塑料的工艺性设计(doc 25页)

塑料的工艺性设计(doc 25页)

引言

模具是制造业的一种基本工艺装备，它的作用是控制和限制材料（固态或液态）的流动，使之形成所需要的形体。用模具制造零件以其效率高，产品质量好，材料消耗低，生产成本低而广泛应用于制造业中。

模具主要类型有：冲模，锻摸，塑料模，压铸模，粉末冶金模，玻璃模，橡胶模，陶瓷模等。除部分冲模以外的的上述各种模具都属于腔型模，因为他们一般都是依靠三维的模具形腔是材料成型。

(1) 冲模：冲模是对金属板材进行冲压加工获得合格产品的工具。冲模占模具总数的50％以上。按工艺性质的不同，冲模可分为落料模，冲孔模，切口模，切边模，弯曲模，卷边模，拉深模，校平模，翻孔模，翻边模，缩口模，压印模，胀形模。按组合工序不同，冲模分为单工序模，复合模，连续模。

(2) 锻模：锻模是金属在热态或冷态下进行体积成型是所用模具的总称。按锻压设备不同，锻模分为锤用锻模，螺旋压力机锻模，热模锻压力锻模，平锻机用锻模，水压机用锻模，高速锤用锻模，摆动碾压机用锻模，辊锻机用锻模，楔横轧机用锻模等。按工艺用途不同，锻模可分为预锻模具，挤压模具，精锻模具，等温模具，超塑性模具等。

(3) 塑料模：塑料模是塑料成型的工艺装备。塑料模约占模具总数的35％，而且有继续上升的趋势。塑料模主要包括压塑模，挤塑模，注射模，此外还有挤出成型模，泡沫塑料的发泡成型模，低发泡注射成型模，吹塑模等。

(4) 压铸模：压铸模是压力铸造工艺装备，压力铸造是使液态金属在高温和高速下充填铸型，在高压下成型和结晶的一种特殊制造方法。压铸模约占模具总数的6％。

(5) 粉末冶金模：粉末冶金模用于粉末成型，按成型工艺分类粉末冶金模有：压模，精整模，复压模，热压模，粉浆浇注模，松装烧结模等。

模具所涉及的工艺繁多，包括机械设计制造，塑料，橡胶加工，金属材料，铸造（凝固理论），塑性加工，玻璃等诸多学科和行业，是一个多学科的综合，其复杂程度显而易见。

1 塑料的工艺性设计

1.1制品外形设计

根据要求和使用情况制品外形如图1.1所示：

图1.1 塑料碗

1.2塑件的原材料分析

该制品选用PP为主要材料。PP为结晶型高聚物，无色、无味、无毒，外观似聚乙烯，但比聚乙烯更透明、更轻，密度仅为0.91g/cm3（比水小）。从使用性能上看，PP

具有刚度好、耐水、耐热性强，其介电性能与温度和频率无关，是理想的绝缘材料；

从成型性能上看，PP吸水性小，熔料的流动性好，成型容易，但收缩率大。另外，PP 成型时易产生缩孔、凹痕、变形等缺陷，成型温度低时，方向性明显，凝固速度较快，易产生内应力。因此，在成型时应控制成型温度，浇注系统应较缓慢散热，冷却速度不宜过快。 PP的加工温度在200-300℃左右较好，它有良好的热稳定性（分解温度为310℃），但高温下（270-300℃），长时间停留在炮筒中会有降解的可能。因PP的粘度随着剪切速度的提高有明显的降低，所以提高注射压力和注射速度会提高其流动性，改善收缩变形和凹陷。模温宜控制在30-50℃范围内。PP熔体能穿越很窄的模具缝隙而出现披锋。PP在熔化过程中，要吸收大量的熔解热（比热较大），产品出模后比较烫。

