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1、名片盒注塑工艺与模具设计1、绪论1. 1、引言模具是工业生产的基础工艺装备，被称为“工业之母”。75%的粗加工工业产品零件、50%的精加工零件均由模具成型，绝大部分塑料制品也由模具成型。作为国民经济的基础工业，模具涉及汽车、家电、电子、建材、塑料制品等各个行业，应用范围十分广泛。 模具又是“效益放大器”，用模具加工产品大大提高了生产效率，而且还具有节约原材料、降低能耗和成本、保持产品高一致性等特点。在国外，模具被称为“金钥匙”、“进入富裕社会的原动力”等等。据国外统计资料，模具可带动其相关产业的比例大约是1:100，即模具发展1亿元，可带动相关产业100亿元。塑料在农业、制造业、建筑业、国防尖
2、端工业、交通与航空工业、办公及家用电器工业、医疗及医疗器械、包装业、日常用品和体育用品等各个领域应用广泛。20世纪90年代初，世界合成树脂产量已达到9650万吨，按体积计算已超过了钢的年产量，在机械产品的品种和规模上都成倍增长。塑料可以说是无所不在并成为人们不可缺少的物质，并且还将有越来越广泛的用途8。塑料模具作为重要的生产装备和工艺发展方向，在现代工业的规模生产中日益发挥着重大作用。通过模具进行产品生产具有优质、高效、节能、节材、成本低等显著特点，由于塑料的易于成型的优点，充分的考虑塑料的收缩率可以使用塑料模具加工出最终零件，成型精度很高一般不需要精加工。近年来塑料模具的发展很快，其中注塑模
3、具是最常用的形式。在塑料材料、制品设计及加工工艺确定以后，塑料模设计对制品质量及产量就具有决定性的影响。首先，模腔形状、流道尺寸、表面粗糙度、分型面、进浇与排气位置选择、脱模方式以及定型方法的确定等，均对制品尺寸精度和形状精度以及塑件的力学性能，应力大小、表观质量与内在质量等，起着十分重要的影响。其次，在塑件加工过程中，塑料模结构的合理性，对操作的难易程度具有重要的影响。再次，塑料模对塑件成本也有相当大的影响，除简易模具外，一般说来制模费用是十分昂贵的，大型塑料模更是如此。现代塑料制品产生中，合理的加工工艺、高效率的设备和先进的模具，被誉为塑料制品成型技术的“三大支柱” 。尤其是塑料模对实现塑
4、料加工工艺要求、塑料使用要求和塑件外观造型要求，起着无可替代的作用。高效全自动化设备，也只有装上能自动化生产的模具，才能发挥其应有的效能。此外，塑件生产和产品更新均以模具制造和更新为前提14。作为近现代科技的先行者-电子产业的发展迅猛，无论在家居、出行、办公、生产等各行各业，智能化更加明显，集成化也更强。而电子产业是微型、精密型塑料制品的主要应用方向之一，而且由于现在资源匮乏速度比人们预期的要加快许多，我国的树脂也主要靠进口，资源的浪费在生产上只有一成，而九成是在设计环节，我们作为设计者必须认真考量。塑料模具作为塑料件的生产载体必须与时俱进，跟上时代的步伐。在模具设计中计算机辅助设计已经普及，
5、本设计通过CAD辅助设计了手机后盖的注塑模具设计。1. 2 塑料模具发展现状 现代模具行业是技术、资金密集型的行业。近年来，我国模具行业结构调整步伐加快，主要表现为大型、精密、复杂、长寿命模具和模具标准件发展速度高于行业的总体发展速度：塑料模和压铸模比例增大；面向市场的专业模具厂家数量及能力增加较快。截至2006年底，中国模具制造业规模以上企业1314家，从业人员244155人；全年完成工业总产值555.61亿元，实现销售收入和利润539.58亿元和46.75亿元；出口10亿美元，进口14.7亿美元，进出口比例进一步趋向合理。数据显示，我国目前模具总产值已跃居世界第三，仅次于日本和美国。当今世
