塑料精密注射成型模具设计要点

FUHE2015

随着电子、电信、医疗、汽车等行业的迅速发展，对塑料制品的高精度、高性能要求与日俱增，精密注射成型要求制品不仅具有较高的尺寸精度、较低的翘曲变形，而且还应有优异的光学性能等.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术水平，生产出高精度的塑料制品，创造附加值高的产品，模具的设计是重要环节。
在精密注射成型设计中，除了应考虑一般模具设计事项外，还要特别考虑如下事项:1)为了得到所要尺寸公差的制品，要考虑适当的模具尺寸公差。2)要考虑防止产生成型收缩率波动。3)要考虑防止产生成型变形.4)要考虑防止产生脱模变形。5)要使模具制作误差最小.6)要考虑防止模具精度波动.7)要考虑维持模具精度.
. F3 g- I& K  d: f. x1、适当的模具尺寸和公差
) f( a! V4 k. t' N1.1制品尺寸精度与模具尺寸精度的关连
绘出制品图，考虑模具设计、模具制作和成型过程。
首先可从制品图面尺寸求模具图面尺寸。按此模具图画尺寸制作模具，得到模具的实际尺寸。用此模具可得到成型的制品，得到制品实际尺寸。间题是此实际尺寸如何在图面所要尺寸公差内。
1.2适当的收缩率
/ e. A) R5 ^8 c6 T如上所述，即使在用同一颜料的同一树脂中，收缩率也因成型条件不同而异。在精密成型中，收缩率变化程度要小，预计收缩率和实际收缩半要尽可能无差异。主要是采用整理以往的类似制品的实际收缩率来推定收缩率，也有用实验模求实际收缩率，再经修正、设计制作生产模的情形.
1 R* s5 Z8 y$ e- F但完全恰当推定收缩率几乎是不可能的，不可避免地要在试成型后修正模具。修正结果，凹部将增大尺寸，凸部将缩小尺寸。因此，对凹部尺寸，将收缩率设在小值，对于凸部尺寸将收缩率设在大值。齿轮外径尺寸变大时不能啮合，变小时仅齿隙变大，所以要将收缩率设在小值。
3 z' M0 ]! G4 p# M9 ~, ]$ f2、防止产生成型收缩率波动
精密注射成型，必须以确实可按所要尺寸制作模具为前提。然而，即使模具尺寸一定，制品实际尺寸也因实际收缩不同而异.所以在精密注射成型中，收缩率的控制是十分重要的.模具设计的合适与否支配收缩率，还因树脂批次不同而异，若改变颜料，收缩率也产生差异。因成型机不同，成型条件的设定、再现性以及各成型周期的动作有波动，对实际收缩率产生波动等，因而收缩的控制是困难的.
& A! G* Y  M9 G9 U, Z2.1影响收缩率的主要因素
# N% C/ u$ f3 T/ e模具尺寸可由制品尺寸加上收缩率求得，所以在模具设计时，需要考虑收缩率的主要因家.影响成型收缩率的主要因素有(1)树脂压力，(2)树脂温度，(3)模具温度，(4)浇口截面积，(5)注射时间，(6)冷却时间，(7)制品壁厚，(8)增强材料含盆，(9)定向性，(10)注射速度。这些影响因树脂和成型条件等项目的变化不同而异。
# X' Y' u9 K5 N+ ]# m* G(1)树脂压力
树脂压力对收缩率影响很大，树脂压力若大，收缩率变小，制品尺寸则大。即使在同一模腔内，树脂压力也因制品形状不同而异，因此产生收缩率差异。在多腔模的场合，各模腔内树脂压力容易产生差异，结果各模腔的收缩率也不相同。
(2)模具温度
/ P( Q6 _% U9 a# C6 d% J无论是非结晶性树脂或是结晶性树脂，模具温度若高，收缩率则变大.精密成型要将模具温度维持在特定温度。在模具设计时，必须注意冷却回路设计。
(3)浇口截面积
3 M5 _( ?( m* O  C. J# `0 u; i+ _一般说来，改变浇口截面积时，收缩率也变化.收缩率随着浇口尺寸变大而变小，这与树脂的流动性有关。
3 J& q" f; g1 e. K1 b7 z' ?2 M(4)制品壁厚度
+ c; h' ~4 c" X! ]  H  |制品壁厚度也影响收率.对于非结晶性树脂，因树脂对壁厚的收缩率影响倾向不同，壁厚大，收缩率也大，反之，收缩率变小。而对于结晶性树脂，必须避免壁厚变化特别大。在多腔模的情形，如果模腔壁厚有差异，收缩率也将产生差异.
