第8章塑料注射成型工艺及模具设计

第八章塑料注射成型工艺及模具设计8.1塑料注射成型概述8.2塑料注射模具的分类及典型结构8.3浇注系统设计8.4推出机构设计8.5侧向分型与抽芯机构的设计8.6模具成型零件及结构零件设计8.7温度调节系统设计注射模塑是将粒状或粉状塑料从注射机的料斗送进加热的料筒，经加热熔化呈熔融状态后，由柱塞或螺杆推动，使其通过料筒前端的喷嘴注入闭合模具中，熔料在受压的情况下，经冷却（热塑性塑料）或加热（热固性塑料）固化后即可保持注塑模型腔所赋予的形样。8.1塑料注射成型概述注塑成型周期短，能一次成型外型复杂、尺寸精确、带有嵌件的制品；对成型各种塑料的适应性强；生产效率高，易于实现全自动化生产等一系列优点，是一种经济而先进的成型技术，发展迅速，已经朝着高速化和自动化的方向发展。注塑是通过注射机来实现的。注射机的类型很多，无论那种注射机，其基本作用均为：加热塑料，使其达到熔化或熔融状态；对熔融塑料施加高压，快速注射而充满模具型腔。8.2塑料注射模具的分类及典型结构注射模的分类方法很多。按加工塑料的品种可分为热塑性塑料注射模和热固性塑料注射模；按其在注射机上的安装方式可分为移动式（仅用于立式注射机）和固定试注射模；按所用注射机类型可分为卧式、立式和角式注射机用注射模；按模具的成型腔数目可分为单型腔和多型腔注射模具。8.2.1注射模的分类1.单分型面注射模2.双分型面注射模3.带有活动成型零件的注射模4.侧向分型抽芯注射模5.自动卸螺纹的注射模6.定模设有推出机构的注射模7.热流道注射模1.单分型面注射模图8-1单分型面注射模1—推杆2—推杆固定板3—推板导套4—推板导柱5—推板6—拉料杆7—复位杆8—支撑钉9—导柱10—导套11—定模型腔板12—浇注系统13—塑件14—型芯2.双分型面注射模图8-2卧式双分型面注射模1—支架2—支撑板3—凸模固定板4—推件板5—导柱6—限位钉7—弹簧8—定距拉板9—主浇道衬套10—定模座板11—中间板12—导柱13—推杆14—推杆固定15—推板3.带有活动成型零件的注射模图8-3带有活动镶块的注射模1—定模座板2—导柱3—活动镶块4—型芯5—动模板6—支承板7—模脚（支架）8—弹簧9—推杆10—推杆固定板11—推板图8-4带侧向分型抽芯的注射模1—楔紧块2—斜导柱3—斜滑块4—限位销5—固定板6—支撑板7—支架8—动模座板9—推板10—推板固定板11—推杆12—拉料杆13—导柱14—动模板15—主浇道衬套16—定模板17—定位环4.侧向分型抽芯注射模5.自动卸螺纹的注射模图8-5带有自动卸螺纹机构的注射模1—螺纹型芯;2—动模板;3—支撑板;4—定距螺钉;5—动模板;6—衬套7—定模板图8-6定模设有推出机构的注射模1-模脚;2—支撑板;3—成形镶片;4—拉板紧固螺钉;5—动模;6—螺钉;7—推件板;8—拉板;9—定模板;10—定模座板；11—凸模（型芯）；12—导柱6.定模设有推出机构的注射模7.热流道注射模图8-7热流道注射模1—动模座板;2—支架;3—推板;4—推杆固定板;5—推杆;6—支撑板;7—导柱;8—动模板;9—凸模;10—导柱;11—定模板;12—凹模;13—支架;14—喷嘴;15—热流道板;16—加热器孔道;17—定模座板;18—绝热层;19—主浇道衬套;20—定位环;21—注射机喷嘴8.2.2注射模的典型结构注射模具的结构是由注射机的形式和制件的复杂程度等因素决定的。凡是注射模具，其基本结构均由动模和定模两部分组成。注射时动模与定模闭合构成型腔和浇注系统，开模时动模与定模分离，取出制件。定模安装在注射机的固定模板上，而动模则安装在注射机的移动模板上。图8-8为一典型的注射模具。根据模具上各个部件所起的作用，注射模具的零件部分可分为以下几个部分。1.成型部分（见图8-8）5.推出机构（见图8-8）2.浇注系统（见图8-8）6.温度调节系统（见图8-8）3.导向机构（见图8-8）7.排溢系统4.侧向分型与抽芯机构（见图8-4）8.