塑膠射出模具的設計步驟

塑膠射出模具的設計步驟

當接到設計模具的任務時,一般來說,需要遵循一系列基本的設計步驟,以確保模具的設計符合要求並能順利進行生產。

1. 塑膠射出模具的設計步驟

當接到設計模具的任務時,一般來說,需要遵循一系列基本的設計步驟,以確保模具的設計符合要求並能順利進行生產。

首先,設計人員必須詳細分析塑件的藍圖或3D圖檔,充分理解塑件的結構特徵、尺寸公差及使用性能要求,確保模具設計能夠滿足產品的功能和質量需求。接著,根據塑件的材料特性(如流動性、收縮率等),確定模具的基本結構,包括澆口、流道系統、冷卻系統和脫模機構。

接下來,進行模具的具體結構設計。這一階段需要設計公模板、母模板、型腔、型芯及其他關鍵零件,並對零件之間的配合進行精細校核。還要進行強度、剛度、熱平衡等方面的計算,確保模具在成型過程中能夠穩定運行,並避免變形或磨損。

最後,完成詳細的零件工程圖,標註所有關鍵尺寸、材質及加工要求,並進行全方位的檢查與核對,確保每個零件符合精度與加工需求,為後續的模具製造做好準備。其具體內容說明如下。

2. 審視塑件藍圖

在設計模具時,通常是依據塑件的藍圖或3D圖檔進行設計。因此,設計工作的第一步是對這些圖檔進行充分的研討、理解和消化。這一過程至關重要,因為塑件的藍圖不僅展示了最終產品的外形與尺寸,還包含了產品的使用性能和結構要求的關鍵信息。

  • (a) 看塑件的結構是否滿足以上所述的塑件結構的工藝性能。否則應和塑件設計者(產品工程師/機構工程師)商量,在不影響其使用性能的前提下對塑件藍圖(3D圖檔)進行局部改動。
  • (b) 看塑件採用的塑膠種類能否順利地射出、冷卻、脫模、成型,它的強度、剛度以及使用壽命是否滿足使用要求。
  • (c) 對要求精度較高的局部,應瞭解它在使用時的配合狀況,從塑膠的收縮 率(不太準確)考慮,成型後能否滿足這個要求,以及採用的一些具體措施(比如留有餘量,待試模過程中逐漸修正等)(圖1)(圖2)。

3. 繪製模具裝配草圖

模具裝配圖的設計應先從繪製裝配草圖(2D組立圖)入手。根據塑件的具體情況,經過認真思考、比較,初步確定出各部分的結構情況,最大限度地滿足塑件的技術要求和模具的合理工藝性,取得最大的經濟效益。較為複雜的模具,在繪製裝配草圖時,應有三個以上的視圖,相互配合的結構形式都應以局部剖視在圖中表現出來,以達到直觀的效果,容易發現問題。

(3-1) 確定分型面和澆口位置及結構形式

確定模具的分型面和澆口的位置是模具設計中的重要環節。由模具成型的塑件必須通過分型面開啟後方能取出,而分型面往往是模具設計和製造時的基準面。因此選擇分型面應根據塑膠的幾何形狀、尺寸精度要求,兼顧其澆口形式、脫模方式、嵌件位置以及排氣條件、易清除飛邊、便於加工等諸因素,通盤考慮。

澆口位置則是在保證塑件表面不受損傷的前提下,確定澆口主流道和分流道冷料穴的位置形狀、大小及排氣方法等,使射出時熔融塑料流暢,易於成型,且易於清除澆注凝料(料頭/水口)。

(3-2) 確定成型零件的結構形式及安裝方法

成型結構件(模仁/鑲件等等)是射出成型的核心部位,它直接影響塑件品質、加工的難易程度。選擇合理的成型位置、結構及安裝形式,就是能使成型結構件在現有設備狀況下,基本滿足技術上的需要,易於加工,易於修改維修和更換。

(3-3) 確定模腔數量及其排列方式

一般說來,較大型的塑件和生產批量不大的塑件往往採用單腔模具,而生產批量較大,外形尺寸較小的塑件,為了降低射出成型的成本,則採用一模多型腔的模具。這時就要從提高生產效率、塑料的流動和模具結構的製造精度來考慮將模腔進行合理的排列。

