资源描述
垫块注塑模设计在目前激烈的市场竞争中，产品投入市场的迟早往往是成败的关键。模具是高质量、高效率的产品生产工具，模具开发周期占整个产品开发周期的主要部分。因此客户对模具开发周期要求越来越短，不少客户把模具的交货期放在第一位置，然后才是质量和价格。因此，如何在保证质量、控制成本的前提下加工模具是值得认真考虑的问题。模具加工工艺是一项先进的制造工艺，已成为重要发展方向，在航空航天、汽车、机械等各行业得到越来越广泛的应用。模具加工技术，可以提高制造业的综合效益和竞争力。研究和建立模具工艺数据库，为生产企业提供迫切需要的高速切削加工数据，对推广高速切削加工技术具有非常重要的意义。本文的主要目标就是构建一个冲压模具工艺过程，将模具制造企业在实际生产中结合刀具、工件、机床与企业自身的实际情况积累得高速切削加工实例、工艺参数和经验等数据有选择地存储到高速切削数据库中，不但可以节省大量的人力、物力、财力，而且可以指导高速加工生产实践，达到提高加工效率，降低刀具费用，获得更高的经济效益。
关键词：质量 效率 注塑
一、塑件的工艺性分析
1、熟读塑件的图样
图1 零件图
2、塑件原材料的成型特性分析
ABS是聚苯乙烯的改性产品，是目前产量最大，应用最广的工程塑料。ABS是不透明非结晶性聚合物，无毒、无味，密度为1.02~1.05g／㎝3。
ABS成型性能如下：
⑴、易吸水，成型加工前应进行干燥处理，表面光泽高的塑件应长时间预热干燥。
⑵、流动性中等，溢边值为0.04㎜左右。
⑶、壁厚和容料温度对收缩率影响较小，塑件尺寸精度高。
⑷、比热容低，俗话效率高，凝固也快，鼓成型周期短。
⑸、表观粘度对剪切速率的依赖性很强，因此模具设计中大多采用点浇口形式。
⑹、顶出力过大或机械加工时塑件表面会留下白色痕迹，脱模斜度易取2°以上。
⑺、易产生熔接痕，模具设计时应注意尽量减少减少浇注系统对流料的阻力。
3 、塑件的尺寸精度分析 可按MT5查取公差。
表1 塑件主要尺寸公差要求
部位
尺寸
尺寸公差
部位
尺寸
尺寸公差
外
形
尺
寸
62
±0.37
滑
块
10
±0.16
50
±0.37
15
±0.19
3
±0.12
中
心
距
尺
寸
36.7
±0.28
20
±0.22
30
±0.28
内
型
8
±0.14
5
±0.12
4
±0.12
3
±0.12
2.5
±0.10
7
±0.14
4、塑件表面质量分析
该塑件要表面光洁。
5、塑件的结构工艺性分析
从图纸上看该塑件大致为T型结构，附有六个小圆柱。塑件有￠8、￠4的孔，它们符合最小孔径要求。塑件需要有侧抽芯装置。
综上所诉，该塑件可用注塑成型加工。
6、塑件的生产批量
塑件的生产类型对注塑模具结构、注塑模具材料使用均有重要影响。再大批量生产中，由于注塑模具价格在整个成产费用中所占有的比例较小，提高生产率和注射模具寿命问题比较突出，所以可以考虑自动化程度较高、结构复杂、精度寿命高的模具。如果是小批量生产，则应采用结构简单、制造容易的注射模具，以降低注射模具的成本。该塑件产量达8万件，生产属于中批量生产，可以考虑采用一模多腔、快速脱模及成型周期不易太长的模具，同时模具造价要适当控制。
1、计算塑件体积或重量
通过三维造型可获得垫块的体积V=15.47㎝2。ABS的密度为ρ=1.03g／㎝3，所以塑件的质量ω=ρv=15.94g。
根据塑件本身的几何形状及生产批量确定型腔数目
根据该模具形状，再加上有侧抽芯结构，不宜采用太多型腔数目，所以考虑一模两腔，型腔平衡分布在型腔板两侧，以方便侧抽芯实现、浇口排列和模具的平衡。确定注射成型的工艺参数
根据该塑件的结构特点和ABS的成型性能，查有关资料初确定塑件的成型工艺参数，
表2 塑件的注射成型工艺参数
工艺参数
内容
工艺参数
内容
预热和
干燥
温度80-90
