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2017-01-08 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
疊層式注射模具設(shè)計(jì)與應(yīng)用
引言
疊層式注射模具是一種高效、快捷、節(jié)能的新型注射模具,在我國(guó)已逐漸開(kāi)始推廣使用。與常規(guī)模具不同的是,疊層式注射模具的型腔是分布在兩個(gè)或多個(gè)層面上的,呈重疊式排列,即相當(dāng)于是將多副模具疊放組合在一起。
通常,注塑機(jī)與常規(guī)模具配合使用時(shí),其本身的注射量和開(kāi)模行程只使用了額定的20%~40%,沒(méi)有充分發(fā)揮注塑機(jī)的性能。與常規(guī)模具相比,疊層式注射模具的鎖模力只提高了5%~10%,但產(chǎn)量可以增加90%~95%,極大地提高了設(shè)備利用率和生產(chǎn)率,并降低了成本。
疊層式注射模具最適于成型大型扁平制件、淺腔殼體類制件、小型多腔薄壁制件和需大批量生產(chǎn)的制件。
疊層式注射模具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
疊層式注射模具作為一種新型的模具技術(shù)得到了不斷的發(fā)展,特別是與熱流道技術(shù)的結(jié)合,使它成為當(dāng)今塑料模具發(fā)展的一項(xiàng)前沿技術(shù)。傳統(tǒng)的常規(guī)模具設(shè)計(jì)理論已經(jīng)不適用于疊層式注射模具設(shè)計(jì),因此急需發(fā)展一套全新的模具設(shè)計(jì)理論以指導(dǎo)疊層式注射模具設(shè)計(jì)。下面將對(duì)疊層式注射模具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。
1.注塑機(jī)最大注射量
疊層式注射模具可以采用冷流道,也可以采用熱流道。當(dāng)使用冷流道時(shí),需要考慮澆注系統(tǒng)凝料所用的塑料量;當(dāng)采用熱流道時(shí),即實(shí)現(xiàn)無(wú)回頭凝料生產(chǎn),在熱流道板和中心主噴嘴中的物料不影響模具所需注射量,可以忽略不計(jì)[3]。所以,在校核注塑機(jī)最大注射量時(shí)要視具體情況而定。
2.注塑機(jī)注射壓力
注射壓力的校核主要是檢驗(yàn)注射壓力能否滿足成型的需要。對(duì)于疊層式注射模具,大多成型薄壁、投影面積大、流程長(zhǎng)的塑件,在充填過(guò)程中需要更高的注射壓力和注射速度。而疊層式熱流道模具由于采用了熱流道技術(shù),相對(duì)疊層式冷流道模具來(lái)說(shuō),能較好地傳遞注射壓力,故所需的注射壓力要比疊層式冷流道模具小;但由于流程增加、投影面積增大,所需注射壓力要比單層冷流道模具大。在校核注射壓力時(shí),應(yīng)根據(jù)各種塑料的注塑工藝,并結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬流動(dòng)分析來(lái)確定塑件的注射壓力,再與注塑機(jī)額定注射壓力比較。
3.注塑機(jī)最大鎖模力
疊層式注射模具的各層型腔以“背靠背”設(shè)置,理論上能在鎖模力不增加的基礎(chǔ)上在同一臺(tái)注塑機(jī)上實(shí)現(xiàn)任意數(shù)量的疊層。但是,由于疊層式注射模具的中心主噴嘴及分流板增大了流動(dòng)通道,使塑件加上澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積有所增大;并且由于疊層而延伸了流道,壓力損失比常規(guī)單層模具大,注射壓力相應(yīng)增大,致使型腔壓力增大,故鎖模力有所增加,校核時(shí)按相同單層模具所需鎖模力增加10%~15%是比較安全的。
4.注塑機(jī)開(kāi)模行程
疊層式注射模具在兩個(gè)層面分型開(kāi)模并頂出塑件,當(dāng)校核開(kāi)模行程時(shí),對(duì)于采用液壓—機(jī)械式鎖模機(jī)構(gòu)的注塑機(jī),則不需考慮模具厚度;當(dāng)疊層式注射模具上具有側(cè)向分型的抽芯機(jī)構(gòu)時(shí),則需考慮抽芯距離的影響。如果采用相同傳動(dòng)比的齒輪齒條或曲肘連桿開(kāi)模裝置等同步開(kāi)模機(jī)構(gòu),則疊層式注射模具各層的行程不受制品高度的限制,其開(kāi)模行程是多層模具中最大開(kāi)模行程那一層的n倍(n為疊層式注射模具的層數(shù))。
