5.4.1.3 小型芯
细小的凸模通常称为型芯,用于塑件孔或凹槽的成型。小型芯组合如图137所示。中心距相近时多型小孔如图138所示。小型芯的固定方法如图139所示。
图137 小型芯组合
图138 中心距相近时多型小孔
图139 小型芯的固定方法
5.4.1.4 活动型芯
有时为了使模具简单,将螺纹型芯或安放螺纹型环嵌件用的型芯做成活动的镶件。这种形式的型芯成型前在模具中常以H8/f8配合活动放置,成型后随塑件一起在模外取出, 如图140所示。
图140 活动型芯的安装形式
5.4.2 成型零件工作尺寸的计算
成型零件的工作尺寸是指凹模和凸模直接构成塑件的尺寸。 凹、 凸模工作尺寸的精度直接影响塑件的精度。
5.4.2.1 影响工作尺寸的因素
(l)塑件收缩率的影响 由于塑料热胀冷缩的原因,成型冷却后的塑件尺寸小于模具型腔的尺寸。表41列出了部分热塑性塑料的标准成型收缩率。
表41 部分热塑性塑料的标准成型收缩率
成型物料 | 线胀系数/10-5℃-1 | 成型收缩率/% | ||
塑料名称 | 填充材料(增强材料,质量分数) | |||
结晶型 | 聚乙烯(低密度) | - | 10.0~20.0 | 1.5~5.0 |
聚乙烯(中密度) | - | 14.0~16.0 | 1.5~5.0 | |
聚乙烯(高密度) | - | 11.0~13.0 | 2.0~5.0 | |
聚丙烯 | - | 5.8~10.0 | 1.0~2.5 | |
聚丙烯 | 玻璃纤维 | 2.9~5.2 | 0.4~0.8 | |
聚酰胺6(PA6) | - | 8.3 | 0.6~1.4 | |
聚酰胺610(PA610) | - | 9.0 | 1.0 | |
聚酰胺 | 20%~40%玻璃纤维 | 1.2~3.2 | 0.3~1.4 | |
聚甲醛 | - | 8.1 | 2.0~2.5 | |
聚甲醛 | 20%玻璃纤维 | 3.6~8.1 | 1.3~2.8 | |
非晶结型 | 聚苯乙烯(通用) | - | 6.0~8.0 | 0.2~0.6 |
聚苯乙烯(抗冲击型) | - | 3.4~21.0 | 0.2~0.6 | |
聚苯乙烯 | 20%~30%玻璃纤维 | 1.8~4.5 | 0.1~0.2 | |
AS | - | 3.6~3.8 | 0.2~0.7 | |
AS | 20%~33%玻璃纤维 | 2.7~3.8 | 0.1~0.2 | |
ABS(抗冲击型) | - | 9.5~13.0 | 0.3~0.8 | |
ABS | 20%~40%玻璃纤维 | 2.9~3.6 | 0.1~0.2 | |
聚丙烯酸类树脂 | - | 5.0~9.0 | 0.2~0.8 | |
聚碳酸酯 | - | 6.6 | 0.5~0.7 | |
聚碳酸酯 | 10%~40%玻璃纤维 | 1.7~4.0 | 0.1~0.3 | |
聚氯乙烯(硬质) | - | 5.0~18.5 | 0.1~0.5 | |
醋酸纤维素 | - | 8.0~18.0 | 0.3~0.8 |
(2)凹、凸模工作尺寸的制造公差 它直接影响塑件的尺寸公差。通常凹、凸模的制造公差取塑件公差的l/3~l/6,表面粗糙度取Ra值为 0.8~0.4 µm。
(3)凹、 凸模使用过程中的磨损量及其他因素的影响 生产过程中的磨损以及修复会使得凸模尺寸变小,凹模的尺寸变大 。
因此,成型大型塑件时,收缩率对塑件的尺寸影响较大;而成型小型塑件时,制造公差与磨损量对塑件的尺寸影响较大。常用塑件的收缩率通常在百分之几到千分之几之间。
5.4.2.2 凹、凸模的工作尺寸计算
