模具设计 注塑模新技术的应用PPT课件

1、模块十三 注塑模新技术的应用 学习目的和要求： 了解各种注塑模新技术的特点、成型工艺条件及应用。 重点： 各种注塑模新技术的特点和成型工艺条件。 第1页/共64页 模块十三 注塑模新技术的应用 13.1 精密注塑成型与模具精密注塑成型 与模具 13.2 气体辅助注塑成型 13.3 共注塑成型 13.4 低发泡注塑成型 13.5 注塑模计算机辅助设计、辅助工程 与辅助制造第2页/共64页 13.1 13.1 精密注塑成型与模具 1 精密注塑成型概念 精密注塑成型是成型尺寸和形状精度很高、表面粗糙度很小的塑料制品而采用的注塑成型方法，所用的注塑模具即为精密注塑模。 判断制品是否需要精密注塑的依据主

2、要是制品精度。在注塑成型中，影响塑料制品精度的因素很多，主要有注塑成型用塑料、注塑机、注塑成型工艺、注塑模具及操作人员技术水平等。第3页/共64页 因此，如何规定精密注塑成型制品的精度是一个重要而复杂的工作，这里既要使制品精度满足工业生产实际要求，又要考虑到目前模具制造所能达到的精度、塑料品种及其成型技术、注塑机等满足精密成型的可能程度。国内外塑料工业部门都对此进行了探讨。表13-1为日本塑料工业技术研究会从塑料品种和塑料模结构方面确定的精密注塑制品的基本尺寸与公差，仅供参考。在表13-1中最小极限是指采用单腔模具时，注塑制品所能达到的最小公差数值；表中的实用极限是指采用四腔以下模具时，注塑制

3、品所能达到的最小公差数值。我国目前精密注塑制品的公差等级可按原四机部标准SJ137278中的第1和第2两个公差等级确定，也可按国家标准MT1高精度公差等级确定。 第4页/共64页 判断制品是否需要精密注塑的依据主要是制品精度。 影响塑料制品精度的因素： 注塑成型用塑料； 注塑机； 注塑成型工艺； 注塑模具及操作人员技术水平。 第5页/共64页 2 精密注塑成型用塑料 由上所述可知，对于精密注塑制品要求的公差值，并不是所有塑料制品都能达到。对于不同的聚合物和添加剂组成的塑料，其成型特性及成型后制品的形状与尺寸稳定性有很大差异，即使是成分相同的塑料，由于生产厂家、出厂时间和环境条件的不同，注塑成型

4、的制品还会存在形状与尺寸稳定性的差异问题。因此，要达到精密注塑制品的公差要求，塑料就应具有良好的成型特性和成型后形状与尺寸的稳定性。为此，注塑成型精密塑料制品时，必须对塑料进行严格选择。目前，适用于精密注塑的塑料品种主要有PC（包括玻璃纤维增强）、POM（包括碳纤维或玻璃纤维增强型）、还有改性PPO、热塑性聚酯、PA及增强型等。 第6页/共64页 3 精密注塑成型工艺 精密塑料制品对注塑工艺的要求是：注塑压力高、注塑速度快、温度控制严格、工艺稳定。 （1）注塑压力高 精密注塑时则要提高到180250MPa甚至更高。 提高注塑压力可增大熔体的体积压缩量，使其密度增大，线膨胀系数减小，从而降低制品

5、的收缩率及波动，提高制品形状尺寸的稳定性；提高注塑压力有利于改善制品的成型性能，能成型超薄制品；提高注塑压力还保证了注塑速度的实现。第7页/共64页 （2）注塑速度快 采用较快注塑速度，不仅能成型形状复杂的制品，而且还能减小制品的尺寸公差，以保证复杂而精度高的制品的成型。 （3）温度控制严格 注塑成型温度对熔体的流动性和收缩率影响较大，因而精密注塑时不但必须控制注塑温度高低，还必须严格控制温度波动范围；不仅要注意控制料筒、喷嘴和模具的温度，还要注意脱模后周围环境温度对制品精度的影响。只有这样，才能保证制品尺寸精度及其稳定性。 （4） 成型工艺稳定性 成型工艺及工艺条件的稳定性是十分重要的。因为

