曲柄注塑模設計
——成型零件的設計及模架的確定

陳營 周佳

成都工業學院 四川 成都 611730

引言

近年來，注塑模具技術產業發展較為迅速[1-3]，伴隨著轉型的加強，我們國家未來發展方向越來越明朗，我國模具技術從20世紀90年代時的“不能做”到現在“能做”的轉型，模具注塑產業從小作坊到現在的跨國企業，產業規模發展非常快，目前已經居世界前列[2,4]。然而，國外利用CAD[5]和CAE[6]技術對注塑模具型腔內熔料真實模擬，可以提前預測出產品和模具的缺陷，在這些方面我國還有不足。

本研究是針對曲柄制件作為研究對象，利用CAD技術和CAE技術對塑料模具進行分析和設計。首先對塑件進行分析，然后根據塑件特點計算相關屬性，對型腔數目進行了確定，對注塑機進行初步選擇，然后著重對成型零部件的尺寸進行了計算，根據結構零件尺寸確定了模架。

1 塑件分析

圖1 所示零件為曲柄，由平面，圓角等基本簡單形狀組成，使用軟件測量其厚度為2mm，最大外形尺寸為45.4×20.1×4.5mm，塑件內外側無尖利或薄的結構特征，厚度均勻過渡，不會產生冷卻溫差不均勻，發生翹曲等現象。此塑件需美觀的表面，優良的機械綜合性能，良好的耐磨性，根據此要求，并且考慮了市場成本方面，材料選擇聚碳酸酯（PC）較為合適，根據資料查閱得出PC的密度為1.2g/cm3，收縮率為0.006。圖1所示零件外形是根據UG軟件三維數字參數化造型所建，具體尺寸如圖所示。

圖1 塑件圖

影響模具成型出質量優良的產品最直接的因素是溫度、壓力、時間等參數。該材料是PC，塑料通常會含有少量的水分，必須要對它進行干燥處理才能保證在注塑過程中不會產生水汽等現象，通過查詢資料[1]，該塑料允許含水量為0.01%~0.02%，干燥溫度為110℃~120℃，干燥時間為6~8小時，料筒的溫度分為三部分，第一部分溫度為240℃~270℃，第二部分溫度為260℃~290℃，第三部分溫度為240℃~280℃，同時要保證噴嘴溫度為230℃~250℃，模具溫度為90℃~110℃。壓力分為注射壓力和保壓壓力，在注塑過程中可以設定注射壓力為80~130Mpa，保壓壓力為40~60Mpa。整個注射周期最好在40~120s范圍內，注射時間為1~5s，保壓時間為20~80s，冷卻時間為20~50s。

2 選擇注塑機

2.1 確定型腔數目

型腔數目和模具結構有直接聯系，它通常是按照對稱分布，這樣的排布可以使整個模具受力均衡，流動平衡，然后參考模具中是否有抽芯結構，澆注系統如何設計，還要考慮模具制造加工的成本和塑件精度的要求。通過對以上因素進行綜合分析，選擇1模2腔。

2.2 選擇注塑機

2.2.1按照注射機的鎖模力參數作為參考選值。當熔融后的材料進入了模腔內部時，會有一個很大的注射壓力讓其在分型面處分開，如果在此方向的投影面積大，會有一個較大的受力，該受力是與投影面積和模腔壓力直接聯系的。

