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塑料托盘模具结构设计要点【带图例】

2018-11-14 11:36:11      点击:
塑料托盘模具结构设计又称塑料托盘模具的功能特性设计或塑料托盘模具的工艺性

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1.1塑料托盘模具设计的一般程序和原则


1.1.1塑料托盘模具设计的一般程序


1、详细了解塑料托盘的功能、环境条件和载荷条件
2、选定塑料品种
3、制定初步设计方案,绘制制品草图(形状、尺寸、壁厚、加强筋、孔的位置等)
4、样品制造、进行模拟试验或实际使用条件的试验
5、制品设计、绘制正规制品图纸
6、编制文件,包括塑料托盘设计说明书和技术条件等。

1.1.2塑料托盘模具设计的一般原则


1、在选料方面需考虑:
(1)塑料的物理机械性能,如强度、刚性、韧性、弹性、吸水性以及对应力的敏感性等;
(2)塑料的成型工艺性,如流动性、结晶速率,对成型温度、压力的敏感性等;
(3)塑料托盘在成型后的收缩情况,及各向收缩率的差异。
2、在制品形状方面:能满足使用要求,有利于充模、排气、补缩,同时能适应高效冷却硬化(热塑性塑料托盘)或快速受热固化(热固性塑料托盘)等。
3、在模具方面:应考虑它的总体结构,特别是抽芯与脱出制品的复杂程度。同时应充分考虑模具零件的形状及其制造工艺,以便使制品具有较好的经济性。
4、在成本方面:要考虑注射制品的利润率、年产量、原料价格、使用寿命和更换期限,尽可能降低成本。

1.2、塑料托盘的收缩


塑料托盘在成型过程中存在尺寸变小的收缩现象,收缩的大小用收缩率表示
S=(L0-L)/L0*100%
式中S——收缩率;
L0——室温时的模具尺寸;
L——室温时的塑料托盘尺寸。
影响收缩率的主要因素有:
(1)成型压力。型腔内的压力越大,成型后的收缩越小。非结晶型塑料和结晶型塑料的收缩率随内压的增大分别呈直线和曲线形状下降。
(2)注射温度。温度升高,塑料的膨胀系数增大,塑料托盘的收缩率增大。但温度升高熔料的密度增大,收缩率反又减小。两者同时作用的结果一般是,收缩率随温度的升高而减小。
(3)模具温度。通常情况是,模具温度越高,收缩率增大的趋势越明显。
(4)成型时间。成型时保压时间一长,补料充分,收缩率便小。与此同时,塑料的冻结取向要加大,制品的内应力亦大,收缩率也就增大。成型的冷却时间一长,塑料的固化便充分,收缩率亦小。
(3)塑料托盘模具温度。通常情况是,模具温度越高,收缩率增大的趋势越明显。
(4)成型时间。成型时保压时间一长,补料充分,收缩率便小。与此同时,塑料的冻结取向要加大,制品的内应力亦大,收缩率也就增大。成型的冷却时间一长,塑料的固化便充分,收缩率亦小。
(6)进料口尺寸。进料口尺寸大,塑料托盘致密,收缩便小。
(7)玻璃纤维等的填充量。收缩率随填充量的增加而减小。

1.3、塑料托盘模具脱模斜度


脱模斜度:为便于脱模,塑料托盘壁在出模方向上应具有倾斜角度α,其值以度数表示

1.3.1塑料托盘模具脱模斜度确定要点


(1)制品精度要求越高,脱模斜度应越小。
(2)尺寸大的制品,应采用较小的脱模斜度。
(3)制品形状复杂不易脱模的,应选用较大的斜度。
(4)制品收缩率大,斜度也应加大。
(5)增强塑料宜选大斜度,含有自润滑剂的塑料可用小斜度。
(6)制品壁厚大,斜度也应大。
(7)斜度的方向。内孔以小端为准,满足图样尺寸要求,斜度向扩大方向取得;外形则以大端为准,满足图样要求,斜度向偏小方向取得。一般情况下脱模斜度。可不受制品公差带的限制,高精度塑料托盘的脱模斜度则应当在公差带内。
由表中可以看出,塑料硬脆、刚性大的,脱模斜度要求大。
具备以下条件的型芯,可采用较小的脱模斜度:
(1)顶出时制品刚度足够。
(2)制品与模具钢材表面的摩擦系数较低。
(3)型芯表面的粗糙度值小,抛光方向又与制品的脱模方向—致。
(4)制品收缩量小,滑动摩擦力小。

