心型台灯的塑料模具设计

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1、1 前言1.1 模具工业在国民经济中的地位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。模具工业是国民经济的基础工业,是国际上公认的关键工业。模具生产技术水平的高低是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志,它在很大程度上决定着产品的质量,效益和新产品的开发能力。振兴和发展我国的模具工业,正日益受到人们的关注。早在1989年3月中国政府颁布的关于当前产业政策要点的决定中,将模具列为机械工业技术改造序列的第一位。模具工业既是高新技术产业的一个组成部分,又是高新技术产业

2、化的重要领域。模具在机械,电子,轻工,汽车,纺织,航空,航天等工业领域里,日益成为使用最广泛的主要工艺装备,它承担了这些工业领域中6090的产品的零件,组件和部件的生产加工。模具制造的重要性主要体现在市场的需求上,仅以汽车,摩托车行业的模具市场为例。汽车,摩托车行业是模具最大的市场,在工业发达的国家,这一市场占整个模具市场一半左右。汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一,汽车工业重点是发展零部件,经济型轿车和重型汽车,汽车模具作为发展重点,已在汽车工业产业政策中得到了明确。汽车基本车型不断增加,20XX将达到170种。一个型号的汽车所需模具达几千副,价值上亿元。为了适应市场的需求,汽车将不断换

3、型,汽车换型时约有80的模具需要更换。中国摩托车产量位居世界第一,据统计,中国摩托车共有14种排量80多个车型,1000多个型号。单辆摩托车约有零件2000种,共计5000多个,其中一半以上需要模具生产。一个型号的摩托车生产需1000副模具,总价值为1000多万元。其他行业,如电子及通讯,家电,建筑等,也存在巨大的模具市场。目前世界模具市场供不应求,模具的主要出口国是美国,日本,法国,瑞士等国家。中国模具出口数量极少,但中国模具钳工技术水平高,劳动成本低,只要配备一些先进的数控制模设备,提高模具加工质量,缩短生产周期,沟通外贸渠道,模具出口将会有很大发展。研究和发展模具技术,提高模具技术水平,

4、对于促进国民经济的发展有着特别重要的意义。1.2 各种模具的分类和占有量模具主要类型有：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

5、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

6、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。1.3 我国模具工业的现状自20世纪80年代以来,我国的经济逐渐起飞,也为模具产业的发展提供了巨大的动力。20世纪90年代以后,大陆的工业发展十分迅速,模具工业的总产值在1990年仅60亿元人民币,1994年增长到130亿元人民币,1999年已达到245亿元人民币,20XX增至260270亿元人民币。今后预计每年仍会以1015的速度快速增长。目前,我国17000多个模具生产厂点,

7、从业人数五十多万。除了国有的专业模具厂外,其他所有制形式的模具厂家,包括集体企业,合资企业,独资企业和私营企业等,都得到了快速发展。其中,集体和私营的模具企业在和等省发展得最为迅速。例如,和黄岩地区,从事模具制造的集体企业和私营企业多达数千家,成为我国国知名的模具之乡和最具发展活力的地区之一。在,一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业,为了提高其产品的市场竞争能力,纷纷加入了对模具制造的投入。例如,科龙,美的,康佳和威力等知名集团都建立了自己的模具制造中心。中外合资和外商独资的模具企业则多集中于沿海工业发达地区,现已有几千家。 在模具工业的总产值中,企业自产自用的约占三分之二,作为商品销售的约占三

8、分之一。其中,冲压模具约占50中国：40,塑料模具约占33中国：48,压铸模具约占6中国：5,其他各类模具约占11中国：7。中国模具产业的成长,分为萌芽期19611981,成长期19811991,成熟期19912001三个阶段。萌芽期,工业产品生产设备与技术的不断改进。由于纺织,电子,电气,电机和机械业等产品外销表现畅旺,连带使得模具制造,维修业者和周边厂商如热处理产业等逐年增加。在此阶段的模具包括：一般民生用品模具,铸造用模具,锻造用模具,木模,玻璃,陶瓷用模具,以及橡胶模具等。1981年1991年是模具产业发展最为迅速且高度成长的时期。有鉴于模具产业对工业发展的重要性日益彰显,自1982年

9、起,地区就将模具产业纳入策略性工业适用围,大力推动模具工业的发展,以配合相关工业产品的外销策略,全力发展整体经济。随着民生工业,机械五金业,汽机车及家电业发展,冲压模具与塑料模具,逐渐形成模具工业两大主流。从1985年起,模具产业已在推行计算机辅助模具设计和制造等CAD/CAM技术,所以模具业接触CAD/CAM/CAE/CAT技术的时间相当早。成熟期,在国际化,自由化和国际分工的潮流下,1994年,1998年,由地区政府委托金属中心执行工业用模具技术研究与发展五年计划与工业用模具技术应用与发展计划,以协助业界突破发展瓶颈,并支持产业升级,朝向开发高附加值与进口依赖高的模具。1997年11月间凭

10、借模具产业的实力,获得世界模具协会ISTMA认同获准入会,正式成为世界模具协会会员,。整体而言,模具产业在这一阶段的发展,随着机械性能,加工技术,检测能力的提升,以及计算机辅助设计,模具厂商供应对象已由传统的民用家电,五金业和汽机车运输工具业,提升到计算机与电子,通信与光电等精密模具,并发展出汽机车用大型钣金冲压,大型塑料射出及精密锻造等模具。1.4 世界五大塑料生产国的产能状况 美国塑料的产量多年来一直雄居各国之首。早在80年代前期,美国塑料产量就已达2000万吨之多,1986年增至23l0万吨,占全球总产量8100吨的28.5,此后美国塑料产量继续呈现稳定增长之势,1988年、1990年、

