模具型腔计算

第四章注射模具设计第一节浇注系统的设计一、普通浇注系统的设计浇注系统是承载塑料熔体的流道，将从注射机喷嘴射出的熔体运送到模具型腔内的通道。普通浇注系统由主流道、分流道、浇口、冷料穴四部分组成。浇注系统设计的是否合理将直接影响到塑件的质量以及生产效率。（一）主流道的设计120°1212aαR压缩空气AA-A放大aA图4-1普通流道浇注系统图4-2主流道形状及其与注射机喷嘴的配合关系1-主流道衬套2-主流道3-冷料穴4-分流道1-定模板2-浇口套3-注射机喷嘴在模具工作时，由于主流道部分的小端入口及注射机喷嘴与具有一定温度、压力的塑料熔体会冷热交替地反复接触，比较容易受损，所以主流道部分常设计成可拆卸更换的主流道衬套，延长模具的使用寿命。主流道衬套如图4－1。在卧式或立式注射机用的模具中，主流道垂直于分型面，其几何形式如图4—2。1．主流道通常设计成圆锥形，其锥角α=2—6˚，内壁表面粗糙度一般为Ra=0.63μm。2．为防止主流道与喷嘴处溢料，主流道对接处应制成半球形凹坑，其半径R2=R1+(1—2)mm，其小端直径d1=d2+(0.5—1)mm。凹坑深度取h=3—5mm(图4—2)。3．为减小料流转向过渡时的阻力，主流道大端呈圆角过渡，其圆角半径r=1~3mm。4．在保证塑料良好成型的前提下，主流道L应尽量短，否则将增多流道凝料，且增加压力损失，使塑料降温过多而影响注射成型。通常主流道长度由模板厚度确定，一般取L≤60mm。主流道衬套的形式图4—1中1，为主流道衬套与定位圈设计成一体的形式，一般用于小型模具，将主流道衬套和定位圈设计成两个零件，然后配合固定在模板上，这种结构便于拆卸。（二）分流道的设计分流道是连接主流道末端与浇口之间的部分，用于一模多腔或单型腔多浇口的场合。设计分流道时，要考虑熔体在流经过程尽量减少其压力和温度损失。1．分流道的截面形状及尺寸分流道的截面形状及尺寸如图4—3所示。效率0.250D0.250D0.153D0.195DD/2D/4D/60.100D0.071D0.166D图4—3分流道截面形状图分流道的尺寸确定方法：（1）各种塑料的流动性有差异，可根据塑料的品种粗略地估计分流道的直径。常用塑料的分流道直径对流动性很好的聚乙烯和尼龙，当分流道很短时，分流道可小到2mm左右；对于流动性差的塑料，如丙烯酸类，分流道直径接近10mm。多数塑料的分流道直径在4.8－8mm左右变动。（2）对壁厚小于3mm，质量200g以下的塑料制品，还可用如下经验公式确定分流道直径（该式计算的分流道直径仅限于在3．2－9．5mm以内）：0式中D——分流道直径（mm）；m——制品质量（g）；L——分流道的长度（mm）。（3）当注射模主流道和分流道的剪切速率5~60.2~0.30.2~0.34~80.2~0.30.2~0.3浇口的剪切速率15410~10s所成型的塑件质量较好。对于一般热塑性塑料，上面所推荐的剪切速率可作为计算模具流道尺寸的依据。在计算中可使用如下经验公式：出水进冷水抽真空123进冷水出水20-100式中Re——流道断面尺寸的当量半径（cm）；qv——体积流量（cm3／s）。此公式既可用来计算主流道和分流道尺寸，也可用来计算浇口尺寸。2．分流道表面粗糙度分流道表面不要求太光洁，表面粗糙度通常取Ra=1.25－2.5μm，这可增加对外层塑料熔体流动阻力，使外层塑料冷却皮层固定，形成绝热层，有利于保温。但表壁不得凹凸不平，以免对分型和脱模不利。3．分流道与浇口连接形式分流道与浇口常采用斜面和圆弧连接，如图4—4a､b，利于塑料的流动和填充,防止塑料流动时产生反压力，消耗动能｡图4—4c､d为分流道与浇口在宽度方向连接，图d因分流道逐步变窄，补料阶段冷却较快，产生不必要的压力损失，以图c形式较好｡4（a）(b)4（c）(d)图4-4分流道与浇口连接形式（三）浇口的设计浇口：连接流道与型腔之间的一段细短通道。作用：调节控制料流速度、补料时间及防止倒流等。