注塑成型模腔數(shù)量的擇優(yōu)確定劉彥國(guó) ,嚴(yán)慧萍(蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校 ,甘肅蘭州 730050 )摘要 :模腔數(shù)量的確定是注塑模具設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié) ,通過(guò)對(duì)影響模腔數(shù)量的各種因素進(jìn)行綜合分析 ,歸納出計(jì)算模腔數(shù)量的各種方法 ,并提出優(yōu)化模腔數(shù)量的原則 ,以供模具設(shè)計(jì)人員參考。關(guān)鍵詞 :注塑成型 ;模腔數(shù)量 ;擇優(yōu)確定中圖分類號(hào) : 66 + 2 30050 , is a in of in of is so it on 模腔數(shù)量的確定受諸多因素的約束 ,合理確定模腔數(shù)量是保證塑件質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、充分發(fā)揮設(shè)備生產(chǎn)潛力的前提條件。1 影響模腔數(shù)量的因素1. 1 與設(shè)備有關(guān)的因素(1) 注塑機(jī)的最大注塑量注塑機(jī)理論注塑量是指在對(duì)空注塑的條件下 ,注塑螺桿或柱塞作一次最大注塑行程時(shí) ,注塑裝置所能達(dá)到的最大注塑量 1 。注塑機(jī)實(shí)際額定注塑量與理論注塑量有一定的差異 ,注塑成型實(shí)際額定注塑量主要取決于理論注塑量 ,另外還與塑料密度、壓縮比、膨脹率有一定的關(guān)系 2 。注塑機(jī)實(shí)際額定注塑量必須大于注塑成型塑件所需的總注塑量 ,否則就會(huì)造成制品的形狀不完整、內(nèi)部組織疏松或制收稿日期 : 2006 - 04 - 06基金項(xiàng)目 : 甘肅省教育廳資助項(xiàng)目 (0312 - 02)第一作者簡(jiǎn)介 : 劉彥國(guó) , 男 , 1968 年生 , 副教授。品強(qiáng)度下降等缺陷 ;但不宜過(guò)大 ,否則注塑機(jī)利用率偏低 ,浪費(fèi)電能 ,且塑料長(zhǎng)時(shí)間處于粘流態(tài)可導(dǎo)致塑料分解和變質(zhì)。(2) 注塑機(jī)的塑化能力塑料從固態(tài)顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)的熔體過(guò)程稱為塑料的塑化。注塑機(jī)塑化能力是指注塑機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)所能塑化的塑料量 ,因此又稱為塑化速率。在設(shè)計(jì)模具時(shí) ,所選設(shè)備的塑化能力一般要較實(shí)際需要的大 20 % 25 %左右 ,以保證注塑機(jī)完成一次注塑過(guò)程后在下一周期有足夠的時(shí)間完成額定量原料的塑化 ,確保模腔充滿。(3) 注塑機(jī)的鎖模力鎖模力又稱合模力 ,是指注塑機(jī)的合模裝置對(duì)模具所施加的最大夾緊力。當(dāng)熔體充滿模腔時(shí) ,注塑壓力在模腔內(nèi)所產(chǎn)生的作用力會(huì)使模具沿分型面脹開(kāi) ,為此 ,注塑機(jī)的鎖模力必須大于模腔內(nèi)熔體對(duì)動(dòng)模的作用力 , 以避免發(fā)生溢料和漲?，F(xiàn)象。(4) 注塑機(jī)的拉桿空間模具安裝到注塑機(jī)上 ,其最大外形尺寸必須與64電加工與模具 2006 年第 4 期 設(shè)計(jì)研究 1994 。模腔的數(shù)量、排列的方式直接影響模具的長(zhǎng)度與寬度 ,為使模具安裝時(shí)可以穿過(guò)拉桿空間固定在動(dòng)、定模固定板上 ,模具的長(zhǎng)度或?qū)挾葢?yīng)小于注塑機(jī)拉桿間距。