6、稳定的工艺及工艺条件是获得精度稳定的制品的重要条件。第8页/共64页 4 精密注塑成型对注塑机的要求 由于制品有较高的精度要求，所以一般都需要在专用的精密注塑机上进行注塑成型。这种注塑机有如下特点： （1）注塑功率大 （2）控制精度高 （3）液压系统反应速度快 第9页/共64页 5 精密注塑模设计要点 一般注塑模的设计方法基本适用于精密注塑模的设计，但因精度要求高，设计时应注意如下几点： （1）模具应具有高的精度 ： 1）型腔径向尺寸 LM=(LS+Smax%LS-) +z 2）型芯径向尺寸 LM=(Ls+Smin%Ls+) -z 3）型腔深度尺寸 HM=（Hs+Smin%Hs-z）+z 第1

7、0页/共64页 4）型芯高度尺寸 HM=(Hs+ Smax%Hs+z) -z 5）型芯（或成型孔）中心距尺寸 LM-Smin%Hs+1/2z+j-1/2Ls LM- Smax%Hs+1/2z-j+1/2Ls 第11页/共64页 （2）模具设计应考虑成型收缩的均匀性 1）型腔数目不宜太多，模具型腔多，将降低制品精度。因此，对于特别精度的注塑模，宜采用一模一腔。 2）多型腔模具，分流道应采用平衡布置 ，如图13-3所示，采用H型布置或圆形排列，以使塑料熔体同时到达和充满各个型腔。保持了料流的平衡和模具温度场热平衡，从而使制品的收缩率保持均匀和稳定。 同样，浇口的种类、位置及数量将影响制品的变形及收

8、缩率的波动，因此在设计浇口时应对制品各部分的收缩率作全面考虑，特别是收缩各向异性大的塑料注塑成型。 第12页/共64页 返回第13页/共64页 3）温度控制系统最好能对各个型腔温度进行单独调节，以使各型腔的温度保持一致，防止因各型腔之间温差引起制品收缩率的差异，办法是对每个型腔单独设置冷却水路，并在各型腔冷却水路出口处设置流量控制装置。如果不对各个型腔单独设置冷却水路，而是采用串联式冷却水路，则必须严格控制入水口和出水口的温度。一般来说，精密注塑模中的冷却水温调节误差在0.5以内，入水口和出水口的温差控制在2以内。 同理，对型芯和凹模两部分宜分别设置冷却水路，以便分别控制型芯和凹模的温度，一般

9、两者的温度应能控制到1。如需要人为地造成型芯与凹模之间一定温差，也可以得以实现。第14页/共64页设计时的注意事项：u 应避免制品在脱模时变形 u 采用镶拼结构 u 制作“试制模” u 提高模具刚度 u 正确选择模具材料，合理确定热处理要求 第15页/共64页 13.2 气体辅助注塑成型 一般的注塑成型方法要求塑件的壁厚尽量均匀，否则在壁厚处容易产生缩孔和凹陷等缺陷。对于壁厚塑件，为了防止凹陷产生，需要加强保压补料时间，但是若壁厚的部位离浇口较远，即使过量保压，也常常难以奏效。同时，由于浇口附近保压压力过大，残余应力增高，所以很容易造成塑件翘曲变形或开裂。目前国外采用的气体辅助注塑成型的新工艺

10、，较好地解决了壁厚不均匀的塑件以及中空壳体的注塑成型问题。第16页/共64页 1 气体辅助注塑成型的原理 气体辅助注塑成型的原理较简单，即在注塑充模过程中，向熔体内注入比注塑压力低的低压气体，统常为几十兆帕，利用气体的压力实现保压补缩。 气体辅助注塑成型的原理如图13-4所示。成型时首先向型腔内注入经准确计量的熔体，然后经特殊的喷嘴在熔体中注入气体（一般为氧气），气体扩散推动熔体充满型腔。充模结束后，熔体内气体的压力保持不变或者有所升高进行保压补料，冷却后排除塑件内的气体便可脱模。 在气体辅助注塑成型中，熔体的精确定量十分重 要。若注入熔体过多，则会造成壁厚不均匀；反之，若注入熔体过少，气体会

