薄壁塑件注射成型工藝及模具設(shè)計(jì)

賀曉輝 ，雷帆 ，丁永峰 ，周哲

(1. 重慶天巨承機(jī)械制造有限責(zé)任公司，重慶 400700 ；2. 德宏師范高等?？茖W(xué)校，德宏 678400 ；3. 重慶文理學(xué)院，智能制造工程學(xué)院，重慶 40216)

0 引言

模具是以特定的結(jié)構(gòu)形式通過(guò)一定的方法使材料成為制品的一種工具產(chǎn)品，是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工業(yè)裝備，而各國(guó)對(duì)于模具的研究與發(fā)展愈發(fā)重視，特別是電子、機(jī)械、通訊、交通等行業(yè)[1]。注射成型作為一種比較成熟的制造方法，在制造業(yè)生產(chǎn)中的地位十分重要。有數(shù)據(jù)表明，模具塑料制品總產(chǎn)量的三分之一都是通過(guò)注射成型所制成的，并且注射模占所有塑件成型模具的一半以上，注射模具在模具工業(yè)中的重要性顯而易見(jiàn)[2]。而薄壁塑件的注射成型，在其生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)品的翹曲及不均勻收縮等缺陷[3～5]，對(duì)塑件的外觀及尺寸造成負(fù)面影響，因而其模具設(shè)計(jì)顯得尤為重要。本文以某品牌筆記本后蓋塑件產(chǎn)品為例，分析塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并校核模具的結(jié)構(gòu)及尺寸，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，為薄壁塑件類產(chǎn)品注射模設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 塑件結(jié)構(gòu)及工藝分析

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工藝特性

圖1 所示為某品牌筆記本后蓋產(chǎn)品三維模型，經(jīng)測(cè)算知其外形尺寸為345 mm×240 mm×26 mm，最大投影面積為48.35 cm2，產(chǎn)品壁厚均勻，最薄處僅為1.5 mm。產(chǎn)品屬于外觀件，精度等級(jí)按MT3 計(jì)算，要求外表面光潔無(wú)缺陷，內(nèi)表面無(wú)明顯影響產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷如斑點(diǎn)、熔接痕等[6]。產(chǎn)品零件尺寸較大，為典型薄壁零件，校對(duì)后可知塑料熔體流程在標(biāo)稱范圍內(nèi)[2]，可以進(jìn)行注射成型。

圖1 某筆記本后蓋產(chǎn)品模型

1.2 ABS 材質(zhì)性能分析

塑件所用主要材質(zhì)為工程塑料ABS( 丙烯腈- 丁二烯- 苯乙烯三者的共聚物)。ABS 是一種常見(jiàn)的無(wú)定形塑料，成型收縮較小，種類繁多，并且具有較大的吸水性，在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)不同品種及其具體的使用性能來(lái)確定注射成型的方法及條件。對(duì)于表面相對(duì)比較光滑的制品應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間預(yù)熱以保證充分干燥( 推薦條件：干燥溫度70～85 ℃，干燥時(shí)間2～6 h，使其濕度低于0.1% ) ；材料具有中等的流動(dòng)性，溢邊料通常在0.04 mm 左右；在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，選擇好流道及澆口的形式與位置[2,6]。塑件后處理時(shí)，以空氣和水作為主要介質(zhì)，處理溫度為70～80 ℃之間，處理時(shí)間在16～20 s 之間[7]。

2 注射成型設(shè)備選擇

2.1 澆口位置確定

塑件尺寸相對(duì)較大，擬使用一模一腔的模具布置，澆口形式選擇為點(diǎn)澆口，可以使塑件與澆口凝料在脫模過(guò)程中自動(dòng)拉斷從而減少人工操作，提升效率，自動(dòng)化程度更高。綜合考慮塑件注射成型過(guò)程中材料的流動(dòng)規(guī)律及產(chǎn)品的外觀要求[2]，選擇塑件產(chǎn)品4 個(gè)膠墊處作為點(diǎn)澆口的位置。

