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        覆蓋件冷熱流道注塑模具設計

        2022-12-28 05:54:06陳杏妹李海林王寅飛譚杰文
        機電工程技術 2022年11期
        關鍵詞:產(chǎn)品設計

        陳杏妹,李海林,王寅飛,譚杰文

        (1.廣州城建職業(yè)學院,廣州 510925;2.廣東省機械研究所有限公司,廣州 510635)

        0 引言

        近年來,隨著人們對覆蓋件輕量化、美觀性和安全性的要求,越來越多的覆蓋件被塑料件替代,覆蓋件是大型裝備中重要的零件,它起著保護設備內(nèi)部結構的作用,更重要的是讓設備看起來美觀,讓人們有購買和使用的欲望。覆蓋件產(chǎn)品與一般的塑料產(chǎn)品相比具有體積大、曲面多、結構復雜、加工精度要求高等特點。覆蓋件品質(zhì)好壞除了受材料與產(chǎn)品設計自身的影響外,主要就是由模具的質(zhì)量決定。因此,掌握合理設計覆蓋件模具是解決產(chǎn)品成型質(zhì)量的首要任務。目前,我國覆蓋件模具設計、制造主要存在的問題是模具設計不科學,依靠經(jīng)驗,試模周期長,多次進行再設計,多次進行試制,從而增加了生產(chǎn)成本,降低了企業(yè)的競爭能力。針對復雜、高品質(zhì)的覆蓋件模具,其設計結果主要依賴于設計者的經(jīng)驗與水平,尤其結構復雜的覆蓋件成型質(zhì)量要求較高,我國目前還在一定程度上依靠國外的技術支撐來設計和生產(chǎn)大型的覆蓋件的模具。本文以某企業(yè)貼標設備覆蓋件冷熱流道注塑模具為例,設計了一模一腔注塑模,詳細闡述了對覆蓋件的結構和注塑工藝進行分析,完成了模具分型面、成型零件、側向抽芯機構、冷熱流道澆注系統(tǒng)、脫模機構設計,所設計的模具提高了塑料件的品質(zhì),縮短塑件的生產(chǎn)時間,節(jié)約塑料原料,滿足塑件品質(zhì)與生產(chǎn)要求。

        1 塑件外觀要求與結構分析

        圖1所示為覆蓋件塑件的產(chǎn)品結構。該產(chǎn)品材料為HIPS,平均壁厚為2.5 mm,外形尺寸為長284 mm、寬160 mm、高92 mm,表面品質(zhì)要求表面無凹痕、翹曲、披鋒、流紋,表面粗糙度值為Ra0.4 μm。產(chǎn)品外表面?zhèn)让嬗型古_與側孔,需采用側向分型與抽芯機構進行成型,產(chǎn)品內(nèi)側有4處倒扣,倒扣行程較少可采用斜頂設計抽芯機構,才能保證該產(chǎn)品順利推出,如何優(yōu)化模具結構,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低成本是該模具的設計難點所在。

        圖1 產(chǎn)品結構

        2 成型工藝

        該塑件材質(zhì)HIPS(咬花),顏色灰色,質(zhì)量150 g,HIPS 熱塑性工程材料,是PS 的改良性材料,顏色透明,其韌性比PS 提高了4 倍左右,沖擊強度大大提高,尺寸穩(wěn)定性較好,成型加工、著色力強、價格便宜,綜合性能優(yōu)良。適合用于生產(chǎn)各種復雜形狀產(chǎn)品,成型的產(chǎn)品具有較好的光澤。因加入5%~15%橡膠成份,所以在一定程度上影響了其流動性能,成型溫度和注射壓力都需要提高,注塑加工溫度190~240 ℃之間,模溫50~80 ℃,螺桿轉速12~2 100 r∕min,注塑壓力為68~128 MPa。HIPS 制件中容易出現(xiàn)注塑“白邊”的問題,一般可以通過提高模溫和鎖模力、減少保壓壓力及時間等辦法來改善[1]。

        3 模具結構設計

        3.1 分型面及主要成型零件

        3.1.1 分型面選取

        分型面的選取不僅與塑料制品的正常成型和脫模有關,還與模具結構和生產(chǎn)成本相關,在選擇分型面時,應遵循以下原則:有利于產(chǎn)品脫模;有利于模具成型零件的加工;有利于簡化模具結構;有利于保證塑件成型質(zhì)量。通過對覆蓋件產(chǎn)品結構工藝的分析,分型面應選取在脫模方向上投影面積最大處,同時為了保證產(chǎn)品外觀質(zhì)量和精度,側向抽芯分型面滑塊夾線在圓的象限點位置再上移5 mm,如圖2所示,整個產(chǎn)品的分型面設計如圖3所示[2]。