6、界正进行着新一轮的产业调整一些模具制造逐渐向发展中国家转移，中国正成为世界模具大国。近年来，外资对我国模具行业投入量增大，工业发达国家将模具向我国转移的趋势进一步明朗化，我国模具行业迎来新一轮的发展机遇的同时，也将面临巨大的挑战。据资料介绍，德国已研制出注射0.1g的微型注射机，用于生产0.05g的塑件，我国也研制出0.5g的注塑机，用于生产0.1g左右的手表轴塑件，法国已拥有注塑量为170kg的超大型注塑机，其合模力为150MN；目前我国也研制出注射量达3.5万cm3，合模力为80MN的特大型注射机。塑件趋向紧密化、微型化与超大型化，对模具的要求也越来越高2。国外近年来发展的高速铣削加工，其
7、主轴转速可达40 000100 000 r/min，快速进给速度可达3040 m/min，加速度可达1 g，换刀时间可提高 12 s；加工模具的硬度可达60 HRC，表面粗糙度可达Ra 0336610101414181824243030404050标注公差的尺寸公差值MT3A0.120.140.160.180.200.240.280.320.36B0.320.340.360.380.400.440.480.520.56MT4A0.160.180.200.240.280.320.360.420.48B0.360.380.400.440.480.520.560.620.68未注公差的尺寸允许偏差M
8、T5A0.100.120.140.160.190.220.250.280.32B0.200.220.240.260.290.320.350.380.42本零件精度为一般，即为MT4，公差种类为A，零件的公差从其中选择。2. 2. 3 塑件注塑工艺参数 塑料的注塑工艺参数见表2-2 。 表2-2 塑料注塑工艺参数表 ABSPCPC+ABS注射机类型螺杆式螺杆式螺杆式螺杆转速/(rmin-1)306020403050喷嘴 形式 温度/C直通式180190直通式230250直通式200240 前段料筒温度/C 中段 后段2002102102301802002402802602902402702202
9、50210240190220模具温度/C5070901107090注射压力/MPa70908013080150保压压力/MPa507040504070注射时间 / s350515保压时间/ s153020802060冷却时间 / s153020502050成型周期/ s40705013050100 此塑件的注塑工艺参数为喷嘴温度220C，料筒温度依次为230C、220C、210C；模温80C，平均注射压力90MPa注射时间3s；保压压力50MPa，保压时间40s，冷却时间30s。2. 3 注塑机的选用根据塑料注塑工艺参数-注射压力可从XS-ZY-500和XS-ZY-125中选择，其主要参数分别
10、列于表2-3中。 表2-3 注塑机参数项目XS-ZY-125XS-ZY-500额定注射量/cm3125500螺杆直径/mm4265注射压力/MPa 120145注射行程/mm 115200注射方式 螺杆式螺杆式锁模力/kN 9003500最大成型面积/cm33201000最大开合模行程/mm300500模具最大厚度/mm300450模具最小厚度/mm200300喷嘴圆弧半径/mm 1218喷嘴孔直径/mm 43、5、6、8顶出形式两侧设有顶杆，机械顶出中心液压顶出，顶出距100mm。两侧顶杆机械顶出经过对模具应有大小评定选择XS-ZY-125。2. 4 注塑机的校核2. 4. 1 最大注射量的
