第九章壓注模設計9.1壓注模概述

9.2壓注模結構組成及模具主要結構設計

9.3設計實例

習題

9.1壓注模概述

9.1.1壓注模特點熱固性塑料的成型有壓縮、壓注和注射成型三種方式。與其它兩種成型方式相比,壓注成型具有下述一些特點:

(1)壓注成型的成型效率較高,居于注射成型和壓縮成型之間。無論是注射成型或是壓注成型,物料均以很高的速度通過模具的澆注系統(tǒng),制件的內、外層塑料都有機會與高溫的流道壁相接觸,使物料升溫快而均勻。塑料在流道內，特別是在澆口等狹窄部位,由于摩擦生熱,其溫度進一步升高,使制品在型腔內硬化得很快。注射成型由于物料在注射機料筒內已進行均勻地塑化,同時采用快速硬化的原料,故成型效率得以進一步提高。

(2)壓注成型制品質量較高。壓注和注射成型制品整個斷面受到均勻合理地加熱,因此所得制品的整個斷面上都硬化得很好,有優(yōu)良的電氣性能和較高的機械強度。

(3)壓注和注射成型時,塑料注入閉合的型腔,因此在分型面處制品的飛邊很薄,容易修整,在制件的合模方向也能保持準確尺寸,而壓縮成型則不能。

(4)壓注成型適用于成型有嵌件的制品。由于塑料是呈熔融狀態(tài)注入型腔,對型芯、成型桿或嵌件的擠壓力比在壓縮模里小得多。注射成型時安放嵌件不如在壓注模具內安裝方便。

(5)壓注和注射成型由于澆注系統(tǒng)而消耗的原料多。對于小型制件,宜采用多腔模來降低消耗比。

(6)制品收縮率較大,而且成型收縮率具有方向性。

(7)壓注和注射成型模具結構復雜,要求比較精密。壓注成型可在專用壓機上進行,也可在普通壓機上進行。但注射成型需要在注射機上才能進行。成型熱固性塑料的壓縮成型、壓注成型和注射成型三種生產方式各有其優(yōu)缺點,互相補充其不足。在批量大,日產量高時宜用注射成型;批量小、嵌件多,有特殊要求時,宜用壓縮或壓注成型。

9.1.2壓注模分類壓注模按所用的壓機及操作方法分為普通液壓機用的壓注模和專用液壓機用的壓注模。普通液壓機用的壓注模按固定方式又分為移動式壓注模(如圖9-1所示)和固定式壓注模(如圖9-2所示),目前國內移動式壓注模占絕大多數(shù)。壓注模與其它模具不同之處在于它具有外加料室,下面按加料室結構特征進行分類。

圖9-1移動式壓注模

圖9-2固定式壓注模

1.罐式壓注模罐式壓注模又名組合式、三板式傳遞模。在加料室下方有主流道通向型腔,在罐式多腔模中,由主流道再經分流道澆口通向型腔。壓注力通過壓料柱塞作用在加料室底上,然后再通過上模將力傳遞到分型面上,將型腔緊緊鎖住,避免從型腔分型面上溢料,因此要求作用在加料室底部的總壓力(鎖模力)必須大于型腔內壓力所產生的將分型面頂開的力。無論是移動式或固定式的罐式壓注模,都可以在普通壓機上壓注,對設備無特殊要求,所以被廣泛采用。移動式罐式壓注模的加料室與模具本體是可以分離的。開模時先從模具上取下加料室,再分別進行清理和脫出制件,如圖9-3所示。其總體結構與注射模相似,在脫模架上卸模,通過脫模板脫出制品。如果制件留在凹模內,可用專門工具將其取出。

圖9-3移動式罐式壓注模

固定式罐式壓注模的加料室、主流道與構成型腔的上模在一塊板上,開模時它懸掛在壓料柱塞和下模之間。這種模具既可安裝在普通上壓式壓機上,也可安裝在下壓式壓機上,如圖9-4所示。

圖9-4安裝在下壓式壓機上的罐式壓注模

2.活板式壓注模活板式壓注模模具的加料室和型腔之間通過活板分開,活板以上為加料室,活板以下為型腔,流道澆口開設在活板邊緣,如圖9-5所示。這種模具結構簡單,通常適用于手工操作(移動式),在普通壓機上進行壓注,多用于生產中、小型制件,特別適用于嵌件兩端都伸出制品表面的制件,這時嵌件的一端固定在凹模底部的孔中,另一端固定于活板上。

