王愛陽(yáng)，賈鐵鋼
大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧大連116037
摘要：家用電器、通訊產(chǎn)品等大量使用塑件，而“輕、薄、小”是今后發(fā)展方向。因此薄壁塑件模具設(shè)計(jì)及其注塑工藝的應(yīng)用，需要在厚度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性能要求、模具結(jié)構(gòu)、注塑工藝等方面進(jìn)行改進(jìn)。本文列舉實(shí)例，針對(duì)薄壁塑件出現(xiàn)的典型問題進(jìn)行研究，提出解決措施，以滿足日益增長(zhǎng)的薄壁塑件的需要。
關(guān)鍵詞：薄壁塑件；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；塑料材質(zhì)；模具結(jié)構(gòu)；注塑工藝
中圖分類號(hào)：TQ320.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
塑料是以樹脂為主要成分的高分子有機(jī)化合物，塑料制品以密度低、質(zhì)輕、絕緣性好、化學(xué)穩(wěn)定、耐磨減震、透光性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家用電器、通訊器材、生活用品等。目前我國(guó)已成為世界工業(yè)加工中心(生產(chǎn)基地)，尤其是彩電、手機(jī)、空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等系列產(chǎn)品已占據(jù)全球產(chǎn)量的50%[1]。這些產(chǎn)品大量使用塑料件，其成本占產(chǎn)品總成本的50%～80%，因而在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，薄壁有助于降低產(chǎn)品成本。另外手機(jī)、筆記本電腦等正向“輕、薄”型發(fā)展，加之一次性水杯、碗、勺、飯盒等大量使用，促使國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研人員著手研究塑件的薄壁技術(shù)。但是塑件壁厚減薄在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性能要求、模具結(jié)構(gòu)、注塑工藝等方面還存在不少問題。本文針對(duì)這些問題進(jìn)行了研究，并提出了解決措施。
1塑件厚度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖1所示塑件不僅有結(jié)構(gòu)及外觀形狀要求，內(nèi)部還要安裝一些零部件，需具有一定強(qiáng)度和剛度，同時(shí)還要考慮注塑成型工藝要求等，因此該塑件的厚度設(shè)計(jì)非常重要。
圖1塑料件
1.1塑件厚度設(shè)計(jì)
1.1.1壁厚
塑件壁厚過薄，會(huì)使成型時(shí)的流動(dòng)阻力太大，大型塑件難以充滿；塑件壁厚過厚，則易產(chǎn)生縮坑、氣泡等缺陷。在保證剛度和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，推薦塑件壁厚[1]范圍在0.45～6.5mm，常用范圍1.5～3.0mm，要求壁厚均勻。
根據(jù)使用要求，設(shè)計(jì)塑件整體壁厚時(shí)，必須考慮加強(qiáng)筋、螺釘柱等結(jié)構(gòu)對(duì)剛度、強(qiáng)度、外觀的影響。
1.1.2加強(qiáng)筋
設(shè)立加強(qiáng)筋可提高塑件的強(qiáng)度和剛度，還可以防止塑件變形且有利于塑料熔體的流動(dòng)。普通
加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示。從圖2可以看出，b=(0.40～0.75)t，L=(2.5～5.0)t，α=0.5°～1.5°[2]。其中，b為加強(qiáng)筋厚度，t為壁厚，L為加強(qiáng)筋高度，α為脫模斜度。
圖2加強(qiáng)筋
1.1.3螺釘柱
通常在塑件內(nèi)部需用自攻螺釘安裝其他部件，故可設(shè)立如圖3所示的螺釘柱。螺釘柱分為有加強(qiáng)筋和無加強(qiáng)筋兩種，其中加強(qiáng)筋底部長(zhǎng)度c=(0.2～0.5)×螺釘柱高度。
圖3螺釘柱
此外，壁厚還涉及凸臺(tái)、轉(zhuǎn)角、通孔和不通孔等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，但如果采用薄壁結(jié)構(gòu)，上述加強(qiáng)筋和螺釘柱等的結(jié)構(gòu)和尺寸都要改變。