11、校核设计模具时，应保证成型塑件所需的总注射量小于所选注塑机的最大注射量，即 ： nm+m1KmP式中塑件体积m为2.3cm3，m1为浇注系统和飞边所需的塑料体积，型腔数量n为2，注射机的最大注射量mP为125cm3，可验证得到注射机的最大注射量足够。2. 4. 2 锁模力的校核 当高压的塑料熔体充满模具型腔时，会产生使模具分型面涨开的力，这个力的大小等于塑件和浇注系统在分型面上的投影面积之和乘以型腔压力，其应小于注塑机的额定锁模力FP，才会在注射时不会发生溢料现象，即： FZ= p（nA + A1） FPPC+ABS注射时型腔平均压力为90MPa，nA + A1的数值估算为2（0.050.05
12、）=0.005mm2，即FZ=105 kN，而本注射机FP=900kN。2. 4. 3 注射压力的校核由于所选材料粘度较大，其所需注射压力较大，ABS注射压力范围为7090MPa，PC为80130MPa，本零件材料注射压力为90MPa，注射机为螺杆式，压力损失较小，120MPa已满足使用。2. 4. 4 模具与注射机安装部分相关尺寸的校核 1）喷嘴尺寸设计模具时，主流道始端的球面必须比注塑机头部球面半径大12mm。主流道小端直径要比喷嘴直径略大0.51mm，以防止主流道口部积存凝料而影响脱模。 2）定位圈尺寸模具定位板上凸出的定位圈应与注塑机固定模板上的定位孔呈较松动的间隙配合。 3）最大、最
13、小壁厚模具的总厚度应在注射机可安装模具的最大模厚与最小模厚之间，本注射机为300mm和200mm，本模具厚度为mm，适合此注射机的范围。 4）开模行程的校核注射机的开模行程是有限制的，塑件从模具中取出所需的开模距离必须小于注射机的最大开模距离，否则塑件无法从模具中取出。由于注射机的锁模机构不同，开模行程根据情况校核。本模具为双分型面注射模则其开模行程按下式校核： S H1 + H2 + a +（510）mm = 30 + 25 + 10 + 10 = 75mm本模具的最大开模行程为300mm，经校核合格。3 塑件的位置及浇注系统设计3.1 塑料制件在模具中的位置3.1.1 型腔数目的确定按照注
14、射机的最大注射量确定型腔的数目根据 （3-1） k 注射机最大注射量的利用系数，一般取0.8; mp 注射机最大注射量，cm3或g; m1 浇注系统凝料量，cm3或g； m 单个塑件体积或质量，cm3或g；根据前面数据mp = 125cm3 ； m = 2.3cm3 ； m1 与m 相当，同取2.3cm3 ；经计算得到 n 42 。 由于成型零件要求精度较高，按塑件的精度要求确定型腔的数目，经验认为，每增加一个型腔，制品尺寸的精度便降低4%。因此成型高精度的制品时，很难使各个型腔的成型条件与尺寸达到均匀一致，因此型腔不宜过多，经常推荐使用一模四腔结构，而本模具设计时考虑到分型等各方面更适合选用
15、一模两腔。3.1.2 型腔的布排本模具为一模一腔，。 塑件在模具中的位置为全部在定模中的结构。3.1.3 分型面的选择分型面是决定模具结构形式的一个重要因素，它与模具的整体结构、浇注系统的设计、塑件的脱模和模具的制造工艺等有关，因此分型面的选择是注射模设计中的一个关键步骤。分型面的设计需要按照以下原则：1） 分型面应选在塑件外形最大轮廓处； 2） 分型面的选择应有利于塑件的顺利脱模； 3）分型面的选择应保证塑件的精度要求； 图3-2 分型面 4）分型面的选择应满足塑件的外观质量要求；5）分型面的选择要便于模具的加工制造； 6）分型面的选择应有利于排气。主分型面得形式为平直分型面，样式如图3-2