(3-4) 選擇成型設備

模具與射出機必須配套使用,一般情況下,都是根據塑件的具體情況,先選擇射出機並進行模具設計。但在實際中, 由於客觀條件的限制 , 而根據現有設備情況進行模具設計的,這就要求瞭解其設備的規律性能與特點。

成型設備有兩個重要參數。一是理論射出容量;另一個是在與射出方向相垂直的最大投影面積。我們可以根據模腔的數量和澆道長度計算出它的總射出容量和投影面積。根據這兩個參數即可選用合適的成型設備。在選用時,成型設備的兩個參數應略大於這個模具所用塑膠的體積以及它的投影面積,只有這樣才能順利成型。其次還應注意以下幾點。

  • (a) 測算核實模板所受射出壓力應小於射出機的鎖模力。
  • (b) 模具的閉合高度應在射出機的最大閉合高度和最小高度之間選定。
  • (c) 模體(模座)外形尺寸應能從射出機的拉桿(哥林柱)空間安裝。
  • (d) 應瞭解射出機的定位孔直徑、射嘴孔徑以及射嘴球半徑尺寸,使模具與之配套。
  • (e) 模具採用的頂出方式應適應射出機的頂出方式和頂出距離。射出機的模板行程應滿足在開模時能取出塑件時所需要的距離。

(3-5) 塑件側壁凸凹槽結構的處置方法

根據塑件上凸凹槽的各種形式選擇合適的側抽機構(如滑塊、斜銷等等),有些能夠變通塑件結構而不必側抽的或通過強制能頂出的,應避免側抽最好。如果塑件產量不大,亦可設活動型芯,在隨塑件頂出後再用人工脫芯。

(3-6) 頂出機構的確定

在一般情況下母模公模分型後,側抽芯也完成了抽芯動作。塑件落在動模上,且垂直平面上已完全清除了平行方向上的障礙,這時頂出機構在射出機頂桿(圖3)的驅動下將成型塑件從公模中頂出,這就要求確定頂出的形式、復位桿(回位銷)及其組合方式,在選擇頂出位置時,充分考慮在頂出過程中不使成型塑件產生變形、破裂、卡滯現象及不影響其表面外觀。但有些特殊情況,比如需要多次分型、二次頂出系統先復位時,就應該考慮確定分型的順序、採用方法等。

(3-7) 確定主要結構件的尺寸

通過以上問題的初步確定,即可勾畫出模體(模座)的輪廓,這時應確定導向機構的導柱及頂出系統的復位以及必要的先復位等的結構形式和安放位置,以及各組合部分的聯接形式及所必須的支承板、支承塊等。

(3-8) 確定模體溫度調節方式

為了降低射出成本,並均勻固化塑膠,以避免產生殘餘應力變形,應特別注重模具特別是成型部位的溫度調節。在模具設計時必須考慮有冷卻回路,而在熱帶地區和亞熱帶地區尤其重要。通過冷卻劑(通常用常溫水)的往復循環將射出時產生的熱量從模體中帶走,這樣可以縮短塑件固化和冷卻時間,以提高生產效率和保證產品品質。為了取得較好的冷卻效果,對冷卻回路應有 良好的佈局,如冷卻回路的位置、尺寸形狀等,並預先考慮留出足夠的冷卻水路的安裝空間。

根據以上各局部的確定就可以大致繪製出模具的整體結構即總裝圖(組立圖)的草圖。為了直觀效果,一般繪製總裝圖(組立圖)時應儘量採用1 : 1 的比例。如果需要放大或縮小,則應嚴格按比例畫出。總裝圖繪製順序為,先內後外,先上後下,即先由型腔、型芯及其相關部位,澆注系統、側抽芯移動距離等,並按合理選擇的正確投影畫出主視圖、俯視圖等,同時還應確定如下幾點。

