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旋鈕注塑成型工藝及模具設(shè)計(jì)
1 緒 論
1.1 我國(guó)塑料模具工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)塑料模工業(yè)從起步到現(xiàn)在，歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)，有了很大發(fā)展，模具水平有了較大提高。在大型模具方面已能生產(chǎn)48英寸大屏幕彩電塑殼注射模具、6.5Kg大容量洗衣機(jī)全套塑料模具以及汽車保險(xiǎn)杠和整體儀表板等塑料模具，精密塑料模具方面，已能生產(chǎn)照相機(jī)塑料件模具、多型腔小模數(shù)齒輪模具及塑封模具。注塑模型腔制造精度可達(dá)0.02mm～0.05mm，表面粗糙度Ra0.2μm，模具質(zhì)量、壽命明顯提高了，非淬火鋼模壽命可達(dá)10～30萬(wàn)次，淬火鋼模達(dá)50～1000萬(wàn)次，交貨期較以前縮短，但和國(guó)外相比仍有較大差距。
1、成型工藝方面：多材質(zhì)塑料成型模、高效多色注射模、鑲件互換結(jié)構(gòu)和抽芯脫模機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新方面也取得較大進(jìn)展。氣體輔助注射成型技術(shù)的使用更趨成熟，電視機(jī)外殼以及一些厚壁零件的模具上運(yùn)用氣輔技術(shù)，一些廠家還使用了C-MOLD氣輔軟件，取得較好的效果。但總體上熱流道的采用率達(dá)不 到10%，與國(guó)外的50%～80%相比，差距較大。
2、在制造技術(shù)方面：CAD/CAM/CAE技術(shù)的應(yīng)用水平上了一個(gè)新臺(tái)階，以生產(chǎn)家用電器的企業(yè)為代表，陸續(xù)引進(jìn)了相當(dāng)數(shù)量的CAD/CAM系統(tǒng)，美國(guó)EDS的UGⅡ、美國(guó)Parametric Technology公司的Pro/Engineer、美國(guó)CV公司的CADS5、以及一些塑模分析軟件等等。這些系統(tǒng)和軟件的引進(jìn)，雖花費(fèi)了大量資金，但在我國(guó)模具行業(yè)中，實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM的集成，并能支持CAE技術(shù)對(duì)成型過程，如對(duì)充模和冷卻等進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，取得了一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)和推動(dòng)了我國(guó)模具CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展。近年來(lái)，我國(guó)自主開發(fā)的塑料模CAD/CAM系統(tǒng)有了很大發(fā)展，主要有北航華正軟件工程研究所開發(fā)的CAXA系統(tǒng)、華中理工大學(xué)開發(fā)的注塑模HSC5.0系統(tǒng)及CAE軟件等，這些軟件具有適應(yīng)國(guó)內(nèi)模具的具體情況、能在微機(jī)上應(yīng)用且價(jià)格低等特點(diǎn)，為進(jìn)一步普及模具CAD/CAM技術(shù)創(chuàng)造了良好條件。
3、模具材料方面：近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已較廣泛地采用一些新的塑料模具鋼，如：P20，3Gr2Mo、PMS、SMⅠ、SMⅡ等，對(duì)模具的質(zhì)量和使用壽命有著直接的重 大影響，但總體使用量仍較少。塑料模具標(biāo)準(zhǔn)模架、標(biāo)準(zhǔn)推桿和彈簧等越來(lái)越廣泛得到應(yīng)用，并且出現(xiàn)了一些國(guó)產(chǎn)的商品化的熱流道系統(tǒng)元件。但目前我國(guó)模具標(biāo)準(zhǔn)化程度的商品化程度一般在30%以下，和國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家已達(dá)到70%～80%相比，仍有差距。
