模具尺寸及强度估算

1第1章定模尺寸的决定方法之1本章将说明利用成型收缩率来决定定模尺寸的方法。首先，成型收缩率α。例:α＝0.005其次，选择需要决定的成型产品的尺寸。(尺寸公差为±公差时)例:22±0.05然后，利用【公式1】来计算定模的尺寸。L0＝(1+α)×L　……【公式1】L0：定模尺寸(mm)L：成型产品尺寸(mm)α：成型收缩率例:L0=(1＋α)×L=(1＋0.005)×22=1.005×22=22.11定模尺寸理论上的目标值为22.11mm。再次，考虑机械加工工艺及试模后对模具修整等因素，可再对计算尺寸22.11mm略作调整。使用现今的机械设备机加工，当然可以加工宽度为22.11mm的模具零件，但是加工尺寸要求精确到0.01mm时，加工成本会增高。因此，尽可能将0.01mm的尾数圆整为偶数。将22.11修正为22.10或22.12作为精加工后尺寸。如必须精密加工时，就取加工尺寸为22.11也无妨。最后，分别对定模和动模的计算尺寸再作一次调整。对于定模，可以略微加工小些，便于以后对模具进行修整。此时，将22.10修正为22.08或将22.12修正为22.08。对于动模，略微加工大些。此时，将22.10修正为22.12或将22.12修正为22.14。如根据经验能判断出模具不需进行修整时，则不需作上述调整。【说明图】成型件定模动模(型芯)●定模尺寸●动模尺寸制作尺寸L0比计算值略小制作尺寸L0比计算值略大L0L0L=22±0.052第2章定模尺寸的决定方法之2在前一章中，对定模尺寸的基本决定方法已经作了说明。本章将说明应用方法。应用范例1：成型产品的尺寸公差为单边正公差时(非±公差时)以成型产品尺寸为22来举例说明。失败范例:L0=(1＋α)×L=(1＋0.005)×22=1.005×22=22.11按照上述计算结果制成定模时，成型产品尺寸误差波动的概率，认为是正、负方向分布相同，因此，收缩比预算值大时，一部分产品的尺寸值就可能超出负公差。因此，针对此类单边公差，可按公差范围的中间值来计算收缩。合格范例:L0=(1＋α)×L=(1＋0.005)×(22＋(0.2/2))=1.005×22.1=22.21应用范例2:成型产品的尺寸公差为单边负公差时(非±公差时)以成型产品尺寸为22来举例说明。失败范例:L0=(1＋α)×L=(1＋0.005)×22=1.005×22=22.11按照上述计算结果制成定模时，也如前例那样，收缩比预算值小时，一部分产品的尺寸值就可能超出正公差。因此，在这种情况下，也必须以公差范围的中间值来计算收缩。合格范例:L0=(1＋α)×L=(1＋0.005)×(22－(0.2/2))=1.005×21.9=22.01综上所述，须根据成型产品的具体尺寸公差，来决定合适的定模尺寸。【说明图】L=22+0.20定模尺寸L0=22.21L=220-0.2定模尺寸L0=22.013第3章钢材的纵向弹性模量「纵向弹性模量」表示模具零件所使用钢材的强度和弹性等物理性质。纵向弹性模量通常也称为「杨氏模量」。纵向弹性模量是指钢材拉伸时所产生的「变形」与「拉伸应力」的比例系数。这些关系以公式表示如下:σ＝EXε单位纵向弹性模量：Ekgf/cm2或Pa应变：ε％拉伸应力：σkgf/cm2或Paε：epsilonσ：sigma即「应力和应变成正比」。对于不同的金属材料，纵向弹性模量具有其特定的物理参数值。一般情况下，材料的纵向弹性模量的数值越大，拉伸应力及刚性越大。【表1】列出了有代表性的金属材料的纵向弹性模量数值。纵向弹性模量E(kgf/cm2)(MPa)低碳钢210×10420.59×104S50C210×10420.59×104预硬模具钢(SCM440系列)203×10419.9×104SDK11210×10420.59×104黄铜63×1046.17×104铜105×10410.29×104铝68×1046.67×104特超硬铝73×1047.16×1044第4章定模外形尺寸的决定步骤定模(固定侧型芯)的外形尺寸是如何决定的呢？