11、1992年、1994年、1996年和1998年分别增加到2710万吨、2810万吨、3010万吨、3410万吨、4000万吨和4360万吨,占世界总产量的比例从1996年起提高到30以上。20XX美国塑料产量为4170万吨,其中以聚乙烯为最多,达1500多万吨。其次分别是氯乙烯650万吨、聚丙烯720万吨、聚苯乙烯对酞酸脂320万吨、聚苯乙烯280万吨。国塑料消费量,美国也是全球最多的。美国的全部塑料消费量20XX为4280万吨。美国人均塑料消费量也是很高的,20XX为159公斤,20XX略减为155公斤 ,居全球第3位。美国现有各种大小塑料企事业单位1万多家,其中职工人数少于50人的占总数的

12、53,50l00人的占21,100500人的占23,超过500人的占近4,职工总数近90万人。在美国塑料制品加工业的就职人数达110万,20XX的出货金额为2150亿美元,人均出货金额为195美元。 德国是世界最大的塑料生产国之一,上世纪90年代初的1991年、1992年和1993年,德国塑料产量都为990多万吨,1994年增达超过1000万吨的1110万吨1998年达近1300万吨,1999年为近1400万吨,20XX增至1550万吨,超过日本为世界第2大塑料生产国,20XX上升为1580万吨,20XX已过1600万吨。20XX德国生产的种种塑料原料中,聚乙烯为285万吨,氯乙烯175万吨,

13、聚丙烯160万吨。德国20XX的国塑料消费量为1280万吨,其中聚乙烯265万吨,聚丙烯155万吨氯乙烯152万吨。德国人均塑料消费量20XX为160公斤,在世界上仅少于比利时的172公斤,高于美国的155公斤,排在世界第2位。德国塑料制品加工业的职工总计有近30万人,20XX的出货金额为360亿美元,人均126美元。德国塑料制品加工企业中职工少于50人的占44,50100人的占28,100500人的占25,500人以上的占4。 中国塑料工业多年持续高速增长,1991年产量仅为250万吨,1995年增为350万吨,1998年超过700万吨,到20XX已增达约1400万吨,超过日本而成为世界第3

14、大塑料原料生产国。中国今年塑料制品市场将持续走强,在包装、工程、建材、农用和日用塑料制品等各个领域都将有较大幅度的增长,需求量将超过2500万吨。其中包装塑料制品今年需求量将超过850万吨,工程塑料制品需求量将达400万吨左右,建材塑料制品需求量将达300万吨以上,农用塑料制品需求量将在500万吨左右,日用塑料制品需求量约为80万吨左右。 日本在很长的时期都是仅次于美国的世界第2大塑料生产国。一直到1997年,日本塑料产量曾经连续多年增长,年产量在70年代中期就已达500多万吨,1987年突破1000万吨,1991年达约1300万吨,1992年和1993年因受日本经济下滑的影响,产量略有减少,

15、分别降至1258和1225万吨。从1994年起产量再度增长,1994年、1995年和1996年分别回升到1300万吨、1400万吨和1470万吨,1997年的产量又比上年增长3.7,达到1521万吨,首次超过1500万吨。但这种增势在1998年受到遏制,产量大幅度减少。1998年,日本塑料产量为1390万吨,比上年减少了8.7。1999年和20XX日本塑料产量分别回升到1432万吨和1445万吨,但仍远未恢复到1997年的水平。20XX和20XX日本塑料产量再度下降至1400万吨以下的1364万吨和1361万吨。20XX日本塑料产量减为1361万吨。而中国则增为1366万吨,日本又退居第4位。

16、 韩国塑料产量增长十分迅速,1986年超过200万吨,1990年增达300万吨,1992年突破500万吨,1994年、1996年和1997年分别上升到600多万吨、700多万吨和800多万吨,1998年产量增至850万吨,1999年突破900万吨,20XX达1200万吨,跻身于世界5大塑料生产国之列。韩国塑料原料产品中以聚乙烯居首,20XX产量为340万吨,聚丙烯以238万吨排在第2位,其次分别是聚酯161万吨、氯乙烯124万吨、ABSAS树脂86万吨、聚苯乙烯77万吨。韩国国塑料消费量20XX420万吨,只相当于产量的1/3略高。人均塑料消费量20XX为106公斤,韩国塑料制品加工业的职工总

17、数20XX为3.1万人,出货金额为85亿美元,人均276美元。 塑料产量位居世界前10名的国家和地区还有法国660万吨、比利时600万吨、中国598万吨、加拿大432万吨和意大利385万吨。1.5 我国模具技术的现状及发展趋势20世纪80年代开始,发达工业国家的模具工业已从机床工业中分离出来,并发展成为独立的工业部门,其产值已超过机床工业的产值。改革开放以来,我国的模具工业发展也十分迅速。近年来,每年都以15的增长速度快速发展。许多模具企业十分重视技术发展。加大了用于技术进步的投入力度,将技术进步作为企业发展的重要动力。此外,许多科研机构和大专院校也开展了模具技术的研究与开发。模具行业的快速发