1.2薄壁塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
薄壁塑件一次性飯盒如圖4所示，其壁厚通常小于1.2mm，但定義薄壁塑件并不是只看厚度尺寸，還要計(jì)算熔體流程與塑件壁厚之比l/t，當(dāng)l/t＞150時(shí)稱之為薄壁[3]。由于塑料熔體在注塑過程中先經(jīng)過主流道、分流道、澆口，然后注入模具型腔，因此實(shí)際流程與壁厚各處均不相同(圖5)，總的流程與壁厚之比等于各段流程與壁厚之比的和。
圖4一次性飯盒
圖5實(shí)際流程與壁厚
一次性飯盒比較柔軟、外表面要求不高，但為了提高剛性，大多數(shù)薄壁塑件的結(jié)構(gòu)形狀采用曲面、加強(qiáng)筋等。薄壁加強(qiáng)筋如圖6所示，其中，加強(qiáng)筋厚度b與壁厚t相等，甚至小于壁厚。固定自攻螺釘?shù)谋”谒芗葆斨鐖D7所示。
圖6薄壁加強(qiáng)筋
圖7薄壁塑件的螺釘柱
由于壁厚較薄，而加強(qiáng)筋、凸臺(tái)(如螺釘柱)厚度沒有改變，按照常規(guī)生產(chǎn)方式，塑件易出現(xiàn)凹陷、欠注、扭曲變形等缺陷，因此還要從塑件材質(zhì)、模具結(jié)構(gòu)、注塑工藝等著手研究。
2薄壁塑件材質(zhì)選擇
由于薄壁塑件厚度的減小，需使用流動(dòng)性好的材料，該材料還需具有較高沖擊強(qiáng)度和熱變形溫度，以及良好的尺寸穩(wěn)定性等[4]。
2.1塑料的流動(dòng)性
注塑成型薄壁塑件時(shí)，塑料的流動(dòng)性要好，其流動(dòng)距離與厚度之比(l/t)大于150。塑料的流動(dòng)性可以用其熔體黏度系數(shù)來表征，常用塑料的熔體黏度系數(shù)[5]如表1所示。在實(shí)際生產(chǎn)中，通常以塑料樹脂的熔體質(zhì)量流動(dòng)速率(MFR)作為其流動(dòng)性選擇的依據(jù)。由于不同企業(yè)生產(chǎn)的不同牌號(hào)和批次塑料樹脂的MFR各不相同，需要在生產(chǎn)前進(jìn)行檢驗(yàn)。
表1常用塑料的黏度系數(shù)
生產(chǎn)薄壁塑件需要低黏度、中高流動(dòng)性的塑料樹脂，對(duì)于表1中流動(dòng)性差的樹脂(如PC)可以通過改性，使其黏度降低、MFR提高到30g/10min，達(dá)到中高流動(dòng)性，因此生產(chǎn)薄壁塑件所用材料比較廣泛。
2.2塑料的沖擊性能
薄壁塑件所使用的材料應(yīng)具有較高的沖擊性能，常溫沖擊強(qiáng)度不低于640J/m；在低溫(-29℃)條件下能正常使用。
2.3塑料的耐熱性
要保證薄壁塑件在70～90℃下不變形，不出現(xiàn)凹陷和老化現(xiàn)象。
綜合塑料的流動(dòng)性、沖擊性能、耐熱性等要求，推薦薄壁塑件常用材料有PP、ABS、PC/ABS合金、PA6等。
3薄壁塑件模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1模具總體結(jié)構(gòu)
圖8所示塑件為物品盒，材料為PP，壁厚1.0mm，為典型的薄壁塑件。由于采用薄壁技術(shù)，材料在模具內(nèi)的流動(dòng)性較差，需要較高的注射壓力，模具的剛度、強(qiáng)度都要相應(yīng)提高。因此在設(shè)計(jì)物品盒模具(圖9)的動(dòng)模板12、定模板14及其支承板8時(shí)，其厚度通常比傳統(tǒng)模具的模板要厚30%～50%，而且要增加支承柱5。模具合模面定模板14與動(dòng)模板12要設(shè)置錐面定位(整體圓錐面定位或錐面定位塊)，以保證精確定位和良好的側(cè)支撐，防止彎曲和偏移。另外，薄壁塑件需要注射機(jī)高速注射，增加了模具的磨損，因此要求模具型腔、型芯、澆口等材料具有較高的硬度、強(qiáng)度、剛度和耐磨性，通常采用S136、2344、SKD61、PMS等模具鋼，并進(jìn)行預(yù)硬或熱處理，使其表面硬度達(dá)到48～52HRC。
圖8物品盒
1-墊釘；2、3、20、34-螺栓；4、6-推桿；5-支承柱；7-拉桿；8-支承板；9-密封圈；
10-型芯；11-型芯固定板；12-動(dòng)模板；13-推件板；14-定模板(型腔)；15-流道
推板；16-定模座板；17-限位螺栓；18-定位環(huán)；19-澆口套；21、25、30-導(dǎo)柱；
22、23、24、26、31-導(dǎo)套；27-復(fù)位桿；28-復(fù)位彈簧；29-墊塊；32-推板；
33-推桿固定板；35-動(dòng)模座板
圖9物品盒模具
3.2澆注系統(tǒng)