2.2 注射機(jī)的選擇與校核

通過(guò)三維CAD 建模軟件分析得塑件體積V塑=91.14cm3，質(zhì)量m塑=92.96 g。澆注系統(tǒng)凝料體積的大小可以按照塑件體積的0.2～1 倍來(lái)估算[2]，因采用一模一腔注射模結(jié)構(gòu)，澆注系統(tǒng)占比按塑件自身體積的倍計(jì)算，得一次注入型腔的熔體總體積為V總＝V塑(1+0.2)=111.55 cm3。根據(jù)V公＝V總/0.8，并參考同類產(chǎn)品注射成型工藝[3,4,6,7]，初步選定公稱注射量為250 cm3，型號(hào)為XS-ZY-250 的注射機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 注塑機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

已知塑件材料的注射壓力范圍為80～110 MPa，取P0=90 MPa，所選注射機(jī)公稱壓力為P公=109 MPa，安全系數(shù)k1=1.25，校核后注射壓力滿足P公>k1·P0。塑件及澆注系統(tǒng)總投影面積為A總=39 646 mm2，注射模型腔平均壓力P模=35 MPa ( 通常取注射壓力的20%～40%[2])，可得塑件在型腔內(nèi)的脹型力F脹=P?！總=1 387.61 kN，查表可知注射機(jī)的公稱鎖模力為F鎖=1 800 kN，取安全系數(shù)k2=1.1，校核后鎖模力滿足F鎖>k2·F脹，驗(yàn)證了所選的注射機(jī)型號(hào)滿足塑件成型使用需求。

3 注射模具設(shè)計(jì)及校核

3.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 主流道設(shè)計(jì)

主流道位于模具中心，其形狀設(shè)計(jì)為圓錐形，以便熔體易于流動(dòng)和開(kāi)模時(shí)凝料的拔出[8]。由于主流道與高溫熔體和注射機(jī)噴嘴接觸頻繁，將其設(shè)計(jì)成澆口套的形式，方便更換和拆卸。對(duì)與中小型模具，主流道長(zhǎng)度L主≤ 60 mm，取60 mm，小端直徑d=5 mm，大端直徑d’=d+2L主·tan(α/2) ≈ 9 mm，α=4°，球面半徑SR0=20 mm，球面配合高度h=3mm。由V主=π·L主(R主2+r主2+R主r主)/3，得主流道凝料體積為V主=2.37 cm3，主流道當(dāng)量半徑Rn=(2.5+4.5)/2=3.5 mm。采用碳素工具鋼(T8A 或T10A) 作為澆口套的主要材料，熱處理后表淬火面硬度為50～55 HRC，其結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示。

圖2 主流道澆口套

3.1.2 分流道及澆口設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)擬采用點(diǎn)澆口，且為一模一腔，4 個(gè)點(diǎn)澆口位置比較對(duì)稱，采用X型對(duì)稱式分流道形式。根據(jù)4 個(gè)點(diǎn)澆口的位置結(jié)構(gòu)，取單邊流道長(zhǎng)度L分=170 mm，而分流道及澆口深度L2≤2·L1/3，澆口高度L=0～2 mm，此次設(shè)計(jì)澆口高度取L=1 mm，當(dāng)量直徑H1=3D/4=6.75 mm，截面形狀為圓形，計(jì)算得分流道凝料體積為V分=27.51 cm3。

因塑件尺寸較大，取澆口直徑d=1 mm，高度L=1 mm，并在澆口與塑件接觸處做成r=0.2 mm 的倒角以避免澆口凝料在拉斷時(shí)損傷塑件表面，同時(shí)也能減小型芯受到的沖擊力，減小流動(dòng)阻力[9]。

3.1.3 剪切速率校核

依據(jù)所選注射機(jī)的參數(shù)，計(jì)算得塑料熔體在分流道的剪切速率為1.61×103s-1，處于最佳剪切速率5×102～5×103s-1之間，校核合格。分流道表面粗糙度取Ra1.6 μm，脫模斜度取8°，并在分流道末端設(shè)置冷料穴。同樣，計(jì)算得塑料熔體在澆口處的剪切速率為3.85×105s-1，處于最佳剪切速率5×104～5×105s-1之間，校核合格。根據(jù)上述測(cè)算的熔體體積，計(jì)算得塑料熔體在主流道的剪切速率為1.50×103s-1，處于最佳剪切速率5×102～5×103s-1之間，校核合格。

最終設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 澆注系統(tǒng)