很多场合，是通过参考以往类似模具的尺寸等，凭经验和感觉来决定的。若了解正确的尺寸决定步骤，就能避免模具因树脂压力而导致损坏，以及避免将模具作得过大而带来的不必要的浪费。现将正确尺寸的决定步骤说明如下:步骤1：最小壁厚的计算定模是通过在钢块上加工出凹陷的形状来制作的。铣削加工而成的成型产品反转形状的定模内壁与材料外形之间的壁厚h若达不到一定的厚度，会因树脂的充填压力导致裂开或产生大的变形。可利用材料力学的计算公式，进行理论计算后求得该厚度的推荐值。计算公式因下列两种情况而不同，应选择合适的计算公式。(1)定模的外形形状(立方体或圆柱等)(2)定模的构造(整体式或镶件式)h＝12×p×l×a384×E×b×σmax在考虑成型条件、钢材品种等因素后，决定代入计算公式的数值。分最好、最坏多种情况假定计算的前提条件，然后比较其计算结果。这是计算方面的专业技巧。通过计算所求得壁厚h，再考虑余量，来决定理论上的最小壁厚。步骤2：定模如果直接用计算所求得的h来决定定模的外形，把定模固定到模板上时，有时不能确保螺纹孔的加工或台肩的尺寸(见图2)。此时，在确保螺纹孔和台肩得到合理安排的尺寸，最终定模尺寸还应尽可能选择偶数、常用数。(例：50mm、80mm)45台肩安装螺孔hX【图2】hh：不致破坏的最小壁厚【图1】6第5章定模侧壁厚强度计算(分体式底面长方形定模时)前一章对定模(固定侧型芯)外形尺寸的决定方法作了说明。本章开始将对定模侧壁厚度的强度实际计算进行说明。本章所举的例题是关于「底面分体式的长方形定模」侧壁厚度的计算。例题的定模形状如【图1】所示。【图1】中的侧壁厚度h可由下式求得。这里：h:定模侧壁厚度(mm)p:定模内压强(kgf/cm2)l:定模内侧长度(mm)a:定模内压强p承受部位侧壁的高度(mm)b:定模高度(mm)E:纵向弹性模量(杨氏模量)(kgf/cm2)σmax:最大容许挠度(mm)对于上述各个变量的数值，请按()内的单位进行换算。p为定模内压强，取200～600kgf/cm2范围内的值。p随树脂种类和成型条件而变动。例如，ABS树脂为400kgf/cm2左右；PC树脂为600kgf/cm2左右。l为定模铣削长度。a为定模铣削深度。b为定模高度。E为定模钢材纵向弹性模量。数值参见本刊以前刊登的数值。台肩安装螺孔hX【图1】h＝12×p×l×a384×E×b×σmax47【表1】列出了有代表性的金属材料的纵向弹性模量数值。纵向弹性模量E(kgf/cm2)(MPa)低碳钢210×10420.59×104S50C210×10420.59×104预硬模具钢(SCM440系列)203×10419.9×104SDK11210×10420.59×104黄铜63×1046.17×104铜105×10410.29×104铝68×1046.67×104特超硬铝73×1047.16×104σmax是所允许的侧壁的最大挠度。数值取0.01～0.02mm左右为宜。在顾及成型条件、钢材种类等因素后，再决定代入计算式的数值。下章，将对此例题进行实际计算。8第6章定模侧壁厚度的强度计算(整体式底面长方形定模)前一章，对「分体式底面长方形定模」的侧壁厚度的强度计算作了说明。本章开始，对不同构造定模的强度计算进行说明。本章所举例题是关于「整体式底面长方形定模」侧壁厚度的计算。例题的定模形状如【图1】所示。【图1】中侧壁厚度h可以由下式求得。h:定模侧壁厚度(mm)c:由l/a之比决定的系数(mm/mm)p:定模内压强(kgf/cm2)a:定模内压强p承受部位侧壁的高度(mm)E:纵向弹性模量(杨氏模量)(kgf/cm2)σmax:最大容许挠度(mm)l:定模内侧长度(mm)先计算l/a之比，再从【表1】中选择c。(例)l＝50mm、a＝25mm时，l/a＝50/25＝2。从表1可得c＝0.111。