疊層式注射模具設(shè)計(jì)方案與應(yīng)用

1、疊層式注射模具設(shè)計(jì)與應(yīng)用1 引言疊層式注射模具是一種高效、快捷、節(jié)能的新型注射模具，在我國(guó)已逐漸開始推廣使用。與常規(guī)模具不同的是，疊層式注射模具的型腔是分布在兩個(gè)或多個(gè)層面上的，呈重疊式排列，即相當(dāng)于是將多副模具疊放組合在一起。通常，注塑機(jī)與常規(guī)模具配合使用時(shí)，其本身的注射量和開模行程只使用了額定的 20%40%，沒有充分發(fā)揮注塑機(jī)的性能。與常規(guī)模具相比，疊層式注射模具的鎖模力只提高了 5%10%，但產(chǎn)量可以增加 90%95%，極大地提高了設(shè)備利用率和生產(chǎn)率，并降低了成本。疊層式注射模具最適于成型大型扁平制件、淺腔殼體類制件、小型多腔薄壁制件和需大批量生產(chǎn)的制件。2 疊層式注射模具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)疊

2、層式注射模具作為一種新型的模具技術(shù)得到了不斷的發(fā)展，特別是與熱流道技術(shù)的結(jié)合，使它成為當(dāng)今塑料模具發(fā)展的一項(xiàng)前沿技術(shù)。傳統(tǒng)的常規(guī)模具設(shè)計(jì)理論已經(jīng)不適用于疊層式注射模具設(shè)計(jì)，因此急需發(fā)展一套全新的模具設(shè)計(jì)理論以指導(dǎo)疊層式注射模具設(shè)計(jì)。下面將對(duì)疊層式注射模具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行說明。2.1 注塑機(jī)最大注射量疊層式注射模具可以采用冷流道，也可以采用熱流道。當(dāng)使用冷流道時(shí)，需要考慮澆注系統(tǒng)凝料所用的塑料量。當(dāng)采用熱流道時(shí)，即實(shí)現(xiàn)無(wú)回頭凝料生產(chǎn)，在熱流道板和中心主噴嘴中的物料不影響模具所需注射量，可以忽略不計(jì)。所以，在校核注塑機(jī)最大注射量時(shí)要視具體情況而定。2.2 注塑機(jī)注射壓力注射壓力的校核主要是檢驗(yàn)注射壓

3、力能否滿足成型的需要。對(duì)于疊層式注射模具，大多成型薄壁、投影面積大、流程長(zhǎng)的塑件，在充填過程中需要更高的注射壓力和注射速度。而疊層式熱流道模具由于采用了熱流道技術(shù)，相對(duì)疊層式冷流道模具來(lái)說，能較好地傳遞注射壓力，故所需的注射壓力要比疊層式冷流道模具小。但由于流程增加、投影面積增大，所需注射壓力要比單層冷流道模具大。在校核注射壓力時(shí)，應(yīng)根據(jù)各種塑料的注塑工藝，并結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬流動(dòng)分析來(lái)確定塑件的注射壓力，再與注塑機(jī)額定注射壓力比較。2.3 注塑機(jī)最大鎖模力疊層式注射模具的各層型腔以 “背靠背 ”設(shè)置，理論上能在鎖模力不增加的基礎(chǔ)上在同一臺(tái)注塑機(jī)上實(shí)現(xiàn)任意數(shù)量的疊層。但是，由于疊層式注射模具的中心

4、主噴嘴及分流板增大了流動(dòng)通道，使塑件加上澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積有所增大。并且由于疊層而延伸了流道，壓力損失比常規(guī)單層模具大，注射壓力相應(yīng)增大，致使型腔壓力增大，故鎖模力有所增加，校核時(shí)按相同單層模具所需鎖模力增加 10%15%是比較安全的。2.4 注塑機(jī)開模行程疊層式注射模具在兩個(gè)層面分型開模并頂出塑件，當(dāng)校核開模行程時(shí)，對(duì)于采用液壓 機(jī)械式鎖模機(jī)構(gòu)的注塑機(jī)，則不需考慮模具厚度。當(dāng)疊層式注射模具上具有側(cè)向分型的抽芯機(jī)構(gòu)時(shí)，則需考慮抽芯距離的影響。如果采用相同傳動(dòng)比的齒輪齒條或曲肘連桿開模裝置等同步開模機(jī)構(gòu)，則疊層式注射模具各層的行程不受制品高度的限制，其開模行程是多層模具中最大開模行程那

5、一層的 n 倍(n為疊層式注射模具的層數(shù) )。2.5 主噴嘴長(zhǎng)度中心主噴嘴不能太長(zhǎng)或太短，這樣模具閉合時(shí)，中心主噴嘴不會(huì)超出注塑機(jī)噴嘴在機(jī)座后退或前進(jìn)的最大距離。由于中心主噴嘴要與模具的中間部分在分型時(shí)一起移動(dòng)，所以應(yīng)確保開模后中心主噴嘴仍留在定模部分內(nèi)，以防止中心主噴嘴頭部的溢料滴入定模型腔壁上。2.6 澆注系統(tǒng)疊層式注射模具既可以采用普通流道澆注系統(tǒng)(即冷流道澆注系統(tǒng))，也可以采用熱流道澆注系統(tǒng)。熱流道澆注系統(tǒng)能夠較好地傳遞注射壓力，有利于提高塑件的成型質(zhì)量，并易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，但對(duì)塑料品種有一定要求，而且熱流道系統(tǒng)價(jià)格昂貴。當(dāng)采用冷流道時(shí)，塑件的成型質(zhì)量稍差，但模具加工容易，故成本較低

