塑料拉手注射模具设计.pdf

成人教育 毕业论文 论 文 题 目： 基于 CAD/CAM 技术的塑料拉手注 射 模具设计 专 业 名 称： 机械设计及其自动化 学 生 姓 名： 陆政治 邹晓红 纪凯 指导教师姓名： 张老师 指导教师职称： 博士 院 系 （点）： 江南大学 日 期： 年 月 日 江南大学成人教育 毕 业 论 文 任 务 书 一、论文题目： 基于 CAD/CAM 技术的塑料拉手注射模具设计 二、专业名称： 机械设计及其自动化 三、班 级： _ 四、学生姓名： 陆政治 邹晓红 纪凯 五、指导老师： 张老师 六、论文开始时间： _ 七、论文完成时间： _ 八、院（站）签名： _ 年 月 日 目 录 1 引言 1 1.1 产 品 工 艺 1 2 工艺方案及设计方法 1 2 .1 模 具 工 艺 方 案 1 2.2 设 计 方 法 1 3 模具结构设计方案 1 3.1 型腔布局以及分型面选择 1 3.2 排溢系统设计 1 3.3 成型零件设计 1 3.3.1 凹模的设计 3.3.2 型芯的设计 3.3.3 成型零件工作尺寸的计算 3.3.4 模具型腔侧璧和底板厚度计算 3.3.5 塑件的结构和斜度 3.3.6 成型零件的强度计算 3.3.7 定模的设计 3.3.8 型腔和型芯工作尺寸计算 3.4 浇注系统设计 1 3.4.1 注射机的选择 3.4.2 流道的设计 3.4.3 浇口的设计 3.5 合模导向机构的设计 1 3.5.1 导柱的设计 3.5.2 导套 的 选择 3.6 侧向分型与抽芯机构设计 1 3.6.1 抽芯距确定与抽芯力计算 3.6.2 斜导柱的设计 3.6.3 斜导柱受力分析与强度计算 3.6.4 滑块结构设计 3.6.5 导滑槽设计 3.6.6 楔紧块设计 3.6.7 滑块定位装置设计 3.7 推出机构的设计 1 3.7.1 推出机构的设计计算 3.8 温度调节系统设计 1 3.9 弹 簧 的 选 定 1 结论 1 参考文献 1 致谢 1 1 引言 模具行业是一个高新技术密集型，而且又重视经验的产业。特别是随着近代工业的 飞速发展，塑料制品用途日益广泛，注塑模具工艺空前发展，依靠人工经验来设计模具 已经不能满足需要，企业越来越多地利用注塑模流分析技术来辅助塑料模具的设计。利 用此类 CAE软件，设计人员可以仿真出塑料成型过程中的充填、保压、冷却及脱模后的 翘曲变形等过程，准确预测塑料熔胶在模腔内的流动状况，温度、压力、剪切应力、体 积收缩等变量在整个充填工程中某瞬间的分布情况。利用注塑模流分析技术，能预先分 析模具设计的合理性，减少试模次数，加快产品研发，提高企业效率。 近几年来，我国模具技术有了很大发展，模具水平有了较大提高。塑料模热流道技 术更成熟，气体辅助注射技术已开始采用。模具 CAD/CAM/CAE 技术相当广泛地得到应用， 并开发出了自主版权的模具 CAD/CAE软件。电加工、数控加工在模 具制造技术发展上发 挥了重要作用。模具标准件应 用更加广泛，品种有所扩展。模具材料方面，由于对模 具寿命的重视，优质模具钢的应用有较大进展。衡量模具产品水平，主要有模具加工的 制造精度和表面粗糙度，加工模具的复杂程度、 模具的使用寿命和制造周期等。国内 外模具产品水平仍有很大差距。 目前 CAD/CAM 系统及数控技术在模具加工领域起着不可缺少的重要作用。当今 流行的三维造型软件有 Pro/ENGINEER、 UG 和 Solidworks 等，其中 Pro/ENGINEER 的 功能强大应用范围广泛。 原因是，该工具建立在相对准确的数学 模型基础之上，从而可 以近似获得实际指导生产实践的效果，此外，计算的快捷性使得在实际试模前，可以对 于多个浇注系统和冷却系统进行评估直至优化，从而达到缩短设计和制造周期，提高质 量的目的。