塑料模具设计事例研究

小黄豆

一.设计准备
5 T6 R* f# p2 T# S! D1. 必需的图纸、金型仕样书的内容等的确认：
在正式的金型设计之前，下列图纸或文件通常要具备：
① 部品图；②金型设计制作仕样书；③设计制作契约书；④其他
7 x' r( T# K7 \; }并且要对上述资料完全理解，不明确处要得到客户的确认。
2. 把握图面的概要
部品图决定了金型设计的最终目的，必须透彻地理解。日本客户提供的部品图是按照JIS制图规定采用三角法绘制的，通常由以下部分构成：
7 v+ N1 |% ?2 r) p正面图、平面图、侧面图、断面图、详细图、参考图、注记、公差一览、仕上记号一览、标题栏、其他
4 T5 @; V0 u( q! O# r# k- y在视图过程中要注意以下方面：
① 公差要求较严格处；②对金型构造有影响的部位；
( [% t1 J8 x# F; K/ N, ^7 K② 现有图面无法理解的部分；④注记中特别突出的事项
7 C9 B7 L+ ?" r8 u⑤特殊的材料和热处理要求；⑥部品壁厚较薄处（t<0.6mm）
1 l) W3 O$ x* E; |. l9 V⑦部品壁厚较厚处；⑧外观上有无特别仕样要求
) m/ L! y. v) A5 b5 I⑨三维曲面部分；⑩设计者、日期、纳期、价格等
0 E0 ?8 \* h/ }$ g5 @+ M% A; G3. 部品立体形状的理解
部品图是二维绘制的，要通过视图转换成设计者头脑中的三维形状，而手绘立体图对此很有帮助。
" N* o* S4 {  ~8 Q8 L准备好纸和铅笔。
6 l6 n0 a6 C$ W/ `3 f1 y首先绘制出制品的大致外形轮廓，然后再根据自己对部品图的理解，绘制出部品各部位的断面图。
* C5 I6 V. z/ M; |4 A  [  L上述这些对将来分型面的确定、入子的分割非常重要。如果条件允许，使用粘土等辅助物来帮助理解会更好。
4.标题栏的检讨
部品图的标题栏一般注明了图面中的公差、部品的材料等一些内容，必须要认真研读。
0 a7 D3 C" A& q. l( x- U5 \①部品名；②图名；③图番；④材质（包括收缩率）；⑤仕样，指材质的详细仕样，如生产厂家、商品名、髦??牛虎蕹叨龋虎呱杓普撸虎啾涓?福?br> 5.注记部分的检讨
3 c8 a. U4 f" U1 U4 j/ ~⑴浇口种类、位置、数量
$ C" F3 |! v5 f如无特殊要求，则金型设计者在自行决定后需征得客户的同意。
5 I1 q7 h+ A5 x, ^; _⑵入子分割线的要求
4 i6 Q5 n# U" [+ R' Y! |由于入子分隔线会在制品表面形成接痕，影响外观，尤其对折叠部位有害，所以设计者应遵守部品图的规定。
) a" I8 a3 g. ]- ?⑶成型品表面划伤等缺陷的规定
金型设计者应避免可能发生上述缺陷的金型结构设计。
  s3 N2 Y" q5 q* _& E' y⑷未注公差的要求。
⑸成型品形状及尺寸上的变更需征得客户的同意，作为金型设计者来说，不可自行决断。
- I* u; w9 E2 U⑹主视图的检讨
主视图是图面中尺寸较集中的地方，确认两侧公差及片侧公差，并标记其中较严格者。
⑺其他各视图的检讨。方法同上
⑻必要型缔力的检讨
1 ~/ z1 w8 D) N6 H" I- j( \熔融树脂在注射时，会在金型分型面上产生一个相当大的注射压力。如注射机最大型缔力小于注射压力，则模板之间就会产生缝隙，发生溢边现象。必要型缔力的计算如下：
1 E2 U/ @. z. v9 t9 HF=P×A F：必要型缔力（Kg）
4 D: r- h/ u, g( q: B! ~/ SP：注射压力（Kg/cm2），取300～500，视成型条件而定
