1、打印机支架的注塑模具设计1 绪论1.1 塑料的基本知识塑料是以树脂为主要成分，在一定温度和压力下塑造成一定形状，并在常温下能保持既定形状的高分子有机材料，它大多采用合成树脂。在一定温度和压力下，塑料具有可塑性，可以利用模具将其成型为具有一定几何形状和尺寸精度的塑料制件。塑料密度小、质量轻、耐磨性好，此外，许多塑料还具有透光性能和绝热性能以及防水、防透气和防辐射等特殊性能，因此它能够在工业生产中得到广泛应用。塑料作为一种新的工程材料，其不断被开发与应用，加之成型工艺的不断成熟与发展，极大地促进了塑料成型方法的研究与应用和塑料成型模具的开发与制造。塑料目前尚无确切的分类，一般分为热固性塑料和热塑性
2、塑料，其中热塑性塑料在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化，如聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料等。而热固性塑料的特点是能在受热或其他条件作用下固化成不溶性物料，如酚醛塑料、环氧塑料等 1。1.2 塑料工业的发展历史及现状早在 19 世纪以前，人们就已经利用沥青、松香、琥珀、虫胶等天然树脂。1868 年将天然纤维素硝化，用樟脑作增塑剂制成了世界上第一个塑料品种，称为赛璐珞，从此开始了人类使用塑料的历史。1909 年出现了第一种用人工合成的塑料-酚醛塑料。1920 年又一种人工合成塑料- 氨基塑料 (苯胺甲醛塑料)诞生了。这两种塑料当时为推动电气工业和仪器制造工业的发展起了积极作用。到 20 世纪 20
3、、30 年代，相继出现了醇酸树脂、聚氯乙烯、丙烯酸酯类、聚苯乙烯和聚酰胺等塑料。从 40 年代至今，随着科学技术和工业的发展，石油资源的广泛开发利用，塑料工业获得迅速发展。品种上又出现了聚乙烯、聚丙烯、不饱和聚酯、氟塑料、环氧树脂、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰亚胺等等。目前塑料制件几乎已经进入一切工业部门以及人民日常生活的各个领域。塑料工业又是一个飞速发展的工业领域，现已发展成为塑料产品系列化、生产工艺自动化、连续化以及不断开拓功能塑料新领域 2-3。1.3 塑料成型工业在生产中的重要地位模具是工业生产中的重要工艺装备，模具工业是国民经济各部门发展的重要基础之一。塑料模具是指用于成型塑料制作的模具，
4、它是型腔模的一种类型。随着机械工业、电子工业、航空工业、仪表工业和日常用品工业的发展，塑料成型制件的需求量越来越多，质量要求也越来越高，这就要求成型塑件的模具开发、设计和制造的水平也必须越来越高。因此，模具设计水平的高低、模具制造能力的强弱以及模具质量的优劣，都直接影响着各种产品的质量、经济效益的增长以及整体工业水平的提高 4。1.4 塑料成型技术的发展趋势21 世纪，塑料工业以前所未有的速度高速发展。塑料，在各个领域、各个行业乃至国民经济中已拥有举足轻重的不可替代的地位。模具是工业生产的重要工艺装备。由于用模具加工成形零部件，具有生产高效、质量好、节约原材料和能源、成本低等一系列优点，已成为
5、当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。模具制造是一个生产周期要求紧迫，技术手段要求较高的复杂生产过程。总之，模具具有结构复杂、型面复杂、精度要求高、使用的材料硬度高、制造周期短等特点，因此传统的模具设计方法已无法适应当今的要求，与传统的模具设计相比，计算机辅助工程（CAE）技术无论是在提高生产率、保证产品质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，都具有极大的优越性。利用 CAE 技术，可以在模具加工前，在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压和冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题并及时进行修改，而不