7 C+ x; j9 d) E1 z* d( ]" J% j  @# G(5)增强材料含量
- u( J/ @2 Y4 }$ s" M6 v9 J% F用玻瑞纤维增强树脂时，加玻纤量愈多，收缩率则愈小，流动方向的收缩率比横向收缩率小，根据树脂其差较大，为了防止扭曲飞翘曲，必须考虑浇口形状飞侥口位置和浇口数.
" P& ?9 Z* a  F; v(6)定向性
- L2 w. s; o" Y3 P" Y" y% p5 q定向性虽有较大差异，然而对所有树脂都存在定向性。结晶性树脂的定向性特别大，由于壁厚和成型条件而有差异。
3 i0 E. }) \5 ^* q6 W9 O此外，还有产生成型后收缩。影响成型后收缩的主要因素有①内部应力缓和，②结晶，③温度，④湿度.
' s" L1 p) r2 B2 N4 n2.2可采取的措施
& \1 n9 T9 L: o. A(1)流道，浇口平衡
) @1 `* X& W. G( r5 u2 j4 I如上所述，收缩率因树脂压力变化。在单腔模多点浇口以及多腔模的情形，要同样进行充模，就要进行浇口平衡。树脂流动与在流道中的流动阻力有关，所以在取浇口平衡前最好取流道平衡。
(2)模腔排列
) d/ `& ?3 o6 ]" ~' T* Y1 h为了使成型条件的设定容易，所以需要注意模腔排列。由于熔融树脂将热带入模具，在一般模腔排列的情况下，模具温度分布呈以浇口为中心的同心圆状。所以在选择多腔模的模腔排列时，既要易取流道平衡，又要取以浇口为中心的同心回状排列.
(3)精密注射成型的冷却回路设计
& |' e) |" j( j5 m1 C( z  }1 x0 [; H如上所述，模具温度对收缩率影响很大，同时，因时间不同温度变化，多腔模各模腔的温度差也难以避免，所以需要注意冷却回路设计。
9 r; |  C5 {, O) s从热交换效率来看，冷却液的流动应为紊流，冷却回路最好设为串联的折流板式。
在回路设计中，型腔与型芯应带出的热量也不同，热阻力也因回路构造不同而异，入口水温在模腔与型芯产生较大差异.因此，精密成型模具的冷却回路为型腔与型芯分别设计，用分别的温调机进行温度控制。
3、防止产生成型变形
2 O0 |! k$ `* N+ I, v成型变形产生的原因是在不均匀的收缩下有内应力，所以需要防止不均匀地收缩。
1 b5 ^. k: r$ X(1)浇口数
4 W7 k$ N3 m, m1 K在齿轮中心有孔的圆形制品的情形，必须在中心设浇口.然而在树脂的流动方向与垂直方向收缩率有较大差异时，却有产生椭圆的缺点，在需要更高精度的圆度时，需要设成3点或6点浇口。但需要充分注意各浇口的平衡。
在使用侧浇口时，3点浇口将使圆筒状制品内径增大，在外表和端面不允许浇口痕迹的情形少使用内侧多点匀分浇口，可以得到良好结果。
(2)浇口形状和位置
5 B& ]% a! F2 k/ J需要根据制品形状选用适当形状的浇口。图置表示浇口形状和位置对变形的影响。
4、防止脱模产生变形
: f- Z% j9 a. L5 i9 m7 T精密制品一般较小，制品壁厚较薄，有的还有许多薄筋。棋具设计必须考虑使制品不变形，而且可适当脱棋.
5 {0 q7 o' K6 o" M5 `( ~7 _对于收缩率较小的树脂，当成型压力高的情形，需要注意制品易留在模腔内.用收缩率小的树脂成型齿轮时，齿轮部分模腔最好设计在顶出一侧的模板上。
7 Q1 x1 s( h; O+ L1 Z" Q+ x( V在用顶销时，濡要注意无变形的顶销数和顶压位置。带孔齿轮需要芯销，这时为了有助于在顶出时平行顶出，而需要设置顶出侧模板上。
对于角状制品，可以使用冲孔模板顶出，用这种模板顶出可以防止产生变形。
; j4 D8 C+ a' t- q: T. l一般精密制品拔模斜度较小。为了减小脱模力，而需要镜面加工，研磨方向必须为拔模方向。要按拔模方向设容易研磨的分块型芯。
5.最小的模具制作误差
6 T4 n! q( D# x& ^8 I( J5 S5.1按所要加工方式的适当的模具构造
为了得到所要精度的制品尺寸，必须有相应的模具尺寸，而模具需要有极高精度的加工，又受精加工机械限制.
