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隨著電子、電信、醫療、汽車等行業的迅速發展,對塑料制品的高精度、高性能要求與日俱增,精密注射成型要求制品不僅具有較高的尺寸精度、較低的翹曲變形,而且還應有優異的光學性能等.注射成型是最重要的塑料成型方法之一,如何提高注射成型技術水平,生產出高精度的塑料制品,創造附加值高的產品,模具的設計是重要環節。$ I* a, }( Q' o9 a
在精密注射成型設計中,除了應考慮一般模具設計事項外,還要特別考慮如下事項:
3 L$ k9 U" a* u3 G# V8 i" _ 1)為了得到所要尺寸公差的制品,要考慮適當的模具尺寸公差;2)要考慮防止產生成型收縮率波動;3)要考慮防止產生成型變形;4)要考慮防止產生脫模變形;5)要使模具制作誤差最小;6)要考慮防止模具精度波動;7)要考慮維持模具精度。% ]: E2 x# s2 [3 l
1、適當的模具尺寸和公差
9 N2 Q, k, W( Q+ ]3 u5 M 1.1制品尺寸精度與模具尺寸精度的關連
* q0 x" P) W, {, |) `: P 繪出制品圖,考慮模具設計、模具制作和成型過程。
% Y" h; F* p' O( _3 H2 Y. E 首先可從制品圖面尺寸求模具圖面尺寸。按此模具圖畫尺寸制作模具,得到模具的實際尺寸。用此模具可得到成型的制品,得到制品實際尺寸。間題是此實際尺寸如何在圖面所要尺寸公差內。$ x+ k" Q* p& S" ?7 f& t; i; G+ u
1.2適當的收縮率* ]( W/ d6 X5 M# f$ k3 k& d! t
如上所述,即使在用同一顏料的同一樹脂中,收縮率也因成型條件不同而異。在精密成型中,收縮率變化程度要小,預計收縮率和實際收縮半要盡可能無差異。主要是采用整理以往的類似制品的實際收縮率來推定收縮率,也有用實驗模求實際收縮率,再經修正、設計制作生產模的情形.
& j# M. q" X7 U6 ]& D 但完全恰當推定收縮率幾乎是不可能的,不可避免地要在試成型后修正模具。修正結果,凹部將增大尺寸,凸部將縮小尺寸。因此,對凹部尺寸,將收縮率設在小值,對于凸部尺寸將收縮率設在大值。齒輪外徑尺寸變大時不能嚙合,變小時僅齒隙變大,所以要將收縮率設在小值。. R% N( d: @6 W+ }8 Y* v; l
2、防止產生成型收縮率波動
- @( K' y: F7 V7 e; d: c: ~4 O 精密注射成型,必須以確實可按所要尺寸制作模具為前提。然而,即使模具尺寸一定,制品實際尺寸也因實際收縮不同而異.所以在精密注射成型中,收縮率的控制是十分重要的.模具設計的合適與否支配收縮率,還因樹脂批次不同而異,若改變顏料,收縮率也產生差異。因成型機不同,成型條件的設定、再現性以及各成型周期的動作有波動,對實際收縮率產生波動等,因而收縮的控制是困難的.: `& h, G& r# _% w
2.1影響收縮率的主要因素