6、是等到试模后再返修模具。这不仅是对传统模具设计方 法的一次突破，而且在减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低成本等方面，都有着重大的技术、经济意义。塑料模具的设计不但要采用CAD 技术，而且还要采用 CAE 技术，这是发展的必然趋势 2。1.5 塑料模具的分类按照塑料制件的成型方法不同可以分为以下几类。(1) 注射模 注射模又称为注塑模。塑料注射成型是在金属压铸造成型原理的基础上发展起来的。首先将粒状或粉状的塑料原料加入到注射机的料筒中，经过加热熔融成粘流态，然后在螺杆的推动下，熔融塑料以一定的流速通过料筒前端的喷嘴射入闭合的模具型腔中，经过一定的保压，塑料在模内冷却、硬化定型，接着打开
7、模具，从模内脱出成型的塑件。(2) 压注模 又称传递模。压注模的加料室与型腔是通过浇注系统连接起来的，通过压柱将加料室内受热塑化熔融的热固塑料经浇注系统压入被回执的闭合型腔，最后固化定型。(3) 挤出模 又称为挤出机头。挤出成型是利用挤出机料筒内的螺杆旋转加压的方式，连续地将熔融状态的物料从料筒中挤出，通过特定截面形状的机头口成型并借助于牵扯引装置将挤出的塑料制件均匀拉出，同时冷却定型，获得截面形状一致的连续型材。(4) 压缩模 又称压塑模。压缩成型是塑件盛开方法中较早采用的一种方法。将预热过的塑料原料直接放在经过加热的模具型腔内，凸模向下运动，在热和压力的作用下塑料呈熔融状态并充满型腔，然后
8、再固化成型。压注模多用于热固性塑料制件的成型，但这种方法成型周期长、生产效率低。除了上述介绍的几类常用的塑料成型模具外，还有泡沫塑料成型模、气动成型模、浇铸成型模、滚塑成型模、压延成型模以及聚四氟乙烯冷压成型模等 5-6。2 塑件的分析2.1 塑件的结构分析由图 2-1 可以看出，该塑件结构简单，在塑件上有几个孔，这部分由型腔与型芯镶件成型，其余部分由凹模与凸模直接成型。 图 2-1 塑件图制品要求表面光洁度比较高，不允许有明显的熔接痕、飞边等工艺痕，也正是由于对外表的严格要求，以及使产品容易脱模，降低制造时的废品率，因此设置了塑件的脱模斜度为 1。打印机支架的工艺参数如表 2-1 所示。表
9、2-1 打印机支架的工艺参数材料 脱模斜度 尺寸精度 壁厚 圆角(mm) 收缩率PP 1 IT6 8mm R0.5R1 0.5%2.2 塑件材料的选取及分析塑料成型原料的选取应该综合考虑多方面因素，应充分了解制品的用途、特性、设计参数及要求，在满足以上要求后，并考虑使用塑料的成本、成型加工的难易程度等要求。根据分析可知此塑件要求有较强的抗冲击强度、具有较强的抗湿性能，以及抗腐蚀性能。通过分析，比较可选用聚丙烯（PP）作为些制品的材料 9。下面将对 PP 加以介绍 1-4：1基本特性 聚丙烯无味，无毒，无色。外观似聚乙烯，但比聚乙烯更透明更轻。密度为 0.90.91g/ 3。它不吸水，光泽好，易
10、着色。聚丙烯的屈服强度，抗拉，抗压强度和硬度及弹性比聚乙烯好。定向拉伸后的聚丙烯可制作铰链，其具有特别高的抗弯曲疲劳强度，如用聚丙烯注射成型的一体铰链，经过 7107次开闭弯折未产生损坏和断裂现象。聚丙烯的熔点为 164170，其耐热性好，能在 100以上的温度下进行消毒灭菌。聚丙烯耐低温的使用温度可达-15，在低于-35进会脆裂。聚丙烯的高频绝缘性能好，而且由于其不吸水，绝缘性能不受湿度的影响。聚丙烯在氧、热、光的作用下极易解聚、老化、所以必须加入防老化剂。2主要用途 聚丙烯可用于制作各种机械零件如法兰、汽车零件和自行车零件；可作水、蒸汽、各种酸碱等的输送管道，化工容器和其他设备的衬里、表面