1.2 我國(guó)塑料模具工業(yè)今后的趨勢(shì)
據(jù)有關(guān)方面預(yù)測(cè)，模具市場(chǎng)的總體趨勢(shì)是平穩(wěn)向上的，在未來(lái)的模具市場(chǎng)中，塑料模具發(fā)展速度將高于其它模具，在模具行業(yè)中的比例將逐步提高。隨著塑料工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)塑料模具提出越來(lái)越高的要求是正常的，因此，精密、大型、復(fù)雜、長(zhǎng)壽命塑料模具的發(fā)展將高于總量發(fā)展速度。同時(shí)，由于近年來(lái)進(jìn)口模具中，精密、大型、復(fù)雜、長(zhǎng)壽命模具占多數(shù)，所以，從減少進(jìn)口、提高國(guó)產(chǎn)化率角度出發(fā)，這類高檔模具在市場(chǎng)上的份額也將逐步增大。建筑業(yè)的快速發(fā)展，使各種異型材擠出模具、PVC塑料管材接頭模具成為模具市場(chǎng)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，高速公路的迅速發(fā)展，對(duì)汽車輪胎也提出了更高要求，因此子午線橡膠輪胎模具，特別是活絡(luò)模的發(fā)展也將高于總平均水平；以塑代木，以塑代金屬使塑料模具在汽車、摩托車工業(yè)中的需求量巨大；家用電器行業(yè)在“十五”期間將有較大發(fā)展，特別是電冰箱、空調(diào)器和微波爐等的零配件的塑料模需求很大；而電子及通訊產(chǎn)品方面，除了彩電等音像產(chǎn)品外，筆記本電腦和網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒將有較大發(fā)展，這些都是塑料模具市場(chǎng)的增長(zhǎng)點(diǎn)。
1.3 我國(guó)塑料模具工業(yè)今后的發(fā)展方向
（1）提高大型、精密、復(fù)發(fā)展方向雜、長(zhǎng)壽命模具的設(shè)計(jì)水平及比例。這是由于塑料模成型的制品日漸大型化、復(fù)雜化和高精度要求以及因高生產(chǎn)率要求而發(fā)展的一模多腔所致。
（2）在塑料模設(shè)計(jì)制造中全面推廣應(yīng)用CAD/CAM/CAE技術(shù)。CAD/CAM技術(shù)已發(fā)展成為一項(xiàng)比較成熟的共性技術(shù)，近年來(lái)模具CAD/CAM技術(shù)的硬件與軟件價(jià)格已降低到中小企業(yè)普遍可以接受的程度，為其進(jìn)一步普及創(chuàng)造良好的條件；基于網(wǎng)絡(luò)的CAD/CAM/CAE一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)初見端倪，其將解決傳統(tǒng)混合型CAD/CAM系統(tǒng)無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)過程分工協(xié)作要求的問題；CAD/CAM軟件的智能化程度將逐步提高；塑料制件及模具的3D設(shè)計(jì)與成型過程的3D分析將在我國(guó)塑料模具工業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
（3）推廣應(yīng)用熱流道技術(shù)、氣輔注射成型技術(shù)和高壓注射成型技術(shù)。采用熱流道技術(shù)的模具可提高制件的生產(chǎn)率和質(zhì)量，并能大幅度節(jié)省塑料制件的原材料和節(jié)約能源，所以廣泛應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)是塑料模具的一大變革。制訂熱流道元器件的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，積極生產(chǎn)價(jià)廉高質(zhì)量的元器件，是發(fā)展熱流道模具的關(guān)鍵。氣體輔助注射成型可在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，大幅度降低成本。目前在汽車和家電行業(yè)中正逐步推廣使用。氣體輔助注射成型比傳統(tǒng)的普通注射工藝有更多的工藝參數(shù)需要確定和控制，而且常用于較復(fù)雜的大型制品，模具設(shè)計(jì)和控制的難度較大，因此，開發(fā)氣體輔助成型流動(dòng)分析軟件，顯得十分重要。另一方面為了確保塑料件精度，繼續(xù)研究開發(fā)高壓注射成型工藝與模具也非常重要。