18、展是使我国成为世界超级制造大国的重要原因。今后,我国要发展成为世界制造强国,仍将依赖于模具工业的快速发展,成为模具制造强国。中国塑料模工业从起步到现在,历经了半个多世纪,有了很大发展,模具水平有了较大提高。在大型模具方面已能生产48约122CM大屏幕彩电塑壳注射模具,6.5KG大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具,精密塑料模方面,以能生产照相机塑料件模具,多形腔小模数齿轮模具及塑封模具。经过多年的努力,在模具CAD/CAE/CAM技术,模具的电加工和数控加工技术,快速成型与快速制模技术,新型模具材料等方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面作出了贡

19、献。尽管我国模具工业有了长足的进步,部分模具已达到国际先进水平,但无论是数量还是质量仍满足不了国市场的需要,每年仍需进口10多亿美元的各类大型,精密,复杂模具。与发达国家的模具工业相比,在模具技术上仍有不小的差距。今后,我国模具行业应在以下几方面进行不断的技术创新,以缩小与国际先进水平的距离。1注重开发大型,精密,复杂模具；随着我国轿车,家电等工业的快速发展,成型零件的大型化和精密化要求越来越高,模具也将日趋大型化和精密化。2加强模具标准件的应用；使用模具标准件不但能缩短模具制造周期,降低模具制造成本而且能提高模具的制造质量。因此,模具标准件的应用必将日渐广泛。3推广CAD/CAM/CAE技术

20、；模具CAD/CAM/CAE技术是模具技术发展的一个重要里程碑。实践证明,模具CAD/CAM/CAE技术是模具设计制造的发展方向,可显著地提高模具设计制造水平。4重视快速模具制造技术,缩短模具制造周期；随着先进制造技术的不断出现,模具的制造水平也在不断地提高,基于快速成形的快速制模技术,高速铣削加工技术,以及自动研磨抛光技术将在模具制造中获得更为广泛的应用。2 注塑件的设计2.1功能设计功能设计是要求塑件应具有满足使用目的功能,并达到一定的技术指标.该塑件是日用品,承受外力的几率不大,如冲击载荷,振动,摩擦等情况比较少;塑件的工作温度是室温,这使得在材料选择时对热变形温度,脆化温度,分解温度的

21、要求降低;作为一种日用品,生产批量应该是大批大量生产,这样,就必须考虑生产成本和模具寿命,在材料的选择时要综合各种因素;此外,塑料都会老化,作为一种光学用品,还要考虑到材料的光氧化等问题.2.2材料选择通常,选择塑件的材料依据是它所处在的工作环境及使用性能的要求,以及原材料厂家提供的材料性能数据.对于常温工作状态下的结构件来说,要考虑的主要是材料的力学性能,如屈服应力,弹性模量,弯曲强度,表面硬度等.该塑件对材料的要求首先必须是透光性好,其次才是成型难易和经济性问题,以下是对几种透光性能较好材料的性能对比,如表2-1所示。+表2-1 材料的特性塑料名称PS PC PMMA拉伸强度/MPa51.

22、9 6672弯曲强度/MPa11095113断裂伸长率/%280100落球冲击强度J/m16422洛氏硬度M11582101氧指数OI18.124.917.3热变形温度/ 85134100维卡软化点/105153120马丁耐热温度/112体积电阻率/cm10102.1101010吸水率% 0.050.131.19透光度/%88929393雾度% 30.90.9折射率1.5921.5861.492价格元/吨1150123033000410001950020700和机械加工一样要考虑到加工工艺问题,模具成型也要考虑到材料的注塑特性,在各特点都相差无几的情况下,好的成型特性是选择材料的主要标准,以下

23、是三种材料的性能和成型特性比较,如表2-2所示。表2-2 材料的性能和成型特性比较塑料品种性能特点成型特点模具设计注意事项使用温度主要用途聚苯乙烯非结晶型透明性好,电性能好,抗拉强度高,耐磨性好,质脆,抗冲击强度差,化学稳定性教好成型性能好,成型前可不干燥,但注射时应防止溢料,制品易产生应力,易开裂因流动性好,适宜用点浇口,但因热膨胀大,塑件中不宜有嵌件3080装饰制品,仪表壳,绝缘零件,容器,泡沫塑料,日用品等有机玻璃非结晶型透光率最好,质轻坚韧,电气绝缘性好/但表面硬度不高,质脆易开裂,化学稳定性较好,但不耐无机酸,易溶于有机溶剂流动性差,易产生流痕,缩孔,易分解,透明性好,成型前要干燥,

24、注射时速度不能太高合理设计浇注系统,便于充型,脱模斜度尽可能大,严格控制料温与模温,以防分解收缩率取0.3580透明制品,如窗玻璃,光学镜片,灯罩等聚碳酸酯非结晶型透光率较高,介电性能好,吸水性小,力学性能好,抗冲击,抗蠕变性能突出,但耐磨性差,不耐碱,酮,酯耐寒性好,熔融温度高,黏性大,成型前需干燥,易产生残余应力,甚至裂纹,质硬,易损模具,使用性能好尽可能使用直接浇口,减小流动阻力,塑料要干燥,不宜采用金属嵌件,脱模斜度2130脆化温度为100在机械上做齿轮,凸轮,蜗轮,滑轮等,电机电子产品零件,光学零件等以上的性能分析对比中看出,在透光度方面三种材料相差不大,成型特性上以聚碳酸酯为好,由

