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模具控制实现精密注塑

精密注塑会受到很多相关因素和环境条件的影响,而最基本的是塑料材料、注塑模具、注塑工艺和注塑设备这四项基本因素。在设计塑料制品的前期,应首先根据其应用环境选定相应性能需要的工程塑料。其次,应根据所选择的塑料材料、成品尺寸精度、制件重量、质量要求以及预想的模具结构来选用适当的注塑机。

  在影响精密注塑的相关因素当中,模具是获得符合质量要求的精密塑料制品的关键。

  模具的设计

  模具设计是否合理会直接影响塑料制品的质量。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缩率得来,而收缩率常常是由塑料生产厂家或工程塑料手册推荐的一个范围内的数值,它不仅与模具的浇口形式、浇口位置与分布有关,而且与工程塑料的结晶取向性(各向异性)、塑料制品的形状、尺寸到浇口的距离及位置有关。影响塑料收缩率的主要因素包括热收缩、相变收缩、取向收缩、压缩收缩与弹性回复等,而这些影响因素与精密注塑制品的成型条件或操作条件有关。因此,模具的设计者必须有丰富的设计和注塑成型经验,必须考虑这些影响因素与注塑条件的关系及其表观因素,如注塑压力与模腔压力及充填速度、注射熔体温度与模具温度、模具结构及浇口形式与分布,以及浇口截面积、制品壁厚、塑料材料中增强填料的含量、塑料材料的结晶度与取向性等因素的影响。上述因素的影响也因塑料材料的不同,或者其它成型条件如温度、湿度、继续结晶化、成型后的内应力、注塑机的变化而不同。

  由于注塑过程是把塑料从固态(粉料或粒料)向液态(熔体)又向固态(制品)转变的过程。从粒料到熔体,再由熔体到制品,中间要经过温度场、应力场、流场以及密度场等的作用。在这些场的共同作用下,不同的塑料(热固性或热塑性、结晶性或非结晶性、增强型或非增强型等)具有不同的聚合物结构形态和流变性能。凡是影响到上述“场”的因素必将会影响到塑料制品的物理力学性能、尺寸、形状、精度与外观质量。

  这样,工艺因素与聚合物的性能、结构形态和塑料制品之间的内在联系会通过塑料制品表现出来。分析清楚这些内在的联系,对合理地拟定注塑加工工艺、合理地设计并按图纸制造模具、乃至合理选择注塑加工设备都有重要意义。精密注塑与普通注塑在注塑压力和注射速率上也有区别,精密注塑常采用高压或超高压注射、高速注射以获得较小的成型收缩率。综合上述各种原因,设计精密注塑模具时除考虑一般模具的设计要素外,还须考虑以下几点﹕

  1 采用适当的模具尺寸公差;
  2 防止产生成型收缩率误差;
  3 防止发生注塑变形;
  4 防止发生脱模变形;
  5模具制造误差降至最小;
  6 防止模具精度的误差;
  7 保持模具精度。

  防止产生成型收缩率误差

  由于收缩率会因注塑压力而发生变化,因此,对于单型腔模具,型腔内的模腔压力应尽量一致。至于多型腔模具,型腔之间的模腔压力应相差很小。在单型腔多浇口或多型腔多浇口的情况下,必须以相同的注塑压力注射,使型腔压力一致。为此,必须确保使浇口位置均衡。为了使型腔内的模腔压力一致,最好使浇口入口处的压力保持一致。浇口处压力的均衡与流道中的流动阻力有关。所以,在浇口压力达到均衡之前,应先使流道均衡。

  由于熔体温度和模具温度对实际收缩率产生影响,因此在设计精密注塑模具型腔时,为了便于确定成型条件,必须注意型腔的排列。因为熔融塑料把热量带入模具,而模具的温度梯度分布一般是围绕在型腔的周围,呈以主流道为中心的同心圆形状。

  因此,流道均衡、型腔排列和以主流道为中心的同心圆状排列等设计措施,对减小各型腔之间的收缩率误差、扩大成型条件的允许范围以及降低成本都是必要的。精密注塑模具的型腔排列方式应满足流道均衡和以主流道为中心排列两方面的要求,且必须采用以主流道为对称线的型腔排列方式。