通常,凹、凸模的工作尺寸根据塑料的收缩率,凹、凸模零件的制造公差和磨损量三个因素确定。
(1)凹模的工作尺寸 凹模是成型塑件外形的模具零件,其工作尺寸属包容尺寸,在使用过程中凹模的磨损会使包容尺寸逐渐的增大。因此,为了使得模具的磨损留有修模的余地,以及装配的需要,在设计模具时,包容尺寸尽量取下限尺寸,尺寸公差取上偏差。具体计算公式如下:
凹模的径向尺寸计算公式为
(29)
式中: L塑 ——塑件外形公称尺寸,mm;
k——塑料的平均收缩率,%;
Δ——塑件的尺寸公差,mm;
δ——模具制造公差,mm,取塑件相应尺寸公差的l/3~1/6。
凹模的深度尺寸计算公式为
(30)
(30)
式中:H塑——塑件高度方向的公称尺寸,mm。
(2)凸模的工作尺寸 凸模是成型塑件内形的,其工作尺寸属被包容尺寸,在使用过程中凸模的磨损会使被包容尺寸逐渐减小。因此,为了使得模具的磨损留有修模的余地,以及装配的需要,在设计模具时,被包容尺寸尽量取上限尺寸,尺寸公差取下偏差。具体计算公式如下:
凸模的径向尺寸计算公式为
(31)
式中:l塑——塑件内形径向公称尺寸,mm。
凸模的高度尺寸计算公式为
(32)
式中: h塑——塑件深度方向的公称尺寸,mm。
(3)模具中的位置尺寸(如孔的中心距尺寸)。
计算公式为
(33)
式中:C塑——塑件位置尺寸,mm。
(4)计算实例 如图14l所示塑件结构尺寸及相应的模具型腔结构,塑件材料为聚丙烯,计算收缩率为l%~3%,求凹、凸模构成型腔的尺寸。
图141 塑件及相应的凹、凸模
解: 塑料的平均收缩率为2%。
a.凹模有关尺寸的计算。
径向尺寸为
深度尺寸为
b.凸模有关尺寸的计算。
径向尺寸为
高度尺寸为
型芯直径为
c.模具型芯位置尺寸计算。
5.4.2.3 螺纹型环和螺纹型芯的尺寸计算
(l)螺纹型环的尺寸计算
(34)
(35)
(36)
式中: D中——螺纹型环的中径尺寸,mm;
D大——螺纹型环的大径尺寸,mm;
D小——螺纹型环的小径尺寸,mm ;
D塑中——塑件外螺纹的中径公称尺寸,mm;
D塑大——塑件外螺纹的大径公称尺寸,mm;
D塑小——塑件外螺纹的小径公称尺寸,mm;
Δ——塑件外螺纹的中径公差,mm;
δ——螺纹型环的制造公差值,mm,对于中径,δ= Δ/5 ,对于大径和小径,δ=Δ/4。
(2)螺纹型芯的尺寸计算
(37)
(38)
(39)
式中:d中——螺纹型芯的中径尺寸,mm;
d大——螺纹型芯的大径尺寸,mm;
d小——螺纹型芯的小径尺寸,mm;
d塑中——塑件内螺纹的中径公称尺寸,mm;
d塑大——塑件内螺纹的大径公称尺寸,mm;
d塑小——塑件内螺纹的小径公称尺寸,mm;
Δ——塑件内螺纹的中径公差,mm;
δ——螺纹型芯的制造公差值(mm),对于中径,δ= Δ/5,对于大径和小径,δ=Δ/4。
(3)螺距工作尺寸计算
(40)
式中:P塑——塑料螺纹制件螺距的公称尺寸,mm;
δ——螺距的制造公差值,mm,见表42;
P——螺纹型环或螺纹型芯的螺距尺寸,mm。
—般情况下,当螺纹牙数少于7~8牙时,可不进行螺距工作尺寸计算,而是靠螺纹的旋合间隙补偿。
表42 螺纹型芯或型环螺距的制造公差 mm
螺纹直径 | 配合长度 | 制造公差δ |
3~10 | ≈12 | 0.01~0.03 |
12~22 | >12~20 | 0.02~0.04 |
24~66 | >20 | 0.03~0.05 |
5.4.3 型腔侧壁及底板厚度的计算
