注塑成型模具在高精密連接器加工中的應(yīng)用

朱欽奇

（深圳市精確科技有限公司，廣東深圳 518000）

1 注塑成型模具概述

1.1 方法及特征

將塑料材料熔融，然后把它注入到模具中的工藝為熱塑性注塑。當(dāng)熔融的塑料進(jìn)入到模具中時(shí)，溫度會(huì)下降，模腔的形狀也會(huì)成型，這就是成品。在沒(méi)有特別的需求或者在裝配之前沒(méi)有任何附加的處理，注塑成型的外形往往是最后的成品。在精密注塑成型中，要得到高精度的塑膠制品，其關(guān)鍵在于模具的精度、形狀和產(chǎn)品的大小。即使模具的大小和精確度達(dá)到了要求，但塑料制品的收縮率也會(huì)有差異。所以，對(duì)精密注塑工藝進(jìn)行嚴(yán)格的收縮控制很有必要。通過(guò)注塑制品的精確度，也就是產(chǎn)品的形狀、尺寸和表面粗糙度的公差，可以判定其精確度。精密注塑成型包括很多因素，包括注塑模具、注塑設(shè)備、注塑工藝和塑膠原料。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對(duì)原材料的特性進(jìn)行判斷，再根據(jù)所選用的塑膠原料及其他要求，選用適當(dāng)?shù)淖⑺軝C(jī)，同時(shí)還要考慮到工藝中的溫度、濕度等因素。

1.2 技術(shù)原理

橡膠注塑法具有縮短成型時(shí)間、簡(jiǎn)化工序、提高生產(chǎn)率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品質(zhì)量等特點(diǎn)。在壓力下，將熔融的塑料注塑到模具中，然后冷卻，制成所需要的塑膠零件，即所謂的塑膠注塑工藝。由以上所述的成型工藝所獲得的成品，基本上是最后的成品，無(wú)需再進(jìn)行任何加工，即可在注塑成型過(guò)程中一次性完成大量的零件。注塑模包括兩大類(lèi)：一種是運(yùn)動(dòng)型，一種是靜止型。由于該模具是在注塑成型機(jī)上的固定模板上固定的。在注塑式機(jī)動(dòng)模架上安裝的模具叫做動(dòng)模，它是活動(dòng)式的。在注塑機(jī)工作時(shí)，動(dòng)模會(huì)向固定模具靠攏，使模具與模具結(jié)合，從而形成一個(gè)澆鑄體系和模具。在開(kāi)模過(guò)程中，將固定模和運(yùn)動(dòng)模分開(kāi)，推出機(jī)構(gòu)將成型的零件從模腔中推出，從而實(shí)現(xiàn)了成型零件的脫模和再加工。

1.3 工藝技術(shù)

（1）注塑成型工藝要求對(duì)噴嘴溫度、模具溫度、筒體溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制。噴管溫度和料管溫度對(duì)塑料的塑化率有很大的影響，而噴管溫度對(duì)塑料的冷卻和流動(dòng)有很大的影響。同一類(lèi)型的塑料，由于其牌號(hào)、原料的不同，其降解溫度和流速也會(huì)有所不同，原因在于分子量和分子量分布的差異。通常情況下，為了防止溶液"流涎"，料筒的最高溫度應(yīng)稍高于噴口的溫度。

（2）注塑階段是指注塑工藝完成后所需要的時(shí)間。成型周期直接關(guān)系到設(shè)備的使用效率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，所以在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡可能縮短成型周期。在成型過(guò)程中，冷卻和注入時(shí)間是非常關(guān)鍵的，它直接關(guān)系到制品的質(zhì)量。注入時(shí)間與填充速度成正比，通常為3～5 s。

（3）在采用螺旋注塑成型機(jī)時(shí)，螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺桿上部所受的壓力叫做塑化壓力，又稱后壓。這個(gè)壓力值可以由一個(gè)減壓閥調(diào)節(jié)。在注塑工藝中，螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)塑化壓力影響不大，但塑化壓力越大，塑化速率越低，塑化溫度越高。提高塑化壓力可以提高熔體的溫度，使著色劑的均勻混合，并將氣體從熔體中排出。一般情況下，塑化壓力應(yīng)該盡量小，以確保制品的品質(zhì)。但是，塑化壓力的大小取決于塑料的類(lèi)型，但通常不會(huì)大于20 kg/cm。