5.主噴嘴長(zhǎng)度
中心主噴嘴不能太長(zhǎng)或太短,這樣模具閉合時(shí),中心主噴嘴不會(huì)超出注塑機(jī)噴嘴在機(jī)座后退或前進(jìn)的最大距離。由于中心主噴嘴要與模具的中間部分在分型時(shí)一起移動(dòng),所以應(yīng)確保開(kāi)模后中心主噴嘴仍留在定模部分內(nèi),以防止中心主噴嘴頭部的溢料滴入定模型腔壁上。
6.澆注系統(tǒng)
疊層式注射模具既可以采用普通流道澆注系統(tǒng)(即冷流道澆注系統(tǒng)),也可以采用熱流道澆注系統(tǒng)。熱流道澆注系統(tǒng)能夠較好地傳遞注射壓力,有利于提高塑件的成型質(zhì)量,并易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn),但對(duì)塑料品種有一定要求,而且熱流道系統(tǒng)價(jià)格昂貴。當(dāng)采用冷流道時(shí),塑件的成型質(zhì)量稍差,但模具加工容易,故成本較低。所以,用何種澆注系統(tǒng)應(yīng)視具體情況而定。
7.模溫控制系統(tǒng)
模溫是影響塑件成型質(zhì)量的重要因素之一,疊層式注射模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證各層型腔的溫度條件控制一致。對(duì)于疊層式熱流道注射模具,為減少熱流道系統(tǒng)由于熱傳導(dǎo)的熱量損失,應(yīng)減少模具與熱流道板之間的接觸面積,并設(shè)置相應(yīng)的隔熱墊塊。
8.開(kāi)模機(jī)構(gòu)
為使塑件收縮一致,塑件在各型腔中的停留時(shí)間(冷卻時(shí)間)應(yīng)當(dāng)相等,故疊層式注射模具應(yīng)當(dāng)確保各層型腔的分型面同時(shí)開(kāi)啟。齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械式連桿機(jī)構(gòu)常作為疊層式注射模具的開(kāi)模機(jī)構(gòu),前者的技術(shù)性能較好,也較經(jīng)濟(jì),但后者的靈活性更大。采用液壓輔助開(kāi)模更容易控制開(kāi)模時(shí)間,但結(jié)構(gòu)較大。
9.脫模機(jī)構(gòu)
根據(jù)冷卻時(shí)間等同要求,疊層式注射模具應(yīng)對(duì)各層型腔中的塑件同時(shí)頂出,采用彈簧或者高壓空氣的脫模機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到這一要求。
國(guó)內(nèi)外疊層式注射模具的發(fā)展與應(yīng)用
早在1940年12月KNOWLESER就取得了疊層式模具的專利權(quán)。今天的疊層式注射模具,不僅比傳統(tǒng)的單層模具成本更低,而且增加了應(yīng)用疊層式注射模具的靈活性。經(jīng)過(guò)幾十年的研究與發(fā)展,疊層式注射模具經(jīng)歷了冷流道雙層注射模具、熱流道雙層注射模具、3層或4層疊層式注射模具、直角進(jìn)澆熱流道疊層式注射模具、旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具等結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化。
1.國(guó)外疊層式注射模具的發(fā)展動(dòng)態(tài)
國(guó)外疊層式注射模具技術(shù)起步較早,發(fā)展相對(duì)成熟,知名的疊層模具公司有Tradesco、Ferromatik Milacron、Foboha和Engel等。由于熱流道技術(shù)的應(yīng)用在國(guó)外發(fā)展較快,所以熱流道疊層式注射模具技術(shù)在國(guó)外被廣泛使用。此外,發(fā)達(dá)國(guó)家在新型疊層式注射模具技術(shù)處于領(lǐng)先水平,最近發(fā)展起來(lái)的旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具技術(shù)拓寬了疊層式注射模具的應(yīng)用能力。
20世紀(jì)60~70年代,國(guó)外一些公司便開(kāi)始研制疊層式注射模具。瑞士的Schottli公司最早開(kāi)發(fā)出工業(yè)應(yīng)用的疊層式注射模具。
1980年德國(guó)的Johnson T.便設(shè)計(jì)了一款冷流道雙層注射模具,如圖1所示,該模具由動(dòng)模部分、定模部分和中間部分組成,中間部分實(shí)際上就是延續(xù)了主流道并具有分流道和兩層各自型腔的型腔板,在動(dòng)模和定模部分都設(shè)置有脫模機(jī)構(gòu),用機(jī)械、液壓或氣壓等方式來(lái)頂出塑件。