1. 2 與塑件有關(guān)的因素(1) 塑件的精度等級(jí)模腔數(shù)量較多時(shí) ,由于分流道和澆口的制造誤差 ,即使分流道采用平衡布置的方式 ,也很難將各模腔的注塑工藝參數(shù)同時(shí)調(diào)整到最佳值 ,因而無(wú)法保證各模腔塑件的收縮率均勻一致 ,其中一腔或數(shù)腔充不滿 ,或即使充滿卻存在諸如熔接不良或內(nèi)部組織疏松等缺陷 ,為此調(diào)高注塑壓力 ,又容易使其他塑件產(chǎn)生飛邊。對(duì)于精度要求很高的塑件 ,其互換性將受到嚴(yán)重影響。實(shí)踐證明 ,每增加一個(gè)模腔 ,塑件的尺寸精度約降低 4 %(國(guó)外有實(shí)驗(yàn)表明 ,每增加一個(gè)模腔 ,其成型制品的尺寸精度就下降 5 %) 。成型高精度塑件時(shí) ,模腔不宜過(guò)多 ,通常不超過(guò) 4 腔 ,且必須采用平衡布置分流道的方式。對(duì)一般要求的塑件 ,日本有人提出不宜超過(guò) 16 腔。依經(jīng)驗(yàn) ,即使每腔制品相同、尺寸較小、成型容易的話 ,若 1 模超過(guò) 24 腔是必須慎重考慮的 3 。因?yàn)槎嗄Ｇ浑y以使模腔的成型條件一致。(2) 塑件的尺寸大小對(duì)于大型或薄壁塑料制件 ,熔體有可能因流動(dòng)距離過(guò)長(zhǎng)或流動(dòng)阻力太大而無(wú)法充滿整個(gè)模腔。為此 ,通常采用一模一腔。若采用一模多腔 ,則流道系統(tǒng)長(zhǎng)度增加 ,為保證各模腔充滿 ,應(yīng)對(duì)其注塑成型時(shí)的流動(dòng)距離比 (流動(dòng)比是指熔體在模具中進(jìn)行最長(zhǎng)距離的流動(dòng)時(shí) ,其各段料流通道及各段模腔的長(zhǎng)度與其對(duì)應(yīng)截面厚度比值之和 )進(jìn)行校核 ,確保注塑成型時(shí)的流動(dòng)距離比小于生產(chǎn)原料所允許的最大流動(dòng)比。(3) 塑件的結(jié)構(gòu)特征塑件的結(jié)構(gòu)對(duì)澆口形式具有一定的對(duì)應(yīng)性。大型深腔類零件一般選用直接澆口 ,環(huán)形、回轉(zhuǎn)體零件一般采用盤(pán)形澆口、輪輻式或爪形澆口 ,這類澆口用在普通澆注系統(tǒng)的模具中 ,模腔數(shù)量只能是一模一腔。有些不同結(jié)構(gòu)的塑件 ,當(dāng)生產(chǎn)精度較低、所用原料相同時(shí) ,模腔可以相套排列 ,實(shí)現(xiàn)一模多件。1. 3 與原料有關(guān)的因素塑料的種類不同 , 其熔體的粘度、流動(dòng)性、熱敏性、充填特性等對(duì)澆口形式有不同的要求 4 。表 1所列為部分塑料所適應(yīng)的澆口形式。不同的澆口形式對(duì)成型質(zhì)量及塑件的性能會(huì)產(chǎn)生不同的影響。如上所述若只能采用直接澆口、盤(pán)形澆口等 ,所對(duì)應(yīng)模具同樣只能是一模一腔 ,而其余各類澆口都可以使用一模多腔。表 1 常用塑料所適應(yīng)的澆口形式塑料種類 直接澆口 側(cè)澆 口 平縫澆口 點(diǎn)澆 口 潛伏澆口 環(huán)形澆口硬聚氯乙烯 ( O O O O O O O O O O 聚酰胺 ( O O O O O O O O 乙烯 O O O O O O “ O”表示塑料適用的澆口形式。1. 4 與生產(chǎn)有關(guān)的因素效益是企業(yè)發(fā)展的命脈 ,塑件生產(chǎn)同樣追求最高的效益、最低的成本。從經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)看 ,模腔的數(shù)量不但與年產(chǎn)量有關(guān) ,而且還與生產(chǎn)批量、塑件成型周期、模具加工費(fèi)等成一定的函數(shù)關(guān)系 5 。