2 高精密連接器加工中注塑成型品質(zhì)影響因素分析

精密注塑，就是要求塑料產(chǎn)品在一定的尺寸偏差范圍內(nèi)成型，具有很好的可重現(xiàn)性，而且不受注塑機(jī)、工程塑料和注塑過(guò)程的模壓條件的影響。隨著聚合物材料的迅速發(fā)展，塑料可以取代高精度的金屬部件。精密注塑技術(shù)仍以塑膠充填模頭，盡管與一般注塑工藝有很大差異，但塑膠產(chǎn)品與金屬產(chǎn)品在原料和成型方法上存在著本質(zhì)的差異，無(wú)法將塑膠產(chǎn)品與其取代的金屬零件相提并論。決定精密注塑成型的關(guān)鍵在于注塑成型產(chǎn)品的尺寸公差、形狀公差、表面粗糙度。精密注塑成型需要滿足很多相關(guān)的要求，其中四大要素是：塑料、注塑板、注塑工藝、注塑設(shè)備。在進(jìn)行塑料產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先選用工程塑料。高機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定尺寸、抗熱震性和廣泛應(yīng)用環(huán)境的工程塑料，是精密注塑成型所必需的。注塑機(jī)的選用要考慮到所選的塑料材料、成品的尺寸精度、重量和質(zhì)量的需求，還有模具的構(gòu)造。影響注塑成型精度的諸多因素，包括模具精度、注塑收縮、周?chē)h(huán)境溫度、濕度等。

在精密注塑工藝中，模具是實(shí)現(xiàn)高精度注塑產(chǎn)品的關(guān)鍵。精密注塑模具應(yīng)滿足尺寸、精度、形狀、強(qiáng)度、剛度等方面的要求。但是，盡管模具具有同樣的精確度和大小，但因收縮速率的差異，所形成的塑件的真實(shí)大小也會(huì)有差異。所以，對(duì)注塑工藝中的收縮進(jìn)行有效控制是十分必要的。

由于模腔的大小是根據(jù)塑件的大小和所估算的收縮率而得到的，而收縮是塑料制造商或工程塑料說(shuō)明書(shū)中建議的數(shù)值，它不但與澆口的形狀、澆口位置和位置有關(guān)，而且與工程塑料的結(jié)晶方向（各向異性）有關(guān)。熱收縮、相變收縮、壓縮收縮和彈性恢復(fù)四大因素是影響收縮的重要因素。四個(gè)因素對(duì)注塑收縮的影響與注塑制品的成型工藝和工藝條件密切相關(guān)。在模具設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮四大要素與注塑工藝的關(guān)系：注塑壓力和模壓與注塑成型速度、注塑溫度、鑄模溫度、鑄模結(jié)構(gòu)和澆口形狀和分布與澆口橫面積、制品壁厚、塑料材料中加強(qiáng)填料的比例、塑料材料的結(jié)晶性和方向有關(guān)。塑料材料、成型條件等其他方面如溫度、濕度、持續(xù)結(jié)晶、成型后的內(nèi)應(yīng)力和注塑機(jī)等都會(huì)對(duì)以上因素產(chǎn)生影響。

在實(shí)際的工程應(yīng)用過(guò)程中，注塑成型模具按設(shè)計(jì)圖紙制作，將大量的塑膠制品嵌入到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的型腔。注塑過(guò)程包括：合模，澆注，保壓，冷卻，開(kāi)模，脫模和取出零件。在此工藝中，澆注與冷卻是關(guān)鍵。在常規(guī)的冷卻方式下，模具周期、翹曲性能、機(jī)械性能、尺寸精度等都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。大量的研究與生產(chǎn)實(shí)踐證明，在注塑成型工藝中，有60%以上的問(wèn)題是由于冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而造成的。澆口位置對(duì)鑄件澆注系統(tǒng)的影響很大，澆口的選擇與設(shè)計(jì)不能滿足鑄件的需要，會(huì)造成鑄件的成型缺陷。

3 高精密連接器加工中注塑成型工藝優(yōu)化與改進(jìn)

