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模具控制實現精密注塑

精密注塑會受到很多相關因素和環境條件的影響,而最基本的是塑料材料、注塑模具、注塑工藝和注塑設備這四項基本因素。在設計塑料制品的前期,應首先根據其應用環境選定相應性能需要的工程塑料。其次,應根據所選擇的塑料材料、成品尺寸精度、制件重量、質量要求以及預想的模具結構來選用適當的注塑機。

  在影響精密注塑的相關因素當中,模具是獲得符合質量要求的精密塑料制品的關鍵。

  模具的設計

  模具設計是否合理會直接影響塑料制品的質量。由于模具型腔尺寸是由塑料制品要求尺寸加上所用材料的收縮率得來,而收縮率常常是由塑料生產廠家或工程塑料手冊推薦的一個范圍內的數值,它不僅與模具的澆口形式、澆口位置與分布有關,而且與工程塑料的結晶取向性(各向異性)、塑料制品的形狀、尺寸到澆口的距離及位置有關。影響塑料收縮率的主要因素包括熱收縮、相變收縮、取向收縮、壓縮收縮與彈性回復等,而這些影響因素與精密注塑制品的成型條件或操作條件有關。因此,模具的設計者必須有豐富的設計和注塑成型經驗,必須考慮這些影響因素與注塑條件的關系及其表觀因素,如注塑壓力與模腔壓力及充填速度、注射熔體溫度與模具溫度、模具結構及澆口形式與分布,以及澆口截面積、制品壁厚、塑料材料中增強填料的含量、塑料材料的結晶度與取向性等因素的影響。上述因素的影響也因塑料材料的不同,或者其它成型條件如溫度、濕度、繼續結晶化、成型后的內應力、注塑機的變化而不同。

  由于注塑過程是把塑料從固態(粉料或粒料)向液態(熔體)又向固態(制品)轉變的過程。從粒料到熔體,再由熔體到制品,中間要經過溫度場、應力場、流場以及密度場等的作用。在這些場的共同作用下,不同的塑料(熱固性或熱塑性、結晶性或非結晶性、增強型或非增強型等)具有不同的聚合物結構形態和流變性能。凡是影響到上述“場”的因素必將會影響到塑料制品的物理力學性能、尺寸、形狀、精度與外觀質量。

  這樣,工藝因素與聚合物的性能、結構形態和塑料制品之間的內在聯系會通過塑料制品表現出來。分析清楚這些內在的聯系,對合理地擬定注塑加工工藝、合理地設計并按圖紙制造模具、乃至合理選擇注塑加工設備都有重要意義。精密注塑與普通注塑在注塑壓力和注射速率上也有區別,精密注塑常采用高壓或超高壓注射、高速注射以獲得較小的成型收縮率。綜合上述各種原因,設計精密注塑模具時除考慮一般模具的設計要素外,還須考慮以下幾點﹕

  1 采用適當的模具尺寸公差;
  2 防止產生成型收縮率誤差;
  3 防止發生注塑變形;
  4 防止發生脫模變形;
  5模具制造誤差降至最小;
  6 防止模具精度的誤差;
  7 保持模具精度。

  防止產生成型收縮率誤差

  由于收縮率會因注塑壓力而發生變化,因此,對于單型腔模具,型腔內的模腔壓力應盡量一致。至于多型腔模具,型腔之間的模腔壓力應相差很小。在單型腔多澆口或多型腔多澆口的情況下,必須以相同的注塑壓力注射,使型腔壓力一致。為此,必須確保使澆口位置均衡。為了使型腔內的模腔壓力一致,最好使澆口入口處的壓力保持一致。澆口處壓力的均衡與流道中的流動阻力有關。所以,在澆口壓力達到均衡之前,應先使流道均衡。

  由于熔體溫度和模具溫度對實際收縮率產生影響,因此在設計精密注塑模具型腔時,為了便于確定成型條件,必須注意型腔的排列。因為熔融塑料把熱量帶入模具,而模具的溫度梯度分布一般是圍繞在型腔的周圍,呈以主流道為中心的同心圓形狀。

  因此,流道均衡、型腔排列和以主流道為中心的同心圓狀排列等設計措施,對減小各型腔之間的收縮率誤差、擴大成型條件的允許范圍以及降低成本都是必要的。精密注塑模具的型腔排列方式應滿足流道均衡和以主流道為中心排列兩方面的要求,且必須采用以主流道為對稱線的型腔排列方式。