  • (a) 成型零件的型腔(母模仁)和型芯(公模仁)的局部應加鑲塊及固定方法,這樣可以簡化模具製造的難度,便於研合或更換。
  • (b) 測算並確定型腔板的側壁厚度。
  • (c) 根據成型塑件的深度確定母模仁的厚度、母模座的厚度、公模仁的厚度或承重底板的厚度、公模座的厚度、頂出板的厚度、支撐柱厚度以及模具安裝方法等。
  • (d) 畫出模具的立體的長高尺寸, 再驗證這些尺寸能否裝入所選用的射出機內,即長、寬尺寸應小於射出機的拉桿(哥林柱)空間尺寸,而高度應大於射出機的最小閉合高度,而小於射出機的最大閉合高度。
  • (e) 應儘量選用標準件,如導向件、頂出件、澆口套等,如有可能,選用標準模架更好。
  • (f) 按規定對各零件進行編號。
  • (g) 測算模具造價是否超出預算範圍,並與主管部門有關人員討論、協商, 即在可能範圍內,充分吸收改進建議。

4. 繪製主要零件工程圖

當裝配草圖繪製完成後,接下來的工作是開始為各個主要零件設計詳細的工程圖。這些主要零件圖是整個模具設計的重要基礎,應該準確無誤,並包含詳細的尺寸、材質和加工要求。

  • (a) 圖形儘量按 1 : 1 的比例畫出。因為這樣比較直觀,容易發現問題。如果需要放大或縮小,必須嚴格按比例畫出,各視圖要力求選擇合理,簡練,投影正確,佈局勻稱。
  • (b) 按製圖規則,正確標出尺寸、公差、形位公差及表面粗糙度等。
  • (c) 對相互配合的各結構件,應注意有無相互矛盾、相互干涉的現象,並及時改正,在裝配草圖上校正過來。
  • (d) 對某些結構形式,可以有幾種設計方案。當對採用的這種形式把握不大時,可在設計時留有餘地,給修改提供方便,避免整體報廢,或大範圍的返工。

5. 繪製模具裝配圖

當主要零件繪製完成後,這個過程也同時成為對裝配草圖的自我檢驗和核對。繪製過程中,設計中的問題將會顯現出來,設計者可以充分識別並暴露這些問題。經過仔細審查和修訂後,將最終的圖紙描繪清楚,並對每個零件進行正式編號。標出模體的外輪廓尺寸以及模具的定位和安裝尺寸。還應填寫:

  • (a) 模具製造的技術要求。
  • (b) 塑件的種類,設計時選取的縮水率。
  • (c) 選用射出機的型號。
  • (d) 必要時應說明模具的安裝方向。

6. 編寫設計說明書

設計說明書包括如下內容:

  • (a) 根據塑件要求、塑件的成型性能和流動性能,確定澆口主流道、分流道的位置和形式。
  • (b) 模體各部分強度和剛度的計算校核,列出公式,帶入資料,求出結果即可,運算過程可以省略。
  • (c) 抽芯力和脫模力的計算。
  • (d) 某些移動機構所需強度、剛度及穩定性校驗。
  • (e) 模具熱平衡計算。

7. 全面總結,累積經驗

當模具製作完成並且試模成功後,應該進行詳細的總結,並填寫一份備忘錄作為參考資料。這樣的總結能幫助累積經驗,避免未來出現相同的問題,並提升效率。主要內容應該包括以下幾個方面。

(a) 從設計直到試模成功這一全過程中,從設計到現場都有哪些問題?採取了哪些修正措施?怎樣解決的?
(b) 模具還有哪些局部問題,比如塑件品質、射出效率等,還應作哪些改進?
(c) 哪些結構是肯定或基本肯定的?在以後的模具設計中,如何進一步應用?
(d) 從設計構思到現場實踐,都走了哪些彎路?其基本原因是什麼?
(e) 從現場跟蹤發現有哪些結構件,從工藝角度看還存在哪些問題?還有哪些缺憾?今後應如何提高實踐經驗,以便於今後設計出最容易加工、裝配的結構件。

☆ 其他參考資料及文章

★ 【射出模具的設計與製造流程】(按圖超連結)

★ 【射出模具的結構組成】(按圖超連結)