薄壁塑件注射成型工艺及模具设计

贺晓辉 ，雷帆 ，丁永峰 ，周哲

(1. 重庆天巨承机械制造有限责任公司，重庆 400700 ；2. 德宏师范高等专科学校，德宏 678400 ；3. 重庆文理学院，智能制造工程学院，重庆 40216)

0 引言

模具是以特定的结构形式通过一定的方法使材料成为制品的一种工具产品，是工业生产的基础工业装备，而各国对于模具的研究与发展愈发重视，特别是电子、机械、通讯、交通等行业[1]。注射成型作为一种比较成熟的制造方法，在制造业生产中的地位十分重要。有数据表明，模具塑料制品总产量的三分之一都是通过注射成型所制成的，并且注射模占所有塑件成型模具的一半以上，注射模具在模具工业中的重要性显而易见[2]。而薄壁塑件的注射成型，在其生产过程中会产生产品的翘曲及不均匀收缩等缺陷[3～5]，对塑件的外观及尺寸造成负面影响，因而其模具设计显得尤为重要。本文以某品牌笔记本后盖塑件产品为例，分析塑件的结构特点，设计并校核模具的结构及尺寸，并进行相应的优化，为薄壁塑件类产品注射模设计提供一定的参考。

1 塑件结构及工艺分析

1.1 产品结构及工艺特性

图1 所示为某品牌笔记本后盖产品三维模型，经测算知其外形尺寸为345 mm×240 mm×26 mm，最大投影面积为48.35 cm2，产品壁厚均匀，最薄处仅为1.5 mm。产品属于外观件，精度等级按MT3 计算，要求外表面光洁无缺陷，内表面无明显影响产品质量的缺陷如斑点、熔接痕等[6]。产品零件尺寸较大，为典型薄壁零件，校对后可知塑料熔体流程在标称范围内[2]，可以进行注射成型。

图1 某笔记本后盖产品模型

1.2 ABS 材质性能分析

塑件所用主要材质为工程塑料ABS( 丙烯腈- 丁二烯- 苯乙烯三者的共聚物)。ABS 是一种常见的无定形塑料，成型收缩较小，种类繁多，并且具有较大的吸水性，在实际使用中应根据不同品种及其具体的使用性能来确定注射成型的方法及条件。对于表面相对比较光滑的制品应长时间预热以保证充分干燥( 推荐条件：干燥温度70～85 ℃，干燥时间2～6 h，使其湿度低于0.1% ) ；材料具有中等的流动性，溢边料通常在0.04 mm 左右；在进行模具设计时应注重浇注系统的设计，选择好流道及浇口的形式与位置[2,6]。塑件后处理时，以空气和水作为主要介质，处理温度为70～80 ℃之间，处理时间在16～20 s 之间[7]。

2 注射成型设备选择

2.1 浇口位置确定

塑件尺寸相对较大，拟使用一模一腔的模具布置，浇口形式选择为点浇口，可以使塑件与浇口凝料在脱模过程中自动拉断从而减少人工操作，提升效率，自动化程度更高。综合考虑塑件注射成型过程中材料的流动规律及产品的外观要求[2]，选择塑件产品4 个胶垫处作为点浇口的位置。

2.2 注射机的选择与校核

通过三维CAD 建模软件分析得塑件体积V塑=91.14cm3，质量m塑=92.96 g。浇注系统凝料体积的大小可以按照塑件体积的0.2～1 倍来估算[2]，因采用一模一腔注射模结构，浇注系统占比按塑件自身体积的倍计算，得一次注入型腔的熔体总体积为V总＝V塑(1+0.2)=111.55 cm3。根据V公＝V总/0.8，并参考同类产品注射成型工艺[3,4,6,7]，初步选定公称注射量为250 cm3，型号为XS-ZY-250 的注射机，其主要技术参数见表1。

表1 注塑机主要技术参数

已知塑件材料的注射压力范围为80～110 MPa，取P0=90 MPa，所选注射机公称压力为P公=109 MPa，安全系数k1=1.25，校核后注射压力满足P公>k1·P0。塑件及浇注系统总投影面积为A总=39 646 mm2，注射模型腔平均压力P模=35 MPa ( 通常取注射压力的20%～40%[2])，可得塑件在型腔内的胀型力F胀=P模·A总=1 387.61 kN，查表可知注射机的公称锁模力为F锁=1 800 kN，取安全系数k2=1.1，校核后锁模力满足F锁>k2·F胀，验证了所选的注射机型号满足塑件成型使用需求。