  由于模具温度对成型收缩率的影响很大,同时也直接影响注塑制品的力学性能,还会引起制品表面发花等各种成型缺陷,因此必须使模具保持在规定的温度范围内,而且还要使模具温度不随时间变化而变化。多型腔模具的各型腔之间的温差也不得发生变化。为此,在模具设计中必须采取对模具加热或冷却的温度控制措施,且为了使模具各型腔间的温差尽量缩小,必须注意温控-冷却回路的设计。在型腔、型芯温控回路中,主要有串联冷却与并联冷却两种连接方式。

  从热交换效率来看,冷却水的流动应呈紊流。但是在并联冷却回路中,成为分流的一条回路中的流量比在串联冷却回路中的流量小,这样可能会形成层流,而且实际进入每条回路中的流量也不一定相同。由于进入各回路的冷却水温度相同,各型腔的温度也应相同,但实际上因各回路中的流量不同,且每条回路的冷却能力也不相同,致使各模腔的温度也不可能一致。采用串联冷却回路的缺点是冷却水的流动阻力大,最前面的型腔入口处的冷却水温度同最后型腔入口处的冷却水温度有明显的差别。冷却水出入口的温差因流量的大小而变化。对于小型精密注塑模具而言,一般从降低模具成本考虑,采用串联冷却回路较适宜。

  模具型腔和型芯应有各自的冷却水回路系统。在冷却回路的设计上,由于从型腔和型芯上所摄取的热量不同,回路结构的热阻力也不一样,型腔与型芯入口处的水温会产生很大的温差。若采用同一系统,冷却回路设计也较困难。另外,在对注塑制品采取防止翘曲的对策时,也希望型腔与型芯之间保持一定的温差。因此设计型腔与型芯的冷却回路时应能分别进行温度的调节和控制。

  模具精度的保持

  为了保持在注塑压力、锁模力下的模具精度,设计模具结构时必须考虑对型腔零件进行磨削、研磨和抛光等加工的可行性。尽管型腔、型芯的加工已经达到高精度的要求,而且收缩率也同所预计的一样,但由于成型时的中心偏移,其所成型的制品内侧、外侧的相关尺寸都很难达到塑料零部件的设计要求。为了保持动、定模型腔在分型面上的尺寸精度,除了设置常规模具所常用的导柱、导套定中心外,还必须加装锥形定位销或楔形块等定位副,以确保定位精度准确、可靠。

  制作精密注塑模具的材料要选择力学性能高、热蠕变小的优质合金工具钢,制作型腔、浇模具材料要选择经过严格热处理的硬度高、耐磨性好、耐腐蚀性强、抗热变形的材料,同时还要考虑机械加工、电加工的难易性和经济性。为防止发生时效变化而改变模具的尺寸精度,必须在设计模具时规定降低模具材料热处理的残存奥氏体组织的回火处理或低温处理。

  对精密注塑模具的易损零件,尤其是型腔、型芯等易损件,要在设计时考虑修理的可能性,以保持模具维修后仍具有较高精度。

  模具排气设计是否合理也是决定模具精度保持的一主要因素。精密制品多数是使用工程塑料成型,在成型过程中为了保证塑料良好的流动性以及塑料分子收缩的一致性一般要求模温在一定范围才能成型。当模具温度过模具配件因为膨胀会导致模内的气体排出困难,造成产品出现困气、烧焦、缺料等不良现象,因此模具的型腔部分设计要多使用镶嵌配件,顶出配件在磨擦面要设计排气槽防止烧针现象。

  合理地设计精密注塑模具是获得精密制品的基础和必要前提。通过合理地确定模具的尺寸与公差、采取防止注塑制品产生收缩率误差、注塑变形、脱模变形、溢边等,以及确保模具精度等技术措施,并采用正确的精密注塑工艺、适用的工程塑料材料和精密的注塑设备,使之达到最佳的匹配,对于提高精密塑料件的质量、可靠性和性能,降低生产成本,提高生产效率具有十分重要的意义。

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