注塑成型模具在高精密連接器加工中的應(yīng)用

朱欽奇

（深圳市精確科技有限公司，廣東深圳 518000）

1 注塑成型模具概述

1.1 方法及特征

將塑料材料熔融，然后把它注入到模具中的工藝為熱塑性注塑。當(dāng)熔融的塑料進(jìn)入到模具中時，溫度會下降，模腔的形狀也會成型，這就是成品。在沒有特別的需求或者在裝配之前沒有任何附加的處理，注塑成型的外形往往是最后的成品。在精密注塑成型中，要得到高精度的塑膠制品，其關(guān)鍵在于模具的精度、形狀和產(chǎn)品的大小。即使模具的大小和精確度達(dá)到了要求，但塑料制品的收縮率也會有差異。所以，對精密注塑工藝進(jìn)行嚴(yán)格的收縮控制很有必要。通過注塑制品的精確度，也就是產(chǎn)品的形狀、尺寸和表面粗糙度的公差，可以判定其精確度。精密注塑成型包括很多因素，包括注塑模具、注塑設(shè)備、注塑工藝和塑膠原料。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，首先要對原材料的特性進(jìn)行判斷，再根據(jù)所選用的塑膠原料及其他要求，選用適當(dāng)?shù)淖⑺軝C(jī)，同時還要考慮到工藝中的溫度、濕度等因素。

1.2 技術(shù)原理

橡膠注塑法具有縮短成型時間、簡化工序、提高生產(chǎn)率、降低勞動強度、提高產(chǎn)品質(zhì)量等特點。在壓力下，將熔融的塑料注塑到模具中，然后冷卻，制成所需要的塑膠零件，即所謂的塑膠注塑工藝。由以上所述的成型工藝所獲得的成品，基本上是最后的成品，無需再進(jìn)行任何加工，即可在注塑成型過程中一次性完成大量的零件。注塑模包括兩大類：一種是運動型，一種是靜止型。由于該模具是在注塑成型機(jī)上的固定模板上固定的。在注塑式機(jī)動模架上安裝的模具叫做動模，它是活動式的。在注塑機(jī)工作時，動模會向固定模具靠攏，使模具與模具結(jié)合，從而形成一個澆鑄體系和模具。在開模過程中，將固定模和運動模分開，推出機(jī)構(gòu)將成型的零件從模腔中推出，從而實現(xiàn)了成型零件的脫模和再加工。

1.3 工藝技術(shù)

（1）注塑成型工藝要求對噴嘴溫度、模具溫度、筒體溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制。噴管溫度和料管溫度對塑料的塑化率有很大的影響，而噴管溫度對塑料的冷卻和流動有很大的影響。同一類型的塑料，由于其牌號、原料的不同，其降解溫度和流速也會有所不同，原因在于分子量和分子量分布的差異。通常情況下，為了防止溶液"流涎"，料筒的最高溫度應(yīng)稍高于噴口的溫度。

（2）注塑階段是指注塑工藝完成后所需要的時間。成型周期直接關(guān)系到設(shè)備的使用效率和勞動生產(chǎn)率，所以在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡可能縮短成型周期。在成型過程中，冷卻和注入時間是非常關(guān)鍵的，它直接關(guān)系到制品的質(zhì)量。注入時間與填充速度成正比，通常為3～5 s。

（3）在采用螺旋注塑成型機(jī)時，螺桿旋轉(zhuǎn)時，螺桿上部所受的壓力叫做塑化壓力，又稱后壓。這個壓力值可以由一個減壓閥調(diào)節(jié)。在注塑工藝中，螺桿轉(zhuǎn)速對塑化壓力影響不大，但塑化壓力越大，塑化速率越低，塑化溫度越高。提高塑化壓力可以提高熔體的溫度，使著色劑的均勻混合，并將氣體從熔體中排出。一般情況下，塑化壓力應(yīng)該盡量小，以確保制品的品質(zhì)。但是，塑化壓力的大小取決于塑料的類型，但通常不會大于20 kg/cm。