當制件在型腔內硬化定型后,通過頂桿將制件連同活板一起頂出,隨后清理活板及殘留在活板上部的硬化廢料。為提高生產率,每副模具可制作兩塊活板輪流使用。

圖9-5活板式壓注模

3.柱塞式壓注模一般來說柱塞式壓注模沒有主流道,主流道已擴大成為圓柱形的加料室,這時壓注力不再起夾緊模具的作用,因此柱塞式壓注模應安裝在特殊的專用壓機上使用。這種壓機具有兩個液壓操作缸,一個缸起鎖模作用,稱為主缸；另一個缸起將物料推入型腔的作用,稱為輔助缸。主缸的壓力要比輔助缸的大得多,以避免溢料。由于沒有主流道的加熱作用,因此最好采用經過預熱的原料進行壓注。這時沒有主流道流動阻力,同時原料經預熱后壓注的壓力可大大降低,特別是在單型腔的壓注模中更是如此。圖9-6所示為壓注齒輪的模具,它能像壓縮模一樣得到完全無流道的制品,與壓縮模的區(qū)別是加料室截面小于制品截面。此處壓注模的鎖緊是靠螺紋連接來完成的,因此可在普通壓機上壓注。

圖9-6單型腔柱塞式壓注模

圖9-7多型腔柱塞式壓注模

9.2壓注模結構組成及模具主要結構設計

9.2.1壓注模結構組成

1.成型部分成型制件的部分,由凹模、凸模及型芯組成。

2.加料室由加料室和壓柱構成。移動式壓注模的加料室和模具本身是可分離的,開模前先敲下加料室,然后開模取出制件,并將壓柱從加料室內取出。

3.澆注系統(tǒng)

多型腔壓注模的澆注系統(tǒng)與注射模相似,同樣可以分為主流道、分流道和澆口;單型腔壓注模的澆注系統(tǒng)一般只有主流道。與注射模不同的是加料室底部可開設幾個流道同時進入型腔。

4.導向機構一般由導柱和導柱孔組成。在柱塞和加料室之間,在型腔分型面之間,都應該設置導向機構。

5.側向分型抽芯機構在制件帶有外側凹或側孔時,壓注模會帶有側向分型抽芯機構,壓注模的側向分型抽芯機構與壓縮模和注射?；鞠嗤?。

6.脫模機構

壓注模的脫模機構也與壓縮模和注射模相同,通常由頂桿、頂板和回程桿等組成,也包括組成二次分型機構的零件。

7.加熱系統(tǒng)通常應該分別對柱塞、加料室和上模、下模三部分進行加熱,可用蒸汽或過熱水加熱,也可用煤氣加熱和電加熱。

9.2.2壓注模主要結構設計

1.加料室設計移動式和固定式壓縮模都設有加料室,用來存放塑粉,并將塑粉進行預熱,加熱成膠體狀。在成型時,加料室要承受壓力,因此加料室應具有一定的強度,體積不能太小,以免熱量散失而使塑料加熱不良。

1)加料室結構及定位加料室應設置在型腔中心位置上,否則容易產生溢料和飛邊等現(xiàn)象。固定式壓注模和移動式壓注模的加料室具有不同的形式,罐式壓注模和柱塞式壓注模的加料室也具有不同的形式。罐式壓注模的加料室,其斷面形狀常見的有圓形和矩形(轉角倒圓),具體應由制品斷面形狀決定,如圓形制品采用圓形斷面的加料室。多腔模具的加料室一般應盡可能蓋住所有的模具型腔,常采用矩形斷面。

固定式罐式壓注模的加料室與上模連接成一體,在加料室底部開設一個或數(shù)個流道通向型腔,如圖9-8所示的加料室開設有四個通向型腔的流道。小型壓注模的加料室通過一個中心流道通向型腔。當加料室和上模分別加工在兩塊板上時,可在通向型腔的流道內加一個主流道襯套。