本课题模具所用软件是 Pro/E,该模具的设计过程大致如下：首先用 Pro/E 进 行零件的实体特征造型，特征是 Pro/E 软件的基本设计单元，用户可以每次创建一个特 征的方式进行三维造型，并且零件的数据是关联的，其基础是 Pro/E 软件采用了 单 一数据库技术。用 Pro/E 软件在对零件进行受力分析，以及运动分析、干涉检查。然后 用 Pro/E 的 ManufactureMold 模块进行模具设计，包括流道及冷却水道设计，然后各部 分电极可以在装配块里设计。在此基础上可以很好地控制电极对应零件的位置关系，并 利用软件的功能进行干涉检查，极大地减少了设计上的失误。 说明书详细介绍了基于 CAD技术的塑料拉手注塑模设计的结构及相关工艺。重点介 绍了 CAD 技术和三维立体设计技术 Pro/ENGINEER 技术在该产品设计中的运用。在该注 塑模设计中，对成型零件的设计、合模导向机向机构的设计、推出机构的设计等内容均 作了比较详细的介绍。 2 1 产品工艺性 1.1 产品工艺性 拉手塑件的材料是聚氯乙烯，聚氯乙烯具有较高的机械强度，流动性好，易于成型， 成型收缩率小，理论计算收缩率为 0.5%，溢料值为 0.04mm，比热容较低，在模具中凝 固较快模塑周期短，制作尺寸稳定，表面光泽。产品形状如图一所示，光滑没有棱角， 塑件的两侧孔有一定的尺寸要求。为保证产品质量，塑件的制作拟采用注塑成型。 塑料的成型工艺主要有注射挤出压缩等。根据产品的材料精度要求和生产效 率拟采用注射成型。注射成型是热塑性塑料成型的一种方法，几乎所有热塑性塑料都可 以用这种方法成型，某些热固性塑料也可以用注射模成型 此法的特点。注射成型能够一 次成型十分复杂的形状，满足尺寸精度的要求，能适应品种繁多的塑料材料，成型周期 短，生产效率高，易实现全过程电脑控制。 塑模注射过程有加料、塑化、充模、保压、冷却和脱模等几个步骤 ,但从塑料在注 射过程中的状态变化来看 ,只有塑化和熔体模塑两个过程 ,下面就从这两个方面对注塑 工艺过程作一个简要的介绍： （ 1）塑化是熔料注入模腔前的准备工作。这一过程是指塑料粒加入注射机料斗 ,经 已加热达到预定温度的料筒 ,在一定的预塑背压下 ,螺杆输送 ,融熔塑化定量的溶化均一 的称料 ,其塑化质量和预塑化量由注射工艺参数 所决定。 （ 2）熔体模塑过程是 :充模 ,聚合物在模内压实聚合物从模内倒流 ,浇口处物料凝固 , 聚合物在模内冷却 ,制品脱模。 3 为保证产品质量，塑件的制作拟采用注塑成型。 2 工艺方案及设计方法 2 1 模具工艺方案 根据产品的结构特点，模具设计时考虑如下： （ 1）模腔数目的确定，从生产率上考虑，模腔数应尽可能地多，在理论上对于相 同的制品，模腔数多的模具能和模腔数少的模具动作的一样快。但事情并不总是如此的， 模具周期往往会由于模腔数地增加而增加。考虑拉手塑件地结构形状，拟采用一模一腔。 （ 2）分型面的选择，塑件 外形较为复杂，且有孔、筋，塑件成型收缩后必然留在 型芯上，模具分型面设在塑件截面轮廓最大部位，与开模方向垂直，开模后塑件留于动 模一侧有利于脱模机构顶出塑件。此分型面不影响塑件外观以及配合面的质量，且分型 面处产生的飞边易于修整加工。 （ 3）浇注系统，针对该塑件的框结构特点，模具设计采用在框内侧的侧浇口。这 种浇注系统塑料流程短、流动阻力小、流道存料少、进料快、动能损失小、传递压力好、 保压补塑作用强，有利于排气及消除熔接痕，且模具结构简单制造方便。塑件成型后浇 口痕迹留在再塑件的内侧，不影响制品的外观质量，在流道的末 端开有冷料井，用来储 藏注射间隔期间由于喷嘴端温度降低造成的冷料 （ 4）型腔结构，对于拉手塑件模具的型腔结构有两种选择：整体式和瓣合式。整 体式型腔是由整块钢材直接加工而成的，这种结构简单，牢固可靠，不易变形，成型的 塑件质量好。瓣合式型腔是由两个以上零件组合而成的。这种结构改善了加工性，减少 了热处理变形，节约了模具贵重钢材，但其结构复杂，装配调整比较麻烦，塑件表面可 能留有镶拼痕迹，组合后的型腔牢固性差。