2 高精密連接器加工中注塑成型品質(zhì)影響因素分析

精密注塑，就是要求塑料產(chǎn)品在一定的尺寸偏差范圍內(nèi)成型，具有很好的可重現(xiàn)性，而且不受注塑機(jī)、工程塑料和注塑過程的模壓條件的影響。隨著聚合物材料的迅速發(fā)展，塑料可以取代高精度的金屬部件。精密注塑技術(shù)仍以塑膠充填模頭，盡管與一般注塑工藝有很大差異，但塑膠產(chǎn)品與金屬產(chǎn)品在原料和成型方法上存在著本質(zhì)的差異，無法將塑膠產(chǎn)品與其取代的金屬零件相提并論。決定精密注塑成型的關(guān)鍵在于注塑成型產(chǎn)品的尺寸公差、形狀公差、表面粗糙度。精密注塑成型需要滿足很多相關(guān)的要求，其中四大要素是：塑料、注塑板、注塑工藝、注塑設(shè)備。在進(jìn)行塑料產(chǎn)品的設(shè)計時，應(yīng)該優(yōu)先選用工程塑料。高機(jī)械強度、穩(wěn)定尺寸、抗熱震性和廣泛應(yīng)用環(huán)境的工程塑料，是精密注塑成型所必需的。注塑機(jī)的選用要考慮到所選的塑料材料、成品的尺寸精度、重量和質(zhì)量的需求，還有模具的構(gòu)造。影響注塑成型精度的諸多因素，包括模具精度、注塑收縮、周圍環(huán)境溫度、濕度等。

在精密注塑工藝中，模具是實現(xiàn)高精度注塑產(chǎn)品的關(guān)鍵。精密注塑模具應(yīng)滿足尺寸、精度、形狀、強度、剛度等方面的要求。但是，盡管模具具有同樣的精確度和大小，但因收縮速率的差異，所形成的塑件的真實大小也會有差異。所以，對注塑工藝中的收縮進(jìn)行有效控制是十分必要的。

由于模腔的大小是根據(jù)塑件的大小和所估算的收縮率而得到的，而收縮是塑料制造商或工程塑料說明書中建議的數(shù)值，它不但與澆口的形狀、澆口位置和位置有關(guān)，而且與工程塑料的結(jié)晶方向（各向異性）有關(guān)。熱收縮、相變收縮、壓縮收縮和彈性恢復(fù)四大因素是影響收縮的重要因素。四個因素對注塑收縮的影響與注塑制品的成型工藝和工藝條件密切相關(guān)。在模具設(shè)計中，應(yīng)充分考慮四大要素與注塑工藝的關(guān)系：注塑壓力和模壓與注塑成型速度、注塑溫度、鑄模溫度、鑄模結(jié)構(gòu)和澆口形狀和分布與澆口橫面積、制品壁厚、塑料材料中加強填料的比例、塑料材料的結(jié)晶性和方向有關(guān)。塑料材料、成型條件等其他方面如溫度、濕度、持續(xù)結(jié)晶、成型后的內(nèi)應(yīng)力和注塑機(jī)等都會對以上因素產(chǎn)生影響。

在實際的工程應(yīng)用過程中，注塑成型模具按設(shè)計圖紙制作，將大量的塑膠制品嵌入到一個標(biāo)準(zhǔn)的型腔。注塑過程包括：合模，澆注，保壓，冷卻，開模，脫模和取出零件。在此工藝中，澆注與冷卻是關(guān)鍵。在常規(guī)的冷卻方式下，模具周期、翹曲性能、機(jī)械性能、尺寸精度等都會產(chǎn)生一定的影響。大量的研究與生產(chǎn)實踐證明，在注塑成型工藝中，有60%以上的問題是由于冷卻系統(tǒng)的設(shè)計而造成的。澆口位置對鑄件澆注系統(tǒng)的影響很大，澆口的選擇與設(shè)計不能滿足鑄件的需要，會造成鑄件的成型缺陷。

