打印机塑料零件的模具设计

打印机塑料零件的模具设计

1冯益彪2朱晨锋3胡峰

宁波得力科贝技术有限公司  浙江省宁波市315600

摘要：随着办公自动化的发展，打印机已经成为我们日常工作、生活不可或缺的办公用品。由于注塑件制造成本低、质量轻、润滑性能好，同时塑件耐腐蚀性较强、传动噪声低，应用注塑成型工艺生产小型传动及配合齿轮已经越来越多地引起打印机生产企业的重视。塑料模具的特点是可以有多处侧凹及侧孔, 需要内、外侧向分型抽芯, 在满足结构要求的前提下尽可能简化设计和加工。 结合模流分析结果进行了浇注系统和冷却设计, 保证产品有合理的外观 品质及平整度。

关键词：打印机；塑料零件；模具设计

引言

塑料注射成形是利用塑料的可挤压性与可模塑性，首先将粒状或粉状的塑料加入到注塑机的料斗，由螺杆带动塑料前行进入料筒，由料筒壁的加热器及螺杆的摩擦作用使塑料在料筒内加热至熔融状态，在螺杆的高压推动下，以一定的速度和压力经浇注系统进入闭合模具中，经过保压冷却凝固成形后开模，模具推出机构推出制件，从而获得具有一定形状和尺寸的塑料制件。模具设计应根据塑件的使用要求及相应的技术指标，选择合理的工艺方案。

1注塑件的工艺分析

塑料注射成形是利用塑料的可挤压性与可模塑性，首先将粒状或粉状的塑料加入到注塑机的料斗，由螺杆带动塑料前行进入料筒，由料筒壁的加热器及螺杆的摩擦作用使塑料在料筒内加热至熔融状态，在螺杆的高压推动下，以一定的速度和压力经浇注系统进入闭合模具中，经过保压冷却凝固成形后开模，模具推出机构推出制件，从而获得具有一定形状和尺寸的塑料制件。模具设计应根据塑件的使用要求及相应的技术指标，选择合理的工艺方案。（1）注塑件的结构形状分析。该塑件是打印机上一个部件，受到振动、摩擦等情况比较多，制件材料要求韧性好，表面粗糙度低。制件结构简单，形状规则，大批量生产。采用单分型面注塑模有利于降低模具复杂程度，有利于模具加工制造。（2）注塑件的性能指标及成型特性分析。工件材料为HIPS，是PS的改性材料，分子中含有5%~15%橡胶成份，韧性好、冲击强度高，成型加工性能好、着色力强。HIPS制品不透明，吸水性低，可不需预先干燥。主要性能指标：弯曲强度13.8~55.1MPa；拉伸强度13.8~41.4MPa；断裂伸长率为15%~75％；维卡软化点185°~220°F。（3）注塑成型工艺参数分析。根据经验数据和推荐值，初步确定成型工艺参数选择往复螺杆式注塑机，由公称注射量选定注射机。打印机零件的注塑模采用单分型面注塑模，一模四腔。产品材料HIPS，其密度为1.035~1.04g/cm3，收缩率为0.3~0.8%，计算其平均密度设为1.04g/cm3，平均收缩率为0.5%。计算后并据现有设备选择为德国产注射机Demag/50T注塑机。

2注塑件模具设计

（1）分型面的确定。结合该产品的结构,分型面在塑件的最大投影面积上，中间线处即为分型面。（2）型腔数目的确定。型腔数目的确定主要考虑塑件的尺寸、模具制造成本、注塑成型的效益、模具制造难度等因素，初定为一模四腔，经济合理，采用平衡式排布。（3）模架选择。现有的模具模架已经标准化，选择模仁的材料是H13，经计算模具尺寸为300mm×350mm，经经验计算后取型芯板厚度80mm，型腔板厚度90mm，垫板厚度90mm，为避免干涉，型芯板和型腔板之间取1mm间隙。（4）浇注系统设计。注射模的浇注系统是是为填充型腔而开设于模具中的一系列通道，由主流道、分流道、冷料穴（或冷料井）和浇口组成。主流道：主流道主要参数：锥角=1.2°；内表面粗糙度Ra=0.8μm；小端直径D=4mm；浇口套圆弧半径R=13mm；材料S50C；浇口套与定位圈配合采用H9/f9的配合，浇口套与模板之间配合采用H7/m6的配合。①分流道：圆形断面形状，直径为4mm，分流道长度L=25mm，面粗糙度值选为0.16，采用平衡式布置形式。②冷料穴（或冷料井）和拉料杆：冷料穴位于分流道末，分流道加工时直接将冷料穴加工出来，截面与分流道相同；拉料杆选用前面带锥度的，材料为SKH51，硬度为56~60HRC，固定在底针板上。③浇口：采用潜伏式浇口。