对于拉手塑件模具整体考虑，型腔结构拟采 用整体式 （ 5）模具的结构为采用三个方向的滑快抽芯结构。 （ 6）冷却系统 的设计，注射模冷却系统的设计经常被认为是次要的问题，对于冷 却系统的尺寸和结构设计都不予重视，冷却系统的设计不合理，对于小型的塑件会产生 内应力，对于壁较薄的大型塑件会产生变形，甚至应力开裂。而且冷却不充分，会导致 延长成型周期， 从而降低生产效率。拉手塑件是小制品，型芯的冷却系统使用喷流系 统是有利的，在型芯中央开孔（盲孔），并插入一根外径比孔径小的管子，温度控制介 质（水或油）通过管子通道型芯的顶部，在液体回流过程中控制型芯的温度。 （ 7）标准化设计，模具设计一般不具有唯一性。对于同一产品零件，不同的设计 人员设计 的模具不尽相同，为了便于实现模具的 CAD，减少数据的存储量，在建立模具 CAD 系统时首先应该解决的问题便是标准化问题，其中包括数据准则的标准化，模具零 件和模具结构的标准化。有了标准化的模具结构，在设计模具时可以选用典型的模具组 4 合，调用标准模具零件，需要设计的只是极少数的工作零件。 2.2 设计方法 塑料制品的开发不仅需要对每个塑料制品进行设计，而且必须设计这些制品的模具 产品，而模具制造一般价格高并且费时，一旦在加工完成后再进行修改，其代价是很大 的。随着计算机软硬件技术的不断提高，在制品的设计分析模具的设计制 造方面，应 用计算机进行辅助设计分析加工（即模具 CAD/CAE/CAM）已成为可能。模具 CAD/CAE/CAM 要达到的目的是从项目的初始方案到零件设计，直至最后投产，都使用同 一数据库和一个不中断的数据流。这一过程从产品设计的实体几何模型开始，对制品进 行结构和美学设计并给予评价，再对实体模型进行有限元网格划分，根据流变学原理， 分析注射工艺中的充填冷却收缩变形过程。同时，根据制品的实体造型，设计型腔 型芯及电极，需要时也可绘制出二维图样，再利用模架数据库，选配模架模板。最后 由图形数控软件得到刀位文件，经后 置处理后输出数控代码，就可以由数控机床进行加 工了。 Pro/ENGINEER 功能非常强大，包含了零件造型产品装配 NC 加工模具开发 钣金件设计外型设计逆向工程机构模拟应力分析等功能模块，因而广泛应用 于机械汽车模具工业设计航天家电玩具等各行业，在国外尤其是制造业发 达的地区有着庞大的用户群。因此在这次设计中我准备采用 Pro/ENGINEER 来做模具造 型。 3 模具设计方案 3.1 型腔布局以及分型面选择 本模具生产的拉手属于小批量生产，且产品精度不是太高，所以采用一模一腔模具 结构形式。型腔 模具设计的重要问题之一就是浇注系统的布置方式，型腔的的布置应使 型腔通过浇注系统从总压力中得所需的足够压力，以保证塑料熔体均匀地充满型腔，使 型腔的塑件在质量均一稳定。这就要求型腔与主流道之间的距离尽可能最短，同时采用 平衡的流道和合理的浇口尺寸以及均匀的冷却等。由于受到塑件结构的限制，所以模具 采用一模一腔分布。 分型面是决定模具结构形式的重要因素，它与模具的整体结构和模具的制造工艺有 密切关系，并且直接影响着塑料熔体的流动充填特性及塑件的脱模，因此，分型面的选 择是注射模设计中的一个关键。如何确定分型面，需要考虑的 因素比较复杂。由于分型 面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件的结构工艺性及精度、嵌件位置、 形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种因素的影响，因此在选择分型 面时应综合分析比较，从几种方案中优选出较为合理的方案。选择分型面是一般应遵循 以下几项基本原则： 1.分型面应选在塑件外形截面轮廓最大部位。 2.确定有利的留模方式，便于塑件顺利脱模。 