25、于是一般性民用品,所以价格上是需要考虑的,我们主要要求是价格和透光度,其它如拉伸强度,断裂伸长率等则是次要考虑的指标,最终选定PS为塑件材料.因为除了质脆和抗拉强度不如其它两种材料外,它所拥有的特性符合我们的塑件要求,但这些不是我们主要考虑的。2.3结构设计 图2-1 原始零件图塑料制件的结构工艺性是指塑件结构对成型工艺方法的适应性.在塑料生产过程中,一方面成型会对塑件的结构,形状,尺寸精度等诸方面提出要求,以便降低模具结构的复杂程度和制造难度,保证生产出价廉物美的产品;另一方面,模具设计者通过对给定塑件的结构工艺性进行分析,弄清塑件生产的难点,为模具设计和制造提供依据.2.3.1对塑件的修改

26、说明 塑件要求能够放置一对7#电池,安放小灯泡,外接系带,所以要考虑到电池和灯泡的固定,开关的安放问题,关于零件的造型图如图2-3所示,详细结构可参考零件图纸。1外型轮廓；原零件2D图的心型曲线不规则,如图2-1和2-2所示。在用PRO/E造型时总会造成曲面不能加厚的问题,用修剪曲面的办法虽然能解决加厚问题,但整个塑件也不规则,给后续工作带来不便.所以在保证基本外型的前提下对尺寸做了修改,目的是为了造型。2结构；原图形有两个小而薄的吊耳,且置于塑件外端,考虑到所有PS料硬而脆,这会使得两个吊耳极易损坏,所以,改两个吊耳为一个,设计吊耳,开关,灯泡在塑件中心位置,如图2.2所示,这样起到吊挂作用

27、又不易损坏.设计凹槽使两半灯罩配合,设置了三个锁位加强. 最终确定的尺寸如图2.2所示。2.3.2壁厚 图2-2 原始零件图 各种塑件,不论是结构件还是板壁,根据使用要求具有一定的厚度,以保证其力学强度.一般地说,在满足力学性能的前提下厚度不宜过厚,不仅可以节约原材料,降低生产成本,而且使塑件在模具冷却或固化时间缩短,提高生产率;其次可避免因过厚产生的凹陷,缩孔,夹心等质量上的缺陷.以下是PS的壁厚推荐值:最小壁厚mm小型件壁厚mm中型件壁厚mm大型件壁厚mm0.751.25 1.6 3.25.4该塑件属于中小型件,从图上看,塑件边缘的壁很厚,达到5MM,壳体取中型件壁厚1.6,这样使得整个塑

28、件的壁厚是不均匀的,但若减小边缘壁厚,则对塑件的推出不利,而且有可能使电池不能安装. 边缘壁厚可用来放置推杆或推板。2.3.3脱模斜度 由于塑件成型时冷却过程中产生收缩,使其紧箍在凸模或型芯上,为了便于脱模,防止因脱模力过大而拉坏塑件或使其表面受损,与脱模方向平行的塑件,外表面都应具有合理的斜度.以下是PS的脱模斜度推荐值: 制件外表面 制件表面 351.35 301塑件表面在造型时就有弧度,如果要有脱模斜度就是在凹槽和锁位处,这不仅对脱模 图2-3 修改后的产品零件图有好处,而且可以更好的锁紧。2.3.4加强肋塑件上适当设置的加强肋可以防止塑件的翘曲变形；沿着物料流动方向的加强肋还能降低充模

29、阻力,提高融体流动性,避免气泡,缩孔和凹陷等现象的产生。在该塑件中的加强肋起到引导物料流动的作用同时又对电池进行定位,高度比分型面低1MM,脱模斜度取2度,顶部倒圆角,低部倒角R,宽度取0.5T。通常加强肋的设计原则为高度低过高时容易在弯曲和冲击负荷作用下受损,宽度小,而数量多为好塑件形状所允许的情况下。2.3.5圆角塑件上各处的轮廓过度和壁厚连接处,一般采用圆角连接,有特殊要求时才采用尖角结构。尖角容易产生应力集中,在受力或受冲击载荷时会发生破裂。圆角不仅有利于物料充模,同时也有利于融料在模具型腔的流动和塑件的脱模。圆角的取值与应力集中的关系遵循R/T函数关系,当R/T=0.6以后应力集中变

30、的缓和,该塑件大部分的圆角取R1,较大值取到R3。加强肋的圆角半径值关系如表2-3所示。表2-3 肋的圆角半径值关系表肋的高度/mm6.56.513131919圆角半径 /mm0.81.51.53.02.55.036.5塑件上其它的特征还有如孔,螺纹,嵌件,铰链,文字和花纹等,各个特征都有其设计原则和特殊功能,因为该塑件没有涉及,所以就不一一介绍2.4塑件的尺寸精度及表面质量2.4.1尺寸精度1尺寸精度的选择；塑件的尺寸精度是决定塑件制造质量的首要标准,然而,在满足塑件使用要求的前提下,设计时总是尽量将其尺寸精度放低一些,以便降低模具的加工难度和制造成本。对塑件的精度要求,要具体分析,根据装配

31、情况来确定尺寸公差,该塑件是一般民用品,所以精度要求为一般精度即可,但是由于要保证两半壳体的闭合,所以在凹槽和锁位处应该对精度要求高些,对其要有公差配合要求,应选择高精度。根据精度等级选用表,PS的高精度为2级,一般精度为3级。根据塑件尺寸公差表,在公称尺寸在100120围,取MT2B级的公差数值为0.52 mm,MT3B级的公差数值为0.78 mm。2尺寸精度的组成及影响因素；制品尺寸误差构成为：=+ 21式中制件总的成型误差；塑料收缩率波动所引起的误差；模具成型零件制造精度所引起的误差；模具磨损后所引起的误差；模具安装,配合间隙引起的误差；影响塑料制品尺寸精度的因素比较复杂,归纳有以下三个