3模具总体结构设计

3.1分型面选取

分型面的选取应使分型面位于塑件截面尺寸最大的部位，可以保证塑件顺利脱模，也可以使塑件分模后留在动模一侧实现较高的自动化，同时有利于保证塑件的尺寸精度和外观质量并满足塑件的使用要求。

3.2浇注系统设计

主流道为圆锥形，锥角α=3°，表面粗糙度Ｒa≤0.8μm，浇口套与定模板间的配合采用H7/m6过渡配合，与定位圈配合为H9/f9间隙配合。主流道球面凹坑半径r1=12mm。定位环直径=63.5mm，保证模具和注射机对中。为了减少压力和热量的损失，设计分流道截面为圆形(直径为6mm)。设计采用潜伏式浇口，使浇口位于非配合表面从而保证零件精度，同时浇口可以增加聚甲醛(POM)材料的流动性，利于凝料拉断，设计浇口截面为圆形，直径为1mm，截面积为π/4mm2。

3.3侧向抽芯机构的设计

打印机三层齿轮侧槽为圆形槽，深1.84mm，理论计算侧抽芯距离为8.16mm，采取斜导柱滑块机构实现抽芯。斜导柱的斜度为15°，抽芯力F抽=267.23N，且型芯被塑件包紧部分的断面形状周长l=81mm，成型部深度h=4mm，塑件对型芯单位面积的挤压力p2=10MPa，摩擦因数f2=0.1，脱模斜度β=1°。斜导柱所受弯曲力F弯=276.66N。斜导柱长度为94mm，其固定部分大端直径D=15mm，固定板厚度h=50mm，斜导柱直径d=10mm，抽芯距S抽=9.38mm，经校核斜导柱满足强度要求，斜导柱与模板间采用H7/m6过渡配合，斜导柱与斜导柱孔之间保留(0.5～1)mm的间隙。且模具开模行程为35mm，侧抽芯距9.38mm＞8.16mm，满足要求。

3.4冷却系统的设计

注塑机单位时间内注入模具中的塑料熔体质量为0.01444kg/min，塑件冷却脱模释放的单位热流量为420kJ/kg，冷却水比热容为4.2kJ/(kg·℃)且密度为1000kg/m3，则所需冷却水体积流量为144mL/min。则每注射一次熔融塑料后，所需冷却水体积为144mL，冷却水需求量很小，模具所需冷却流道尺寸参数很小，模具加工制造困难。另外，上述计算是在不考虑空气对流、热辐射、模具与塑件接触的热传导得出的。综合考虑，该套模具可不设置内部冷却水道，可仅靠模具与塑件接触的热传导和模具的热辐射及空气对流对塑件进行降温。

3.5脱模系统和先复位机构设计

模具主要采用“推杆+推块”的组合脱模机构，其中推杆包括12支p12mmx450mm推杆和23支+6mmx450mm推杆。推块主要用于推动塑件的外边，平稳可靠。但由于推块正好位于滑块的下方，如果滑块复位时推块还没有完全复位，二者可能就会相撞，造成严重的安全事故。为了杜绝安全事故发生，本模具设计了摆杆式推块先复位机构，详见图7，该机构由先复位推块64、摆杆66和摆杆抵块67等组成。这里要特别注意，复位杆虽然有复位的功能，但它必须等模具A、B板完成合拢后才能保证推块完全复位，它没有先复位功能。复位弹簧有先复位的功能，但复位弹簧会疲劳失效，不能保证百分之百可靠。因此模具必须设计推件固定板先复位机构。

4模具设计过程

4.1型腔的排布方式

该制品需要大批量生产,因此所设计的模具必须具有较高的注塑效率。但考虑到该塑料件的结构、尺寸及精度要求等各因素的影响,若采用一模多腔,会导致模具的尺寸增大,结构变得更加复杂,并且无法保证制品的精度要求。因此为了保证压力平衡,提高制品的质量,确定采用一模两腔的结构。根据制品的结构,有下列两种排布方式,可以满足对压力平衡的要求,但这样增大了模架尺寸,且不利于布置流道。型腔布局既可以满足对压力平衡的要求,模架的尺寸又相对小些,且结构比较紧凑,便于在中间开设流道。由于塑料件两端有凹坑,故需外侧抽芯才能成型塑料件。根据分型面的选择原则,将分型面选在塑料件最大投影面处,且分型面含有曲面。考虑到产品外观的要求,侧抽芯机构均设置在动模上。