（4）開發(fā)新的成型工藝和快速經(jīng)濟(jì)模具。以適應(yīng)多品種、少批量的生產(chǎn)方式。
（5）提高塑料模標(biāo)準(zhǔn)化水平和標(biāo)準(zhǔn)件的使用率。我國(guó)模具標(biāo)準(zhǔn)件水平和模具標(biāo)準(zhǔn)化程度仍較低，與國(guó)外差距甚大，在一定程度上制約著我國(guó)模具工業(yè)的發(fā)展，為提高模具質(zhì)量和降低模具制造成本，模具標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)用要大力推廣。為此，首先要制訂統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)；其次要逐步形成規(guī)模生產(chǎn)，提高商品化程度、提高標(biāo)準(zhǔn)件質(zhì)量、降低成本；再次是要進(jìn)一步增加標(biāo)準(zhǔn)件的規(guī)格品種。
（6)應(yīng)用優(yōu)質(zhì)材料和先進(jìn)的表面處理技術(shù)對(duì)于提高模具壽命和質(zhì)量顯得十分必要。
（7）研究和應(yīng)用模具的高速測(cè)量技術(shù)與逆向工程。采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x或三坐標(biāo)掃描儀實(shí)現(xiàn)逆向工程是塑料模CAD/CAM的關(guān)鍵技術(shù)之一。研究和應(yīng)用多樣、調(diào)整、廉價(jià)的檢測(cè)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)逆向工程的必要前提。
1.4 國(guó)外塑料模具的發(fā)展現(xiàn)狀
1、模具生產(chǎn)效率高，工期短，人均產(chǎn)值高。各企業(yè)共同之處是廠房設(shè)備密集，顯得十分擁擠，即使在這樣的條件下，車間管理還是有條不紊，生產(chǎn)效率高。一般模具企業(yè)，人均年產(chǎn)值為5～14萬(wàn)美元。
2、專業(yè)分工細(xì)，技術(shù)精益求精，客戶相對(duì)穩(wěn)定。模具企業(yè)專業(yè)分工較細(xì)，生產(chǎn)協(xié)作緊密。每家企業(yè)只生產(chǎn)某一類模具，各家都有自己的拳頭產(chǎn)品，這利于在技術(shù)上精益求精，以利在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中生存發(fā)展。模具廠所需的模具標(biāo)準(zhǔn)件都是外購(gòu)的，有些零件加工業(yè)是由其他廠協(xié)作。
3、模具企業(yè)帶件生產(chǎn)比較普遍，有利于企業(yè)發(fā)展。模具作為單件或極小批量產(chǎn)品，技術(shù)密集和精密加工設(shè)備密集，與模具成型制品的大批量生產(chǎn)相比，投入大，產(chǎn)出低，因而制約了模具企業(yè)大發(fā)展。他們注重模具與制品一體化，模具與制品相輔相成，互相促進(jìn)，有利于模具企業(yè)的發(fā)展。
4、緊跟主產(chǎn)品需求開發(fā)模具，重視開拓海外市場(chǎng)。模具工業(yè)發(fā)展較快，緊跟主產(chǎn)品需求開發(fā)制造模具是一個(gè)重要因素。近幾年3C電子產(chǎn)品和汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，帶動(dòng)了模具工業(yè)的發(fā)展。目前模具產(chǎn)值的76%源自3C產(chǎn)品和汽車、摩托車提供的產(chǎn)品。模具行業(yè)以很強(qiáng)的市場(chǎng)敏感性，以最短的生產(chǎn)周期滿足了這些行業(yè)的需求。大陸的許多3C產(chǎn)品和汽車模具就來(lái)自美國(guó)，日本和西歐，以及臺(tái)灣。