成型时间∕s
注射时间
3-5
时间2h
保压时间
15-30
料筒温度／℃
后段
180-190
冷却时间
15-30
中断
210-230
总周期
40-70
前段
200-210
螺杆转速
30-60
喷嘴温度℃
180-190
后处理
方法
后外线
模具温度℃
60-80
温度∕℃
70
注射压力M
70-90
时间∕h
2-4
2、 确定模具冷却温度及冷却方法
ABS为非结晶型塑料，流动性中等，壁厚一般，因此在保证顺利脱模的前提下应尽可能降低温度，以缩短冷却时间，从而提高生产率。所以模具应采用适当的循环水冷却，成型模具温度控制在60-80℃
3、确定成型设备
由于塑件采用注射成型加工，使用一模两腔，因此可计算出一次注射成型过程所用塑料量为：
根据以上一次注射量的分析及考虑到塑料品种、塑件结构、生产批量及注射工艺参数、注射模具尺寸大小等因素，参考《冲压与塑压成型设备》，初选SZ-60型螺杆式注射机。
表3 SZ-60型注射机的主要技术参数
序号
主要技术参数项目
参数数值
1
最大注射量／㎝3
60
2
注射压力／MPa
180
3
锁模力／KN
400
4
动、定模模板最大安装尺寸
220X300
5
做大模具厚度／mm
250
6
做小模具厚度／mm
150
7
做大开模行程／mm
250
8
喷嘴前端球面半径／mm
10
9
喷嘴孔直径／mm
3
10
定位圈直径／mm
80
三、垫块模具设计
（一）、分型面及浇注系统的设计
1、分型面的选择
不论塑件的结构如何以及采用何种设计方法，都 必须首先确定分型面，因为模具结构很大程度取决于分型面的选择。为保证塑件顺利分型，主分型面应首先考虑选择在塑件外形的最大轮廓处。则如左图：
图2
2、浇注系统的设计
浇注系统有主流道、分流道、浇口、冷料穴四个部分组成。考虑到塑件的要求较高，外表面不允许有成型斑点和熔接痕，以及一模两腔的布置、ABS对剪切速率较为敏感等因素，浇口采用方便加工修整、凝料取出容易且不会在塑件外壁留下痕迹的浇口，模具采用但分型面结构两板模，模具制造成本容易控制在合理的范围内。浇注系统的设计如下：图表1主流道和定位圈的设计主流道与注射机的高温喷嘴反复碰撞，故应设计独立可拆卸更换的浇口套，采用优质钢材制作，并经热处理提高硬度，定位圈与浇口套分开设计，如下图表2
查资料得到SZ-60型注射机与喷嘴的有关尺寸：喷嘴前端球面半径R0=10mm,喷嘴孔直径d0=3mm,定位圈直径为Φ80mm为保证模具主流道与喷嘴的紧密接触，避免溢料，主流道与喷嘴的关系为：SR=SR0+(1-2), d=d0+0.5。 因此，去主流道球面半径SR=12mm（取标准值），主流道小端直径d=4.5。
为了便于将凝料从主流道中拔出，应将主流道设计成圆锥形，其斜度为2ｏ-4ｏ，计算其大端直径约为Φ10mm；为避免模内的高压塑料产生过大的反压力，配合段直径D不宜过大，取D=25mm；同时为了使熔料顺利进入分流道，在主流道出料端设计R2的圆弧过渡；为补偿在注射机喷嘴冲击力作用下浇口套的变形，将浇口套的长度设计得比模板厚度短0.02mm；浇口套外圆盘轴肩转角半径R易大一些，R=3mm,以免淬火开裂和应力集中。
定位圈是安装模具时做定位作用的，查资料得SZ-60型螺旋杆式注射机的定位圈直径为Φ80mm，一般定位圈高出定模座版面5-10mm。
由于浇口套与定位圈均属于注射模具的通用件，所以设计者应尽量采用推荐尺寸的浇口套和定位圈。浇口套与定位圈的详细设计见后面介绍的零件图。
3、 分流道的设计
本案例采用U型断面分流道，在一块模板上， 切削加工容易实现，且表面积不大热量损失和阻力损失不太大。查有关经验表格得ABS的分流推荐直径为=4.8-9.5mm取Φ5mm，据此，该模具的分流道设计如图3所示。
图3
4、 浇口的设计
