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      注塑材料與模具設計
      注塑模具設計工藝要求
      要設計一副先進的塑料模具,首先需要有高水平的設計思路,而且還必須對制品工藝性、塑料材料的特性及用途、模具鋼材的選用、加工方法、模具結構設計、成型方案和注射機的型號等多方面進行研究。

      其中從模具設計和注射成型的角度研究模具設計的工藝性是非常必要的,其目的是為了減少因模具工藝性不好而給模具制造及成型帶來的麻煩。

      塑料材料及特性


      塑料是指以高分子合成樹脂為主要成分,在一定溫度和壓力下具有塑性和流動性,可被塑制成一定形狀,且在一定條件下保持形狀不變的材料。常用塑料分為熱固性塑料和熱塑性塑料兩類。熱固性塑料的特點是在受熱或其他條件作用下能固化成不溶性物料。熱塑性塑料的特點是在特定的溫度范圍內能反復加熱軟化或冷卻凝固。 


      塑料在性能上具有質量輕、強度好、耐腐蝕、絕緣性好、易著色、制品可加工成任意形狀,且生產效率高、價格低廉等優點。


      1.塑料性質


      塑料制品應用的廣泛性離不開它自身的性質特點,下面介紹塑料的成分特點。


      (1)塑料的分子結構

      塑料的主要成分是樹脂,樹脂有天然樹脂和合成樹脂兩種。


      (2)塑料的成分


      樹脂:主要作用是將塑料的其他成分加以粘合,并決定塑料的主要性能,如機械、物理、電、化學性能等。樹脂在塑料中的比例一般為40%~65%。


      填充劑:又稱添料,正確地選擇填充劑,可以改善塑料的性能并擴大它的使用范圍。


      增塑劑:有些樹脂的可塑性很小,柔軟性也很差,為了降低樹脂的熔融粘度和熔融溫度,改善其成型加工性能,改進塑料的柔韌性、彈性以及其他各種必要的性能,通常加入能與樹脂相容的不易揮發的高沸點的有機化合物。這類物質稱為   塑劑。


      著色劑:又稱色料,主要起美觀和裝飾作用,包含涂料部分。


      穩定劑:凡能延緩塑料變質的物質稱為穩定劑,分光穩定劑、熱穩定劑和抗氧劑。


      潤滑劑:改善塑料熔體的流動性,減少或避免對設備或模具的磨擦和粘附,以及改進塑件的表面光潔度。


      2.塑料縮寫代號與中文對照


      表1-1  熱塑性塑料縮寫代號與中文對照

      縮 寫 代 號

      中    文

      縮 寫 代 號

      中    文

      ABS

      丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物

      MDPE

      中密度聚乙烯

      A / S

      丙烯腈-苯乙烯共聚物

      PA

      聚酰胺(尼龍)

      A / MMA

      丙烯腈-甲基丙烯酸甲酯共聚物

      PAA

      聚丙烯酸

      A / S / A

      丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物

      PC

      聚碳酸脂

      CA

      乙酸纖維素(醋酸纖維素)

      PAN

      聚丙烯腈

      CN

      硝酸纖維素

      PCTFE

      聚三氟氯乙烯

      EC

      乙基纖維素

      PE

      聚乙烯

      FEP

      全氟(乙烯-丙烯)共聚物(聚全氟乙丙烯)