5、CAD/CAE/CAM和高速切削加工技術(shù)應(yīng)用廣泛。他們的模具生產(chǎn)效率較高，市場(chǎng)快速反應(yīng)能力強(qiáng)，CAD/CAE/CAM技術(shù)和高速切削技術(shù)的普及應(yīng)用，無(wú)疑是一個(gè)重要因素。
1.5 本設(shè)計(jì)所要解決的問題
在旋鈕塑料模具的設(shè)計(jì)與制造過程中， 根據(jù)所學(xué)的知識(shí)和我們?cè)诋厴I(yè)實(shí)習(xí)中所積累的經(jīng)驗(yàn)，所采用方案如下：該塑件是擋條套，中等批量生產(chǎn)，塑件的材料采用常用的原料ABS，屬于常用的工程材料。旋鈕的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但四周有四個(gè)凸臺(tái)，需要考慮側(cè)向分型，增加了模具設(shè)計(jì)的難度，制件的尺寸較小 ，特別是需要側(cè)向分型的地方尺寸更小，制造側(cè)向型芯有點(diǎn)困難，強(qiáng)度不容易保證，需要考慮使用成型頂桿的方式完成側(cè)向分型。
2 模塑工藝規(guī)程的編制
該塑件是堵扣產(chǎn)品，其零件圖如下圖所示。本塑件的材料采用ABS，生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)。
2.1模塑工藝規(guī)程的編制
該塑件是一個(gè)旋鈕，其零件圖如下圖所示：
圖2-1 旋鈕二維圖
圖2-2 旋鈕三維圖
塑件材料：ABS
生產(chǎn)批量：大批量生產(chǎn)
2.2 塑件的工藝性分析
2.2.1 塑件的原材料分析
塑件的材料采用的是ABS,其顏色是藍(lán)色，按色標(biāo)，屬于熱塑性塑料。從使用性能上看，ABS為韌性半透明樹脂，無(wú)毒，無(wú)嗅，堅(jiān)忍，質(zhì)硬，呈剛性，有較好的耐低溫性和耐蠕變性,吸水率小于1%；其最主要的特點(diǎn)是沖擊強(qiáng)度大大提高,在低溫下也不迅速下降。而這這樣與所含橡膠的含量，接枝率和橡膠形態(tài)等因素有關(guān)，另外ABS的耐磨性很好，尺寸穩(wěn)定性好。ABS的熱變形溫度為93oC，脆化溫度為-70oC,在-40oC時(shí)仍有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度.一般ABS易燃,無(wú)自熄性,有良好的電絕緣性，且很少受溫度的影響，化學(xué)穩(wěn)定性好，對(duì)水、酸、堿、無(wú)機(jī)鹽幾乎沒影響。且易于加工成型，但能溶于酮、醛、酯及某些鹵化烴，由于含二烯雙鍵，所以耐侯性不好；ABS的主要缺點(diǎn)：耐熱性差，而且易燃，耐侯性差，一般的ABS不透明，所以改性的方向是提高耐熱性，抗燃，耐侯,透明和增加光澤。改性的方法是共混、共聚、接枝等。
作為工程塑料的ABS分子，分子量很大，價(jià)格昂貴,性能優(yōu)異,可作結(jié)構(gòu)材料，或者有特殊用途的塑料，它具有聚苯乙烯的良好成型性，聚丁二烯的韌度，聚丙烯氰的化學(xué)穩(wěn)定性的表面硬度，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)35～50MPa。另外成型溫度低時(shí)，收縮小，但是方向性明顯，凝固速度較快，易因溫差過大而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，造成凹痕和裂紋等缺陷，因此，在成型時(shí)應(yīng)注意控制成型溫度，澆注系統(tǒng)應(yīng)較緩慢的散熱，冷卻速度不易過快。ABS的具體性能如下表：
ABS的主要性能
密度/g.cm
1.01～1.08
比熱容/j.kg
1255～1674
導(dǎo)熱系數(shù)w/m-1k-1x102
13.8～31.2
線脹系數(shù)c-1x10-5
5.8～8.6
滯留溫度0c
300～400
熱含量kj.kg-1
60
塑件的注射壓力MPa
314～398
塑件凝固時(shí)放出的熱量kj
627
冷卻時(shí)排除的熱量kj.kg
627
料筒的溫度0c