1.3.2塑料托盘模具脱模斜度设计


1、箱体与盖类制品
当H≤50mm时,S/H=1/30~1/50
当50<H≤100mm时,S/H≤1/60
2、格子板形制品
当格子的间距P≤4mm时,脱模斜度α=1/10P。格子C尺寸越大,脱模斜度越大。
当格子高度H超过8mm,脱模斜度不能取太大值时,可采用图(b)的形式,使一部分进入动模一侧,从而使脱模斜度满足要求。
3、带加强筋类制品
4、底筋类制品
5、凸台类制品
6、最小脱模斜度
脱模斜度影响制品的脱出情况。如果脱模斜度很小,脱模阻力增大,顶出机构就会失去作用。在一般情况下,不能小于最小脱模斜度,以防止制品留模。

1.4、塑料托盘壁厚


确定合适的制品壁厚是制品设计的主要内容之一。

1.4.1塑料托盘模具壁厚的作用


(1)使制品具有确定的结构和一定的强度、刚度,以满足制品的使用要求。
(2)成型时具有良好的流动状态(如壁不能过薄)以及充填和冷却效果(如壁不能太厚)
(3)合理的壁厚使制品能顺利地从模具中顶出。
(4)满足嵌件固定及零件装配等强度的要求。
(5)防止制品翘曲变形。

1.4.2塑料托盘模具壁厚的设计


基本原则——均匀壁厚。即:充模、冷却收缩均匀、形状性好、尺寸精度高、生产率高。
(1)在满足制品结构和使用要求的条件下,尽可能采用较小的壁厚。
(2)制品壁厚的设计,要能承受顶出装置等的冲击和振动。
(3)在制品的连接固紧处、嵌件埋入处、塑料熔体在孔窗的汇合(熔接痕)处,要具有足够的厚度
(4)保证贮存、搬运过程中强度所需的壁厚。
(5)满足成型时熔体充模所需壁厚,既要避免充料不足或易烧焦的薄壁,又要避免熔体破裂或易产生凹陷的厚壁。制品上相邻壁厚差的关系(薄壁:厚壁)为:
热固性塑料:压制1:3,挤塑1:5
热塑性塑料:注塑1:1.5
当无法避免不均匀的壁厚时,制品壁厚设计可采用逐步过渡的形式(图2-6,图2-7),或者改制成两个制品然后再装配为一个制品(图2-8)等方法。

1.5、加强筋(含凸台、角撑)


1.5.1加强筋的作用


(1)在不加大制品壁厚的条件下,增强制品的强度和刚性,以节约塑料用量,减轻重量,降低成本。
(2)可克服制品壁厚差带来的应力不均所造成的制品歪扭变形。
(3)便于塑料熔体的流动,在塑料托盘本体某些壁部过薄处为熔体的充满提供通道

1.5.2加强筋的形状及尺寸

1.5.3塑料托盘加强筋的设计要点


(1)用高度较低、数量稍多的筋代替高度较高的单一加强筋,避免厚筋底冷却收缩时产生表面凹
陷(图2-17、图2-18)。当筋的背面出现凹陷影响美观时,可采用图2-19所示的装饰结构予以遮掩
(2)筋的布置方向最好与熔料的充填方向一致(见表2-12中示例)。
(3)筋的根部用圆弧过渡,以避免外力作用时产生应力集中而破坏。但根部圆角半径过大则会出现凹陷。
(4)一般不在筋上安置任何零件。
(5)位于制品内壁的凸台不要太靠近内壁,以避免凸台局部熔体充填不足(图2-20)。加强筋在防止制品变形、增加制品刚性方面的应用如图2-21~图2-22所示