为了维持模具精度，需要耐磨性高，为此需要采用淬火.用磨床及电火花加工机床加工淬火模具的精度可达0.01毫米以内。
由于用平面磨床无法加工封闭槽形，可选用】形，但因】形强度差，需要采用如图2的增强措施。
/ k9 U5 _6 @9 Q5 {用电火花加工机床彤模加工时，必须注意电极端的磨损变大。加工图3的齿轮用模腔以及用钢丝电火花加工机床加工时，应尽可能设计能够贯通加工的构造。
从防止磨削变形和缩短加工时间方面来看，要选定淬火变形少的钢材，而且要设计为淬火变形少的形状。形状复杂时，悴火冷却不易均匀，易产生淬火变形。
. h6 e  F7 i# |1 w5 R" p5.2总分割式模具
6 t: l+ H6 d6 u) r, [为了将淬火零件加工成较高精度，要使用磨床。因此，需要采用镶件组成分割式模具。这种模具有如下特征:
(1)因为可选择适当材料，所以能够使用适当硬度模具材料。
: W) c+ m; r5 q" y7 X# }(2)能够利用耐蚀性和耐磨性高的模具材料.
& I) [# ?9 n! z8 m- r. u(3)能够分别热处理，所以容易设定热处理条件。
(4)能够使用镜面加工性良好的模具材料，镜面加工操作也容易，所以能够提高镜面度。
1 M# p1 M+ I7 T/ i(5)因为容易按拔模方向研磨，所以有利于采用拔模斜度小的模具。
(6)由于硬化，可延长模具精度保持时间，模具寿命长。
- Q" N" m$ M0 t* c3 I& B(7)容易设在任意位置排气，所以充模容易.
: u% t9 P4 z2 _# ^(8)磨削加工容易.
  S3 Z9 i: C/ \. m(9)能够提高模具零件精度，所以可能提高制品精度。
6 v2 t& W6 i. H* x(10)可在较小的公差内制作备模腔和型芯，所以部件互换性高，容易维修。
(11)因为以磨削加工为主体，所以加工效率高。
(12)零件数多，需要极大提高各零件加工精度.
(13)局限于特定加工方法
(14)采用完全淬火

/ G1 Q$ {" G' R  q2 x9 b1 Q9 V 5.3总分割式模具设计方面的注意点
5 S- |) l6 ~" T; G5 b" a关系精度和各部件所要精度必须从所要制品精度逆运算决定。
因为分割数愈多，积象误差愈大，愈要提高加工精度，所以分割数僻要定在最小限度。
一般禁止在制品表面设分型线，不仅外观上嫌弃，而且在功能上也将成为障碍。若在产生应力处有分型线时，也往往因应力集中而引起破损。
因为磨削加工容易得到均匀的尺寸零件，所以应分割成可用研磨剂加工的形状。
易损易坏部分应分割成易更换的，并且考虑选用高耐磨性合金。
( l+ O' n6 _7 _此外，要考虑组装和拆卸容易。必须用能够容易、正确地复原精度的机构，组装模腔和型芯的各部件，如果分别装在基座上，则模腔与型芯必须同心。在使用安装销钉的情形，必须正确研磨销孔。
6、防止模具精度的误差
确保滑动件各周期的定位，需要防止模具精度的波动。为了维持滑动件的精度，滑动件都应悴火研磨.侧芯滑动部分的配合应有定位退拔部分，如图4所示，在侧芯尺寸大时，中间部分可以设狭小的导槽。
  S5 |# m* a  t$ Y1 P4 l# }
- A) B! p' O1 Y1 y 7、模具精度的维持
7.1确保模腔与模芯的中心一致
% P# a2 n- h4 s; x! a7 x( Z为了经常正确地合模，的构造.图5-7表示其例必须设计成两模板可确实正确定位
7.2 防止模具变形
! `4 h6 V& F4 H! L为了避免因树脂压力作用于模腔而产生的模具变形，棋具强度就要足够大。在型芯板中间常加支柱，销的材料也选用高强度钢，并且将容易受弯曲的销设在接近浇口，还要降低作用于销的树脂流动压力。

7.3预防时效变化
模具藉要淬火回火处理时，如果有残余奥氏体，将产生时效变化，导致模具尺寸精度变化，所以再使残余奥氏体分解的温度回火，并且孺要用冷处理。
  Q! X8 Y3 Y& g1 T  W( N为了防止因磨损的变化，需要提高硬度，还应考虑使用因淬回火尺寸变化极小的钢种.磨削与刀具切削加工相比，因为加工效率差，所以为了缩短加工时间，需要尽量减少磨量。既要设成缩小淬火变形的零件形状，又应选定可缩小变形的材质。
文章关键词： 塑料、注射、模具设计