【模具技術】疊層式注射模具設計與應用

2017-01-08 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

疊層式注射模具設計與應用

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,在我國已逐漸開始推廣使用。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或多個層面上的,呈重疊式排列,即相當于是將多副模具疊放組合在一起。

通常,注塑機與常規(guī)模具配合使用時,其本身的注射量和開模行程只使用了額定的20%~40%,沒有充分發(fā)揮注塑機的性能。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計要點

疊層式注射模具作為一種新型的模具技術得到了不斷的發(fā)展,特別是與熱流道技術的結合,使它成為當今塑料模具發(fā)展的一項前沿技術。傳統(tǒng)的常規(guī)模具設計理論已經(jīng)不適用于疊層式注射模具設計,因此急需發(fā)展一套全新的模具設計理論以指導疊層式注射模具設計。下面將對疊層式注射模具的設計要點進行說明。

1.注塑機最大注射量

疊層式注射模具可以采用冷流道,也可以采用熱流道。當使用冷流道時,需要考慮澆注系統(tǒng)凝料所用的塑料量;當采用熱流道時,即實現(xiàn)無回頭凝料生產(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[3]。所以,在校核注塑機最大注射量時要視具體情況而定。

2.注塑機注射壓力

注射壓力的校核主要是檢驗注射壓力能否滿足成型的需要。對于疊層式注射模具,大多成型薄壁、投影面積大、流程長的塑件,在充填過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,相對疊層式冷流道模具來說,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,應根據(jù)各種塑料的注塑工藝,并結合計算機模擬流動分析來確定塑件的注射壓力,再與注塑機額定注射壓力比較。

3.注塑機最大鎖模力

疊層式注射模具的各層型腔以“背靠背”設置,理論上能在鎖模力不增加的基礎上在同一臺注塑機上實現(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,注射壓力相應增大,致使型腔壓力增大,故鎖模力有所增加,校核時按相同單層模具所需鎖模力增加10%~15%是比較安全的。

4.注塑機開模行程

疊層式注射模具在兩個層面分型開模并頂出塑件,當校核開模行程時,對于采用液壓—機械式鎖模機構的注塑機,則不需考慮模具厚度;當疊層式注射模具上具有側(cè)向分型的抽芯機構時,則需考慮抽芯距離的影響。如果采用相同傳動比的齒輪齒條或曲肘連桿開模裝置等同步開模機構,則疊層式注射模具各層的行程不受制品高度的限制,其開模行程是多層模具中最大開模行程那一層的n倍(n為疊層式注射模具的層數(shù))。

5.主噴嘴長度

中心主噴嘴不能太長或太短,這樣模具閉合時,中心主噴嘴不會超出注塑機噴嘴在機座后退或前進的最大距離。由于中心主噴嘴要與模具的中間部分在分型時一起移動,所以應確保開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,并易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn),但對塑料品種有一定要求,而且熱流道系統(tǒng)價格昂貴。當采用冷流道時,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,疊層式注射模具設計時應保證各層型腔的溫度條件控制一致。對于疊層式熱流道注射模具,為減少熱流道系統(tǒng)由于熱傳導的熱量損失,應減少模具與熱流道板之間的接觸面積,并設置相應的隔熱墊塊。

8.開模機構

為使塑件收縮一致,塑件在各型腔中的停留時間(冷卻時間)應當相等,故疊層式注射模具應當確保各層型腔的分型面同時開啟。齒輪齒條傳動機構和機械式連桿機構常作為疊層式注射模具的開模機構,前者的技術性能較好,也較經(jīng)濟,但后者的靈活性更大。采用液壓輔助開模更容易控制開模時間,但結構較大。

9.脫模機構

根據(jù)冷卻時間等同要求,疊層式注射模具應對各層型腔中的塑件同時頂出,采用彈簧或者高壓空氣的脫模機構能夠達到這一要求。

國內(nèi)外疊層式注射模具的發(fā)展與應用

早在1940年12月KNOWLESER就取得了疊層式模具的專利權。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,而且增加了應用疊層式注射模具的靈活性。經(jīng)過幾十年的研究與發(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、直角進澆熱流道疊層式注射模具、旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具等結構的發(fā)展變化。