【表1】I/ac1.00.0441.10.0531.20.0621.30.0701.40.0781.50.0841.60.0901.70.0961.80.1021.90.1062.00.1113.00.1344.00.1405.00.142h=c×p×a4E×σmax3l=40mmph=?pa=10mmp=400kgf/cm2【图1】9第7章树脂压力引起的型芯弯曲变形对因树脂压力引起的型芯弯曲变形的基本计算公式的考虑方法进行说明。在注塑成型中，由于定模内部受到充填的高压作用，型芯等细长形状的零件，会发生变形，有时甚至出现折断等事故。作用于型芯的压力，因熔化树脂的流动方式和浇口设置等不同情况而不同，要作正确的强度计算，实际上非常困难。因此，通常将压力的作用状况简化，仅作基本计算。本章将介绍型芯变形(弯曲)的基本计算方法。悬臂梁结构的最大挠度(δmax)利用下式计算。(1)假定型芯前端有集中负载δmax＝WI3EIδmax：最大挠度(cm)W:集中负载(kgf)E:纵向弹性模量(kgf/cm2)I:截面抗弯惯量(cm4)(2)假定型芯侧面有均布负载δmax＝WI8EIW:均布负载(kgf/cm)实际上，熔化树脂会瞬间流向型芯的周围，因此只受单方向压力作用的可能性极小。对于细长型的型芯等，因浇口位置因素，也会受到类似假定(1)或(2)过程的压力作用。此时，可将数值代入上述公式进行基本计算。型芯受力简易示图如下34F=5kgfL=35mm型芯固定板垫板模板h=2.5mmb=12mm型芯10第8章模具零部件的热膨胀本章将介绍注塑成型模具零部件热膨胀的基本知识。为了保持适当的定模表面温度，将注塑成型模具保温在30～150℃范围内。另一方面，熔化树脂流入浇口、流道、定模型腔，模具受到180～300℃左右高温树脂所传来的热量。通常温度上升时金属发生热膨胀。因此，注塑成型模具的零部件也发生热膨胀。热膨胀有时会导致：影响导柱导套的配合、侧抽芯滑块滑动不顺畅、型芯尺寸胀大。热膨胀尺寸的基本变化可以利用下式来计算。λ＝α·I0·(t-t0)λ:热膨胀引起的尺寸增大(mm)α:金属的线膨胀系数(mm/mm)l0:初始长度(mm)t:初始温度(℃)t0:加热后的温度代表性的模具钢等的线膨胀系数如下所示。材质α线膨胀系数(mm/mm)S50C11.7×10-6SKD1111.7×10-6预硬钢(SCM440系列)11.5×10-618-8不锈钢(17~18)×10-636％镍钢0.9×10-6特超硬铝23.4×10-6黄铜(18~23)×10-6铜16.5×10-611第9章动模模板的挠度计算注塑成型产品的分型面周围产生毛刺或成型产品的浇口附近的高度尺寸变大的情况也许大家也碰到过。作为计算前提的动模模板的形状如【图1】所示。最大的挠度δmax产生在模板的中心线上。计算公式如下:δmax＝5×p×b×L32×E×B×hB:模板宽度(mm)b:定模承受内压p部分的宽度(mm)L:垫块内侧间隙(mm)p:定模内压强(kgf/cm2)h:支承板厚度(mm)E:材料的纵向弹性模量(杨氏模量)(kgf/cm2)l:定模承受内压p部分的长度(mm)σmax:支承板的最大挠度(mm)模板的E(纵向弹性模量)及p(定模内压力强)的主要数据如下所示。模板材料E值定模内压强p大致基准(kgf/cm2)材质E(kgf/cm2)注塑压力低值200～400S50C210×104注塑压力高值400～600预硬模具钢(SCM440系列)230×104特超硬铝73×104上述计算公式用于近似计算。实际上，在模板上还要加工有侧抽芯滑块的开框孔及用于推杆的孔等，定模的形状也不是统一的，所以要正确地进行挠度计算实际上很难。因此，常用近似计算法作为基本计算，再从安全考虑加以补偿，引入余量的方法比较现实。【图1】定模投影面积IPLhBbδmax定模模板支承板垫块动模座板4312第10章动模模板的挠度计算(例题)问题如【图1】所示的动模模板，估计最大挠度约为多少？模板及其它零件的材质为S50C。解答最大