浇口的形状、尺寸和进料位置等对塑件成型质量影响：浇口设计不合理会使塑件产生缺陷，如缩孔、缺料、白斑、熔接痕、质脆、分解和翘曲等。因此正确设计浇口是提高塑件质量的重要环节。影响浇口设计的因素：塑料性能、塑件形状、截面尺寸、模具结构及注射工艺参数等。浇口设计的要求：使熔料以较快的速度进入并充满型腔，同时在充满后能适时冷却封闭。故浇口面积要小，长度要短，这样可增大料流速度，快速冷却封闭，且便于塑件与浇口凝料分离，不留明显的浇口痕迹，保证塑件外观质量。1．浇口设计的原则：（1）浇口尺寸及位置选择应避免熔体破裂而产生喷射和蠕动(蛇形流)喷射和蠕动的产生的缺陷：浇口的截面尺寸如果较小，且正对宽度和厚度较大的型腔，则高速熔体流经浇口时，由于受较高的切应力作用，将会产生喷射和蠕动等熔体破裂现象，在塑件上形成波纹状痕迹，或在高速下喷出高度定向的细丝或断裂物，它们很快冷却变硬，与后来的塑料不能很好地熔合，而造成塑件的缺陷或表面疵瘢。喷射还使型腔内的空气难以顺序排出，形成焦痕和空气泡。克服喷射和蠕动的办法：加大浇口截面尺寸，改换浇口位置并采用冲击型浇口，即浇口开设方位正对型腔壁或粗大的型芯。这样，当高速料流进入型腔时，直接冲击在型腔壁或型芯上，从而降低了流速，改变了流向，可均匀地填充型腔，使熔体破裂现象消失。图4—5中A为浇口位置，图a、c、为非冲击型浇口，图b、d、f为冲击型浇口，后者对提高塑件质量、克服表面缺陷较好，但塑料流动能量损失较大（）（）（）（）（）图6-13非冲击型与冲击型浇口图4-5非冲击型与冲击型浇口（2）浇口位置应开在塑件壁厚处：当塑件壁厚相差较大时，在避免喷射的前提下，为减少流动阻力，保证压力有效地传递到塑件厚壁部位以减少缩孔，应把浇口开设在塑件截面最厚处，这样利于填充补料。如塑件上有加强肋，则可利用加强肋作为流动通道以改善流动条件。1234567891011121314(a)(b)(c)图4-6浇口位置收缩的影响图4—6塑件，选择图a的浇口位置，塑件因严重收缩而出现凹痕；图b选在塑件厚壁处，可克服上述缺陷；图c选用直接浇口则大大改善了填充条件，提高了塑件质量。（3）浇口位置应远离排气位置：浇口位置应有利于排气，通常浇口位置应远离排气部位，否则进入型腔的塑料熔体会过早封闭排气系统，致使型腔内气体不能顺利排出，影响塑件成型质量。(a)(b)图4-7浇口位置对填充影响图4—7a浇口的位置，充模时，熔体立即封闭模具分型面处的排气空隙，使型腔内气体无法排出，而在塑件顶部形成气泡，改用图b所示位置，则克服了上述缺陷。（4）浇口位置应使流程最短，料流变向最少，并防止型芯变形在保证良好充填条件的前提下，为减少流动能量的损失，应使塑料流程最短，料流变向最少。图４—8a浇口位置，塑料流程长，流道曲折多，流动能量损失大，填充条件差。改用图4—8(b)形式和位置则可克服上述缺陷。图4—8b、c为防止型芯变形的进料位置。对有细长型芯的塑件，浇口位置应避免偏心进料，防止料流冲击使型芯变形、错位和折断。图4—8a为单侧进料，易产生此缺陷1230.5~11320.03~0.05143(a)(b)(c)图4－8改变进料位置防止型芯变（5）浇口位置及数量应有利于减少熔接痕和增加熔接强度熔接痕：熔体在型腔中汇合时产生的接缝。a）接缝强度直接影响塑件的使用性能，在流程不太长且无特殊需要时，最好不设多个浇口，否则将增加熔接痕的数量，图4—9a（A处为熔接痕）；b）对底面积大而浅的壳体塑件，为兼顾减小内应力和翘曲变形可采用多点进料，图4—9b；c）对轮辐式浇口可在熔接处外侧开冷料穴，使前锋料溢出，增加熔接强度，且消除熔接痕，图4—9a所示。(a)(b)23A3A图4－9浇口数量与熔接痕的关系（a）对熔接痕数量的影响；（b)多点浇口减少变形实例1-单点浇口（圆环式）；2-双点浇口（轮辐式）；3-冷料穴d）对于熔接痕的位置应注意，图4—10a所示为带圆孔的平板塑件，其左侧较合理，熔接痕短（图中A处），且在边上，右侧的熔接痕与小孔连成一线使塑件强度大大削弱。