塑料半保持架注塑模具設(shè)計

李建星，王子君，王楓，時連衛(wèi)，寧仲

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

在塑料制品的注塑模具設(shè)計中，塑件有內(nèi)、外側(cè)孔或側(cè)凸凹且與開模方向不一致時，需要使用抽芯機(jī)構(gòu)。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的小型塑料制品，側(cè)型芯零件一般較小，采用斜導(dǎo)柱側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)制作的模具體積較大，造價高。文中針對塑料半保持架介紹了一種采用彎拉桿的抽芯機(jī)構(gòu)，利用模具開合時彎拉桿的側(cè)向分力完成側(cè)向抽芯。詳細(xì)介紹了該模具的設(shè)計過程。

1 塑料半保持架結(jié)構(gòu)

保持架是軸承中將滾動體等距離地隔開，以防止運(yùn)轉(zhuǎn)過程中滾動體相互碰撞的一個重要組件。塑料半保持架同樣起隔離作用，但不分擔(dān)軸承載荷，主要要求其在啟動或運(yùn)轉(zhuǎn)時摩擦力矩要低，表面光滑、耐磨和摩擦系數(shù)低。該塑料半保持架結(jié)構(gòu)如圖1所示，呈半圓狀，角度為130°，外徑為Φ110.0 mm，寬度25.0 mm，平均壁厚3.0 mm，材料為GRPA66-25。由圖1可以看出，塑料半保持架側(cè)面上有12個兜孔，底部的內(nèi)、外側(cè)都有內(nèi)凹的圓弧，因此，內(nèi)側(cè)抽芯和外側(cè)抽芯是該保持架模具的設(shè)計關(guān)鍵。

圖1 塑料半保持架結(jié)構(gòu)

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 澆注系統(tǒng)

塑料保持架模具一般采用潛伏式澆口，也稱隧道澆口，是點(diǎn)澆口在特殊場合下的一種應(yīng)用形式。潛伏式澆口潛入分型面一側(cè)，沿斜向進(jìn)入型腔，在開模時，不僅能自動剪斷澆口，而且其位置可設(shè)在制品側(cè)面、端面和背面等隱蔽處，使制品外表面無澆口痕跡。

設(shè)計潛伏式澆口時，應(yīng)掌握好兩個角度，一個是澆口與主分型面的傾斜角度α1，另一個是澆口本身錐角β。α1一般在25°～45°內(nèi)選取，少數(shù)情況下可增大到60°。增大α1有利于澆口凝料的撥出，因此，對質(zhì)韌帶彈性的塑料，α1取較小值，硬而脆的塑料宜取較大值。β角一般應(yīng)小于15°，同樣，對質(zhì)韌帶彈性塑料可取較小值，硬而脆的塑料宜取較大值。對于同一種塑件，如α1較大，β可適當(dāng)取小，反之則應(yīng)加大。塑料半保持架的潛伏式澆口α1取35°，β取15°。

潛伏式澆口的進(jìn)料部分直徑d1一般取Ф0.6～2.0 mm，其經(jīng)驗公式為

(1)

式中：d1為點(diǎn)澆口直徑，mm；A1為型腔的表面積，即塑件外表面積，mm2；c為塑件厚壁的函數(shù)值，壁厚在3.0 mm時c=0.28；n1為塑料材料系數(shù)，n1=0.8。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的聚酰胺(尼龍)點(diǎn)澆口推薦尺寸表，壁厚為1.5～3 mm的點(diǎn)澆口推薦尺寸為1.0～1.5 mm。因此，塑料半保持架模具應(yīng)設(shè)計兩個潛伏式澆口，澆口直徑d1取1.1 mm較合適，主流道到兩個潛伏式澆口的夾角約為100°。

2.2 抽芯機(jī)構(gòu)

2.2.1 外側(cè)抽芯

由于滑塊的外側(cè)抽芯距較小，滑塊厚度也較小，采用彎拉桿側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)最節(jié)省位置，且比較簡單。彎拉桿既起鎖緊滑塊的作用，在開模時又起斜導(dǎo)柱的作用。由于滑塊小，其上的斜槽又為通槽，使滑塊的強(qiáng)度大大降低，因此，根據(jù)模具結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量增大滑塊的厚度及高度以增加強(qiáng)度。