支承零件（见图8-8）图8-8注射模的结构1—动模板；2—定模板；3—冷却水道；4—定模座板；5—定位圈；6—浇口套；7—凸模；8—导柱；9—导套；10—动模座板；11—支承板；12—限位钉；13—推板；14—推杆固定板；15—拉料杆；16—推板导柱；17—推板导套；18—推杆；19—复位杆；20—垫板；21—注射机顶杆8.3浇注系统设计8.3.1浇注系统组成浇注系统的设计是注射模设计中很重要的环节，设计的合理与否直接影响到塑件的质量及成型效率。浇注系统的作用是：将塑料熔融体均匀地送到每个型腔，并将注射压力有效地传送到型腔的各个部位，以获得形状完整、轮廓清晰、质量优良的塑件。注射模浇注系统可分为普通浇注系统和热流道浇注系统两种形式，这里主要介绍普通浇注系统的设计。普通浇注系统一般由主流道、分流道、浇口和冷料穴等四部分组成。图8-9所示为一常见的注射模具注射系统。图8-9常见的注射模具浇注系统1一型芯；2一塑件；3-浇口；4--分流道；5一冷料穴；6--主流道；7--浇口套；8--拉料杆1.主流道主流道需要设计成锥角α为2°～6°的圆锥形，表面糙度Ra≤0.8μm，以便于浇注系统凝料从中顺利拔出。主流道是指注射机喷嘴与型腔（单型腔模）或与分流道连接的这一段进料通道，是塑料熔体进入模具最先经过的部位，它与注射机喷嘴在同一轴心线上。在卧式或立式注射机用模具中，主流道垂直于分型面。主流道的结构形式及与注射机喷嘴的连接如图8-10所示。为便于模具安装时与注射机的定位，模具上应设有定位圈。小型模具可将主流道衬套与定位圈设计成整体式，如图8-11（a）所示。在大多数情况下，主流道衬套和定位圈分开设计，然后配合固定在模板上，如图8-11（b）、（c）所示。衬套与定位圈的配合可采用H9／f9。（a）（b）（c）图8-11浇口套的固定形式图8-10主流道形状及其与注射机喷嘴的关系1—定模板；2—主流道衬套；3—注射机喷嘴2.冷料穴在主流道末端一般应设置冷料穴。冷料穴的作用是为了防止冷料进入浇注系统和型腔而影响塑件性能。冷料穴底部应设置拉料杆，以便开模时将主流道凝料从主流道衬套中拉出。常见的冷料穴结构如图8．12所示。图8．12（a）是“Z”字形拉料杆的冷料穴，应用较普遍，但当塑件被推出后无法作侧向移动时不能采用；图8-12（b）、（c）是图8-12（a）的两种变异形式。图8-12（a）、（b）、（c）三种形式的冷料穴，其拉料杆或推杆是固定在推杆固定板上的；图8-12（d）是带球形头拉料杆的冷料穴，它一般用于脱模板脱模的注射模中；图8-12（e）、（f）是图8-11（d）的两种变异形式。图8-12（d）、（e）、（f）三种形式的冷料穴，其拉料杆固定在动模板上。（a）（b）（c）（d）（e）（f）图8-12常见的拉料杆和冷料穴1-主流道；1-冷料穴；3-拉料杆；4-推杆；5-脱模板；6-推块3.分流道在多型腔或单型腔多浇口（塑件尺寸大）时应设置分流道。分流道即为连接主流道和浇口的进料通道，起到分流和转向作用。分流道设计时应尽量减少塑料熔料流动过程中的热量损失和压力损失，确保熔体以平稳的流态均衡地分配到各个型腔，同时使流道中的塑料量最小。为便于分流道的加工和凝料脱模，分流道大都设置在分型面上。（1）分流道的截面形状及尺寸常用的分流道截面形状为圆形、梯形、U形、半圆形及矩形等，如图8-13所示。圆形和正方形流道截面的比表面积（流道表面积与体积之比）最小，流道的效率最高，但加工困难且正方形截面流道不易脱模，所以在实际生产中常用梯形、U形及半圆形截面。图8-13分流道的截面形状（2）分流道的布置形式平衡式布置指分流道到各型腔浇口的长度、截面形状、尺寸都相同，如图8-14所示。这种布置形式的优点是可实现均衡送料和同时充满各型腔，使各型腔的塑件力学性能基本一致，但是这种形式分流道比较长，浪费材料。非平衡式布置是指分流道到各型腔浇口的长度不相等的布置形式，如图8-15所示。这种布置使塑料熔体进入各型腔有先有后，不利于均衡进料。