薄壁塑件注射成型工藝及模具設計

賀曉輝 ，雷帆 ，丁永峰 ，周哲

(1. 重慶天巨承機械制造有限責任公司，重慶 400700 ；2. 德宏師范高等?？茖W校，德宏 678400 ；3. 重慶文理學院，智能制造工程學院，重慶 40216)

0 引言

模具是以特定的結構形式通過一定的方法使材料成為制品的一種工具產品，是工業生產的基礎工業裝備，而各國對于模具的研究與發展愈發重視，特別是電子、機械、通訊、交通等行業[1]。注射成型作為一種比較成熟的制造方法，在制造業生產中的地位十分重要。有數據表明，模具塑料制品總產量的三分之一都是通過注射成型所制成的，并且注射模占所有塑件成型模具的一半以上，注射模具在模具工業中的重要性顯而易見[2]。而薄壁塑件的注射成型，在其生產過程中會產生產品的翹曲及不均勻收縮等缺陷[3～5]，對塑件的外觀及尺寸造成負面影響，因而其模具設計顯得尤為重要。本文以某品牌筆記本后蓋塑件產品為例，分析塑件的結構特點，設計并校核模具的結構及尺寸，并進行相應的優化，為薄壁塑件類產品注射模設計提供一定的參考。

1 塑件結構及工藝分析

1.1 產品結構及工藝特性

圖1 所示為某品牌筆記本后蓋產品三維模型，經測算知其外形尺寸為345 mm×240 mm×26 mm，最大投影面積為48.35 cm2，產品壁厚均勻，最薄處僅為1.5 mm。產品屬于外觀件，精度等級按MT3 計算，要求外表面光潔無缺陷，內表面無明顯影響產品質量的缺陷如斑點、熔接痕等[6]。產品零件尺寸較大，為典型薄壁零件，校對后可知塑料熔體流程在標稱范圍內[2]，可以進行注射成型。

圖1 某筆記本后蓋產品模型

1.2 ABS 材質性能分析

塑件所用主要材質為工程塑料ABS( 丙烯腈- 丁二烯- 苯乙烯三者的共聚物)。ABS 是一種常見的無定形塑料，成型收縮較小，種類繁多，并且具有較大的吸水性，在實際使用中應根據不同品種及其具體的使用性能來確定注射成型的方法及條件。對于表面相對比較光滑的制品應長時間預熱以保證充分干燥( 推薦條件：干燥溫度70～85 ℃，干燥時間2～6 h，使其濕度低于0.1% ) ；材料具有中等的流動性，溢邊料通常在0.04 mm 左右；在進行模具設計時應注重澆注系統的設計，選擇好流道及澆口的形式與位置[2,6]。塑件后處理時，以空氣和水作為主要介質，處理溫度為70～80 ℃之間，處理時間在16～20 s 之間[7]。

2 注射成型設備選擇

2.1 澆口位置確定

塑件尺寸相對較大，擬使用一模一腔的模具布置，澆口形式選擇為點澆口，可以使塑件與澆口凝料在脫模過程中自動拉斷從而減少人工操作，提升效率，自動化程度更高。綜合考慮塑件注射成型過程中材料的流動規律及產品的外觀要求[2]，選擇塑件產品4 個膠墊處作為點澆口的位置。

2.2 注射機的選擇與校核

通過三維CAD 建模軟件分析得塑件體積V塑=91.14cm3，質量m塑=92.96 g。澆注系統凝料體積的大小可以按照塑件體積的0.2～1 倍來估算[2]，因采用一模一腔注射模結構，澆注系統占比按塑件自身體積的倍計算，得一次注入型腔的熔體總體積為V總＝V塑(1+0.2)=111.55 cm3。根據V公＝V總/0.8，并參考同類產品注射成型工藝[3,4,6,7]，初步選定公稱注射量為250 cm3，型號為XS-ZY-250 的注射機，其主要技術參數見表1。

表1 注塑機主要技術參數

已知塑件材料的注射壓力范圍為80～110 MPa，取P0=90 MPa，所選注射機公稱壓力為P公=109 MPa，安全系數k1=1.25，校核后注射壓力滿足P公>k1·P0。塑件及澆注系統總投影面積為A總=39 646 mm2，注射模型腔平均壓力P模=35 MPa ( 通常取注射壓力的20%～40%[2])，可得塑件在型腔內的脹型力F脹=P?！總=1 387.61 kN，查表可知注射機的公稱鎖模力為F鎖=1 800 kN，取安全系數k2=1.1，校核后鎖模力滿足F鎖>k2·F脹，驗證了所選的注射機型號滿足塑件成型使用需求。