3 注射模具设计及校核

3.1 浇注系统设计

3.1.1 主流道设计

主流道位于模具中心，其形状设计为圆锥形，以便熔体易于流动和开模时凝料的拔出[8]。由于主流道与高温熔体和注射机喷嘴接触频繁，将其设计成浇口套的形式，方便更换和拆卸。对与中小型模具，主流道长度L主≤ 60 mm，取60 mm，小端直径d=5 mm，大端直径d’=d+2L主·tan(α/2) ≈ 9 mm，α=4°，球面半径SR0=20 mm，球面配合高度h=3mm。由V主=π·L主(R主2+r主2+R主r主)/3，得主流道凝料体积为V主=2.37 cm3，主流道当量半径Rn=(2.5+4.5)/2=3.5 mm。采用碳素工具钢(T8A 或T10A) 作为浇口套的主要材料，热处理后表淬火面硬度为50～55 HRC，其结构形式如图2 所示。

图2 主流道浇口套

3.1.2 分流道及浇口设计

设计拟采用点浇口，且为一模一腔，4 个点浇口位置比较对称，采用X型对称式分流道形式。根据4 个点浇口的位置结构，取单边流道长度L分=170 mm，而分流道及浇口深度L2≤2·L1/3，浇口高度L=0～2 mm，此次设计浇口高度取L=1 mm，当量直径H1=3D/4=6.75 mm，截面形状为圆形，计算得分流道凝料体积为V分=27.51 cm3。

因塑件尺寸较大，取浇口直径d=1 mm，高度L=1 mm，并在浇口与塑件接触处做成r=0.2 mm 的倒角以避免浇口凝料在拉断时损伤塑件表面，同时也能减小型芯受到的冲击力，减小流动阻力[9]。

3.1.3 剪切速率校核

依据所选注射机的参数，计算得塑料熔体在分流道的剪切速率为1.61×103s-1，处于最佳剪切速率5×102～5×103s-1之间，校核合格。分流道表面粗糙度取Ra1.6 μm，脱模斜度取8°，并在分流道末端设置冷料穴。同样，计算得塑料熔体在浇口处的剪切速率为3.85×105s-1，处于最佳剪切速率5×104～5×105s-1之间，校核合格。根据上述测算的熔体体积，计算得塑料熔体在主流道的剪切速率为1.50×103s-1，处于最佳剪切速率5×102～5×103s-1之间，校核合格。

最终设计的浇注系统如图3 所示。

图3 浇注系统

3.2 成型零件及辅助机构设计

3.2.1 凹模及型芯设计

通过对塑件结构形式和分型面方案的分析，分型后的制件应尽可能留在型芯上，以便从动模推出，从而达到简化模具结构的目的[10]，因此选择塑件最大投影面为分型面，便于产品脱模及减少塑件外表面熔接痕缺陷。根据对塑件的受力校核以及结构分析，设计选用整体式凹模结构[2]，并在凹模上方开设点浇口的分流道，型芯亦采用整体镶嵌式结构。通过塑件尺寸及制造精度(MT3) 转换，对凹模及型芯各部位尺寸进行计算及校核，如图4，5 所示。

图4 整体式凹模

图5 镶嵌式型芯

模具中的成型零件应有良好的力学性能及抗疲劳特性，同时考虑它的机械加工和抛光性能，因此凹模的钢材选用P20。而型芯在脱模时经常与塑件发生磨损，因此采用高合金工具钢Cr12MoV。参考材料性能及塑件的尺寸，确定注射模各个成型零件的脱模斜度统一为1°。成型零件主要尺寸计算如下。

采用平均尺寸法，并按MT3 精度等级计算凹模径向尺寸。塑件外部径向尺寸ls1=3450-1.12mm，ls2=2400-0.78mm， 相应的塑件公差Δ1=1.12 mm，Δ2=0.78 mm。

其中，Scp) 为ABS 材料的收缩率，一般在0.3%～ 0.8% 之间， 取Scp)=0.005 5，0.5 ≤x1≤0.8， 取x1=0.6，Δ1，Δ2为塑件上相应尺寸的公差( 下同)，δz1，δz2是塑件上相应的尺寸制造公差，对于中小型件取δz=Δ/6( 下同)[2]。