1.6、支承面


制品的支承面不能是整个底面,而应采用凸边或凸起支脚类结构,如三点支承、边框支承等,如图2-23~图2-26所示

1.7、圆角


制品的两相交平面之间尽可能以圆弧过渡,避免因锐角而造成应力集中等弊病(参见图2-27~图2-30)。制品圆角的作用有:
(1)分散载荷,增强及充分发挥制品的机械强度。
(2)改善塑料熔体的流动性,便于充满与脱模,消除壁部转折处的凹陷等缺陷。
(3)便于模具的机械加工和热处理,从而提高模具的使用寿命。

1.8、孔


1.8.1制品孔的形式及成型方法


孔的形式很多,主要可分为圆形孔(图2-31、图2-32)和非圆形孔两大类。
根据孔径与孔深度的不同,孔可用下述方法成型:
(1)一般孔、浅孔,模塑成型。
(2)深孔,先模塑出孔的一部分深度,其余孔深用机械加工(如钻孔)获得。
(3)小径深孔(如孔径d<1.5mm),机械加工。
(4)小角度倾斜孔、复杂型孔,采用拼合型芯成型,避免用侧抽芯。
(5)薄壁孔、中心距精度高的孔(孔系),采用模具冲孔,以简化塑模结构。

1.8.2孔的模塑成型


1、盲孔成
图中,D——孔径、L——孔深
注射、传递模塑D≤1.5mm,L=D
D>1.5mm,L=(2~4)D
压缩模塑L=(2~2.5)D
2、通孔的成型
3、复杂型孔的成型
4、孔的成型尺寸参数

1.8.3孔的设计要


(1)孔与孔的中心距应大于孔径(两者中的小孔)的2倍,孔中心至边缘的距离为孔径的3倍。热塑性和热固性塑料托盘的孔心距、孔边距还可参见图2-40和表2-1
(2)孔周边的壁厚要加大,其值比与之相装配件的外径大20%~40%,以避免收缩应力所造成的
不良影响。
(3)制品壁上的孔(即孔轴线与开模方向相垂直),为避免侧向抽芯,可用图2-41中的侧壁凹槽
代替。但图中的m-n面的加工难度加大
(4)塑料熔体围绕型芯流动汇合而形成塑料托盘孔时,会在孔的边缘熔体汇合处形成熔接痕(图2-42),熔接痕的存在削弱了制品的强度。解决的措施有:
1)孔与孔之间应适当加大距离,以避免熔接痕的重合连接(图2-42)。
2)型孔按盲孔设计,留有1/3壁厚的连皮,以便让熔体从型芯头上越过,使之不出现熔体汇合的熔接痕。最后钻(冲)掉孔的连皮(图2-43)。
3)热塑性塑料和层压酚醛塑料的薄壁孔形件(如散热器窗),可用冲裁模冲压出型孔。
(5)需要钻孔的制品,模塑孔时应做出钻头的定位或导向部分的形状
(6)自攻螺纹孔、沉头螺钉孔的锥面孔,为防止孔表面破裂,锥面始端距表面应不小于0.5mm

1.9、侧面凸凹和侧孔


1.9.1塑料托盘的侧凸凹


制品侧壁上局部的凸出或凹缺部分称为侧凸凹
侧凸凹制品成型中的不利点:
(1)模具结构复杂,需采用对开式型腔、伸缩式型芯、侧向抽芯等结构。
(2)模具制造费用加大,制造周期加长。
(3)制品模塑周期加长,生产成本增加。
(4)模具分型面缝隙溢料机会增多,制品的飞边大。