3 注射模具設計及校核

3.1 澆注系統設計

3.1.1 主流道設計

主流道位于模具中心，其形狀設計為圓錐形，以便熔體易于流動和開模時凝料的拔出[8]。由于主流道與高溫熔體和注射機噴嘴接觸頻繁，將其設計成澆口套的形式，方便更換和拆卸。對與中小型模具，主流道長度L主≤ 60 mm，取60 mm，小端直徑d=5 mm，大端直徑d’=d+2L主·tan(α/2) ≈ 9 mm，α=4°，球面半徑SR0=20 mm，球面配合高度h=3mm。由V主=π·L主(R主2+r主2+R主r主)/3，得主流道凝料體積為V主=2.37 cm3，主流道當量半徑Rn=(2.5+4.5)/2=3.5 mm。采用碳素工具鋼(T8A 或T10A) 作為澆口套的主要材料，熱處理后表淬火面硬度為50～55 HRC，其結構形式如圖2 所示。

圖2 主流道澆口套

3.1.2 分流道及澆口設計

設計擬采用點澆口，且為一模一腔，4 個點澆口位置比較對稱，采用X型對稱式分流道形式。根據4 個點澆口的位置結構，取單邊流道長度L分=170 mm，而分流道及澆口深度L2≤2·L1/3，澆口高度L=0～2 mm，此次設計澆口高度取L=1 mm，當量直徑H1=3D/4=6.75 mm，截面形狀為圓形，計算得分流道凝料體積為V分=27.51 cm3。

因塑件尺寸較大，取澆口直徑d=1 mm，高度L=1 mm，并在澆口與塑件接觸處做成r=0.2 mm 的倒角以避免澆口凝料在拉斷時損傷塑件表面，同時也能減小型芯受到的沖擊力，減小流動阻力[9]。

3.1.3 剪切速率校核

依據所選注射機的參數，計算得塑料熔體在分流道的剪切速率為1.61×103s-1，處于最佳剪切速率5×102～5×103s-1之間，校核合格。分流道表面粗糙度取Ra1.6 μm，脫模斜度取8°，并在分流道末端設置冷料穴。同樣，計算得塑料熔體在澆口處的剪切速率為3.85×105s-1，處于最佳剪切速率5×104～5×105s-1之間，校核合格。根據上述測算的熔體體積，計算得塑料熔體在主流道的剪切速率為1.50×103s-1，處于最佳剪切速率5×102～5×103s-1之間，校核合格。

最終設計的澆注系統如圖3 所示。

圖3 澆注系統

3.2 成型零件及輔助機構設計

3.2.1 凹模及型芯設計

通過對塑件結構形式和分型面方案的分析，分型后的制件應盡可能留在型芯上，以便從動模推出，從而達到簡化模具結構的目的[10]，因此選擇塑件最大投影面為分型面，便于產品脫模及減少塑件外表面熔接痕缺陷。根據對塑件的受力校核以及結構分析，設計選用整體式凹模結構[2]，并在凹模上方開設點澆口的分流道，型芯亦采用整體鑲嵌式結構。通過塑件尺寸及制造精度(MT3) 轉換，對凹模及型芯各部位尺寸進行計算及校核，如圖4，5 所示。

圖4 整體式凹模

圖5 鑲嵌式型芯

模具中的成型零件應有良好的力學性能及抗疲勞特性，同時考慮它的機械加工和拋光性能，因此凹模的鋼材選用P20。而型芯在脫模時經常與塑件發生磨損，因此采用高合金工具鋼Cr12MoV。參考材料性能及塑件的尺寸，確定注射模各個成型零件的脫模斜度統一為1°。成型零件主要尺寸計算如下。

采用平均尺寸法，并按MT3 精度等級計算凹模徑向尺寸。塑件外部徑向尺寸ls1=3450-1.12mm，ls2=2400-0.78mm， 相應的塑件公差Δ1=1.12 mm，Δ2=0.78 mm。

其中，Scp) 為ABS 材料的收縮率，一般在0.3%～ 0.8% 之間， 取Scp)=0.005 5，0.5 ≤x1≤0.8， 取x1=0.6，Δ1，Δ2為塑件上相應尺寸的公差( 下同)，δz1，δz2是塑件上相應的尺寸制造公差，對于中小型件取δz=Δ/6( 下同)[2]。

