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      1. 復合法攝像頭非球面鏡片注射模設計

        復合法攝像頭非球面鏡片注射模設計

        廣州斗龍光學科技有限公司(http://www.looneydoodle.com)非球面透鏡生產工廠

        高飛

        北京工商大學 100089

        摘要】塑料工業是當今世界上增長最快的工業門類之一,而注塑模具是其中發展較快的種類,因此,研究注塑模具對了解塑料產品的生產過程和提高產品質量有很大意義。本設計介紹了復合法非球面鏡片模具的設計以及注射成型的基本原理,特別是單分型面注射模具的結構與工作原理,對注塑產品提出了基本的設計原則。

        【關鍵詞】:塑料模具;非球面 ;設計;注塑模具CAD/CAM

        1、引言

        模具產品是工業產品制造的基礎,模具技術已成為衡量一個國家產品制造水平的重要標志之一。西方發達國家為了適應工業產品品種多、更新快、市場競爭激烈的局面,加強了對生產周期短、精度高、壽命長、成本低的模具產品的研究和開發,近十多年來,國外先進國家的模具技術水平得到了飛速發展。然而非球面光學零件是一種非常重要的光學零件,常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡等。非球面光學零件可以獲得球面光學零件無可比擬的良好的成像質量,在光學系統中能夠很好的矯正多種像差,改善成像質量,提高系統鑒別能力,它能以一個或幾個非球面零件代替多個球面零件,從而簡化儀器結構,降低成本并有效的減輕儀器重量。非球面光學零件在軍用和民用光電產品上的應用也很廣泛,如在攝影鏡頭和取景器、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放影鏡頭、衛星紅外望遠鏡、錄像機鏡頭、錄像和錄音光盤讀出頭、條形碼讀出頭、光纖通信的光纖接頭、醫療儀器等中。

        2、非球面鏡片的結構及成型工藝設計

        通常,選擇塑件的材料依據是它所處在的工作環境及使用性能的要求,以及原材料廠家提供的材料性能數據。對于常溫工作狀態下的結構件來說,要考慮的主要是材料的力學性能,如屈服應力,彈性模量,彎曲強度,表面硬度等。該塑件對材料的要求首先必須是透光性好,其次才是成型難易和經濟性問題。

        該塑件材料選用聚碳酸酯,英文名稱PolyCarbonate,簡稱PC,是產量僅次尼龍居第二位的工程塑料。

        1)分析塑件的結構工藝性

        表面質量是一個相當大的概念,包括微觀的幾何形狀和表面層的物理-力學性質兩方面技術指標,而不是單純的表面粗糙度問題。塑件的表觀缺陷是其特有的質量指標,包括缺料,溢料與飛邊,凹陷與縮癟,氣孔,翹曲等。模具的腔壁表面粗糙度是塑件表面粗糙度的決定性因素,通常要比塑件高出一個等級。該塑件要求對型腔拋光,所以對粗糙度的要求比較高故選一般精度等級: 5級。

        2)工藝性分析

        為了滿足制品表面光滑的要求與提高成型效率采用側澆口。該澆口的分流道位于模具的分型面上,而澆口開設在模具的型腔處,塑件外表面因澆口痕跡而影響塑件的表面質量與美觀效果程度較小。

           通??刂屏蠝卦?50-310℃,壓力500-800KG/ ,模溫在85-120℃之間,噴嘴部分應有大的噴口和短的平直部分,噴嘴溫度應于料筒前部溫度相等或略低10℃左右。為了消除制品內應力,可在100-130℃內退火時間為1-2時間/1MM。干燥溫度在100-120℃之間,時間6小時以上。

        2、澆注系統以及成型零部件的設計  

        2.1主流道的設計   

        圖4.1   主流道示意圖

        2.2分流道設計

        分流道是主流道與澆口之間的通道,一般開設在分型面上,起分流和轉向作用,分流道的長度取決于模具型腔的總體布置和澆口位置,分流道的設計應盡可能短,以減少壓力損失,熱量損失和流道凝料。常用分流道斷面尺寸推薦如表4-1所示。