      PEC

      氯化聚乙烯

      GPS

      通用聚苯乙烯

      PI

      聚酰亞胺

      GRP

      玻璃纖維增強塑料

      PMMA

      聚甲基丙烯酸甲酯

      HDPE

      高密度聚乙烯

      POM

      聚甲醛

      HIPS

      高沖擊強度聚苯乙烯

      PP

      聚丙烯

      LDPE

      低密度聚乙烯

      PPC

      氯化聚丙烯

      PPS

      聚苯硫醚

      PPO

      聚苯醚(聚2,6-二甲基-1,4-苯醚),聚苯撐醚

      PPSU

      聚苯砜

      PVCC

      氯化聚氯乙烯

      PS

      聚苯乙烯

      PVDC

      聚偏二氯乙烯

      PSF

      聚砜

      PVDF

      聚偏二氟乙烯

      PTFE

      聚四氟乙烯

      RP

      增強塑料

      PVC

      聚氯乙烯

      S/AN

      苯乙烯-丙烯腈共聚物

      3.常用塑料介紹


      不同成分的塑料體現了它們不同的使用價值,表1-2所示是常用熱塑性塑料的使用性能及用途。


      表1-2  常用熱塑性塑料的特性及用途

      名    稱

      性    質

      應    用

      設計注意問題

      聚氯乙烯
       PVC

      硬質——機械強度差,化學性能穩定,價格低廉,阻燃性

      軟質——耐磨性好,價格低廉,含有微毒,不宜用于食具及包裝食品

      硬質——宜于制造板、管、門窗、線槽、電開關、插座等

      軟質——宜于制造塑料涼鞋、薄膜、雨衣、地板膠、墻紙、人造革、軟管等

      流動性差——流道短而粗,分流道要少拐彎

      氯氣腐蝕模具——型腔、型芯等成型零件要電鍍

      聚乙烯PE

      無毒、柔軟、價廉、質輕、軟    于水

      高壓LDPE——宜于制造薄膜低(中)壓HDPE——制造日用品(米桶、面盆、水壺、保鮮盒等)

      收縮率大——設計計算與制造要充分考慮收縮率

      變形大——塑件結構設計要注意防變形措施

      名    稱

      性    質

      應    用

      設計注意問題

      聚苯乙烯PS

      適用度高,質硬而脆,著色性最好,顏色鮮艷,無毒,價格低,電絕緣性好

      糖果盆、三角尺、錄音帶、CD盒、玩具、文具等

      電器元件及外殼

      透明——型腔、型芯要用鍛打鋼,以便表面光潔

      質硬而脆——脫模斜度α要大,一般α≥2°

      苯乙烯-丁二烯-丙烯腈共聚物

      ABS

      表面硬度高,尺寸穩定,著色性好,可以鍍鉻,耐熱、耐沖壓,無毒

      家電產品的外殼、食具、廚具等

      要有足夠的脫模斜度α≥ 5°——防止“頂角”