T7 [! R9 a+ U1 S& I- X 模具尺寸可由制品尺寸加上收縮率求得,所以在模具設計時,需要考慮收縮率的主要因家。影響成型收縮率的主要因素有(1)樹脂壓力,(2)樹脂溫度,(3)模具溫度,(4)澆口截面積,(5)注射時間,(6)冷卻時間,(7)制品壁厚,(8)增強材料含盆,(9)定向性,(10)注射速度。這些影響因樹脂和成型條件等項目的變化不同而異。, e+ S% E; H. T* H$ n
(1)樹脂壓力
' d" g* u5 A- b: O Z& C4 `, h 樹脂壓力對收縮率影響很大,樹脂壓力若大,收縮率變小,制品尺寸則大。即使在同一模腔內,樹脂壓力也因制品形狀不同而異,因此產生收縮率差異。在多腔模的場合,各模腔內樹脂壓力容易產生差異,結果各模腔的收縮率也不相同。- _% z+ K( P' x# Q1 I; L
(2)模具溫度
! k6 X# g: q. @, [ 無論是非結晶性樹脂或是結晶性樹脂,模具溫度若高,收縮率則變大.精密成型要將模具溫度維持在特定溫度。在模具設計時,必須注意冷卻回路設計。8 F2 s5 N* e2 F( y
(3)澆口截面積0 j8 B( k9 h: Q& } }: W& i
一般說來,改變澆口截面積時,收縮率也變化.收縮率隨著澆口尺寸變大而變小,這與樹脂的流動性有關。
3 M' }) U# a' L. d; P (4)制品壁厚度4 ^5 \9 E$ c0 V) T, b( d
制品壁厚度也影響收率.對于非結晶性樹脂,因樹脂對壁厚的收縮率影響傾向不同,壁厚大,收縮率也大,反之,收縮率變小。而對于結晶性樹脂,必須避免壁厚變化特別大。在多腔模的情形,如果模腔壁厚有差異,收縮率也將產生差異.1 f$ r1 d$ L; \
(5)增強材料含量
; _8 q4 \2 `. ^ J9 D6 I 用玻瑞纖維增強樹脂時,加玻纖量愈多,收縮率則愈小,流動方向的收縮率比橫向收縮率小,根據樹脂其差較大,為了防止扭曲飛翹曲,必須考慮澆口形狀飛僥口位置和澆口數.) V+ ?( v# R$ J' q6 R5 J" q0 e
(6)定向性
! B8 q# T& n8 T( M" F1 I. O 定向性雖有較大差異,然而對所有樹脂都存在定向性。結晶性樹脂的定向性特別大,由于壁厚和成型條件而有差異。
& c1 {/ {: s& y% B/ y# ?$ |; B 此外,還有產生成型后收縮。影響成型后收縮的主要因素有①內部應力緩和,②結晶,③溫度,④濕度.
* ~( c; {; x+ y; g4 | 2.2可采取的措施
) _, @7 z! m' g g8 { (1)流道,澆口平衡
* X" J9 _5 k4 h8 V 如上所述,收縮率因樹脂壓力變化。在單腔模多點澆口以及多腔模的情形,要同樣進行充模,就要進行澆口平衡。樹脂流動與在流道中的流動阻力有關,所以在取澆口平衡前最好取流道平衡。$ |& S& f1 r1 u& H, p
(2)模腔排列3 ]- x5 ?7 I9 U" O# G) v
為了使成型條件的設定容易,所以需要注意模腔排列。由于熔融樹脂將熱帶入模具,在一般模腔排列的情況下,模具溫度分布呈以澆口為中心的同心圓狀。所以在選擇多腔模的模腔排列時,既要易取流道平衡,又要取以澆口為中心的同心回狀排列.