在設(shè)計滑塊時，擋塊前后兩面的角度是一致的，同時傾斜角度應(yīng)盡可能的小，以減小滑塊和擋塊所受的力，塑料半保持架模具的傾斜角度為15°。滑塊斜槽各處應(yīng)加圓角，以方便插入擋塊和增加強(qiáng)度。彎拉桿與滑塊孔之間的間隙應(yīng)稍大一些以免閉模時碰撞，通常大小為0.5 mm。滑塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，其成型面三面配合，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

圖2 滑塊結(jié)構(gòu)

2.2.2 內(nèi)側(cè)抽芯

塑料半保持架有兩處內(nèi)凹，內(nèi)凹的抽芯距較短，采用斜頂桿頂出內(nèi)抽芯較合理。斜頂桿既是頂出件，又是塑件內(nèi)側(cè)凹的成型零件。斜頂桿是滑塊抽芯的一種變異形式，受力情況與滑塊完全相同，但斜頂桿斷面尺寸小于滑塊，長度較長，因此斜角應(yīng)選取較小值，經(jīng)計算，塑料半保持架斜頂桿的角度為5°時，即可完成內(nèi)側(cè)抽芯。

塑料半保持架斜頂桿內(nèi)抽芯機(jī)構(gòu)由頂座、小軸、滾輪、斜頂桿組成，小軸兩端裝有滾輪，滾輪裝在固定于頂出板的頂座上。頂出時，斜頂桿沿斜槽運(yùn)動，完成內(nèi)側(cè)抽芯并頂出塑料半保持架，與此同時滾輪沿頂座向內(nèi)滾動。

2.3 脫模機(jī)構(gòu)

塑料半保持架模具在開模的過程中，利用彎拉桿的側(cè)向分力完成滑塊側(cè)向抽芯，然后利用頂桿頂出機(jī)構(gòu)頂出制品。為了避免滑塊與頂出機(jī)構(gòu)在合模時發(fā)生干涉，在設(shè)計頂出桿位置時盡量使之與滑塊保持一定的距離。應(yīng)注意以下幾點(diǎn)[2]：

(1)頂出力作用點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近型芯，同時頂出力應(yīng)施于塑件剛度和強(qiáng)度最大的部位，作用面積也應(yīng)盡可能大。

(2)頂出機(jī)構(gòu)所有頂桿應(yīng)與頂出孔和型芯孔保持同心，使其運(yùn)動靈活、可靠。

(3)頂桿與孔的配合間隙可適當(dāng)放大，間隙為0.02～0.03 mm，以便于注射成型加工時排氣。

2.4 冷卻系統(tǒng)

在注塑成型過程中，模具的溫度直接影響到塑件成型的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。為了縮短制品模制周期，總是希望模具溫度低一些，但是模溫太低會使塑料件產(chǎn)生流跡、熔接痕和強(qiáng)度差等問題；模溫過高時，雖然熔料流動性好，制品表面粗糙度小，力學(xué)性能好，但又會發(fā)生大的縮痕，成型周期長、產(chǎn)生縮孔。因此，從成型溫度和使用要求角度，模具應(yīng)保持一定的溫度，保持模具的熱平衡。

2.4.1 冷卻時間

保壓時間經(jīng)驗公式為

T保=0.3(S+2S2)=0.3(3+32)=6.3,

(2)

式中：S為塑件平均壁厚，mm。計算保壓時間為6.3 s，取為7.0 s。

冷卻時間依塑料種類、塑件壁厚而異，一般計算式為

(3)

式中：a2為塑料熱擴(kuò)散系數(shù)，mm2/s；TS為成型溫度，℃；TE為脫模溫度，℃；TM為模具溫度，℃。計算得冷卻時間需要22.75 s，取為23.0 s。

2.4.2 注塑產(chǎn)量

每小時注射塑料的質(zhì)量為

m=bG=90×21.67×10-3=1.95,

(4)

