移动,动模继续后移,B－B分型面分型,由于塑料包紧在型芯９上,浇注系统凝料就在浇口处与塑件分离,然后在A－A分型面自然脱落或人工取出;动模继续后移,当动模移动一定距离后,注射机的顶杆推动推板16时,推出机构开始工作,塑件由推件板4从型芯9上推出,塑件由B-B分型面取出。

双分型面注射模在定模部分必须设置定距分型装置。图7-3所示的结构为弹簧分型拉板定距式,此外还有多种形式,其工作原理和过程均基本相同,所不同的是定距方式和实现A－A先分型的措施不一样。双分型面注射模的结构复杂,制造成本较高,适用于点浇口形式浇注系统的注射模。

3.斜导柱侧向抽芯注射模

斜导柱侧向抽芯注射模是一种常用的机动侧向抽芯注射模,如图7-2所示。其工作过程和原理如下:开模时,在A-A分型面分型的同时,由于斜导柱10的限制作用,滑块11随动模后退时,会在动模板4的导滑槽内向外侧移动,即实现侧抽芯,直至侧型芯与塑件完全脱开,抽芯动作完成时,滑块11则由定位装置限制在挡块5上,塑件则包紧在型芯12上随动模后移;当动模移动一定距离后,注射机的顶杆推动推板21时,推出机构开始工作,塑件则会被推出;合模时,斜导柱使滑块向内移动,合模结束,侧型芯则完全复位,最后锁紧楔9将其锁紧。

斜导柱侧向抽芯注射模根据斜导柱与滑块的组合形式不同可以有以下四种形式:斜导柱安装在定模,滑块设置在动模;斜导柱安装在动模,滑块设置在定模;斜导柱与滑块同安装在动模;斜导柱与滑块同安装在定模。斜导柱侧向抽芯注射模的特点是结构紧凑,抽芯动作安全可靠,加工制造方便,因而广泛使用在需侧向抽芯的注射模中。

7.2注射成型模具各部分组成及设计

7.2.1分型面

1.分型面的形状模具上用以取出塑件和浇注系统凝料的可分离的接触表面称为分型面。分型面是决定模具结构形式的重要因素,并且直接影响着塑料熔体的流动、充填性能及塑件的脱模。注射模有单个分型面和多个分型面之分。分型面的形状有:平直分型面、倾斜分型面、阶梯分型面、曲面分型面及瓣合分型面等,如图7-4所示。其中平直分型面结构简单,加工方便,经常采用。

图7-4分型面的形式(a)平直分型面；(b)倾斜分型面；(c)阶梯分型面；(d)曲面分型面;(e)瓣合分型面

2.分型面的选择

分型面的选择是一个比较复杂的问题,影响分型面的因素比较多。选择分型面一般应遵循以下原则。

(1)分型面选择应保证塑件能顺利取出。分型面应设置在塑件外形最大轮廓处,否则塑件无法取出。

(2)分型面选择应方便塑件顺利脱模。一般推出机构设置在动模一侧,所以分型面的选择应尽可能使塑件留在动模。如图7-5所示的塑件,若按图7-5(a)分型,塑件收缩后包在定模型芯上,分型后塑件留在定模内,这样应该在定模侧设置推出机构,从而增加了模具的复杂程度;若按图7-5(b)分型,塑件则留在动模一侧。一般说来,当塑件有小孔或有嵌件时,为了保证塑件留在动模,型腔应设置在动模一侧。

图7-5分型面对脱模的影响

(3)分型面选择应保证塑件的精度要求。图7-6(a)所示为一双联齿轮,若按图7-6(a)所示设置分型面,两部分齿轮分别在动定模内成型,则受合模精度影响会导致齿轮的同轴度误差增加;若按7-6(b)所示分型则能有效提高其同轴度。

图7-6分型面对塑件精度的影响

(4)分型面选择应考虑塑件外观质量。如图7-7所示的塑件,若按7-7(a)分型,分型面产生的飞边不易清除,且影响塑件的外观质量;若按图7-7(b)分型,则所产生的飞边易清除且不影响塑件的外观。

图7-7分型面对外观质量的影响

(5)分型面选择应考虑排气效果。分型面应尽量设置在塑料熔体充满的末端处,这样分型面就可以有效排除型腔内积聚的空气。图7-8(a)所示的结构,排气效果较差;图7-8(b)所示的结构,排气效果较好。

