陳營(yíng) 周佳

成都工業(yè)學(xué)院 四川 成都 611730

引言

近年來(lái)，注塑模具技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為迅速[1-3]，伴隨著轉(zhuǎn)型的加強(qiáng)，我們國(guó)家未來(lái)發(fā)展方向越來(lái)越明朗，我國(guó)模具技術(shù)從20世紀(jì)90年代時(shí)的“不能做”到現(xiàn)在“能做”的轉(zhuǎn)型，模具注塑產(chǎn)業(yè)從小作坊到現(xiàn)在的跨國(guó)企業(yè)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展非?？?，目前已經(jīng)居世界前列[2,4]。然而，國(guó)外利用CAD[5]和CAE[6]技術(shù)對(duì)注塑模具型腔內(nèi)熔料真實(shí)模擬，可以提前預(yù)測(cè)出產(chǎn)品和模具的缺陷，在這些方面我國(guó)還有不足。

本研究是針對(duì)曲柄制件作為研究對(duì)象，利用CAD技術(shù)和CAE技術(shù)對(duì)塑料模具進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。首先對(duì)塑件進(jìn)行分析，然后根據(jù)塑件特點(diǎn)計(jì)算相關(guān)屬性，對(duì)型腔數(shù)目進(jìn)行了確定，對(duì)注塑機(jī)進(jìn)行初步選擇，然后著重對(duì)成型零部件的尺寸進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)結(jié)構(gòu)零件尺寸確定了模架。

1 塑件分析

圖1 所示零件為曲柄，由平面，圓角等基本簡(jiǎn)單形狀組成，使用軟件測(cè)量其厚度為2mm，最大外形尺寸為45.4×20.1×4.5mm，塑件內(nèi)外側(cè)無(wú)尖利或薄的結(jié)構(gòu)特征，厚度均勻過(guò)渡，不會(huì)產(chǎn)生冷卻溫差不均勻，發(fā)生翹曲等現(xiàn)象。此塑件需美觀的表面，優(yōu)良的機(jī)械綜合性能，良好的耐磨性，根據(jù)此要求，并且考慮了市場(chǎng)成本方面，材料選擇聚碳酸酯（PC）較為合適，根據(jù)資料查閱得出PC的密度為1.2g/cm3，收縮率為0.006。圖1所示零件外形是根據(jù)UG軟件三維數(shù)字參數(shù)化造型所建，具體尺寸如圖所示。

圖1 塑件圖

影響模具成型出質(zhì)量?jī)?yōu)良的產(chǎn)品最直接的因素是溫度、壓力、時(shí)間等參數(shù)。該材料是PC，塑料通常會(huì)含有少量的水分，必須要對(duì)它進(jìn)行干燥處理才能保證在注塑過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生水汽等現(xiàn)象，通過(guò)查詢資料[1]，該塑料允許含水量為0.01%~0.02%，干燥溫度為110℃~120℃，干燥時(shí)間為6~8小時(shí)，料筒的溫度分為三部分，第一部分溫度為240℃~270℃，第二部分溫度為260℃~290℃，第三部分溫度為240℃~280℃，同時(shí)要保證噴嘴溫度為230℃~250℃，模具溫度為90℃~110℃。壓力分為注射壓力和保壓壓力，在注塑過(guò)程中可以設(shè)定注射壓力為80~130Mpa，保壓壓力為40~60Mpa。整個(gè)注射周期最好在40~120s范圍內(nèi)，注射時(shí)間為1~5s，保壓時(shí)間為20~80s，冷卻時(shí)間為20~50s。

2 選擇注塑機(jī)

2.1 確定型腔數(shù)目

型腔數(shù)目和模具結(jié)構(gòu)有直接聯(lián)系，它通常是按照對(duì)稱分布，這樣的排布可以使整個(gè)模具受力均衡，流動(dòng)平衡，然后參考模具中是否有抽芯結(jié)構(gòu)，澆注系統(tǒng)如何設(shè)計(jì)，還要考慮模具制造加工的成本和塑件精度的要求。通過(guò)對(duì)以上因素進(jìn)行綜合分析，選擇1模2腔。

2.2 選擇注塑機(jī)

2.2.1按照注射機(jī)的鎖模力參數(shù)作為參考選值。當(dāng)熔融后的材料進(jìn)入了模腔內(nèi)部時(shí)，會(huì)有一個(gè)很大的注射壓力讓其在分型面處分開(kāi)，如果在此方向的投影面積大，會(huì)有一個(gè)較大的受力，該受力是與投影面積和模腔壓力直接聯(lián)系的。

圖2 塑件投影圖

壓模力校驗(yàn)算式為：

其中，Ni1—凸凹模數(shù)目；

Pc—型腔平均壓力，通常為30MPa；

Fn—注塑機(jī)緊閉力，F(xiàn)n=630×1000N；

Ai—產(chǎn)品映射面積，Ai=533.48mm2；

Af—凝料映射面積，Af=225.68mm2。

代入：

2.2.2 按照注塑機(jī)一次的注塑量來(lái)確定。

圖3 塑件體積圖

制件質(zhì)量公式[7]：

其中：M1—塑料件質(zhì)量；

V1—制件容積，通過(guò)軟件運(yùn)算，V1=1.69cm3；

ρ—材料密度。

代入：

澆注系統(tǒng)體積計(jì)算公式[7]：

其中：K—擦動(dòng)系數(shù) K，通常為0.6；

V1—制件容積；

n—凸凹模數(shù)目，一模2腔，n=2；

V2—注射系統(tǒng)容積。

代入：

注塑總重量算式[7]：

其中：n—凸凹模數(shù)目，n=2；

M0—一次成型總重量；

M1—塑料件質(zhì)量，M1=2.028g；

M2—澆注系統(tǒng)質(zhì)量，M2=ρ×V2=1.2×2.028=2.434g。

代入：

在設(shè)計(jì)開(kāi)始的時(shí)候，可以根據(jù)產(chǎn)品體積作為參考，再通過(guò)鎖模力和注射量，進(jìn)行初選。

根據(jù)以上計(jì)算，初選注塑成型設(shè)備為SZ-100/630。

3 成型零件設(shè)計(jì)