) Q$ q& v% ~% {5 G+ V3 HA：制品在注射方向上的投影面积cm2
2 q- L( Y3 {1 Z9 Y2 H⑽必要射出体积的检讨
: [$ p- Q5 S: [6 U在选择注射机时，要进行射出体积的检讨。
/ w$ a( y( N/ C1 o4 _; I, V; Y包括聊吧、制品在内的体积总和要小于注射机最大注射量的1/2～2/3
6 d/ \: i# ~) B* D+ ]⑾其他事项
如客户提供的资料不全，需跟客户联系，取得全部资料。
使用彩笔标记出自己认为较重要的，以利于下一步的设计。
" L9 s  Z( `' i) L; u8 U& f( k! n二.成型品基本图的设计
9 f' n# W! i/ n; w下图是金型设计工作的大致流程：
初期检讨→成型品基本图设计→金型构造设计→部品图设计→检图→出图
塑料注射金型的设计从成型品基本图的设计入手，其正确与否决定了成型制品的好坏。
下面就成型品基本图的设计手法进行讲解：
1. 了解成型材料的特性
/ S, R( |  C( G& {1 h$ G最关键的是流动性能的好坏和收缩率的大小
2. 可充填性的检讨
" W8 K3 U5 E3 v6 H5 Z2 I( ~/ Y5 h应全面考虑以下几个方面:
① 型腔可否完全填充；②溶接痕的位置；③气泡的发生；
③ 成型品的变形；⑤点浇口的切断痕；⑥其他
在设计工作中，根据工作条件，采用下述方法来分析验证：
① 类似金型的比较；②流动比（L/T）的计算；③CAD、CAE
, d$ g+ ?" L4 s' [# m3 i4 A/ x' l3. 浇口位置的确定
4. 浇口形状的确定
' ]0 `/ T( H& w: N: @" m5. 分型面的确定
8 z5 `$ t8 U; {& U2 y: N# `9 {应参照下述原则:
  k/ [) P$ ?5 n0 D0 }/ r7 p① 尽量采用平面;②易于加工;③无离型不良发生;④外观上分割线无影响处.
" k) b" i$ e1 b4 ~/ j& t+ i6. 金型制作寸法的决定
0 B( X4 x; M8 ?% ]2 w- y8 r9 ?由于塑料冷却以后的收缩性，故金型制作寸法要考虑“成型收缩率”，方法如下：（以收缩率0.2%为例）
6 `( d: T* q- _6 [. j! F0 H( }①两侧公差: L=25±0.05 →L0=1.02×25=25.5
3 m& |) j% l6 L( X5 N- v" u②片侧公差: L=3-0.2 →L0=[(3+2.8)/2]×1.02=2.96
经过上述方法计算出的寸法，要经过以下两方面的补正：
① 金型制作上可修改性的补正。
9 C, _8 T! M& `! |4 L0 l5 y② 奇数寸法的偶数化。
7. 拔模斜度的决定（固定侧）
. V( N! s2 X% Z0 {为防止离型不良，有必要在固定侧型芯处设置拔模斜度，但要在成型品公差范围内，一般以30’～3°为宜。
* e( j) L# ^7 x$ z5 a2 P' n8. 拔模斜度的决定（可动侧）
如有必要，可动侧也可加拔模斜度，但一般可不加。如有顶出不良，可通过加装顶杆的方法来解决。
) k. ~2 P0 c: ?; B) ?. ~0 s3 E9. 顶杆的配置
按照以下原则：
① 顶出面积尽可能大，因细小的顶杆孔难以加工。
$ J5 y4 @: J- h6 j) w② 尽量采用圆顶杆，因方顶出孔难以加工（但利用镶件指钕咦龀龅慕霞虻ィ??br> ③ 顶杆要配置在型芯附近。
8 m. }& o2 s% X2 o. C7 Q④ 顶杆孔周围最小1mm壁厚保证。