圖9-8固定式罐式壓注模的加料室

移動式罐式壓注模的加料室可以單獨取下,最常見的是底部呈臺階形的加料室。一般將加料室底部做成30°斜角的臺階,如圖9-9(a)所示,當向加料室內的塑料施壓時,壓力也作用于臺階的環(huán)形投影面上,將加料室緊緊壓在模具的澆注板(上模頂板)上,以免塑料從加料室底和澆注板之間溢出,接觸面應仔細磨平。澆注板上安放加料室的平面應不帶螺釘孔或其它孔隙,否則殘留的塑料附在上面,將影響兩者之間的良好密合。澆注板上的連接螺釘應設計在加料室以外的區(qū)域,或在澆注板下面作成不穿通的螺釘孔,連接螺釘從下面向上擰緊。圖9-9(b)所示的加料室為長圓形,用于加料室下有兩個或更多的流道的模具。當加料室與澆注板間需要精確定位時,可在兩者之間設導柱。導柱可緊固在澆注板上,與加料室呈動配合,如圖9-9(c)所示,也可以反過來緊固在加料室上,與澆注板呈動配合。

圖9-9移動式罐式壓注模的加料室

避免加料室底部溢料的另一個辦法是采用插入配合,將加料室內腔制成穿通的圓柱形(或矩形等),在澆注板上有與內腔形狀相應的凸臺,其高度為3～5mm,兩者呈動配合,如圖9－10(a)所示。也有加料室設臺階,同時又與澆注板凸出臺階呈圓柱或圓錐配合的,如圖9-10(b)所示,以進一步減少溢料的可能性。

圖9-10插入配合加料室

由于罐式壓注模在設有專門鎖模油缸的普通壓機上操作,作用在加料室底部的總壓力擔負著鎖模的作用,為此加料室需要較大的橫截面積,加料室直徑往往大于其高度。柱塞式壓注模加料室斷面為圓形,斷面尺寸與鎖模力無關,故直徑較小,高度較大。圖9－11為柱塞式壓注模加料室在模具上的幾種固定方法。

圖9-11柱塞式壓注模加料室的固定方式(a)螺母鎖緊；(b)軸肩連接;(c)對剖的兩個半環(huán)鎖緊

2)加料室結構尺寸計算

(1)確定加料室的橫截面積。移動式加料室的橫截面積根據(jù)經驗可按下式求得:(9-1)式中:A為加料室的橫截面積(mm2);S為塑件、澆注系統(tǒng)投影面積之和(mm2)。滿足式(9-1)條件時的鎖模力才能保證壓注時型腔內受到的流料壓力不致頂開分型面。鎖模力的大小按下式進行計算:

(9-2)式中:F鎖為鎖模力(kN);p′為實際單位擠壓力(MPa),其值應大于壓注單位壓力p。

p′按下式進行計算:(9-3)式中:F壓為壓機額定壓力(kN)。

使用專用壓機的固定式模具,其加料室橫截面積的求法按下式進行計算:

(9-4)式中:A為加料室橫截面積(mm2);F缸為柱塞加壓用的輔助缸的額定壓力(kN);p為壓注單位壓力(MPa),熱固性塑料壓注成型所需單位壓力可查表9-1。

表9-1熱固性塑料壓注成型所需單位壓力

成型時,為了不致頂開分型面,必須使壓機主缸鎖模力符合下列關系式:

(9-5)式中:F鎖為壓機主缸鎖模力(kN);S為塑件、澆注系統(tǒng)投影面積之和(mm2);p為壓注單位壓力(MPa),可查表9-1。

垂直分型時,模具加料室橫截面積的求法:

(9-6)式中:θ為模塊與模套的拼合角,一般取12°以上;φ為摩擦角,一般取8°;其它符號意義同上。

(2)確定加料室容積。加料室容積按下式進行計算:

V=V1K(9-7)式中:V為加料室容積(mm3);V1為塑件、澆注系統(tǒng)體積之和(mm3);K為壓縮比,見表8-3。(3)確定加料室高度。加料室高度按下式進行計算:

(9-8)式中:h為加料室高度,(8～15)mm為加料室口部的導向高度;V為加料室容積(即塑料體積);A為加料室的橫截面積。

3)柱塞柱塞的作用是把加料室內的塑料加壓,經澆注系統(tǒng)迅速擠入模具型腔。柱塞結構形式見表9-2所示。

表9-2柱塞結構及其作用

4)加料室與柱塞的配合關系

(1)配合。加料室與柱塞的配合如圖9-12所示,其中柱塞高度應比加料室高度小0.5～1mm,配合間隙取0.05～0.1mm或用H9/f9。

(2)有關尺寸的推薦值。加料室經驗尺寸見表9-3;柱塞尺寸見表9-4;定位凸臺尺寸見表9-5。

圖9-12加料室與柱塞的配合關系

表9-3加料室經驗尺寸

表9-4

柱塞尺寸

表9-5

定位凸臺尺寸

2.澆注系統(tǒng)設計壓注成型模具的澆注系統(tǒng)與注射模具類似,也是由主流道、分流道、澆口(進料口)、溢料槽、排氣槽等部分組成,但與注射模要求有所不同。注射模具要求塑料在澆注系統(tǒng)中流動時,壓力損失小,溫度變化小,即與流道壁要盡量減少熱傳遞;對于壓注模來說,除要求流動時壓力損失小外,還要求塑料在高溫的澆注系統(tǒng)中流動時進一步塑化及提高溫度,以便以最佳的狀態(tài)進入型腔。為此,有時還在流道中設有補充加熱器,但流道對塑料過分加熱也是不適當?shù)?這將引起流動性能下降,特別是流程較長,或一個制件有幾個澆口時,將會由于過早硬化而充模不滿或熔接不牢。

1)主流道形式主流道又稱為主澆道,是指在模具本體內從加料室與模具接觸的部位起到分流道始端為止的那段流道。壓注成型時熔料首先由此進入模具。主流道的形狀、大小及開設位置會影響到塑料的流動速度及填充的時間。常見的壓注模主流道形式多為正圓錐形、倒圓錐形及帶分流錐主流道。常見的主流道形式見表9-6。

表9-6常見的壓注模主流道形式

表9-6常見的壓注模主流道形式

正圓錐形主流道在移動式罐式壓注模中廣為采用,多用于一個主流道通向多個型腔時,主流道的大端與分流道相連,脫模時主流道、分流道塑料與制件一起脫出。主流道一般具有6°～10°的錐角,主流道下端轉角處應采用圓角過渡,圓角半徑R2～4mm。倒圓錐形主流道除用于多型腔壓注模外,流道小端可直接與制件相連,用于單型腔壓注模或一個制件有幾個澆口時。開模時,流道與制件從澆口處斷開,并分別從不同的分型面脫出。這種主流道最好與柱塞端面的楔形槽相配合,開模時主流道連同加料室中殘余廢料均附著于柱塞端面上,再予以清理。這種結構多用于固定式罐式壓柱模;在移動式手動分型的壓注模中也可使用,但是主流道凝料的取出較為麻煩。單腔模中加料室通過主流道直接通向制件,因此流道阻力小,適用于以碎布、長纖維等填充的塑件成型。

帶分流錐的主流道,由于熱固性塑料流動性較差,當多腔模型腔彼此距離較遠時,常在主流道內設分流錐,這樣可縮短流道長度,降低流動的阻力。分流器的形狀和尺寸取決于型腔的排列形式和間距。當型腔呈圓周排列時,分流器和主流道均設計成圓錐形,當型腔呈兩排并列時,分流器和主流道都加工成矩形截錐形。分流器的大小及錐度應根據(jù)型腔之間的距離決定,當型腔之間距離較大時,應采用大尺寸的分流器或增加分流器的錐度。

無論是正圓錐形或倒圓錐形主流道,當它穿過幾塊模板時,最好設主流道襯套,如圖9-13(a)所示。主流道襯套的上端面不應高過加料室底平面,以低0.1～0.4mm為宜。當主流道穿過幾塊模板時也有不設主流道襯套的,如圖9-13(b)所示。這時為防止塑料溢入模板之間,使主流道難于脫出,必須使板與板之間緊密貼合并壓緊,同時連接處取不同的直徑,直徑差為0.4～0.8mm,以補償兩板流道不同心造成的脫模困難。

圖9-13倒圓錐形主流道

當主流道在垂直分型面上時,為了制造方便,其斷面一般呈矩形,活板式壓注模活板邊緣的流道也采用矩形斷面,如圖9-14所示。在流道轉折處呈圓弧過渡或倒角,以減少流動阻力。