1.9.2侧凸凹的设计与成型方法


(1)制品形状成型准则:各部分都能顺利地、简单地从塑模中取出来,力求避免带有侧抽芯机构成型的侧凸凹形状。表2-18为制品侧凸凹设计示例。
(2)消除制品侧凸凹的设计
(3)采用拼合及活动型芯成型侧凸凹
(4)弹性制品侧面凸凹的强制脱模(图2-50~图2-52)。利用塑料的弹性变形和凸凹深度尺寸不大的特点,强制性地将制品从模中脱出。
(5)侧面凸凹在成形后经组合而得,或采用机械加工方法加工而成。图2-53为模塑后钻出侧孔的一例。

1.10、螺纹和齿轮


1.10.1塑料托盘螺纹的类型与选用


(1)标准螺纹。标准螺纹是制品的模塑螺纹和攻制螺纹常用的结构形式。这类螺纹装拆简便、快速,广泛用于联接与紧固。
(2)方形螺纹。方形螺纹联接强度高,用于管件制品的联接。
(3)梯形螺纹。梯形螺纹联接强度高,成型较方形螺纹容易,用于泵壳等处高强度联接
(4)锯齿形螺纹。这种螺纹具有方形螺纹的联接效率和V形螺纹的强度,沿轴向有较高的应力。用于单向受力及软质瓶口联接,应用面较窄。
(5)圆弧形螺纹(瓶口螺纹)。由玻璃瓶口螺纹移植而来,螺纹根部不产生应力集中,旋出旋入十分方便。成型时还可采用强制脱出法脱模。
(6)V形螺纹(三角形螺纹)。V形螺纹联接强度低,螺纹牙尖部分难于充满成型,小螺距(<0.7mm)螺纹不宜模塑

1.10.2塑料托盘螺纹的模塑成型方法


这是塑料螺纹成型的主要方法,用于螺纹外径大于3mm、配合长度短(<30mm)、精度低的螺纹。
方法一:采用螺纹型芯(螺纹型环)成型。需要有旋转退出制品或模具的机构及工具。配合长度大的螺纹及收缩大的制品不宜用。
方法二:瓣合模具成型。螺纹轴向可能产生飞边(见图2-55),因而影响旋合性。
方法三:整体型芯(型环)成型,成型后强制脱模。用于软质塑料成型

1.10.3塑料托盘螺纹设计要点


(1)为使螺纹牙尖充填饱满、便于脱模以及在使用中有较好的旋合性,模塑螺纹的螺距应≥0.75mm,螺纹配合长度≤12mm,超过时宜采用机械加工。
(2)塑料螺纹与金属螺纹,或与异种塑料螺纹相配合时,螺牙会因收缩不均互相干涉,产生附加应力而影响联接性能。解决的办法有:
1)限制螺纹的配合长度,其值小于或等于1.5倍螺纹直径。
2)增大螺纹中径上的配合间隙,其值视螺纹直径而异,一般增大的量为0.1~0.4mm。
(3)塑料螺纹的第一圈易碰坏或脱扣,应设置螺纹的退刀尺寸
(4)为了便于脱模,螺纹的前后端都应有一段无螺纹的圆柱面(图2-59、图2-60),其长度为h1和h2,前端直径d小于螺纹小径,后端直径D大于螺纹的大径。
(5)同一制品上前后两段螺纹的螺距应相等,旋向相同,目的是便于脱模(见图2-62a)。若不相同,其中一段螺纹则应采用组合型芯成型
(6)塑料托盘瓶口螺纹的结构及尺寸见表2-20~表2-23。图2-63和图2-64为软质塑料所用的锯齿形螺纹

1.10.4塑料齿轮


(1)塑料齿轮用于精度及强度不太高的传动系统,其噪声低,自润滑性好
(2)结构上应减少或避免尖角,避免截面的剧烈变化,以防止应力集中和冷却收缩不均(图2-65)。
(3)装配时轴与孔间应采用过渡配合,避免过紧的配合(如过盈配合)所产生的装配应力(图2-66)

(4)塑料的收缩会影响啮合性能,故只宜用于收缩率相同的塑料齿轮的传动。

1.11塑料托盘中的嵌件


塑料成型过程中所埋入的或成型后压入的螺栓、接线柱等金属或其它材质零件,统称为塑料托盘中的嵌件。嵌件可增加制品的功能或对制品进行装饰。
嵌件的模塑使操作变繁,周期加长,生产率降低(带有自动装夹嵌件的机械手或自动线不在此列)。