1.國外疊層式注射模具的發(fā)展動態(tài)

國外疊層式注射模具技術起步較早,發(fā)展相對成熟,知名的疊層模具公司有Tradesco、Ferromatik Milacron、Foboha和Engel等。由于熱流道技術的應用在國外發(fā)展較快,所以熱流道疊層式注射模具技術在國外被廣泛使用。此外,發(fā)達國家在新型疊層式注射模具技術處于領先水平,最近發(fā)展起來的旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具技術拓寬了疊層式注射模具的應用能力。

20世紀60~70年代,國外一些公司便開始研制疊層式注射模具。瑞士的Schottli公司最早開發(fā)出工業(yè)應用的疊層式注射模具。

1980年德國的Johnson T.便設計了一款冷流道雙層注射模具,如圖1所示,該模具由動模部分、定模部分和中間部分組成,中間部分實際上就是延續(xù)了主流道并具有分流道和兩層各自型腔的型腔板,在動模和定模部分都設置有脫模機構,用機械、液壓或氣壓等方式來頂出塑件。

圖1 冷流道雙層注射模具

1989年D.Gener和Wiesbaden-Delkheim設計了一款熱流道雙層注射模具,如圖2所示,它也由動模部分、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個型腔板構成。1992年日本的確井裕雄和山本國雄發(fā)明了一款熱噴嘴不對稱分布的熱流道疊層式注射模具,但合理的流道設計能夠控制模腔內(nèi)的熔體達到流動平衡。后來,德國的W.Homes,Bensheim,J. Li,H. Hagelstein,日本的新出毅分別設計了不同結構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裝置,控制閥針的開閉運動。

圖2 熱流道雙層注射模具

1991年Tradesco模具公司的Rozema H.設計了一款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上,延伸熱流道,并增加一套中間部分使成型層數(shù)擴展到4層,使生產(chǎn)率提高了4倍。但并不是所有的注塑機都能達到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,克服了注塑機開模行程不足、注射量不夠的缺點,成功地應用到4層熱流道疊層式注射模具中,如圖3所示。同年Tradesco模具公司成功開發(fā)了一款3層熱流道疊層式注射模具,如圖4所示。該設計具有在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發(fā)拓寬了疊層式注射模具的應用能力,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、動模板和定模板組成,中心模板可以有2個或4個面,當模具打開時可旋轉(zhuǎn)90°或者180°。如由Engel公司開發(fā)的一種旋轉(zhuǎn)模板設計,其中心模板有2個面,每個周期旋轉(zhuǎn)180°。德國的Keusgen H.設計了一款旋轉(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入型腔,冷卻后再旋轉(zhuǎn)到另一層再注射第二種材料進入型腔。而由Ferromatik Milacron歐洲公司與德國模具制造商Foboha公司合作開發(fā)的旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具有一個4個面的中心模板,每周期旋轉(zhuǎn)90°。如Foboha公司申請專利的帶有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1.75×108件。丹麥的Gram技術公司設計的旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具具有多達4個邊挨著邊的小的中心疊層結構,各自又有4個面,并且每一周期可旋轉(zhuǎn)90°

圖5 旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具

2.國內(nèi)疊層式注射模具的發(fā)展動態(tài)

直到20世紀80年代末,疊層式注射模具技術才逐漸傳入我國模具行業(yè),因此我國疊層式注射模具技術起步較晚,生產(chǎn)中采用熱流道疊層式注射模具所占的比例較少,在設計和應用上與國外先進疊式模具技術存在一定的差距,甚至在一些技術領域(如旋轉(zhuǎn)疊式注射模具)仍處于空白。所以,面對激烈的市場競爭,我國必須盡快提高疊層式注射模具技術,在國際市場中掌握主動性,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)澆口進料的雙層型腔注射模具的結構設計,如圖6所示,該模具比點澆口進料減少一個模具分型面,容易實現(xiàn)順序開模,但在成型較深型腔或需較大脫模力的塑件時不可靠。

圖6 采用側(cè)澆口進料的雙層型腔注射模具

1992年常州輕工業(yè)學校的卜建新介紹了一種側(cè)澆口和點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)澆口進料,下層型腔采用點澆口進料,利用限位拉鉤和限位拉板等實現(xiàn)順序分型,可成型不相同的塑件。