5 3.保证塑件的精度要求。 4.满足塑件的外观质量要求。 5.便于模具的加工制造。 6.对成型面积的影响。 7.对排气效果。 8.对侧向抽芯的影响。 综合 考虑以上的几项基本原则，本模具分型面设在塑件截面轮廓最大部位，与开模 方向垂直。 3.2 排溢系统的设计 当塑料熔体填充型腔时，必须顺序排出型腔及浇注系统内空气及塑料受热或凝固产 生的低分子挥发气体。如果型腔内因各种原因而产生的气体不被排干净，一方面将会在 塑件上产生气泡，接缝表面轮廓不清及充填缺料等成型缺陷，另一方面气体受压，体积 缩小而产生高温会导致塑件局部碳化或烧焦，同时积存的气体还会产生反向压力而降低 充模速度，因此设计型腔时必须考虑排气问题。由于本模具型腔较小且很简单，所以可 以利用推板、活动型芯等活动配合 间隙排气，排气间隙应小于聚氯乙烯的溢料间隙 （ 0.04mm）。 3.3 成型零件的设计 模具中决定塑件几何形状和尺寸的零件称为成型零件，包括凹模、型芯、镶块、成 型杆和成型环等。成型零件工作时，直接与塑料接触，承受塑料熔体的高压、料流的冲 刷，脱模时与塑件间还发生磨擦。因此，成型零件要求有正确的几何形状，较高的尺寸 精度和较低的表面粗糙度，此外，成型零件还要求结构合理，有较高的强度、刚度及较 好的耐磨性能。设计成型零件应根据塑料的特性、塑件的结构和使用要求，确定型腔的 总体结构，选择分型面和浇口位置，确定脱模方式、排 气部位等，然后根据成型零件的 加工、热处理、装配等要求进行成型零件结构设计，计算成型零件的尺寸，对关键的成 型零件进行强度和刚度校核。 3.3.1 凹模的设计 因为塑件较小，而且采用一模一腔，使用凹模形式，采用整体嵌入式，因为采用这 种形式各个凹模采用机械加工、冷挤压和电加工等方式加工制成，然后压入模板中，这 种结构加工效率高，维护方便，可以保证型腔形状尺寸。它的特点是牢固，使用中不易 变形，不会使塑件产生拼接线痕迹。它的缺点是加工困难，热处理不方便。 3.3.2 型芯的设计 本模具设计的难度在于侧型芯的设计，由 于小型芯结构复杂，如果用手工去设计， 那难度是很大的，利用 CAD 三维软件 Pro/ENGINEER 去设计，用软件中的型腔设计可以 很方便的抽取出小型芯。本方案中直径较小的型芯采用阶梯轴结构，单独制造，在嵌入 模板中，用压板固定。型芯采用 P20钢，热处理要求硬度 HRC 50。 6 3.3.3 成型零件工作尺寸的计算 成型零件工作尺寸是指成型零件上直接用来构成塑件的尺寸，主要有型腔和型芯的 径向尺寸，型腔的深度尺寸和型芯的高度尺寸。任何塑件制作都有一定的几何形状和尺 寸的要求，在使 用中有配合要求的尺寸，则精度要求较高。因此在模具设计时应根据塑 件的尺寸精度等级来确定模具成型零件的工作尺寸及精度等级。影响塑件尺寸精度的因 数很多。主要有： 1.塑件收缩率的影响 拉手塑件的材料是聚氯乙烯，聚氯乙烯具有较高的机械强度，流动性好，易于成型，成 型收缩率小，理论计算收缩率为 0.5%。 2.模具成件型零件的制造误差 3.模具成型零件的磨损 4.模具的安装配合的误差 3.3.4 模具型腔侧璧和底板厚度计算 塑料模具型腔在成型过程中受到熔体的高压作用 ,应具有足够的强度和刚度 ,如果 型腔侧壁和底板厚 度过小 ,可能因强度不够而产生塑性变形甚至破坏 ;也可能因刚度不 足而产生绕曲变形 ,导致溢料或出现飞边 ,降低塑件尺寸精度，并影响到脱模的顺利进行 . 因此 ,应通过强度和刚度计算来确定型腔壁厚 ,尤其对于重要的精度要求高的或大型模 具的型腔 ,更不能单纯凭经验来确定型腔侧壁和底板厚度 . 模具型腔壁厚的计算 ,应以最大压力为准 .而最大压力是在注射时 ,熔体充满型腔的 瞬间产生的 ,随着塑料的冷却和浇口的冻结 ,型腔内的压力逐渐降低 ,在开模时接近常压 . 