基于实例的注塑模设计与成型工艺优化

基于实例的注塑模设计与成型工艺优化

方里元

日本电产三协电子（东莞）有限公司523325

摘要：模具是衡量一个国家制造水平的重要标志，是国民经济的支柱产业之一。注塑模具作为模具行业的重要组成部分，其设计水平的高低直接影响着塑胶产品的质量和效益。伴随着工业的发展，全面推广CAD/CAE技术已成为注塑模具发展的必然趋势。国内外注塑成型技术的研究现状及发展趋势，以及影响注塑成型技术的相关因素，重点对放大镜塑件进行了注塑模具设计和注塑成型过程的有限元分析。使用NX-8.5(ug)软件进行塑件的三维建模，通过moldwizard模块中项目初始化、模具分型、加载模架、浇注系统设计、脱模机构设计、冷却系统设计和模具装配图等功能的使用，详细解读了注塑模具设计的整个流程。

关键词：注塑模具；工艺优化

一、注塑成型技术概述

注塑成型技术是指在一定温度下将粘流态的塑胶熔体在高速、高压推动下注入模具型腔中，经过一定时间的保压定型冷却后，开模获得塑件的加工方法。注塑成型技术生产效率高、易于实现自动化，适用于大规模量产形状复杂的产品，其主要目的是生产出符合客户相关要求的塑胶制品。注塑材料、精密的模具、注塑的相关设备、成型工艺和相关人员这五个要素，是生产出合格塑件的必要条件，缺一不可。只有模具设计工程师对前四个注塑成型要素有更深刻的认识，才能使模流分析软件的分析结果更接近现实的试模和生产。

1.1注塑成型设备

注塑成型设备主要包括注塑机和常用的辅助设备两大类。注塑机是利用注塑模具成型塑件的设备。主要由注射装置、合模装置、液压与电气控制系统、机架四部分组成。如图1所示。目前，应用最广泛的是卧式螺杆式热塑性塑料通用注塑机。选用注塑机时应综合考虑注射量、注射压力、锁模力、安装部分的配合连接尺寸等.

1.2其他注塑成型设备:

机械手:按照程序模拟代替人工手臂定时进行收取塑件的机械装置。如图2所示

机械手模温机

模温机:用于改变模具温度，始终保证注塑过程中，模具处在最佳温度的设备。

干燥箱烤箱

干燥箱:减少或去除原料中的水分，防止多余水分和塑胶熔体发生化学反应，避免产品出现外观缺陷，提高塑件品质，如图5所示。烤箱:烤箱中不锈钢发热管通电后发热，经过高效离心风机利用空气流动将发热管中的热量带到工作室内部，在工作室内与被烘烤物品进行热量交换，以达到烘烤或干燥的目的。注意事项:摆放好烘箱、烤箱，设备周围不能放易燃易爆的物品。要注意安全用电，烘箱应安放在室内干燥和程度处，防止振动和腐蚀选用足够的电源导线，并应有良好的接地线。当一切准备工作就绪后方可将试品放入烘箱内，然后开启电源，红色指示灯亮暗示箱内已经加热当温度达到所控温度时，红灯熄灭绿灯亮，起头恒温为了防止温控失灵，还必需看顾。放入试品时应注意摆列不能太密散热板上不应放试品，以避免影响热气流向上流动禁止烘焙易燃、易爆、易挥发及有腐蚀性的物品。该电路具有较好的温度控制能力,且经济性好,工作稳定可靠。

二、注塑成型条件

以PS原料及成型的范例，射出成型的原则为“熔融”“注射”、“冷却“等三个阶段。

2.1“熔融”的过程

2.1.1料管温度

料管的温度，每区须设定在多少温度是般的常识区分为科管流嘴、前部、中部、后部)，成型条件中比较重要的是、螺杆前端停滯原料的温度，成型操作中直接测定是比较困难且无法执行，所以以料管前端的温度当作材料之温度，科管之温度由前端开始设定，如果前端分成2部份时把它当作同样的温度。材料之温度，首先参考制造商提供的资料以及模具实际情况来快定，这样先决定料管前端之温度，然后再米设定后部之温度。后部的温度如果太高的话，成型村料立即软化在螺杆上后面的原料就无法被加进去，所以后部领比前部降低20℃之温度。

灌嘴的温度设定，原则上港嘴的温度应与料管前端的温度样不可下降，但是如果不下降一点的话，材料会从灌嘴处流漏出来，所以灌嘴的温度比料管前端温度降低10℃.