PP料加工时不需干燥，PP的收缩率和结晶度比PE低。

1.3 塑件的尺寸与公差

1、塑件尺寸的大小受制于以下因素：

1）取决于用户的使用要求。

2）受制于塑件的流动性。

3）受制于塑料熔体在流动充填过程中所受到的结构阻力。

2、影响塑件尺寸精度的因素主要有：

1) 塑料材料的收缩率及其波动。

2）塑件结构的复杂程度。

3）模具因素（含模具制造、模具磨损及寿命、模具的装配、模具的合模及模具设计的不合理所可能带来的形位误差等）。

4）成型工艺因素（模塑成型的温度T、压力p、时间t及取向、结晶、成型后处理等）。

5）成型设备的控制精度等。

3、塑件的表面质量

塑件的表面质量包括塑件缺陷、表面光泽性与表面粗糙度，其与模塑成型工艺、塑料的品种、模具成型零件的表面粗糙度、模具的磨损程度等相关。模具型腔的表面粗糙度通常应比塑件对应部位的表面粗糙度在数值上要低1-2级。

综上所述，由于该制品属于完整部件，无需配合，固采用一般精度，更据所用

材料查《简明塑料模具实用手册》取公差等级为MT4，品表面粗糙度为0.08um。

1.4塑件注射工艺参数的确定：

查找《简明塑料模具实用手册》和参考工厂实际情况，PP的成型工艺参数可作如下选择。试模时，可根据实际情况作适当调整。

注射温度：

料筒温度：后段温度选用180℃；

中段温度选用200℃；

前段温度选用210℃；

喷嘴温度：选用180℃；

注射压力：选用90MPa；

注射时间：选用3s；

保压压力：选用55MPa;

保压时间：选用20s；

冷却时间：选用30s。

1.5 注塑机的选用

塑件体积V ≈ 34.4

塑件质量M ≈ 0.91g/cm3×34.4cm3=31.3g

塑件最大正面投影面积S=7854.0mm2

塑件胀模力为f=0.007854 m2×55MPa=432KN

考虑其外形尺寸、注射时所需压力和工厂现有设备等情况，初步选用的注射机为

XS－XY－125 型。

表1、XS－XY－125 型注塑机主要技术参数

注射容量（cm3）注射压力

（MPa）

锁模力

（KN）

模具最大厚度

(mm)

模具最小厚度

(mm)

125 119 900 300 200 模板行程喷嘴球半径喷嘴孔直径

2、型腔数目确定与分型面设计

2.1、型腔数目的确定

型腔数目的确定，应根据塑件的几何形状及尺寸、质量、批量大小、交货长短、注射能力、模具成本等要求来综合考虑。

根据注射机的额定锁模力F 的要求来确定型腔数目n ，即 n 1

2

pA pA F -≤

式中 F ——注射机额定锁模力（N ）

P ——型腔内塑料熔体的平均压力（MPa ）

A 1、A 2——分别为单个塑件和浇注系统在模具分型面上的投影面积（mm 2） 大多数小型件常用多型腔注射模，面高精度塑件的型腔数原则上不超过4个，生产中如果交货允许，我们根据上述公式估算，采用一模一腔。

2.2、分型面的设计

分型面位置选择的总体原则，是能保证塑件的质量、便于塑件脱模及简化模具的结构，分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件的结构工艺性及精度、嵌件位置形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种因素的