  由于模具溫度對成型收縮率的影響很大,同時也直接影響注塑制品的力學性能,還會引起制品表面發花等各種成型缺陷,因此必須使模具保持在規定的溫度范圍內,而且還要使模具溫度不隨時間變化而變化。多型腔模具的各型腔之間的溫差也不得發生變化。為此,在模具設計中必須采取對模具加熱或冷卻的溫度控制措施,且為了使模具各型腔間的溫差盡量縮小,必須注意溫控-冷卻回路的設計。在型腔、型芯溫控回路中,主要有串聯冷卻與并聯冷卻兩種連接方式。

  從熱交換效率來看,冷卻水的流動應呈紊流。但是在并聯冷卻回路中,成為分流的一條回路中的流量比在串聯冷卻回路中的流量小,這樣可能會形成層流,而且實際進入每條回路中的流量也不一定相同。由于進入各回路的冷卻水溫度相同,各型腔的溫度也應相同,但實際上因各回路中的流量不同,且每條回路的冷卻能力也不相同,致使各模腔的溫度也不可能一致。采用串聯冷卻回路的缺點是冷卻水的流動阻力大,最前面的型腔入口處的冷卻水溫度同最后型腔入口處的冷卻水溫度有明顯的差別。冷卻水出入口的溫差因流量的大小而變化。對于小型精密注塑模具而言,一般從降低模具成本考慮,采用串聯冷卻回路較適宜。

  模具型腔和型芯應有各自的冷卻水回路系統。在冷卻回路的設計上,由于從型腔和型芯上所攝取的熱量不同,回路結構的熱阻力也不一樣,型腔與型芯入口處的水溫會產生很大的溫差。若采用同一系統,冷卻回路設計也較困難。另外,在對注塑制品采取防止翹曲的對策時,也希望型腔與型芯之間保持一定的溫差。因此設計型腔與型芯的冷卻回路時應能分別進行溫度的調節和控制。

  模具精度的保持

  為了保持在注塑壓力、鎖模力下的模具精度,設計模具結構時必須考慮對型腔零件進行磨削、研磨和拋光等加工的可行性。盡管型腔、型芯的加工已經達到高精度的要求,而且收縮率也同所預計的一樣,但由于成型時的中心偏移,其所成型的制品內側、外側的相關尺寸都很難達到塑料零部件的設計要求。為了保持動、定模型腔在分型面上的尺寸精度,除了設置常規模具所常用的導柱、導套定中心外,還必須加裝錐形定位銷或楔形塊等定位副,以確保定位精度準確、可靠。

  制作精密注塑模具的材料要選擇力學性能高、熱蠕變小的優質合金工具鋼,制作型腔、澆模具材料要選擇經過嚴格熱處理的硬度高、耐磨性好、耐腐蝕性強、抗熱變形的材料,同時還要考慮機械加工、電加工的難易性和經濟性。為防止發生時效變化而改變模具的尺寸精度,必須在設計模具時規定降低模具材料熱處理的殘存奧氏體組織的回火處理或低溫處理。

  對精密注塑模具的易損零件,尤其是型腔、型芯等易損件,要在設計時考慮修理的可能性,以保持模具維修后仍具有較高精度。

  模具排氣設計是否合理也是決定模具精度保持的一主要因素。精密制品多數是使用工程塑料成型,在成型過程中為了保證塑料良好的流動性以及塑料分子收縮的一致性一般要求模溫在一定范圍才能成型。當模具溫度過模具配件因為膨脹會導致模內的氣體排出困難,造成產品出現困氣、燒焦、缺料等不良現象,因此模具的型腔部分設計要多使用鑲嵌配件,頂出配件在磨擦面要設計排氣槽防止燒針現象。

  合理地設計精密注塑模具是獲得精密制品的基礎和必要前提。通過合理地確定模具的尺寸與公差、采取防止注塑制品產生收縮率誤差、注塑變形、脫模變形、溢邊等,以及確保模具精度等技術措施,并采用正確的精密注塑工藝、適用的工程塑料材料和精密的注塑設備,使之達到最佳的匹配,對于提高精密塑料件的質量、可靠性和性能,降低生產成本,提高生產效率具有十分重要的意義。

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