32、方面。1模具 模具各部分的制造精度是影响制件尺寸精度重要的因素。2塑料材料 主要是收缩率的影响,收缩率大的尺寸精度误差就大。3成型工艺 成型工艺条件的变化直接造成材料的收缩,从而影响尺寸精度。2.4.2塑件的表面质量表面质量是一个相当大的概念,包括微观的几何形状和表面层的物理-力学性质两方面技术指标,而不是单纯的表面粗糙度问题。塑件的表观缺陷是其特有的质量指标,包括缺料,溢料与飞边,凹陷与缩瘪,气孔,翘曲等。模具的腔壁表面粗糙度是塑件表面粗糙度的决定性因素,通常要比塑件高出一个等级。该塑件要求对型腔抛光,所以对粗糙度的要求比较高,查表得PS抛光后顺纹路方向的表面粗糙度为0.02m,垂直纹路方向

33、的表面粗糙度为0.26m。3 注塑成型的准备3.1注塑成型工艺简介注塑成型是利用塑料的可挤压性与可模塑性,首先将松散的粒状或粉状成型物料从注塑机的料斗送入高温的机筒加热熔融塑化,使之成为粘流状态熔体,然后在柱塞或螺杆的高压推动下,以很大的流速通过机筒前端的喷嘴注射进入温度较低的闭合模具中,经过一段时间的保压冷却以后,开启模具便可以从模腔中脱出具有一定形状和尺寸的塑料制件。一般分为三个阶段的工作。 图3-1 注塑成型压力时间曲线1物料准备；成型前应对物料的外观色泽、颗粒情况,有无杂质等进行检验,并测试其热稳定性,流动性和收缩率等指标。对于吸湿性强的塑料,应根据注射成型工艺允许的含水量进行适当的预

34、热干燥,若有嵌件,还要知道嵌件的热膨胀系数,对模具进行适当的预热,以避免收缩应力和裂纹,有的塑料制品还需要选用脱模剂,以利于脱模。2注塑过程；塑料在料筒经过加热达到流动状态后,进入模腔的流动可分为注射,保压,倒流和冷却四个阶段,注塑过程可以用如图所示3.1所示。图中T0代表螺杆或柱塞开始注射熔体的时刻；当模腔充满熔体T=T1时,熔体压力迅速上升,达到最大值P0。从时间T1到T2,塑料仍处于螺杆或柱塞的压力下,熔体会继续流入模腔以弥补因冷却收缩而产生的空隙。由于塑料仍在流动,而温度又在不断下降,定向分子分子链的一端在模腔壁固化,另一端沿流动方向排列容易被凝结,所以这一阶段是大分子定向形成的主要阶

35、段。这一阶段的时间越长,分子定向的程度越高。从螺杆开始后退到结束时间从T2到T3,由于模腔的压力比流道高,会发生熔体倒流,从而使模腔的压力迅速下降。倒流一直进行到浇口处熔体凝结时为止。其中,塑料凝结时的压力和温度是决定塑料制件平均收缩率的重要因素。3制件后处理；由于成型过程中塑料熔体在温度和压力下的变形流动非常复杂,再加上流动前塑化不均匀以及充模后冷却速度不同,制件经常出现不均匀的结晶、取向和收缩,导致制件产生相应的结晶、取向和收缩应力,脱模后除引起时效变形外,还会使制件的力学性能,光学性能及表观质量变坏,严重时会开裂。故有的塑件需要进行后处理,常用的后处理方法有退火和调湿两种。退火是为了消除

36、或降低制件成型后的残余应力,此外,退火还可以对制件进行解除取向,并降低制件硬度和提高韧性,温度一般在塑件使用温度以上的1020度至热变形温度以下1020度之间；调湿处理是一种调整制件含水量的后处理工序,主要用于吸湿性很强、而且又容易氧化的聚酰胺等塑料制件.调湿处理所用的加热介质一般为沸水或醋酸钾溶液沸点为121,加热温度为100121,保温时间与制件厚度有关,通常取29小时。3.2注塑成型工艺条件1温度；注塑成型过程中需要控制的温度有料筒温度,喷嘴温度和模具温度等。喷嘴温度通常略微低于料筒的最高温度,以防止熔料在直通式喷嘴口发生流涎现象；模具温度一般通过冷却系统来控制；为了保证制件有较高的形状

37、和尺寸精度,应避免制件脱模后发生较大的翘曲变形,模具温度必须低于塑料的热变形温度。PS料与温度的经验数据如表3-1所示。表3-1 温度的经验数据料筒温度 /喷嘴温度/模具温度/热变形温度 /后段中段前段1.82MPA0.45MPA15021017023019025024025057565962压力；注射成型过程中的压力包括注射压力,保压力和背压力。注射压力用以克服熔体从料筒向型腔流动的阻力,提供充模速度及对熔料进行压实等。保压力的大小取决于模具对熔体的静水压力,与制件的形状,壁厚及材料有关。对于像PS流动性好的料,保压力应该小些,以避免产生飞边,保压力可取略低于注射压力。背压力是指注塑机螺杆顶