6 x( O4 x4 [. X# X, t0 j8 C& M (3)精密注射成型的冷卻回路設計
: y- M; a! h; m; M/ A/ r) i; W 如上所述,模具溫度對收縮率影響很大,同時,因時間不同溫度變化,多腔模各模腔的溫度差也難以避免,所以需要注意冷卻回路設計。
* z( A8 p2 _, ~$ v& Z: P; L 從熱交換效率來看,冷卻液的流動應為紊流,冷卻回路最好設為串聯的折流板式。- a- q' F0 ^3 S1 c G: c
在回路設計中,型腔與型芯應帶出的熱量也不同,熱阻力也因回路構造不同而異,入口水溫在模腔與型芯產生較大差異.因此,精密成型模具的冷卻回路為型腔與型芯分別設計,用分別的溫調機進行溫度控制。
" E N5 e- _2 I( i 3、防止產生成型變形
4 s2 L4 ` M* s+ o: N$ @; f$ _1 v 成型變形產生的原因是在不均勻的收縮下有內應力,所以需要防止不均勻地收縮。8 n2 V+ ]0 [6 S- B
(1)澆口數
0 u7 _$ `/ Q7 Q) [' b/ J 在齒輪中心有孔的圓形制品的情形,必須在中心設澆口.然而在樹脂的流動方向與垂直方向收縮率有較大差異時,卻有產生橢圓的缺點,在需要更高精度的圓度時,需要設成3點或6點澆口。但需要充分注意各澆口的平衡。1 r, q7 c/ [; f8 V
在使用側澆口時,3點澆口將使圓筒狀制品內徑增大,在外表和端面不允許澆口痕跡的情形少使用內側多點勻分澆口,可以得到良好結果。
, Q/ _9 E& Z; q (2)澆口形狀和位置
1 B2 r3 A8 D! {6 O; p1 X- z5 ? 需要根據制品形狀選用適當形狀的澆口。圖置表示澆口形狀和位置對變形的影響。6 F9 j" C3 }5 b0 B+ V0 s
4、防止脫模產生變形, z; g( L V( P% e
精密制品一般較小,制品壁厚較薄,有的還有許多薄筋。棋具設計必須考慮使制品不變形,而且可適當脫棋。8 s( x8 G: q' w. ?$ D
對于收縮率較小的樹脂,當成型壓力高的情形,需要注意制品易留在模腔內.用收縮率小的樹脂成型齒輪時,齒輪部分模腔最好設計在頂出一側的模板上。: K8 A+ D9 s1 { Y. n
在用頂銷時,濡要注意無變形的頂銷數和頂壓位置。帶孔齒輪需要芯銷,這時為了有助于在頂出時平行頂出,而需要設置頂出側模板上。
8 X7 @9 R2 p9 s9 o! j 對于角狀制品,可以使用沖孔模板頂出,用這種模板頂出可以防止產生變形。
9 z+ S/ i+ \+ e- Z 一般精密制品拔模斜度較小。為了減小脫模力,而需要鏡面加工,研磨方向必須為拔模方向。要按拔模方向設容易研磨的分塊型芯。
1 \0 u( A7 B! ?2 p4 ?/ U5 H 5.最小的模具制作誤差 ]5 J0 D! n4 K
5.1按所要加工方式的適當的模具構造
; @, w% C& I, `) G 為了得到所要精度的制品尺寸,必須有相應的模具尺寸,而模具需要有極高精度的加工,又受精加工機械限制。
. x3 f% F9 m7 S4 }. y 為了維持模具精度,需要耐磨性高,為此需要采用淬火,用磨床及電火花加工機床加工淬火模具的精度可達0.01毫米以內。
2 ~. i/ u4 F% @" N5 K4 N 由于用平面磨床無法加工封閉槽形,可選用】形,但因】形強度差,需要采用如圖2的增強措施。
- N4 g/ ]9 O. t 用電火花加工機床彤模加工時,必須注意電極端的磨損變大。加工圖3的齒輪用模腔以及用鋼絲電火花加工機床加工時,應盡可能設計能夠貫通加工的構造。
, I$ m; n' }; S 從防止磨削變形和縮短加工時間方面來看,要選定淬火變形少的鋼材,而且要設計為淬火變形少的形狀。形狀復雜時,悴火冷卻不易均勻,易產生淬火變形。
h" i, @$ p! a2 _4 R 5.2總分割式模具
7 `9 j0 `2 s( L8 }: w1 H 為了將淬火零件加工成較高精度,要使用磨床。因此,需要采用鑲件組成分割式模具。這種模具有如下特征:. q& u. }) r/ A+ \& c6 W. \
(1)因為可選擇適當材料,所以能夠使用適當硬度模具材料。. s7 V* O/ r, a7 i( t