除此之外,分型面选择时,还要考虑模具零件制造的难易程度、锁模力的方向和锁模的可靠性,侧向抽芯的方便与否。总之,影响分型面的因素很多,设计时在保证塑件质量的前提下,应使模具的结构越简单越好。

图7-8分型面对排气效果的影响

7.2.2成型零件设计

1.成型零件结构设计

1)凹模的结构凹模有整体式和组合式两类。整体式凹模如图7-9所示,这种凹模结构简单,成型处塑件的质量较好,模具强度好,不易变形。但其加工工艺性差,热处理不方便,内尖角处易开裂,所以只适用于形状简单的塑件成型。

图7-9整体式凹模

(1)整体嵌入式凹模。对于多型腔模具,一般情况都是将每个型腔单独加工,然后压入模板中,凹模与模板采用小间隙配合或过渡配合,如图7-10所示。图7-10(a)、(b)、(c)是反装式,其中图7-10(b)、(c)的型腔有方向性,用圆柱销或平键进行止转定位;图7-10(e)是正装式,可省去支承板。

图7-10整体嵌入式凹模及固定

(2)局部镶拼式凹模。对于形状复杂或易损坏的凹模,将难以加工或易损坏的部分设计成镶件形式,嵌入型腔主体上,以方便加工和更换,常用结构如图7-11所示。嵌入部分与凹模也采用过渡配合H7/m6。

图7-11局部镶拼式凹模

(3)四壁拼合式凹模。对于大型的复杂凹模,可以采用将凹模四壁单独加工后镶入模套中,然后再和底板组合的方式,如图7-12所示。

图7-12四壁拼合式凹模

2)型芯的结构型芯是成型塑件内表面的凸状零件,有整体式和组合式两类。

(1)整体式型芯。如图7-13所示，将型芯与模板制成一体,其结构牢固,但工艺性较差,同时模具材料耗费多,这类型芯主要用于形状简单的单型腔模具中。

图7-13整体式型芯

(2)组合式型芯。如图7-14所示是将型芯单独加工后镶入模板中组成,这样可以节约贵重模具材料,便于加工,尺寸精度容易保证。当凸模结构复杂或加工困难时,将型芯分成容易加工的几个部分,然后镶拼起来装配入模板中,其相互之间的配合也采用H7/m6。图7-14(a)所示的型芯,如采用整体式结构,必然造成加工困难,改用两个小型芯的镶拼结构,分别单独加工,则可使加工工艺大大简化;但当两个小型芯位置十分接近时,由于型芯孔之间的壁很薄,热处理时容易开裂,而如用图7-14(b)所示,仅镶嵌一个小型芯,则可克服上述缺点;图7-14(c)所示的结构,其中有两处长方形凹槽,如采用整体式结构,则加工相当困难,改用三块镶块分别加工后用铆钉铆合,就比较方便加工。

图7-14整体嵌入式型芯

(3)小型芯。小型芯的固定方法如图7-15所示。最为简单的固定方式是压入式,如图7-15(a)所示;图7-15(b)的形式是从正面镶入模板后在反面铆接;图7-15(c)为最常用的台阶式固定形式;若固定的模板太厚,可采用图7-15(d)的形式,在下面用一圆柱垫块;图7-15(e)采用螺钉压紧。图7-15(c)、(d)、(e)型芯与固定板的配合可采用H7/m6。

图7-15小型芯的固定方法

2.成型零件工作尺寸的计算成型零件的工作尺寸是指凹模和型芯直接构成塑件的尺寸。由于影响塑件尺寸的因素很多,特别是塑料收缩率的影响,所以其计算过程比较复杂。

1)影响成型零件尺寸的因素

(1)成型收缩。塑件成型后的收缩率波动范围较大,且与多种因素有关。在计算工作尺寸时,通常按平均收缩率计算:

(7-1)式中:S为塑件的平均收缩率；Smax为塑件的最大收缩率；Smin为塑件的最小收缩率。

(2)模具成型零件的制造公差。它直接影响塑件的尺寸公差,成型零件的精度高,则塑件的精度也高。模具设计时,成型零件的制造公差δz可选为塑件公差Δ的1/3～1/4,或选IT7~IT8级精度,表面粗糙度为Ra0.05~0.8μm。

