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一款背包塑料扣模具的設計與加工

2021-4-27 來源：廣東東莞理工學校作者：陳瑞兵

摘要 : 本文根據該背包塑料扣的結構特點與生產要求，較為詳細地介紹了塑件的成型工藝方案 ; 包含塑件的工藝分析、型腔排布、分型面的選擇、模仁的加工方法及參數分析。同時探討如何有效降低成本和縮短生產周期。

關鍵詞 : 分析、分型、鑲塊、參數

1.引言

隨著模具行業的發展，市場競爭日趨激烈。縮短模具的生產周期并降低生產成本已經成為每個加工企業的追求目標。背包塑料扣由六個小塑料件組成，如果把每件分開制作，就需要六套模具才能完成，既加大了生產成本和生產周期，也達不到客戶的要求。故采用六件一套模的方式加工。

圖 1 產品三維裝配圖

1. 塑件面蓋 2. 連接件 3. 基座 4.插銷 5. 固定插件 6. 固板

2.塑件工藝分析

塑件結構及裝配情況如圖 1 所示，材料是 ABS，收縮率為 5‰ 。因六個塑件有裝配關系，故外表面要求光滑平整，不得有扭曲、飛邊、毛刺、氣泡、缺膠等注射成型缺陷 ; 這樣就增加了以下設計及加工難度。 1) 塑件形狀各異、大小不一，且有許多通孔，這樣就要考慮塑件在模具中如何合理分布。固定插件和連接件組合后插入基座內，如圖 2（a）所示。

圖 2 組合裝配示意圖

2) 因為固板和插銷都要從兩個不同方向插入基座配合，基座兩邊的孔設計方式如圖 2（b）所示，采用前模碰穿后模加鑲件的機構。由于基座側面是固定塑件的兩個插穿孔，必須設計滑塊機構 ; 設計制作滑塊時，要考慮滑塊脫離塑件后塑件對滑塊的包緊力是否過大，會否造成塑件變形、損傷等情況。因插穿孔是扁平型，并且是出兩件產品，出于節省材料并降低加工及裝配難度考慮，把滑塊拆分為兩個部分，前面插入模芯部分以螺絲固定。這樣在加工及裝配過程中，只要保證兩部分各自相配合便能達到要求。

3.塑件排布與分型

3.1 型腔排布

根據產品要求對模具的結構綜合考慮后，選擇模仁鋼材為 718，該鋼材硬度為 HRC57-60，經過熱處理后氮化層具有組織致密、光滑等特點，模具的脫模性及抗腐蝕性能高，使用壽命可達到 100 萬次以上。設計尺寸為 260*170mm，采用 6 模 2 腔來排布，如圖 3 所示。

圖 3

模具的型腔數目確定后，接著便設計型腔的布局。主流道設于前模的中心軸上，至于分流道出于多方面考慮應該滿足如下要求 : 盡量保證各型腔的充模壓力相近，充模時間大致相同，并且能均勻補料，這樣才能保證塑件的尺寸及形狀精度，同時也能保證其力學性能。故采用以上排布方式，既解決了充模問題，又可優化模具結構。

3.2 塑件分型

根據塑件幾何形狀等特點，開模時盡量使塑件留在后模，有利于側面分型和抽芯。該模具采用 UG 模具設計軟件進行分型，首先做好分型面然后用抽取幾何體這個功能，選擇區域的方式把整個前模和后模的面提取出來 ; 接著再跟分型面結合成一個整塊的片體，用該片體去切割鑲塊實體便得到前、后模仁 ; 具體如圖 4 所示。根據型腔排布確定模具的前、后模非常重要，因為其決定了型腔的朝向、進料方式、進料位置、擺放位置等塑料模具的設計要點。選擇前后模可采取如下原則，產品外觀要求很高的一般作為前模，反之則作為后模。經分析對六件塑件采用以上最合理的分型方式最便于后期加工。

圖 4

4.型腔與型芯制作

分型完成后型腔與型芯是一個整體，由于固定插件的分型面有斜面和角度，如果采用 CNC 直接加工則要設計多個銅公進行清角，這樣在材料的的選用上就加大了成本，同時也加大了工期，故采用拆分型芯方式。分拆后用線切割進行加工，為了節省材料、縮短加工時間及維護方便，把前后模各分拆成三塊，這樣就要解決以下難點。 1) 前后模的分型面采用分拆方式加工，加工時要采取合適的加工工藝。 2) 多處的分型面設計采用了前后模碰穿結構，在前后模型芯上形成了多個凸凹臺，加工較為困難。3) 加工時前后模型芯前部缺口處很難進行清角，可采用小直徑刀具，盡可能清除加工余量。加工完畢后，可進行人工打磨或設計小銅公進行清角。4) 模具型腔中間的臺階孔碰穿位在前后模型腔中形成了多個孤島，孤島和前模型腔直角相交，很難清角加工，這里采用了線切割鑲件加工。

