名片盒注塑工艺与模具设计.docx
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名片盒注塑工艺与模具设计
名片盒注塑工艺与模具设计
1、绪论
1.1、引言
模具是工业生产的基础工艺装备，被称为“工业之母”。
75%的粗加工工业产品零件、50%的精加工零件均由模具成型，绝大部分塑料制品也由模具成型。
作为国民经济的基础工业，模具涉及汽车、家电、电子、建材、塑料制品等各个行业，应用范围十分广泛。
模具又是“效益放大器”，用模具加工产品大大提高了生产效率，而且还具有节约原材料、降低能耗和成本、保持产品高一致性等特点。
在国外，模具被称为“金钥匙”、“进入富裕社会的原动力”等等。
据国外统计资料，模具可带动其相关产业的比例大约是1:
100，即模具发展1亿元，可带动相关产业100亿元。
塑料在农业、制造业、建筑业、国防尖端工业、交通与航空工业、办公及家用电器工业、医疗及医疗器械、包装业、日常用品和体育用品等各个领域应用广泛。
20世纪90年代初，世界合成树脂产量已达到9650万吨，按体积计算已超过了钢的年产量，在机械产品的品种和规模上都成倍增长。
塑料可以说是无所不在并成为人们不可缺少的物质，并且还将有越来越广泛的用途[8]。
塑料模具作为重要的生产装备和工艺发展方向，在现代工业的规模生产中日益发挥着重大作用。
通过模具进行产品生产具有优质、高效、节能、节材、成本低等显著特点，由于塑料的易于成型的优点，充分的考虑塑料的收缩率可以使用塑料模具加工出最终零件，成型精度很高一般不需要精加工。
近年来塑料模具的发展很快，其中注塑模具是最常用的形式。
在塑料材料、制品设计及加工工艺确定以后，塑料模设计对制品质量及产量就具有决定性的影响。
首先，模腔形状、流道尺寸、表面粗糙度、分型面、进浇与排气位置选择、脱模方式以及定型方法的确定等，均对制品尺寸精度和形状精度以及塑件的力学性能，应力大小、表观质量与内在质量等，起着十分重要的影响。
其次，在塑件加工过程中，塑料模结构的合理性，对操作的难易程度具有重要的影响。
再次，塑料模对塑件成本也有相当大的影响，除简易模具外，一般说来制模费用是十分昂贵的，大型塑料模更是如此。
现代塑料制品产生中，合理的加工工艺、高效率的设备和先进的模具，被誉为塑料制品成型技术的“三大支柱”。
尤其是塑料模对实现塑料加工工艺要求、塑料使用要求和塑件外观造型要求，起着无可替代的作用。
高效全自动化设备，也只有装上能自动化生产的模具，才能发挥其应有的效能。
此外，塑件生产和产品更新均以模具制造和更新为前提[14]。
作为近现代科技的先行者---电子产业的发展迅猛，无论在家居、出行、办公、生产等各行各业，智能化更加明显，集成化也更强。
而电子产业是微型、精密型塑料制品的主要应用方向之一，而且由于现在资源匮乏速度比人们预期的要加快许多，我国的树脂也主要靠进口，资源的浪费在生产上只有一成，而九成是在设计环节，我们作为设计者必须认真考量。
塑料模具作为塑料件的生产载体必须与时俱进，跟上时代的步伐。
在模具设计中计算机辅助设计已经普及，本设计通过CAD辅助设计了手机后盖的注塑模具设计。
1.2塑料模具发展现状
现代模具行业是技术、资金密集型的行业。
近年来，我国模具行业结构调整步伐加快，主要表现为大型、精密、复杂、长寿命模具和模具标准件发展速度高于行业的总体发展速度：
塑料模和压铸模比例增大；面向市场的专业模具厂家数量及能力增加较快。
截至2006年底，中国模具制造业规模以上企业1314家，从业人员244155人；全年完成工业总产值555.61亿元，实现销售收入和利润539.58亿元和46.75亿元；出口10亿美元，进口14.7亿美元，进出口比例进一步趋向合理。
数据显示，我国目前模具总产值已跃居世界第三，仅次于日本和美国。