        表2-1流道斷面尺寸推薦值

        塑料名稱

        分流道斷面直徑mm

        塑料名稱

        分流道斷面直徑     mm

        ABS,AS            

        聚乙烯

        尼龍類

        聚甲醛

        丙烯酸

        抗沖擊丙烯酸

        醋酸纖維素

        聚丙烯

        異質同晶體

            4.8~9.5

            1.6~9.5

            1.6~9.5

            3.5~10

            8~10

            8~12.5

            5~10

            5~10

            8~10

        聚苯乙烯

        軟聚氯乙烯

        硬聚氯乙烯

        聚氨酯

        熱塑性聚酯

        聚苯醚

        聚砜

        離子聚合物

        聚苯硫醚

            3.5~10

            3.5~10

            6.5~16

            6.5~8.0

            3.5~8.0

            6.5~10

            6.5~10

            2.4~10

            6.5~13

            分流道的斷面形狀有圓形,矩形,梯形,U形和六角形。要減少流道內的壓力損失,希望流道的截面積大,表面積小,以減小傳熱損失,因此,可以用流道的截面積與周長的比值來表示流道的效率,其中圓形和正方形的效率最高,但正方形的流道凝料脫模困難,所以一般是制成梯形流道。在該模具上取圓形斷面形狀,直徑為6mm。

        圖2.2 分流道分布示意圖

        2.3分型面的選擇設計原則

        其分型面如圖2.3

        圖2.3 分型面示意圖

        2.4澆口的設計

        澆口設計如圖2.4

                         圖4.4 澆口的示意圖

        3、確定主要零件結構尺寸、成型零部件的設計

        3.1型腔、型芯工作尺寸計算

            本模具采用一模六腔,PC塑料的收縮率是0.4%--0.7%

            平均收縮率:      =(0.4%--0.7%)/2=0.55%  

            型腔內徑:      =44.61mm

            型腔深度:      =5.73mm

            型芯外徑:      =38.79mm

            型芯深度:       =3.72mm

            型腔徑向尺寸(mm );- 塑件外形基本尺寸(mm);

            -塑件平均收縮率;-塑件公差

            -成形零件制造公差,一般取1/4—1/6;-塑件內形基本尺寸( mm);

            -型芯徑向尺寸(mm);-型腔深度(mm);

            -塑件高度(mm);-型芯高度(mm);-塑件孔深基本尺寸(mm);

        3.2型腔壁厚和底版厚度計算

            在注塑成型過程中,型腔主要承受塑料熔體的壓力,因此模具型腔應該具有足夠的強度和剛度。如果型腔壁厚和底版的厚度不夠,當型腔中產生的內應力超過型腔材料本身的許用應力[]時,型腔將導致塑性變形,甚至開裂。與此同時,若剛度不足將導致過大的彈性變形,從而產生型腔向外膨脹或溢料間隙。因此,有必要對型腔進行強度和剛度的計算,尤其對重要的,精度要求高的大型塑件的型腔,不能僅憑經驗確定。

            根據大型模具按剛度條件設計,按強度校核;小型模具按強度條件設計,按剛度校核原則:模具結構形式如圖3.1所示。

        1)側壁厚度計算公式:

                            S()       

                             =()                      

                             =20.91 mm                     圖3.1 模具的結構形式

        式中   C—與型腔深度對型腔側壁長邊邊長之比h/L有關的系數;查表C=1;                                                

               ——型腔壓力,取30MP;    ——型腔深度,=5.73;

               E——模具材料的彈性模量(MP),E取2.1×10;

               []——剛度條件,即允許變形量(mm),取[]=0.04;

        2)底板厚度計算公式:

                                                            

                                    =21.02  mm

            ——由底板短邊與長邊邊長之比決定的系數;查表=0.026;

            ——型腔壓力,取30MP;

            ——底版短邊長度(mm),=180;E——模具材料的彈性模量(MP),E取2.1×10;

            []——剛度條件,即允許變形量(mm),取[]=0.04;

        4、導向機構的設計

        4.1導柱的設計

            (1)長度   

        導柱導向部分的長度應比凸模端面的高度高出8—12 cm,以免出現導柱末導正方向而型芯先進入型腔的情況。

        (2)形狀  

        導柱前端應做成錐臺形,以使導柱能順利地進入導向孔。

            (3)材料   導柱應具有硬而耐磨的表面和堅韌而不易折斷的內芯,因此多采用20鋼(經表面滲碳淬火處理),硬度為50—55HRC。

        4.2導套的結構設計

            (1)材料  用與導柱相同的材料制造導套,其硬度應略低與導柱硬度,這樣可以減輕磨損,一防止導柱或導套拉毛。

            (2)形狀  為使導柱順利進入導套,導套的前端應倒圓角。導向孔作成通孔,以利于排出孔內的空氣。

        4.3推出機構的設計

        根據塑件的形狀特點, 模具型腔在定模部分,型心在動模部分。其推出機構可采用推桿推出機構、推件板推出機構。由于分型面有臺階,為了便于加工,我們采用推板推出機構,推出平穩可靠,并且推出時不會在塑件上留下頂出痕跡,塑件底部裝配后使用時不影響外觀,既達到了推出塑件的目的,又保持了塑件外觀。結合制品的結構特點,模具型腔的結構采用了鑲嵌式型腔板,這種結構工作過程中精度高,并且在此模具中容易加工得到。