在型腔较多时采用这种布置形式，可缩短流道的总长度，为了实现各个型腔同时充满的要求，必须将浇口开成不同的尺寸。图8-14分道口的平衡布置示意图图8-15分流道的非平衡布置示意图（3）分流道的长度根据型腔在分型面上的排布情况，分流道可分为一次分流道、二次分流道甚至三次分流道。分流道的长度要尽可能短，且弯折少，以便减少压力损失和热量损失，节约塑料的原材料和降低能耗。图8-16所示为分流道长度的设计参数尺寸，其中L1=6～10mm，L2=3～6mm，L3=6～10mm，L的尺寸根据型腔的多少和型腔的大小而定。（a）（b）图8-16分流道的长度（4）分流道的表面粗糙度由于分流道中与模具接触的外层塑料迅速冷却，只有内部的熔体流动状态比较理想，因此分流道表面粗糙度要求不能太低，一般只取1.6μm左右，这可增加对外层塑料熔体的流动阻力，使外层塑料冷却皮层固定，形成绝热层。（5）分流道设计要点①分流道通常开设在分型面上，如图8-17所示，可单独开在动模板或定模板上，也可同时开在动、定模板上。②分流道与浇口连接处应加工成斜面，并用圆弧过渡，如图8-17所示。③分流道表面粗糙度值不能太低，保证与分流道接触的外层塑料迅速冷却，形成绝热层，只有内部熔体平稳流动。④分流道较长时，在分流道末端应开设冷料穴。如图8-18（a）所示。⑤应避免侧面冲击细长型芯或嵌件。而图8-18（b）所示就可避免细长型芯的变形。图8-17分流道与浇口的连接形式1—定模；2—动模（a）（b）图8-18浇口位置对细长型芯的影响4.浇口浇口是指连接分流道和型腔的进料通道，它是浇注系统中截面尺寸最小且长度最短的部分。由于塑料熔体为非牛顿液体，通过浇口时剪切速率增高，同时熔体的内摩擦加剧，使料流的温度升高、粘度降低，从而提高了塑料的流动性，有利于充型；同时在注射过程中，塑料充型后在浇口处及时凝固，防止熔体的倒流，成型后也便于塑件与整个浇注系统的分离。但是浇口的尺寸过小会使压力损失增大，冷凝加快，补缩困难。浇口的设计是十分重要的，实际使用时，浇口的尺寸常常需要通过试模，按成型情况酌情修正。浇口的形式很多，尺寸也各不相同，常见的浇口形式、特点及尺寸见表8-1。表下一页表8-1浇口的形式及特点浇口设计很重要的一方面是位置的设计，浇口位置选择不当会使塑件产生变形、熔接痕、凹陷、裂纹等缺陷。一般说来，浇口位置选择要遵循以下原则。（1）浇口位置的设置应使塑料熔体填充型腔的流程最短、料流变向最少。如图8-19（a）所示的浇口位置，塑料流动距离长，曲折较多，能量损失大，因而充型条件差，改用图8-19（b）、（c）所示的浇口的形式与位置，就就能很好的弥补上述缺陷。（a）（b）（c）图8-19浇口位置对填充的影响对于大型塑件，一般要进行流动比校核。流动比是指熔体在模具中流动通道的最大流动长度与其厚度之比，流动比按下式计算。（8-1）式中，Li为各段流道的流程长度，mm；ti为各段流道的厚度或直径，mm。若流动比超过允许值时会出现充型不足，这时应调整浇口位置或增加浇口数量。表8-2是几种常用塑料的极限流动比，供设计模具时参考。1niiilt流动比表8-2常用塑料的极限流动比（2）浇口位置的设置应有利于排气和补缩。如图8-20所示的塑件，图8-20（a）采用侧浇口，在成型时顶部会形成封闭气囊（图中A处），在塑件顶部常留有明显的熔接痕；图8-20（b）采用点浇口，有利于排气，塑件质量较好。图8-21所示塑件壁厚相差较大，图8-21（a）将浇口开在薄壁处不合理；图8-21（b）浇口设在厚壁处，有利于补缩，可避免缩孔、凹痕产生。（a）（b）图8-20浇口应有利于排气（a）（b）图8-21浇口应有利于补缩（3）浇口位置的选择应避免塑件变形。如图8-22所示平板形塑件，只用一个中心浇口图图8-22（a），塑件会因内应力较大而翘曲变形；而图8-22（b）采用多个点浇口，就可以克服翘曲变形缺陷。（4）浇口的位置应减小或避免产生熔接痕、提高熔接强度。熔接痕示充型时