（mm ） （mm ） （mm ） 300 12

4

影响，因此在选择分型面时应综合分析比较具体可以从以下方面进行选择。

a)分型面应选在塑件外形最大轮廓处。

b)便于塑件顺利脱模，尽量使塑件开模时留在动模一边。

c)保证塑件的精度要求。

d)满足塑件的外观质量要求。

e)便于模具加工制造。

f)对成型面积的影响。

g)对排气效果的影响。

h)对侧向抽芯的影响。

综上所述，该制品的分型面选择如图2.1：

图2.1分型面

3、浇注系统设计

浇注系统：塑料熔体从注塑机喷嘴出来后，到达模腔之前在模具中流经的通道。

组成：主流道、分流道、浇口、冷料穴。

作用：将熔体平稳地引入型腔，使之充满型腔内各个角落，在熔体填充和凝固过程中，能充分地将压力传递到行腔的各个部位，获得组织致密、外形清晰、尺

寸稳定的塑件。

浇注系统的设计原则：

1.确保塑料充满整个型腔

2.保证塑料熔体流动平稳

3.应尽量减短流程

4.流道表壁的粗糙度要低

5.防止制品变形和翘曲

6.防止型芯变形和嵌件位移

7.去除浇口应尽量方便，且不影响制品质量

8.合理设计冷却穴

3.1浇口的设计

浇口亦称进料口，是连接分流道与型腔的通道。由于该模具是一模一腔，且制品底部不影响外观和使用情况，为使模具尽可能的简单固采用直接浇口。

确定浇口位置通常要考虑以下几项原则：

1、尽量缩短流动距离。

2、浇口应开设在塑件壁厚最大处。

3、必须尽量减少熔接痕。

4、应有利于型腔中气体排出。

5、考虑分子定向影响。

6、避免产生喷射和蠕动。

7、浇口处避免弯曲和受冲击载荷。

8、注意对外观质量的影响。

根据以上原则浇口位置如图3.1：

图3.1浇口位置

3.2主流道设计

主流道是一端与注射机喷嘴相接触，可看作是喷嘴的通道在模具中的延续，另一端与分流道相连的一段带有锥度的流动通道。

根据《简明塑料模具实用手册》查得XS-ZY-125型注射机喷嘴的有关尺寸为：

喷嘴前端孔直径为Φ4mm；

喷嘴前端球面半径为12mm；

主流道设计要点：

a)主流道设计成圆锥形，其锥角可取2°~6°，流道壁表面粗糙度取Ra=0.4

μm，且加工时应沿道轴向抛光。

b)主流道如端凹坑球面半径R2比注射机的、喷嘴球半径R1大1~2 mm；球

面凹坑深度3~5mm；主流道始端入口直径d比注射机的喷嘴孔直径大0.5~1mm；

一般d=2.5~5mm。

c)主流道末端呈圆无须过渡，圆角半径r=1~3mm。

d)主流道长度L以小于60mm为佳，最长不宜超过95mm。

e)主流道常开设在可拆卸的主流道衬套上；其材料常用T8A，热处理淬火后

硬度53~57HRC。

根据模具实际情况，主流道直接用主流道衬套代替，其样式如图3.2：

图3.2主流道衬套

3.3主流道衬套的固定

主流道衬套用定位圈配合固定在模具的面板上。定位圈也是标准件，外径为Φ100mm。如图3.3：

图3.3主流道衬套固定图

4、成型零件的设计

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。

4.1成型零件的结构设计

1、凹模结构设计

凹模是成型产品外形的主要部件。其结构特点：随产品的结构和模具的加工方法而变化。

镶拼的组合方式的优点：

对于形状复杂的型腔，若采用整体式结构，比较难加工。所以采用组合式的凹模结构。同时可以使凹模边缘的材料的性能低于凹模的材料，避免了整体

式凹模采用一样的材料不经济，由于凹模的镶拼结构可以通过间隙利于排气，减少母模热变形。对于母模中易磨损的部位采用镶拼式，可以方便模具的维修，避免整体的凹模报废。组合式凹模简化了复杂凹模的机加工工艺，有利于模具

成型零件的热处理和模具的修复，有利于采用镶拼间隙来排气，可节省贵重模

具材料。

模具型腔如图（6）：

图4.1凹模结构图

2、型芯结构设计

整体嵌入式型芯，适用于小型塑件的多腔模具及大中型模具中。最常用的嵌入装配方法是台肩垫板式，其他装配方法还有通孔螺钉联接式，沉孔螺钉联

接式。

模具型芯如图（7）：

图4.2凸模结构图

4.2成型零件工作尺寸计算

所谓成型零件的工作尺寸是指成型零件上直接构成型腔腔体的部位的尺寸，其直接对应塑件的形状与尺寸。鉴于影响塑件尺寸精度的因素多且复杂，塑件本身

精度也难以达到高精度，为了计算简便，规定： 塑件的公差：

塑件的公差规定按单向极限制，制品外轮廓尺寸公差取负值“?-”，制品叫做腔尺寸公差取正值“?+”，若制品上原有公差的标注方法与上不符，则应按以上规定进行转换。而制品孔中心距尺寸公差按对称分布原则计算，即取2

?

±。 模具制造公差：

实践证明，模具制造公差可取塑件公差的31~61，即δz=?)6

1

~31(，而且按成

型加工过程中的增减趋向取“+”、“-”符号，型腔尺寸不断增大，则取“+δz ”,型芯尺寸不断减小则取“-δz ”，中心距尺寸取“2z δ±”。现取3

?。 模具的磨损量：

实践证明，对于一般的中小型塑件，最大磨损量可取塑件公差的6

1

，对于大型塑件则取

6

?