理论分析和生产实践表明 ,大尺寸的模具型腔 ,刚度不足是主要矛盾 ,型腔壁厚应以满足 刚度条件为 准 ;而对于小尺寸的模具型腔 ,在发生大的弹性变形前 ,其内应力往往超过了 模具材料的许用应力 ,因此强度不够是主要矛盾 ,设计型腔壁厚应以强度条件为准 . 型腔壁厚的强度计算条件是型腔在各种应力形式下的应力值不得超过模具材料的 许用应力 ;而刚度计算条件由于模具的特殊性 ,应从以下三方面来考虑 : (1)模具成型过程中不发生溢料； (2)保证塑件尺寸精度； (3)保证塑件顺利脱模； 型腔结构尺寸计算 （ 1）型腔侧壁厚度计算 在熔体压力作用下 ,侧壁向外膨胀产生弯曲变形 ,使侧壁与底板间出现间隙 ,间隙过 大将发生溢料或影响塑件尺寸精度 .将侧壁每一边都看成是受均匀载荷的端部固定梁 , 设允许最大变形量为 , 其壁厚按刚度条件计算式为 : s=3 4 1 32 EHp lH 式中 s-型腔侧壁厚度 (mm); p-型腔内熔体的压力 (Mpa); 7 H1 -承受熔体压力的侧壁高度 (mm); l-型腔侧壁长边长 (mm); E-钢的弹性模量 ; H-型腔侧壁总高度 (mm); - 允许变形量 (mm)； 型腔侧壁厚度计算取： 20mm （ 2）底板厚度计算 组合式型腔底板厚度实际上是支承板厚度 .底板厚度的计算因其支撑形式不同有很 大差异 ,对于常见的动模边为双支脚的底板 ,为简化计算 ,假定型腔长边 l 和支脚间距 L 相等 ,底板可作为受均匀载荷的简支梁 ,其最大变形出现在板的中间 ,按刚度条件计算底 板的厚度为 : h=3 4 Ecpb 式中 c-由型腔边长比 l/b决定的系数 经计算取 50mm。 （ 3）动模支撑板厚度 动模支撑板又称作型芯支 撑板，一般都是两端用垫块支撑的。其厚度的选用按照经 验来选用，根据表（动模垫板厚度）取 30mm。 3.3.5 塑件的结构和斜度 设计塑件结构时 ,首先要考虑塑件壁厚均匀 ,以产生缩孔 ,气孔 ,变形 ,开裂等缺陷 , 塑件强度较低处可设置加强筋等 .塑件两壁相交处必须用圆弧过渡 ,为了便于塑件从模 具中脱出 ,防止脱模时拉伤塑件 ,设计时 ,塑件内外表面沿脱模方向应留有足够的斜度 , 即脱模斜度 ,脱模斜度的取向应根据塑件的内 ,外尺寸而定 .在塑件图上标注时 ,内孔以 小端尺寸为准 ,塑件外形以大端尺寸为准 ,尺寸符合图样要求 ,且由于斜度而 导致的尺寸 变化应满足塑件的公差要求。 3.3.6 成型零件的强度计算 塑料塑件在模腔中成形以后 ,便可以从模具中取下 ,但塑件从模具中取下之前 ,制件 在成形过程中，模具型腔受到熔体高温高压的作用 ,所以模具型腔侧壁和底板必须有足 够的厚度 ,以满足强度和刚度的要求 .刚度不足 ,模具会产生弹性形变 ,强度不够 ,模具会 产生塑性变形或破裂。 1.满足强度要求 各种情况下所受的应力必须小于材料的许用应力 .如拉伸时 :拉伸应力 拉伸许用应 力 .型芯受弯时 :弯曲应力 弯曲许用应力 .理论分析和大量的生产实践表明 ,对于小尺寸 的型腔 ,强度不足 是主要矛盾 . 2.满足刚度要求 需要型腔不产生溢料 ,保证塑件尺寸精度并能顺利脱模 . （ 1）模具型腔不产生溢料 型腔在高压作用下会产生弹性形变 ,使一些配合面形 8 成间隙 ,间隙超过一定值 ,将出现溢料 .不同塑料其最大的不溢料间隙也不同 .设计时需 使模具型腔在高压作用下产生的弹性形变的变形量小于所允许的最大变形量 . （ 2）保证塑件尺寸精度 如果型腔变形量较大 ,还会影响塑件的尺寸精度 ,所以通 常使型腔变形量为塑件公差的 1/5. （ 3）保证塑件顺利脱模 若塑料熔体的压力产生过大的弹性形变 ,其型腔变形量 大于塑件收缩量 时 ,塑件的周边被型腔包住 ,这样塑件脱模时必须强制脱模 ,从而使塑件 划伤 ,划裂 ,因此型腔变形量应小于塑件收缩量 . 