(2)能夠利用耐蝕性和耐磨性高的模具材料。2 m5 \: [4 R0 G3 g( i3 q
(3)能夠分別熱處理,所以容易設定熱處理條件。
' E6 z' E0 o9 z8 u, M; s$ E (4)能夠使用鏡面加工性良好的模具材料,鏡面加工操作也容易,所以能夠提高鏡面度。
! m) F2 M9 E2 D (5)因為容易按拔模方向研磨,所以有利于采用拔模斜度小的模具。
8 l, |3 T3 n+ f) u- L (6)由于硬化,可延長模具精度保持時間,模具壽命長。6 W- y2 k$ o/ D4 {
(7)容易設在任意位置排氣,所以充模容易。
! S, V! Z9 |2 k) V+ }7 p# y" N (8)磨削加工容易。- x. X' I/ C" N, n ]
(9)能夠提高模具零件精度,所以可能提高制品精度。
' Q v+ ^2 Y5 L0 T: ~ (10)可在較小的公差內制作備模腔和型芯,所以部件互換性高,容易維修。, B/ P7 M; A; H$ L+ c
(11)因為以磨削加工為主體,所以加工效率高。# \ }) a, y' h' E
(12)零件數多,需要極大提高各零件加工精度。 V) d* z$ f9 c- z; x
(13)局限于特定加工方法。" j& y6 U N% J
(14)采用完全淬火。8 J" u! h! \/ z' [+ I# J
5.3總分割式模具設計方面的注意點
# o- z5 h* ]( o8 P8 s8 W2 i 關系精度和各部件所要精度必須從所要制品精度逆運算決定。& |6 {# p) G( M6 P
因為分割數愈多,積象誤差愈大,愈要提高加工精度,所以分割數僻要定在最小限度。' m& Y% h2 R; h4 }6 p' u z O
一般禁止在制品表面設分型線,不僅外觀上嫌棄,而且在功能上也將成為障礙。若在產生應力處有分型線時,也往往因應力集中而引起破損。
) k" B8 @: f! D+ [. b5 Q/ V: G 因為磨削加工容易得到均勻的尺寸零件,所以應分割成可用研磨劑加工的形狀。6 @! s* j/ s. w! ?, @
易損易壞部分應分割成易更換的,并且考慮選用高耐磨性合金。2 F4 f( l+ N; J) ~ m+ w$ [
此外,要考慮組裝和拆卸容易。必須用能夠容易、正確地復原精度的機構,組裝模腔和型芯的各部件,如果分別裝在基座上,則模腔與型芯必須同心。在使用安裝銷釘的情形,必須正確研磨銷孔。" ~, v% ~. V0 U" t; N2 q, {
6、防止模具精度的誤差
+ L8 L: H- i7 d. r2 \5 @ 確保滑動件各周期的定位,需要防止模具精度的波動。為了維持滑動件的精度,滑動件都應悴火研磨。側芯滑動部分的配合應有定位退拔部分,如圖4所示,在側芯尺寸大時,中間部分可以設狹小的導槽。
' X2 V( y. `) q0 V0 y" b 7、模具精度的維持
/ r) G) D# \: g1 K0 H, m 7.1確保模腔與模芯的中心一致" @- l) h! G5 b- o
為了經常正確地合模,的構造.圖5-7表示其例必須設計成兩模板可確實正確定位3 v0 [4 [) v1 K9 w, |
7.2 防止模具變形) u1 _" U. v3 h4 x! R
為了避免因樹脂壓力作用于模腔而產生的模具變形,棋具強度就要足夠大。在型芯板中間常加支柱,銷的材料也選用高強度鋼,并且將容易受彎曲的銷設在接近澆口,還要降低作用于銷的樹脂流動壓力。
1 e: ^/ F0 ^! r# z# D1 a 7.3預防時效變化+ o- O; i9 R6 S4 q2 T6 }
模具藉要淬火回火處理時,如果有殘余奧氏體,將產生時效變化,導致模具尺寸精度變化,所以再使殘余奧氏體分解的溫度回火,并且孺要用冷處理。: s, m7 @9 V9 O5 v0 e2 I1 z7 i
為了防止因磨損的變化,需要提高硬度,還應考慮使用因淬回火尺寸變化極小的鋼種。磨削與刀具切削加工相比,因為加工效率差,所以為了縮短加工時間,需要盡量減少磨量。既要設成縮小淬火變形的零件形狀,又應選定可縮小變形的材質。3 B4 }( A7 _1 z7 I9 \
! P1 n, G' v6 T1 H) J' ~
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