# e/ N6 N' o" x5 D6 T2 J2 f7 {2 Q$ J10. 生产数的记入
. W& }1 a0 ?7 x+ g
  

三.金型构造设计 ( o. w) |" Y" J* h成型品基本图完成以后，即可开展最重要的工作-金型构造图面的设计。这部分工作占金型设计全部研讨工作的80%。下面就是具体的设计流程： 1. 成型机金型取付仕样的确认： ① 滑杆间距的确认 金型大小不可超过滑杆间距，通常要留20mm以上的安全距离。 9 [4 W9 D/ z" o6 J7 P② 最小型厚的确认 金型的型厚要大于注射机的最小型厚 ③ 最大开模行程的确认 ④ 最大锁模力的确认 ⑤ 理论射出容量的确认 + Z( d; ^- L6 D- j: y! [6 T' y⑥ 定位圈直径的确认（以选择定位圈型号） ⑦ 注射机喷嘴先端形状的确认（以选择浇口套型号） 2 f- a* v# _, `9 X/ D1 H- ~⑧ 最大型厚的计算 1 s8 @+ D, P7 G  g% X1 R; dT=最小型厚+最大开模距离-S1-S2-S # \0 U) e) i1 u  {2. 型腔配置方法的检讨 6 U, v4 k4 g* s3 x对于多型腔模具而言，要妥善安排型腔位置，使之投影中心完全位于模架中心上，并使流道最短地达到均衡进料。 4 y. ^$ ?' Z& f- q; a3. 型腔壁厚度的确定 见P126～P131附录论述 4. 模架的选择 ) N" d6 I  X  r3 b$ {对于塑料注射模具而言，模架均已标准化。我公司均采用日本FUTABA（双叶）的模架。在选择模架时，除了大小规格外，应确认以下方面： ① 导柱导套的位置，有的导柱在固定侧，而有的在可动侧。根据需要来选择。 6 Z; e* T: M* e② 对于各模板的厚度，应结合成型品基本图来确认。一般来说，要使镶件非成形部分的长度在30mm左右为宜。 8 r  O" s+ n+ u3 |' B2 D7 U1 G+ o③ 目前我们有FUTABA的标准模架CAD库，可使用它来快速生成模架图。 5. 分型动作的决定 0 {6 z0 d. t7 y" e& W在模板厚度确定后，进行分型动作的检讨。 + F7 B: K! t6 t+ @) U" j# T① 固定侧型板与流道板之间的开模距离S1 " C! _2 |4 B) @6 j! `S1=点浇口套长度+浇口套长度+10～20 ② 流道板与固定侧座板之间的开模距离S2 S2=拉料勾勾头长度+3mm安全距离   Q+ Y1 M6 Z8 T- P, r③ 止动螺栓长度决定 L=固定侧型板厚+S1 : O& Z0 K5 {7 O( `1 F1 P④ 止动螺栓头部长度决定 ⑤ 支撑导柱长度决定 8 h+ V' K7 t' SL=固定侧型板厚+S1+流道板厚+S2+固定侧座板厚 ⑥ 拉料勾长度决定 . a6 h$ w! v4 S4 e⑦ 流道顶出装置决定 ⑧ 浇口套周边机构决定 ⑨ 要做到使成形品顶出后自然落下的模具布局 6. 浇口套采用PUNCH市贩品 7. 开模次序的确定,并采用相应机构来确保这种开模次序的实现. 8. 流道从流道板顺利脱出的方法: ' j8 B, \$ Q1 u! F采用RUNNER EJECTING SET(MISUMI市贩品) 9. 支撑柱配置的检讨 在注射时,注射机会在可动侧型板的底部产生一个瞬间的注射压力,引起型板变形.为防止此种现象发生,可在模架中设置支撑柱,以不妨碍顶杆和力征安排在每个型腔附近为原则. 10. 冷却水孔的决定 为了恒定模具温度，必须开设冷却水孔，通以冷却用水。 ; s3 S' u2 Q. g8 I' M% N冷却水孔的大小与冷却效率关系不大，中等大小的模具一般采用ф8.5的水孔即可，接口处采用PT1/8的管螺纹。 / b3 K2 I6 |+ y8 v2 i冷却水孔的位置与数量与冷却效果有密切关系，在确定时，应尽可能地近型腔和尽可能地多，但不要发生干涉。 " C8 `0 h6 E/ A- e* t11. 顶出部分的配置 结合成形品基本图，合理配置顶杆位置，注意不要与冷却水孔及支撑柱等部件发生干涉。   c! z" K$ ~# Z8 g6 L7 z) @! c12. 浇口套的配置 " r$ U7 _) @6 l! d: P本公司均采用PUNCH公司的标准部品。 ; z4 M6 n" i( Y8 o9 _0 P9 L( q浇口套头部SR寸法要比注射机喷嘴的SR寸法大1mm左右。 浇口套开口处ф寸法要比注射机喷嘴的ф寸法大0.5mm左右。 对于锥度来说，采用片侧1°比较好。 13. 定位圈的配置 结合成形机仕样，采用PUNCH市贩品。 14. 排气道的配置 为了使型腔内空气顺利排出，有时需设排气道。不过一般设计中不予考虑，生产中如发现有排气不良，再予以解决。 15. 顶出导柱与顶出导套的设计 为了提高顶出部件运动的精度，从而延长顶杆、型芯寿命，防止顶杆拉伤，可设计顶出导柱与顶出导套。 + L  }: J' F  S  E! c16. 部品番号的确定 本公司制定有金型用部品番号的命名规则，按此规则进行确定。 17. 其他 8 D! p- c8 S. l至此，金型的构造设计基本完成。四.部品图设计 * E, h) p5 R) x( s# m# Q1 U+ Z' |在进行构造设计完成以后，根据成形品基本图和金型构造图进行金型部品图设计，包括下述内容： ⑴设计需加工的部品图面。 ⑵外构件追加工部品图面。 ⑶购入部品仕样书。 * v' c* [% w5 ^% G0 X8 i1. 型腔部分的设计： ⑴从金型构造图中把型腔部分的外形提取出来。X-Y方向与模板嵌合，注意公差与配合。Z方向采用螺钉或挂钩或键固定均可。 * L, r# |3 G) B7 v+ V⑵成形部分形状与寸法 根据成形品基本图来决定，并考虑以下方面： 0 y; B  J" S9 i& U3 Y① 成形品寸法公差。 ! f# r. A- R! n, e' }8 Z: X② 与别的部品之间的关系（配合）等。   O/ T# x. s' y/ A③ 便于金型的修正。 ④ 机械加工方法所能达到的加工能力。 4 m: J5 o! H9 A: W5 ~⑤ 加工费用。 ⑥ 其他。 ⑶型芯均采用挂钩的形式与型腔件配合，X-Y方向用公差来严格控制。 ⑷浇口设计 ⑸固定方法 + k/ U2 V) r/ A9 f" b" e: W" J⑹材质、硬度的决定 考虑以下方面： 4 r; p) C1 z* k, n① 成形品的形状、寸法精度维持机能。 : v( k0 L: F5 t2 L3 U& U② 成形品表面品质决定机能。 6 K1 a% r7 q8 {" k7 T& ~③ 耐冲击，刚性、强度要足够。 1 t/ X4 z. B- u; b④ 耐腐蚀性。 * P/ q4 c1 i* s⑤ 耐磨性。 3 J1 V$ P2 }1 p2 p% D) P% k/ O⑥ 机加工性。 . d' h/ u$ q+ |  n  Y4 _  Z⑦ 镜面特性。 + v' b0 o: @8 \) `0 u1 s% P/ V) ~⑧ 热传导性。 ⑨ 热处理性。 0 T& @" @! R! ~- b% W⑩ 材料价格。 3 j0 F) z. R! ~7 G/ ]% v/ i/ E& z2. 固定侧型芯的设计 形状与寸法根据成形品基本图确定。 材质的选择参考上面的内容。 