3.2 成型零件及輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 凹模及型芯設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)塑件結(jié)構(gòu)形式和分型面方案的分析，分型后的制件應(yīng)盡可能留在型芯上，以便從動(dòng)模推出，從而達(dá)到簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)的目的[10]，因此選擇塑件最大投影面為分型面，便于產(chǎn)品脫模及減少塑件外表面熔接痕缺陷。根據(jù)對(duì)塑件的受力校核以及結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)選用整體式凹模結(jié)構(gòu)[2]，并在凹模上方開(kāi)設(shè)點(diǎn)澆口的分流道，型芯亦采用整體鑲嵌式結(jié)構(gòu)。通過(guò)塑件尺寸及制造精度(MT3) 轉(zhuǎn)換，對(duì)凹模及型芯各部位尺寸進(jìn)行計(jì)算及校核，如圖4，5 所示。

圖4 整體式凹模

圖5 鑲嵌式型芯

模具中的成型零件應(yīng)有良好的力學(xué)性能及抗疲勞特性，同時(shí)考慮它的機(jī)械加工和拋光性能，因此凹模的鋼材選用P20。而型芯在脫模時(shí)經(jīng)常與塑件發(fā)生磨損，因此采用高合金工具鋼Cr12MoV。參考材料性能及塑件的尺寸，確定注射模各個(gè)成型零件的脫模斜度統(tǒng)一為1°。成型零件主要尺寸計(jì)算如下。

采用平均尺寸法，并按MT3 精度等級(jí)計(jì)算凹模徑向尺寸。塑件外部徑向尺寸ls1=3450-1.12mm，ls2=2400-0.78mm， 相應(yīng)的塑件公差Δ1=1.12 mm，Δ2=0.78 mm。

其中，Scp) 為ABS 材料的收縮率，一般在0.3%～ 0.8% 之間， 取Scp)=0.005 5，0.5 ≤x1≤0.8， 取x1=0.6，Δ1，Δ2為塑件上相應(yīng)尺寸的公差( 下同)，δz1，δz2是塑件上相應(yīng)的尺寸制造公差，對(duì)于中小型件取δz=Δ/6( 下同)[2]。

同理，塑件最大高度尺寸及公差分別為Hs1=260-0.28 mm，Δs1=0.28 mm，可計(jì)算凹模深度尺寸：

塑件內(nèi)部徑向尺寸及公差Ls1=2370+0.78mm，Ls2=3420+1.12mm，Δs1=0.78 mm，Δs1=1.12 mm。型芯徑向尺寸：

成型孔間距：

塑件內(nèi)部高度尺寸及公差

3.2.2 輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具設(shè)計(jì)采用點(diǎn)澆口進(jìn)料，熔體直接進(jìn)入并充滿型腔，成型零件之間的配合間隙即可排出氣體，因此較少存在憋氣現(xiàn)象。故本次設(shè)計(jì)中無(wú)需單獨(dú)設(shè)計(jì)排氣結(jié)構(gòu)。僅靠各部件之間的間隙配合即可滿足排氣要求。

注射模的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)用于動(dòng)、定模之間的開(kāi)合模導(dǎo)向和脫模機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向。因注射成型的塑件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，模具定位要求精度相對(duì)較低，可以使用模架上的導(dǎo)柱導(dǎo)套來(lái)進(jìn)行定位導(dǎo)向[11]。

另外，模具采用點(diǎn)澆口形式進(jìn)行注射成型，為方便脫模以及去除分流道上的塑件殘留，采用復(fù)合導(dǎo)柱順序脫模機(jī)構(gòu)進(jìn)行脫模，并且使用推板推出，并在脫模板與型芯之間空余0.2 mm 間隙，采用錐面配合以減小在推出時(shí)與型芯的摩擦[2]。

3.2.3 模架的確定及校核

考慮到模架內(nèi)的布置，初步選用模架序號(hào)為10 號(hào)(W.L=355 mm×450 mm)，模架結(jié)構(gòu)為P8 型的雙分型面標(biāo)準(zhǔn)模架[2]。依次確定凹模板厚度26 mm，，凹模固定板(A 板) 厚度63 mm，型芯固定板(B 板) 厚度25 mm，墊塊高度80 mm，中間板厚度25 mm，脫模板厚度32 mm。經(jīng)初步校核，所選模架滿足塑件產(chǎn)品尺寸要求。