当今世界正进行着新一轮的产业调整．一些模具制造逐渐向发展中国家转移，中国正成为世界模具大国。
近年来，外资对我国模具行业投入量增大，工业发达国家将模具向我国转移的趋势进一步明朗化，我国模具行业迎来新一轮的发展机遇的同时，也将面临巨大的挑战。
据资料介绍，德国已研制出注射0.1g的微型注射机，用于生产0.05g的塑件，我国也研制出0.5g的注塑机，用于生产0.1g左右的手表轴塑件，法国已拥有注塑量为170kg的超大型注塑机，其合模力为150MN；目前我国也研制出注射量达3.5万cm3，合模力为80MN的特大型注射机。
塑件趋向紧密化、微型化与超大型化，对模具的要求也越来越高[2]。
国外近年来发展的高速铣削加工，其主轴转速可达40000~100000r/min，快速进给速度可达30~40m/min，加速度可达1g，换刀时间可提高1~2s；加工模具的硬度可达60HRC，表面粗糙度可达Ra<1um[8]。
近年来，我国研制的PMS镜面塑料模具钢以及美国的P21和日本的NAK55钢，就是在低级材料（中碳钢、低碳钢）中加入Ni、Cr、Al、Cn、Ti等合金元素后，经过毛胚淬火与回火处理，使其硬度≤30HRC,然后加工成型，再进行时效处理，使模具硬度上升40~50HRC，这种模具表面强化热处理新技术的应用，大大提高了模具的使用寿命[2]。
在传统注射成型技术的基础上，又发展出了一些新的注射成型工艺，这是新型注射成型工艺主要包括流体辅助注射成型、结构泡沫成型、复合注射成型、推拉成型、注射压缩成型、低压注射成型、交变注射成型、熔芯注射成型、动态保压注射成型和计算机辅助成型等。
这些新的注射方法将会使得注塑工艺有着更长远的发展[4]。
估计目前我国模具标准件使用覆盖率已达到40%，远不及工业发达国家模具制造的标准化程度。
在各种塑料模具中，只有注射模具有关于模具零件、模具技术条件和标准模架等国家标准。
近年来，我国塑料模具制造水平已有较大提高。
大型塑料模具已能生产单套重量达到50t以上的注塑模，精密塑料模具的精度已达到2μm，制件精度很高的小模数齿轮模具及达到高光学要求的车灯模具等也能生产。
多腔塑料模具已能生产一模7800腔的塑封模；高速模具方面已能生产挤出速度6m/min以上的高速塑料异型挤出模具及主型材双腔共挤、双色共挤、软硬共挤、后共挤、再生料共挤和低发泡钢塑共挤等各种模具。
在生产手段上，模具企业设备数控化率已有较大提高，CAD/CAE/CAM技术的应用面已大为扩展，高速加工及RP/RT等先进技术的采用已越来越多，模具标准件使用覆盖率及模具商品化率都已有较大幅度的提高，热流道模具的比例也有较大提高。
另外，三资企业的蓬勃发展进一步促进了塑料模具设计制造水平及企业管理水平的提高，有些企业已实现信息化管理和全数字化无图纸制造。
我国塑料模具行业和国外先进水平相比，主要存在以下方面的问题：
1）发展不平衡，产品总体水平较低。
包括在生产方式及企业管理上的总体水平与发达国家相比有10年以上的差距。
2）工艺装备落后，组织协调能力差，很多大的项目难以承接。
3）大多数企业规模较小，开发能力弱，创新不足。
4）供需矛盾一时难以解决。
国产塑料模具的市场占有率不高，而在大型、精密、长寿命模具满足率更低。
5）体制和人才问题的解决尚待时日。
随着中国市场经济的发展，计划经济的弊端愈显，计划经济下的很多弊病依然存在，市场经济发展出现畸形，严重制约了模具行业的发展。
模具行业竞争性较强，老的经营体制已不适应，人才的数量和素质也跟不上行业的快速发展，现在这些问题在解决进程中，但还需要时日。
6）原材料、能源、人工成本等持续上升，而模具价格反而下滑，模具企业总体利润不断下降。
为了发展，模具企业必须从以前的经验型和模仿型设计向自主创新设计方向发展，积极采用高新技术已成为一种趋势[14]。
1.3塑料模具发展展望