圖9-14矩形流道

2)分流道的設置分流道是指主流道與澆口之間的那段流道。它的作用是使熔料提高流速,平穩(wěn)地向型腔轉換方向。設計時應注意:

(1)要保證各型腔的合理布置,并使其具有足夠的強度;澆口凝料去除方便;分流道長度應盡量短,一般取主流道大端直徑的1～2.5倍。

(2)分流道的形狀要平直,塑料通過彎曲的流道時壓力損失較大;轉向處應圓滑過渡;分流道最好開設在塑件所留的模板一方。

(3)多型腔時,各型腔的分流道距離應一致,分流道的截面積應等于或大于各進料口截面積之和,通常取1.5倍。截面常取梯形,槽寬為槽深的1.5～2倍,槽深按塑件大小而定。分流道一般都比較淺而寬,但過淺會使塑料過度受熱而早期硬化,降低了流動性,增加了流動阻力。分流道布置形式見表9-7;表9-7分流道布置形式

表9-8分流道截面形式及尺寸

3)澆口澆口是指從分流道(或主流道)進入型腔的狹窄通道,它的作用是使熔料具有更高的流速,保證順利地充滿型腔,并便于成型后與塑料制品分離。澆口的位置和形狀、尺寸大小直接影響著熔料的流速。澆口對于塑料制品質量、外觀及去除澆口難易程度均有直接影響。設計澆口時,應根據(jù)塑料特性、塑料制品結構形狀及尺寸等來選擇適當?shù)奈恢?、形狀和尺寸?/p>

與制件直接連接的倒錐形主流道為圓形澆口,其最小尺寸為2～4mm,澆口長為2～3mm,為避免去除流道凝料時損傷制件表面,對于一般以木粉為填料的塑料制品,應將澆口與制件連接處作成圓弧過渡,圓角半徑為0.5～1mm,流道凝料將在細頸處折斷,如圖9-15(a)所示;對于以碎布或長纖維為填料的塑料制品,由于流動阻力較大,應放大澆口尺寸,同時由于填料的連接,在澆口折斷處不但會出現(xiàn)毛糙的斷面,而且容易拉傷制件表面,為了克服這一缺點,在澆口附近的制件上增加一個凸臺,如圖9-15(b)、(c)所示,成型后再磨除。

圖9-15倒錐形主流道圓形澆口與塑件的連接

大多數(shù)的壓注件均采用矩形截面的澆口,在進入型腔前為求得整個截面內物料溫度均一,從分流道到澆口的截面采取逐漸減薄的形式。用普通熱固性塑料壓注中、小型制品時,最小澆口尺寸為深0.4～1.6mm,寬1.6～3.2mm。纖維填充的抗沖性材料采用較大的澆口面積,深1.6～6.4mm,寬3.2～12.7mm。大型制件的澆口尺寸可以超過上述范圍。澆口斷面尺寸可以按下面的原則進行確定:由一個主流道供料的各個澆口,其最小截面處的斷面面積之和應等于主流道小端最小斷面面積。

澆口位置和數(shù)量的選擇遵循以下原則:澆口位置由制件形狀決定,由于熱固性塑料流動性較差,因此澆口開設位置應有利于流動,一般澆口開設在制件壁厚最大的地方,以減少流動阻力,并有利于補縮。同時要避免噴射蠕動等不穩(wěn)定流動現(xiàn)象產生,應使塑料在型腔內順序填充,否則會卷入空氣形成制品缺陷。熱固性塑料在型腔內最大流動距離應限制在100mm內,對大型制件應多開設幾個澆口來減小流動距離,澆口間距應不大于120～140mm,否則在兩股塑料匯合處,會由于物料硬化而不能牢固地熔合。

熱固性塑料在流動時會產生填料的定向作用,造成制品變形、翹曲,甚至開裂,特別是長纖維填充的塑料,其定向更為嚴重,故應注意澆口的位置。例如對于長條形制品,當澆口開設在長條中點時會引起長條彎曲,改在端部進料較好;對于圓筒性制品,單邊進料容易引起制品變形,改為環(huán)狀澆口則較好。進入型腔內的塑料不應立即被型芯或嵌件分成數(shù)股,因為分開后重新熔合的縫的機械強度和電性能都會降低,在選擇澆口時應盡量減少或縮短熔接縫。