根据塑件的外观要求及行腔分布情况，选用如图4所示的侧浇口，从塑件的底侧中部进料，去除凝料时不会在塑件的外壁留下浇口痕迹，不影响塑件的外观。
L1=2.0-3.0mm 取 L1=2.5mm
L=(0.6-0.9)+b/2,取 L=2mm
浇口深度t=0.5-2.0mm,取t=1.0mm
浇口宽度b=4mm
图4
5、冷料穴的设计
采用带Z形头拉料杆的冷料穴，将其设置在主流道的末端，既起到冷料穴的作用又兼起开模分型时将凝料从主分型道中拉出留在动模一侧，稍作侧向移动取出凝料的作用。
（二）、模具设计方案论证
1、型腔分布
对于一模多腔的模具行腔布置，在保证浇注系统分流道的流程短、模具结构紧凑、模具能正常工作的前提下，尽可能使模具行腔对称、均衡、取件方便。本案例的模具采用一模两腔，行腔平衡布置在型腔板两侧。
2、成型零件的结构确定
成型零件直接与高压的塑料接触，他的质量直接影响塑件的质量。该塑件的材料为ABS工程塑料，对表面要求较高，因此要求塑料有足够的强度、刚度、硬度、和耐磨性，应选用优质模具钢制作。
(1)、凹模（型腔）设计
采用整体嵌入式凹模，放在定模板一侧，主要是从节省优质模具钢材料、方便热处理、方便日后更换维修方面考虑的。
（2）、凸模(型芯)设计
型芯结构也应该采用组合式，可节省贵重模具钢，减少加工工作量。Φ4通孔安装在定模板上，Φ4孔安装在动模板上。
3、导向定位机构设计
由于塑件对称且无单项侧压力，所以采用直导柱导向便可满足合模导向及闭模后的定位
图5
注意 ：导柱要比主型芯高出6-8mm
4、推出机构的设计
根据垫块的形状特点，采用推杆推出。
5、抽芯机构的确定
根据塑件形状特点需要侧抽芯，采用最广泛的斜导柱侧向抽芯机构，结构简单、制造方便、动作可靠。
6、冷却系统的设计
采用冷却水冷却，凹模采用环绕行腔布置的两层式冷却回路。如上图：
（三）、主要零部件的设计计算
1、成型零件的成型尺寸
该塑件的成型零件尺寸均按平均值法计算，按照要求ABS收缩率为0.8％，所以
成型零件尺寸计算如下表：
表4 成型零件尺寸
类别
模具零件名称
塑件尺寸
计算公式
工作尺寸
行腔
计算
内镶快
62±0.37
62.496±0.37
50±0.37
50.4±0.37
3±0.12
3.024±0.12
20±0.22
20.16±0.22
8±0.14
8.064±0.14
镶件
Φ4±0.12
4.032±0.12
型芯
计算
侧型芯
R2.5±0.10
2.52±0.10
10±0.16
10.08±0.16
15±0.19
15.12±0.19
中心
距计算
36.7±0.28
36.995±0.28
30±0.28
30.24±0.28
5±0.12
5.04±0.12
3±0.10
3.024±0.12
2、 模具型腔壁厚的确定
塑料模具行腔在成型过程中受到熔体的高压作用，应有足够的强度和刚度，本模具的凹模采用的是整体嵌入式，因此可用整体式矩形型腔壁厚计算公式来确定型腔壁厚S和型腔
图6 整体式矩形型腔
l-型腔长度，取值为120mm;b-型腔宽度，取值为80mm;h-型腔深度，取值为40mm
T-型腔底板厚度，mm;S-型腔侧壁厚度，mm；L-模板长度，mm；B-模板宽度，mm，
（1） 、型腔侧壁厚度S的计算
①、按钢度条件计算：
式中：c---由h／l决定的系数，查表9-22得C=0.903;
p---型腔内最大熔体压力，可取成型压力的25％-50％,p取80Mpa
h---型腔深度，h=15mm;
E---模具的弹性模量，一般中碳钢,预硬化 塑料模具钢
②、按条件强度计算
式中： p---型腔内最大熔体压力，p取80Mpa，
h---型腔深度，h=15mm;
W—抗弯截面系数，由h／l决定，查配套教材表 4-6得 W =0.108；