3.1 控制成型收縮率的有效措施

在不同的注塑壓力下，收縮速率會(huì)發(fā)生變化，因此，在單腔模具中，應(yīng)盡量保證內(nèi)部壓力的均勻性。對(duì)于單腔多閥或多腔多閥，為了保證模腔內(nèi)的壓力均勻，需要注入同樣的注入壓力。為了達(dá)到這個(gè)目的，澆口位置一定要保證。為保證模腔內(nèi)部具有均勻的壓力，最好的辦法是在澆口保持恒定的壓力。閘門(mén)上的壓力均勻程度取決于通道內(nèi)的流阻。所以，在達(dá)到平衡澆口前，必須達(dá)到平衡。在精密注塑模的型腔設(shè)計(jì)中，為了方便地決定成形條件，應(yīng)考慮到熔體溫度和模溫對(duì)實(shí)際收縮率的影響。由于熔化的塑料將熱量引入到鑄模中，其溫度梯度的分布主要集中在凹槽周?chē)⑿纬梢粋€(gè)同心圓。為此，應(yīng)采用流道均衡、型腔排列及以主流道為中心的同心圓排列，以減小型腔間的收縮誤差，增大成形條件容許范圍，降低生產(chǎn)成本。精密注塑模的模腔布置既要達(dá)到流道均勻，又要以主流道為中心的布置，又要以主流道為對(duì)稱，若不以主流道為對(duì)稱，則會(huì)導(dǎo)致不同型腔的收縮程度不同。

3.2 避免產(chǎn)生尺寸誤差的有效措施

在注塑和鎖定力的影響下，模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要充分考慮到內(nèi)腔部件的研磨、碾壓和拋光。雖然模腔和型芯的加工精度較高，收縮率達(dá)到了預(yù)定值，但是成形時(shí)存在著中心偏差，使成形制品的內(nèi)外尺寸難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為保證分模面動(dòng)、定模腔的尺寸精度，應(yīng)在導(dǎo)柱、導(dǎo)套定心的基礎(chǔ)上，增設(shè)圓錐、楔塊等定位對(duì)齊，以確保其精確、可靠。制造精密模具所用的材質(zhì)應(yīng)該是高強(qiáng)度、低熱蠕變的合金工具鋼，而用來(lái)制造模腔和澆口的材料要選用高硬度、高耐磨性、高耐蝕性、高強(qiáng)度熱處理、不會(huì)發(fā)生熱變形的材料。在設(shè)計(jì)模具時(shí)，應(yīng)對(duì)降低模具材料熱處理過(guò)程中殘留的奧氏體組織進(jìn)行回火或低溫處理，以避免出現(xiàn)老化及影響模具尺寸精度。

3.3 避免模具變形的有效措施

精密注塑成型模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了要達(dá)到強(qiáng)度指標(biāo)外，還要考慮到足夠的剛度，因此，模具的頂桿孔徑要小于傳統(tǒng)的模具，模腔數(shù)目不能太多，而且要有底板和墊板。如果沒(méi)有足夠的壓力，模具壓力過(guò)大，模具會(huì)發(fā)生很大的彈性變形，從而影響到模具的尺寸精度和外形的公差，嚴(yán)重的話，會(huì)在模具的分型面和凹槽中泄漏，造成局部的塑性變形。

設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證注塑成型制品在冷卻狀態(tài)下易于擠出及脫模。這是由于精密注塑制品的體積較小，壁薄，形狀復(fù)雜。注塑制品具有較高的黏合能力和較低的收縮能力，與流道式澆口和模腔表面具有較好的黏合性能。所以，在設(shè)計(jì)模具時(shí)，要特別注意把注塑件放在頂出邊（通常是動(dòng)模）：采用頂桿頂出時(shí)，應(yīng)注意頂出件的數(shù)目及位置。對(duì)于薄壁型的注塑制品，為了避免頂桿的變形，應(yīng)盡可能地采用卸料板。此外，還可以采用模板和模芯進(jìn)行表面處理，并在模板和模芯上涂一層固體自潤(rùn)滑的涂料，從而降低模具的脫模力，避免模具的變形。對(duì)于精密注塑模，應(yīng)盡可能減少模腔數(shù)量，減少流動(dòng)通道。這樣既便于生產(chǎn)，又便于脫模。在設(shè)計(jì)模具時(shí)，必須注意到熔體流動(dòng)均衡和均勻的壓力梯度。在模腔的脫模方向上，應(yīng)盡量選擇最少的脫模力（即黏附力、靜摩擦力、收縮包覆力的最小合力）。如果需要，可以使用容易拋光的分片式結(jié)構(gòu)。