3.3.7 定模的设计 因为塑件尺寸不是很大，而且采用一模一腔，使用定模形式，采用整体嵌入式，因 为采用这种形式各个定模采用机械加工、冷挤压和电加工等方式加工制成，然后压入模 板中，这种结构加工效率高，维护方便，可以保证各个型腔形状尺寸一致。 3.3.8 型腔和型芯工作尺寸计算 1. 型腔和型芯的径向尺寸 （ 1）型腔径向尺寸 如前所述，塑件的基本尺寸 Ls是最大尺寸，其公差 为负偏 差，如果塑件上原有的公差标注与此不符，应按此规定转换为单向负偏差。因此塑件的 平均径向尺寸为 Ls- /2。模具型腔的基本尺寸 Lm 是最小 尺寸，其公差为正偏差，型 腔的平均尺寸为 Ls+ z /2。型腔的平均磨损量为 c /2，考虑平均收缩率后，则可列出下 列等式： sLLL ssCZM )2()2(22 略去比其它各项小得多的 /2*S后则型腔径向尺寸为 )(21)1( czsM LsL z 与 c 是和 有关的量，因此公式后半部分可用 x 表示。标注上制造公差后得： zz xLsL SM 00 )1()( 由于 z ， c 与 的关系随塑件的精度等级和尺寸的不同而变化，因此式中 前的系 数 x在塑件的尺寸较大，精度较低时， z 和 c 可以忽略，则 x=0.5；塑件的尺寸较小， 精度较高时， z 可取 /3， c 可取 /6，此时 X=0.75，则： zz SM LsL 00 )75.05.0()1()( 经计算得型腔径向尺寸为： 0.13046.44 12.0041.41 （ 2）型芯的径向尺寸 塑件孔的径向尺寸 ls是最大尺寸，其公差 为正偏差， 模具型芯的基本尺寸 lm 是最大 尺寸，其公差为负偏差，经过与上面类似的推导，可得： zz SM LsL 00 )75.05.0()1()( 经计算得型腔芯向尺寸为： 0.13046.44 12.0041.41 带有嵌件的塑件，收缩率较实体收缩率小，在计算收缩值时，应将上式中含有收缩 9 值的这一项的塑件尺寸改为塑件外形尺寸减去嵌件部分尺寸。 为了塑件脱模的方便，型腔和型芯的侧壁都应设计有脱模斜度，当脱模斜度值不包 括在塑件 公差范围内时，塑件的外形的尺寸只保证大端塑件内腔的尺寸只保证小端。 这时计算型腔尺寸以大端尺寸为基准，另一端按脱模斜度相应减小；计算型芯尺寸以小 端尺寸为基准，另一端按脱模斜度相应增大，以便于修模时有余量。如果塑件 的使用 要求正好相反， 则应在图纸上注明。 2.型腔深度尺寸和型芯高度尺寸 在型腔深度尺寸和型芯高度尺寸计算中，由于型腔的底面或型芯的端面磨损很小， 所以可以不考虑磨损量，由此可以推出： zxHsH SzM 00 )1()( 00 )1()( zz xhsh SM 经计算得型腔深度尺寸和型芯高度尺寸分别为： 107.0015.45 0 107.075.47 上两式中修正系数 x=1/2 2/3，当塑件尺寸大精度要求低是取小值，反之取大值。 3.中心距尺寸 塑件上凸 台之间，凹槽之间或凸台到凹槽的中心线之间的距离称为中心距，这类尺 寸属于定位尺寸。由于模具上中心距尺寸和塑件中心距公差都是双向等值公差，同时磨 损结果不会使中心距尺寸发生变化，在计算中心距尺寸时不必考虑磨损量。因此，塑件 中心距基本尺寸 Cs 和模具上成型零件中心距的基本尺寸 Cm均为平均尺寸，于是： sM CSC )1( 标注上制造公差后得： 2/)1(2/ zszM CSC 模具中心距是由成型孔的中心距决定的。用坐标樘 床加工孔时，孔轴线位置尺寸偏 差取决于机床的精度，一般不会超过 0.015-0.02mm；用普通方法加工孔时，孔间距大， 则加工误差大。如果活动型芯与模版孔为间隙配合，配合间隙 j 会使型芯中心距尺寸产 生波动而影响塑件的中心距尺寸，塑件中心距的误差最大值为 j ，对于一个型芯，中心 距的偏差最大值为 0.5 j 。这时应使 z 和 j 的累积误差小于塑件中心距所要求的公差范 围。 