根据“十一五”模具行业发展的任务与目标，我国模具行业要努力解决发展中存在的诸如总量供不应求、产品结构不够合理、工艺装备水平低、配套性不好、利用率低、技术人才严重不足、专业化程度低、高档产品市场缺席等问题，使我国模具行业向大型、精密、复杂、高效、长寿命和多功能方向发展，在良好的市场环境中稳步前进。
根据国内和国际模具市场的发展状况，有关专家预测，未来我国的模具经过行业结构调整后，将呈现十大发展趋势：
一是模具日趋大型化；二是模具的精度将越来越高；三是多功能复合模具将进一步发展；四是热流道模具在塑料模具中的比重将逐渐提高；五是气辅模具及适应高压注射成型等工艺的模具将有较大发展；六是模具标准化和模具标准件的应用将日渐广泛；七是快速经济模具的前景十分广阔；八是压铸模的比例将不断提高，同时对压铸模的寿命和复杂程度也将提出越来越高的要求；九是塑料模具的比例将不断增大；十是模具技术含量将不断提高，中高档模具比例将不断增大，这也是产品结构调整所导致的模具市场未来走势的变化。
广大模具企业在科学发展观指导下，将进一步搞好科技进步与创新，坚持走新型工业化道路，将速度效益型的增长模式转变到质量和水平效益型的轨道上来，模具工业必将得到又好又快的发展。
2、塑件的工艺分析
2.1塑件形状分析
本零件为名片盒
本零件无特机构。
零件基本尺寸为48×45,壁厚为1mm，粗略计算零件体积为50×46×1=2300mm3=2.3cm3。
零件粗糙度为Ra0.4及Ra0.8。
零件基本尺寸如图2-3所示。
图2-3塑件图
2.2塑件材料分析
2.2.1塑件的材料选用
本塑件为名片盒，要求为耐磨损耐腐蚀和足够的强度，颜色为乳白色，其所选用的材料为电子产品常用材料—PC+ABS（聚碳酸酯+丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物）配比为PC70%+ABS30%。
聚碳酸酯（PC）是一种性能优良的热塑性工程材料，密度为1.18-1.20g/cm3。
聚碳酸酯韧而刚，抗冲击性在热塑性材料中名列前茅，其成型零件可达到很好的尺寸精度并能在很宽的温度变化范围内保持尺寸的稳定性，即成型收缩率可稳定在0.5~0.8%，聚碳酸酯可耐室温下的水、稀酸、氧化剂、还原剂、盐、油、脂肪烃，但不耐碱、胺、酮、芳香烃。
聚碳酸酯具有良好的耐气候性，但其最大的缺点是塑件易开裂，耐疲劳程度较差。
用玻璃纤维增强聚碳酸酯可克服上述缺点，使聚碳酸酯具有更好的力学性能、更好的尺寸稳定性、更小的成型收缩率，并可提高耐热性和耐药性，降低成本。
聚碳酸酯虽然吸水性小，但高温时对水分比较敏感，所以加工前必须进行干燥处理，否则会出现银丝、气泡及强度下降现象；聚碳酸酯熔融温度高，粘度大，流动性差，所以，成型时要求有较高的温度和压力；由于聚碳酸酯熔融粘度对温度比较敏感，所以一般用提高温度的办法来增强熔融塑料的流动性。
丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）是由丙烯晴、丁二烯、苯乙烯共聚而成的。
这三种组分各自的特性，使ABS具有良好的综合力学性能。
丙烯晴使ABS有良好的耐化学腐蚀及表面硬度，丁二烯使ABS坚韧，苯乙烯使它有良好的加工性和染色性能。
ABS无毒、无味、呈微黄色，成型的塑件有较好的光泽。
密度为1.02-1.05g/cm3。
ABS有极好的抗冲击强度，且在低温下也不迅速下降，其成型收缩率为0.3~0.8%。
ABS有良好的机械强度和一定的耐磨性、耐寒性、耐油性、耐水性、化学稳定性和电气性能。
水、无机盐、碱和酸类对ABS几乎无影响，但在酮、醛、酯、氯化烃中会溶解或形成乳浊液。
ABS不溶于大部分醇类及烃类溶剂，但与烃长期接触会软化溶胀。
ABS塑料表面受冰醋酸、植物油等化学药品的侵蚀会引起应力开裂。
ABS有一定的硬度和尺寸稳定性，易于成型加工，经过调色可配成任何颜色。