圖1 冷流道雙層注射模具
1989年D.Gener和Wiesbaden-Delkheim設(shè)計(jì)了一款熱流道雙層注射模具,如圖2所示,它也由動(dòng)模部分、定模部分和中間部分組成,中間部分由熱流道和向型腔供料的熱噴嘴以及制品的2個(gè)型腔板構(gòu)成。1992年日本的確井裕雄和山本國(guó)雄發(fā)明了一款熱噴嘴不對(duì)稱分布的熱流道疊層式注射模具,但合理的流道設(shè)計(jì)能夠控制模腔內(nèi)的熔體達(dá)到流動(dòng)平衡。后來(lái),德國(guó)的W.Homes,Bensheim,J. Li,H. Hagelstein,日本的新出毅分別設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的熱流道疊層式注射模具,其中還采用了閥澆口,在熱噴嘴處多了一套閥針傳動(dòng)裝置,控制閥針的開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)。
圖2 熱流道雙層注射模具
1991年Tradesco模具公司的Rozema H.設(shè)計(jì)了一款4層疊層式注射模具,該模具是在熱流道雙層注射模具的基礎(chǔ)上,延伸熱流道,并增加一套中間部分使成型層數(shù)擴(kuò)展到4層,使生產(chǎn)率提高了4倍。但并不是所有的注塑機(jī)都能達(dá)到4倍的工作量,2000年加拿大的Olaru George和Dewarm Neil發(fā)明了一種分配熔體的裝置,克服了注塑機(jī)開(kāi)模行程不足、注射量不夠的缺點(diǎn),成功地應(yīng)用到4層熱流道疊層式注射模具中,如圖3所示。同年Tradesco模具公司成功開(kāi)發(fā)了一款3層熱流道疊層式注射模具,如圖4所示。該設(shè)計(jì)具有在2層和4層疊層式注射模具之間中等水平的生產(chǎn)效率,可以使注塑生產(chǎn)商在塑化能力或注射壓力還不足以使用4層疊層式模具的情況下,達(dá)到高于2層疊層式注射模具的生產(chǎn)能力。
圖3 4層熱流道疊層式注射模具
圖4 3層熱流道疊層式注射模具
新型疊層式模具的開(kāi)發(fā)拓寬了疊層式注射模具的應(yīng)用能力,使其具有多種顏色和多種材料成型的能力。旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具由在垂直軸上旋轉(zhuǎn)的中心模板、動(dòng)模板和定模板組成,中心模板可以有2個(gè)或4個(gè)面,當(dāng)模具打開(kāi)時(shí)可旋轉(zhuǎn)90°或者180°。如由Engel公司開(kāi)發(fā)的一種旋轉(zhuǎn)模板設(shè)計(jì),其中心模板有2個(gè)面,每個(gè)周期旋轉(zhuǎn)180°。德國(guó)的Keusgen H.設(shè)計(jì)了一款旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具,如圖5所示,其成型方式為在模具的一層注射一種材料進(jìn)入型腔,冷卻后再旋轉(zhuǎn)到另一層再注射第二種材料進(jìn)入型腔。而由Ferromatik Milacron歐洲公司與德國(guó)模具制造商Foboha公司合作開(kāi)發(fā)的旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具有一個(gè)4個(gè)面的中心模板,每周期旋轉(zhuǎn)90°。如Foboha公司申請(qǐng)專利的帶有PET(40g)阻透層的HDPE(70g)牙膏管式瓶肩模具,其4×64的旋轉(zhuǎn)疊層系統(tǒng)能在8.4s的周期中吐出64只雙層零件,年產(chǎn)量達(dá)1.75×108件。丹麥的Gram技術(shù)公司設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具具有多達(dá)4個(gè)邊挨著邊的小的中心疊層結(jié)構(gòu),各自又有4個(gè)面,并且每一周期可旋轉(zhuǎn)90°
圖5 旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具
2.國(guó)內(nèi)疊層式注射模具的發(fā)展動(dòng)態(tài)