11、冲破熔体使成型无法进行。第17页/共64页 返回第18页/共64页 2 气体辅助注塑成型的分类 气体辅助注塑成型，只要在现有的注塑机上增加一套供气装置即可实现。根据国外使用的情况，气体辅助注塑成型可分为标准成型法、副型腔法、熔体回流法和活动型芯法等。 标准成型方法如图13-5所示。图13-5 a为一部分熔体由注塑机料筒注入到模具型腔中；图13-5 b为通入气体推动熔体充满型腔；图13-5 c为升高气体压力，实现保压补料；图13-5 d为保压后排去气体；图13-5 e为塑件脱模。第19页/共64页 返回第20页/共64页 副型腔成型方法如图13-6所示。图13-6a为熔体充填型腔并保压；图13-

12、6b为气体喷嘴向型腔注入气体，开启副型腔，使气体进入熔体后使多余出来的熔体流入到副型腔中；图13-6c为关闭副型腔，升高气体压力实现保压补缩；图13-6d为排气，使塑件脱模。 熔体回流方法如图13-7所示。熔体回流方法与副型腔方法类似，所不同的是气体注入时，多出的熔体不是流入副型腔，而是流回注塑机的料筒。第21页/共64页 返回第22页/共64页 返回第23页/共64页 活动型芯退出方法如图13-8所示。图13-8a 为熔体充满型腔并保压；图13-8b为注入气体，活动型芯从型腔中退出；图13-8c为升高气体的压力，实现保压补缩；图13-8d为排气，使塑件脱模。第24页/共64页 返回第25页/

13、共64页 3 体辅助注塑成型的特点 与传统的注塑成型方法相比较，气体辅助注塑成型有如下优点： （1） 能够成型壁厚不均匀的塑料制件及复杂的三维中空塑件。 （2）气体从浇口至流动末端形成的气流通道，无压力损失，能够实现低压注塑成型，由此能获得低残余应力的塑件，塑件翘曲变形小，尺寸稳定。 （3）由于气流的辅助充模作用，提高了塑件的成型性能，因此采用气体辅助注塑有助于成型薄壁塑件，减轻了塑件的重量。 （4）由于注塑成型压力较低，可在锁模力较小的注塑机上成型尺寸较大的塑件。 第26页/共64页 气体辅助注塑成型存在如下缺点： （1）需要增设供气装置和充气喷嘴，提高了设备的成本。 （2）采用气体辅助注塑

14、成型技术时，对注塑机的精度和控制系统有一定的要求。 （3）在塑件注入气体与未注入气体的表面会产生不同的光泽。第27页/共64页 13.3 共注塑成型 共注塑成型是指用两个或两个以上注塑单元的注塑成型机，将不同的品种或不同色泽的塑料，同时或先后注入模具内的成型方法。此法可生产多种色彩或多种塑料的复合制品。共注塑成型的典型代表有双色注塑和双层注塑，亦可包括夹层泡沫塑料注塑，不过后者通常是列入低发泡塑料注塑成型中。这里只简单介绍双色注塑成型。 第28页/共64页 双色注塑成型这一成型方法，有用两个料筒和一个公用喷嘴所组成的注塑机，通过液压系统调整两个推料柱塞注塑熔料进入模具的先后顺序，来取得所要求的

15、不同混色情况的双色塑料制品，也有用两个注塑装置、一个公用合模装置和两副模具制得明显分色的混合塑料制品。注塑机的结构如图13-9所示。此外，还有生产三色、四色和五色的多色注塑机。第29页/共64页 返回第30页/共64页 近几年来，随着汽车工业和台式计算机部件对多色花纹制品需要量的增加，又出现了新型的双色花纹注塑成型机，其结构特点如图13-10所示。该机具有两个沿轴向平行设置的注塑单元，喷嘴通路中还装有启闭机构。调整启闭阀的换向时间，就能制得各种花纹的塑件。不用上述装置而用成型喷嘴（见图13-11所示）也是可行的，此时旋转喷嘴的通路，即可得到从中心向四周辐射形成的不同颜色的花纹塑件。 第31页/