ABS的缺点是耐热性不高，连续工作温度为70°C左右，热变形温度为93°C左右，且耐气候性差，在紫外线作用下易变硬发脆。
ABS在低温时粘度增高，所以成型压力较高，故塑件上的脱模斜度宜稍大；ABS易吸水，成型加工前应进行干燥处理；ABS易产生熔接痕，模具设计时应注意尽量减少浇注系统对流料的阻力；在正常的成型条件下，壁厚、熔料温度对收缩率影响极小。
在要求塑件精度高时，模具温度可控制在50~60°C，而在强调塑件光泽和耐热时，模具温度应控制在60~80°C[8]。
PC+ABS塑料合金材料的综合性能较好又成型容易，特别具有优良的耐热性能、冲击性能、低温冲击性能和阻燃性。
主要应用于通讯器材、家用电器、汽车、电脑及外设部件。
PC+ABS配比收缩率为1.0045，密度为1.10g/cm3。
根据零件的体积计算出塑件质量为m=2.3cm3×1.10g/cm3=2.53g。
塑件的脱模斜度为型腔80'型芯50'，塑料的摩擦系数为0.2。
2.2.2塑件精度等级的选用及其尺寸公差
由电子工业部颁发的标准（SJ/T10628--95）查得PC+ABS的公差等级为
标注公差尺寸：
高精度MT3，一般精度MT4
未注公差尺寸：
MT5。
根据GB/T14486—1993查得其适用的公差数值见表2-1
表2-1塑料制品尺寸公差表
公差等级
公差种类
基本尺寸
>0~3
3~6
6~10
10~14
14~18
18~24
24~30
30~40
40~50
标注公差的尺寸公差值
MT3
A
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0.24
0.28
0.32
0.36
B
0.32
0.34
0.36
0.38
0.40
0.44
0.48
0.52
0.56
MT4
A
0.16
0.18
0.20
0.24
0.28
0.32
0.36
0.42
0.48
B
0.36
0.38
0.40
0.44
0.48
0.52
0.56
0.62
0.68
未注公差的尺寸允许偏差
MT5
A
±0.10
±0.12
±0.14
±0.16
±0.19
±0.22
±0.25
±0.28
±0.32
B
±0.20
±0.22
±0.24
±0.26
±0.29
±0.32
±0.35
±0.38
±0.42
本零件精度为一般，即为MT4，公差种类为A，零件的公差从其中选择。
2.2.3塑件注塑工艺参数
塑料的注塑工艺参数见表2-2。
表2-2塑料注塑工艺参数表
ABS
PC
PC+ABS
注射机类型
螺杆式
螺杆式
螺杆式
螺杆转速/（r·min-1）
30~60
20~40
30~50
喷嘴{形式
温度/°C
直通式
180~190
直通式
230~250
直通式
200~240
前段
料筒温度/°C{中段
后段
200~210
210~230
180~200
240~280
260~290
240~270
220~250
210~240
190~220
模具温度/°C
50~70
90~110
70~90
注射压力/MPa
70~90
80~130
80~150
保压压力/MPa
50~70
40~50
40~70
注射时间/s
3~5
0~5
1~5
保压时间/s
15~30
20~80
20~60
冷却时间/s
15~30
20~50
20~50
成型周期/s
40~70
50~130
50~100
此塑件的注塑工艺参数为喷嘴温度220°C，料筒温度依次为230°C、220°C、210°C；模温80°C，平均注射压力90MPa注射时间3s；保压压力50MPa，保压时间40s，冷却时间30s。
2.3注塑机的选用
根据塑料注塑工艺参数--注射压力可从XS-ZY-500和XS-ZY-125中选择，其主要参数分别列于表2-3中。