直到20世紀(jì)80年代末,疊層式注射模具技術(shù)才逐漸傳入我國(guó)模具行業(yè),因此我國(guó)疊層式注射模具技術(shù)起步較晚,生產(chǎn)中采用熱流道疊層式注射模具所占的比例較少,在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上與國(guó)外先進(jìn)疊式模具技術(shù)存在一定的差距,甚至在一些技術(shù)領(lǐng)域(如旋轉(zhuǎn)疊式注射模具)仍處于空白。所以,面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),我國(guó)必須盡快提高疊層式注射模具技術(shù),在國(guó)際市場(chǎng)中掌握主動(dòng)性,使企業(yè)立于不敗之地。
1990年北京塑料十三廠的李書贊提出了一種采用側(cè)澆口進(jìn)料的雙層型腔注射模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如圖6所示,該模具比點(diǎn)澆口進(jìn)料減少一個(gè)模具分型面,容易實(shí)現(xiàn)順序開(kāi)模,但在成型較深型腔或需較大脫模力的塑件時(shí)不可靠。
圖6 采用側(cè)澆口進(jìn)料的雙層型腔注射模具
1992年常州輕工業(yè)學(xué)校的卜建新介紹了一種側(cè)澆口和點(diǎn)澆口并用的雙層型腔注射模具,如圖7所示,上層型腔采用側(cè)澆口進(jìn)料,下層型腔采用點(diǎn)澆口進(jìn)料,利用限位拉鉤和限位拉板等實(shí)現(xiàn)順序分型,可成型不相同的塑件。
圖7 側(cè)澆口和點(diǎn)澆口并用的雙層型腔注射模具
1995年乙清設(shè)計(jì)一種特殊的雙層注射模具,如圖8所示,其流道采用了兩級(jí)主流道形式,一級(jí)主流道頂部設(shè)有沉孔槽,動(dòng)模板通過(guò)鏈條傳動(dòng),帶動(dòng)定模部分的頂出板頂出塑件。它的缺點(diǎn)是需要將注塑機(jī)噴嘴延伸至模具的定模上注入主流道襯套,且澆注系統(tǒng)粗大。
圖8 采用兩級(jí)主流道的雙層注射模具
1997年李樹(shù)、揣成智把熱流道繞過(guò)中心從模具邊緣將塑料熔體傳送到流道板,設(shè)計(jì)了一款生產(chǎn)汽車門窗密封條的雙層熱流道注射模具,如圖9所示,該模具在一個(gè)注射周期中能成型兩組塑件,每組含有前后左右4條密封條,兩輛汽車上使用的8條密封條即可一次成型出來(lái)。
圖9 邊緣傳送熔體的熱流道疊層式注射模具
1999年浙江偉星集團(tuán)的王曰興設(shè)計(jì)了一款高效哈夫式雙層注射模具,共用一對(duì)哈夫滑塊,模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造成本較低,而型腔數(shù)增加1倍,注塑成型周期短,生產(chǎn)效率高。同年王振保等人介紹了一種普通流道的雙層單腔模具,如圖10所示,采用正、反錐形主流道、卸料板、氣壓脫模和齒輪齒條分型等機(jī)構(gòu),該模具注射、脫模容易,易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn),結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,但是在第一層塑件上有流道凝料疤痕,不適于生產(chǎn)外觀要求高的制品。后來(lái),王振保采用主流道為熱流道,其余為冷流道設(shè)計(jì)了包裝盒的疊層式注射模具,該模具省去了熱噴嘴,降低了成本。
圖10 普通流道的雙層單腔模具
2000年馮孝中等人介紹了一種潛伏式澆口的白酒杯蓋雙層注射模具,如圖11所示,可使各層塑件與流道凝料實(shí)現(xiàn)模內(nèi)分離,且各層分型面可同時(shí)脫出,既簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)又降低了對(duì)分型距離的要求,而且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn),但要求塑件留模可靠性高和主流道襯套為深陷式。接著馮孝中又介紹了一種4層每層8個(gè)型腔的注射模具,其四級(jí)主流道依次串連,分型時(shí)自動(dòng)拉斷,采用擺桿同步分型、拉板脫模機(jī)構(gòu),該模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠,比單層模具增效3倍以上,但模具流道長(zhǎng),充模時(shí)壓降、溫降大,成型工藝參數(shù)需適當(dāng)調(diào)整。
圖11 潛伏式澆口的白酒杯蓋雙層注射模具