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時(shí)代 ,產(chǎn)品更新?lián)Q代快 ,開(kāi)發(fā)周期短?？蛻敉付ㄓ嗀浟考敖回浫掌?,從某種程度上訂貨量及交貨日期也決定著模具設(shè)計(jì)時(shí)模腔的數(shù)量。小批量生產(chǎn)通常采用單模腔模具 ;大批量生產(chǎn) ,宜采用多模腔模具。模腔數(shù)量越多 ,模具維修要求越高 ,模具加工周期越長(zhǎng)。在實(shí)際生產(chǎn)中 ,模腔數(shù)量的確定還應(yīng)考慮現(xiàn)有可調(diào)用設(shè)備的工作能力。1. 5 與模具有關(guān)的因素模具結(jié)構(gòu)要求對(duì)稱 、受力平衡時(shí) ,可以通過(guò)改變模腔數(shù)量及其排列形式來(lái)滿足。模腔數(shù)量還與注塑模具澆注系統(tǒng)、調(diào)溫系統(tǒng)、脫模結(jié)構(gòu)等因素有關(guān) ,模具設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)綜合考慮。模具制造精度直接影響塑件精度。若企業(yè)模具制造能力強(qiáng) ,模具精度高 ,為提高生產(chǎn)率模腔數(shù)量可選大值。另外 ,在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中不要一味追求模腔數(shù)量。模腔數(shù)量越多 ,其制造費(fèi)用越高 ,制造難度也越大 ,很難滿足均衡進(jìn)料、同時(shí)凝固的要求 ,模具質(zhì)量很難保證 ;模具外形尺寸相對(duì)越大 ,與之匹配的注塑74設(shè)計(jì)研究 電加工與模具 2006 年第 4 期 1994 ,大型注塑機(jī)價(jià)格高 ,運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用也高 ,且動(dòng)作緩慢 ,用于多腔注塑模未必有利。模具模腔數(shù)量越多 ,故障發(fā)生率也越高 ,若其中一腔出了問(wèn)題 ,就必須立即修理 ,否則對(duì)注塑機(jī)和模具都將造成損害 ,而經(jīng)常性的停機(jī)修模又必然影響生產(chǎn)效率。2 模腔數(shù)量的計(jì)算方法影響模腔數(shù)量的因素有很多 ,如果采用多模腔注塑模 ,模腔數(shù)量與注塑機(jī)的最大注塑量、塑化速率及鎖模力、塑件的精度和生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性等成一定函數(shù)關(guān)系。計(jì)算方法如下 :2. 1 與注塑成型設(shè)備有關(guān)的計(jì)算方法2. 1. 1 按注塑機(jī)的最大注塑量確定模腔數(shù) (1) 當(dāng)注塑機(jī)最大注塑量以最大注塑質(zhì)量標(biāo)定(柱塞式注塑機(jī)常用 )時(shí) :k M 0 - m - m )式中 : k 為最小注塑量的折算系數(shù) ,一般取 0. 2 ,熱敏性塑料可以略大一些 ; k 為最大注塑量的利用系數(shù) ,一般取 0. 8 ; M 0 為注塑機(jī)的實(shí)際額定注塑質(zhì)量 ,g ,由式 (2) 而定 ; m i 為單個(gè)塑件的質(zhì)量 , g; m j 為澆注系統(tǒng)及飛邊 (溢料 ) 的質(zhì)量 ,g。注塑機(jī)實(shí)際額定注塑量不僅與理論注塑量有關(guān) ,而且還與所用塑料的密度、壓縮比有關(guān)。