表2-3注塑机参数
项目
XS-ZY-125
XS-ZY-500
额定注射量/cm3
125
500
螺杆直径/mm
42
65
注射压力/MPa
120
145
注射行程/mm
115
200
注射方式
螺杆式
螺杆式
锁模力/kN
900
3500
最大成型面积/cm3
320
1000
最大开合模行程/mm
300
500
模具最大厚度/mm
300
450
模具最小厚度/mm
200
300
喷嘴圆弧半径/mm
12
18
喷嘴孔直径/mm
4
3、5、6、8
顶出形式
两侧设有顶杆，机械顶出
中心液压顶出，顶出距100mm。
两侧顶杆机械顶出
经过对模具应有大小评定选择XS-ZY-125。
2.4注塑机的校核
2.4.1最大注射量的校核
设计模具时，应保证成型塑件所需的总注射量小于所选注塑机的最大注射量，即：
nm+m1≤KmP
式中塑件体积m为2.3cm3，m1为浇注系统和飞边所需的塑料体积，型腔数量n为2，注射机的最大注射量mP为125cm3，可验证得到注射机的最大注射量足够。
2.4.2锁模力的校核
当高压的塑料熔体充满模具型腔时，会产生使模具分型面涨开的力，这个力的大小等于塑件和浇注系统在分型面上的投影面积之和乘以型腔压力，其应小于注塑机的额定锁模力FP，才会在注射时不会发生溢料现象，即：
FZ=p（nA+A1）PC+ABS注射时型腔平均压力为90MPa，nA+A1的数值估算为2×（0.05×0.05）=0.005mm2，即FZ=105kN，而本注射机FP=900kN。
2.4.3注射压力的校核
由于所选材料粘度较大，其所需注射压力较大，ABS注射压力范围为70~90MPa，PC为80~130MPa，本零件材料注射压力为90MPa，注射机为螺杆式，压力损失较小，120MPa已满足使用。
2.4.4模具与注射机安装部分相关尺寸的校核
1）喷嘴尺寸
设计模具时，主流道始端的球面必须比注塑机头部球面半径大1~2mm。
主流道小端直径要比喷嘴直径略大0.5~1mm，以防止主流道口部积存凝料而影响脱模。
2）定位圈尺寸
模具定位板上凸出的定位圈应与注塑机固定模板上的定位孔呈较松动的间隙配合。
3）最大、最小壁厚
模具的总厚度应在注射机可安装模具的最大模厚与最小模厚之间，本注射机为300mm和200mm，本模具厚度为mm，适合此注射机的范围。
4）开模行程的校核
注射机的开模行程是有限制的，塑件从模具中取出所需的开模距离必须小于注射机的最大开模距离，否则塑件无法从模具中取出。
由于注射机的锁模机构不同，开模行程根据情况校核。
本模具为双分型面注射模则其开模行程按下式校核：
S≤H1+H2+a+（5~10）mm=30+25+10+10=75mm
本模具的最大开模行程为300mm，经校核合格。
3塑件的位置及浇注系统设计
3.1塑料制件在模具中的位置
3.1.1型腔数目的确定
按照注射机的最大注射量确定型腔的数目
根据
（3-1）
k——注射机最大注射量的利用系数，一般取0.8;
mp——注射机最大注射量，cm3或g;
m1——浇注系统凝料量，cm3或g；
m——单个塑件体积或质量，cm3或g；
根据前面数据mp=125cm3；m=2.3cm3；m1与m相当，同取2.3cm3；
经计算得到n≤42。
由于成型零件要求精度较高，按塑件的精度要求确定型腔的数目，经验认为，每增加一个型腔，制品尺寸的精度便降低4%。
因此成型高精度的制品时，很难使各个型腔的成型条件与尺寸达到均匀一致，因此型腔不宜过多，经常推荐使用一模四腔结构，而本模具设计时考虑到分型等各方面更适合选用一模两腔。
3.1.2型腔的布排
本模具为一模一腔，。
塑件在模具中的位置为全部在定模中的结构。
3.1.3分型面的选择
分型面是决定模具结构形式的一个重要因素，它与模具的整体结构、浇注系统的设计、塑件的脱模和模具的制造工艺等有关，因此分型面的选择是注射模设计中的一个关键步骤。
