小型充电台灯底座的注塑模具设计

小型充电台灯底座的注塑模具设计
1  引言
    我国模具工业起步晚,底子薄,与工业发达国家相比有很大的差距,但在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的支持和引导下,我国模具工业发迅速。近年来,模具增长十分迅速,模具行业正向着高效率、自动化、大型、复杂、精密、高寿命和多功能的方向发展。机械工业作为装备工业,把它同一般的加工工业区别开来,是对机械工业在国民经济中的地位与作用的重新定位。模具作为基础工艺装备,在装备工业中自然有其重要地位。因为国民经济各产业部门需要的装备,其零部件有很大一部分是用模具做出来的。
    模具工业是高新技术产业的一个组成部分。计算机的机壳、接插件和许多元器件的制造,也必须有精密塑料模具和精密冲压模具;数字化电子产品没有精密模具也不行。
    模具工业地位之重要,还在于国民经济的五大支柱产业——机械、电子、汽车、石化、建筑,都要求模具工业的发展与之相适应。随着塑料成型工艺的不断改进与发展,气辅模具及适应高压注射成型工艺的模具将随之发展。多数国内机床企业认为模具设备的生产难以形成单个订单的批量,占据市场非常困难,不能快速收益。事实上,模具企业对机床有一个品牌认可的过程,只要产品质量过关、价格合理,模具企业的投入是长期持续的,是高中低档兼顾的,因而国产数控机床有足够的空间围绕模具企业做市场。其实目前机床企业对模具市场的态度,体现了企业决策人还没能从战略的高度上认识到深入模具领域对机床产业发展的长远影响和利益。秦珂分析说,作为盈利机构,注重眼前利益、维持生存是第一目的,机床企业现在的态度可以理解。但在生存得到保证的基础上,也应看重长远的发展,从一个行业长远发展的高度来看,着眼模具行业对机床企业的发展无疑是很有利的。
各大专院校和研究所培养了一批高级模具技术人才,现代模具制造技术中的高科技含量逐渐增加。而且我们还在结构调整等方面取得了不少成绩,全行业积聚了力量,为今后发展打下了良好的基础。
2  塑件工艺性分析
2.1  塑件结构特点
塑件结构如图1所示。
如图1所示,小型充电台灯底座,结构一般,前段为半圆结构,左右对称。塑件整体长度127mm,高38mm,最大圆直径70mm,底座壁厚2mm,底座加强筋1.5mm,底座两个半圆直径分别为8mm和4mm,加强筋高3mm,梯型板上两小孔直径为4mm,精度要求一般,可与上部分零件配合。
图1 小型充电台灯底座
    对塑件的主要用途、基本性能及经济性进行分析,该塑件选用ABS塑料,ABS是韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料,流动性能好,注塑成型比较容易,容易加工成型,着色性能好。符合台灯底座的合理要求:1)辅助照明功能;2)基本外观要求美观;3)经久耐用;4)成本低,环保。台灯底座的基本要求是支撑和稳定作用,材料选取坚固不易碎的,所以针对本次设计,选用ABS材料比较合理。
2.2  ABS的成型特性与工艺参数
ABS材料是丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物。这三种成分各自的特性,使ABS具有良好综合力学性能。丙烯腈使ABS有良好的耐化学腐蚀及表面硬化度,丁二烯使ABS坚韧,苯乙烯使它有良好的加工性和染色性。
    ABS属于热塑性塑料,外观为粒状或粉状,呈微黄色,不透明但成型的塑件具有较好的光泽。ABS无毒,无味。密度1.01~1.05g/cm³成型温度范围(180℃~240℃),成型时有较好的流动性。ABS材料具有较高的抗冲击强度,且在低温下也不迅速下降(抗寒性);良好的机械强度和一定的耐磨性,耐油性,化学稳定性和电气性能。ABS有一定的硬度和尺寸稳定性,易于成型加工,且易着色。ABS几乎不受酸、碱、盐、及水和无机化盐的影响,溶于酮、醛、酯、氯代烃中,不溶于大部分醇类及烃类溶剂,但与烃长期接触会软化溶胀。ABS塑料表面不可接触冰醋酸,植物油等化学药品,否则会引起应力开裂。此外,ABS的缺点是耐热性不高,低导电强度,低拉伸率,热变形温度为93℃,脆化温度为-27℃,使用的温度范围为-40℃~100℃,而且ABS的耐气候性也差,紫外线作用下容易氧化降解,从而会导致制件变硬发脆。
表1:ABS工艺条件
注射机    螺杆转速:30~60r·min-1    喷嘴温度:180~190℃