16、共64页 返回第32页/共64页 返回第33页/共64页 13.4 低发泡注塑成型 低发泡塑料是指发泡率在5倍以下、密度为0.21.0g/cm的塑料，有时也称合成木材。在某些塑料中加入一定量的发泡剂，通过注塑成型获得内部低发泡、表面不发泡的塑料制件的工艺方法称为低发泡注塑成型。低发泡注塑成型塑件的特点是：内部无应力、外部表面平整、不易发生凹陷和翘曲；表皮较硬，具有一定刚度和强度；内部柔韧，具有一定弹性；外观似木材；密度小、重量轻，比普通注塑成型塑件减轻15%50%。适合于低发泡注塑成型的塑件有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯和ABS等。第34页/共64页 1 1 低发泡注塑成型方法

17、低压泡注塑成型方法主要有两种，即所谓低压法和高压法。 （1）低压法 低压法又称不完全注入法，其模具型腔压力，很低通常约为27MPa。 低压法的特点是将体积小于模腔容积的塑料熔体（模腔容积的75%85%）注塑入模腔后，在发泡剂的作用下使熔体膨胀后充满型腔成型为塑件。低压法的特点是将体积小于模腔容积的塑料熔体（模腔容积的75%85%）注塑入模腔后，在发泡剂的作用下使熔体膨胀后充满型腔成型为塑件。第35页/共64页 在普通注塑机上安装一个阀式自锁喷嘴或液控自锁喷嘴，便能进行低压成型注塑，也有专门生产的大型低压发泡注塑机。图13-12所示为低压法低发泡注塑法的示意图。注塑机将混有发泡剂的熔体注入分型面

18、密合的模腔中（约占模腔容积的75%85%），如图13-12a所示；稍停一段时间，在发泡剂作用下，熔料体积膨胀，使之达到塑件所要求的形状和尺寸，如图13-12b所示；固化后开模取件，如图13-12c所示。第36页/共64页 返回第37页/共64页 （2）高压法 高压法又称完全注入法，其模具压力比低压法要高，约为715MPa。高压法的特点是用较高的注塑压力将含有发泡剂的熔料注满容积小于塑件体积的闭合模腔，通过辅助开模动作，使模腔容积扩大到塑件所要求的形状和尺寸，图13-13所示为高压法低发泡注塑法的示意图。注塑机将混有发泡剂的熔体注满分型面密合好的模腔，如图13-13a所示；稍停一刻，注塑机后退一

19、定距离，在弹簧作用下，使模腔扩大到塑件所要求的形状与尺寸，如图13-13b所示；固化后开模取件，如图13-13c所示。 第38页/共64页 返回第39页/共64页 2 低压发泡注塑成型的工艺条件 （1）温度注塑的料温对型腔内气泡的形成和扩散具有重要的影响。提高温度可以增大发泡成型时的气体扩散系数，有利于在塑件内部形成较多和较均匀的气泡，但是，温度过高，充模过程中又会产生喷射现象，影响塑件的发泡成型质量，因此，在生产中要严格控制注塑时料筒的温度。模具的温度对塑件内气泡的分布及其大小有影响，对塑件的表面质量也有影响。 第40页/共64页 熔体等温充填型腔时，塑件内的气泡数量较多，分布较均匀，在非等

20、温条件下充填型腔时，低温下产生的气泡数量要比高温时产生的气泡少得多，因此，在低发泡注塑成型时，除需选择合适的模具温度外，尽量采用等温充模。不同的低发泡塑料对模具温度有不同要求，聚烯烃低发泡注塑的塑件表面质量与模温关系不大，而聚苯乙烯和ABS等低发泡注塑成型的塑件表面质量受模温影响较大。一般情况下，聚烯烃低发泡注塑成型模温可在3040内选择，聚苯乙烯和ABS低发泡注塑成型模温可在3065内选择。第41页/共64页 （2）压力 注塑压力对气泡的形成、大小、分布等均有影响。注塑压力不大时，塑料熔体在浇注系统中流动时就有可能发泡，充模后成型塑件内气泡直径大且不均匀；在较大的注塑压力作用时，熔体在浇注系