表 1 前模加工參數

表 2 線切割加工參數

5) 前模要設計多個銅公進行清角，為節約成本，各款銅公只設計加工了一個銅公（精公），這樣前模型腔的精加工余量盡可能小，以減少銅公的損耗，如圖 5 所示。

圖 5

4.1 前模型腔加工

首先使用普通銑床和磨床加工兩塊 130*85*40mm 鋼料，分別用于圖 5（a）和圖 5（b），再加工一塊 260*85mm 為圖 5(c) 使用。圖 5（a）為專用塑膠扣的中心面蓋，上面有兩個倒扣，一般需要做斜頂才能完成。這里采用更合理的插入式脫模斜度方式加工。如圖 5（a）所示 4 個方形柱子，用來插入后模，三面都要封膠，所以這里的加工精度要求較高，加工時要留 0.1mm 的余量做配模時用。倒扣留在后模型芯用電極來加工完成。使用 MasterCAM 來編程，用數控銑或加工中心進行加工，用 Φ16R0.8 鑲方合金刀粒圓鼻刀，進給率 1200mm/min，下刀速率 500mm/min，抬刀速率 3000mm/min，主軸轉速 S=2000 轉 / 分。用 3D 曲面挖槽刀路對前模型腔曲面進行粗加工。采用相對尺寸，最小加工深度和最大加工深度都設置成 0.2mm，加工余量為 0.3mm; 采用螺旋下刀，下刀處為前模型腔的中心，切削方式選擇環繞方式 ; 加工完成后需要做電極加工。

圖 6

圖 5（b）固定插件前模同樣采用如上方法，用 Φ16R0.8 鑲方合金刀粒圓鼻刀粗加工，再用 Φ12R6 鑲球頭合金刀粒圓鼻刀（球飛刀）進行精加工完成。（也可使用線切割加工分型面）后用 Φ4 銑刀對型腔開粗，單邊留 0.3 余量。具體加工參數如表 1 所示。圖 5（c）基座前模，先鉆線切割孔，再用 Φ6 銑刀對型腔進行粗加工，單邊留 0.3mm 余量。型腔要做多個電極和線切割鑲件切割加工，如圖 6 所示。圖 6（a）為線切割加工的關鍵尺寸標注，所有需要線切割加工的位置先用鉆床或銑床鉆孔，以作線切割穿絲孔用。切割孔位數量與鑲件數相同，采用線切割四邊分中加工，按所示尺寸加工型腔與型芯，要求加工完成后的鑲件與型腔、型芯孔的配合為過盈配合，公差范圍為 0.01~0.02mm。圖 6（b）為線切割所需鑲塊數量，①號處是后模插穿位置鑲件，共 4 件 ; ②號是后模插穿位置鑲件，共 2 件 ; ③號處是后模基座插穿位置鑲件，共 2 件 ; ④號處是前模插穿位置鑲件，共 4件;⑤號處是前模基座插穿位置鑲件，共4件;⑥ 號處是前模基座插穿位置鑲件，共 2 件。具體線切割加工參數如表 2 所示。線切割加工難點是鑲件的表面光潔度要求高，這樣加工時參數的選擇就要求合理。在功力管、脈沖寬度和間隔之間要根據機床當時的情況而定，適時調整。圖 6（a）型芯上總共分布四件產品，較為復雜的是塑料扣基座，其包含有滑塊和插穿，其三件則比較簡單。

4.2 后模型芯加工

先用普通銑床和磨床加工兩塊 130*85*35mm 鋼料，分別用于圖 7（a）和圖 7（b），再加工一塊 260*85mm 圖 7（c）使用。當然前、后模仁鋼料一般是一起加工好的，只是鋼料的厚度不一而已。圖 7（a）后模仁先采用數控銑加工，采用 Φ12 R0.8 鑲方合金刀粒圓鼻刀粗加工，再用Φ12R6 鑲球頭合金刀粒圓鼻刀進行精加工。由于倒扣出在后模，插穿孔要和前模方柱碰穿，精度要求較高，加工有一定的難度。其工序為先用 Φ4 合金刀開粗，單邊留 0.3mm 余量，再做電極用火花機加工后進行人工打磨即可達到加工要求。由于倒扣膠位出在碰穿位下方，直徑小的刀具無法加工，故要做兩個電極加工 : 一個粗銅公單邊留 0.2mm 余量，一個精銅公留 0.08mm 余量，分別進行電火花加工。具體后模加工參數如表 3 所示。圖 7（b）后模型芯中間有兩處要插入前模中，同前模型腔加工基本相同。先用 Φ16R0.8 鑲方合金刀粒圓鼻刀，進給率 1200mm/min，下刀速率 500mm/min，抬刀速率 3000mm/min，主軸轉速 S=2000 轉 / 分。用 3D 曲面挖槽刀路對前模型腔曲面粗加工。采用相對尺寸，最小加工深度和最大加工深度都設置成 0.2mm。加工余量 0.3mm。采用螺旋下刀，在前模型腔的中間下刀，切削方式選擇環繞方式。粗加工后再用 Φ12R6 鑲球頭合金刀粒圓鼻刀進行平行銑削精加工 ; 最后用 Φ6 平底刀進行塑件膠位的粗加工，加工余量 0.3mm，完成后需要做電極加工。圖 7（c）后模型芯上有四個塑件產品，最難加工的部件是塑件基座，首先采用線切割加工凸出區域，如果整體式加工，CNC 加工的工作量就很大，模仁材料也要加厚購買，清角比較麻煩，且尖角過多也不便于加工，如果用多個電極清角則增加了加工成本和時間，所以考慮采用線切割方式加工該藍色區域。用 Φ10 合金刀 3D 曲面挖槽刀路對前模型腔曲面粗加工，接著用 Φ4 平底刀等高外形清角粗加工，后續用 Φ6R3 合金球刀進行平行銑削精加工，留余量 0.3 mm 做電極加工。因鑲件上有臺階要加工，故電火花加工完成后，裝上鑲件再進行臺階加工，且臺階處也要做電極清角。