        圖2 分型線

        圖3 分型面

        3.1.2 成型零件設計

        該模具的型芯、型腔設計為整體鑲入式與局部鑲拼式的結構形式,其優(yōu)點為節(jié)省貴重模具材料,簡化加工工藝的同時便于模具的拆裝及維修。成型零件與塑料直接接觸而成型制品的模具零部件,直接關系到模具的質(zhì)量、壽命,決定著所成型塑料制品的質(zhì)量,材料的選擇一般在客戶要求的基礎上,根據(jù)制品的特點與模具的要求進行選用。由于該產(chǎn)品的生產(chǎn)批量大,為了提高模具的壽命,動定模型芯、型腔的材料均選擇NAK80 模具鋼,出廠硬度可以達到HRC37~43,具有很好的拋光性能、放電加工性及良好的焊接性,熱處理硬度提高到HRC52,適合產(chǎn)能要求高或復雜且容易變形的模具[3]。為了提高模具的排氣效果,采用在分型面設置淺槽的方式進行排氣,位置設計在遠離進澆口或設于較易出現(xiàn)縫合線的外圍,在型腔側的分型面上每隔50 mm 左右分別設有長、寬為30 mm×10 mm,深0.2 mm 的排氣槽,對于深的加強筋骨位采用鑲件進行排氣[4]。

        3.2 側向抽芯機構設計

        圖4所示為側向抽芯機構,該機構是本套模具設計的核心,覆蓋件外表面有凹凸側孔及內(nèi)側有倒扣。覆蓋件外側面凹凸側孔側向開模方向一致,距離比較近,可以采用同一滑塊進行抽芯,滑塊成型部份采用“整體式+鑲拼”的形式,增加整體的強度,有利于加工與排氣。雖然側向分型滑塊抽芯距離不大,但是滑塊的投影面積較大,需要較大的抽芯力,所以采用液壓側向抽芯機構。液壓缸的主要尺寸有缸筒內(nèi)徑D和缸筒行程L,該抽芯機構采用內(nèi)徑50 mm、行程20 mm 的油缸。采用液壓缸抽芯機構使其模具制造簡單,動作時間及動作順序都可以進行控制,運行可靠,可避免損壞模具。覆蓋件內(nèi)側倒扣斜頂結構采用整體式,其特點是結構緊湊,強度較好,安裝方便,不容損壞[5]。因為產(chǎn)品內(nèi)部有6 處尺寸為6 mm×2 mm 的內(nèi)倒扣,為了加工制造方便,設計厚度為6 mm的斜頂,斜頂角度4°,避免斜頂機構之間產(chǎn)生干涉,需設計限位塊進行行程限位。為了使斜頂運行平穩(wěn),一般需要設計斜頂導向塊,材料一般用40Cr 中碳調(diào)制鋼,或青銅;斜頂材料一般用H13,并作氮化處理,增強模具活動零件的使用壽命[6-7]。

        圖4 側向抽芯機構

        3.3 澆注系統(tǒng)設計

        澆注系統(tǒng)設計直接影響塑膠產(chǎn)品的品質(zhì)、尺寸精度和成型周期。覆蓋件是外觀件要求較高的產(chǎn)品,表面不能有進膠痕跡,由于該模具為一模一腔,產(chǎn)品尺寸較大,運用CAE 軟件對覆蓋件進行充填、保壓、冷卻、翹曲模擬分析預判可能出現(xiàn)的產(chǎn)品缺陷,優(yōu)化進膠方案,減少試模改模的次數(shù)。最終采用冷熱流道混合澆注系統(tǒng),結構如圖5所示,優(yōu)點是主澆注系統(tǒng)采用熱流道結構,避免了普通澆注系統(tǒng)中主流道產(chǎn)生大量的水口料,提高材料的利用率,有利于壓力傳遞,加快注射速度,保證產(chǎn)品的充填質(zhì)量,在一定程度上克服了產(chǎn)品因充填時補料不足而產(chǎn)生縮孔、凹陷等缺陷[8-9]。潛伏式頂針進膠不影響產(chǎn)品外觀,澆口能自動切斷,能實現(xiàn)自動化生產(chǎn),降低勞動成本,潛伏式澆口需要用電火花的方法進行加工,結構如圖6所示[10-11]。

        圖5 熱流道系統(tǒng)設計

        圖6 潛伏式澆口

        3.4 冷卻系統(tǒng)設計

        注塑成型過程中,模具的冷卻時間占整個成型周期的2∕3 以上,冷卻系統(tǒng)設計合理可減少冷卻時間,提高生產(chǎn)率;冷卻不均勻導致熱傳遞不均而產(chǎn)生殘余應力,影響產(chǎn)品尺寸的精準度和穩(wěn)定性。在模具冷卻系統(tǒng)的設計中,要考慮成型品的形狀,避開與模具其他成型零部件發(fā)生干涉來設計冷卻孔道尺寸、位置。在動、定模設置冷卻通道大小為D=φ10 mm,水路間距約3D,水路離產(chǎn)品距離約1.5D。由于滑塊成型接觸面較大需要設置大小φ8 mm 的冷卻回路增強零件側面抽芯部分的冷卻效果,冷卻系統(tǒng)設計如圖7所示[12-13]。

        圖7 冷卻系統(tǒng)