      要注意澆口位置——防止和減少熔接痕

      聚丙烯PP

      綜合性能好,優異突出的韌性、不透明、無毒,比重?。?.9),能浮于水

      鉸鏈性產品(眼鏡盒),塑料袋、繩、編織袋、薄膜、水上救生器材、飛機用具、家電產品外殼

      收縮變形較大——設計計算要考慮收縮對產品配合的影響,要有防變形的結構

      鉸鏈性產品要注意澆口的位置

      流動性好——模具的配合面要求高,以防溢料

      聚酰胺

      (尼龍)PA

      耐磨性好、耐酸、耐堿、耐壓、耐水。自潤滑性好,不透明

      尼龍絲、齒輪、軸承、水龍頭、密封圈等

      流動性最好——要求模具分型面、配合面的精度高,以免溢料

      收縮大,尺寸不穩定——尺寸計算和制造模具均要考慮收縮的影響

      脫模阻力大——脫模斜度宜取大些

      聚甲醛

      (賽鋼)POM

      是一種較理想的代鋼、鋁的塑料

      優異的綜合性能,自潤滑性好,比尼龍還好,顏色鮮艷。機械性能可與鋼相比,價格較貴

      齒輪、(家電產品)、軸承、輪、彈簧、風扇葉片、游戲機按鈕

      流動性差,成型困難——模具要有加熱設備,主流道“短而粗”,分流道要少轉彎

      甲醛有毒——型腔、型芯要電鍍防腐蝕

      聚碳酸脂PC

      有優異抗沖壓性、透明、無毒

      防彈玻璃、透鏡、汽車燈罩、咖啡壺、家庭攪拌機、齒輪、冷凍設備的零件、沖擊鉆外殼

      流動性差——模具要有加熱裝置,主流道短而粗、分流道轉彎少

      透明——脫模斜度α≥2°

      型芯、型腔要用鍛打鋼,以便拋光

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      4.塑料特性和識別


      表1-3  常用塑料的特性及識別

      塑 料 名 稱

      使 用 特 性

      識    別

      ABS
       丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物

      綜合性能較好,耐化學性、電性能良好,具有超強的易加工性、外觀特性、低蠕變性、優異的尺寸穩定性以及很高的抗沖擊強度

      燃燒時的火焰顏色為黃色黑煙,燃燒氣味為橡 膠味

      PA
       聚酰胺(尼龍)

      堅韌、耐磨、耐疲勞、耐油、耐水、抗霉菌、但吸水性強
       尼龍6——彈性好、沖擊強度高、吸水性較強
       尼龍66——強度高、耐磨性好
       尼龍610——強度高、耐磨性好,但吸水性和剛性都較弱
       尼龍1010——半透明,吸水性較弱,耐寒性較好

      燃燒時的火焰顏色為黃色,燃燒氣味為特殊味

      PC
       聚碳酸脂

      具有特別好的抗沖擊強度、熱穩定性、光澤度、抑制細菌特性、阻燃特性以及抗污染性,抗蠕變和電絕緣性較好,并且收縮率很低,一般為0.1%~0.2%,有很好的機械特性,但流動特性較差

      燃燒時的火焰顏色為黃色黑煙,燃燒氣味為特 殊味

      PE
       聚乙烯

      高壓聚乙烯的柔軟性、透明性、伸長率、沖擊強度較好
       低壓聚乙烯的熔點、剛性、硬度和強度較高,吸水性弱,有突出的電氣性能和良好的耐輻射性

      燃燒時的火焰顏色為上端黃色,下端青色。燃燒氣味為石蠟味

      POM
       聚甲醛

      有較好的抗蠕變性、幾何穩定性和抗沖擊性,具有很好的延展強度、抗疲勞強度,吸水小,具有很低的摩擦系數,但熱穩定性差,易燃燒,長期在大氣中曝曬會老化

      燃燒時的火焰顏色為上端黃色,下端藍色。燃燒氣味為福爾馬 林味

      PS
       聚苯乙烯

      電絕緣性優良,無色透明,透光率僅次于有機玻璃,著色性差,耐水性,化學穩定性良好,機械強度一般,但性脆易產生應力碎裂,不耐苯、汽油等有機溶劑

      燃燒時的火焰顏色為橙黃色黑煙,燃燒氣味為苯乙烯味

      PSF
       聚砜

      耐熱耐寒性、抗蠕變性及尺寸穩定性優良,耐酸,耐堿,耐高溫,耐高溫蒸汽
       聚砜的硬度和沖擊強度高,可在-60~+150℃下長期使用,在水、濕空氣或高溫下仍能保持良好的絕緣性,但不耐芳香烴和鹵化烴聚芳砜的耐熱性和耐寒性好,可在-240~+260℃下使用,硬度高,耐輻射


      PP
       聚丙稀

      有較低的熱扭曲溫度(100℃)、低透明度、低光澤度、低剛性,但是有較強的抗沖擊強度,具有優良的抗吸濕性、抗酸堿、腐蝕性、抗溶解性

      燃燒時的火焰顏色為藍色,燃燒氣味為柴油味

      PVC
       聚氯乙烯

      硬質PVC機械強度高,電氣性能優良,耐酸堿力極強,化學穩定性好,但軟化點低
       軟質PVC伸長率大,機械強度低,耐腐蝕性、電絕緣性均低于硬質PVC,且易老化