16、所示。 3.2 普通浇注系统设计3.2.1 普通浇注系统的组成及设计原则浇注系统式指模具中由注射机喷嘴到型腔之间的进料通道。普通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。浇注系统的设计是模具设计的一个重要环节，设计合理与否对塑件的性能、尺寸、内外部质量及模具的结构、塑料的利用率等有较大影响。对浇注系统进行设计时，一般应遵循如下基本原则：1)了解塑料的成型性能；2)尽量避免或减少产生熔接痕；3)有利于型腔中气体的排出；4)防止型芯的变形和嵌件的位移；5)尽量采用较短的流程充满型腔；6)流动距离比和流动面积比的校核。3.2.2 主流道设计主流道是指浇注系统中从注射机喷嘴与模具接触处开
17、始到分流道为止的塑料熔体的流动通道，是熔体最先流经模具的部分，它的形状与尺寸对塑料熔体的流动速度和充模时间有较大的影响，因此必须使熔体的温度降和压力损失最小。采用浇口套以后，不仅对主流道的加工和热处理以及衬套本身的选材等工作带来很大方便，而且在主流道损坏后也便于修磨或更换。主流道锥角a应为2C6C，本模具为4C，则主流道大端直径为8.1mm。标准浇口套根据GB/T 4169.192006选择，直径D1为35mm。小端直径d比注射机喷嘴直径大0.51mm,本注射机喷嘴直径为4mm，则d选择为4.5mm。由于小端的前面是球面，其深度为3mm，注射机喷嘴的球面在该位置与模具接触并且贴合，主流道球面半
18、径应比喷嘴球面打1 2 mm；本注射机喷嘴半径为12 mm，主流道球面半径为13mm。流道内表面粗糙度为Ra0.8um，材料一般为碳素工具钢，热处理淬火硬度5357HRC。根据GB/T 4169.192006选择标准浇口套3560。定位圈浇口套见图3-3。定位圈与注射机定模固定板中心的定位孔相配合，其作用是为了使主流道与喷嘴和机筒对中。根据GB/T 4169.182006选择标准定位圈80。浇口套与模板间的配合采用H7 / m6的过渡配合，浇口套与定位圈采用H9 / f9的配合。3.2.3 分流道设计在设计多型腔或者多浇口的单型腔的浇注系统时，应设置分流道。（1） 分流道的形状与尺寸 分流道开
19、设在动定模分型面的两侧或任意一侧，其截面形状应尽量使其比表面积小，在温度较高的塑料熔体和温度相对较低的模具之间提供较小的接触面积，以减少热量损失。分流道的截面形式选择为梯形截面，其易于 加工，且熔体的热量散发和流动阻力都不大，最为常用。梯形截面分流道的尺寸根据经验选取，梯形大底边宽度b在5 10 mm内选择，选取b为 8 mm；梯形高度h 选择为3 mm。分流道内粗糙度为Ra1.6um（2） 分流道的长度 分流道根据型腔在分型面上的排布情况，可分为一次分流道、二次分流道甚至三次分流道。分流道的长度要尽可能短，且弯折少，以便减少压力损失和热量损失，节约塑料的原材料和降低能耗。本模具为一次分流道，
20、总长度L为110 mm 。3.2.4 浇口的设计 浇口亦称进料口，是连接分流道与型腔的熔体通道。浇口的设计与位置的恰当与否，直接关系到塑件能否完好、高质量地注射成型。根据零件结构，零件浇口形式为点浇口，点浇口是一种截面尺寸很小的浇口，俗称小浇口。点浇口的形式为直接式，如图3-4所示，点浇口的直径d = 0.5 1 .5mm， 最大不超过2 mm，本模具浇口直径d为1 mm。 图3-4 点浇口3.2.5 浇口位置的选择浇口开设的位置对塑件的成型性能及成型质量影响都很大，因此，合理选择浇口的开设位置是提高塑件质量的一个重要设计环节。选择浇口位置时，需要根据塑件的结构与工艺特征和成型的质量要求，并分