M 0 = m f 2)式中 : M 0 為注塑機(jī)的實(shí)際額定注塑質(zhì)量 , g; m g; 、 g/ f 、 f 所生產(chǎn)塑料與聚苯乙烯的壓縮比 ,與塑料的粒度和規(guī)整性有關(guān)。表 2 為某些熱塑性塑料的密度及壓縮比 6 。(2) 當(dāng)注塑機(jī)最大注塑量以最大注塑容量標(biāo)定(螺桿式注塑機(jī)常用 )時(shí) :k V 0 - v - v )式中 : k 為最小注塑量的折算系數(shù) ,一般取 0. 2 ,熱敏性塑料可以略大一些 ; k 為最大注塑量的利用系數(shù) ,一般取 0. 8 ; V 0 為注塑機(jī)的實(shí)際額定注塑容量 ,由式 (2) 而定 ; v i 為單個(gè)塑件的體積 , 澆注系統(tǒng)及飛邊 (溢料 ) 的體積 ,其實(shí)際額定注塑量與理論注塑量和所生產(chǎn)塑料的體積膨脹率、不同壓力下的漏損因素有關(guān)。換算公式如下 :V 0 = V T V c5 (4)式中 : V 0 為注塑機(jī)的實(shí)際額定注塑容量 , V T 為生產(chǎn)塑料在料筒溫度和壓力下的密度 , g/ 為注塑塑料在常溫下的密度 , g/ 通常在 0. 70. 9 范圍內(nèi) ,包括料筒溫度下所生產(chǎn)塑料的體積膨脹率校正系數(shù)和漏損因素 ,體積膨脹率校正系數(shù)為 :結(jié)晶型塑料約為 0. 85 , 無(wú)定型塑料約為 0. 93。表 2 某些熱塑性塑料的密度及壓縮比塑料名稱 密度 / (g 3) 壓縮率 910 0. 9400. 940 0. 9650. 900 0. 9101. 040 1. 0601. 350 1. 4501. 160 1. 3501. 090 1. 1401. 4001. 000 1. 1001. 2001. 240 1. 3401. 170 1. 2001. 840 2. 3001. 725 1. 9001. 920 1. 9601. 900 2. 1502. 3002. 3002. 000 2. 1001. 800 2. 001. 800 2. 0001. 7502. 4001. 800 2. 0002. 1. 2 按注塑機(jī)的塑化能力確定模腔數(shù) (5)式中 : m j 為澆注系統(tǒng)及飛邊體積或質(zhì)量 , g ;M 為注塑機(jī)的塑化能力 ,h 或 g/ h ; T 為成型周期 , s; m i 為單個(gè)塑件的體積或質(zhì)量 , g ; k 為最大注塑化能力的利用系數(shù) ,一般取 0. 75 0. 80。2. 1. 3 按注塑機(jī)的鎖模力大小確定模腔數(shù) P - A 6)式中 : 注塑機(jī)的額定鎖模力 ; A j 為澆注系統(tǒng)在模具分型面上的投影面積 , A 為單個(gè)塑件在模具分型面上的投影面積 , P 為塑料熔體對(duì)模腔的平均成型壓力 , 通常只有注塑壓力的 0. 2 0. 4 倍 ,見(jiàn)表 37 。A、 分型面的投影面積部分不能累計(jì)。2. 2 與塑件有關(guān)的計(jì)算方法2. 2. 1 按塑件的精度要求確定模腔數(shù)量 每增加一個(gè)模腔 ,塑件的尺寸精度約降低 4 %。設(shè)塑件的典型尺寸為 L 對(duì)應(yīng)塑件尺寸偏差為 x ,單模腔時(shí)塑件可能達(dá)到的尺寸公差為 % ( 0. 2 % , 0. 3 % ,84電加工與模具 2006 年第 4 期 設(shè)計(jì)研究 1994 、 非結(jié)晶形塑料為 0. 05 %) ,則有 : 2500 24 (7)式中 : x 為所成型塑件尺寸公差 , L 為所成型塑件的基本尺寸 , 為單模腔時(shí)塑件可能達(dá)到的尺寸公差為 %。L 、 x 取成型塑件精度要求最高位置所對(duì)應(yīng)的尺寸、公差。表 3 模腔內(nèi)熔體的平均壓力制品特點(diǎn) 平均壓力 P/ M 例容易成型的制品 24. 