以下。另外对于型腔底面（或型芯端面），因为脱模方向垂直，故磨损量δc=0。 塑件的收缩率：

塑件成型后的收缩率与多种因素有关，通常按平均收缩率计算。

2min max S S S +=

=2

.15.2+x100%=1.75%

图1.1制品

查《简明塑料模具实用手册》可得型腔径向尺寸公式为：

L M =z S L S δ

+-?????

?

?-+043)1( mm （4-1）

根据公式（4-1）可得型腔最大径向尺寸D 1M 为：

D 1M =z S δ

+?????

?

?-+01S 43)1(D mm

其中：1S D =100、S=1.75%、Δ=0.72、δ=0.24； 代入数据得：

D 1M =101.2124

.00+ m

根据公式（4-1）可得型腔底部径向尺寸D 2M 为：

D 2M =z S δ

+?????

?

?-+02S 43)1(D mm

其中： 2S D =40、S=1.75%、Δ=0.42、δ=0.14； 代入数据得：

D 2M =40.3914

.00

+ mm

查《简明塑料模具实用手册》可得型芯径向尺寸公式为：

l M =0

43)1(z S l S δ-?????

?

?++ mm (4-2)

根据公式（4-2）可得型芯径向尺寸d 1m 为：

d 1m =0

143)1(z S d S δ-?????

?

?++ mm

其中： S d 1=40、S=1.75%、Δ=0.72、δ=0.24； 代入数据得：

d 1m =024.020.97- mm

根据公式（4-2）可得型腔底部型芯径向尺寸d 2m 为：

d 2m =0

243)1(z S d S δ-?????

?

?++ mm

其中：S d 2=35、S=1.75%、Δ=0.42、δ=0.144； 代入数据得：

d 2m =014.096.37- mm

查《简明塑料模具实用手册》可得型腔深度尺寸公式为：

H M =z S δ

+-?????

?

?-+0S 32)1(H mm (4-3)

根据公式（4-3）可得型腔深度尺寸H 1M 为：

H 1M =z S δ

+-?????

?

?-+01S 32)1(H mm

其中：1S H =52、S=1.75%、Δ=0.56、δ=0.19； 代入数据得：

H 1M =52.5319

.00+

5、型腔壁厚和底板厚度计算

5.1型腔壁厚计算

型腔为回转体结构可采用圆形凹模的计算方法，考虑到侧壁主要问题是开裂，所以按照强度计算。查《简明塑料模具实用手册》可得：

型腔侧壁壁厚公式： ?

??

? ??--=12M c p r t σσ mm (5-1)

式中 r —型腔内壁半径（mm ）；

σ—为型腔材料的许用应力（MPa ）； P M —为型腔内塑料熔体压力（MPa ）；

其中：r=50.5mm、P M =55MPa

查《简明塑料模具实用手册》得：3Cr2Mo的许用应力σ=350MPa；

代入公式(5-1)得

c

t =10.3mm

考虑到加工和其它零件的放置，固取凹模镶块的外形尺寸为140mm×140mm。

5.2型腔底板厚度的计算

由于型腔的主要问题是变形，固采用刚度条件计算，查《简明塑料模具实用手册》可得：

型腔底板厚度公式3

4 1758

.0

δE

r

P

t M

h

= mm (5-20) 式中 E—为型腔材料的弹性模量（MPa）；

δ—为允许的型腔弹性变形值；

其中：r=50.5mm、P M =55MPa

查《简明塑料模具实用手册》得：

钢的弹性模量为E=210×103MPa；

型腔允许弹性变形值δ=0.03mm；

代入公式(5-20)得：

h

t =21.2 mm

考虑到模具的整体结构协调，取t h=28mm

6、合模导向机构的设计

导柱导向机构设计要点：

1、小型模具一般只设置两根导柱，当其元合模方位要求，采用等径且对称布置的方法，若有合模方位要求时，则应采取等径不对称布置，或不等径对称布置的形式。大中型模具常设置三个或四个导柱，采取等径不对称布置，或不等径对称布置的形式。