            推件力的計算

            對于一般塑件和通孔殼形塑件,按下式計算,并確定其脫模力(Q):

              (7-1)

            式中  --型芯或凸模被包緊部分的斷面周長(cm);

                   --被包緊部分的深度(cm);

                   --由塑件收縮率產生的單位面積上的正壓力,一般取 ;

                   --磨擦系數,一般取 ;--脫模斜度( );  

                    L=38.79*3.14=121.8MM;H=3.72MM

                    Q=121.8MM*3.72MM*10MPA(0.1*COS0.5-SIN0.5)*6

        =271.86(N)

        5、冷卻系統的設計

        本塑件在注射成型時不要求有太高的模溫因而在模具上可不設加熱系統。是否需要冷卻系統可作如下設計計算。

            設定模具平均工作溫度為,用常溫的水作為模具冷卻介質,其出口溫度為。

             查表根據 PC的單位流量設計冷卻水道直徑為6mm。

        6、模具排氣槽的設計

        當塑料熔體充填型腔時,必須順序地排出型腔及澆注系統內的空氣及塑料受熱而產生的氣體。如果氣體不能被順利排出,塑料會由于填充不足而出現氣泡、接縫或表面輪廓不清等缺陷,甚至氣體受壓而產生高溫,使塑料焦化。特別是對大型塑件、容器類和精密塑件,排氣槽將對它們的品質帶來很大的影響,對于在高速成行中排氣槽的作用更為重要。我們的塑件并不是很大,而且不屬于深型腔類零件,因此本方案設計在分型面之間、推桿預模板之間及活動型芯與模板之間的配合間隙進行排氣,間隙值取0.04㎜。

        7、模具工作原理:

        開模時,定模板與動模從分型面處分開,動模向后運動,Z形拉料桿拉住澆注系統的冷凝料及塑料制品一起向后運動。當主流道中的凝料完全拉出一段距離后, 注射機的頂桿作用在推板上,使得澆注系統中的的冷凝料和制件在Z形拉料桿和推桿的作用下一起推出,完成脫模過程。合模時,注射機頂桿復位,推桿固定板在復位桿的作用下,回到初始狀態,動、定模完全閉合?;氐匠尚臀恢?,進入下一個工作循環。

        8、結束語

        非球面透鏡注塑模具是一項集光學、精密機械為一體的模具技術。成型塑料透鏡所采用的注射- 壓縮成型技術能很好地抑制成型過程中局部收縮的發生,提高了透鏡的光學均一性和形狀精度。該模具經過三維模擬,模具運行靈活、可靠,澆注系統、溫控系統、脫模機構使用效果良好,透鏡精度達到了設計要求,外表面光潔,用戶認為此結構完全符合使用要求。

        9、 參考文獻

        [1] 塑料模具設計手冊編寫組.塑料模設計手冊.北京:機械工業出版社,2002.

        [2] 塑料成型工藝與模具設計.北京:機械工業出版社.2003.3

        [3] 辛企明.光學塑料非球面制造技術.國防工業出版社,2005.

        [4] 陳世煌,陳可娟.塑料注射成型模具設計.國防工業出版社,2007,9                                                                                      

        [5] Darryl Meister. Aspheric Lenses: Optics and Applications.Lens Talk,Vol. 26, No. 25 ,1998

        Composite aspherical lenses mould design

        FEI GAO

        Beijing Technology and Business University

        AbstractPlastic industry in the world today is one of the fastest growing industrial categories and injection mould is one of the types of rapid development, therefore, the study to understand the plastic injection mold production process and improve product quality has great significance. This design is introduced the lawful aspherical lenses mould design and the basic principle of injection molding, especially the single parting surface of injection mould structure and working principle of plastic products, puts forward the basic design principles.

        Key wordsPlastic mould, Aspheric, mold design, CAD/CAM

         

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