因塑件為薄壁零件，其脫模力可由下式計(jì)算：

式中，E=1.8×103MPa，S=0.055，Φ=1°，L=342，K2=1+fsinΦcosΦ，f=0.45，A=3 964 6 mm2，μ=0.3，t=1.5 mm。

由此可得模具推出機(jī)構(gòu)應(yīng)力為：

式中，塑件推出面積B=1 746 mm2，σe=53 MPa為材料抗壓強(qiáng)度，可知模具推出機(jī)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度符合要求。

3.2.4 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ABS 為中等黏度材料，成型溫度為200 ℃，初步設(shè)定模具溫度為50 ℃，并采用常溫水作為冷卻介質(zhì)[12～13]。通過(guò)對(duì)塑件質(zhì)量、ABS 塑料熔體在凝固過(guò)程中的熱量及冷卻液的體積流量進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，確保冷卻水處于湍流狀態(tài)以獲得最佳的冷卻效果，可獲知冷卻液在流道內(nèi)的流速及傳熱系數(shù)h，最終計(jì)算得在凹模及型芯分別設(shè)置1 根冷卻水路即可滿足塑件產(chǎn)品注射成型需求。

4 注射模結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

對(duì)注射模具平面尺寸、開(kāi)模行程、應(yīng)力強(qiáng)度等校核及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、脫模機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，依次對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行裝配并添加固定裝置，完成如圖6 所示的注射模具總裝圖。

圖6 注射模具總裝圖

薄壁塑件的生產(chǎn)過(guò)程如下：模具閉合時(shí)，在導(dǎo)柱9/ 導(dǎo)套8 機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向定作用下，動(dòng)模部分與中間板10及定模座板7 處于閉合狀態(tài)。塑件輪廓部分由凹模嵌件11，型芯13，推板21 及動(dòng)模座板23 的一部分構(gòu)成，并由注射機(jī)合模系統(tǒng)的鎖模力進(jìn)行壓緊，確保塑件注射成型前的可靠定位鎖緊。所有準(zhǔn)備工作就緒后，注射機(jī)開(kāi)始進(jìn)行工作，ABS 塑料熔體經(jīng)注射機(jī)噴嘴進(jìn)入澆口套3，然后經(jīng)過(guò)主流道、分流道及澆口進(jìn)入模具型腔，經(jīng)歷充模、壓實(shí)、保壓、倒流補(bǔ)縮及冷卻定型5 各階段后，完成塑件的注射成型。模具開(kāi)模過(guò)程中，注射機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)帶動(dòng)模機(jī)構(gòu)拉開(kāi)模具，處于壓縮狀態(tài)的彈簧2 首先使中間板及凹模嵌件分開(kāi)，促使?jié)沧⑾到y(tǒng)凝料與澆口套機(jī)中間板分離，動(dòng)模繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，凹模嵌件在限位銷作用下停止運(yùn)動(dòng)，澆注系統(tǒng)凝料在拉料桿6 的作用下與凹模嵌件分離，并停留在拉料桿上，便于脫落機(jī)后期處理。注射機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，凹模嵌件與型芯開(kāi)始分離，塑件因收縮作用包裹在型芯上并跟隨動(dòng)力機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)注射機(jī)推出機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，推桿18 推動(dòng)推板將塑件推出，從而完成一次注射成型過(guò)程。合模時(shí)，注射機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)在導(dǎo)向及限位機(jī)構(gòu)作用下順序復(fù)位，模具回復(fù)到閉合鎖緊狀態(tài)，并準(zhǔn)備下一次塑件注射成型。

5 結(jié)論

本文以某品牌筆記本后蓋為研究對(duì)象，分析了薄壁類塑件產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)，初定了恰當(dāng)?shù)淖⑸涑尚头桨?，擬定了合理的注射成型參數(shù)，并進(jìn)行了參數(shù)校核，最后選用了合理的標(biāo)準(zhǔn)模架并設(shè)計(jì)了注射成型的模具總裝圖，為薄壁塑件類產(chǎn)品的注射模設(shè)計(jì)提供了較好的技術(shù)參考。