圖7 側(cè)澆口和點澆口并用的雙層型腔注射模具

1995年乙清設計一種特殊的雙層注射模具,如圖8所示,其流道采用了兩級主流道形式,一級主流道頂部設有沉孔槽,動模板通過鏈條傳動,帶動定模部分的頂出板頂出塑件。它的缺點是需要將注塑機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 采用兩級主流道的雙層注射模具

1997年李樹、揣成智把熱流道繞過中心從模具邊緣將塑料熔體傳送到流道板,設計了一款生產(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。

圖9 邊緣傳送熔體的熱流道疊層式注射模具

1999年浙江偉星集團的王曰興設計了一款高效哈夫式雙層注射模具,共用一對哈夫滑塊,模具結構簡單,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構,該模具注射、脫模容易,易實現(xiàn)自動化生產(chǎn),結構較簡單,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,王振保采用主流道為熱流道,其余為冷流道設計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現(xiàn)模內(nèi)分離,且各層分型面可同時脫出,既簡化了模具結構又降低了對分型距離的要求,而且易于實現(xiàn)自動化生產(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個型腔的注射模具,其四級主流道依次串連,分型時自動拉斷,采用擺桿同步分型、拉板脫模機構,該模具結構簡單,運行可靠,比單層模具增效3倍以上,但模具流道長,充模時壓降、溫降大,成型工藝參數(shù)需適當調(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計了一種直角進澆熱流道疊層式注射模具,如圖12所示,該模具改變了進澆口的位置,進澆口改在中間部分,與開模方向成直角,需要直角式注塑機,但是省去了熱注道的延伸,減少了塑料熔體從注塑機噴嘴流向分流板的距離,簡化了結構設計。同年陳劍玲、劉廷華等人與上?？死蕦幖夹g設備有限公司合作,采用熱流道技術,設計了淺盒形件順序開模熱流道疊層式模具,該模具含有兩層型腔,提高了生產(chǎn)效率和設備利用率,降低了生產(chǎn)成本。2004年陳劍玲、劉廷華等人又設計了一款CD包裝盒的熱流道疊層式模具,采用定距拉桿實現(xiàn)順序開模,結構緊湊,經(jīng)濟性佳,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 直角進澆熱流道疊層式注射模具

2007年沈洪雷等人設計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構形式,利用齒輪、齒條及液壓缸來實現(xiàn)模具的順序開模和塑件的頂出,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技術應用到疊層式注射模具設計中,利用Moldflow分析軟件,通過對塑料填充、保壓和冷卻過程的模擬分析,對空調(diào)面板疊層式模具的成型過程進行動態(tài)模擬,分析了影響成型過程的主要因素,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,通過模具專家系統(tǒng)EMX4.1調(diào)用和修改模架、熱流道板及噴嘴,設計了一款球形攝像頭內(nèi)側(cè)支架疊式熱流道注射模具,并從設計過程中遇到的問題提出了對疊式模具元件的標準化要求。

結論

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)揮注塑機的能力,節(jié)省人力和設備資源,極大地提高生產(chǎn)效率。雖然疊層式注射模具在設計和加工方面成本較高,但是如果能在以下幾個方面加以改進,則可以大幅度地降低模具成本,擴大其應用范圍:1.完善疊層式注射模具的設計理論,縮短研發(fā)周期;2.延長一些核心元件(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備配套;4.借助CAD/CAE/CAM技術進行設計、分析與加工,實現(xiàn)模具結構最優(yōu)化;5.實現(xiàn)疊層式注射模具通用零件的標準化、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.實現(xiàn)疊層式注射成型工藝參數(shù)的優(yōu)化;8.實現(xiàn)疊層式注射成型的全自動化。

隨著相關技術的不斷改進,疊層式注射模具在塑料制品加工工業(yè)中的應用將會不斷擴大,尤其是熱流道疊層式注射模具的經(jīng)濟性更能適應市場的需要,更能創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟效益,也符合我國裝備制造業(yè)發(fā)展的要求,將來必有廣闊的市場前景。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術文章,助你自學成才