6、。所以，用何種澆注系統(tǒng)應(yīng)視具體情況而定。2.7 模溫控制系統(tǒng)模溫是影響塑件成型質(zhì)量的重要因素之一，疊層式注射模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證各層型腔的溫度條件控制一致。對(duì)于疊層式熱流道注射模具，為減少熱流道系統(tǒng)由于熱傳導(dǎo)的熱量損失，應(yīng)減少模具與熱流道板之間的接觸面積，并設(shè)置相應(yīng)的隔熱墊塊。2.8 開模機(jī)構(gòu)為使塑件收縮一致，塑件在各型腔中的停留時(shí)間 (冷卻時(shí)間 )應(yīng)當(dāng)相等，故疊層式注射模具應(yīng)當(dāng)確保各層型腔的分型面同時(shí)開啟。齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械式連桿機(jī)構(gòu)常作為疊層式注射模具的開模機(jī)構(gòu)，前者的技術(shù)性能較好，也較經(jīng)濟(jì)，但后者的靈活性更大。采用液壓輔助開模更容易控制開模時(shí)間，但結(jié)構(gòu)較大。2.9 脫模機(jī)構(gòu)根據(jù)冷卻時(shí)間等

7、同要求，疊層式注射模具應(yīng)對(duì)各層型腔中的塑件同時(shí)頂出，采用彈簧或者高壓空氣的脫模機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到這一要求。3 國(guó)內(nèi)外疊層式注射模具的發(fā)展與應(yīng)用早在 1940 年 12 月 KNOWLESER就取得了疊層式模具的專利權(quán)。今天的疊層式注射模具，不僅比傳統(tǒng)的單層模具成本更低，而且增加了應(yīng)用疊層式注射模具的靈活性。經(jīng)過幾十年的研究與發(fā)展，疊層式注射模具經(jīng)歷了冷流道雙層注射模具、熱流道雙層注射模具、 3 層或 4 層疊層式注射模具、直角進(jìn)澆熱流道疊層式注射模具、旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具等結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化。3.1 國(guó)外疊層式注射模具的發(fā)展動(dòng)態(tài)國(guó)外疊層式注射模具技術(shù)起步較早，發(fā)展相對(duì)成熟，知名的疊層模具公司有Trades

8、co、Ferromatik Milacron 、Foboha 和 Engel 等。由于熱流道技術(shù)的應(yīng)用在國(guó)外發(fā)展較快，所以熱流道疊層式注射模具技術(shù)在國(guó)外被廣泛使用。此外，發(fā)達(dá)國(guó)家在新型疊層式注射模具技術(shù)處于領(lǐng)先水平，最近發(fā)展起來(lái)的旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具技術(shù)拓寬了疊層式注射模具的應(yīng)用能力。20 世紀(jì)6070 年代，國(guó)外一些公司便開始研制疊層式注射模具。瑞士的Schottli 公司最早開發(fā)出工業(yè)應(yīng)用的疊層式注射模具。1980 年德國(guó)的 Johnson T 設(shè)計(jì)了一款冷流道雙層注射模具。1989 年D.Gener 和 Wiesbaden-Delkheim 設(shè)計(jì)了一款熱流道雙層注射模具。1992 年日本的

9、確井裕雄和山本國(guó)雄發(fā)明了一款熱噴嘴不對(duì)稱分布的熱流道疊層式注射模具，但合理的流道設(shè)計(jì)能夠控制模腔內(nèi)的熔體達(dá)到流動(dòng)平衡 。 后來(lái)，德國(guó)的W.Homes， Bensheim， J. Li ， H.Hagelstein，日本的新出毅分別設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的熱流道疊層式注射模具，其中還采用了閥澆口，在熱噴嘴處多了一套閥針傳動(dòng)裝置，控制閥針的開閉運(yùn)動(dòng)。1991 年 Tradesco模具公司的 Rozema H 設(shè)計(jì)了一款 4 層疊層式注射模具，該模具是在熱流道雙層注射模具的基礎(chǔ)上，延伸熱流道，并增加一套中間部分使成型層數(shù)擴(kuò)展到4 層，使生產(chǎn)率提高了4 倍。但并不是所有的注塑機(jī)都能達(dá)到4 倍的工作量， 200