對(duì)于PP等流動(dòng)性極好的塑料，可以采用點(diǎn)澆口形式；對(duì)于流動(dòng)性中等的塑料(如ABS、聚甲醛等)，澆口盡量設(shè)計(jì)在塑件的較厚部位，注塑過程從較厚向較薄過渡以減少凹陷、翹曲現(xiàn)象。可以采用多澆口形式(如圖10所示的潛伏式澆口和薄片式澆口)，使塑料熔體容易充滿型腔，減小壓力降。還可以采用熱流道技術(shù)，以降低塑料熔體黏度，達(dá)到快速將其注入模具型腔的目的。
圖10多澆口結(jié)構(gòu)
3.3脫模機(jī)構(gòu)
由于塑件壁厚很薄，還帶有加強(qiáng)筋、凸臺(tái)等，出模時(shí)極易損壞。塑件沿厚度方向的收縮很小，同時(shí)較高的保壓壓力使其收縮更小，加強(qiáng)筋等部位容易黏合，為避免頂穿和粘模，需要比常規(guī)注塑成型數(shù)量更多、尺寸更大的頂出推桿，如圖9所示的物品盒模具采用了中心推桿與推件板相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。
對(duì)于一些帶鉤、爪以及塑件內(nèi)部需要安裝螺釘?shù)拿撃C(jī)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些。如圖11所示螺釘柱采用簡(jiǎn)單的推管推出結(jié)構(gòu)(如圖12所示)，推管推出脫模過程如圖13所示。因塑件壁厚較薄，其中的螺釘柱要緊固ST4.2自攻螺釘，其圓柱厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于塑件壁厚，表面很容易出現(xiàn)凹坑，為避免這一缺陷，根據(jù)螺釘柱的位置將其設(shè)計(jì)成如圖14所示的懸空結(jié)構(gòu)，模具脫模設(shè)計(jì)成如圖15所示的斜頂結(jié)構(gòu)，脫模過程如圖16所示。螺釘柱從模具推出來，推桿側(cè)向移動(dòng)的距離為e，盡管產(chǎn)品脫模有時(shí)需要人工收取，復(fù)雜程度大大提高，但解決了塑件表面凹坑等問題。
圖11螺釘柱
1-凹模；2-推管；3-型芯；4-推件固定板；5-推板；6-動(dòng)模座板；7-絲堵
圖12推管推出機(jī)構(gòu)
圖13推管推出脫模過程
圖14懸空結(jié)構(gòu)
圖15斜頂機(jī)構(gòu)
圖16斜頂機(jī)構(gòu)脫模過程
如果有多個(gè)螺釘柱，則需要考慮斜頂頂出后塑件的取出問題，應(yīng)保證斜頂方向一致。
4注塑成型工藝
4.1薄壁塑件的充模過程
在塑件生產(chǎn)過程中，塑料熔體經(jīng)過分流道、澆口填充至模腔(圖17)時(shí)，貼在模壁的熔料變成凝固層，使流動(dòng)通道變小。薄壁塑件由于壁厚很小，流動(dòng)通道會(huì)變得更窄，容易出現(xiàn)欠注現(xiàn)象。因此薄壁塑件需較高的注射壓力與注射速度才能將型腔完全充滿，此外注射速度高還可以提高剪切熱，增大熔料的流動(dòng)距離[6]。
圖17填充模腔
4.2薄壁塑件注塑工藝
薄壁塑件的生產(chǎn)除了模具之外，非常重要的是注塑工藝參數(shù)(時(shí)間、壓力、溫度)的選擇，由于注射壓力增大、時(shí)間縮短，勢(shì)必給生產(chǎn)帶來一定難度，因此需要專門的薄壁注射機(jī)。薄壁塑件厚度薄，單件重量輕，每次注塑量較少。薄壁注射機(jī)的機(jī)筒容積較小，可避免塑料原料因停留時(shí)間過長(zhǎng)而分解。不同壁厚塑件注塑成型時(shí)，其注射機(jī)工藝參數(shù)[4]如表2所示。
表2不同壁厚塑件注射機(jī)工藝參數(shù)
5結(jié)論
對(duì)薄壁塑件的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、模具結(jié)構(gòu)、注塑工藝等的分析結(jié)果表明，通過改進(jìn)薄壁塑件的結(jié)構(gòu)、選擇合適的塑料材質(zhì)、有針對(duì)性地改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)、選擇合理的注塑工藝，完全能夠解決薄壁塑件的產(chǎn)品質(zhì)量問題，滿足日益增長(zhǎng)的薄壁塑件的需求。
由于塑件可以制成各種復(fù)雜形狀，給模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造帶來挑戰(zhàn)，尤其是塑件薄壁技術(shù)的應(yīng)用國(guó)內(nèi)外都在進(jìn)行研發(fā)和完善。相信通過薄壁塑件生產(chǎn)不斷積累經(jīng)驗(yàn)，塑件薄壁技術(shù)的推廣應(yīng)用勢(shì)在必行。
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