調料盒注射模具的主要結構設計

姜國聚，陳廣娟 （煙臺職業學院機械工程系，山東 煙臺264670）

調料盒是人們在廚房中常用的物品之一，塑料調料盒因其重量輕、花色品種繁多等特點在生活中應用十分廣泛。但由于塑料調料盒大多結構復雜，外觀質量要求較高。因此，要想得到合格的塑料產品必須從塑件的結構工藝性、注射成型的可行性、制造的工藝性等角度進行分析并綜合考慮，設計出模具結構，才能得到合格的產品，進一步提高模具設計的合理性。下面，筆者針對一常用的塑料調料盒注塑模具主要結構設計過程，進行了綜合分析論述。

1 產品注射成型分析

圖1所示塑料制品為一調料盒，材料為ABS，表面質量Ra0.8μm，不允許有疤痕和凹陷，大批量生產。

圖1 塑料制品圖

1.1 ABS塑料的性質及成形特點分析

ABS是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的共聚物，無毒無味，為呈微黃色或白色不透明粒料，成形的塑件有較好的光澤，價格比較便宜，是目前應用最廣、產量最大的工程塑料之一，也是現代廚房用的各類比較美觀的調料盒的首選材料。其缺點是耐熱性不高，熱變形溫度約為93℃左右，不透明，耐氣候性差，在紫外線作用下易變硬發脆。但適宜在廚房里使用。

ABS塑料的密度為1.02～1.05g／cm3。因為易吸水，常常使成形塑件表面出現云紋、斑痕等缺陷。為此，該塑料成形加工前必須進行干燥處理。如果塑件精度要求高時，模具溫度可控制在50～60℃，要求塑件比較光澤和耐熱時，模具溫度應控制在60～80℃。ABS成型熔化溫度在210～280℃，建議在245℃左右。注射壓力約在50～70MPa。注射速度為中高速度。ABS比熱容低，塑化效率較高，凝固速率也較快，故成形周期應盡量縮短；ABS的表觀黏度對剪切速率的依賴性很強，因此模具設計中一般采用點澆口形式。

1.2 塑件壁厚的檢測

塑件的尺寸受到塑料材料流動性的制約，流動性好的塑料可以成形較大尺寸的塑件，反之能成形的塑件尺寸就較小；還受到塑料成型設備的限制，如注射成型的塑件尺寸要受到注射機的注射量、鎖模力和模板尺寸的限制。因此在滿足使用要求的前提下，應盡量將塑件設計得緊湊、尺寸小巧一些。塑料成型的首要條件是能否充滿型腔，充滿型腔又與塑料材料的流動性有著密切的關系，而流動性又與塑料熔料的流道長度及塑件的壁厚有關。所謂流道的流動比，就是指塑件上一段流道的長度與該段的塑件壁厚之比，各流道的流動比之和稱為這個制品的流動比。如果流動比在使用塑料所確定的數值之內，那么可以初步判斷塑料大致上能夠成型［1］。

根據常用塑料壁厚的選擇范圍知，ABS工程材料的壁厚選擇范圍為1.2～1.6mm，根據最長流動距離和壁厚的關系，得到圖1調料盒塑件壁厚的最小值為：（200÷100＋0.8）×0.7＝1.96mm＞1.5mm。通過對調料盒壁厚和ABS材料實際最小注射壁厚尺寸比較可知，該塑件可以進行注射成型。

1.3 表面質量要求分析和分型面位置確定

塑件的表面質量影響因素很多，因此在滿足使用的前提下，設計時盡量不要選擇過高的表面質量［2］。為了避免質量上的缺陷，在進行模具總體結構設計前，先使用CAE流動分析軟件進行分析，可以提前預知缺陷易出現的部位及產生的可能性，然后總體設計時再進行優化和避免。圖2所示為利用CAE軟件分析的調料盒注塑件有可能出現凹痕和氣泡的部位。