(3)模具成型零件的磨损。模具使用过程中由于塑料熔体、塑件对模具的作用,成型过程中可能产生的腐蚀气体的锈蚀以及模具维护时重新打磨抛光等,均有可能使成型零件发生磨损。在计算成型零件工作尺寸时,磨损量δc应根据塑件的产量、塑件品种、模具材料等因素来确定。一般说来,对中、小型塑件,最大磨损量δc可取塑件公差Δ的1/6,对于大型塑件则取塑件公差Δ的1/6以下。此外,模具安装、配合的误差,塑件的脱模斜度等都会影响塑件的尺寸精度。

2)成型零件工作尺寸的计算成型零件的工作尺寸是根据塑件成型收缩率、成型塑件的制造公差和模具成型零件磨损量等来确定的。常用的方法是平均收缩率法,如图7－16和表7-1所示。

图7-16成型零件工作尺寸和塑件尺寸的关系

表7-1成型尺寸计算公式按平均收缩率法计算模具工作尺寸有一定误差,这是因为在上述公式中的δz及x系数取值凭经验确定,为保证塑件实际尺寸在规定的公差范围内,尤其是对于尺寸较大且收缩率波动范围较大的塑件,需要对成型尺寸进行校核。其校核的条件是塑件成型尺寸公差应小于塑件尺寸公差。型腔或型芯的径向尺寸:（Smax－Smin）Ls（或ls）+δz+δc<Δ

（δc=Δ/6）型腔深度或型芯高度尺寸:（Smax－Smin）Hs（或hs）+δz<Δ

塑件的中心距尺寸:（Smax－Smin）Cs<Δ

3.型腔和底板的计算

1)型腔和底板的计算依据在塑料模塑过程中,型腔所承受的力是十分复杂的。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,从而产生溢料和影响塑料制品尺寸及成型精度,也可能导致脱模困难等,可见模具对强度和刚度都有要求。实践证明,模具对强度及刚度的要求也并非要同时兼顾。对大尺寸型腔,刚度不足是主要矛盾,应按刚度条件计算;对小尺寸型腔,强度不够是主要矛盾,应按强度条件计算。

2)型腔和底板的强度及刚度计算

(1)计算法。常用圆形和矩形型腔壁厚及底板厚度的计算公式,见表7-2。系数c与c′分别由表7-3及表7-4查取。

表7-2型腔壁厚和底板厚度计算公式

表7-3

系数c

表7-4

系数c′

(2)查表法。型腔壁厚的计算比较复杂且烦琐,为了简化模具设计,表7-5列出矩形型腔壁厚的经验数据,供设计时参考。

表7-5矩形型腔壁厚尺寸

7.2.3浇注系统设计

浇注系统是指模具中由注射机喷嘴到型腔之间的一段进料通道,其设计的好坏直接影响到塑件的质量及成型效率。浇注系统的作用是:将塑料熔体均匀地送到每个型腔,并将注射压力有效地传送到型腔的各个部位,以获得形状完整、质量优良的塑件。常见浇注系统一般由主流道、分流道、浇口和冷料穴等四部分组成,如图7-17所示。

图7-17常见的注射模具浇注系统

1.主流道设计主流道是指注射机喷嘴与型腔(单型腔模)或与分流道连接的这一段进料通道,它与注射机喷嘴在同一轴心线上。在卧式或立式注射机用模具中,主流道垂直于分型面。主流道的结构形式及与注射机喷嘴的连接如图7-18所示。主流道需设计成锥角为α=2°～6°的圆锥形,表面粗糙度Ra≤0.８μm,以便于浇注系统凝料从其中顺利拔出。由于主流道要与高温塑料和喷嘴反复接触和碰撞,所以主流道部分常设计在可拆卸的主流道衬套(俗称浇口套)内,衬套一般选用碳素工具钢,如T８A、T10A等,热处理要求53~57HRC,衬套与定模板的配合可采用H7/m6或H9/m9。为使塑料熔体完全进入主流道而不溢出,主流道与注射机喷嘴的对接处应设计成半球形凹坑(图7-18(a));同时为便于凝料的取出,其半径R=r+(1～2)mm,其小端直径D=d+(0.5～1)mm,

如图7-18(c)所示,否则凝料难以取出,如图7-18(d)所示。图7-18主流道形状及其与注射机喷嘴的关系

为使模具与注射机对中,模具上应设有定位圈,注射机固定模板定位孔与模具定位圈取较松动的间隙配合或小间隙。小型模具可将主流道衬套与定位圈设计成整体式,高度h=8～10mm,大多数情况下,主流道衬套和定位圈分开设计,然后配合固定在模板上。