11、涂层；可制造盖和本体合一的箱壳，各种绝缘零件，并用于医药工业中。3成型特点 聚丙烯成型收缩范围大，易发生缩孔、凹痕及变形；聚丙烯热容量大，注射成型模具必须设计能充分进行冷却的冷却回路；聚丙烯成型的适宜模温为 80左右，不可低于 50，否则会造成成型塑件表面光泽差或产生熔接痕等缺陷，且温度过高会产生翘曲现象。4PP 的注射工艺参数 PP 的注射工艺参数如表 2-2 所示。表 2-2 PP 的注射工艺参数注射机类型 螺杆式 螺杆转速(r/min) 3060前段 180200 喷嘴形式 直通式中段 200220 喷嘴温度/ 170190料筒温度/后段 160170 模具温度/ 4080注射压力/MP
12、a 70120 保压力/MPa 5060注射时间/s 05 保压时间/s 2060冷却时间/s 1550 成型时间/s 401203 模具的设计3.1 确定型腔数及塑件排列方式为了使模具与注塑机的生产能力相匹配，提高生产效率和经济性、保证塑件精度，模具设计时应首先确定型腔数目。与多型腔模具相比较，单型腔模具具有塑料制件的形状和尺寸一致性好、成型的工艺条件容易控制、模具结构简单紧凑、模具制造成本低、制造周期短等特点。但在，在大批量生产的情况下，多型腔模具应是更为合适的形式，它可以提高生产效率，降低塑件的整体成本。由于此塑件体积小，如果采用单型腔模具，虽然可以保证制品的质量，但不适合大批量生产 1
13、。综合以上因素，本制品采用一模两腔的多型腔模具。模具的型腔排列方式如图3-1 所示：图 3-1 模具的型腔排列方式3.2 分型面的设计为了便于将塑件从密闭的模腔内取出，也为了便于安放嵌件或取出浇注系统，必须将模具分成两个或几个部分，通常将分开模具能取出塑件的面称为分型面，另外，以分型面为界，模具又可分成两大部分即动模与定模部分，而其他的面则被称作分离面或分模面，注射模只有一个分型面。分型面的选择是一个比较复杂的问题，因为它会受到塑件的几何形状、壁厚、尺寸精度、表面粗糙度、嵌件位置、脱模方法以及塑件在模具内的成型位置、顶出方式、浇注系统的设计、模具排气的方式等方面的影响。常见的分型面有水平分型面
14、、斜分型面、阶梯分型面、曲线分型面 2-3。在本模具设计中。由于制品的结构比较特殊，分型面应选在制品的最大外形尺寸处，因为这样有利于排气，使注射出来的塑件不会产生气孔，并且要有利于型芯、型腔镶件的安装。综合以上各因素，得分型面如图 3-2 所示：图 3-2 分型面的设计示意图3.3 排气系统的设计当塑料熔体充填模具型腔时，必须将浇注系统和型腔内的空气以及塑料在成型过程中产生的低分子挥气体顺利地排出模外。如果型腔内因各种原因产生的气体不能被排除干净，塑件上就会形成气泡、产生熔接不牢、表面轮廓不清及充填不满等成型缺陷，另外气体的存在还会产生反压力而降低充模速度，因此设计模具时必须考虑型腔的排气问题
15、。对于由于排气不畅而造成型腔局部充填表困难时，除了设计排气系统外，还可以考虑开设溢流槽，用于在容纳冷料的同时也容纳一部分气体有时采用这种措施是十分有效的。注射模通常以如下三种方式排气：(1) 利用配合间隙排气 对于简单型腔的小型模具，可以利用推杆、活动型芯、活动镶件以及双支点固定的型芯端部与模板的配合间隙进行排气。这种类型的排气形式其配合间隙不能超过 0.05mm，一般为 0.030.05mm，视成型塑料的流动性性能的好差而定。(2) 在分型面上开设排气槽 分型面上开设排气槽是注射模排气的主要形式。(3) 利用排气塞排气 如果型腔最后充填的部位不在分型面上，而其附近又没有活动型芯或推杆，可以在
16、型腔深处镶入排气塞，排气塞可以用烧结金属块制成。排气系统的主要设计要点一般如下：(1) 保证迅速、有序、通畅，排气速度应与注射速度相适应。(2) 排气槽设在塑料流末端。(3) 应设在主分型面凹模一侧：便于加工和修整。若产生气体起边，容易脱模和去除。(4) 尽量设在塑件较厚的部位。(5) 设在便于清理的位置以免积存冷料(6) 排气方向应避开操作区，以防高温熔料溅出伤人。(7) 其深度与塑料流动性及注射压力、温度有关。在本模具是设计中，并不需要另开设排气槽，利用分型面和型芯、型腔镶件分型面之间的间隙、以及顶杆与模板的配合间隙进行排气。由于这些间隙是客观存在的，并不需要加工的，故叫自然排气。由于它不