180～260
表2-1 ABS性能
2.2.2 結(jié)構(gòu)分析
從零件圖（圖1）上看，該零件總體形狀為圓柱形殼體，如圖1所示，該塑件的總高度為20±0.2mm，塑件的外徑為φ42mm，內(nèi)徑為φ36mm，塑件的壁厚為3mm,塑件內(nèi)表面的圓角半徑為R2mm,?塑件外表面的圓角半徑為R3mm，塑件內(nèi)部圓管狀的小圓柱的頂面到該塑件頂面的距離為3±0.1mm，.塑件內(nèi)的小圓柱外徑為φ10mm,內(nèi)徑為φ15mm.，小圓柱內(nèi)徑的底部與該塑件的底部平齊。因此，模具設(shè)計(jì)時(shí)，在塑件的圓周形階梯處分型較為合適如圖2所示。
因此，模具設(shè)計(jì)時(shí)，在塑件的圓周形階梯處分型較為合適
2.2.3 尺寸精度分析
該零件的重要尺寸為20±0.2mm，3±0.1mm，次要尺寸為φ10mm, 3mm, φ42mm， R2mm, R3mm，φ36mm，φ15。由以上分析可知，該零件的尺寸精度中等偏上，對(duì)應(yīng)的模具相關(guān)零件的尺寸加工可以保證。
從塑件的壁厚上看，壁厚的最大處為3mm，最薄處為2.5mm,較均勻，有利于制品的成型。
2.2.4 表面質(zhì)量分析
該零件的表面除要求表面光滑無(wú)毛刺外沒有其他特別的表面質(zhì)量要求。故比較容易實(shí)現(xiàn)。
綜上所述，分析可以看出：注塑時(shí)在工藝參數(shù)控制得比較好的情況下，零件的成型要求可以得到保證。
2.3 計(jì)算塑件的體積和質(zhì)量
計(jì)算塑件的質(zhì)量是為了選用注射機(jī)及確定模具型腔的數(shù)量。
計(jì)算塑件的體積為：V=112.596㎜3
計(jì)算塑件的質(zhì)量:根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)可查得增強(qiáng)ABS的密度為：ρ = 1.05g/cm3
故塑件的質(zhì)量為：m = 11.85g
2.4 成型設(shè)備的選擇
注射模具是安裝在注射機(jī)上的，模具與注射機(jī)應(yīng)當(dāng)相適應(yīng)，這將關(guān)系到制件的質(zhì)量，均勻性及成型周期。一副模具放在許多型號(hào)和規(guī)格的注射機(jī)上使用，均可能獲得令人滿意的效果，但是只有該模具的注射量、鎖模力、注射速度和總的循環(huán)操作都與預(yù)想值相同的情況下才能取得最佳效果。選擇注塑機(jī)時(shí)，必須保證制品的注射量小于注射機(jī)允許的最大注射量。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，制品注射量一般不超過注射機(jī)最大注射量的80%，此模具采用一模兩腔。
2.5 注射量的校核
模具型腔能否充滿與注射機(jī)允許的最大注射量密切聯(lián)系，設(shè)計(jì)模具時(shí)應(yīng)保證注塑模內(nèi)所需融體總量在注射機(jī)實(shí)際的最大注射量；根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，注射機(jī)的最大注射量是允許最大注射量的80%。
+≤80%
由計(jì)算可得滿足使用要求。
2.6 注射壓力校核及鎖模力校核
注射壓力校核是檢驗(yàn)注射機(jī)的最大注射壓力能否滿足制品成型的需要，注射壓力的大小與制品的復(fù)雜程度、模具結(jié)構(gòu)、塑件品種、注射速度、流動(dòng)比、噴嘴及模具流道系統(tǒng)以及注射機(jī)類型等因素有關(guān)。ABS的注射壓力為60MPa～100MPa，而XS-ZY-125型注射機(jī)的注射壓力為119MPa。故滿足注射壓力的需要。
注射成型時(shí)，模具所需的鎖模力與塑件在水平分型面上的投影面積有關(guān)，為了可靠的鎖模，不使成型過程中出現(xiàn)溢料現(xiàn)象，應(yīng)使塑料融體時(shí)型腔的成型壓力與塑件和澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積之和的乘積小于注射機(jī)額定鎖模力。即（+）P
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