2.1.2螺杆的回转速

成型村料是以螺杆回转来使其熔解，回转的速度太快时因磨擦过多产生过热现象，回转速度太慢时拉长循环成型的时间因而使成本提高，基本上以不产生过热现象转速快一点来设定、也不要设定太快。

2.1.3螺杆的背压

为了防止螺杆快速的后退，必项给螺杆有个压力，螺杆的背压太低时，因成型村料熔融时，产生的气体会使螺杆后退，那么熔融的成型村料量就不稳定，如果螺杆的背压太高时，螺杆后退的速度慢，因而使个循环的时间也增长，背压会使材料的混合达到良好之状态，承受背压的螺杆转速如果快一点，会使材料之混合更好，但是回转速不能太快，背压也不能太高，否则螺杆回转太快了，会因磨擦过剧而产生过热现象。

螺杆背压的多少是以压力表的度数来表示。

2.2射出的过程

2.2.1射出量

是以螺杆后退到所定位置来决定射出量，即指成型材料充填到模具内材料的重量，实际上当螺杆后退到一定的位置后仍然会继续向后退点，就像螺杆向前进到某一位置后也无法完全切断不让材料途续射出一样，这种虽然到达所定位置应切断停止，却无法切断停止而继续动作的位置，我们叫做垫料。成型品的体积，是垫料量加上螺杆后退到所定位置来决定。通常垫料量大概为5-10mm程度，例如实际料量需60mm时，应设定为65-70mm,因为垫料量为5-10mm。

2.2.2射出速度

射出速度是由螺杆前进的速度来决定，螺杆前进速度是指根据机台上已设定的程序，使螺杆由个位置换到另一个位置，开始时射出速度等于螺杆前进速度，也就是以射出速度来称呼，成型的原则是，材料尚未冷却下来前趁早把材料射出去，所以射出速度应愈早愈快愈好。

2.3保压时间

保压的原则是，维持成型材料在模具冷却到无法再流动为止，但因间]闸门有封堵的作用，所以如果闸门冷却凝固后，保压的效果就无作用，维持保压的时间如果太短，压力就放掉，这样保压的效果就会消失，成品会有欠肉缩水等不良情况发生。

2.4冷却的过程

2.4.1冷却时间

冷却时间是指保压时间完了之后到模具打开为止所设定的时间，成型材料在模具内冷却，然后由模具取出必续不变形而且坚固才行，冷却时间如果设定太长会使成型的循环时间变长。模具的温度低会使冷却时间缩短，如果冷却时间太短了会使模具内取出的成型品变形。

但是实际成型时，在冷却的这段时间内，也正在为下次成型做可塑化过程，也就是螺杆面回转面往后退到所设定的位置，这段时间的长短，应可包含在冷却时间内，如果可塑化的时间比冷却时间长的话，成型的冷却时间就会浪费，这时为了要避免此浪费，可以把螺杆之回转以及螺杆的背压调整，也就是回转数提高或者降低背压这样可以缩短可塑化的时间。

冷却时间是成型循环时间中最长的时间，如果能把冷却时间缩短可以降低成本费用。

2.4.2.成型循环(CYCLETIME)

成型循环是个成品生产出来到另外一个成品生产出来的时间，在成型机上可以用“定时”来设定为多少时间，在成型如果安全门打开的时间过长，比所定的循环时间还长时，警报器会叫起来，如果安全门打开的时间很短，但是成型循环所定之时间还未到达，下次成型动作也无法开始，为了使产品的尺寸不会有变化起见，每次成型循环(CYCLE)之时间要定。

如果依照股原则，充填时间应该较短较好，充填的时间是可以用射出速度及射出压来调整，为了使模具各个位置都能充分填满材料，射出压高点比较好而且也有必要，但是射出压应立即换成保压，为的是使闸门附近不会承受到不必要压力。射出压是以成型机的射出乐及保压切换立置以及射出速度来调整，保压是以成型机的保压以及保压时间米调整，殷地，保压大概是射出压的1/2程度，成型机所说的保压，实际也是模具内压力会渐渐的下降，这是因为成型材料会渐渐地冷却下来变坚周而引起的结果。

