注塑成型工艺

注塑成型工艺

自从往复式螺杆注塑机于1956年获得专利以来,注塑成型工艺已经发展成为塑料工业最重要的加工手段。它们用于电子产品的外壳、家用器皿、医疗设备、CD盘,甚至是犬舍的制造。注塑成型用于制作托板、玩具、板条箱、提桶、薄壁食品容器、促销用饮料杯、封盖和奶瓶盖等。

注塑成型工艺包括在挤塑机中将塑料熔融,用挤塑螺杆将塑料注射进模具,塑料在模具中进行冷却。在注塑成型工艺中,由于利润率通常会在10%以下,所以速度和稳定性是获得成功最关键的要素。

1.速度:

一个加工注塑商可以通过减少成型周期来提高产能,这个成型周期是熔融塑料、注射、冷却和脱模时间的总和。

通过使用在一个成型周期内可制造多个零部件的大型模具也可以提高产量。这一类模具被称为多穴模具。

2.稳定性:

个与产量同等重要的因素。通过仔细地控制塑化温度、充模时的塑化压力、充模速率以及冷却过程,就可以保持工艺的稳定性。以上这4个注塑工艺参数互相作用,对于了解工艺变化和解决问题非常有用。虽然这些工艺参数几乎适用于所有的注塑工艺过程,随着应用的不同、选用材料的不同以及注塑商的偏好不同,每个车间所使用的工艺还是会有所不同。

3.充模速率:

在注塑薄壁制品的时候,必须尽可能快速地将材料注射入模具,以防止在零件模具充满材料之前发生封冻。这个领域目前最新的树脂材料和塑料机械技术几乎总是瞄准更快、更便捷的充模过程。除了通过更好的充模工艺来减少成型周期,注塑商还可以通过采用薄壁模具或者更大、模穴数目更多的模具来减低成本。

薄壁成型工艺要求注塑机在一秒钟之内完成充模过程,而且机器本身能够支撑大型的、多模穴模具。薄壁盖子和薄壁容器一般都比较小,所以其模具一次可制作出超过100件的盖子。

模具设计流程

一般来说,现在国际上比较经典的塑料模具设计步骤如下:
(1)首先了解塑料制品所用塑料的品种、塑料的特性、收缩率及塑料流动特性等。
(2)对塑料制品进行工艺分析,着重分析塑料制品的结构合理性及成型条件等。
(3)根据塑料制品的重量和塑料制品投影面积及模具结构类型等,选择合适的注射成型机。
(4)进行模具结构设计
1)选择塑料制品成型位置和模具分型面;
2)确定型腔数目和排列方式;
3)浇注系统设计;
4)成型零件结构设计;
5)抽芯机结构设计和推出机构设计;
6)加热系统设计和冷却系统设计;
7)绘制模具结构图。

塑件分析

制件三维实体模型如右图所示,材料为ABS,密度为1.05g/cm ,收缩率0.4%-0.7%取0.5%,由Pro/e计算可得,单个制件的体积为107.41cm。ABS是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种化学单体合成。每种单体都具有不同特性,丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性;丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性;苯乙烯具有易加工、高光洁度及高强度。

单件体积为94.66,总高54mm,径向最大长度近100mm,厚度10mm,内部有螺纹, 该塑件茶杯盖如图1-1所示。

ABS具有如下特性[1]
(1).综合性能较好,冲击强度较高,化学稳定性,电性能良好;
(2).与372有机玻璃的熔接性良好,制成双色塑件,且可表面镀铬,喷漆处理;
(3).有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、透明等级别;
(4).流动性比HIPS 差一点,比PMMA、PC 等好,柔韧性好,适于制作一般机械零件,减磨耐磨零件。ABS成型的工艺条件见下表:

预热温度 80~85ºC 注射温度 20~90ºC 料筒前段温度 150~170 ºC
预热时间 2~3h 高压时间 0~5s 料筒中段温度 165~180 ºC
喷嘴温度 170~180 ºC 冷却时间 2~120s 料筒后段温度 180~200 ºC
模具温度 50~80 ºC 总周期 5~220s

方案的选择
分析结构,由于其内螺纹结构,则设计必须采用侧抽心机构,为保证其表面质量,采用点浇口浇注。
方案1:直接分模
方案2:斜导柱侧抽芯
针对方案一,本设计产品含内螺纹,无法直接拔模,其型心须采用双滑块侧抽心机构。为满足产品所需表面质量,开模时模具在弹簧作用下,点浇口分开。
经多方面考虑采用方案二,此方案结构合理,质量可靠,操作方便。

制件成型位置及分型面选择

分型面是指分开模具取出塑件和浇注系统凝料的可分离的接触表面。以有利于塑件脱模、保证塑件外观不被破坏、尺寸精度满足要求、有利于排气以及模具加工方便等原则选取分型面,分型面。由于制件比较大,所以采用一模一件。