在注塑成型过程中,型腔承受塑料熔体的高压作用。因此,凹模与凹、凸模的底板必须具有足够的强度和刚度。如果凹模和底板的厚度过小。则强度、刚度会不足。强度不足会导致型腔产生塑性变形,甚至破裂;刚度不足将产生过大的弹性变形,并产生溢料间隙。表43列出了常用塑料的刚度条件[δ]值的允许范围 。
表43 常用塑料的刚度条件[δ]值允许范围
黏度特性 | 塑料品种 | [δ]值允许范围/mm |
高黏度 | PC,PPO,PSF,HPVC | 0.06~0.08 |
中黏度 | PS,ABS,PMMA | 0.04~0.05 |
低黏度 | PA,PE,PP | 0.025~0.04 |
模具型腔受力状况如图142 所示。
5.4.3.1 型腔侧壁的厚度计算
对型腔厚度分别作强度和刚度计算, 图142(a)所示结构的强度、刚度为最差, 取计算所得数值大者作为厚度设计依据,则这个厚度值也能够满足后两种情况。
若型腔为圆型, 则刚度计算公式为
(41)
强度计算公式为
(42)
图142 各种形式模具型腔受力分析
式中: S——型腔侧壁厚度,mm;
P——型腔半径,mm ;
[σ]——模具材料的许用应力,MPa;
p——型腔所受压力,MPa;
E——模具材料的弹性模量,MPa,碳钢为2.1×105MPa;
[δ]——刚度条件,即允许变形量,mm,由表43选取;
µ——模具材料的泊松比,碳钢为 0.25。
若型腔为矩形(如图142(b)所示),则刚度计算公式为
(43)
强度计算公式为
(44)
式中: S——矩形型腔长边侧壁厚度,mm;
p——型腔所受压力,MPa;
L——型腔长边长度,mm;
a——型腔侧壁受压高度,mm;
a′——型腔侧壁全高度,mm;
[δ]——刚度条件,即允许变形量,mm,由表43查得;
E——模具材料的弹性模量,MPa;
[σ]——模具材料的许用应力,MPa。
5.4.3.2 型腔底板厚度计算
通常凹、凸模下面有一底板能起到支承作用,在动模一侧的底板因其下面顶出机构的空间,故此底板应具有足够的强度与刚度,其厚度可根据下列公式计算。
若型腔为圆形(如图142(a)所示),则刚度计算公式为
(45)
强度计算公式为
(46)
若型腔为矩形(如图142b所示),则刚度计算公式为
(47)
强度计算公式为
(48)
若型腔压力通过型芯或型腔镶块传递到支承板上,如图143所示。
图143 支承板受力情况
在利用以上公式时将型腔压力换算成支承板上的压力p1,即
(49)
式中: p——型腔压力,MPa;
p1——支承板承受压力,MPa;
A——型芯或镶块受压面积,mm2;
A1——型芯或镶块底面面积,mm2。
由于注塑成型受温度、 压力、 塑料特性及塑件形状复杂程度等因素的影响,所以以上计算并不能完全真实地反映结果。通常模具设计中,型腔壁厚及支承板厚度不通过计算确定,而是凭经验确定的。表44、表45列举了一些经验数据供设计时参考。
表44 型腔侧壁厚度S的经验数据
型腔压力/MPa | 型腔侧壁厚度S/mm | |
<29(压塑) <49(压塑) <49(注塑) |
0.14L+12 0.16L+15 0.20L+17 |
注:型腔为整体式,L>100 mm时,表中值需乘以0.85~0.9。
表45 支承板厚度h的经验数据 mm
b | b≈L | b≈1.5L | b≈2L | |
<102 >102~300 >300~500 |
(0.12~0.13)b (0.13~0.15)b (0.15~0.17)b |
(0.10~0.11)b (0.11~0.12)b (0.12~0.13)b |
0.08b (0.08~0.09)b (0.09~0.10)b |