式中：b為每小時注射次數(shù)；G為每次的注射量，kg。

2.4.3 水的體積流率

冷卻水的體積流率qV計算式為

=1.09×10-3,

(5)

式中：Q0為在型腔內(nèi)單位質(zhì)量熔融塑料凝固所放出的熱量，kJ/kg·℃；ρ為水的密度，kg/m3；Cp為水的比熱容，kJ/kg·℃；T出為水管出口溫度，℃；T進(jìn)為水管入口溫度，℃。

2.4.4 冷卻水管的平均流速

單位時間水的流速為

(6)

式中：d2為冷卻水管直徑，mm。

由文獻(xiàn)[1]可知，管徑為8 mm的冷卻水管所對應(yīng)冷卻水的最低流速為1.66 m/s時才能達(dá)到湍流狀態(tài)，但是由于體積流量qV沒有在表的取值范圍內(nèi)，所以造成了V平均偏小。可以通過增大體積流量和減小冷卻水管直徑來達(dá)到冷卻水的湍流狀態(tài)，但是冷卻的最終目的是為了讓制品快速冷卻，提高生產(chǎn)率，同時改變制品的力學(xué)性能，因為在V平均較小即層流時就可以達(dá)到冷卻效果，所以無需增大體積流量而單純地為了實現(xiàn)湍流狀態(tài)。

2.4.5 冷卻水管壁與水交界面的傳熱膜系數(shù)

=7 525.02，

(7)

式中：α2為傳熱系數(shù)，kJ/m2·h·℃；A0為與冷卻介質(zhì)溫度有關(guān)的物理系數(shù)，A0取7.51；ρ為水的密度，kg/m3。

2.4.6 傳熱面積

(8)

式中：A2為傳熱面積，m2；ΔT為模具與冷卻水的平均溫度差，℃；Tcp為模具與冷卻介質(zhì)的平均溫度，℃。

2.4.7 冷卻水孔數(shù)

所需冷卻水孔數(shù)的計算式為

(9)

式中：L為冷卻管道開設(shè)方向上的模具長度或?qū)挾龋琺。取n2=2。

為了保證定模、動模溫度的一致，使塑料半保持架制品收縮均勻，優(yōu)化模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計，在定模、動模上各設(shè)兩條冷卻水道。

3 模具工作過程

塑料半保持架模具裝配圖如圖3所示。模具工作過程為：啟模后，滑塊在彎拉桿的作用下沿滑塊固定架的滑道側(cè)向外抽芯，動模停止后，頂板通過頂座推動動模斜頂桿實現(xiàn)內(nèi)側(cè)凹抽芯，同時，頂桿將塑料制品頂出動模型芯完成脫模。合模時，在復(fù)位桿的作用下，頂座帶動動模斜頂桿合模到位，滑塊在彎拉桿的作用下，使滑塊側(cè)向合模到位并鎖緊滑塊。

1—分型面；2—保持架；3—潛伏式澆口；4—定模型芯1；5—動模型芯套；6—定模型芯2；7—動模型芯；8—動模斜頂桿；9—動模小型芯；10—彎拉桿；11—滑塊蓋板；12—滑塊；13—滑塊固定架；14—頂桿；15—頂座；16—小軸；17—滾輪；18—頂板

4 模具成型零件的加工

(1)為保證塑件表面質(zhì)量，對成型零件進(jìn)行淬硬處理，以避免抽芯磨損而使塑件表面出現(xiàn)飛邊。

(2)為了提高側(cè)抽芯的精度，防止內(nèi)、外側(cè)滑塊在滑動過程中因磨損影響產(chǎn)品質(zhì)量，滑塊及滑動固定架均采用淬硬材料制作。用線切割加工保持架橫梁孔時，要求一次定位裝卡后加工出所有的橫梁孔，以保證定模型芯2與動模型芯套的橫梁孔完全對齊。

(3)彎拉桿在生產(chǎn)過程中要承受較大的力，因此，需要進(jìn)行淬硬處理。

5 結(jié)束語

采用彎拉桿側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)能夠使模具結(jié)構(gòu)緊湊，整體性強(qiáng)，抽芯動作安全可靠，經(jīng)濟(jì)實用，模具成型零件質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高。