2.5成型条件的平衡

因成型条件操作有时会有满足这个条件，但无法满足那个条件，所以实际成型时，成型条件的平衡相当重要。就以PS在成型时，会有毛边，欠肉，会胶，不好脱模的例子来说明，射出压(一次压)太低时，虽然易于脱模不易产生毛边，但是产生欠肉及会胶的状况，反过来说，射出压(一次压)太高时，虽然欠肉，会胶不易发生，但毛边易发生，脱模困难。像这样达到这个要求，相对地就无法达到别个要求，如果仅以射出压的调高或调低来解决，会有困难的。实际的成型条件是料管之温度调低、模具温度调高、射出速度要快，射出压(一次压)要低、保压(二次压)要高、保压时间要长，以上述原则实际来试试看，试后再以样品来参号，调整不好再调，调到整个条件都平衡才来定成型条件。

三、注塑模具成型工艺条件

在注塑材料、注塑模具和注塑设备确定后，成型工艺条件的选取和控制就成了决定塑件成型的品质的主要因素。注塑成型过程中应根据塑料材质、模具结构的不同正确选择和控制成型工艺条件。一般来说，整个注塑成型周期中包括以下几个条件：

(1)温度

注塑成型过程中温度主要包括模具温度、料筒温度和熔体温度。模具温度对塑料熔体在模具型腔内的流动能力和塑件的最终成型影响很大，通常影响塑件的充模能力和冷却时间。模具自然升温时塑件能更好的成型，避免冷隔和浇不足等缺陷的产生。自然散热是为了便于塑件顺利脱模；塑料塑化良好而又不使其发生变质分解，就需要合理调控料筒的温度，一般按照先低后高的原则进行排布。熔体温度影响塑料的塑化和熔体的注射充模，升高熔体温度可以降低塑件内应力，改善塑件的表面粗糙度等。

(2)压力

注塑成型过程中压力主要包括塑化压力、注射压力和保压压力。注射中，塑化压力是随着螺杆的设计、塑件质量以及塑料种类的不同而变化的。增加塑化压力，容易导致注塑机唧嘴发生流涎现象和导致塑胶分解，通常塑化压力不超过2Ma；注射压力的大小通常取决于注射机的类型、塑料的类型、模具温度、塑件的结构等，一般情况下，塑料熔体充模阶段需要增大注射压力；型腔充满后，就要等于或小于初始的注射压力，否则会造成塑件内应力增大、脱模困难；保压压力是指型腔充满后继续对模内熔料施加的压力。它是使熔料在压力下固化，并在收缩时进行补缩，从而获得完整的塑件。

(3)时间

一般情况下，设定合理的充填时间、保压时间、冷却时间和开模时间要综合考虑材料性能、模具和熔体温度、塑件尺寸及外观要求、塑件壁厚等诸多因素。注射时间中的充填时间不长，一般不超过10s。保压时间一般为20~120s(特殊塑件可达5~10min)，保压时间长短的设定一般以塑件表面无明显凹陷为标准；塑件制品的壁厚、尺寸结构和材料性能的差异都将引起冷却时间的改变。冷却时间一般为20~110s，冷却的最终目的是便于塑件更好的脱模，防止发生粘模现象；

开模时间是为了使机械手快速取出塑件，时间太短取件工作无法完成，时间过长会导致模具温度降低，影响下次成型。

不管是温度还是压力和时间，要想正确选用成型工艺条件的相关参数，不但要熟悉各种型号的注塑机，还要掌握常用塑料的基本性能。针对不同形状、不同尺寸的塑件，只有不断探索积累丰富的实践经验，才能加工出合格的塑件。

加强模具运动仿真的研究，模拟塑件成型过程中，开模、推件、复位、合模等工作过程，分析各零部件之间是否存在干涉情况，检验整套模具的装配性能。通过观察注塑模具运动仿真过程，可以快速掌握模具的工作原理，把模具设计过程中产生的各种问题，扼杀在萌芽状态，节约成本的同时提高了生产率。

四、注塑成型模具设计的要点

注塑成型磨具设计是塑料产品成型研制加工生产的主要环节，生产企业及设计人员应提高对注塑成型模具的设计水平，对其使用性能进行合理、规范的技术创新，加强在科研过程中注塑成型模具的科学理论学习，对国际、国内成功案例和经验加以积极借鉴，在设计注塑成型模具时加强其工艺技术含量，通过技术创新的方式增强产品竞争力、为企业获取更加客观的经济效益。