按平均收缩率，平均制造公差和平均磨损量计算型腔型芯的尺寸有一定的误差，这 是因为在上述公式中， z ， j 和 前的系数的取值凭经验决定，为保证塑件的实际尺寸 在规定的公差范围内，尤其对于尺寸较大和收缩率波动范围较大的塑件，需要对成型尺 寸进行校核，校核的条件是，塑件的成型公差应小于塑件的尺寸公差。 型腔或型芯的径向尺寸： czss lLss )()( m i nm a x 或 型腔深度或型芯高度尺寸： 10 zss hHss )()( m i nm a x 或 塑件的中心距尺寸： SCss )( minmax 式中的符号意义同前。 校核后左边的值与右边的值相比较小，所设计的成型零件尺寸越可靠。否则应提高 模具制造精度，降低许用磨损量，特别是选用收缩率波动较小的塑料来满足塑件尺寸精 度要求。 3.4 浇注系统 3.4.1 注射机的选择 从模具设计的角度出发，应了解的注射机的技术规范有：注射机的类型、最大注射 量、最大注射压力、锁模力、最大 注射面积、模具的最大和最小闭合厚度、最大开模行 程以及模具在注射机上安装时所需的定位孔的大小、螺钉孔的位置等等。 （ 1）注射量 注射量是注射机每次注射塑料的最大体积或质量，一般，注射机注射量的利用率为 80%-85%。所以，选择的注射机，其注射量应满足下式要求，即 W机 W塑料 /0.8=（ nV塑料 +V浇 ） 2 /0.8 W机 =V机 1 =4 D2 s1 W机1 =W机 1 2 式中 W机 注射机注射塑料的最大质量，单位为 g； W 塑料 塑件质量（包括浇注系统），单位为 g； n 型腔数（每模塑件数）； V 塑料 每个塑件体积，单位为 3cm ; V浇 浇注系统体积，单位为 3cm V机 注射机公称容量，单位为 3cm ; 1 标定注射机塑料的密度，单位为 g/ 3cm ; 2 塑件所成型塑料的密度，单位为 g/ 3cm ; D 螺杆式注射机的螺杆或柱塞式注射机柱塞的直径，单位为 cm; S 螺杆或柱塞的注射行程，单位为 cm； W机1 注射机实际注射塑件时所需的质量，单位为 g； ( 2 )注射压力与所模力 当高压的熔料进入并充满型腔时，将产生一个很大的力，迫使模具分开，所以必须 在模具上加一个锁模力。 11 1)型腔内熔料的压力 p=80% 注p 式中 注p -可从表中查得。（查得数值为 80130Mpa,取 120MPa） 2)型腔内的作用力 F=pA 式中 F-作用力； A-塑件、浇注系统在分型面上的投影面积。 所以 F=pA=80% 注p A F=0.8 注p A 3)锁模力 锁F 锁F F 锁F 0.8 注p A 所以 A 注 锁pF8.0 工件有关尺寸如下 质量 m=18.2 g 密度 =1.4g/c 3m 体积 13 3cm 聚氯乙烯收缩率为 0.3% 0.8%取 0.5%，最大不溢料间隙 0.04 mm 代入数据计算得 注射机的最大注 射量必须大于 m/0.8 既 22.75g 型腔内熔料的压力 p=64 Mpa 型腔内的作用力 F=80.352 KN 所以注射机型号选择为 : 卧式 XS-ZY-125 ( 3 ) 注射机与模具有关尺寸的关系 1 ）喷嘴尺寸 注射机的喷嘴头部一般为球面。模具主流道端部的凹球面半径 应大于注射机头部的球面半径，主流道口径应大于喷嘴口径。 2 ）定位圈尺寸 为了保证模具主流道与喷嘴对准，注射机定模板上设有一个 定位孔，模具上定位圈的外径 D 与注射机定模板上定位孔内径 D1 相配合， D=D1，常采 用间隙配合。 3 ）模具厚度 模具厚度又称模具闭合高度，为了使模具能够安装在注射机， 并顺利的使用，必须使注射机允许的模具最小厚度 模具闭合高度 注射机允许的模 具最大厚度，并且模具的外行应能够顺利地从注射机拉杆之间通过。 4 ）安装螺孔尺寸 动、定模在注射机上的安装方法有以下两种： （ 1）直接用螺钉固定 模脚上的钻孔位置尺寸与注射机模板上螺孔位置尺寸一致。 （ 2）用压板固定 只要模脚周围有螺孔即可，灵活性大。 