分型面的设计需要按照以下原则：
1）分型面应选在塑件外形最大轮廓处；
2）分型面的选择应有利于塑件的顺利脱模；
3）分型面的选择应保证塑件的精度要求；图3-2分型面
4）分型面的选择应满足塑件的外观质量要求；
5）分型面的选择要便于模具的加工制造；
6）分型面的选择应有利于排气。
主分型面得形式为平直分型面，样式如图3-2所示。
3.2普通浇注系统设计
3.2.1普通浇注系统的组成及设计原则
浇注系统式指模具中由注射机喷嘴到型腔之间的进料通道。
普通浇注系统一般由主流道、分流道、浇口和冷料穴等四部分组成。
浇注系统的设计是模具设计的一个重要环节，设计合理与否对塑件的性能、尺寸、内外部质量及模具的结构、塑料的利用率等有较大影响。
对浇注系统进行设计时，一般应遵循如下基本原则：
1）了解塑料的成型性能；
2）尽量避免或减少产生熔接痕；
3）有利于型腔中气体的排出；
4）防止型芯的变形和嵌件的位移；
5）尽量采用较短的流程充满型腔；
6）流动距离比和流动面积比的校核。
3.2.2主流道设计
主流道是指浇注系统中从注射机喷嘴与模具接触处开始到分流道为止的塑料熔体的流动通道，是熔体最先流经模具的部分，它的形状与尺寸对塑料熔体的流动速度和充模时间有较大的影响，因此必须使熔体的温度降和压力损失最小。
采用浇口套以后，不仅对主流道的加工和热处理以及衬套本身的选材等工作带来很大方便，而且在主流道损坏后也便于修磨或更换。
主流道锥角a应为2°C~6°C，本模具为4°C，则主流道大端直径为8.1mm。
标准浇口套根据GB/T4169.19—2006选择，直径D1为35mm。
小端直径d比注射机喷嘴直径大0.5~1mm,本注射机喷嘴直径为4mm，则d选择为4.5mm。
由于小端的前面是球面，其深度为3mm，注射机喷嘴的球面在该位置与模具接触并且贴合，主流道球面半径应比喷嘴球面打1~2mm；本注射机喷嘴半径为12mm，主流道球面半径为13mm。
流道内表面粗糙度为Ra0.8um，材料一般为碳素工具钢，热处理淬火硬度53~57HRC。
根据GB/T4169.19—2006选择标准浇口套35×60。
定位圈浇口套见图3-3。
定位圈与注射机定模固定板中心的定位孔相配合，其作用是为了使主流道与喷嘴和机筒对中。
根据GB/T4169.18—2006选择标准定位圈80。
浇口套与模板间的配合采用H7/m6的过渡配合，浇口套与定位圈采用H9/f9的配合。
3.2.3分流道设计
在设计多型腔或者多浇口的单型腔的浇注系统时，应设置分流道。
（1）分流道的形状与尺寸分流道开设在动定模分型面的两侧或任意一侧，其截面形状应尽量使其比表面积小，在温度较高的塑料熔体和温度相对较低的模具之间提供较小的接触面积，以减少热量损失。
分流道的截面形式选择为梯形截面，其易于加工，且熔体的热量散发和流动阻力都不大，最为常用。
梯形截面分流道的尺寸根据经验选取，梯形大底边宽度b在5~10mm内选择，选取b为8mm；梯形高度h选择为3mm。
分流道内粗糙度为Ra1.6um
（2）
分流道的长度分流道根据型腔在分型面上的排布情况，可分为一次分流道、二次分流道甚至三次分流道。
分流道的长度要尽可能短，且弯折少，以便减少压力损失和热量损失，节约塑料的原材料和降低能耗。
本模具为一次分流道，总长度L为110mm。
3.2.4浇口的设计
浇口亦称进料口，是连接分流道与型腔的熔体通道。
浇口的设计与位置的恰当与否，直接关系到塑件能否完好、高质量地注射成型。
根据零件结构，零件浇口形式为点浇口，点浇口是一种截面尺寸很小的浇口，俗称小浇口。
点浇口的形式为直接式，如图3-4所示，点浇口的直径d=0.5
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