[浅析注塑模具中复位弹簧的设计] 注塑模具设计

　　摘要： 本文通过具体实例对注塑模具中复位弹簧的设计进行详细介绍，包括设计要求、计算以及CAD绘制过程，阐明了复位弹簧设计的全过程。　　Abstract： This paper introduces the design of the return spring in the injection mold through concrete examples， including design requirements， calculations and CAD drawing process， and clarifies the whole process of the return spring design.
　　关键词： 注塑模具；复位弹簧；压缩比；自由长度；载荷；预压量
　　Key words： injection mold；return spring；deflection；free length；load；preload
　　中图分类号：TQ330.4+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）34-0028-02
　　0 引言
　　注塑模具是目前市面上用量最大、最具市场前景的模具之一，主要利用注塑机进行合模、注塑、保压、冷却、开模、顶出取件等工作。在其模具设计过程中，应充分考虑塑料原材料的特性、塑件结构工艺性，保证与注塑机之间的匹配性。
　　弹簧作为弹力元件，在注塑模具中起着相当重要的作用，在合理位置为模具提供必要的动力来源，如当推出机构完成一次塑料制件的推出运动后，可采用弹簧迫使推出机构回到原位以确保工作过程的顺利进行，即所谓的复位弹簧。不同的结构位置，为了满足作用，弹簧具有不同的设计要求。
　　注塑模具中常用矩形截面弹簧，在相同的安装空间内与圆形截面弹簧相比，其承载能力约大45%左右，变形量大13%～14%。弹簧的合理设计有利于简化模具结构，减少模具维修成本，保证生产的正常进行。本文通过具体实例介绍推出机构中复位弹簧的设计选用。
　　1 复位弹簧的设计要求
　　如图1所示，为某注塑模具推出机构设计复位弹簧，其中模架尺寸为330×350，产品推出行程为40mm，推杆固定板尺寸为210×350×20，推板尺寸为210×350×25，复位杆直径Φ25mm。
　　为了满足复位弹簧的工作要求，复位弹簧在设计时应考虑一些问题：
　　1.1 选择合理的压缩比 压缩比是弹簧压缩状态长度L1和自由长度L之比，其值直接影响着弹簧的寿命和工作载荷，如图2所示。
　　作为弹性元件，弹簧的失效是其使用上的一大缺陷，弹簧在工作中变形量越大，压缩比越大，其使用寿命越低；压缩比过小，则弹簧提供的复位力不足，难以完成复位工作。
　　模具弹簧根据载荷大小主要分为TF、TL、TM、TH以及TB系列，不同色别代表不同种类，不同种类的弹簧其寿命及压缩比不同，如表1所示。
　　1.2 保证弹簧运动过程中的稳定性 主要通过设计合理的安装孔及芯轴尺寸，对弹簧起导向作用，限制弹簧的变形，如图3示。
　　但是过小的安装孔尺寸也会导致对弹簧的过分约束，同时芯轴的尺寸也影响着弹簧的内径尺寸。由于矩形弹簧的内径较小，因此弹簧外径尺寸的选择应尽量偏大。
　　1.3 设置合理的预压量 预压量也称为预压长度，复位弹簧处于预压状态下，能有效保证弹簧在工作过程中处于稳定状态，防止弹簧的疲劳损坏，延长弹簧的使用寿命。采用弹簧复位时，可取10～15mm的预压量。
　　2 复位弹簧的设计过程
　　2.1 弹簧的压缩比选择 考虑到模具的使用寿命以及推小推出行程，通常复位弹簧的压缩比取30%～40%，其值导致复位弹簧种类选取时采用轻载荷的蓝色（TL系列）弹簧。
　　2.2 弹簧的外径尺寸 弹簧外径尺寸是弹簧规格的主要技术参数，其值通常受模具大小及安装芯棒尺寸的影响，模具尺寸越大其弹簧外径越大，其常见参考参数如表2示。
　　本例中弹簧安装在复位杆上，为保证有效安装，弹簧内径应大于复位杆直径。复位杆直径为Φ25mm，则最终确定弹簧外径尺寸为Φ50mm。
　　同时为保证运动过程中的平稳性，选取4根弹簧分别安装在复位杆上。
　　2.3 弹簧的自由长度 弹簧的自由长度是弹簧规格选取的基本参数之一，同一外径尺寸的弹簧可具有不同的自由长度。弹簧自由长度受产品推出行程影响，至少要大于推出机构的推出行程，否则弹簧无法进行工作，因此复位弹簧的压缩量至少应为推出行程与预压量之和，其具体数据可根据下列公式进行计算：
　　L1/ L=（E+P）/L=S（1）
　　L=（E+P）/S（2）
　　其中：
　　L1—弹簧的压缩量长度，（mm）；
　　L—弹簧的自由长度，（mm）；
　　E—推出机构的行程，（mm）；
　　P—弹簧的预压量，（mm）；
　　S—弹簧的压缩比。
　　根据本例参数可知E=40mm，P=10mm，S=40%，代入公式最后可获得弹簧的自由长度L=125。查阅弹簧相关技术参数，则弹簧的型号为TL50×125。
　　2.4 弹簧受力载荷校核 为了保证弹簧的有效使用应使其所受载荷必须在极限范围内，可通过下列公式进行校核：
　　nF≥1.5F受（3）
　　其中：
　　F—单个弹簧压缩状态载荷，可查阅弹簧相关技术资料，（kg）；
　　n—弹簧根数；
　　F受—弹簧所受载荷，（kg）。作为复位弹簧，其所受载荷主要来源于退杆固定板及推板的自重。
　　推杆固定板和推板自重可通过下列公式分别进行计算后叠加在一起：
　　F1=（L×B×H）×ρ（4）
　　其中：
　　L—推板长度，（mm）；
　　B—推板宽度，（mm）；
　　H—推板厚度，（mm）；
　　ρ—密度，通常取7.8kg/m3。
　　通过计算获得推杆固定板以及推板的自重约为11kg和14kg，查阅相关资料，TL50×125弹簧的压缩状态载荷约为338kg，1.5×（11+14）<4×338，则该型号弹簧满足使用要求。
　　2.5 弹簧的绘制 利用CAD二次开发软件选择标准件对弹簧进行绘制，如图4示。按照所设计的内容逐一进行选择：
　　①选择轻载荷的蓝色弹簧；
　　②弹簧规格为TL 50×25×125，其中50为外径，25为内径，125为自由长度；
　　③处于预压状态下，预压长度为10mm；
　　③弹簧行程为推出行程40mm；
　　④安装孔尺寸根据弹簧外径确定为54mm。
　　3 结束语
　　随着计算机辅助技术以及标准件的大力发展，弹簧的绘制简单快速。为了确保模具设计的合理有效，设计者必须充分了解其具体规格及各参数意义，进行必要的参数计算，灵活选用弹簧。
　　参考文献：
　　[1]唐志玉.塑料模具设计师指南.国防工业出版社，1996.6.
　　[2]覃鹏翱.图表详解塑料模具设计技巧[M].电子工业出版社， 2010.1.
　　[3]刘晶波，舒荣富，安文宝，于平良.现代零部件，2004（11-12）：104-106.

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