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一、塑料注射模具简介

塑料注射成型所用的模具称为注射成型模,简称注射模。它是实现注射成 型工艺的重要工艺装备。 我国塑料模具工业起步晚,底子薄,与工业发达国家相 比存在很大的差距。随着塑料工业的不断发展,对塑料模具提出越来越高的要求 是正常的,因此,精密、大型、复杂、长寿命塑料模具的发展将高于总量发展速 度,注射成型是当今市场上最常用、最具前景的塑料成型方法之一,因此注塑模 具作为塑料模的一种,就具有很大的市场需求量。而传统模具设计制造技术,根 本不能满足市场对模具的 要求。因此,研制和开发新的模具设计、制造技术势在必行。 注射模根据结构与使用的目的可以分为很多种类,一般分为普通注射模具 和特种注射模具。 普通注射模具有可分为:单分型面结构注射模具和双分型面注射模具。 特种注射模具又可分为:滑动型芯式注射模,瓣合式注射模具,螺纹注射模 具,滑动型芯与瓣合块相结合注射模具。 注射模的设计,其成型原理是将塑料从注塑机的料斗送进加热的料筒中, 经过加热熔化呈流动状态后,在柱塞和螺杆的推动下,熔融塑料被压缩并向前移 动,进而通过料筒前的喷嘴以很快的速度注入温度较低的闭合模腔之中,充满型 腔的熔料在受压的情况下,经冷却固化后即可保持模具腔所赋予的形状,然后开 模分型获得成型塑件。这样在操作上完成了一个周期的生产过程。通常,一个成 型周期从几秒钟到几分钟不等,时间的长短取决于塑件的大小、形状和厚度、模 具的结构、注射机的类型及塑料的品种和成型工艺条件等因素。

二、 注塑模具制造的特点

1、 型腔及型芯呈立体型面。 塑件的外部和内部形状是由型腔和型芯直接成型的, 这些复杂的立体型面加工难度比较大,特别是型腔的盲孔型内成型表面加工,如 果采用传统的加工方法,不仅要求工人技术水平高、辅助工夹具多、刀具多,而 且加工的周期长.

2、精度和表面质量要求高,使用寿命要求长。目前一般塑件的尺寸精度要求为 IT6~7,表面粗糙度 Ra0.2~0.1m,相应的注塑模具零件的尺寸精度要求达到 IT5~6,表面粗糙度 Ra0.1m 以下。激光盘记录面的粗糙度要达到镜面加工的水 平的 0.02~0.01m 这就要求模具的表面粗糙度达到 0.01m 以下。长寿命注塑模 具对于提高高效率和降低成本是很必要的,目前注塑模具的使用寿命一般要求 100 万次以上。精密注塑模要用刚度大的模架,增加模板的厚度,增加支承柱或 锥形定位元件以防止模具受压力后产生变形,有时内压可以达到 100MPa。顶出 装置是影响制品变形和尺寸精度的重要因素,因此应该选择最佳的顶出点,以使各处脱模均匀。高精度注塑模具在结构上多数采用镶拼或全拼结构,这要求模具 零部件的加工精度、互换性均大为提高。

3、工艺流程长,制造时间紧。对于注塑件而言,大多是与其它零部件配套组成 完整的产品,而且在很多的情况下都是在其它部件已经完成,急切等待注塑件的 配套上市。因为对制品的形状或尺寸精度要求很高,加之由于树脂材料的特性各 异, 模具制造完成后, 还需要反复地试模与修正, 使开发和交货的时间非常紧张。

4、异地设计、异地制造。模具制造不是最终目的,而是由用户提出最终制品设 计,模具制造厂家根据用户的要求,设计制造模具而且在大多数情况下,制品的 注射生产也在别的厂家。这样就造成了产品的设计、模具设计制造和制品的生产 异地进行的情况。

5、专业分工,动态组合。模具生产批量小,一般属于单件的生产,但是模具需 要很多的标准件,大到模架,小到顶针,这些不能也不可能只由一个厂家单独完 成,且制造工艺复杂,普通设备和数控设备使用极不均衡。