注: 当压力 p<29 MPa,L≥1.5 b时,取表中数值乘以1.25~1.35;当29 MPa≤p<49 MPa,L≥1.5 b时,取表中数值乘以1.5~1.6。
5.5 合模导向及定位机构
合模导向机构对于塑料模具是不可少的部件,因为模具闭合时要求有一定的方向和位置,必须导向。导柱安装在动模或者定模一边均可。有细长型芯时,以安在细长型芯—侧为宜。通常导柱设在模板四角。
导向机构主要有定位、导向、承受一定侧压力三个作用。定位作用是为了避免模具装配时方位搞错而损坏模具,并且在模具闭合后使型腔保持正确的形状, 不至因为位置的偏移而引起塑件壁厚不均,或者模塑失败;导向作用则是在动定模合模时,首先导向机构接触,引导动模、定模正确闭合,避免凸模或型芯撞击型腔,损坏零件。承受一定侧压力指塑料注入型腔过程中会产生单向侧压力,或由于注射机精度的限制, 使导柱在工作中承受了一定的侧压力。当侧压力很大时,不能单靠导柱来承担,需要增设锥面定位装置。对于三板模、 脱模板脱模等,导柱还要承受悬浮模板的重量。
合模导向机构主要有导柱导向和锥面定位两种形式, 下面就这两种机构的设计分别进行介绍。
5.5.1 导柱导向机构
导柱导向设计包括对导柱、导向孔的要求和典型结构导柱在模具上的布置等内容。
5.5.1.1 导柱典型结构及要求
(l)导柱的典型结构 如图144所示,塑料模上导柱可不要油槽。A型用于简单模具的小批量生产,可不需要导套,导柱直接与模板中导向孔配合,但是孔易磨损。如在模板中设导套,导向孔磨损后,只要更换导套即可。 B型用于精度要求高,生产批量大的模具,要有导套配合,导套的外径与导柱的d1相等,也就是导柱的固定孔与导套的固定孔同径,两孔可以一刀加工,以保证位置精度。另有一种C型是在B型的尾部有一和d1等直径的定位长度,在国外标准模架上大量采用,可省去定位销。
图144 导柱典型结构
(2)对导柱结构和材料等的要求 导柱的长度必须比凸模端面的高度要高出6~8 mm,凸模进入型腔前用导柱导正,避免型芯型腔相碰而损坏。
a.形状。导柱的端部做成锥形或半球形的先导部分, 使导柱能顺利进入导向孔。
b.材料。导柱应具有硬而耐磨的表面,坚韧而不易折断的内芯, 因此多采用低碳钢(20钢)经渗碳淬火处理,或碳素工具钢(T8A,Tl0)经淬火处理,硬度为50~55 HRC。
c.配合精度。导柱同导套的配合都是间隙配合,中小模具间隙小于0.04 mm,大模具可略大,导柱装入模板多用过渡配合,如图145所示。此外,还有其他固定形式,如图146所示。图146(a)是导柱以过渡配合装入固定板,采用铆接固定的装配形式,这种形式多用于小直径的导柱。图146(b)的形式是为了便于加工, 使导柱固定部分直径与导向孔直径相同。图146(c)是用螺钉固定导柱的形式,这三种目前很少采用。
图145 导柱配合固定形式
图146 不常用的导柱固定形式
d.表面粗糙度,配合部分表面粗糙度要求为 Ra=0.8 µm,或者更小。
为了提高生产效率,导柱—般做成标准件,因而推荐使用图144所示的两种典型结构。
5.5.1.2 导向孔、导套的典型结构及要求
(1) 导向孔的典型结构 导向孔可以直接设在模板上,这种形式加工简单,但热处理困难,损坏后不易修理,适用于生产批量小、精度要求不高的场合。 为了检修更换方便,保证导向机构的精度,导向孔一般采用镶入导套的形式。典型结构见图147所示两种结构,同导柱A型一样,也有一种是在尾部加一定位部分,可省去定位销, 并能提高导向的精度。
图147 导套典型结构
(2)对导向孔结构的要求