38、部的熔体在螺杆转动后退时所受到的压力,背压力除了可驱除物料中的空气,提高熔体密实程度之外,还可以使熔体压力增大,螺杆后退速度减小,塑化时的剪切作用增强,摩擦热量增大,塑化效果提高,根据生产经验,背压的使用围约为3.427.5MPA。3时间；完成一次注塑成型过程所需要的时间称为成型周期。包括注射时间,保压时间,冷却时间,其他时间开模,脱模,涂脱磨剂,安放嵌件和闭模等,在保证塑件质量的前提下尽量减小成型周期的各段时间,以提高生产率,其中,最重要的是注射时间和冷却时间,在实际生产中注射时间一般为35秒,保压时间一般为20120秒,冷却时间一般为30120秒这三个时间都是根据塑件的质量来决定的,质量越

39、大则相应的时间越长。确定成型周期的经验数值如表3-2所示。表3-2 成型周期与壁厚关系制件壁厚 /mm成型周期 / s制件壁厚 / mm成型周期 / s0.5 10 2.5 35 1.0 15 3.0 45 1.5 22 3.5 65 2.0 28 4.0 85 经过上面的经验数据和推荐值,可以初步确定成型工艺参数,因为各个推荐值有差别,而且有的与实际注塑成型时的参数设置也不一致,结合两者的合理因素,初定制品成型工艺参数如表3-3所示。表3-3 制品成型工艺参数初步确定 特性 容 特性 容注塑机类型 螺杆式 螺杆转速r/min 48 喷嘴形式 直通式 模具温度 50喷嘴温度 230 后段温度

40、150210中段温度 170230 前段温度 190250 注射压力MPa 90 保压力MPa 80注射时间s 1.5 保压时间 s 5冷却时间s 20 其他时间s 3成型周期s 30 成型收缩 0.6干燥温度 6080 干燥时间 13 后处理温度70,保温时间2小时。3.3注塑机的选择3.3.1注塑机简介1956年制造出世界上第一台往复螺杆式注塑机,这是注塑成型工艺技术的一大突破,目前注塑机加工的塑料量是塑料产量的30%;注塑机的产量占整个塑料机械产量的50%.成为塑料成型设备制造业中增长最快,产量最多的机种之一.注塑机的分类方式很多,目前尚未形成完全统一标准的分类方法.常用的说法有:1按设

41、备外形特征分类:卧式,立式,直角式,多工位注塑机；2按加工能力分类:超小型,小型,中型,大型和超大型注塑机。此外还有按用途分类和按合模装置的特征分类,但日常生活中用的较少。3.3.2注塑机基本参数注塑机的主要参数有公称注射量,注射压力,注射速度,塑化能力,锁模力,合模装置的基本尺寸,开合模速度,空循环时间等.这些参数是设计,制造,购买和使用注塑机的主要依据.公称注塑量；指在对空注射的情况下,注射螺杆或柱塞做一次最大注射行程时,注射装置所能达到的最大注射量,反映了注塑机的加工能力.注射压力；为了克服熔料流经喷嘴,浇道和型腔时的流动阻力,螺杆对熔料必须施加足够的压力,我们将这种压力称为注射压力.注

42、射速率；为了使熔料及时充满型腔,除了必须有足够的注射压力外,熔料还必须有一定的流动速率,描述这一参数的为注射速率或注射时间或注射速度.常用的注射速率如表3-4所示。表3-4注射量与注射时间的关系注射量/CM 125 250 500 1000 2000 4000 6000 10000注射速率/CM/S 125 200 333 570 890 1330 1600 2000注射时间/S 1 1.25 1.5 1.75 2.25 3 3.75 5塑化能力；单位时间所能塑化的物料量.塑化能力应与注塑机的整个成型周期配合协调,若塑化能力高而机器的空循环时间长,则不能发挥塑化装置的能力,反之则会加长成型周期

43、.锁模力；注塑机的合模机构对模具所能施加的最大夹紧力,在此力的作用下模具不应被熔融的塑料所顶开.合模装置的基本尺寸；包括模板尺寸,拉杆空间,模板间最大开距,动模板的行程,模具最大厚度与最小厚度等.这些参数规定了机器加工制件所使用的模具尺寸围.开合模速度；为使模具闭合时平稳,以及开模,推出制件时不使塑料制件损坏,要求模板在整个行程中的速度要合理,即合模时从快到慢,开模时由慢到快在到停.空循环时间；在没有塑化,注射保压,冷却,取出制件等动作的情况下,完成一次循环所需的时间.3.3.3选择注塑机1由公称注射量选定注射机由注射量选定注射机.由PRO/E建模分析得材料密度取:总体积V=49.3cm；总质

44、量M=56.5g；流道凝料V=0.5V流道凝料的体积是个未知数,根据手册取0.5V来估算,塑件越大则比例可以取的越小；实际注射量为:V=49.31.5=73.95 cm；实际注射质量为M=1.5M=56.51.5=84.75g；根据实际注射量应小于0.8倍公称注射量原则, 即：0.8V V31V= V/0.8=79.350.8=92.44 cm；2由锁模力选定注射机FF=AP 32=2P=23010=569.91 KN式中 F注射机的锁模力N； A塑件和浇注系统在分型面上的投影面积之和；P型腔压力,取P=30MP ；D取的是塑件的平均直径,D=110.5,D110mm；结合上面两项的计算,初步