圖2 塑件投影圖

壓模力校驗算式為：

其中，Ni1—凸凹模數目；

Pc—型腔平均壓力，通常為30MPa；

Fn—注塑機緊閉力，Fn=630×1000N；

Ai—產品映射面積，Ai=533.48mm2；

Af—凝料映射面積，Af=225.68mm2。

代入：

2.2.2 按照注塑機一次的注塑量來確定。

圖3 塑件體積圖

制件質量公式[7]：

其中：M1—塑料件質量；

V1—制件容積，通過軟件運算，V1=1.69cm3；

ρ—材料密度。

代入：

澆注系統體積計算公式[7]：

其中：K—擦動系數 K，通常為0.6；

V1—制件容積；

n—凸凹模數目，一模2腔，n=2；

V2—注射系統容積。

代入：

注塑總重量算式[7]：

其中：n—凸凹模數目，n=2；

M0—一次成型總重量；

M1—塑料件質量，M1=2.028g；

M2—澆注系統質量，M2=ρ×V2=1.2×2.028=2.434g。

代入：

在設計開始的時候，可以根據產品體積作為參考，再通過鎖模力和注射量，進行初選。

根據以上計算，初選注塑成型設備為SZ-100/630。

3 成型零件設計

產品在模具內保壓、冷卻成型，直接接觸表面的零件就是型芯、型腔，通常單獨對它們進行設計。

3.1 內模鑲件尺寸選擇

通常塑件最大外形單邊在25~45mm之間，考慮到過多不能浪費材料和內部有冷卻孔和螺紋的結構，它們之間距離不能小于5mm，所以通過CAD設計時，確定了長度尺寸為150mm，寬度尺寸為120mm。

3.2 工作尺寸計算

其中：D—內腔基礎尺寸，D=45.4mm；

δ—加工公差，根據1/4△，參考δ=0.25×0.64=0.16；

DM—制件內形狀尺寸；

△—制件公差，△=0.64；

S—縮水率，S=0.006。

代入：

其中：S—縮水率，S=0.006；

DM—制件內形狀尺寸；

δ—加工公差，根據1/4△，參考δ=0.25×0.44=0.11；

△—制件公差，△=0.44；

D—內腔基礎尺寸，D=20.1mm。

代入：

其中：HM—厚度尺寸；

δ—加工公差，根據1/4△，參考δ=0.25×0.44=0.11；

S—縮水率，S=0.006；

D—外側厚度尺寸，D=4.5mm；

△—制件公差，△=0.44。

代入：

其中：d—外部基礎尺寸，d=2mm；

δ—加工公差，根據1/4△，參考δ=0.25×0.2=0.05；

dm—制件外形狀尺寸；

S—縮水率，S=0.006；

△—制件公差，△=0.2。

代入：

其中：△—制件公差，△=0.44；

hm—厚度尺寸；

S—縮水率，S=0.006；

δ—加工公差，根據1/4△，參考δ=0.25×0.44=0.11；

d—厚度基本尺寸，d=4.6mm。

代入：

4 模架型號選擇

模架對于模具來說，是一個承載的容器，它把內部各種結構聯系在一起，讓其合適地應用在注塑機上，因此要對模架進行合理的選擇。

在模具標準里，模具結構大致分為兩種，第一種是兩板結構，第二種是三板結構，本模具采用的是側澆口結構，即兩板結構。

4.1 模板的計算

模具的長寬方向是能否安裝在注塑機上的重要條件，根據設計的模具結構，選擇合適模具長寬尺寸。

零件板長公式：

其中：L2—導柱離型腔距離，L2=47mm；

L3—孔離模板邊距離，L3=28mm；

L—工模板長；

L1—凸凹模長邊長度，L1=150mm。

代入：

模具板寬算式：

其中：B1—短邊度量，B1=120mm；

B—零件板寬度；

B2—導柱離型腔距離，B2=47mm；

B3—孔離模板邊距離，B3=28mm。

代入：

圖4 模板尺寸示意圖

4.2 模架的確定

在得到模架的長度尺寸和寬度尺寸時，同時要對A板、B板以及C板高度進行選擇計算。

A板高度公式：

其中：h1—型腔厚度方向，h1=29.5mm；

h2—孔離模板邊距離，h2=15mm；

h3—孔與模板底距離，h3=15.5mm；

hA—上模板高度。

代入：

動模板高度計算公式：

其中：h1—凸模深度，h1=29.5mm；

hB—B板高度；

h2—孔離型芯距離，h2=15mm；

h3——孔與模板底距離，h3=15.5mm。

代入：

角塊厚度公式：

其中：h3—頂桿固定板厚度，h3=15mm；

hC—墊塊高度；

h2—推板厚度，h2=20mm；

h1—頂出距離，h1=30mm；

h4—安全高度，h4=5~10mm 該處h4=5mm。

代入：

通過計算模架長寬尺寸和A板、B板及C板高度，最終選擇模架型號為CI2730-A60-B60-C70。

5 結束語

通過分析塑件屬性和技術要求，使用三維軟件測量數據，確定了塑件體積和質量，確定了型腔數目為一模兩腔，初步選擇了注塑機，型號為SZ-100/630。確定好模具零件尺寸后，對整體模架尺寸進行調整，計算出相互零件間的尺寸關系，最終確定了模架尺寸，型號為CI2730-A60-B60-C70。