5 壁厚均勻的日用品、容器等一般制品 29. 4 在較高的溫度下、成型薄 壁容器類制品中等粘度的塑料和有精度要求的制品 34. 2 A 等精度要求較高的工程結(jié)構(gòu)件 ,如殼體、齒輪等高粘度塑料 , 高精度、難于充模的制品 39. 2用于機(jī)器零件上高精度的齒輪或凸輪等國(guó)外有實(shí)驗(yàn)表明 ,每增加一個(gè)模腔 ,其成型制品的尺寸精度就下降 5 %3 。依此式 (7) 則為 : 2000 19 (8)式 (8)中字母含義同式 (7) 。成型高精度塑件時(shí) ,模腔不宜過(guò)多 ,通常不超過(guò)4 腔 ,且必須采用平衡布置分流道的方式。對(duì)一般要求的塑件 ,日本有人提出不宜超過(guò) 16 腔。依經(jīng)驗(yàn) ,即使每腔制品相同 ,尺寸較小 ,成型容易的話 ,若1 模超過(guò) 24 腔是必須慎重考慮的。因?yàn)槎嗄Ｇ浑y以使模腔的成型條件一致。2. 2. 2 按塑件尺寸、結(jié)構(gòu)確定模腔數(shù)量塑件尺寸、結(jié)構(gòu)特征與模腔數(shù)量沒(méi)有確定的函數(shù)關(guān)系 ,但有時(shí)對(duì)模腔數(shù)量起決定性的作用。如大型薄壁或深腔類塑件 ,為保證塑件成型 ,通常只能采用一模一腔 ;回轉(zhuǎn)體類零件常采用直接澆口、盤(pán)形澆口輪輻式或爪形澆口成型 ,這類澆口用在普通澆注系統(tǒng)的模具中 ,模腔數(shù)量也只能是一模一腔 ;塑件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要三向或四向側(cè)分型抽芯 ,且側(cè)分型抽芯距較大 ,模腔數(shù)量也只能是一模一腔 ,最多兩腔。2. 3 與生產(chǎn)有關(guān)的計(jì)算方法2. 3. 1 按交貨日期確定模腔數(shù)量 N 1 - b) a (9)式中 : N 為需要生產(chǎn)塑件的總數(shù) ; T 為塑件的成型周期 , s; b 為故障系數(shù) (以 5 %計(jì)算 ) ; a 為生產(chǎn)同一塑件所用設(shè)備臺(tái)數(shù) ; T Y 為生產(chǎn)塑件每月有效工作時(shí)間 , h/ 月 ; 訂貨到交貨的時(shí)間 ,月 ; 模具制造時(shí)間 ,月。2. 3. 2 按年產(chǎn)量確定模腔數(shù)量 對(duì)此可根據(jù)年產(chǎn)量確定模腔數(shù)量。 a T (10)式中 : T 為塑件的成型周期 , s; Q 為塑件的年產(chǎn)量 ,件 ; a 為生產(chǎn)同一塑件所用設(shè)備臺(tái)數(shù) ; T 為年中的有效工作時(shí)間 , h。2. 3. 3 按經(jīng)濟(jì)性確定模腔數(shù)量 并忽略準(zhǔn)備時(shí)間和試生產(chǎn)原料費(fèi)用 ,僅考慮模具費(fèi)和成型加工費(fèi) ,則模腔數(shù)量為 : N Y 1)式中 : N 為需要生產(chǎn)塑件的總數(shù) ; Y 為每小時(shí)注塑成型加工費(fèi) (人工費(fèi)和其他費(fèi)用 ) ,元 / h ; T 為塑件的成型周期 ,s; a 為 生產(chǎn)同一塑件所用設(shè)備臺(tái)數(shù) ; 與模腔數(shù)量成比例的每一模腔所需模具費(fèi)用 ,元。3 模腔數(shù)量的優(yōu)化原則3. 1 直接確定模腔數(shù)量大型薄壁塑件 、深腔類塑件、需三向或四向長(zhǎng)距離抽芯塑件等 ,為保證塑件成型 ,通常只能采用一模一腔 ;回轉(zhuǎn)體類零件常采用直接澆口、盤(pán)形澆口輪輻式或爪形澆口成型 ,這類澆口用在普通澆注系統(tǒng)的模具中 ,模腔數(shù)量也只能是一模一腔。3. 