1.注塑成型模具系统设计分析

注塑成型模具的系统设计，是塑料产品的经济收益取决于产业核心竞争力，而产业竞争力的关键所在就是注塑成型模具的系统设计、加工环节及设计人员的专业程度。系统设计过程体现了产品的初期设计构思、理念及其生产工艺，设计者要从市场的实际需求出发，借助互联网技术优势，加强对市场的把控性，合理调整注塑成型模具的设计模型。我国塑料制品从现阶段模具设计的具体情况来看，在其生产环节和设计环节中，工艺水平不断趋于机械化，模具构造性能不断趋于强化，注塑成型模具的生产特点不断趋于规模化、自动化。在模具设计过程中，设计人员将重心置于气体注射、热流道等生产工艺和技术的不断研究推广之上。

2.注塑成型模具的浇注设计分析

在设计模具的充填形式的过程中，为了实现预期的控制效果，首先要确定模具的浇口位置，以确保达到预期的控制效果，设计人员在浇口位置上选择应更多参考CAE分析，CAE能提供更多的设计方案，且根据其影响作出相应的评价，对设计者选择和判断给予积极帮助。以成型的注塑浇注为例，设计人员应将浇筑过程设分为几个环节：浇注过程首先是确定设计方案，设计师对工具参考数值、基本信息律等要素计算，对于浇注液压桐庐整体布局加以确认，使得进料口种类多样化；按照设计制造标准及其工艺需求，设计工作人员在教主方案优化过程中对流体线路进行适当调整，为了对进料速度有所提升，应当对桐庐体积尽可能地进行缩减，对部件精密度根据注塑浇灌口数量进行优化面对模具的外观根据浇口性能进行设计。

在主教系统的第二个修改设计环节中，浇注系统进行检测并核对浇口设计是否存在错误。设计过程中只有对浇口位置的平衡性加以保证，塑件的质量才能有所保障，塑件压力、塑件温度、塑件体积收缩率才会均匀分布。因此，流动是否平衡在很大程度上取决于对浇口位置的选择上。熔体流动充填形式实现相对于平衡状态。熔流长度实质上为一个等效流长的平均值，也就是熔流入口至任意边界点长度的平均值。有限元网格节点在分析流动过程中必须确保和浇口的位置加以重合，浇口位置在优化过程中必须对网格进行重新划分或者近似处理浇口位置。

3.注塑成型模具的冷却分级设计分析

在注入熔流的过程中吗，模具材料在浇口处温度发生变化的情况下会有热传递现象产生，模具温度在热传递现象作用下逐渐升高，首先传递至冷却通道，然后传递至冷却通道外。传递在冷却管道和分型面之间的距离过长的情况下会向模具自身进行热量传递，这个过程持续至热传递被完全冷却。模具和冷却管道之间的热量在冷却通道在距离模具表面很近的情况之下，会慢慢降低，达到稳定状态所用的时间就会越少。通过传统方式审计冷却管道过程中，应当注意与模具腔型距离的保持。

通常情况下，管道直径在液体通道冷却设计过程中没应当控制在八至十二毫米区间范围之内，低于该标准化则无法顺利实现注塑加工，高于该标准化，对交工过程中的冷却性会产生很大影响。冷却液体流动速率通过对液体通路直径的控制面加快，形成小漩涡之后达到冷却标准。设计者在设计过程中，对于冷却不均衡的现象应当尽量避免，因此，综合地对末班的刚度性能和冷却效果进行考量，冷却系统通道中心线和模具外面之间的间隔数据通常情况下设定为三陪于通道直径的值，冷却分层的均衡性在上述间隔数设置过小的情况下有所影响。

结束语

注塑成型作为一项速度快、自动化程度高的生产技术，能一次成型形状复杂，尺寸精确的制品，在整个塑料制品生产行业占有非常重要的地位。由于塑料制件的形状及其模塑过程往往非常复杂，这就使得塑料注塑制件的设计成为一项非常困难的工作。而且，对于那些加工方法可能与以往不同的新型塑料，即使是经验丰富的设计人员，工作起来也并非轻而易举。实际上，要把一个塑料制件设计得既实用又美观，而且便于制造，其难度相当大，需对有关的各种因素进行一系列的权衡折中，才能满足上述各项基本要求。注塑成型过程非常复杂，塑件设计、模具设计、工艺参数确定和加工材料的选择对成型过程和制品质量都有很大影响。本文对充填过程进行的模拟、优化研究还有待进一步完善。

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