10、0 年加拿大的Olaru George 和 Dewarm Neil 發(fā)明了一種分配熔體的裝置，克服了注塑機(jī)開模行程不足、注射量不夠的缺點(diǎn)，成功地應(yīng)用到4 層熱流道疊層式注射模具中。新型疊層式模具的開發(fā)拓寬了疊層式注射模具的應(yīng)用能力，使其具有多種顏色和多種材料成型的能力。旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具由在垂直軸上旋轉(zhuǎn)的中心模板、動(dòng)模板和定模板組成，中心模板可以有2 個(gè)或 4 個(gè)面，當(dāng)模具打開時(shí)可旋轉(zhuǎn)90°或者 180°。如由 Engel 公司開發(fā)的一種旋轉(zhuǎn)模板設(shè)計(jì)，其中心模板有2 個(gè)面，每個(gè)周期旋轉(zhuǎn)180°。德國(guó)的Keusgen H.設(shè)計(jì)了一款旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具。而由Ferro

11、matik Milacron 歐洲公司與德國(guó)模具制造商Foboha 公司合作開發(fā)的旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具有一個(gè)4 個(gè)面的中心模板，每周期旋轉(zhuǎn)90°。如 Foboha 公司申請(qǐng)專利的帶有PET(40g)阻透層的 HDPE(70g)牙膏管式瓶肩模具，其4×64的旋轉(zhuǎn)疊層系統(tǒng)能在8.4s 的周期中吐出64 只雙層零件，年產(chǎn)量達(dá)1.75 × 108件。丹麥的Gram 技術(shù)公司設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具具有多達(dá)4 個(gè)邊挨著邊的小的中心疊層結(jié)構(gòu)，各自又有 4 個(gè)面，并且每一周期可旋轉(zhuǎn)90°。3.2 國(guó)內(nèi)疊層式注射模具的發(fā)展動(dòng)態(tài)直到 20 世紀(jì) 80 年代末，疊層式注射模具

12、技術(shù)才逐漸傳入我國(guó)模具行業(yè)，因此我國(guó)疊層式注射模具技術(shù)起步較晚，生產(chǎn)中采用熱流道疊層式注射模具所占的比例較少，在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上與國(guó)外先進(jìn)疊式模具技術(shù)存在一定的差距，甚至在一些技術(shù)領(lǐng)域(如旋轉(zhuǎn)疊式注射模具 )仍處于空白。所以，面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)必須盡快提高疊層式注射模具技術(shù)，在國(guó)際市場(chǎng)中掌握主動(dòng)性，使企業(yè)立于不敗之地。1990 年北京塑料十三廠的李書贊提出了一種采用側(cè)澆口進(jìn)料的雙層型腔注射模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1992 年常州輕工業(yè)學(xué)校的卜建新介紹了一種側(cè)澆口和點(diǎn)澆口并用的雙層型腔注射模具。1995 年乙清設(shè)計(jì)一種特殊的雙層注射模具。1997 年李樹、揣成智把熱流道繞過中心從模具邊緣將塑料熔體傳送

13、到流道板，設(shè)計(jì)了一款生產(chǎn)汽車門窗密封條的雙層熱流道注射模具。1999 年浙江偉星集團(tuán)的王曰興設(shè)計(jì)了一款高效哈夫式雙層注射模具，共用一對(duì)哈夫滑塊，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低，而型腔數(shù)增加 1 倍，注塑成型周期短，生產(chǎn)效率高。同年王振保等人介紹了一種普通流道的雙層單腔模具。2000 年馮孝中等人介紹了一種潛伏式澆口的白酒杯蓋雙層注射模具。2003 年閻亞林和黃曉燕設(shè)計(jì)了一種直角進(jìn)澆熱流道疊層式注射模具。2007 年沈洪雷等人設(shè)計(jì)了一款光碟支架熱流道疊層模具2008 年王振保等人將 CAE技術(shù)應(yīng)用到疊層式注射模具設(shè)計(jì)中，利用 Moldflow 分析軟件，通過對(duì)塑料填充、保壓和冷卻過程的模擬分析，對(duì)空

14、調(diào)面板疊層式模具的成型過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，分析了影響成型過程的主要因素，優(yōu)化了工藝參數(shù)。同年賈娟娟等人以Pro/Engineer Wildfire 軟件為基礎(chǔ)，通過模具專家系統(tǒng)EMX4.1 調(diào)用和修改模架、熱流道板及噴嘴，設(shè)計(jì)了一款球形攝像頭內(nèi)側(cè)支架疊式熱流道注射模具，并從設(shè)計(jì)過程中遇到的問題提出了對(duì)疊式模具元件的標(biāo)準(zhǔn)化要求。4 結(jié)論采用疊層式注射模具，尤其是熱流道疊層式注射模具，可以充分發(fā)揮注塑機(jī)的能力，節(jié)省人力和設(shè)備資源，極大地提高生產(chǎn)效率。雖然疊層式注射模具在設(shè)計(jì)和加工方面成本較高，但是如果能在以下幾個(gè)方面加以改進(jìn)，則可以大幅度地降低模具成本，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍：(1)完善疊層式注射模具的設(shè)計(jì)理論，縮短研發(fā)周期。(2)延長(zhǎng)一些核心元件 (如加熱元件、溫控元件等)的使用壽命。(3)使疊層式注射模具與普通的注射模塑設(shè)備配套。(4)借助CAD/C