4 汽車(chē)高精密連接器加工案例分析

4.1 連接器結(jié)構(gòu)分析

圖1是本文案例連接器的外觀示意圖。該塑料零件尺寸為18 mm×12 mm×19 mm，最大壁厚1 mm，最小壁厚0.4 mm，外形呈長(zhǎng)方形，不帶側(cè)抽芯。品質(zhì)要求：表面平整，無(wú)銀絲，氣泡，內(nèi)應(yīng)力，劃痕，油污等；中間小孔需要在剝離后，將銅線順利插入，不留盲孔。

圖1 連接器外觀示意圖

塑件尺寸精度為4級(jí)，采用的注塑材料ABS 具有高硬度、抗疲勞、抗應(yīng)力裂紋、高沖擊強(qiáng)度、易成形等特點(diǎn)，但ABS 材料本身就具有吸濕特性，因此在成形之前必須進(jìn)行烘干，在此過(guò)程中，維持80～85 ℃、時(shí)長(zhǎng)為2～3 h。在形成過(guò)程中，采用壓力注入和低流體阻力的澆注體系是可取的。

4.2 注塑澆口位置的選擇

澆口與成形零件直接連接，具有調(diào)整與控制物料流速、補(bǔ)料時(shí)間、防回流等功能。所以，澆口的位置與成型件的品質(zhì)相關(guān)。Moldflow 的MPI/澆口定位模塊能夠在模具設(shè)計(jì)中對(duì)澆注位置進(jìn)行自動(dòng)分析。在實(shí)踐中，由于模具的構(gòu)造與制作，在此地區(qū)進(jìn)行模具的制作將會(huì)有一定的難度。在此模具中，使用了一種浸入式澆口，其作用類(lèi)似于一條通道，通過(guò)傾斜的角度將塑料熔融物引入到模腔內(nèi)，在開(kāi)模過(guò)程中，可以自動(dòng)關(guān)閉鑄件。

4.3 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

八腔模具中的空腔板尺寸較大，因此在冷卻時(shí)，主要采用循環(huán)冷卻的方法。由于可移動(dòng)的零件中含有大量的芯體，加上螺釘、導(dǎo)柱、定位塊等零件，因此可移動(dòng)零件的排列十分緊密。模具體積小、壁薄、模具固定部位的冷卻通道基本可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.4 成型零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

若成形件內(nèi)徑較小，模心與模心間距亦不大，則不易進(jìn)行模具加工。將型芯分為若干個(gè)部分，就可以分別進(jìn)行加工，并進(jìn)行組合，從而降低了模具制造的困難。模腔是整體的。因?yàn)槟Ｇ恢星度肓诵托?，為了確保模具的精確性，應(yīng)該使用線切削（最好是慢速）來(lái)加工。

4.5 模具結(jié)構(gòu)

在打開(kāi)模頭時(shí)，模子向后縮，模制的部件在兩個(gè)芯子的夾緊作用下從模子中脫出，而固定在芯子固定板上的拉桿將凝結(jié)水抽出并從主流道中排出。在開(kāi)啟模具時(shí)，推板通過(guò)排出機(jī)構(gòu)將部件緩慢地從型芯嵌入件中推出，同時(shí)，在排出機(jī)構(gòu)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，推板和與其固定的推板一起推動(dòng)澆口。在模具閉合后，推板被壓回到原來(lái)的位置，推桿和推板也隨之調(diào)整。

5 結(jié)束語(yǔ)

精密注塑成型技術(shù)是精密連接器加工中的重要核心技術(shù)，準(zhǔn)確的注塑成型模具是實(shí)現(xiàn)高精度注塑成型的基礎(chǔ)和先決條件。通過(guò)對(duì)模具的尺寸和容差的合理選擇、技術(shù)上的控制，避免注塑變形、脫模變形、溢邊和保持模具的精確度。