      燃燒時的火焰顏色為上端黃色,下端綠色,燃燒氣味為氯氣味

      續表

      塑 料 名 稱

      使 用 特 性

      識    別

      PPE

      有較強的化學穩定性,吸濕性弱,具有良好的幾何穩定性、電絕緣特性和很低的熱膨脹系數

      燃燒時的火焰顏色為黃色黑煙,燃燒氣味為橡 膠味

      氟塑料

      耐腐蝕性、耐老化及電絕緣性優越,吸水性很小


      醋酸纖維素

      強韌性很好,耐油,耐稀酸,透明有光澤,尺寸穩定性好,易涂飾、染色、粘合、切削,低溫情況下抗沖擊性和抗拉強度減弱


      聚酰亞胺

      綜合性能良好,強度高,抗蠕變性、耐熱性好,可在-200~     +260℃下長期使用,高耐磨性、電絕緣性優良,耐輻射,耐電暈,耐稀酸,但不耐堿、強氧化劑和高壓蒸汽


      PMMA
       聚甲基丙烯酸甲脂

      有優良的光學特性及耐氣侯變化特性,PMMA制品有很低的雙折射,具有室溫蠕變特性和抗沖擊特性

      燃燒時的火焰顏色為上端黃色,下端青色,燃燒氣味為巧克力味


      分型面


      為了便于將塑件從密閉的模腔內取出,也為了便于安放嵌件或取出澆注系統,必須將模具分成兩個或幾個部分。通常將分開模具能取出塑件的面稱為分型面。同時,以分型面為界,模具又可被分成兩大部分,即動模與定模部分。而其他的面則被稱作分離面或分模面,注射模只有一個分型面。


      分型面的選擇是一個比較復雜的問題,因為它受到塑件的幾何形狀、壁厚、尺寸精度、表面粗糙度、嵌件位置、脫模方法以及塑件在模具內的成型位置、頂出方式、澆注系統的設計、模具排氣的方式等方面的影響。


      分型面的形式一般有以下幾種:圖1-1中(a)圖所示為水平分型面;(b)圖所示為斜分型面;(c)圖所示為階梯分型面;(d)圖所示則為曲線分型面。因此對于模具設計人員來說,分型面的正確選擇對模具制造及操作都有著至關重要的影響。


      微信圖片_20210705112152.png

      圖1-1 分型面類型


      選擇分型面的位置時,分型面一般不取在裝飾外表面或帶圓弧的轉角處。分型面必須設置在產品的最大截面處,而且便于開模后塑件留在動模的一側,以保證便于頂出機構能夠順利脫模。選擇分型面時應遵循如下原則。


      1.留模方式


      為了便于塑件脫模,應使塑件在開模時盡可能留在下模。由于塑件的頂出機構通常設置在下模,尤其是自動化生產所用的模具,因此正確選擇塑件的留模方式顯得更為重要。


      留模方式選擇正確與否會直接影響到產品質量和生產效率。

      如圖1-2(a)所示,由于型芯設在定模部分,開模后塑件會收縮而包緊型芯,使塑件留在定模一側,因而,增加脫模的難度,使模具結構復雜,如果改用圖1-2(b)所示的結構就會比較合理。


      微信圖片_20210705112156.png

      2.塑件外觀


      分型面應盡可能選擇在不影響塑件外觀的部位,而且在分型面處所產生的飛邊應容易修整加工。如圖1-3所示,一邊不帶圓弧球面的塑件,若采用圖(a)的結構,將有損塑件表面質量,而采用圖(b)的結構就比較合理。


      微信圖片_20210705112159.png

      3.塑件的同軸度要求


      圖1-4所示為一副齒輪模具,齒輪的輪緣與臺階部分的外圓有同軸度要求。若將有同軸度要求的部分分別在動模和定模內成型,如圖1-4(a)所示,則會因模具合模不準確而難以保證其同軸度要求;若改用圖1-4(b)所示的結構,使有同軸度要求的部分全部在動模內成型,則可滿足同軸度的要求。