3 高精密連接器加工中注塑成型工藝優(yōu)化與改進(jìn)

3.1 控制成型收縮率的有效措施

在不同的注塑壓力下，收縮速率會發(fā)生變化，因此，在單腔模具中，應(yīng)盡量保證內(nèi)部壓力的均勻性。對于單腔多閥或多腔多閥，為了保證模腔內(nèi)的壓力均勻，需要注入同樣的注入壓力。為了達(dá)到這個目的，澆口位置一定要保證。為保證模腔內(nèi)部具有均勻的壓力，最好的辦法是在澆口保持恒定的壓力。閘門上的壓力均勻程度取決于通道內(nèi)的流阻。所以，在達(dá)到平衡澆口前，必須達(dá)到平衡。在精密注塑模的型腔設(shè)計中，為了方便地決定成形條件，應(yīng)考慮到熔體溫度和模溫對實際收縮率的影響。由于熔化的塑料將熱量引入到鑄模中，其溫度梯度的分布主要集中在凹槽周圍，并形成一個同心圓。為此，應(yīng)采用流道均衡、型腔排列及以主流道為中心的同心圓排列，以減小型腔間的收縮誤差，增大成形條件容許范圍，降低生產(chǎn)成本。精密注塑模的模腔布置既要達(dá)到流道均勻，又要以主流道為中心的布置，又要以主流道為對稱，若不以主流道為對稱，則會導(dǎo)致不同型腔的收縮程度不同。

3.2 避免產(chǎn)生尺寸誤差的有效措施

在注塑和鎖定力的影響下，模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計要充分考慮到內(nèi)腔部件的研磨、碾壓和拋光。雖然模腔和型芯的加工精度較高，收縮率達(dá)到了預(yù)定值，但是成形時存在著中心偏差，使成形制品的內(nèi)外尺寸難以達(dá)到設(shè)計要求。為保證分模面動、定模腔的尺寸精度，應(yīng)在導(dǎo)柱、導(dǎo)套定心的基礎(chǔ)上，增設(shè)圓錐、楔塊等定位對齊，以確保其精確、可靠。制造精密模具所用的材質(zhì)應(yīng)該是高強度、低熱蠕變的合金工具鋼，而用來制造模腔和澆口的材料要選用高硬度、高耐磨性、高耐蝕性、高強度熱處理、不會發(fā)生熱變形的材料。在設(shè)計模具時，應(yīng)對降低模具材料熱處理過程中殘留的奧氏體組織進(jìn)行回火或低溫處理，以避免出現(xiàn)老化及影響模具尺寸精度。

3.3 避免模具變形的有效措施

精密注塑成型模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計除了要達(dá)到強度指標(biāo)外，還要考慮到足夠的剛度，因此，模具的頂桿孔徑要小于傳統(tǒng)的模具，模腔數(shù)目不能太多，而且要有底板和墊板。如果沒有足夠的壓力，模具壓力過大，模具會發(fā)生很大的彈性變形，從而影響到模具的尺寸精度和外形的公差，嚴(yán)重的話，會在模具的分型面和凹槽中泄漏，造成局部的塑性變形。

設(shè)計時，應(yīng)保證注塑成型制品在冷卻狀態(tài)下易于擠出及脫模。這是由于精密注塑制品的體積較小，壁薄，形狀復(fù)雜。注塑制品具有較高的黏合能力和較低的收縮能力，與流道式澆口和模腔表面具有較好的黏合性能。所以，在設(shè)計模具時，要特別注意把注塑件放在頂出邊（通常是動模）：采用頂桿頂出時，應(yīng)注意頂出件的數(shù)目及位置。對于薄壁型的注塑制品，為了避免頂桿的變形，應(yīng)盡可能地采用卸料板。此外，還可以采用模板和模芯進(jìn)行表面處理，并在模板和模芯上涂一層固體自潤滑的涂料，從而降低模具的脫模力，避免模具的變形。對于精密注塑模，應(yīng)盡可能減少模腔數(shù)量，減少流動通道。這樣既便于生產(chǎn)，又便于脫模。在設(shè)計模具時，必須注意到熔體流動均衡和均勻的壓力梯度。在模腔的脫模方向上，應(yīng)盡量選擇最少的脫模力（即黏附力、靜摩擦力、收縮包覆力的最小合力）。如果需要，可以使用容易拋光的分片式結(jié)構(gòu)。