21、统内不大可能发泡，所以充模后成型的塑件内气泡直径较小而分布也较均匀；如果注塑压大过大，有可能大幅度影响发泡气体的扩散，并最终影响发泡率。注塑速度与注塑压力相辅相成，在低发泡注塑成型中，一般都要求使用较大的注塑速度，以防止塑料熔体在浇注系统中提前发泡。第42页/共64页 在低压发泡注塑成型中，熔体充满型腔后也需要一定的保压作用，熔体在保压作用下将会不断地发生瘪泡现象。保压压力较大和保压时间较长时，模内型腔会得到较多的补料，熔体内的瘪泡现象就会加剧，瘪裂后的气泡直径将会减小，如图13-14所示，因此，恰当选择保压压力和保压时间对于控制塑件的发泡质量也很重要。第43页/共64页 返回第44页/共64

22、页 （3） 注塑时间和冷却定型时间 低发泡注塑成型中的注塑时间概念与普通注塑成型中的注塑时间概念相同，一般为1020s，小的塑件最短甚至可取3s。低发泡注塑成型的冷却定型时间较长，这是因为塑件外层组织结构紧密，内部为疏松泡孔，热传导性很差。如果冷却定型时间不足而过早脱模，虽然表面已固化，但发泡剂仍有可能继续在内部发生作用，这将会导致塑料制件变形，尺寸超差，因此，正确地选择和控制冷却定型的时间，是保证低发泡注塑成型塑件质量的重要因素之一。 第45页/共64页 3 3 低发泡注塑成型模具设计简介 低发泡注塑成型模结构与普通注塑模相同。由于在高压低发泡注塑时要进行辅助开模，因此在结构设计时要采用可靠

23、的辅助开模机构。设计模具时，应注意以下几个方面的问题。第46页/共64页 （1）设置灵活可靠的辅助开模机构 除了图13-13所示采用弹簧辅助机构外，还可设置如图13-15所示的辅助开模机构。例如模具成型低发泡塑料凉鞋（在立式注塑机上生产），由于凉鞋低发泡而鞋帮不发泡，因此该模具上设计了一套实现局部发泡的辅助开模机构，该机构由发泡限位钩3、5和可开铰页15等零件组成。塑料充满型腔后凹模22和鞋楦11不动，因此鞋帮不能发泡，而凸模10没有紧固，可随鞋底处的塑料发泡而上升，直到发泡限位钩3和5接触时停止。合模时，注塑机喷嘴将凸模10压回原位。第47页/共64页 返回第48页/共64页 （2）低发泡注

24、塑成型模一般采用单模腔结构 在低发泡注塑成型中。如果采用多模腔结构，流道较长。会使各个模腔之间的发泡率不均匀，因此，低发泡注塑成型一般采用单模腔结构。 （3）浇注系统与排气槽设计 发泡塑料的冷却速度较慢，当主流道较长，熔体热量容易在主流道的浇口套中积累时，在浇口套外壁可开设冷却水道。分流道的尺寸要比普通塑料注塑成型时要大一些和短一些，以尽量避免塑料熔体在充模前产生气泡。 第49页/共64页 低发泡注塑模的浇口设计对塑料的质量影响很大，特别是对要求仿木纹的塑件。浇口的位置、数量以及着色剂等的配合与木纹的形成密切相关。图13-16a所示采用中心直接浇口时，塑料纹理成辐射状；图13-16b所示采用单

25、一侧浇口时，纹理成单侧辐射状；图13-16c所示采用多点侧浇口时，则可得平行纹理。浇口的大小与普通注塑模类似。低发泡注塑成型时因发泡剂分解会产生大量气体，所以必须开设排气槽，使型腔中气体能顺利排出。分型面上料流末端及料流汇合处的排气槽深度取0.10.2mm，在型腔深处排气塞上的排气槽狭缝宽度可取0.150.25mm。第50页/共64页 返回第51页/共64页 （4）推出机构设计 由于低发泡注塑成型塑件表面虽坚韧，但内部则是泡孔状的弹性体，所以推杆的推出面积过小容易把塑件损坏，因此，在设计推杆时，其直径应比普通注塑成型的推杆大20%30%。对于大型塑件，也可采用压缩空气推出。 （5）模具材料 低