      4.塑件上的飛邊方向


      選擇分型面時,根據塑件的使用要求和所用塑料,要考慮飛邊在塑件上的部位。如塑件不允許有水平飛邊時,可采用如圖1-5(a)所示的結構,有利于脫模,尤其對于流動性較好的尼龍來說,采用這種結構還可以減少飛邊的產生。而采用如圖1-5(b)所示的結構則欠妥。



      微信圖片_20210705112206.png

      微信圖片_20210705112211.png

      分型面合模后間隙一般不超過0.01~0.03mm,否則會形成飛邊,故分型面均要進行“平面磨床”的磨削加工。


      5.塑件的脫模斜度


      選擇分型面時,應考慮減小由于脫模斜度所造成的塑件大小端的尺寸差異。如圖1-6(a)所示塑件,若型腔設在模具的一側,則因脫模斜度造成塑件的大小尺寸差異較大,當塑件不允許有較大的脫模斜度時,采用此種結構必然使脫模困難。若塑件對外觀無嚴格要求,可將分型面選在塑件中部,如圖1-6(b)所示,它可采用較小的脫模斜度,有利于脫模。


      微信圖片_20210705112214.png

      6.分型面的排氣功能


      分型面的排氣功能可以把型腔內部的部分高溫氣體排出型腔外,保證產品表面沒有氣孔產生,有利于改善產品的外觀質量。


      一般在分型面凹模一側開設一條深0.025~0.1mm、寬1.5~6mm的排氣槽,亦可以利用頂桿、型腔、型芯鑲塊排氣。


      7.模具制造


      分型面應使模具分割成便于加工的部件,以減少機械加工的難度。


      澆注系統


      澆注系統是指模具中從噴嘴開始到型腔為止的塑料溶體的流動通道。作用是將塑料溶體順利地充滿型腔的各個部位,并在填充及凝固過程中,將注射壓力傳遞到型腔的各個部位。


      澆注系統由主流道、分流道、冷料穴和澆口組成,如圖1-7所示。

      微信圖片_20210705112222.png

      1.澆注系統的設計原則


      澆注系統的設計是注塑模具設計的一個重要環節,它對注塑成型的效率和塑件質量都有直接的影響;


      因此,在設計澆注系統時必須注意以下幾項原則:


      • 了解塑料的成型特性,也就是塑料的溫度和剪切速率等。

      • 防止型芯和塑件的變形,避免料流正面沖出小直徑型芯或脆弱的金屬鑲件,以及防止澆口處由于過大的收縮應力而造成塑件變形。

      • 排氣良好,保征流體流動順利,快而不紊亂。

      • 減少流程及塑料耗量,以縮短成型周期,提高成型效果,減少塑料用量。

      • 進料口的位置和形狀要結合塑件的形狀和技術要求確定。

      • 一模多腔時,防止大小相差懸殊的制件放一模腔內。

      • 修整方便,保證塑件外觀質量。


      2.分流道的類型和設計


      分流道就是主流道與澆口之間的部分,起分流和轉向的作用,其要求是塑料熔料在流動中熱量和壓力損失最小,同時使流道中的塑料量最小。分流道的形狀如圖1-8所示。分流道的形狀及大小必須根據塑件的成型體積、塑件壁厚、形狀、塑料的工藝特性、注塑速度、分流道長度等因素來確定。

      微信圖片_20210705112225.png

      圖1-8分流道結構形狀

      分流道的設計要點:


      分流道的表面不必要求很光滑,表面精度一般在1.25即可。因為分流道表面不太光滑,能使熔融塑料的冷卻皮層固定,有利于保溫。


      當分流道較長時,在分流道末端應開設冷料穴,以容納注塑開始時產生的冷料,保證塑件的質量。


      3.澆口的類型和設計


      澆口指流道末端與型腔之間的細小通道。作用主要是提高塑料的流動速度和溫度,以及防止流入型腔的塑料側流。


      (1)針點式澆口

      針點式澆口又稱為點水口,采用三板式模架方能自動脫模,模具結構較復雜,澆口在生產過程中自動拉斷,適合自動化注射生產。能使用在一模一腔或一模多腔模具中,既可以注射小產品亦可以注射大型產品,特別是有花紋的塑件也不影響外觀。圖1-9所示為針點式澆口結構。


      (2)潛伏式澆口

      潛伏式澆口又稱為潛伏口,進料部位選在制品較隱蔽的地方,以免影響制品外觀,頂出時流道與塑件自動分開,故需較大的頂出力。對于過分強韌的塑料,不適合使用潛伏式澆口。圖1-10所示為潛伏式澆口結構。

      微信圖片_20210705112229.jpg


      (3)側澆口

      側澆口又稱為邊緣澆口或側水口,一般開設在分型面上,從塑件邊緣進料,其形狀長為矩形或接近矩形。加工方便、簡單,應用靈活,既可以從產品外側進料,亦可以從產品內側進料。圖1-11所示為側澆口結構。


      (4)直接式澆口

      直接式澆口又稱為大水口或中心澆口,無分流道,塑料通過主流道直接進入型腔,故有塑料流程短,流動阻力小,進料快,動能損失小,傳遞壓力好等優點。但冷卻除澆口比較困難,塑件有明顯的澆口痕跡,因澆口附近熱量比較集中,故在該處冷凝較遲,產生的內應力較大,且易在該處產生氣泡、縮孔等缺陷。圖1-12所示為直接式澆口結構。


      微信圖片_20210705112232.png

      4.澆口位置的設計原則


      在設計澆注系統時,應先選擇澆口的位置,澆口位置正確與否,將直接關系到制品的成型質量及注射過程是否能夠順利進行。


      選擇澆口位置時應遵循以下幾個原則:


      • 澆口位置應盡量選擇在分型面上,以便于模具加工及澆口的清理。


      • 澆口位置距型腔各個部位的距離應盡量一致,并使其流程最短。


      • 澆口的位置應保證塑料流入型腔時,對著型腔中寬暢、厚壁的部位,以便于塑料的流入。


      • 避免塑料在流入型腔時直沖型腔壁、型芯或嵌件,應使塑料能盡快流入型腔的各個部位,以避免型芯或嵌件變形。


      • 盡量避免使制品產生熔接痕,或使熔痕出現在制品的重要部位。


      • 應使塑料在流入型腔時,能沿著平行型腔的方向均勻流入,并有利于型腔內氣體的排出。


      • 澆口應設置在制品上最易清除的部位,同時盡可能不影響制品的外觀。


      頂出機構


      使塑件從模具上脫出來的機構稱為頂出機構或脫模機構。頂出機構的動作方向與模具開模方向是一致的。良好的頂出機構要求脫模時塑件不變形和不損壞,而且頂出機構的位置應位于制件不明顯處。


      頂出機構的形式歸納起來可分為機械頂出、液壓頂出和氣動頂出3大類。在設計頂出系統時應遵循以下原則:


      • 為使制品不致因頂出而產生變形,推力點應盡量靠近型芯或難于脫模的部位,如制品上細長的中空圓柱,多采用推管(標準件通常為司筒)頂出。推力點的布置應盡量均勻。


      • 推力點應作用在制品上承受力最大的部位,即剛性好的部位,如筋部、突緣和殼體形制品的壁緣等處。


      • 盡量避免推力點作用在制品的薄平面上,防止制品破裂和穿孔等,如殼體形制品及筒形制品多采用推板頂出。


      • 為避免使頂出的痕跡影響制品的外觀,頂出裝置應設在制品的隱蔽面或非裝飾表面。對于透明制品尤其要注意頂出位置及頂出形式的選擇。



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