a.形状。为了使导柱进入导套比较顺利,在导套的前面倒一圆角R,内孔有一定锥度。为了装配方便,外圆头部也有锥度。导柱孔最好打通,否则,导柱进入未打通的导柱孔(不通孔) 时,孔内空气无法逸出, 而产生反压力,给导柱的进入造成阻力,合模时有较大噪声。当结构需要开不通孔时,就要在不通孔的侧面增加通气孔见图148(a),或者在导柱上磨出排出槽见图148(b)。
图148 通气位置
b.材料。可用淬火钢等耐磨材料制造,但其硬度应低于导柱硬度。这样可以改善摩擦,以防止导柱与导套拉毛。多用20钢渗碳后淬火或T8A、Tl0淬火。
c.导套精度与配合。同模板的装配一般A型用过渡配合,B型用过盈配合,如图149所示。为了可靠起见,可以再用止动螺钉紧固。图150(a)是导套的侧面加工—平面切口或小坑,用螺钉固定的方法, 要注意导套的压力方向。图150(b)是以环形槽代替切口的方法,加工工序略为简单。导套在淬火时可能产生裂纹,最好将环形槽底部做成圆角,以弥补缺陷。图150(c)是侧面开孔,用螺钉固定的方法,与图150(a)一样,要注意导套的压入方向。图150(d)是最简单的方法,导套压入后在端部用多铆接的方法固定,只是不易更换。
图149 与固定孔配合
图150 固定形式
d.表面粗糙度。配合部分表面粗糙度要求为Ra=0.8 µm,或者更低。
5.5.1.3 导柱与导套配合实例
由于模具的结构不同,选用的导柱和导套的结构也不同, 常见的配合形式如图151所示。图15l(a)所示配合形式直接在型板上加工导向孔,容易磨损; 导柱固定部分用过渡配合,伸入导向孔部分用间隙配合; 用于小批量低精度塑件的模具。图15l(b)所示配合形式是比较常见的一种结构。图15l(c)所示为用 A型导柱, B型导套的结构。图15l(d)所示为用 B型导柱,B型导套的结构。图15l(e)所示为用 B型导柱,A型导套的结构。还有上述改良型的导柱导套的用法,这种结构在标准模架上很常见。图15l(d)、(e) 所示两种结构导柱固定孔与导套固定孔尺寸一致, 便于配合加工, 保证了同轴度。有些标准模架采用带定位导柱导套,装配略有差异。
图151 导柱与导套的配合形式
5.5.1.4 导柱布置
根据模具的形状和大小,在模具的空余位置设导柱和导套孔。导柱一般为2~4根,其布置原则是必须保证动、 定模只能按一个方向合模,不要在装配时或合模时因为方位搞错使模具损坏。同时,长导柱不要妨碍取件和浇注系统的取出。导柱布置形式如图152所示。图15l(a)所示为两根直径不同的导柱,对称布置。图15l(b)所示形式适用于外形为圆形的模架。 图15l(d)所示为四根直径不同的导柱,对称布置。标准模架上,—般是用图15l(c)所示的形式。对于大型模具,导柱导套的数目可能用得更多, 可用粗导向和精确导向两组。
图152 导柱布置形式
5.5.2 锥面定位机构
锥面定位用于成型大型、 深腔、 精度要求高的塑件,特别是薄壁容器、偏心塑件。由于制件大,成型压力就有可能引起型芯或型腔偏移,如果这个力完全由导柱来承受,会发生导柱卡住或损坏的现象,因此可采用图153所示的锥面定位。锥面配合有两种形式,一种是两锥面之间有间隙,将淬火的零件(图153中右上图) 装于模具上,使之和锥面配合,以制止偏移;另一种是两锥面都要淬火处理,角度为5°20',高度为l5 mm以上。还可采用锥形导柱定位,如图154 所示。
图153 锥面定位
图154 锥形导柱定位
对于矩形型腔,也可以采用锥面定位,在型腔四周利用几条凸起来的斜边定位,如图155所示。
图155 矩形型腔锥面定位
模具上无论有无锥面定位,为了在注塑机上装拆方便,以及工作安全等原因,通常导柱导套导向机构在模具上还是不可缺省的。在有锥面导向时,导柱导套可作初始导向,锥面作精确对中导向,并加固型腔。