成型零件设计

-1-成型零件的设计成型零件的结构设计主要是指构成模具型腔的零件，通常有凹模、型芯、各种成形杆和成形环。模具的成型零件主要是凹模型腔和底板厚度的计算，塑料模具型腔在成型过程中受到熔体的高压作用，应具有足够的强度和刚度，如果型腔侧壁和底板厚度过小，可能因强度不够而产生塑性变形甚至破坏；也可能因刚度不足而产生挠曲变形，导致溢料飞边，降低塑件尺寸精度并影响顺利脱模。因此，应通过强度和刚度计算来确定型腔壁厚，尤其对于重要的精度要求高的或大型模具的型腔，更不能单纯凭经验来确定型腔壁厚和底板厚度。注射模具的成型零件是指构成模具型腔的零件，通常包括了凹模、型芯、成型杆等。凹模用以形成制品的外表面，型芯用以形成制品的内表面，成型杆用以形成制品的局部细节。成形零件作为高压容器，其内部尺寸、强度、刚度，材料和热处理以及加工工艺性，是影响模具质量和寿命的重要因素。设计时应首先根据塑料的性能、制件的使用要求确定型腔的总体结构、进浇点、分型面、排气部位、脱模方式等，然后根据制件尺寸，计算成型零件的工作尺寸，从机加工工艺角度决定型腔各零件的结构和其他细节尺寸，以及机加工工艺要求等。此外由于塑件融体有很高的压力，因此还应该对关键成型零件进行强度和刚度的校核。在工作状态中，成型零件承受高温高压塑件熔体的冲击和摩擦。在冷却固化中形成了塑件的形体、尺寸和表面。在开模和脱模时需要克服于塑件的粘着力。在上万次、甚至上几十万次的注射周期，成型零件的形状和尺寸精度、表面质量及其稳定性，决定了塑件制品的相对质量。成型零件在充模保压阶段承受很高的型腔压力，作为高压容器，它的强度和刚度必须在容许范围内。成型零件的结构，材料和热处理的选择及加工工艺性，是影响模具工作寿命的主要因素。一、成型零件的选材对于模具钢的选用，必需要符合以下几点要求：1、机械加工性能良好。要选用易于切削，且在加工以后能得到高精度零件的钢种。2、抛光性能优良。注射模成型零件工作表面，多需要抛光达到镜面，Ra≤0.05μm。要求钢材硬度在HRC35～40为宜。过硬表面会使抛光困难。钢材的显微组织应均匀致密，极少杂质，无疵斑和针点。3、耐磨性和抗疲劳性能好。注射模型腔不仅受高压塑料熔体冲刷，而且还受冷热温度交变应力作用。一般的高碳合金钢可经热处理获得高硬度，但韧性差易形成表面裂纹，不以采用。所选钢种应使注塑模能减少抛光修模次数，能长期保持型腔的尺寸精度，达到所计划批量生产的使用寿命期限。4、具有耐腐蚀性。对有些塑料品种，如聚氯乙稀和阻燃性的塑料，必须考虑选用有耐腐蚀性能的钢种。-2-根据塑件表面质量比较高决定模具表面质量更高这一事实，再依照上述标准，故笔者在设计成型零件(凹模)中选用了镜面钢PMS。PMS（10Ni3CuAlVS）的供货硬度为HRC30，易于切削加工。而后在真空环境下经过500～550℃，以5～10h时效处理。钢材弥散析出复合合金化学物，使钢材硬化，具有HRC40～45，耐磨性好且处理过程变形小。由于材质纯净，可作镜面抛光，还有较好的电加工及抗锈蚀性能。二、凹模部分的结构设计1、凹模的结构形式凹模可由整块材料制成，制成整体式凹模。凹模位于定模板上，因为模具为一模两腔的结构，所以需要采用两个型腔。2、凹模尺寸的计算为计算简便起见，凡是孔类尺寸均以其最小尺寸作为公称尺寸，即公差为正；凡是轴类尺寸均以最大尺寸作为公称尺寸，即公差为负。（1）凹模径向尺寸计算凹模径向尺寸的计算采用平均尺寸法，公式如下：zscpMLSL431式中ML——凹模径向尺寸（mm）；cpS——塑件的平均收缩率（ABS收缩率为0.3%～0.8％，平均收缩率为0.55%）；sL——塑件径向公称尺寸（mm）；——塑件公差值(mm)（3/4项系数随塑件精度和尺寸变化，一般在0.5～0.8之间，取0.6）；z——凹模制造公差（mm）(当尺寸小于50mm时，δz=1/4Δ；当塑件尺寸大于50mm时，δz=1/5Δ)；minS——塑料的最小收缩率（％）。凹模长度尺寸计算为：12.012.09225.946.095%55.01ML凹模宽度尺寸计算为：12.012.062.396.040%55.01ML（2）凹模深度尺寸计算-3-凹模深度尺寸采用平均尺寸法，公式如下：zscpMHSH321式中MH——凹模深度尺寸（mm）；sH——塑件高度公称尺寸（mm）；2/3项，有的资料介绍系数为0.5；其他符号意义同上。