2003年閻亞林和黃曉燕設(shè)計(jì)了一種直角進(jìn)澆熱流道疊層式注射模具,如圖12所示,該模具改變了進(jìn)澆口的位置,進(jìn)澆口改在中間部分,與開(kāi)模方向成直角,需要直角式注塑機(jī),但是省去了熱注道的延伸,減少了塑料熔體從注塑機(jī)噴嘴流向分流板的距離,簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同年陳劍玲、劉廷華等人與上?？死蕦幖夹g(shù)設(shè)備有限公司合作,采用熱流道技術(shù),設(shè)計(jì)了淺盒形件順序開(kāi)模熱流道疊層式模具,該模具含有兩層型腔,提高了生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率,降低了生產(chǎn)成本。2004年陳劍玲、劉廷華等人又設(shè)計(jì)了一款CD包裝盒的熱流道疊層式模具,采用定距拉桿實(shí)現(xiàn)順序開(kāi)模,結(jié)構(gòu)緊湊,經(jīng)濟(jì)性佳,并節(jié)省了人力,極大地提高了效率,保證了制品質(zhì)量。
圖12 直角進(jìn)澆熱流道疊層式注射模具
2007年沈洪雷等人設(shè)計(jì)了一款光碟支架熱流道疊層模具,如圖13所示,該模具采用雙層熱流道結(jié)構(gòu)形式,利用齒輪、齒條及液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)模具的順序開(kāi)模和塑件的頂出,生產(chǎn)的塑件尺寸和外觀符合要求,生產(chǎn)效率大幅提高,生產(chǎn)成本和廢品率大大下降。
圖13 光碟支架熱流道疊層模具
2008年王振保等人將CAE技術(shù)應(yīng)用到疊層式注射模具設(shè)計(jì)中,利用Moldflow分析軟件,通過(guò)對(duì)塑料填充、保壓和冷卻過(guò)程的模擬分析,對(duì)空調(diào)面板疊層式模具的成型過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,分析了影響成型過(guò)程的主要因素,優(yōu)化了工藝參數(shù)。同年賈娟娟等人以Pro/Engineer Wildfire軟件為基礎(chǔ),通過(guò)模具專家系統(tǒng)EMX4.1調(diào)用和修改模架、熱流道板及噴嘴,設(shè)計(jì)了一款球形攝像頭內(nèi)側(cè)支架疊式熱流道注射模具,并從設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題提出了對(duì)疊式模具元件的標(biāo)準(zhǔn)化要求。
結(jié)論
采用疊層式注射模具,尤其是熱流道疊層式注射模具,可以充分發(fā)揮注塑機(jī)的能力,節(jié)省人力和設(shè)備資源,極大地提高生產(chǎn)效率。雖然疊層式注射模具在設(shè)計(jì)和加工方面成本較高,但是如果能在以下幾個(gè)方面加以改進(jìn),則可以大幅度地降低模具成本,擴(kuò)大其應(yīng)用范圍:1.完善疊層式注射模具的設(shè)計(jì)理論,縮短研發(fā)周期;2.延長(zhǎng)一些核心元件(如加熱元件、溫控元件等)的使用壽命;3.使疊層式注射模具與普通的注射模塑設(shè)備配套;4.借助CAD/CAE/CAM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析與加工,實(shí)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)最優(yōu)化;5.實(shí)現(xiàn)疊層式注射模具通用零件的標(biāo)準(zhǔn)化、商品化;6.提高壓力傳遞能力,使其適于厚壁塑件的生產(chǎn);7.實(shí)現(xiàn)疊層式注射成型工藝參數(shù)的優(yōu)化;8.實(shí)現(xiàn)疊層式注射成型的全自動(dòng)化。
隨著相關(guān)技術(shù)的不斷改進(jìn),疊層式注射模具在塑料制品加工工業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)不斷擴(kuò)大,尤其是熱流道疊層式注射模具的經(jīng)濟(jì)性更能適應(yīng)市場(chǎng)的需要,更能創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益,也符合我國(guó)裝備制造業(yè)發(fā)展的要求,將來(lái)必有廣闊的市場(chǎng)前景。
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