17、用另设排气槽，因此结构比较简单，是注塑模中经常采用的一种排气形式 4,6。3.4 成型零部件的设计构成塑料模具模腔的零件统称成型零部件。成型零件工作时，直接与塑料熔体接触，承受熔体料流的高压冲刷、脱模摩擦等，因此，成型零件不仅要求有正确的几何形状，较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度，而且还要求有合理的结构，较高的强度，刚度以及较好的耐磨性。设计塑模的成型零件时，应根据塑件的塑料性能、使用要求、几何结构，并结合分型面和浇口位置的选择、脱模方式和排气位置的考虑来确定型腔的总体结构。也就是说，根据塑件的尺寸，计算成型零件型腔的尺寸，确定型腔的组合方式，确定成型零件的加工、热处理、装配等要求，还要对关键
18、的部位进行强度和刚度校核。成型零部件决定了塑件的几何形状和尺寸，通常包括：凹模、型芯、镶块、成型杆和成型环等 1。3.4.1 凹模的结构设计 凹模亦称型腔，是成型塑件外表面的主要零件，按结构不同可分为整体式和组合式两种结构形式。整体式凹模结构 整体式凹模结构是在整块金属模板上加工而成的，其特点是牢固、不易变形，不会使塑件产生拼接线痕迹。但是由于整体式型腔加工困难热处理不方便，所以其常用于形状简单的中、小型模具上。组合式凹模结构 是指型腔是由两个以上的零部件组合而成的。按组合方式不同，组合式凹模结模可分为整体嵌入式、局部镶嵌式、底部镶拼式、侧壁镶拼式和四壁拼合式等形式 3,5。以上几种凹模方式相
19、比较而言，整体式凹模的特点是牢固、不宜变形、不会在塑件上产生接线痕迹。但加工整体式凹模相对困难，且热处理不方便。所以本设计采用整体嵌入式凹模，由于塑件表面有通孔形状，固需要在凹模上镶嵌镶件使其成型。 在设计过程中可以用三维软件直接设计生成凹模，它的具体形状结构如图 3-3所示。图 3-3 凹模设计示意图3.4.2 型芯的结构设计成型塑件内表面的零件称凸模或型芯，其主要有：主型芯、小型芯、螺纹型芯和螺纹型环等。对于结构简单的容器、壳、罩、盖之类的塑件，成型其主体部分内表面的零件称主型芯或凸模，而成型其他小孔的型芯称为小型芯或成型杆。如果按结构来分主型芯可以分为整体结构的凸模、整体镶入结构的凸模和
20、镶拼组合结构的凸模。整体式结构的主型芯它有以下特点：结构牢固，但不便加工，消耗的模具钢多，主要用于工艺试验或小型模具上的形状简单的型芯。整体镶入结构的凸模，其结构节约优质钢材，便于制造加工。镶拼组合结构的凸模，多应用于复杂制品模具，其特点是易于加工，质量容易得到保证 6,9 。本次设计的塑件的结构并不是很复杂，所以选择整体镶入结构的凸模最为合适。应用 Pro/Engineer 软件设计的整体凸模如图 3-4 所示：图 3-4 凸模示意图镶件是成型制品表面孔的成型零件。此课题应用 Pro/Engineer 软件设计的镶件零件如图 3-5 与 3-6 所示。图 3-5 型腔镶件 图 3-6 型型镶
21、件3.4.3 凸模与凹模的工作尺寸计算凹模的工作尺寸，由于塑件的尺寸不均匀，所以应该取最大的尺寸作为计算对象，我们取 54.57-0.64来计算，根据公式 1：L 模具 =L 塑件 (1+K)-(3/4) + (3-1)其中 L 塑件 塑件外形最大尺寸；K塑件的平均收缩率；塑件的尺寸公差；模具的制造公差，取塑件尺寸公差的 1/31/6。所以：L 模具 =54.57(1+0.5%)-(3/4)0.64+0.16 =54.36+0.16对于塑件高度最大 H=11.86-0.16尺寸的模具尺寸，因为H 模具 =H 塑料 （1+k）-2/3 + (3-2)公式中 H 塑料 塑件高度方向的最大尺寸。所以：H 模具 =11.86（1+0.5%）-2/30.64 + 0.12=11.5+ 0.12