同理，塑件最大高度尺寸及公差分別為Hs1=260-0.28 mm，Δs1=0.28 mm，可計算凹模深度尺寸：

塑件內部徑向尺寸及公差Ls1=2370+0.78mm，Ls2=3420+1.12mm，Δs1=0.78 mm，Δs1=1.12 mm。型芯徑向尺寸：

成型孔間距：

塑件內部高度尺寸及公差

3.2.2 輔助機構設計

模具設計采用點澆口進料，熔體直接進入并充滿型腔，成型零件之間的配合間隙即可排出氣體，因此較少存在憋氣現象。故本次設計中無需單獨設計排氣結構。僅靠各部件之間的間隙配合即可滿足排氣要求。

注射模的導向機構用于動、定模之間的開合模導向和脫模機構的運動導向。因注射成型的塑件結構相對簡單，模具定位要求精度相對較低，可以使用模架上的導柱導套來進行定位導向[11]。

另外，模具采用點澆口形式進行注射成型，為方便脫模以及去除分流道上的塑件殘留，采用復合導柱順序脫模機構進行脫模，并且使用推板推出，并在脫模板與型芯之間空余0.2 mm 間隙，采用錐面配合以減小在推出時與型芯的摩擦[2]。

3.2.3 模架的確定及校核

考慮到模架內的布置，初步選用模架序號為10 號(W.L=355 mm×450 mm)，模架結構為P8 型的雙分型面標準模架[2]。依次確定凹模板厚度26 mm，，凹模固定板(A 板) 厚度63 mm，型芯固定板(B 板) 厚度25 mm，墊塊高度80 mm，中間板厚度25 mm，脫模板厚度32 mm。經初步校核，所選模架滿足塑件產品尺寸要求。

因塑件為薄壁零件，其脫模力可由下式計算：

式中，E=1.8×103MPa，S=0.055，Φ=1°，L=342，K2=1+fsinΦcosΦ，f=0.45，A=3 964 6 mm2，μ=0.3，t=1.5 mm。

由此可得模具推出機構應力為：

式中，塑件推出面積B=1 746 mm2，σe=53 MPa為材料抗壓強度，可知模具推出機構應力強度符合要求。

3.2.4 冷卻系統設計

ABS 為中等黏度材料，成型溫度為200 ℃，初步設定模具溫度為50 ℃，并采用常溫水作為冷卻介質[12～13]。通過對塑件質量、ABS 塑料熔體在凝固過程中的熱量及冷卻液的體積流量進行簡單計算，確保冷卻水處于湍流狀態以獲得最佳的冷卻效果，可獲知冷卻液在流道內的流速及傳熱系數h，最終計算得在凹模及型芯分別設置1 根冷卻水路即可滿足塑件產品注射成型需求。

4 注射模結構及工作過程

對注射模具平面尺寸、開模行程、應力強度等校核及導向機構、脫模機構、冷卻系統設計后，依次對各系統進行裝配并添加固定裝置，完成如圖6 所示的注射模具總裝圖。

圖6 注射模具總裝圖

薄壁塑件的生產過程如下：模具閉合時，在導柱9/ 導套8 機構的導向定作用下，動模部分與中間板10及定模座板7 處于閉合狀態。塑件輪廓部分由凹模嵌件11，型芯13，推板21 及動模座板23 的一部分構成，并由注射機合模系統的鎖模力進行壓緊，確保塑件注射成型前的可靠定位鎖緊。所有準備工作就緒后，注射機開始進行工作，ABS 塑料熔體經注射機噴嘴進入澆口套3，然后經過主流道、分流道及澆口進入模具型腔，經歷充模、壓實、保壓、倒流補縮及冷卻定型5 各階段后，完成塑件的注射成型。模具開模過程中，注射機動力系統帶動模機構拉開模具，處于壓縮狀態的彈簧2 首先使中間板及凹模嵌件分開，促使澆注系統凝料與澆口套機中間板分離，動模繼續運動，凹模嵌件在限位銷作用下停止運動，澆注系統凝料在拉料桿6 的作用下與凹模嵌件分離，并停留在拉料桿上，便于脫落機后期處理。注射機動力系統繼續運動，凹模嵌件與型芯開始分離，塑件因收縮作用包裹在型芯上并跟隨動力機構繼續運動，同時注射機推出機構開始工作，推桿18 推動推板將塑件推出，從而完成一次注射成型過程。合模時，注射機動力系統在導向及限位機構作用下順序復位，模具回復到閉合鎖緊狀態，并準備下一次塑件注射成型。

5 結論

本文以某品牌筆記本后蓋為研究對象，分析了薄壁類塑件產品的結構及性能特點，初定了恰當的注射成型方案，擬定了合理的注射成型參數，并進行了參數校核，最后選用了合理的標準模架并設計了注射成型的模具總裝圖，為薄壁塑件類產品的注射模設計提供了較好的技術參考。