2.冷料穴

在主流道末端一般应设置冷料穴。冷料穴的作用是为了防止冷料进入浇注系统和型腔,影响塑件性能。冷料穴底部应设置拉料杆,以便开模时将主流道凝料从主流道衬套中拉出。如果分流道较长,为防止冷料进入型腔,通常在分流道末端也设置冷料穴。

常见的冷料穴结构如图7-19所示。图7-19(a)是“Z”字型拉料杆的冷料穴,应用较普遍,但当塑件被推出后无法作侧向移动时不能采用;图7-19(b)、(c)是图7-19(a)的两种变异形式。图7-19(a)、(b)、(c)三种形式的冷料穴,其拉料杆或推杆是固定在推杆固定板上的。图7－19(d)是带球形头拉料杆的冷料穴,它一般用于推件板脱模的注射模中;图7-19(e)、(f)是图7－19(d)的两种变异形式。图7-19(d)、(e)、(f)三种形式的冷料穴,其拉料杆固定在动模板上。

图7-19常见的拉料杆和冷料穴

3.分流道

1)分流道的截面形状分流道截面形状有圆形、梯形、U形,半圆形及矩形等,如图7-20所示。圆形和正方形流道截面的比表面积(流道表面积与体积之比)最小,流道的效率最高,但加工困难且正方形截面流道不易脱模,所以在实际生产中常用梯形、U形及半圆形截面。

图7-20分流道的截面形状

梯形截面的分流道的截面尺寸

H=(2/3)B,α=5°~10°,B=4~12mmU形截面的分流道的截面尺寸

H=1.25R1,

R1=0.5B,

α=5°~10°

2)分流道的布置形式分流道的布置有平衡式和非平衡式两种。平衡式布置指主流道到各型腔的通道的长度、截面形状、尺寸都对应相同,如图7－21所示。这种布置形式的优点是容易实现均衡送料和同时充满各型腔,使各型腔的塑件力学性能基本一致,但是这种形式分流道比较长。

图7-21分流道的平衡布置示意图

非平衡式布置是指分流道到各型腔浇口的长度不相等的布置形式,如图7-22所示。这种布置形式在型腔较多时,可缩短流道的总长度,但为了实现各个型腔同时充满的要求,必须将浇口开成不同的尺寸。有时往往需要多次修改,才能达到目的。所以,要求特别高的塑件不宜采用非平衡式布置。

图7-22分流道的非平衡布置示意图

4.浇口的设计浇口是指连接分流道和型腔的进料通道,它是浇注系统中截面尺寸最小且长度最短的部分。浇口的作用表现为:塑料熔体通过浇口时剪切速率增高,粘度降低,有利于充型;同时熔体的内摩擦加剧,使料流的温度升高、粘度降低,从而提高了塑料的流动性,有利于充型;另外在注射过程中,塑料充型后在浇口处及时凝固,防止熔体的倒流;成型后也便于塑件与整个浇注系统的分离。但是浇口的尺寸过小会使压力损失增大,冷凝加快,补缩困难。浇口的设计是十分重要的,实际使用时,浇口的尺寸常常需要通过试模,按成型情况酌情修正。

1)浇口的形式浇口的形式很多,尺寸也各不相同,常见的浇口形式、特点及尺寸见表7-6。

表7-6

浇口的形式及特点

表7-6

浇口的形式及特点

表7-6

浇口的形式及特点

2)浇口的设计浇口设计很重要的一方面是位置的设计,浇口位置选择不当会使塑件产生变形、熔接痕、凹陷、裂纹等缺陷。一般说来,浇口位置选择要遵循以下原则:

(1)浇口位置的设置应使塑料熔体填充型腔的流程最短、料流变向最少。如图7-23(a)所示的浇口位置,塑料流动距离长,曲折较多,能量、压力损失大,因而充型条件差,改用图7-23(b)、(c)所示的浇口形式与位置,就能很好地弥补上述缺陷。

图7-23浇口位置对填充的影响

对于大型塑件,一般要进行流动比校核。流动比是指熔体在模具中各段流动长度与其对应部位厚度比值之和,流动比按式(7-2)计算。

(7-2)式中:Li为各段流道的流程长度(mm);ti为各段流道的厚度或直径(mm)。若流动比超过允许值时会出现充型不足,这时应调整浇口位置或增加浇口数量。表7