浇注系统设计

采用简单浇注系统,由主流道,分流道,冷料穴和点浇口组成。
主流道是一端与注射机喷嘴相接触,另一端与分流道相连的一段带有锥度的流动通道。主流道小端尺寸为3.5~4mm,一段主流道的设计,主流道圆锥角α=2º~6º,内壁粗糙度Ra0.63μm,主流道的大端呈圆角,半径r=1~3mm ,以减小料流转向过渡时的阻力。主流道衬套与定模板采用H7/m6过渡配合,与定位圈的配合采用H9/f9间隙配合。主流道衬套一般选用T8、T10制造,热处理强度为52~56HRC。主流道衬套的形式,主流道小端入口处与流向机喷嘴反复接触,属易损件,对材料要求较严,因而模具主流道部分常设计成可拆卸更换的主流道衬套形式,以便有效的选用优质钢材单独进行加工和热处理。衬套都是标准件,只需去买就行了。衬套小端直径的规格有φ12, φ16、φ20等几种[9]
主要参数:
(1).塑件材料为ABS,流动性好,故选择主流道圆锥角为α=2º~6º,。
(2).主流道大端呈圆角,半径r=1~3mm 。
(3).由塑件材料为ABS,选择主流道直径为d=3mm,D=6mm。
(4).浇口套与注射机喷嘴由的接触球面要求吻合,由于注射机喷嘴球面半径SR是定值,由所选取的注射机决定,根据所选注射机,SR=20mm,一般取sr=SR+0.5,为sr=20.5mm。断面凹球面深度L2=3mm,球面与主流道孔应以清角度连接,不应有倒拔痕迹,以保证主流道凝料顺利脱落。
(5).定位环是模体与注射机的定位装置,保证浇口套与注射机喷嘴对中定位,定位环的外径D应与注射机的定位孔间隙配合,定位环厚度取L1=6mm。
(6).浇口套长度L取为50mm。

浇口设计
浇口是连接分流道与型腔的一段细短的通道,它是浇注系统的关键部分,浇口的形状,数量,尺寸和位置对塑件的质量影响很大,浇口的主要作用有两个,一是塑料熔体流经的通道,二是浇口的适时凝固可控制保压时间。一般浇口截面面积为分流道截面面积的3%-9%截面形状常为矩形或圆形,浇口长度为0.5mm,由于制件要求表面光滑无痕迹,故选用点浇口形式。塑件壁厚为1.6mm,故取浇口直径d=1.0mm。

脱模机构设计

脱模机构是在一次注射完成后,取出制件及浇注系统凝料的装置,包括脱出和取出两个动作,即先将塑件和浇注系统凝料等与模具分离,再将塑件和凝料取出。
设计原则
脱模机构的设计一般遵循以下原则[1]
(1)塑件滞留于动模边,以便借助于开模力驱动脱模装置,完成脱模动作。
(2)由于塑件收缩时包紧型芯,因此推出力作用点尽量靠近型芯,同时推出力应施于塑件刚性和强度最大的部位。
(3)结构合理可靠,机械的运动准确、可靠、灵活,并有足够的刚度和强度,便于制造和维护。
(4)保证塑件不变形、不损坏,保证塑件外观良好。
本设计使用简单的推件板脱模机构和成型零件的脱模机构,如图3-6所示。因为该塑件的分型面简单,结构也不复杂,采用推简单的脱模机构可以简化模具结构,给制造和维护带来方便。在对脱模机构做说明之前,需要对脱模力做个简单的计算。
点浇口浇注系统凝料,一般可采用人工机械手取出,但生产效率低,劳动强度大,为适应自动化生产的需要,可利用定模推板拉断浇口料机构,如图所示,在定模型腔板3内镶一推板5,开模时由定距分型机构保证定模型腔板3与定模底座4首先沿A-A而分型,拉料杆2将主流道凝料从浇口套中拉出,当开模到L距离十,限位钉1带动流道推板5使主流道凝料与拉料杆脱离,既实现B-B分型面,同时拉断点浇口,浇注系统凝料便自动脱离