45、确定注塑机为表3-5所示,查国产注射机主要技术参数表取SZ-160/1000,主要技术参数如下。表3-5 国产注射机SZ-160/1000技术参数表特性容特性容结构类型卧拉杆间距360260理论注射容积cm179移模行程280螺杆直径44最大模具厚度360注射压132最小模具厚度170注射速率110锁模形式液压塑化能力10.5模具定位孔直径120螺杆转速10150喷嘴球半径10锁模力1000喷嘴口直径-3.4 注射机的校核3.4.1最大注塑量的校核为确保塑件质量,注塑模一次成型的塑件质量包括流道凝料质量应在公称注塑量的35%75%围,最大可达80%,最小不小于10%。为了保证塑件质量,充分发挥

46、设备的能力,选择围通常在50%80%。V=73.95 cm； V179 cm；=41.3%满足要求。3.4.2锁模力的校核在确定了型腔压力和分型面面积之后,可以按下式校核注塑机的额定锁模力：FK AP 331.223010 683.892 KN 满足要求。式中F注塑机额定锁模力：1000KN； K安全系数,通常取1.11.2,取K=1.2； 3.4.3塑化能力的校核由3.2.3初定的成型周期为30秒计算,实际要求的塑化能力为即：=2.465g/s,小于注塑机的塑化能力10.5g/s,说明注射机能完全满足塑化要求。3.4.4喷嘴尺寸校核在实际生产过程中,模具的主流道衬套始端的球面半径R2取比注射

47、机喷嘴球面半径R1大12 mm,主流道小端直径D取比注射机喷嘴直径d大0.51 mm,如图3.2所示,以防止主流道口部积存凝料而影响脱模,所以,注射机喷嘴尺寸是标准,模具的制造以它为准则。3.4.5定位圈尺寸校核 图3-2 喷嘴与浇口套尺寸关系注塑机固定模板台面的中心有一规定尺寸的孔,称之为定位孔。注塑模端面凸台径向尺寸须与定位孔成间隙配合,便于模具安装,并使主流道的中心线与喷嘴的中心线相重合。模具端面凸台高度应小于定位孔深度。3.4.6模具外形尺寸校核注塑模外形尺寸应小于注塑机工作台面的有效尺寸。模具长宽方向的尺寸要与注塑机拉杆间距相适应,模具至少有一个方向的尺寸能穿过拉杆间的空间装在注塑机

48、的工作台面上。3.4.7模具厚度校核模具厚度必须满足下式：H HH 34170301360满足要求。式中 H所设计的模具厚度 301 mm；H注塑机所允许的最小模具厚度170 mm；H注塑机所允许的最大模具厚度360 mm；3.4.8模具安装尺寸校核注塑机的动模板,定模板台面上有许多不同间距的螺钉孔或T形槽,用于安装固定模具。模具固定安装方法有两种：螺钉固定,压板固定。采用螺钉直接固定时大型模具常用这种方法,模具动,定模板上的螺孔及其间距,必须与注塑机模板台面上对应的螺孔一致；采用压板固定时中,小模具多用这种方法,只要在模具的固定板附近有螺孔就行,有较大的灵活性。该模具外形尺寸为300400属

49、中,小型模具,所以采用压板固定法一般认为当尺寸在500500为中,小模具。3.4.9开模行程校核所选注塑机为全液压式锁模机构,最大开模行程受模具厚度影响。此时最大开模行程S等于注塑机移动、固定模板台面之间的最大距离减去模具厚度。SH+H+510mm 35280 15+67+10 28092 满足要求。 式中 S注塑机移模行程280 mm；H推出距离15 mm；H流道凝料与塑件高度67 mm。4 模具设计4.1塑料配方说明塑料配方设计是塑料制品成型加工中在加工设备和工艺参数确定之后所必须进行的重要环节,设计水平的高低直接关系到塑料制品的最终使用性能的优劣,也是应用现代技术对塑料进行改性的过程,其

50、技术含量极高.一个成功配方的产生是多年实践经验与应用高新技术的结局.塑料是以高分子聚合物为主要成分,加入一定量添加剂而组成的一种混合物,添加剂是由一系列为改变塑料的某些性能而添加的混合物,通常为填充剂,增塑剂,稳定剂,润滑剂,着色剂等.根据PS的特性及使用性能要求,配方中应含有以下添加剂.填充剂玻璃微珠；PS成型后易产生应力,添加玻璃微珠使塑料的流动性好,残余应力分布均匀,使光的漫反射率为80%88%。增韧剂SBS,ABS,EPR；PS的冲击性能很差,是一种十分脆的材料,增韧改性是必须的。光稳定剂氧化锌；塑料制品在日光或强荧光下,由于吸收紫外光的能量,引发氧化反应,导致聚合物降解,使制品的外观

51、或在性能变坏,这一过程称为光氧化或光老化。润滑剂硬脂酸及其盐类；对塑料的表面去润滑作用,防止塑料在成型加工时黏模,同时提高塑料制品表面光洁度。着色剂粉红色；在塑料制品中,需要着色的大约占80%左右,着色的目的有1：增加制品美感,以吸引消费者的购买欲望2：提高产品的耐候性,主要是通过着色剂防紫外线功能而实现的。抗菌剂磷酸锆系银离子抗菌剂；考虑到该产品人们可能会作为玩具把玩,因此需要做此设计.很多塑料制品的表面会滋生致病细菌,与人接触后可能导致如感冒,咽炎,流行性脑膜炎,肺结核等疾病的传播。塑料抗菌改性是在树脂中加入抗菌剂,其逸出塑料表面后,可将沾在塑料表面的细菌杀死或抑制细菌的繁殖,保持自身的清