AAAA(b)(a)图6-18熔接痕位置与过渡浇口（）熔接痕位置；（）过渡浇口过渡浇口图4—10熔接痕位置与过渡浇口（a）熔接痕位置；（b）过渡浇口e）图4——10b大型框架塑件，其左侧由于流程过长，使熔接处的料温过低而熔接不牢，且形成明显熔接痕，而右侧增加了过渡浇口，虽然熔接痕数量有所增加，但缩短了流程，增加了熔接痕接强度，且易于充满型腔（6）浇口位置应考虑定位作用对塑件性能的影响a）图4—11a带有金属嵌件的聚苯乙烯塑件，由于塑件收缩使嵌件周围塑料层有很大周向应力，当浇口开在A处时，其定向方位与周向应力方向垂直，塑件几个月后即开裂；浇口开在B处，定向作用顺着周向应力方向，使应力开裂现象大为减少。b）在某些情况下，可利用分子高度定向作用改善塑件的某些性能。如为使聚丙烯铰链几千万次弯折而不断裂，要求在铰链处高度定向。因此，将两点浇口开设在A的位置上，图4—11b，浇口设在A处，塑料通过很薄的铰链（厚约0．25mm）充满盖部的型腔，在铰链处产生高度定向（脱模时立即弯曲，以获得拉伸定向）。c）又如成型杯状塑件时，在注射适当阶段转动型芯，由于型芯和型腔壁相对运动而使其间塑料受到剪切作用而沿圆周定向，提高了塑件的周向强度。（7）浇口位置应尽量开设在不影响塑件外观的部位如浇口开设在塑件的边缘、底部和内侧。2．浇口的类型（1）直接浇口特点：由主流道直接进料。如图4—12所示。优点：熔体的压力损失小，成型容易。适用范围：适用于任何塑料，常用于成型大而深的塑件。缺点：浇口处固化慢，易造成成型周期延长，容易产生较大的残余应力；超压填充，浇口处易产生裂纹，浇口凝料切除后塑件上疤痕较大。直接浇口有时被称为非限制性浇口，而其他类型的浇口则通称为限制性浇口。（2）矩形侧浇口位置：开设在模具的分型面上，从制品的边缘进料。如图4—13所示。适用范围：广泛应用于中小型制品的多型腔注射模。优点：截面形状简单、易于加工、便于试模后修正。缺点：在制品的外表面留有浇口痕迹。大小：由厚度、宽度和长度决定。厚度确定浇口的固化时间，在实践中通常是在允许的范围内先将侧浇口的厚度加工得薄一些，试模时再进行修正。确定侧浇口厚度h和宽度b的经验公式如下：h=nt(4—1)熔体进浇方向熔体进浇方向（）图6-19浇口位置与塑料取向()定向方位对应力裂的影响聚丙烯铰链盒铰链处的定向(a)熔体进浇方向熔体进浇方向（）图6-19浇口位置与塑料取向()定向方位对应力裂的影响聚丙烯铰链盒铰链处的定向(b)图4—11浇口位置与塑料取向(a)定向方位对应力裂的影响（b)聚丙烯铰链盒铰链处的定向30Anb(4—2)dD图6-21直接浇口bh流道分型面图6-22矩形侧浇口图4—12直接浇口图4—13矩形侧浇口式中t——塑料厚度（mm）；n——系数与塑料品种有关；A——为塑件外表面面积（mm2）。根据式(4—2）计算所得的b若大于分流道的直径时，可采用扇形浇口。侧浇口宽度与厚度的比例大致是3:1。（3）扇形浇口（图4—14）矩形侧浇口的一种变异形式。特点：在扇形浇口的整个长度上，为保持断面积处处相等，浇口的厚度应逐渐减小。适用范围：成型大平板状及薄壁塑件。尺寸：a）宽度，按式(4—2)计算。为了能够充分发挥扇形浇口在横向均匀分配料流的优点，可以采用比计算结果更大的浇口宽度。b）浇口出口厚度h1，计算与矩形侧浇口厚度的计算公式相同，用式（4—1）计算。浇口入口厚度h2按下式计算Dbhh12（4—3）式中h1——浇口出口厚度（mm）；D——分流道直径（mm）。注意：浇口的截面积不能大于分流道的截面积，即441Dbh（4—4）扇形浇口的中心部位与浇口边缘部位的流道长度不同，所以塑料熔体在中心部位和两侧的压力降与流道也不相同，为了达到一致，在图4—14b中增加了扇形浇口两侧的厚度，这种做法使浇口的加工要困难一些，但有助于熔体均匀地流过扇形浇口。h1h2bDb(a)(b)图6-23扇形浇口图4-14扇形浇口c）长度可比矩