料筒前端温度:200~210℃    料筒后端温度:180~200℃    模具温度50~70℃
注射压力:70~90MPa    保压力:50~70MPa    注射时间:3~5s
保压时间:15~30s    冷却时间:15~30s    成型周期40~70s
成型收缩率:0.003~0.008    成型温度:146~180℃    成型压力:7~42MPa
查《塑料成型工艺与模具设计》得ABS料关注塑成型参数:
密    度 : 1.01~1.05g/cm³
收 缩 率 : 0.003~0.008
预热温度 : 80℃~90℃,预热时间2~3h
料筒温度 :前段200℃~210℃,中段210℃~230℃,后段,200℃~220℃
喷嘴温度 :180℃~190℃
模具温度 :50℃~70℃
注射压力 :60~100MPa
注射时间 : 注射时间3~5s,保压时间10~30s,冷却时间15~30s
成型周期 :40~70s
2.3  注塑机的选择
2.3.1  用Pro /E造型计算塑件体积和重量
=2900mm3=2.9cm3
    塑件的质量计算:查有关手册,取ABS的密度为ρ=1.05g/cm³,所以塑件的质量为M=V×ρ=2.9×1.05g/cm³=30g。
2.3.2   确定型腔数目
由于塑件的侧孔用内部斜滑块抽芯,不宜采用太多型腔数目,而该塑件的生产批量为大批量生产,为尽量提高生存率,决定采用一模两腔。
ABS为结晶型塑料,流动性好,壁厚一般,因此在保证顺利脱模的前提下应尽量可能降低模温,以缩短冷却时间,从而提高生产率。所以模具应考虑采用适当的循环水冷却。
2.3.2   确注塑机选择
由于塑件采用注射成型加工,使用一模两腔分布,因此可计算出一次注射成型过程所用塑料量为:W=2w+w=2X30+30×20%=66g。
根据以上一次注射量的分析以及考虑到塑件品种、塑件结构、生产批量及注射工艺参数、注射模具尺寸大小等因素,参考设计手册,初选XS—ZY-500型卧式注射机。记录下XS—ZY-500型卧式注射机的主要技术参数,见表2:
表2:XS—ZY-500型柱卧式注射机的主要技术参数
序号    主要技术参数项目    参数数值
1    理论注射量/cm³    500
2    注射压力/MPa    145
3    锁模力/kN    3500
4    工作台面尺寸/(mm×mm)    850x750
5    模具最大厚度/mm    450
6    模具最小厚度/mm    300
7    最大开模行程/mm    500
8    喷嘴前端球面半径/mm    18
9    喷嘴孔直径/mm    5
10    定位圈直径/mm    150
3  模具设计方案
3.1  分型面的选择
塑料在模具型腔凝固形成塑件,为了将塑件取出来,必须将模具型腔打开,也就是必须将模具分成两部分,即定模和动模两大部分。定模和动模相接触的面称分型面。通常有以下原则:
(1)分型面的选择有利于脱模:分型面应取在塑件尺寸的最大处。而且应使塑件流在动模部分,由于推出机构通常设置在动模的一侧,将型芯设置在动模部分,塑件冷却收缩后包紧型芯,使塑件留在动模,这样有利脱模。如果塑件的壁厚较大,内孔较小或者有嵌件时,为了使塑件留在动模,一般应将凹模也设在动模一侧。拔模斜度小或塑件较高时,为了便于脱模,可将分型面选在塑件中间的部位,但此塑件外形有分型的痕迹。
    (2)分型面的选择应有利于保证塑件的外观质量和精度要求。
    (3)分型面的选择应有利于成型零件的加工制造。
    (4)分型面应有利于侧向抽芯,但是此模具无须侧向抽芯,此点可以不必考虑。
本次设计小型充电台灯底座分型面如图2所示:
图2 小型充电台灯分型面
3.2  浇注系统的设计
浇注系统由主流道、分流道、浇口和冷料穴组成。在设计浇注系统之前必须确定塑件成型位置,确定可以才能用一模两腔,浇注系统的设计是注塑模具设计的一个重要的环节,它对注塑成型周期和塑件质量(如外观,物理性能,尺寸精度)都有直接的影响,设计时必须按如下原则:
(1)型腔布置和浇口开设部位力求对称,防止模具承受偏载而造成溢料现象。
(2)型腔和浇口的排列要尽可能地减少模具外形尺寸。
(3)系统流道应尽可能短,断面尺寸适当(太小则压力及热量损失大,太大则塑料耗费大):尽量减少弯折,表面粗糙度要低,以使热量及压力损失尽可能小。
(4)对多型腔应尽可能使塑料熔体在同一时间内进入各个型腔的深处及角落,及分流道尽可能平衡布置。
