复合法摄像头非球面镜片注射模设计

复合法摄像头非球面镜片注射模设计

广州斗龙光学科技有限公司(http://www.douloongoptics.com)非球面透镜生产工厂

高飞

北京工商大学 100089

【摘要】塑料工业是当今世界上增长最快的工业门类之一，而注塑模具是其中发展较快的种类，因此，研究注塑模具对了解塑料产品的生产过程和提高产品质量有很大意义。本设计介绍了复合法非球面镜片模具的设计以及注射成型的基本原理，特别是单分型面注射模具的结构与工作原理，对注塑产品提出了基本的设计原则。

【关键词】：塑料模具；非球面 ；设计；注塑模具CAD/CAM

1、引言

模具产品是工业产品制造的基础，模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一。西方发达国家为了适应工业产品品种多、更新快、市场竞争激烈的局面，加强了对生产周期短、精度高、寿命长、成本低的模具产品的研究和开发，近十多年来，国外先进国家的模具技术水平得到了飞速发展。然而非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。非球面光学零件可以获得球面光学零件无可比拟的良好的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重量。非球面光学零件在军用和民用光电产品上的应用也很广泛，如在摄影镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外望远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出头、条形码读出头、光纤通信的光纤接头、医疗仪器等中。

2、非球面镜片的结构及成型工艺设计

通常，选择塑件的材料依据是它所处在的工作环境及使用性能的要求，以及原材料厂家提供的材料性能数据。对于常温工作状态下的结构件来说，要考虑的主要是材料的力学性能，如屈服应力，弹性模量，弯曲强度，表面硬度等。该塑件对材料的要求首先必须是透光性好，其次才是成型难易和经济性问题。

该塑件材料选用聚碳酸酯，英文名称PolyCarbonate，简称PC，是产量仅次尼龙居第二位的工程塑料。

1）分析塑件的结构工艺性

表面质量是一个相当大的概念，包括微观的几何形状和表面层的物理-力学性质两方面技术指标，而不是单纯的表面粗糙度问题。塑件的表观缺陷是其特有的质量指标，包括缺料，溢料与飞边，凹陷与缩瘪，气孔，翘曲等。模具的腔壁表面粗糙度是塑件表面粗糙度的决定性因素，通常要比塑件高出一个等级。该塑件要求对型腔抛光，所以对粗糙度的要求比较高故选一般精度等级： 5级。

2）工艺性分析

为了满足制品表面光滑的要求与提高成型效率采用侧浇口。该浇口的分流道位于模具的分型面上，而浇口开设在模具的型腔处，塑件外表面因浇口痕迹而影响塑件的表面质量与美观效果程度较小。

　  通常控制料温在250-310℃，压力500-800KG/ ，模温在85-120℃之间，喷嘴部分应有大的喷口和短的平直部分，喷嘴温度应于料筒前部温度相等或略低10℃左右。为了消除制品内应力，可在100-130℃内退火时间为1-2时间/1MM。干燥温度在100-120℃之间，时间6小时以上。

2、浇注系统以及成型零部件的设计  

2.1主流道的设计   

图4.1   主流道示意图

2.2分流道设计

分流道是主流道与浇口之间的通道，一般开设在分型面上，起分流和转向作用，分流道的长度取决于模具型腔的总体布置和浇口位置，分流道的设计应尽可能短，以减少压力损失，热量损失和流道凝料。常用分流道断面尺寸推荐如表4-1所示。

表2-1流道断面尺寸推荐值

塑料名称	分流道断面直径mm	塑料名称	分流道断面直径     mm
ABS，AS             聚乙烯 尼龙类 聚甲醛 丙烯酸 抗冲击丙烯酸 醋酸纤维素 聚丙烯 异质同晶体	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 软聚氯乙烯 硬聚氯乙烯 聚氨酯 热塑性聚酯 聚苯醚 聚砜 离子聚合物 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

    分流道的断面形状有圆形，矩形，梯形，U形和六角形。要减少流道内的压力损失，希望流道的截面积大，表面积小，以减小传热损失，因此，可以用流道的截面积与周长的比值来表示流道的效率，其中圆形和正方形的效率最高，但正方形的流道凝料脱模困难，所以一般是制成梯形流道。在该模具上取圆形断面形状，直径为6mm。

图2.2 分流道分布示意图

2.3分型面的选择设计原则

其分型面如图2.3

图2.3 分型面示意图

2.4浇口的设计

浇口设计如图2.4

                 图4.4 浇口的示意图

3、确定主要零件结构尺寸、成型零部件的设计

3.1型腔、型芯工作尺寸计算

    本模具采用一模六腔，PC塑料的收缩率是0.4%--0.7%

    平均收缩率:      =（0.4%--0.7%）/2=0.55%  

    型腔内径：      =44.61mm

    型腔深度：      =5.73mm

    型芯外径：      =38.79mm

    型芯深度：       =3.72mm

    型腔径向尺寸（mm ）；- 塑件外形基本尺寸（mm）;

    -塑件平均收缩率；-塑件公差

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

    -型芯径向尺寸（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计算

    在注塑成型过程中，型腔主要承受塑料熔体的压力，因此模具型腔应该具有足够的强度和刚度。如果型腔壁厚和底版的厚度不够，当型腔中产生的内应力超过型腔材料本身的许用应力[]时，型腔将导致塑性变形，甚至开裂。与此同时，若刚度不足将导致过大的弹性变形，从而产生型腔向外膨胀或溢料间隙。因此，有必要对型腔进行强度和刚度的计算，尤其对重要的，精度要求高的大型塑件的型腔，不能仅凭经验确定。