4 汽車高精密連接器加工案例分析

4.1 連接器結(jié)構(gòu)分析

圖1是本文案例連接器的外觀示意圖。該塑料零件尺寸為18 mm×12 mm×19 mm，最大壁厚1 mm，最小壁厚0.4 mm，外形呈長方形，不帶側(cè)抽芯。品質(zhì)要求：表面平整，無銀絲，氣泡，內(nèi)應(yīng)力，劃痕，油污等；中間小孔需要在剝離后，將銅線順利插入，不留盲孔。

圖1 連接器外觀示意圖

塑件尺寸精度為4級，采用的注塑材料ABS 具有高硬度、抗疲勞、抗應(yīng)力裂紋、高沖擊強度、易成形等特點，但ABS 材料本身就具有吸濕特性，因此在成形之前必須進(jìn)行烘干，在此過程中，維持80～85 ℃、時長為2～3 h。在形成過程中，采用壓力注入和低流體阻力的澆注體系是可取的。

4.2 注塑澆口位置的選擇

澆口與成形零件直接連接，具有調(diào)整與控制物料流速、補料時間、防回流等功能。所以，澆口的位置與成型件的品質(zhì)相關(guān)。Moldflow 的MPI/澆口定位模塊能夠在模具設(shè)計中對澆注位置進(jìn)行自動分析。在實踐中，由于模具的構(gòu)造與制作，在此地區(qū)進(jìn)行模具的制作將會有一定的難度。在此模具中，使用了一種浸入式澆口，其作用類似于一條通道，通過傾斜的角度將塑料熔融物引入到模腔內(nèi)，在開模過程中，可以自動關(guān)閉鑄件。

4.3 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

八腔模具中的空腔板尺寸較大，因此在冷卻時，主要采用循環(huán)冷卻的方法。由于可移動的零件中含有大量的芯體，加上螺釘、導(dǎo)柱、定位塊等零件，因此可移動零件的排列十分緊密。模具體積小、壁薄、模具固定部位的冷卻通道基本可以達(dá)到設(shè)計要求。

4.4 成型零件結(jié)構(gòu)設(shè)計

若成形件內(nèi)徑較小，模心與模心間距亦不大，則不易進(jìn)行模具加工。將型芯分為若干個部分，就可以分別進(jìn)行加工，并進(jìn)行組合，從而降低了模具制造的困難。模腔是整體的。因為模腔中嵌入了型芯，為了確保模具的精確性，應(yīng)該使用線切削（最好是慢速）來加工。

4.5 模具結(jié)構(gòu)

在打開模頭時，模子向后縮，模制的部件在兩個芯子的夾緊作用下從模子中脫出，而固定在芯子固定板上的拉桿將凝結(jié)水抽出并從主流道中排出。在開啟模具時，推板通過排出機(jī)構(gòu)將部件緩慢地從型芯嵌入件中推出，同時，在排出機(jī)構(gòu)向前運動時，推板和與其固定的推板一起推動澆口。在模具閉合后，推板被壓回到原來的位置，推桿和推板也隨之調(diào)整。

5 結(jié)束語

精密注塑成型技術(shù)是精密連接器加工中的重要核心技術(shù)，準(zhǔn)確的注塑成型模具是實現(xiàn)高精度注塑成型的基礎(chǔ)和先決條件。通過對模具的尺寸和容差的合理選擇、技術(shù)上的控制，避免注塑變形、脫模變形、溢邊和保持模具的精確度。