(5)满足型腔充满的前提下,浇注系统容积尽量小,以减少塑料的耗量。
(6)浇口位置要适当,尽量避免冲击嵌件和细小型芯,防止型芯变形浇口的残痕不应影响塑件的外观。
考虑到塑件的外观要求较高,以及一模两腔的布置等、浇口采用分便加工修整、凝料去除容易且不会在塑件外壁留下痕迹的侧浇口,模具采用单分型面结构,模具制造成本比较容易控制在合理的范围内。浇注系统的设计如图3所示。

图3 浇注系统分布
3.2.1  主流道的设计
主流道是塑料熔体进入模具型腔是最先经过的部位,它将注塑机喷嘴注出的塑料熔体导入分流道或型腔,其形状为圆锥形,便于熔体顺利的向前流动,开模时主流道凝料又能顺利拉出来,主流道的尺寸直接影响到塑料熔体的流动速度和充模时间,由于主流道要与高温塑料和注塑机喷嘴反复接触和碰撞,通常不直接开在定模上,而是将它单独设计成主流道套镶入定模板内。主流道套通常又高碳工具钢制造并热处理淬硬。塑件外表面不许有浇口痕,又考虑取料顺利,对塑件与浇注系统联接处能自动减断。采用带直流道与分流道的潜伏式点浇口,为了方便于拉出流道中的凝料,将主流道设计成锥形,如图4所示:
                  
       图4 主流道                           图5 冷料穴
查资料得到XS-ZY-500型注射机与喷嘴的有关尺寸:喷嘴前端球面半径SR0=18mm,喷嘴孔直径d=5mm,定位圈直径为Φ150mm。为保证模具主流道与喷嘴的紧密接触,避免溢料。
主流道与喷嘴的关系为:SR=SR0+(1~2),d=d0+0.5。
    主流道球半径半径R 应比喷嘴R0大1~2mm,以保证注射过程中喷嘴与模具紧密接触,防止熔体流入因两球面配合误差形成的间隙中,妨碍主流道凝料的脱出。本次选用的球半径为19mm。
    主流道锥度:一般在2°~4°内选取,主流道带锥度是为了在模具打开时使主流道凝料容易脱离定模。本次选取30。
    主流道的小端径向尺寸是d1 与喷嘴相配合的,其径向尺寸应比喷嘴直径大0.5-1mm,本次选取5.5mm径向尺寸。
    主流道的小端直径
d=d0+(0.5~1)mm ,取d =5.5 mm。
    主流道入口的凹球面半径
R= R0+(1~2)mm =,取R=19mm。
    球面配合高度 h=4 mm。
    主流道锥角 主流道通常设计成圆锥角,锥角α一般在2°~4°这里取α=3°。
    圆角半径r=1~3mm,本设计中取r=1mm
    塑件公称尺寸比较大,且一模两腔,根据查找,选取直径40的浇口套。
3.2.1  分流道的设计
分流道是主流道与浇口之间的通道,一般开在分型面上,起分流和转向的作用。分流道截面的形状可以是圆形、半圆形、矩形、梯形和U形等,圆形和正方形截面流道的比面积最小(流道表面积于体积之比值称为比表面积),塑料熔体的温度下降小,阻力小,流道的效率最高。但加工困难,而且正方形截面不易脱
模,所以在实际生产中较常用的截面形状为梯形、半圆形及U形。
分流道设计要点:
(1)在保证足够的注塑压力使塑料熔体能顺利的充满型腔的前提下,分流道截面积与长度尽量取小值,分流道转折处应以圆弧过度。
(2)分流道较长时,在分流道的末端应开设冷料穴。对于此模来说在分流道上不须开设冷料穴。
(3)分流道的位置可单独开设在定模板上或动模板上,也可以同时开设在动,定模板上,合模后形成分流道截面形状。
(4)分流道与浇口连接处应加工成斜面,并用圆弧过度。
分流道的长度取决于模具型腔的总体布置方案和浇口位置,从在输送熔料时减少压力损失,热量损失和减少浇道凝料的要求出发,应力求缩短。
分流道的断面尺寸应根据塑件的成形的体积,塑件的壁厚,塑件的形状和所用塑料的工艺性能,注射速率和分流道长度等因素来确定。
    因ABS的推荐断面直径为4.5~9.5,部分塑件常用断面尺寸推荐范围。分流道要减小压力损失,希望流道的截面积大,表面积小,以减小传热损失,同时因考虑加工的方便性。分流道应考虑出料的流畅性和制造方便,熔融料的热量损失小,流动阻力小,比表面和小等问题,由于采用的是潜伏式二级分流道对热损失及流动提出了较高的要求,采用圆形的分流道,为了保证外形无浇口痕,浇口前后两端形成较大的压力差,增加流速,得到外形清晰的制件,提高熔体冷凝速度,保证熔融的塑料不回流,同时可隔断注射压力对型腔内塑料的后续作用,冷却后快速切除。本次选取半径8mm半圆型分流道。

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好棒文