6 `$ D) o& b' ?, v( i* q8 _/ T可动侧型芯、型腔设计大致与固定侧相同，但多出顶出部分的设计内容。 , Q8 q" W+ U' ^3 ]8 v至此，金型部品图中与成形有关的部分已完成，下面进行金型构造部分的部品设计。 4 _# R: K. S; ]五.检图 部品图设计完了以后要进行检图，这与设计工作同等重要。在投入生产前发现错误，要比在生产中或完成后才发现要节省大量的金钱与精力。 , c1 ?) R7 p, P4 p检图工作，可由设计者自身承担，也可由第三者担任。在检图中应把握如下原则： ⑴详细设计、重要设计检查时，最好在精力充沛时进行。 ⑵连续工作1～2小时，应休息10～15分钟，保持头脑清醒。 & H( V: U+ V) v  M⑶不要惧怕失败，在失败中取得成长的经验。 / P# p- W0 I+ g# z4 D. i2 Y6 d⑷不要从详细设计着手，应从总体方案开始，这样容易发现大的原则性的错误。 7 U& e5 t4 r9 L& ]; ]⑸可调查类似金型在使用过程中发生的问题，并与自己的设计工作相对照。 检图工作主要内容如下： 1. 重要的原则性的项目 ⑴根据型芯、型腔明细表，有无遗漏设计的部分。 ⑵金型取数是否合适。 ⑶分型面的设置是否正确？是否满足金型仕样书的要求？ ⑷型腔可否完全填充？ $ Z1 c9 Z0 {" H0 L⑸制作费用是否在预算范围内？ ⑹成形品生产成本是否在预算范围内？ ⑺金型纳期可否完成？ ⑻为保证纳期，是否采取了合理的措施？ ⑼成形品型腔可否顺利脱出？ + n: t4 v, I/ ^⑽成形品型芯可否顺利脱出？ ⑾浇口、流道的配置有无不当？ ⑿冷却水道有无干涉处？ ⒀支撑柱、顶杆、定出导向柱有无干涉？ 6 F- I' _+ y6 H/ W. o, I⒁成形收缩率计算是否正确？ , V3 B4 `8 r6 U7 ?# p# |+ V⒂镶件分割方式是否正确？ 3 g3 h( n) g$ f* Y2 w( v⒃两侧相互配合的部件设计是否正确？ 7 i  k! F, y$ b& _⒄成形机取付仕样是否满足要求？ / f, d+ |3 |8 k- T⒅其他特殊要求是否满足？ ; z- c" v. Q3 I& ?% z  B2. 金型构造方面的检讨 ⑴目前的设计正确与否，有无可以改进之处？ & p) v* t1 t! m4 @" n$ U. D3 Y⑵树脂流动的预想是否正确？ ⑶型芯、型腔离型对策正确与否？ ⑷滑块与滑动型芯的设计是否正确？ ⑸配合处公差是否正确？ ⑹排气道是否合适？ ⑺配合间隙是否合适？ / F$ p4 l6 S8 V( ~& r⑻装配时是否困难？ ⑼拆卸是否方便？ : ~' R7 x4 V( C. k9 h! Q⑽对白化现象有无预防？ ⑾两侧各部件之间有无干涉？ 3. 进行详细检讨的部分： " h( M8 O5 k  C# [⑴有无尺寸相互不一致处？ 3 U# ?; v! f( p# |5 e⑵断面形状正确与否？ 3 ]2 _. f8 l* v5 s⑶部品个数是否正确？ $ Q3 Y5 k7 {7 v7 H⑷部品材质是否正确？ 2 g! A2 A/ l- L, K" ?' |⑸型板刚性是否满足要求？ + p1 k3 n' }' T- L! H& z⑹型腔刚性、强度是否满足要求？ ⑺浇口形状是否合适？ * _: g9 ?% |7 n4 [4 C⑻加工方法是否经过妥善考虑？ ⑼电极设计是否正确？ $ Y& s; u4 A2 M⑽标准部品发注书是否有误？ ⑾客户仕样变更部分是否已全部变更？ : Q5 O* {. h$ n⑿废旧图面是否已被替换？ * m% A7 N! R5 y6 q% }5 S⒀寸法公差、表面粗糙度有无过于严格处？ ⒁机械加工性是否适当？