2 按公式計(jì)算所得模腔數(shù)量選用(1) 依據(jù)上述方法計(jì)算所 得模具模腔數(shù)量 ,選用時(shí)一般取 所要求范圍內(nèi)的整數(shù)值 , 供參考。若模腔數(shù)量接近 ,則表明可以取得較佳的經(jīng)濟(jì)效益。(2) 若在 所要求范圍內(nèi)沒(méi)有共同整數(shù)解 ,可適當(dāng)調(diào)整各項(xiàng)關(guān)聯(lián)參數(shù) ,滿足步驟 (1) 的要求 ,達(dá)到資源的最優(yōu)配置。決于塑件精度 ,若 小 ,說(shuō)明塑件精度要求很高 ,則只有調(diào)整其余各項(xiàng)參數(shù)滿足步驟 (1) 的要求 ; 偏小則可以選用更大規(guī)格的設(shè)備 ,重新校核 ,返回步驟 (1) 選用合理模腔數(shù) ; 偏小 ,最簡(jiǎn)單的方法是增加生產(chǎn)該塑件所用設(shè)備臺(tái)數(shù) a。(下轉(zhuǎn)第 53 頁(yè) )94設(shè)計(jì)研究 電加工與模具 2006 年第 4 期 1994 ,凸模圓角附近的危險(xiǎn)單元變形曲線處在變形安全區(qū)域 ,沒(méi)有發(fā)生破裂 ;而連接處單元的變形曲線已進(jìn)入臨界區(qū)域 ,說(shuō)明有可能發(fā)生斷裂。這與實(shí)際情況是相符合的 ,在實(shí)際生產(chǎn)中 ,我們發(fā)現(xiàn)壓邊力稍微不均勻都會(huì)導(dǎo)致搭接橋與筒口連接處發(fā)生斷裂。圖 7 拉深凸模危險(xiǎn)單元 圖 8 搭接橋與筒口連接處單元 此模具經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、調(diào)試 ,目前已經(jīng)進(jìn)入正常生產(chǎn)階段 ,圖 9 所示是裁剪的生產(chǎn)中的部分條料 ,我們可以看到前 3 個(gè)工步 ,通過(guò)對(duì)比 ,證明實(shí)際生產(chǎn)的情況與模擬的結(jié)果非常接近 ,也說(shuō)明拉深工步的模擬結(jié)果有相當(dāng)高的精確性。圖 9 生產(chǎn)中的級(jí)進(jìn)模條料示意圖4 結(jié)論利用 對(duì)級(jí)進(jìn)模的筒形拉深工步進(jìn)行了模擬 ,對(duì)筒形拉深部分的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和拉深質(zhì)量進(jìn)行分析 ,取得了與生產(chǎn)實(shí)際非常接近的模擬結(jié)果。這種模擬方法對(duì)級(jí)進(jìn)模的工藝分析和排樣設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用。通過(guò)該項(xiàng)目我們發(fā)現(xiàn) :(1) 與單工序拉深成形數(shù)值模擬過(guò)程相比 ,級(jí)進(jìn)模筒形拉深工步的數(shù)值模擬需要考慮的因素更多。其中 ,建立符合實(shí)際情況的毛坯模型、壓邊圈模型 ,設(shè)置符合實(shí)際的邊界約束是關(guān)鍵。當(dāng)然 ,與單工序拉深數(shù)值模擬一樣 ,網(wǎng)格形式、壓邊力大小、摩擦條件、模具結(jié)構(gòu)也是必須考慮的重要因素。(2) 在帶工藝切口的級(jí)進(jìn)模筒形拉深過(guò)程中 ,搭接橋的變形對(duì)拉深工步及后續(xù)工步具有重要影響 ,為了準(zhǔn)確送料 ,必須設(shè)置合適的搭接橋?qū)挾?,以保證搭接橋變形均勻。(3) 在帶工藝切口的級(jí)進(jìn)模筒形拉深成形過(guò)程中 ,搭接橋與筒口連接處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中 ,壓邊力稍不均勻就會(huì)導(dǎo)致搭接橋