4.2浇注系统设计

由于该制品壁厚为3.4mm,加之PC/ABS合金材料有较好的成型性能,若采用点浇口或潜伏式浇口,虽可以满足流动性的要求,但成本高、注塑压力损失大、且需要较大吨位的注塑机;若采用直浇口,则不易去除浇口,且会在制品表面留下较大的痕迹。根据以上分析,决定采用扇形浇口,它不仅可减小制品的内应力,使带入的空气减少,而且易于去除浇口,加工方便且易修整。

4.3成型设计

通过工艺分析可知,设计的难点在端部。如果将端部与打印机插柱做成整体模具,在加工侧向凸台型腔时,由于该型腔尺寸较小、形状特殊,采用一般的机械加工方法难以实现,而且很难测量尺寸;若采用电火花加工,则电极需要侧向运动,受零件尺寸的限制,其侧向加工难度很大。基于以上分析,将模具设计成镶块式结构,即将端部的复杂型腔和难以成型的凸台型腔通过镶块与模体的组合实现。这样可以将不易操作的凸台型腔的内形加工转化为易于操作的外形加工,同时有利于整个零件的加工和测量

4.4侧抽芯机构的选择

若不设置抽芯机构,则在模具上会形成锋利的钢刃,由于制品左右两端直径的公差要求较高且有配合要求,如不设抽芯会在此处留下分型面的痕迹,影响配合的要求。故采用斜销分型抽芯机构来进行侧向抽芯。斜销分型抽芯机构的主要优点是可以借助机床开模力或推出力完成侧向抽芯。该机构结构简单、制造方便、动作可靠。脱模采用推杆脱模机构。

4.5模温调节系统设计

设计模温调节系统要注意减小动、定模镶块的温度差,要求模温波动不超过±2.5℃,既保证管道冷却水湍流状态的流速和流量,又要保证足够的水压。出入水的温差控制在5℃左右,冷却管道布置应均匀,管道回路为平面式,在镶块四周布置圆形冷却水道。管道加工后,用止水塞控制冷却液的流动,动、定模板内的水由动、定模板引入,并在动、定模镶块及模板上加工钩槽,安上O形密封圈来防止泄漏。

5模具工作过程

注射:塑料熔体经一级热射嘴33进人热流道板30,再经二级热射嘴31进入模具型腔。固化:熔体在型腔内填满后保压、冷却、固化。当固化至足够刚性后模具在注塑机拉动下开模。开模:(1)分型面I打开:在定距分型机构中弹簧59、尼龙塞62的作用下模具首先从分型面I处打开，打开距离为130mm，由小拉杆60控制;在这一过程中，T型扣拉块78拉动定模斜滑块69进行侧向抽芯，抽芯距离为246mm，S2和S完成侧向抽芯;(2)分型面II打开:接着模具再从分型面II处打开，打开距离为200mm，由注塑机控制;在这一过程中,塑件脱离定模型腔，同时，滑块3113553在斜导柱1164052的作用下进行侧向抽芯，抽芯距离为37mm，由斜导柱长度和限位块19控制。动模内侧斜抽芯:完成开模行程后，薄型液压油缸(中国台湾联镒)48启动，其活塞拉动T型槽拉块43进而拉动动模斜滑块42进行斜向抽芯。抽芯距离20mm，活塞移动距离为288mm，s完成侧向抽芯。塑件脱模:接着注塑机顶棍通过模具底板68上的K.O孔推动推件底板47,进而推动推杆172044，推块1323和36以及斜顶50一边将塑件推离动模型芯，一边完成So内侧抽芯。推件推动距离为120mm，由限位柱21控制。

结语

(1)该模具通过采用针点式热流道技术，尺寸精度达到了MT3级，成型周期由原来的40s降低至36s，既满足了大型塑件基板的成型质量要求，又提高了模具的劳动生产率;

(2)模具通过采用液压油缸斜向内侧抽芯技术，不但简化了动模结构，而且大大提高了模具侧向抽芯动作的稳定性和安全性;模具自放产以来，没有出现一起因侧向抽芯机构引起的故障;

(3)模具通过采用摆杆式先复位机构技术，有效保证了斜顶和滑块侧向抽芯机构回程的可靠和安全;

(4)该模具结构先进合理，自放产以来生产稳定，成型塑件各项质量指标都达到或超过了设计要求，是一个大型、复杂、精密和长寿命注塑模具设计的经典实例。

参考文献

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