疊層式注射模具設計與應用

1、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或多個層面上的，呈重疊式排列，即相當于是將多副模具疊放組合在一起。通常，注塑機與常規(guī)模具配合使用時，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計要點疊層式注射模具作為一種新型的

2、模具技術得到了不斷的發(fā)展，特別是與熱流道技術的結(jié)合，使它成為當今塑料模具發(fā)展的一項前沿技術。傳統(tǒng)的常規(guī)模具設計理論已經(jīng)不適用于疊層式注射模具設計，因此急需發(fā)展一套全新的模具設計理論以指導疊層式注射模具設計。下面將對疊層式注射模具的設計要點進行說明。2.1 注塑機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。當使用冷流道時，需要考慮澆注系統(tǒng)凝料所用的塑料量。當采用熱流道時，即實現(xiàn)無回頭凝料生產(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。所以，在校核注塑機最大注射量時要視具體情況而定。2.2 注塑機注射壓力注射壓力的校核主要是檢驗注射壓力能否滿足成型的需要。對于

3、疊層式注射模具，大多成型薄壁、投影面積大、流程長的塑件，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，相對疊層式冷流道模具來說，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，應根據(jù)各種塑料的注塑工藝，并結(jié)合計算機模擬流動分析來確定塑件的注射壓力，再與注塑機額定注射壓力比較。2.3 注塑機最大鎖模力疊層式注射模具的各層型腔以 “背靠背 ”設置，理論上能在鎖模力不增加的基礎上在同一臺注塑機上實現(xiàn)任意數(shù)量的疊層。但是，由于疊層式注射模具的中心主噴嘴及分流板增大了流動通

4、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，注射壓力相應增大，致使型腔壓力增大，故鎖模力有所增加，校核時按相同單層模具所需鎖模力增加10%15% 是比較安全的。2.4 注塑機開模行程疊層式注射模具在兩個層面分型開模并頂出塑件，當校核開模行程時，對于采用液壓 機械式鎖模機構(gòu)的注塑機，則不需考慮模具厚度。當疊層式注射模具上具有側(cè)向分型的抽芯機構(gòu)時，則需考慮抽芯距離的影響。如果采用相同傳動比的齒輪齒條或曲肘連桿開模裝置等同步開模機構(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一層的n 倍 (n 為疊層

5、式注射模具的層數(shù))。2.5 主噴嘴長度中心主噴嘴不能太長或太短，這樣模具閉合時，中心主噴嘴不會超出注塑機噴嘴在機座后退或前進的最大距離。由于中心主噴嘴要與模具的中間部分在分型時一起移動，所以應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，并易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，但對塑料品種有一定要求，而且熱流道系統(tǒng)價格昂貴。當采用冷流道時，塑件的成型質(zhì)量稍差，但模具加工容易，故成本較低。所以，用何種澆注系統(tǒng)應

6、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，疊層式注射模具設計時應保證各層型腔的溫度條件控制一致。對于疊層式熱流道注射模具，為減少熱流道系統(tǒng)由于熱傳導的熱量損失，應減少模具與熱流道板之間的接觸面積，并設置相應的隔熱墊塊。2.8 開模機構(gòu)為使塑件收縮一致，塑件在各型腔中的停留時間( 冷卻時間 ) 應當相等，故疊層式注射模具應當確保各層型腔的分型面同時開啟。齒輪齒條傳動機構(gòu)和機械式連桿機構(gòu)常作為疊層式注射模具的開模機構(gòu)，前者的技術性能較好，也較經(jīng)濟，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間，但結(jié)構(gòu)較大。2.9 脫模機構(gòu)根據(jù)冷卻時間等同要求，疊層式注射模具

7、應對各層型腔中的塑件同時頂出，采用彈簧或者高壓空氣的脫模機構(gòu)能夠達到這一要求。3 國內(nèi)外疊層式注射模具的發(fā)展與應用早在 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 國外疊層式注射模具的發(fā)展動態(tài)國外疊層式注射模具技術起步較早，發(fā)展相對成熟，知名的疊層模具公司有Tradesco、 Ferrom