三、模具发展状况 在我国,随着国民经济的高速发展,模具工业的发展也十分迅速。1999年中国大 陆制造工业对模具的总市场需求量约为330亿元, 今后几年仍将以每年10%以上的 速度增长。 在现代生产中,模具是大批量生产各种产品和日用生活品的重要工艺装备,它以 其特定的形状通过一定的方式使原料成型。由于模具成型具有优质、高产、省料 和成本低等特点,现已在国民经济各个部门,特别是汽车、拖拉机、航天航空、 仪器仪表、机械制造、家用电器、石油化工、轻工日用品等部门得到极其广泛的 应用。模具是塑料成型加工的一种重要的工艺装备,模具生产的最终产品的价值 往往是模具自身价值的几十倍、上百倍,因此模具工业是国民经济的基础工业, 模具的生产技术水平的高低, 已成为衡量一个国家产品制造业水平高低的重要标 志。由于塑料模具工业快速发展及上述各方面差距的存在,因此我国今后塑料模 具的发展必将大于模具工业总体发展速度。 塑料模具生产企业在向着规模化和现 代化发展的同时,专和精仍旧是一个必然的发展趋势。从技术上来说,为了满足 用户对模具制造的“交货期短”、 “精度高”、 “质量好”、 “价格低”的要求。 通过对塑件材料、质量、体积的分析与计算,合理选用注塑机,并对各个参 数进行了校核,设计出一副合理,经济,适用的塑料注塑模具。 国外发达国家模具标准化程度为七成到八成,而我国只有三成左右。如能广泛应 用模具标准件,将会缩短模具设计制造周期四分之一,并可减少由于使用者自制 模具件而造成的工时浪费。应用模具计算机辅助绘图技术设计模具已较为普遍,推广使用模具标准件,能够实现部分资源共享,这会大大减少模具设计的工作量 和工作时间,对于发展计算机辅助绘图技术、提高模具的精密度有重要意义。

四、模具制造技术的发展方向 基于以上模具制造的五个特点,对现代模具制造业提出了相应的要求。当前 模具制造的发展方向主要表现为以下五个方面:

1、从一般的机加工方法,发展至采用光机电相结合的数控电火花成形、数 控电火花线切割以及各种特殊加工相结合,例如电铸成形、粉末冶金成形、精密 铸造成形、激光加工等。从而可以加工出复杂的型腔和型芯,以及保证较高的加 工精度要求。目前慢走丝线切割和电火花放电加工精度要求。目前慢走丝线切割 和电火花放电加工精度可达到±1.5m, 加工表面粗糙度可达到 Ra0.004m, 基本 上达到了精面要求。

2、先进的技术支持条件。模具的服务对象主要是电器、汽车厂家,产品的 更新换代快,而且模具的设计已经从二维发展为三维,实现了可视化设计,不但 可以立体、直观地再现尚未加工出的模具体,真正实现了 CAD/CAM 一体化, 而且三维设计解决了二维设计难于解决的一些问题,诸如:干涉检查、模拟装配 等。

3、模具快速制造技术。当前快速制造有三个发展方向:分别是基于并行工程 的注塑模具快速制造、基于快速原型技术的注塑模具快速制造和高速切削技术。 基于并行工程的注塑模具快速制造这种生产方式。

3.1 基于并行工程的注塑模具快速制造这种生产方式。 是以注塑模具的标准化设计为基础的,它主要体现为经营管理、模具设计 为基础的,它主要体现为经营管理、模具设计和模具制造的三个体系的标准化。 为了实现标准化,需要解决三项关键技术:一是统一数据库和文件传输格式;二 是充分利用和开发 Internet 和 Intranet,实现信息的集成和数据资源的共享;三是 解决生产的组织、协调和专业分工,确定各个部门和层次的项目分解和利益分配 的基准和算法。

3.2 基于快速原型技术的注塑模具快速制造。 直接从 CAD 模型生产工模具被认为是一种可以减少新产品成本和开发周期 的重要的方法,近些年来,这种将 CAD 技术、快速成型(RP)和快速工模具制 造(RT)等高新技术相结合,已经对传统的注塑模具的制造产生了重大的冲击。 CAD 技术的应用在很大程度上代替了实物的评估和试验,减少了新产品研制过 程中的迭代次数,从而加快了新产品的开发速度。

3.3 高速切削技术(High Speed Machining)的应用。 高速切削技术制造模具,具有切削效率高,可明显缩短机动加工时间,加工精度高,表面质量好,因此可大大缩短机械后加工、人工后加工和取样检验辅助工时 等许多优点。

在某注塑模的高速铣削中,材料硬度为56~58HRC,原来采用电火花加工 (EDM) 每个零件需时90min, , 采用直径为12mm 球头铣刀, 主轴转速1500r/ min、 工作台进给1500r/ min 进行高速加工, 加工每个零件只需5min, 工效提高了18倍。 今后,电火花成形加工应该主要针对一些尖角、窄槽、深小孔和过于复杂的 型腔表面的精密加工。 高速成切削加工在发达国家的模具制造业中已经处于主流 地位,据统计,目前有85%左右的模具电火花形加工工序已被高速加工所取代。 但是由于高速切削的一次性设备投资比较大,在国内,高速成切削与电火花加工 还会在较长时间内并存。