同理，塑件最大高度尺寸及公差分别为Hs1=260-0.28 mm，Δs1=0.28 mm，可计算凹模深度尺寸：

塑件内部径向尺寸及公差Ls1=2370+0.78mm，Ls2=3420+1.12mm，Δs1=0.78 mm，Δs1=1.12 mm。型芯径向尺寸：

成型孔间距：

塑件内部高度尺寸及公差

3.2.2 辅助机构设计

模具设计采用点浇口进料，熔体直接进入并充满型腔，成型零件之间的配合间隙即可排出气体，因此较少存在憋气现象。故本次设计中无需单独设计排气结构。仅靠各部件之间的间隙配合即可满足排气要求。

注射模的导向机构用于动、定模之间的开合模导向和脱模机构的运动导向。因注射成型的塑件结构相对简单，模具定位要求精度相对较低，可以使用模架上的导柱导套来进行定位导向[11]。

另外，模具采用点浇口形式进行注射成型，为方便脱模以及去除分流道上的塑件残留，采用复合导柱顺序脱模机构进行脱模，并且使用推板推出，并在脱模板与型芯之间空余0.2 mm 间隙，采用锥面配合以减小在推出时与型芯的摩擦[2]。

3.2.3 模架的确定及校核

考虑到模架内的布置，初步选用模架序号为10 号(W.L=355 mm×450 mm)，模架结构为P8 型的双分型面标准模架[2]。依次确定凹模板厚度26 mm，，凹模固定板(A 板) 厚度63 mm，型芯固定板(B 板) 厚度25 mm，垫块高度80 mm，中间板厚度25 mm，脱模板厚度32 mm。经初步校核，所选模架满足塑件产品尺寸要求。

因塑件为薄壁零件，其脱模力可由下式计算：

式中，E=1.8×103MPa，S=0.055，Φ=1°，L=342，K2=1+fsinΦcosΦ，f=0.45，A=3 964 6 mm2，μ=0.3，t=1.5 mm。

由此可得模具推出机构应力为：

式中，塑件推出面积B=1 746 mm2，σe=53 MPa为材料抗压强度，可知模具推出机构应力强度符合要求。

3.2.4 冷却系统设计

ABS 为中等黏度材料，成型温度为200 ℃，初步设定模具温度为50 ℃，并采用常温水作为冷却介质[12～13]。通过对塑件质量、ABS 塑料熔体在凝固过程中的热量及冷却液的体积流量进行简单计算，确保冷却水处于湍流状态以获得最佳的冷却效果，可获知冷却液在流道内的流速及传热系数h，最终计算得在凹模及型芯分别设置1 根冷却水路即可满足塑件产品注射成型需求。

4 注射模结构及工作过程

对注射模具平面尺寸、开模行程、应力强度等校核及导向机构、脱模机构、冷却系统设计后，依次对各系统进行装配并添加固定装置，完成如图6 所示的注射模具总装图。

图6 注射模具总装图

薄壁塑件的生产过程如下：模具闭合时，在导柱9/ 导套8 机构的导向定作用下，动模部分与中间板10及定模座板7 处于闭合状态。塑件轮廓部分由凹模嵌件11，型芯13，推板21 及动模座板23 的一部分构成，并由注射机合模系统的锁模力进行压紧，确保塑件注射成型前的可靠定位锁紧。所有准备工作就绪后，注射机开始进行工作，ABS 塑料熔体经注射机喷嘴进入浇口套3，然后经过主流道、分流道及浇口进入模具型腔，经历充模、压实、保压、倒流补缩及冷却定型5 各阶段后，完成塑件的注射成型。模具开模过程中，注射机动力系统带动模机构拉开模具，处于压缩状态的弹簧2 首先使中间板及凹模嵌件分开，促使浇注系统凝料与浇口套机中间板分离，动模继续运动，凹模嵌件在限位销作用下停止运动，浇注系统凝料在拉料杆6 的作用下与凹模嵌件分离，并停留在拉料杆上，便于脱落机后期处理。注射机动力系统继续运动，凹模嵌件与型芯开始分离，塑件因收缩作用包裹在型芯上并跟随动力机构继续运动，同时注射机推出机构开始工作，推杆18 推动推板将塑件推出，从而完成一次注射成型过程。合模时，注射机动力系统在导向及限位机构作用下顺序复位，模具回复到闭合锁紧状态，并准备下一次塑件注射成型。

5 结论

本文以某品牌笔记本后盖为研究对象，分析了薄壁类塑件产品的结构及性能特点，初定了恰当的注射成型方案，拟定了合理的注射成型参数，并进行了参数校核，最后选用了合理的标准模架并设计了注射成型的模具总装图，为薄壁塑件类产品的注射模设计提供了较好的技术参考。