21、析塑件原材料的工艺特性与塑料熔体在模内的流动状态、成型的工艺条件，综合进行考虑。本模具浇口位置在零件上方的圆环中心处，由于此处在成型后会加装一个商标，由于浇口拉断产生的不平整会被遮盖，所以此处最为适合，具体位置如图3-4所示。 3.3 型腔排气的设计3.3.1 设计要点 排气槽位置和大小的选定，主要依靠经验。通常将排气槽先开设在比较明显的部位，经过试模后再修改或增加，基本设计原则为： 1）排气槽要保证迅速、完全，排气速度要与充模速度相适应。 2）排气槽尽量设在塑件较厚的成型部位。 3）排气槽尽量设在分型面上，但排气槽溢料产生的毛边应不妨碍塑件脱模。 4）排气槽尽量设在料流的终点，如流道、冷料穴
22、的尽端。 5）为了模具制造和清模的方便，排气槽应尽量设在凹模一侧。 6）排气槽排气方向不应朝向操作面，防止注射时漏料伤人。 7）排气槽不应有死角，防止积存冷料。14 表3-1 塑料的排气槽厚度塑料名称排气槽厚度/mm尼龙类0.015聚烯烃塑料0.02PS、ABS、AS、ASA、SAN、POM等0.03PC、PSU、PVC、PPO、丙烯酸塑料等0.04排气槽的宽度可取1.5 6 mm，深度以塑料熔体不溢出排气槽为宜，其数值与熔体粘度有关，一般在0.02 0.05 mm范围内选择。根据一般经验，常用塑料的排气槽厚度的取值如表3-1所示。 3.3.2 排气槽的设计本模具使用排气槽排气，开设在凹模上。
23、4 模具成型零部件的设计4.1 成型零部件的结构设计4.1.1 凹模结构设计凹模亦称型腔，是成型塑件外表面的主要零件，按结构不同可分为整体式和组合式两种结构形式。由于整体式凹模是在整块金属模板上加工而成的，其特点是牢固，不易变形，不会使塑件产生拼接线痕迹，但是，由于整体式型腔加工困难，热处理不方便，常用在开关简单的中、小型模具上。组合式凹模结构是指型腔是由两个以上的零部件组合而成的，按组合方 式不同，组合式凹模结构可分为整体嵌入式、局部镶嵌式、底部镶拼式、侧壁拼式和四壁拼合式14。 此凹模选择整体嵌入式结构，形状为矩形，边长95mm形式如图4-1所示。采用过渡配合甚至过盈配合，可使嵌入的凹模固
24、定牢固。公差配合选择H7/m6。 图4-1 凹模形式 4.1.2 凸模的结构设计成型塑件内表面的零件称凸模或型芯，主要有主型芯、小型芯、螺纹型芯和螺纹型球等。对于结构简单的容器、壳、罩、盖之类的塑件，成型其主体部分内表面的零件称主型芯或凸模，而将成型其他小孔的型芯称为小型芯或成型杆。公差配合选择H7/m6。主型芯的结构设计 按结构主型可分为整体式和组合式两种：1）整体式凸模使用整块模具材料直接加工而成，其结构牢固、不易变形、成型制品不会带有镶拼接缝的溢料痕迹；但形状复杂时，加工困难，优质模具材料的消耗量较大，比较适合小型塑料 制品模具。 图4-2 型芯结构 2)组合式结构便于加工，形状复杂的型
25、芯往往采用镶拼组合式结构。本模具主型芯使用整体式结构，安装样式如图4-2所示。小型芯的结构设计小型芯是用来成型塑件上的小孔或槽。本模具使用了斜导杆及镶块结构，形式及位置如图4-2 所示。 4.2 成型零部件工作尺寸的计算塑件脱模斜度及平均值计算方法如表4-1所列： 表4-1 成型零部件计算制件材料聚丙烯PP脱模斜度凹模（型腔）2040凸模（型芯）尺寸类型经验计算公式修正系数X值型腔径向尺寸(DA)+0=( D0+D0S-x)+00.75型芯径向尺寸(dT)0-=( d0 + d0S +x)0-0.75型腔深度尺寸(HA)+0=( H0+H0S-x)+02/3型芯高度尺寸(hT)0-=( h0