26、发泡注塑成型是在注塑压力不大的 情况下进行的，因此模具不需要很高的力学强度，其成型零部件可以用铝合金、锌合金等材料制造。第52页/共64页 13.5 注塑模计算机辅助设计、辅助 工程与辅助制造 随着塑料工业的飞速发展，注塑模传统的手工设计与制造已无法适应当前的形势。近20年来的实践表明，缩短模具设计与制造时间、提高塑料制件精度与性能的正确途径之一，就是采用计算机辅助设计（CAD）、辅助工程（CAE）和辅助制造（CAM）。现代科学技术的发展，特别是塑料流变学、计算机技术、几何造形和数控加工的突飞猛进为注塑模具设计与制造采用高技术创造了条件。20世纪80年代以来，注塑模CAD/CAE/CAM技术已

27、从实验室研究阶段进入了实用化阶段，并在生产中取得了明显的经济效益。注塑模CAD/CAE/CAM技术的发展和推广被公认为CAD技术在机械工业中应用的一个典范。 第53页/共64页 1 注塑模CAD/CAE/CAM技术的特点 按照传统方法，制件外形设计完成后，需要制作实物模型，用以评估其外观并测定其力学性能。 采用模具CAD/CAE/CAM集成化技术后，制件一般不需要再进行原型实验，采用几何造型技术，制件的形状能精确、逼真地显示在计算机屏幕上，有限元分析程序可以对其力学性能进行预测。借助于计算机，自动绘图代替了人工绘图，自动检索代替了手册查阅，快速分析代替了手工计算，模具设计师能从繁琐的绘图和计算

28、中解放出来，集中精力从事诸如方案的构思和结构优化等创造性的工作，在模具投产之前，CAE软件可以预测模具结构有关参数的正确性。 第54页/共64页 模具CAD/CAE/CAM技术是以科学、合理的方法，给用户提供一种行之有效的辅助工具，使用户在模具制造之前能借助于计算机对制件、模具结构、加工、成本等进行反复修改和优化，直至获得最佳结果。CAD/CAE/CAM技术能显著地缩短模具设计与制造时间，降低模具成本并提高制件的质量。 第55页/共64页 2 注塑模具CAD/CAE/CAM的工作内容 （1）塑料制件的几何造型，采用几何造型系统，如线框架造型、表面造型和实体造型，在计算机中生成塑料制件的集合模型

29、，这是CAD/CAE/CAM工作的第一步。 （2）型腔表面形状的生成，由于塑料制件的成型收缩、模具的磨损及加工精度的影响，注塑制件的内、外表面并不就是模具的型芯、型腔表面，需要经过比较复杂的转换才能获得型腔和型芯表面。 第56页/共64页 （3） 模具方案布置，采用计算机软件来引导模具设计者布置型腔的数目和位置，构思浇注系统、冷却系统及推出机构，为选择标准模架和设计动模、定模部装图做准备。 （4）标准模架的选择，一般而言，用作标准模架选择的设计软件应具有两个功能，一是能使模具设计者输入本厂的标准模架，以建立自己的标准模架库；二是方便地从已建好的专用标准模架库中选出在本次设计中所需的模架类型及全

30、部模具标准件的图形及数据。 （4）部装图及总装图的生成，根据所选的标准模架及已完成的型腔布置，设计软件以交互方式引导模具设计者生成模具部装图和总装图。 第57页/共64页 （5）模具零件图的生成，设计软件能引导用户根据部装图、总装图以及相应的图形库、数据库来完成模具零件的设计、标注尺寸。 （6）注塑工艺条件及塑料材料的优选，基于模具设计者的输入数据以及优化算法，程序能向模具设计者提供有关型腔填充时间、熔体成型温度、注塑压力及最佳塑料材料的推荐值。 （7）注塑流动及保压过程模拟，一般常采用有限元方法来模拟熔体的充模和保压过程。其模拟结果能为模具工作者提供熔体在浇注系统和型腔中流动过程的状态图，提供不同时刻熔体及制件在型腔各处的温度、压力、剪切速率、切应力以及所需的最大锁模力等，其预测结果对改进模具浇注系统及调整注塑成型工艺参数有着重要的指导意义。 第58页/共64页 （8）冷却过程分析，一般常采用边界元法来分析模壁的冷却过程，用有限差分法分析制件沿模壁垂直方向的一维热传导，用经验公式描述冷却水在冷却管道中的导热，并将三者有机地结合在一起分析