注射模具分型面的選擇受到塑件的形狀、壁厚、后處理工序、成型方法、塑件的外觀、塑件的尺寸精度、模具類型、型腔數目、塑件脫模方法、模具排氣、嵌件、澆口位置與形式以及成型機械的結構類型等的影響。從圖2中可以清楚看到，中間2個進澆點之間的部位是表面易出現表面凹陷的區域，邊緣的小圓圈是氣泡最易產生的部位。可見凹陷易出現在收縮的位置，但由于中間進澆點之間區域的凹陷不是太明顯，因此塑件結構能滿足塑件表面質量要求。由于氣泡點主要集中在邊緣，如果將模具分型面設計在這里就可以將氣體順利排出去，因此可以考慮在這里設計模具的分型面，從而實現順利排氣［3］，避免制品內部產生氣泡，保證制件的質量，滿足使用要求。

圖2 熔接痕和氣泡出現的位置分析

2 模具制造工藝分析

2.1 模具精度及表面質量設計

從圖1中可知，塑件的尺寸精度不高，尺寸都是自由尺寸，因此成型時只要將模具的制造精度比制件的精度高1～2級即可[4]，就能滿足精度要求。

該調料盒塑件表面要求Ra0.8μm的表面質量，塑料制件的表面狀態的改善除了表面冷疤、云紋之外，模具型腔的質量及模具型腔的表面粗糙度起著決定性的作用。通常模具表面質量可比塑件高1～2級，所以該模具型腔設計為Ra0.2μm的表面質量足夠，而這一精度可通過精細磨削加工或研磨加工來達到質量要求的。

2.2 模具結構設計分析

模具工作零件結構除了極少部分采用整體式結構外，大多采用鑲拼組合式結構。主要有如下原因：簡化凹模型腔加工，將復雜的凹模內表面加工轉換成鑲件的外表面加工，這可以使整個凹模的加工難度降低；鑲件可用較好的模具材料如高碳鋼或高碳合金鋼淬火，淬火后變形較小，有一些局部鑲嵌的凹模型腔有較高的精度，經久的耐磨性并可方便更換；可節約優質塑料模具鋼，尤其對大型模具的型腔和型芯更是如此；有利于排氣系統和冷卻系統的通道的設計和加工。

但鑲拼式結構在設計中應注意以下幾點：采用組合式，凹模的強度、剛度有所減弱，故模框板應有足夠的強度和剛度；鑲件必須準確的定位，并且要有可靠的緊固措施，鑲件之間、鑲件與模框之間盡量采用扣鎖結構，以減小整體凹模在塑料高壓下鑲件的位移和變形；鑲拼件的接縫必須配合緊密，以免成型過程中產生漏料現象；轉角和曲面處不能設置拼縫，避免影響塑件的精度；拼縫線方向應與脫模方向一致，有利于塑件脫模；各鑲拼件的結構應有利于加工、裝配和更換；鑲拼件的形狀和尺寸精度應有利于凹模總體精度，并確保動模和定模的對中性，還應有避免累積誤差的措施。

從圖1產品圖中可以看出，調料盒塑件從整體上看壁厚比較均勻，符合塑件壁厚要求均勻一致的原則性要求，但產品側面的孔較小。結合上述分析，模具型芯如果設計成整體式的結構，加工會非常困難，需要采用數控加工和線切割等加工手段，加工費用昂貴；較小槽又極容易磨損，如果一旦磨損量很大，則需要更換整個模具型腔［5］，必將浪費了大量的財力；從模具加工難易程度和經濟角度來考慮，如果設計成組合的型芯結構，則有利于模具加工尤其是表面磨削加工，磨損后更換又方便，可以大大節省模具的成本。所以該模具采用組合的型芯結構。

因此，筆者得到的結論是：調料盒塑料件能滿足最小注射壁厚，采用合理的分型面位置設計，不會出現明顯的表面凹痕和內部氣泡現象；合理的分型面間隙又可以排出型腔氣體；采用組合式型芯結構可以使模具加工容易，結構合理。