        3.5 脫模機構設計

        該模具采用“推桿+斜頂”組合進行脫模,其中圓推桿12支φ10 mm×350 mm,扁推桿1支10 mm×6 mm×350 mm,推管φ6 mm ×φ3 mm×350 mm,斜頂6 支,推出力要平衡,推桿布置要均勻,防止推出后膠件變形;推桿一般設計在脫模力最大的地方;推出力必須作用在制品能承受最大推出力的部位,盡可能選直徑大的頂針,以防塑件變形或損壞,一般在保證膠件能可靠脫模的情況下,應盡可能減少推桿的數(shù)量,脫模機構的設計要避免與其他機構干涉[14-15]。

        4 模具整體結構及工作過程

        4.1 模具整體結構

        該模具一模一腔,外形尺寸為500 mm×500 mm×646 mm,定模面板處設置隔熱板;模具的型芯、型腔均采用整體鑲入與局部鑲拼的結構形式,采用液壓滑塊抽芯機構與斜頂相組合的聯(lián)合抽芯系統(tǒng)。在完成模具的主要結構設計的基礎上,進一步完善模具其他輔助結構的設計,如定位結構、支撐結構、復位結構、限位結構等,模具完整的結構如圖8所示。

        圖8 模具結構

        4.2 模具工作過程

        (1)注塑充填時塑料熔料在注射壓力作用下流經(jīng)定位環(huán)13、澆口套14、熱流道板15、熱射嘴17 流入分流道,通過側向潛伏式澆口后開始填充模具型腔,充滿型腔后,在注塑機的活塞或螺桿的作用下,熔液仍維持著加壓,使得料筒內(nèi)的熔料持續(xù)流入模腔,以彌補模腔內(nèi)的塑料收縮需求,并能阻止熔液回流現(xiàn)象,熔料在冷卻系統(tǒng)的冷卻作用下固化成型。

        (2)開模與外側滑塊抽芯,在注塑機動定模作用力帶動下,模具動模部分與定模部分在分型面處分離,塑件與澆注系統(tǒng)凝料從定模分離;模具滑塊在油缸的控制下實現(xiàn)抽芯脫模。

        (3)推出塑件,開模結束后,推桿底板24 與推桿固定板23,在注塑機頂出桿連接的頂棍26 作用力推動下,帶動推桿39、扁推桿21、推管28 與斜頂30 運動,將塑件與澆注系統(tǒng)水口料從動模型芯推出潛伏式澆口被切斷;推出行程達80 mm后,限位塊22接觸到動模板38時,頂出桿停止推出動作,塑件及澆道凝料在聯(lián)合推出下完成脫模。

        (4)推出機構復位,推出動作完成后,注塑機頂出桿回拉,推桿底板24與推桿固定板23在復位彈簧9復位桿8 作用下,帶動帶動推桿39、扁推桿21、推管28 與斜頂30完成復位動作。

        (5)滑塊復位與模具合模,滑塊抽芯機構在油缸控制下驅動裝置帶動滑塊復位,滑塊復位后注塑機帶動模具動、定模合模并鎖緊,完成一個注塑周期,然后進入下一個注塑周期。

        5 應用效果分析

        該模具成型塑件尺寸穩(wěn)定,光潔度符合要求,膠位完整無遺漏,表面光澤平滑,推桿與斜頂殘留凹痕較淺,不存在脫模不良的問題,披鋒沒有超過規(guī)定要求,經(jīng)整機組裝性能測試滿足客戶要求。該模具安全可靠,結構設計合理,開、合模穩(wěn)定可靠,動作互相協(xié)調(diào),定位準確,保證模具正常穩(wěn)定工作。模具沒有粘前?,F(xiàn)象,能自動剪切水口,推出機構進退順利,脫模良好,抽芯機構運行暢順;模具冷卻系統(tǒng)沒漏水情況,各主要受力零件有足夠的剛性和強度,模具安裝、調(diào)整方便,工作安全。該模具對成型條件及操作要求不苛刻,加料、取出料方便,滿足注塑成型塑件質(zhì)量要求,成型周期短。該模具能實現(xiàn)自動化生產(chǎn),產(chǎn)品質(zhì)量滿足客戶需求,生產(chǎn)效率高,現(xiàn)已進入批量生產(chǎn)階段,產(chǎn)品實物如圖9所示。

        圖9 產(chǎn)品實物

        6 結束語

        (1)模具采用由熱流道和冷流道混合組成的半熱流道系統(tǒng),解決大產(chǎn)品一模一腔模具澆注系統(tǒng)偏心的問題,該半熱流道系統(tǒng)結構簡單,所成型制品質(zhì)量穩(wěn)定,注塑周期短且節(jié)約了生產(chǎn)成本,較好地解決了塑件的充填困難問題,顯著提高了注射成型產(chǎn)品的質(zhì)量。

        (2)采用潛伏式進膠澆口,能在開模過程中自動切斷澆口,解決產(chǎn)品外觀不允許進膠痕跡與人工剪水口的問題,降底人工成本。

        (3)優(yōu)化模具冷卻系統(tǒng),使成型周期成功控制在45 s 內(nèi),效率提高了約10%,大大提高了成型質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

        (4)經(jīng)生產(chǎn)實踐證明,本模具抽芯和脫模過程穩(wěn)定,保證了塑件的自動化注塑生產(chǎn)的安全性與穩(wěn)定性。

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