    根据大型模具按刚度条件设计，按强度校核；小型模具按强度条件设计，按刚度校核原则：模具结构形式如图3.1所示。

1）侧壁厚度计算公式：

                    S≧()       

                     =()                      

                     =20.91 mm                     图3.1 模具的结构形式

式中   C—与型腔深度对型腔侧壁长边边长之比h/L有关的系数；查表C=1；                                                

       ——型腔压力，取30MP；    ——型腔深度，=5.73；

       E——模具材料的弹性模量（MP），E取2.1×10；

       []——刚度条件，即允许变形量(mm)，取[]=0.04;

2）底板厚度计算公式：

                         ≧（）                           

                            =21.02  mm

    ——由底板短边与长边边长之比决定的系数；查表=0.026；

    ——型腔压力，取30MP；

    ——底版短边长度(mm)，=180；E——模具材料的弹性模量（MP），E取2.1×10；

    []——刚度条件，即允许变形量(mm)，取[]=0.04;

4、导向机构的设计

4.1导柱的设计

    （1）长度   

导柱导向部分的长度应比凸模端面的高度高出8—12 cm，以免出现导柱末导正方向而型芯先进入型腔的情况。

（2）形状  

导柱前端应做成锥台形，以使导柱能顺利地进入导向孔。

    （3）材料   导柱应具有硬而耐磨的表面和坚韧而不易折断的内芯，因此多采用20钢（经表面渗碳淬火处理），硬度为50—55HRC。

4.2导套的结构设计

    （1）材料  用与导柱相同的材料制造导套，其硬度应略低与导柱硬度，这样可以减轻磨损，一防止导柱或导套拉毛。

    （2）形状  为使导柱顺利进入导套，导套的前端应倒圆角。导向孔作成通孔，以利于排出孔内的空气。

4.3推出机构的设计

根据塑件的形状特点， 模具型腔在定模部分，型心在动模部分。其推出机构可采用推杆推出机构、推件板推出机构。由于分型面有台阶，为了便于加工，我们采用推板推出机构，推出平稳可靠，并且推出时不会在塑件上留下顶出痕迹，塑件底部装配后使用时不影响外观，既达到了推出塑件的目的，又保持了塑件外观。结合制品的结构特点，模具型腔的结构采用了镶嵌式型腔板，这种结构工作过程中精度高，并且在此模具中容易加工得到。

    推件力的计算

    对于一般塑件和通孔壳形塑件，按下式计算，并确定其脱模力（Q）：

      (7-1)

    式中  --型芯或凸模被包紧部分的断面周长（cm）;

           --被包紧部分的深度（cm）;

           --由塑件收缩率产生的单位面积上的正压力，一般取 ；

           --磨擦系数，一般取 ；--脱模斜度（ ）；  

            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、冷却系统的设计

本塑件在注射成型时不要求有太高的模温因而在模具上可不设加热系统。是否需要冷却系统可作如下设计计算。

    设定模具平均工作温度为，用常温的水作为模具冷却介质，其出口温度为。

     查表根据 PC的单位流量设计冷却水道直径为6mm。

6、模具排气槽的设计

当塑料熔体充填型腔时，必须顺序地排出型腔及浇注系统内的空气及塑料受热而产生的气体。如果气体不能被顺利排出，塑料会由于填充不足而出现气泡、接缝或表面轮廓不清等缺陷，甚至气体受压而产生高温，使塑料焦化。特别是对大型塑件、容器类和精密塑件，排气槽将对它们的品质带来很大的影响，对于在高速成行中排气槽的作用更为重要。我们的塑件并不是很大，而且不属于深型腔类零件，因此本方案设计在分型面之间、推杆预模板之间及活动型芯与模板之间的配合间隙进行排气，间隙值取0.04㎜。

7、模具工作原理：

开模时，定模板与动模从分型面处分开，动模向后运动，Z形拉料杆拉住浇注系统的冷凝料及塑料制品一起向后运动。当主流道中的凝料完全拉出一段距离后， 注射机的顶杆作用在推板上，使得浇注系统中的的冷凝料和制件在Z形拉料杆和推杆的作用下一起推出，完成脱模过程。合模时，注射机顶杆复位，推杆固定板在复位杆的作用下，回到初始状态，动、定模完全闭合。回到成型位置，进入下一个工作循环。

8、结束语

非球面透镜注塑模具是一项集光学、精密机械为一体的模具技术。成型塑料透镜所采用的注射- 压缩成型技术能很好地抑制成型过程中局部收缩的发生,提高了透镜的光学均一性和形状精度。该模具经过三维模拟,模具运行灵活、可靠,浇注系统、温控系统、脱模机构使用效果良好,透镜精度达到了设计要求,外表面光洁,用户认为此结构完全符合使用要求。

9、 参考文献

[1] 塑料模具设计手册编写组.塑料模设计手册.北京:机械工业出版社,2002.

[2] 塑料成型工艺与模具设计.北京:机械工业出版社.2003.3

[3] 辛企明.光学塑料非球面制造技术.国防工业出版社,2005.

[4] 陈世煌，陈可娟.塑料注射成型模具设计.国防工业出版社，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

【Abstract】Plastic 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 words】Plastic mould, Aspheric, mold design, CAD/CAM