型腔的边比，=b/l=20/50=0.4;
模具强度计算许用应力，一般中碳钢 =160Mpa，预硬化塑料模具强度钢=300 Mpa
（2）、型腔底板厚度T的计算
①、按钢度条件计算
式中：---由型腔边长比l/b决定的系数查表9-23得=0.024
p---型腔内最大熔体压力，可取成型压力的25％-50％,p取80Mpa
b---型腔宽度，b=20mm;
E---模具的弹性模量，一般中碳钢,预硬化 塑料模具钢
；
②、按强度条件计算
式中 ： ---由型腔长度与型腔宽度之比决定的系数查配套教材表4-7得；
p---型腔内最大熔体压力，可取成型压力的25％-50％,p取80Mpa
b---型腔宽度，b=20mm;
---模具强度计算许用应力，一般中碳钢 =160Mpa，预硬化塑料模具强度钢=300 Mpa
根据以上刚度，强度的计算，得出型腔的壁厚要求为：型腔侧壁厚度S
型腔底板厚度T
3、抽芯机构的设计计算
（1）、抽芯距S的计算
式中： h---侧抽芯成型部分高度，h=25mm;
（2）、抽芯力的计算
式中：c –侧抽芯成型部分截面平均周长，c=55mm
h—侧抽芯成型部分高度，h为25mm;
p—塑件对型芯单位面积上的，一般模内冷却的塑件p为8-12Mpa,取10 Mpa
塑料对模具钢的摩擦系数，为0.1-0.3，取0.2；
侧型芯的脱模斜度和倾斜角，该塑件为0O。
（3）、确定斜导柱的倾斜角，该处的抽芯距为25mm，斜导柱的倾斜角取20O。
（4）、确定斜导柱的直径
根据抽芯力FC和斜导柱的倾斜角可查表9-28得最大弯曲力FW=2KN,然后根据FW、、HW（侧型芯滑块所受的脱模力作用线与斜导柱中心线的交点到斜导柱固定板的距离，该塑件为13mm），查表9-29得斜导柱的直径d=10mm。
（5）、斜导柱总长度计算：
(d2/2)+h/+(d/2)+S/+(5-10)=155mm
式中：LZ—斜导柱总长度，mm;
d2—斜导柱固定部分大端直径，mm; h—斜导柱固定板的厚度，mm;
d—斜导柱工作部分的直径，mm; S—抽芯距，mm;
（6）、确定锁紧块的角度 由于滑块移动方向与合模方向垂直，故=+（2-3）=22-23O，取=22O。
（7）、确定滑块装置的定位距离
由于滑块移动方向与合模方向垂直，故滑块装置的定位距离S应等于实际抽芯距离 ：S = LS=( LZ- L1- L2- L3- L5)
式中 ： LS---斜导柱有效抽芯长度， 斜导柱的倾斜角，取
（三）、推出机构的设计
采用推杆推出机构，由于该塑件的脱模力不是很大，推杆的布置空间足够，所以无需用锁模力的计算方法确定推杆的尺寸大小，可根据经验选取d=8的国标推杆（GB/T4169.1—2006），注意保证推出距离略大于型芯突出长度2-3mm。
（四）、标准模架确定
综合考虑本塑件采用以模两腔平衡布置，侧浇口一次分型结构、型腔的壁厚要求、塑件尺寸大小、侧向抽芯机构、冷却水道的布置等多项因素，估算型腔模板的概略尺寸，查表8-27选取标准模板的尺寸为315 400mm 63mm,选用A2型标准模架。
参考文献
①曹宏深 赵仲治主编 《 塑料成型工艺及模具设计》 北京机械工业出版社 1993年版
②黄虹主编 《塑料成型加工与模具 》 化学工业出版社2003年3月第版
③黄锐主编 《 塑料工程手册 下册 》 第四章节 机械工业出版社
④宋卓颐 史勤芳 房双宽 赵永仙编着 《塑料原料与助剂 》 科学技术文献出版社2003年9月第1版
⑤黄锐主编 《塑料成型工艺学 》中国轻工业出版社 1997年5月第2版
⑥塑料模设计手册（软件版） 机械工业出版社
⑦田春年主编 《塑料注射成型模具结构设计图册》 轻工业出版社 1998
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