8、atik Milacron 、Foboha 和 Engel 等。由于熱流道技術的應用在國外發(fā)展較快，所以熱流道疊層式注射模具技術在國外被廣泛使用。此外，發(fā)達國家在新型疊層式注射模具技術處于領先水平，最近發(fā)展起來的旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具技術拓寬了疊層式注射模具的應用能力。20 世紀6070 年代，國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)應用的疊層式注射模具。1980 年德國的Johnson T 設計了一款冷流道雙層注射模具。 1989 年 D.Gener 和 Wiesbaden-Delkheim 設計了一款熱流道雙層注射模具。 1992 年日本的確井裕雄和山本

9、國雄發(fā)明了一款熱噴嘴不對稱分布的熱流道疊層式注射模具，但合 理 的 流 道 設 計能 夠 控 制 模腔 內(nèi) 的 熔 體 達 到 流 動 平 衡 。 后 來 ， 德 國的W.Homes ，Bensheim， J. Li ， H. Hagelstein ，日本的新出毅分別設計了不同結(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裝置，控制閥針的開閉運動。1991 年 Tradesco 模具公司的Rozema H 設計了一款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上，延伸熱流道，并增加一套中間部分使成型層數(shù)擴展到4 層，使生產(chǎn)率提高了4 倍。但并不是所有的注

10、塑機都能達到4 倍的工作量，2000 年加拿大的Olaru George 和 Dewarm Neil 發(fā)明了一種分配熔體的裝置，克服了注塑機開模行程不足、注射量不夠的缺點，成功地應用到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、動模板和定模板組成，中心模板可以有2 個或 4 個面，當模具打開時可旋轉(zhuǎn)90°或者 180°。如由 Engel 公司開發(fā)的一種旋轉(zhuǎn)模板設計，其中心模板有2 個面，每個周期旋轉(zhuǎn)180°。德國的 Keusgen H. 設計了

11、一款旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具。而由FerromatikMilacron歐洲公司與德國模具制造商Foboha 公司合作開發(fā)的旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具有一個4 個面的中心模板，每周期旋轉(zhuǎn)90°。如 Foboha 公司申請專利的帶有 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1.75 ×108 件。丹麥的Gram 技術公司設計的旋轉(zhuǎn)疊層式注射模具具有多達4 個邊挨著邊的小的中心疊層結(jié)構(gòu)，各自又有 4 個面，并且每一周期可旋轉(zhuǎn)90°。3.2 國內(nèi)疊層式注射模具的發(fā)展動態(tài)直到

12、 20 世紀 80 年代末，疊層式注射模具技術才逐漸傳入我國模具行業(yè)，因此我國疊層式注射模具技術起步較晚，生產(chǎn)中采用熱流道疊層式注射模具所占的比例較少，在設計和應用上與國外先進疊式模具技術存在一定的差距，甚至在一些技術領域 ( 如旋轉(zhuǎn)疊式注射模具 )仍處于空白。所以，面對激烈的市場競爭，我國必須盡快提高疊層式注射模具技術，在國際市場中掌握主動性，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)澆口進料的雙層型腔注射模具的結(jié)構(gòu)設計。1992 年常州輕工業(yè)學校的卜建新介紹了一種側(cè)澆口和點澆口并用的雙層型腔注射模具。1995 年乙清設計一種特殊的雙層注射模具。1997 年李樹、

13、揣成智把熱流道繞過中心從模具邊緣將塑料熔體傳送到流道板，設計了一款生產(chǎn)汽車門窗密封條的雙層熱流道注射模具。1999 年浙江偉星集團的王曰興設計了一款高效哈夫式雙層注射模具，共用一對哈夫滑塊，模具結(jié)構(gòu)簡單，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計了一種直角進澆熱流道疊層式注射模具。2007 年沈洪雷等人設計了一款光碟支架熱流道疊層模具2008 年王振保等人將CAE 技術應用到疊層式注射模具設計中，利用Moldflow分析軟件，通過對

14、塑料填充、保壓和冷卻過程的模擬分析，對空調(diào)面板疊層式模具的成型過程進行動態(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，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，設計了一款球形攝像頭內(nèi)側(cè)支架疊式熱流道注射模具，并從設計過程中遇到的問題提出了對疊式模具元件的標準化要求。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)揮注塑機的能力，節(jié)省人力和設備資源，極大地提高生產(chǎn)效率。雖然疊層式注射模具在設計和加工方面成本較高，但是如果能在以下幾個方面加以改進，則可以大幅度地降低模具成本，擴大其應用范圍：(1)完善疊層式注射模具的設計理論，縮短研發(fā)周期。(2)延長一些核心元件(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備配套。(4)借助 CAD