模具的高速切削中对高速切削机床有下列技术要求: ①主轴转速高, 功率大; ②机床的刚度好;③主轴转动和工作台直线运动都要有极高的加速度。由于高速 切削时产生的切削热和刀具的磨损比普通速度切削高很多,因此,高速刀具的配 置十分重要,主要表现为:①刀具材料应硬度高、强度高、耐磨性好,韧度高、 抗冲击能力强,热稳定和化学稳定性好;②必须精心选择刀具结构和精度、切削 刃的几何参数,刀具与机床的连接方式广泛采用锥部与主轴端面同时接触的 HSK 空心刀柄,锥度为1:10,以确保高速运转刀具的安全和轴向加工精度。③ 型腔的粗加工、半精加工和精加工一般采用球头铣刀,其直径应小于模具型腔曲 面的最小曲率半径;而模具零件的平面的粗、精加工则可采用带转位刀片的端铣 刀。

4、 发展新的塑料模具材料及模具表面技术。主要是发展易加工、抛光性好 的材料,预硬易切削钢(一般28~35HRC 之间)、耐蚀钢、硬质合金钢以及时效 硬化型钢、冷挤压成型钢。表面工程可以弥补模具材料的不足,降低模具材料的 研发及加工的费用。近年来迅速发展起来的激光表面强化技术、物理气相沉淀技 术(PVD) 、化学气相沉淀技术(CVD) 、热喷涂技术等新的表面技术,而传统 的表面技术(如热扩散、电镀)也有很大的完善与发展,如电镀技术已经发展到 复合电镀技术。

5、 基于信息注塑模具的制造新模式。与注塑模具制造活动有关的信息包括 产品的信息和制造信息。 现代制造过程可以看作是原材料或毛坯所含的信息量的 增值过程,信息流驱动将成为制造业的主流。它包括两个层面:一是通过企业内 部的局域网,完成模具报价、人员的安排、制品原始数据、模具加工工艺、质量 检测、试模具与交付等任务;二是通过企业外部的互联网完成企业与用户、与外 协企业之间的信息交换,这种制造方式必须通过动态联盟(Virtual Organization) 这种新的生产模式来实现的。动态联盟分三层:紧密层、合作关系层和松散层。

五、 新兴特殊注射成型技术对模具制造的发展要求 注射成型技术作为塑料加工成型方法中最重要的方法之一, 已经得到相当广 泛的应用。据统计,注塑制品约占整个塑料制品的20%~30%,而在工程塑料中 有80%以上的制品是采用注塑成型加工的。但随着塑料制品应用的日益广泛,不 同的领域对塑料制品的开头精度、功能成本等方面提出了很多更高的要求,因此 在传统注塑成型技术的基础上,又发展了许多特殊的新兴注塑成型技术,如低压 注射成型、熔芯射击成型、装配注射成型、磁场定向注射成型、单色多模注射成 型、气体辅助注射成型、薄壳注射成型技术等。因些必须改变注塑模具的设计和 制造体系,才能够满足成型要求。 另外,随着微机电系统的产业生命线的进展,微细型注塑模具设计与制造技 术的研究近年来得到了人们的重视,随着 MEMS 产业化的进程,微注塑成型技 术有着巨大的潜力和发展空间。微型注塑成型通常用于医疗、电信、计算机、电 气等领域,医疗和电子器械越来越小型化,因此对人们希望制件可以做得越来越 小。微型注塑成型有许多优点,如工模具的成本可以更低,而且原料的成本也大 大的降低,研究适合微型注塑模具和微型注塑机的成型理论和制造方法,寻找和 研制适合微型塑料制件生产的塑料原料,以及开发相应的检测仪器设备,已经成 为目前国内外的研究热点。 六、总结 实施标准化、专业化推动了我国塑料模具加工工业的发展,并将继续为我国塑料 模具生产企业提高技术水平、增强竞争实力、加快融入国际大市场的步伐提供必 要的技术保障。通过对模具专业的学习,掌握了常用材料在各种成型过程中对模 具的工艺要求,各种模具的结构特点及设计计算的方法,以达到能够独立设计一 般模具的要求。在模具制造方面,根据不同情况选用模具加工新工艺。 先进制造技术对注塑模具制造产生了重大的影响,反过来,注塑成型新 技术的产生与发展也对制造技术不断提出了新的要求。 将信息技术与现代管理技 术应用于制造全过程,未来注塑模制造将是以计算机辅助技术为主导技术,以信 息流畅作为首要备件的有极强应变能力与竞争力的技术。

 

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