此外澆口開設的位置應避開塑件的重要表面,例如齒輪的輪齒上或機械零件的工作表面等都不宜開設澆口;對制件外觀有嚴重影響的地方也不宜開設澆口,而應開設在次要隱蔽的地方,這樣可大大減少后加工工作量。澆口的布置形式見表9-9;澆口形式見表9-10;常用澆口尺寸見表9-11。

表9-9澆口的布置形式表9-9澆口的布置形式表9-9澆口的布置形式表9-9澆口的布置形式表9-10

澆口形式

表9-10

澆口形式

表9-11常用澆口尺寸

表9-11常用澆口尺寸

4)溢料槽和排氣槽

(1)溢料槽。壓注成型時,為了防止產生熔接縫并避免熔料滲入模具的配合孔內,一般在產生接縫處及其它適當位置開設溢料槽,使少量前鋒冷料溢出,有利于提高塑料熔接強度。開設溢料槽的尺寸要適當,溢料槽過大時,溢料過多,會使塑料制品內部組織疏松,或者塑料制品填充不滿;過小時溢料不足,起不到應有的作用。通常溢料槽的寬度取3～4mm,深度取0.1～0.2mm,制造模具時宜先取小些,經試模后再修正到合適的尺寸。

(2)排氣槽。壓注成型時塑料進入型腔,不但需要排除型腔內原有空氣,而且需要排除由于聚合作用產生的一部分氣體,因此應開設排氣槽。排氣槽位置可以根據(jù)下面幾個原則進行確定:排氣槽應開在遠離澆口的流動末端;開在靠近嵌件或壁厚最薄處,這些地方最容易形成熔接縫;最好開設在分型面上,分型面上排氣槽產生的溢邊很容易隨制件脫出。通常利用模具零件間的配合間隙及分型面來排氣,如不能滿足時,應另外開設。排氣槽位置最好開設在分型面上的料流末端,對排氣及清理飛邊有利。排氣槽形狀一般為矩形或梯形,對中、小型制件,分型面上排氣槽的尺寸為槽深0.04～0.13mm,槽寬3.2～6.4mm。排氣槽截面積尺寸見表9-12。

表9-12矩形、梯形排氣槽截面尺寸

9.3設計實例

9.3.1設計題目圖9-16所示為圓形塑料罩殼,采用以木粉為填料的熱固性酚醛塑料制成,小批量生產,要求具有優(yōu)良的電氣性能和較高的機械強度。試為其設計一套生產用模具。

圖9-16罩殼

9.3.2設計步驟

1.制件工藝分析該工件外形比較簡單,為扁圓形結構,所有尺寸均為無公差要求的自由尺寸,材料為熱固性的酚醛塑料,要求具有優(yōu)良的電氣性能和較高的機械強度,并且批量不大。對于熱固性塑料,可以采用壓縮模具、壓注模具或注射模具進行生產,比較壓制、壓注和注射三種成型方式,宜采用壓注方法進行生產。

2.設計方案確定由于制件批量不大,并且形狀簡單,要求不高,采用移動式壓注?？梢允鼓＞呓Y構簡單,節(jié)省模具制作材料,生產費用降低;對設備無特殊要求,可以采用普通壓力機進行生產。塑件結構較小,可采用多型腔模具,此處采用一模兩件方式。采用罐形壓注模,把加料室設計成形狀簡單、易于加工的圓形結構。分型面采用水平分型面。澆注系統(tǒng)中主流道采用正圓錐結構,分流道采用梯形截面,澆口采用矩形截面。成型后,把模具移出機外,去除加料室,手動分型后取出塑件及澆注系統(tǒng)。模具總體結構見圖9-17所示。

圖9-17模具總體結構

3.工藝計算及主要結構設計

1)澆注系統(tǒng)設計

(1)主流道。主流道采用正圓錐形結構。小端直徑通常取2.5～5mm,此處取為4mm;主流道一般具有6°～10°的錐角,此處取中間值8°;主流道長度等于模套長度,在此取為30mm,則大端直徑為8.2mm。

(2)分流道。分流道采用梯形截面。小型塑件的分流道槽深一般為2～4mm,為便于以后修模,此處取為2.5mm;底邊寬度通常為4～8mm,此處取為6mm;梯形斜角取10°;分流道長度應盡量短,一般取主流道大端直徑的1～2.5倍,此處取為