1.01.0566.115.012%55.01zMH（3）中心距尺寸计算,公式如下21zscpMLSLML——模具中心距尺寸（mm）；sL——塑件心中距尺寸（mm）。所以05.0275.5005.050%55.01ML3、另外，定模板上还设置了抽芯机构以及分流道的垂直部分，可知定模板及凹模部分结构如下图所示：3、凹模的机加工工艺表10-1凹模的机加工工艺序号工序名称加工内容及要求设备1下料根据模板形状下料2锻造锻坯料至尺寸长315、宽200、厚30mm3划线划线、打样冲4个沉头孔的中心钳工台4钻孔钻两个￠16、两个￠20的孔钻床-4-5钻孔将￠16的孔从上表面钻￠22、深15钻床6铣削以孔定位铣出型腔的外形铣床7刨削精刨上下面使厚度为26mm刨床8钻孔钻两型腔中间￠6的孔钻床9钻孔钻旁边侧抽芯孔到规定位尺寸钻床10热处理淬火，表面硬度达54～58HRC11磨削粗磨底面，使厚为25.5mm平面磨床12磨削精磨上表面，使厚度达图纸要求平面磨床三、凸模部分的结构设计1、凸模尺寸的计算（1）凸模径向尺寸计算凸模径向尺寸的计算采用平均尺寸法，公式如下：zscpMLSL431ML——型芯径向尺寸（mm）；z——型芯的制造公差（mm）；其他符号意义同上。凸模长度尺寸计算为：12.012.01115.946.093%55.01ML凸模宽度尺寸计算为：1.01.08145.396.038%55.01ML（2）凹模深度尺寸计算凸模深度尺寸采用平均尺寸法，公式如下：-5-zscpMHSH321MH——凸模深度尺寸（mm）；sH——塑件孔深度尺寸（mm）；其他符号意义同上。1.01.0555.105.010%55.01MH（3）中心距尺寸计算,公式如下21zscpMLSLML——模具中心距尺寸（mm）；sL——塑件心中距尺寸（mm）。所以05.0264.4805.048%55.01ML2、凸模形状的确定根据模具的具体结构，可设计出型芯嵌块如3D图3、凸模的机加工工艺表10-2凸模的机加工工艺序号工序名称加工内容及要求设备1下料准备长120、宽60、厚60的料板2粗铣端面铣至厚度为48铣床3精铣端面铣至厚度为46铣床4粗铣四周根据尺寸要求铣四周至106×51，深35铣床5精铣铣四周至105×50，深34铣床-6-6精铣精铣成型部分到规定尺寸铣床7线切割线切割型芯上推杆孔线切割机8热处理淬火，表面硬度达54～58HRC7磨端面磨端面至44磨床8抛光手工抛光至Ra＝0.2金相砂纸五、型腔壁厚的校核在注射成形过程中，塑件承受塑料熔体的高压作用，因此模具型腔应该有足够的强度。型腔强度不够将会发生塑件变形，甚至破坏；刚度不足将会产生过大弹性变形，导致型腔向外膨胀，并产生溢料间隙。模具型腔壁厚的计算，应以最大压力为准。理论分析和生产实践表明，大尺寸的模具型腔，刚度不足是主要矛盾，型腔壁厚应以满足刚度条件为准；而对于小尺寸的模具型腔，强度不足是主要矛盾，设计型腔壁厚应以强度条件为准。以强度计算和以刚度计算所需的壁厚相等时的型腔内尺寸即为强度计算和刚度计算的分界值。在分界值不知道的情况下，应分别按强度条件和刚度条件算出壁厚，取其中较大值作为型腔壁厚。该模具为小尺寸模具，所以设计计算其壁厚可以只着重考虑其强度条件，进行强度校核。模具型腔为整体式矩形腔。1、侧壁厚度计算任一侧壁均可视为三边固定、一边自由的矩形板，其最大挠度曲变形发生在自由边的中点。刚度计算公式如下：mmECapaEpCaS31314=1.546（mm）式中S——型腔侧壁厚度（mm）；C——常数，由近似公式96/2/344aLaLC计算，也可由表直接查得；a——型腔侧壁厚受压高度（mm）；L——型腔长边长度（mm）；p——型腔压力（MPa）；-7-E——模具材料弹性模量（MPa）；——任一边中点的允许变形量，由塑件宽度公差，可根据经验公式计算决定。经计算可知符合要求。2、强度计算计算整体式矩形腔侧壁的最大弯矩应力为：WMmaxmax考虑到型腔短边b所承受成形压力的影响，侧壁的最大应力可用以下公式计算：当a/L≥0.41时，)mm(/1321LWbPaS=2.732符合要求。