產(chǎn)品在模具內(nèi)保壓、冷卻成型，直接接觸表面的零件就是型芯、型腔，通常單獨(dú)對(duì)它們進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 內(nèi)模鑲件尺寸選擇

通常塑件最大外形單邊在25~45mm之間，考慮到過(guò)多不能浪費(fèi)材料和內(nèi)部有冷卻孔和螺紋的結(jié)構(gòu)，它們之間距離不能小于5mm，所以通過(guò)CAD設(shè)計(jì)時(shí)，確定了長(zhǎng)度尺寸為150mm，寬度尺寸為120mm。

3.2 工作尺寸計(jì)算

其中：D—內(nèi)腔基礎(chǔ)尺寸，D=45.4mm；

δ—加工公差，根據(jù)1/4△，參考δ=0.25×0.64=0.16；

DM—制件內(nèi)形狀尺寸；

△—制件公差，△=0.64；

S—縮水率，S=0.006。

代入：

其中：S—縮水率，S=0.006；

DM—制件內(nèi)形狀尺寸；

δ—加工公差，根據(jù)1/4△，參考δ=0.25×0.44=0.11；

△—制件公差，△=0.44；

D—內(nèi)腔基礎(chǔ)尺寸，D=20.1mm。

代入：

其中：HM—厚度尺寸；

δ—加工公差，根據(jù)1/4△，參考δ=0.25×0.44=0.11；

S—縮水率，S=0.006；

D—外側(cè)厚度尺寸，D=4.5mm；

△—制件公差，△=0.44。

代入：

其中：d—外部基礎(chǔ)尺寸，d=2mm；

δ—加工公差，根據(jù)1/4△，參考δ=0.25×0.2=0.05；

dm—制件外形狀尺寸；

S—縮水率，S=0.006；

△—制件公差，△=0.2。

代入：

其中：△—制件公差，△=0.44；

hm—厚度尺寸；

S—縮水率，S=0.006；

δ—加工公差，根據(jù)1/4△，參考δ=0.25×0.44=0.11；

d—厚度基本尺寸，d=4.6mm。

代入：

4 模架型號(hào)選擇

模架對(duì)于模具來(lái)說(shuō)，是一個(gè)承載的容器，它把內(nèi)部各種結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起，讓其合適地應(yīng)用在注塑機(jī)上，因此要對(duì)模架進(jìn)行合理的選擇。

在模具標(biāo)準(zhǔn)里，模具結(jié)構(gòu)大致分為兩種，第一種是兩板結(jié)構(gòu)，第二種是三板結(jié)構(gòu)，本模具采用的是側(cè)澆口結(jié)構(gòu)，即兩板結(jié)構(gòu)。

4.1 模板的計(jì)算

模具的長(zhǎng)寬方向是能否安裝在注塑機(jī)上的重要條件，根據(jù)設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)，選擇合適模具長(zhǎng)寬尺寸。

零件板長(zhǎng)公式：

其中：L2—導(dǎo)柱離型腔距離，L2=47mm；

L3—孔離模板邊距離，L3=28mm；

L—工模板長(zhǎng)；

L1—凸凹模長(zhǎng)邊長(zhǎng)度，L1=150mm。

代入：

模具板寬算式：

其中：B1—短邊度量，B1=120mm；

B—零件板寬度；

B2—導(dǎo)柱離型腔距離，B2=47mm；

B3—孔離模板邊距離，B3=28mm。

代入：

圖4 模板尺寸示意圖

4.2 模架的確定

在得到模架的長(zhǎng)度尺寸和寬度尺寸時(shí)，同時(shí)要對(duì)A板、B板以及C板高度進(jìn)行選擇計(jì)算。

A板高度公式：

其中：h1—型腔厚度方向，h1=29.5mm；

h2—孔離模板邊距離，h2=15mm；

h3—孔與模板底距離，h3=15.5mm；

hA—上模板高度。

代入：

動(dòng)模板高度計(jì)算公式：

其中：h1—凸模深度，h1=29.5mm；

hB—B板高度；

h2—孔離型芯距離，h2=15mm；

h3——孔與模板底距離，h3=15.5mm。

代入：

角塊厚度公式：

其中：h3—頂桿固定板厚度，h3=15mm；

hC—墊塊高度；

h2—推板厚度，h2=20mm；

h1—頂出距離，h1=30mm；

h4—安全高度，h4=5~10mm 該處h4=5mm。

代入：

通過(guò)計(jì)算模架長(zhǎng)寬尺寸和A板、B板及C板高度，最終選擇模架型號(hào)為CI2730-A60-B60-C70。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析塑件屬性和技術(shù)要求，使用三維軟件測(cè)量數(shù)據(jù)，確定了塑件體積和質(zhì)量，確定了型腔數(shù)目為一模兩腔，初步選擇了注塑機(jī)，型號(hào)為SZ-100/630。確定好模具零件尺寸后，對(duì)整體模架尺寸進(jìn)行調(diào)整，計(jì)算出相互零件間的尺寸關(guān)系，最終確定了模架尺寸，型號(hào)為CI2730-A60-B60-C70。