2、直导套常应用于简单模具或模板较薄的模具；Ⅰ型带头导套主要应用于复杂模具或大、中型模具的动定模导向中；Ⅱ型带头导套主要应用于推出机构的导向中。

3、导向零件应合理分布在模具的周围或靠近边缘部位；导柱中心到模板边缘的距离δ一般取导柱固定端的直径的1~1.5倍；其设置位置可参见标准模架系列。

4、导柱常固定在方便脱模取件的模具部分；但针对某些特殊的要求，如塑件在动模侧依靠推件板脱模，为了对推件板起到导向与支承作用，而在动模侧设置导柱。

5、为了确保合模的分型面良好贴合，导柱与导套在分型面处应设置承屑槽；一般都

是削去一个面，或在导套的孔口倒角，

6、导柱工作部分的长度应比型芯端面的高度高出6~8mm，以确保其导向作用。

7、应确保各导柱、导套及导向孔的轴线平行，以及同轴度要求，否则将影响合模的准确性，甚至损坏导向零件。

8、导柱工作部分的配合精度采用H7/f7（低精度时可采用H8/f8或H9/f9）；导柱固定部分的配合精度采用H7/k6（或H7/m6）。导套与安装之间一般用H7/m6的过渡配合，再用侧向螺钉防止其被拔出。

9、对于生产批量小、精度要求不高的模具，导柱可直接与模板上加工的

导向孔配合。通常导向孔应做志通孔；如果型腔板特厚，导向孔做成盲孔时，则

应在盲孔侧壁增设通气孔，或在导柱柱身、导向孔开口端磨出排气槽；导向孔导

滑面的长度与表面粗糙度可根据同等规格的导套尺寸来取，长度超出部分应扩径

以缩短滑配面。

6.1导柱的结构

带头导柱如图5.1所示：

图5.1导柱

6.2导套的结构

带头导套如图5.2所示

图5.2导套

7、脱模机构的设计

7.1脱模机构设计的总体原则

a)要求在开模过程中塑件留在动模一侧，以便推出机构尽量设在动模一侧，

从而简化模具结构。

b)正确分析塑件对模具包紧力与粘附力的大小及分布，有针对性地选择合理

的推出装置和推出位置，使脱模力的大小及分布与脱模阻力一致；推出力作用点应靠近塑件对凸模包紧力最大的位置，同时也应是塑件刚度与强度最大的位置；力的作用面尽可能大一些，以防止塑件在被推出过程中变形或损坏。

c)推出位置应尽可能设在塑件内部或对塑件外观影响不大的部位，以力求良

好的塑件外观。

d) 推出机构应结构简单，动作可靠（即：推出到位、能正确复位且不与其他零件相干涉，有足够的强度与刚度），远动灵活，制造及维修方便

考虑到制品受力问题，固该模具采用推件板推出机构。

7.2推件板设计的要点

a) 推件板与型芯应呈3°~10°的推面配合，以减少远动摩擦，并起辅助定位以防止推件板偏心而溢料；推件板与型芯侧壁之间应有0.20~0.25mm 的间隙，以防止两者间的擦伤而或卡死，推件板与型芯间的配合间隙以不产生塑料溢料为准，塑料的最大溢料间隙可查表，推件板与型芯相配合的表面粗糙度可以取Ra0.8~0.4μm 。

b) 推件板可用经调质处理的45钢制造，对要求比较高的模具，也可以采用T8或T10等材料，并淬硬到53~55HRC ，有时也可以在推件板上镶淬火衬套以延长寿命。

c) 当用推件板脱出元通孔的大型深腔壳体类塑件时，应在型芯上增设一个进气装置，以避免塑件脱模时在型芯与塑件间形成真空。

推件板复位后，在推板与动模座板间应留有为保护模具的2~3mm 空隙

8、加热、冷却系统的设计

本塑件在注射成型机时不要求有太高的模温因而在模具上可不设加热系统。是否需 要冷却系统可作如下设计算计。

设定模具平均工作温度为60/C ，用常温20/C 的水作为模具冷却介质，其出口温度为30/C 。产量为（初算没2min1套）1kg/h 。 8.1求塑件在硬化时每小时释放的热量1Q

查《简明塑料模具实用手册》得PP 的单位流量为kg j /10594? 得

kg

j Q kg j kg WQ Q /1059/105914

1421?=??==