溢料 排气系统设计

模具内除了型腔和浇注系统中原有的空气塑料受热或凝固产生的低分子挥发气体,这些气体若不能顺利排出,则可能因充填时气体被压缩而产生高温,引起塑料局部炭化烧焦,或使塑料产生气泡,或使塑料熔接不良而引起缺陷。
通常,选择排气槽的开设位置时,应遵循以下原则:
1)排气口不能正对操作者,以防熔料喷发而发生工伤事故:
2)最好开设在分型面上,如果产生飞边易随塑件脱出:
3)最好设在凹模上,以便于模具加工和清模方便;
4)开设在塑料熔体最后才能填充的模腔部位,如流道或冷料穴的终端;
5)开设在靠近嵌件和制件壁最薄处,因为这样的部位最容易形成熔接痕;
6)若型腔最后充满部位不在分型而上,其附近又无可供排气的推杆或活动的型心时,可在型腔相应部位镶嵌烧结的多孔金属块,以供排气;
7)高速注射薄壁型制件时,排气槽设在浇口附近,课使气体连续派出;
若制作具有高深的型腔,那么在脱模时需要对模具设置引气系统,那是因为制作表面与型心表面之间在脱模过程中形成真空,难于脱模,制件容易变形或损坏。热固性塑料制件在型腔内的收缩小,特别是不采用镶拼结构的深型腔,在开模时空气无法进入型腔与制件之间,使制件附粘在型腔的情况比热塑性制件更甚,因此,必须引入气系统

模具主要零件的结构设计

模具中决定塑件几何形状和尺寸的零件称为成型零件,包括凹模、型芯、镶块、成型杆和成型环等。成型零件工作时,直接与塑料接触,塑料熔体的高压、料流的冲刷,脱模时与塑件间还发生摩擦。因此,成型零件要求有正确的几何形状,较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度,此外,成型零件还要求结构合理,有较高的强度、刚度及较好的耐磨性能。设计成型零件时,应根据塑料的特性和塑件的结构及使用要求,确定型腔的总体结构,选择分型面和浇口位置,确定脱模方式、排气部位等,然后根据成型零件的加工、热处理、装配等要求进行成型零件结构设计,计算成型零件的工作尺寸,对关键的成型零件进行强度和刚度校核。成型零件的工作尺寸是指凹模和凸模直接构成塑件的尺寸。凹、凸模工作尺寸的精度直接影响塑件的精度。该塑件有需要配合的地方,所以对尺寸的要求比较高。 成型零件工作尺寸计算方法一般有两种:一种是平均值法,即按平均收缩率、平均制造公差和平均磨损量进行计算;另一种是按极限收缩率、极限制造公差和磨损量进行计算[11];前一种方法简便,但不适合精密塑件的模具设计,后一种复杂,但能较好的保证尺寸精度。本设计采用平均值法。

3.5.4成型零件的设计

(1)模仁尺寸的确定
因为采用的是整体式凹模和整体式凸模,所以模仁的大小可以任意制定,模仁所承受的力最终是传递到凸、凹模上,从节约材料和见效模具尺寸出发,模仁的值取的越小越好,但实际中因为要考虑冷却因素,又因为经过模仁的冷却系统比经过模仁外部的冷却系统效率高,所以为了给冷却系统留有足够的空间,该设计取模仁的大小为400×400 mm。
(2)凸、凹模尺寸的确定
凸、凹模受力的作用,其尺寸需要进行强度或刚度校核来确定。只要凹模长边的宽度满足12.85 mm就可以达到刚度要求,理论上只要取大于12.85 mm的值就满足设计要求,但考虑到导柱和导套、螺钉、冷却水孔等对模架强度、刚度的削弱作用,实际生产中都取比理论值大得多的值,在本设计中,在长度方向,取模仁到模具边的单边宽度为40mm,在宽度方向,取模仁到模具边的单边宽度为40 mm(实际生产中宽度方向的边值一般比长度方向的边值大)。所以凸、凹模尺寸为400×400 mm。
(3)模具高度尺寸的确定
各块板的厚度已经标准化,所需要的只是选择,如何选择合理的厚度,这里有两个尺寸需要注意:
①凸模底板厚度和凹模底板厚度;在注射成型时型腔中有很大的成型压力,当塑件和凝料在分型面上的投影面积很大时,若凸模底板厚度不够,则极有可能使模架发生变形或者破坏,所以凸模底板厚度尺寸需要校核才能确定,厚度满足26.8可满足要求,为了安全,取底板厚度为50 mm,。凹模的底板因为是与注塑机的工作台接触的,所受的力传递到工作台上,又型腔的深度为102mm,所以凹模底板的厚度同样只要留有走冷却系统的空间就可以。该计取凹模底板厚度为125 mm。
②推板推出距离;在分模时塑件一般是黏结在型芯上的,需要推杆或推板推出一定的距离才能脱离型芯,该塑件的高度为132 mm,黏结在型芯上的尺寸约102mm左右,所以当推出距离为140 mm时就能使塑件和型芯分离。
需要满足关系:H-h1-h2-h3-h>0
H——C板高度;
h1——挡销高度;
h2——推板厚度;
h3推杆固定板厚度;
h——推出距离;
完成了以上的工作,确定模具尺寸为450×400 mm,型腔厚度125 mm,型芯板厚度50 mm。