3 模具主要結構設計

3.1 型腔數目的確定

模具型腔數目的確定主要考慮以下幾個方面：注射機的規格、塑件的質量、塑件的成本及產品的交貨期等。注射機的規格要從注射量、鎖模力、模板尺寸和生產效率等角度考慮［6］。一般來說，從經濟的角度出發，訂貨量較大時，可選用大型注塑機、多型腔的模具結構。再從大批量生產的角度看，多腔模具可以大大提高生產效率，還可以使每個產品分攤的模具費用大大降低。但由于隨著模具型腔數目的增加，塑件的尺寸精度和重復性精度反而會降低［7］，而且如果模具結構復雜，模具的制造成本就會很高，注射件的成型質量就會差。因此綜合比較考慮，調料盒模具設計采用兩腔結構。根據計算得到的塑件體積，結合企業現有的注射機類型，初步選定額定注射量為350cm3的注射機來成型塑件。

3.2 模具類型的確定

點澆口和潛伏式澆口屬于尺寸最小的澆口形式，雖然澆口小、壓力損失大，需要較高的注射壓力，但由于開模時點澆口自動脫落，不會在制件上留下澆口痕跡，因此應用十分廣泛。由于該塑料件外表面要求光滑美觀，盡量不允許留下澆口痕跡，所以模具可以設計成點澆口三板式注射模或潛伏式澆口兩板式注射模。但為了降低加工難度和成本，綜合比較后采用點澆口三板式雙分型面注射模具。從塑件側孔抽芯距等角度考慮，抽芯力不是很大，側抽芯面積中等，所以采用斜滑塊側向抽芯機構［8］。

3.3 型腔的布局設計

模具型腔的布局如果合理，能簡化模具結構，提高產品質量。好的布局會大大減小模具尺寸，如果再使模具型腔的壓力中心與注射機的幾何中心重合，模具設計就非常合理 。澆注系統的布局設計一般有2種形式：平衡式和非平衡式。平衡式的澆注系統是指從分流道到澆口及型腔，其形狀、長度尺寸、圓角等都完全相同，因此塑料熔體能以相同的成型壓力和溫度同時充滿所有的型腔，從而可以獲得尺寸相同、物理性能良好的制品，但型腔數多時易使模具結構龐大。非平衡式澆注系統則是指各個型腔的尺寸和形狀相同，但各型腔距主流道的距離不同，想得到精度很高的塑件不是很容易，但可以使模具整體結構布局十分緊湊，還可以縮短塑料熔體總的流動長度。

綜合平衡式和非平衡式2種布置形式的優缺點，筆者采用圖3的型腔布局形式：采用縱向排列，澆口設計在底部，使模具結構十分緊湊，并且簡單合理對稱。

圖3 2模具型腔的布局設計

3.4 點澆口位置的選擇

澆口位置的選擇主要應考慮以下幾個方面：盡量縮短流動的總長度；澆口應開設在制品壁最厚的地方，有利于補縮；盡量減少或避免熔接痕，提高產品質量；澆口位置應有利于型腔排氣；應避免在承受彎曲或沖擊載荷的部位設置澆口；澆口應開設在不影響型芯穩定性的位置；澆口應開設在不影響制品外觀質量的部位；澆口的設置應盡量避免熔體斷裂現象的產生。

澆口位置對塑件質量的影響較大，因此在確定澆口位置時應根據塑件的幾何要求和技術要求，結合上述原則進行全面考慮。由于調料盒模腔體積較大，塑件壁厚較小，通過軟件分析可知，注射模具流道的最佳位置應該是如圖4所示2個塑料件的中間相對著的小位置：盒體中心位置表示澆口位置的最佳選擇區域，盒體邊緣位置表示澆口最差的區域。因此根據分析報告最終確定，在盒體中心位置和塑件的底部選擇進澆點，這樣的澆口位置的選擇較有利于成型［10］。

圖4 澆口位置的選擇分析

4 結語

在對塑料制件進行成型分析、模具的制造工藝分析的基礎上，綜合考慮模具的結構設計，提高了模具設計的合理性，節約了模具的設計與制造成本，并能夠實現產品的批量生產，創造了很高的經濟效益。

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