52、洁状态。4.2分型面的确定 根据分型面的选择原则：1便于塑件脱模；2在开模时尽量使塑件留在动模；4-1 分型面的位置3外观不遭到损坏；4有利于排气和模具的加工方便。结合该产品的结构,分型面确定在塑件的最大投影面积上.如图4-1所示。4.3型腔数目的确定注塑模的型腔数目,可以是一模一腔,也可以是一模多腔,在型腔数目的确定时主要考虑以下几个有关因素：1塑件的尺寸精度；2模具制造成本；3注塑成型的生产效益；4模具制造难度。考虑到该塑件是一般日用品,查手册得塑件的经济精度推荐4级,这个产品是两个壳件的组合,所以初定为一模两腔最合理.排列形式如图4-2所示。4.4浇口确定PS料的流动性好,可适用于各种浇

53、口,为了不影响外观,简化模局结构,确定使用侧浇口。4.5模具材料的选择现有的模具模架已经标准化,所以在模具材料的选择时主要是根据制品的特性和使用要求选择合理的型腔和型芯材料.如何合理的选择模具钢,是关系到模具质量的前提条件,如果选材不当 图4-2 型腔的排布形式则所有的精密加工所投入的工时,设备费用将浪费。在选择模具钢时,首先必须考虑材料的使用性能和工艺性能,从使用性能考虑:硬度是主要指标之一,模具在高应力作用下欲保持尺寸不变,必须有足够的硬度,当承受冲击载荷时还要考虑折断,崩刃问题,所以韧性也是一重要指标,耐磨性是决定模具寿命的重要因素,从PS特性看,这三项指标是必须要满足的,此外还有红硬性

54、,抗压屈服强度和抗弯强度和热疲劳能力的指标。从工艺性能考虑:要热加工工艺好,加工温度围宽,冷加工性能如切削,铣削,抛光等加工性能好,此外还要考虑淬透性和淬硬性,热处理变形和氧化脱碳等性能.另外从经济考虑,要求材料来源广,价格低。查手册选择模仁的材料是4Cr13.属马氏体类型不锈钢,该钢机械加工性能较好,经热处理后,具有优良的耐腐蚀性能,抛光性能,较高的强度和耐磨性,适于制造承受高负荷,高耐磨及在腐蚀介质作用下的塑料模具,透明塑料制品模具等.有关参数如下:物理性能。临界温度AC1：820 ； AC3： 1100；线膨胀系数：10.5热导率：27.6W.-1 弹性模量MP210000223500

55、4.6浇注系统设计注塑模的浇注系统是指模具中从注塑机喷嘴开始到型腔入口为止的塑料熔体的流动通道,它由主流道,分流道,冷料穴和浇口组成。它向型腔中的传质,传热,传压情况决定着塑件的在和外表质量,它的布置和安排影响着成型的难易程度和模具设计及加工的复杂程度,所以浇注系统是模具设计中的主要容之一。4.6.1主流道主流道是连接注塑机的喷嘴与分流道的一段通道,通常和注塑机的喷嘴在同一轴线上,断面为圆形,有一定的锥度,目的是便于冷料的脱模,同时也改善料流的速度,因为要和注塑机相配,所以其尺寸与注塑机有关,如图所示：主要参数： 锥角=3；表面粗糙度Ra=0.63；小端直径D=d+mm；半径R=R+mm；材料

56、T8A；由于主流道要与高温的塑料熔体和喷嘴反复接触和碰撞,所以主流道部分常设计成可拆卸的主流道浇口套,以便选用优质的钢材单独加工和热处理。4.6.2分流道 分流道是主流道与浇口之间的通道,一般开设在分型面上,起分流和转向作用,分流道的长度取决于模具型腔的总体布置和浇口位置,分流道的设计应尽可能短,以减少压力损失,热量损失和流道凝料。常用分流道断面尺寸推荐如表4-1所示。表4-1流道断面尺寸推荐值塑料名称分流道断面直径mm塑料名称分流道断面直径mmABS,AS 聚乙烯尼龙类聚甲醛丙烯酸抗冲击丙烯酸醋酸纤维素聚丙烯异质同晶体4.89.51.69.51.69.53.510810812.5510510

57、810聚苯乙烯软聚氯乙烯硬聚氯乙烯聚氨酯热塑性聚酯聚苯醚聚砜离子聚合物聚苯硫醚3.5103.5106.5166.58.03.58.06.5106.5102.4106.513分流道的断面形状有圆形,矩形,梯形,U形和六角形。要减少流道的压力损失,希望流道的截面积大,表面积小,以减小传热损失,因此,可以用流道的截面积与周长的比值来表示流道的效率,其中圆形和正方形的效率最高,但正方形的流道凝料脱模困难,所以一般是制成梯形流道。在该模具上取圆形断面形状,直径为6mm。4.6.3冷料穴冷料穴一般位于主流道对面的动模板上,或处于分流道末端,其作用是存放料流前端的冷料,防止冷料进入型腔而形成冷接缝,此外,开模时又能将主流道凝料从定模板中拉出,冷料穴的尺寸图4-3 冷料穴的尺寸宜稍大于主流道大端的直径,长度约为主流道大端直径,冷料穴的尺寸如图4-3所示：4.6.4浇口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。浇口的类型有很多,有点浇口,侧浇口,直接浇口,潜伏式浇口等,各浇口的应用和尺寸按塑件的形状和尺寸而定,该模具采用侧浇口,其有以下特性:形状简