26、+ h0S +x) 0-2/3中心距C/2 =( C0+ C0S)/2凹模内凸台或孔的中心线至侧壁距离型芯上凸台或孔的中心线至侧壁距离 DA-型腔的最小基本尺寸（mm ）；D0-塑件的最大基本尺寸（mm）；S -塑件的平均收缩率；-塑件公差； -成形零件制造公差，一般取塑件公差的1/31/6，或按IT10来取；d0-塑件的最小基本尺寸（mm）；dT-型芯的最大基本尺寸（mm）；hT-型芯深度的最大尺寸（mm）；h0-塑件内形深度的最小尺寸（mm）；HA-型腔深度的最小基本尺寸（mm）；H0-塑件的最大基本尺寸（mm）；C-模具的中心距基本尺寸（mm）；C0-塑件中心距的基本尺寸（mm）；塑件的
27、平均收缩率S为0.45% 1) 型腔尺寸的计算外形尺寸 D0= DA=（48 + 48 0.45% -0.75 0.48） =47.86外形高度 h0= HA=（3 + 3 0.45% - 0.18） =2.9 2) 型芯尺寸的计算内形尺寸 d0= DA=（46 + 46 0.45% -0.75 0.48） =45.85内形深度 H0= HA=（2 + 2 0.45% - 0.16） =1.94.3 成型零部件的强度与刚度计算4.3.1 成型零部件强度、刚度计算时需考虑的要素塑料模具型腔在成型过程中受到熔体的高压作用，应具有足够的强度和刚度。型腔壁厚的强度计算条件是型腔在各种受力形式下的应力值
28、不得超过模具材料的许用应力，即 max ；型腔壁厚的刚度计算条件应使型腔弹性变形不超过允许变形量，即 max 。4.3.2 矩形型腔侧壁和底板厚度的计算 1）型腔侧壁厚度的校核计算 按刚度条件计算，选用超静定梁的刚度表达式，有 （4-1）式中 -许用最大挠度（弹性变形量），cm； E-弹性模数，钢为2.06105 MPa； b-型腔内壁长度尺寸（梁的跨距），cm； H-型腔高度，cm； h-型腔部分受压高度，cm； s-型腔侧壁的厚度，cm； p-单位工作压力，Pa。p取90Mpa，H=25mm，b=48mm；E=2.06105Mpa，h=3mm，=0.05mm 经计算得到 s 5.58mm
29、小于本模具型腔壁厚 23.2mm。 按强度条件计算，有 （4-2）式中 p-塑料进入型腔内的单位压力，Pa； h-型腔内盛放塑料的高度，cm； b-型腔内壁长度尺寸，cm； H-型腔高度，cm。 -许用应力，148MPa。 p取90Mpa；H=25mm；b=48mm；h=3mm；经计算得到 s 9.17mm 小于本模具型腔壁厚 23.2mm。 2) 型腔底板厚度的校核计算按刚度条件计算，有 （4-3）其中 c-由型腔边长比l/b决定的系数； p取90Mpa；b=45mm；c=0.016；经计算得到 h 8.31mm 小于本模具型腔底板厚度 22mm。按强度条件计算，有 其中 -由模脚之间距离和
30、型腔边长l/b所决定的系数； p取90Mpa；b=45mm；=0.33； =148MPa。经计算得到 h 20.16mm 小于本模具型腔底板厚度 22mm。经演算可以证明型腔壁厚和底板厚度符合要求。5 模具结构零部件的设计5.1 标准注射模架的选择 图5-1 点浇口标准模架组合尺寸图示塑料注射模模架按结构特征分为36种主要结构，其中直浇口模架12种，点浇口模架为16种，简化点浇口模架为8种。本模具为点浇口，选择点浇口模架，根据需要选择其中的基本型DA型，模架如图5-1。本模具型芯型腔尺寸为长宽95 mm ，高度为25mm，本模具为一模两腔，根据GB/T 12555-2006 按此尺寸选择标准模架系列2035，模具的尺寸系列如表5-1中所示 表5-1 标准模架2035 单位：mm代号2035W200L350W1250W238W3120AB25C70H125H230H320H430H515H620W480W5100W6154W7160L1330L2300L3