1.11.1嵌件的结构形式


1、常见的金属嵌件
2、嵌件的形状及结构要求
(1)金属嵌件采用切削或冲压加工而成,因此嵌件形状必须有良好的加工工艺性。图2-68为常用嵌件的标准形式
(2)具有足够的机械强度(材质、尺寸)。
(3)嵌件与塑料基体间有足够的结合强度,使用中不拔出、不旋转。嵌件表面需有环形沟槽或交叉花纹(参见图2-68);嵌件不能有尖角,避免应力集中引起的破坏;尽可能采用圆形或对称形状的嵌件,保证收缩均匀
(4)为便于在模具中安放与定位,嵌件的外伸部分(即安放在模具中的部分)应设计成圆柱形,因为模具加工圆孔最容易
(5)模塑时应能防止溢料,嵌件应有密封凸台等结构
(6)便于模塑后嵌件的二次加工,如攻螺纹、端面切削、翻边等。图2-71a即为模塑后再翻边的嵌件结构。
(7)特殊嵌件的结构参见图2-71。
3、嵌件材料
铜、铝、钢、硬质异种塑件、陶瓷、玻璃等都可作为嵌件材料,其中,黄铜不生锈、耐腐蚀、易加工且价格适中,是嵌件的常用材料。

1.11.2嵌件在塑料托盘中的固定


(1)为避免制品底部过薄出现波纹形缩痕而影响外观及强度,应取嵌件底面距制品壁面的最小距离T>D/6(图2-72)。
(2)嵌件与制品侧壁的间距不能过小,以保证模具有一定的强度
(3)凸台中设置嵌件时,为保证嵌件结合稳定以及塑料基体的强度,嵌件应伸人到凸台的底部(需保证最小底厚),嵌件头部作成圆角(图2-74)。
(4)小型圆柱形嵌件可用中间开槽或表面菱形滚花结构植于塑料基体之中(图2-75),滚花槽深1~2mm。
(5)板、片状嵌件可用孔窗固定法固定,但薄形嵌件(厚度小于0.5mm)宜用切口或打弯的方法固定
(6)杆形嵌件可用将头部打扁、冲缺、压弯、劈叉等形式固定(图2-77),也可用将圆杆的中间部分压扁的方法固定
(7)管形冲压嵌件,可在冲压时加工出膨凸部分,用以增强紧固力

1.11.3嵌件在模具中的安放与定位


1、嵌件的安放、定位要求
(1)不能因设备的运动或振动而松动甚至脱落。
(2)在高压塑料熔体的冲击下不产生位移和变形。
(3)嵌件与模具的配合部分应能防止溢料,避免出现毛刺,影响使用性能。
2、轴类嵌件的安放定位
3、孔类嵌件的安放定位
4、细长嵌件的安放定位
细长嵌件的轴线与料流方向垂直时,易产生弯曲变形,需用销轴等支承,以增加其刚性(图2-84)。注意,附加的支承孔不应影响制件的使用

1.11.4嵌件周围塑料的裂纹和联接强度


1、裂纹产生的原因
(1)塑料收缩的内应力和自然老化(图2-85
(2)嵌件的结构和安放位置不合理
2、保证连接强度的必要条件最小壁

1.11.5装配式嵌件(制品模塑后再装入嵌件)


(1)饭金加工(装配)法,如铆接(图2-87)、折弯(图2-88
(2)用工具将嵌件压入或旋入制品
(3)热插法。热固性塑料托盘出模时,在热态下将嵌件插入,冷却后即牢固地结合在一起(图2-91)。塑料收缩量应在其弹性范围内,否则塑料会裂开。
(4)其它装配方法。①粘结:热固性塑料用环氧树脂粘结,热塑性塑料用溶剂类粘结剂粘结。②超声波装配:热塑性塑料软化后压人。

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