5 ）推出装置 设计模具的推出机构时必须根据注射机顶出装置 的形式、顶杆 直径、顶杆间距及顶出距离等来设计。 12 6 ）国产注射机的主要技术规格见书上表 3-75。 3.4.2 流道的设计 浇注系统是指塑料熔体从注射机喷嘴射出后到达型腔之前在模具内流经的通道，浇 注系统分为普通流道的浇注系统和热流道浇系统两大类，浇注系统的设计是注射模具设 计的一个重要环节，它对获得优良性能及理想外观的塑料制件，以及获得最佳成型效果 有着直接影响。普通流道浇注系统一般由主流道，分流道，浇口和冷料井等四部分组成， 普通浇注系统主要是将来自注射机喷嘴的塑料熔体均匀而平稳输送到型腔，同时使型腔 内 的气体能及时顺利排出。在塑料熔体填充及凝固的过程中，将注射压力有效地传递到 型腔的各个部位，以获得形状完整、内外在质量优良的塑料制件。同时应把浇注系统和 型腔布局结合起来考虑。 浇注系统的分布形式与型腔的排布密切相关，应在设计时尽可能保证在同一时间内 塑料熔体充满各型腔，并且使型腔及浇注系统在分型面上的投影面积总重心与注射机锁 模机构的锁模力作用中心相重合，这对于锁模的可靠及锁模机构受力的均匀性都是有利 的。 主流道是浇注系统中从注射机喷嘴与模具相接触的部分开始，到分流道为止的塑料 熔体的流动通道。属于从热的塑料熔体到 相对较冷的模具的一段过渡的流动长度，因此 它的进口形状和尺寸最先影响着塑料熔体的流动速度及填充时间，必须使熔体的温度降 和压力降最小，且不损害其把塑料熔体输送到最远位置的能力。 在卧式或立式注射机上使用的模具中，主流道垂直于分型面，为使凝料能从其中顺 利拔出，需设计成圆锥形，锥角为 2 6，表面粗糙度 Ra0.8 m;在直角式注射机上 使用的模具中，主流道开设在分型面上，因其不需沿轴线上拔出凝料，设计成圆柱形， 其中心轴线就在动定模的合模面上。综合考虑这些因素，注流道开在型腔板中，直接与 浇口衬套相连接。由于本模具为 一模一腔，所认还需开设分流道。 3.4.3 浇口的设计 本模具采用点浇口设计，点浇口又称针点式浇口、橄榄形浇口或菱形浇口，其尺寸 很小。这类浇口由于前后两端存在较大的压力差，截面形状小如针点的浇口 ,塑件浇口 痕迹小 ,能有效地增大塑料熔体的剪切速率并产生较大的剪切热，从而导致熔体的表观 粘度下降，流动性增加，利于填充，因而对于薄壁塑件以及诸如聚乙烯、聚甲醛、聚苯 乙烯等表观粘度随剪切速率变化而敏感改变的塑料成型有利，但不利于成型流动性差及 热敏性塑料，也不利于成型平薄易变形及形状复杂的塑件。用于粘度对剪切速率和温度 敏 感及粘度低的塑料 ,但不利于成形流动性差 (如 PC,PVC,PSF)的及热敏性塑料 .适用材 料 :PP,PE,PS,POM,PA,ABS.根据塑件尺寸 ,取半径为 1mm的圆形浇口 . （ 1）浇口套的结构设计 13 浇口套结构形式上如图所示 ,根据注射机结构形式确定其尺寸为 : 公称尺寸为 20,其长度 L=50mm; 3.5 合模导向机构的设计 导向机构的作用主要有： （ 1）定位作用 模具闭合后，保证动定模位置正确，保证型腔的形状和尺寸精确； 导向机构在模具装配过程中起了定位作用，便于装配和调整。 （ 2）导向作用 合模时 ，首先是导向零件接触，引导动定模准确闭合，避免型芯 先进入型腔造成成型零件损坏。 （ 3）承受一定的侧向压力 塑料熔体在充型过程中可能产生单向侧压力，或者由 于成型设备精度低的影响，使导柱承受了一定的侧压力，以保证模具的正常工作。若侧 压力很大时，不能单靠导柱来承担，需增设锥面定位机构。 3.5.1 导柱的设计 导柱结构拟采用如图所式结构： 14 为带头导柱，结构简单，加工方便，用于简单模具。模板中设置导套，导向孔磨损 后，只要更换导套即可。根据所选模具板厚度及其重量 ,采用导柱直径为 25，其总长 为 124mm，其材 料为 T8A， T10钢经淬火处理，硬度为 HRC52 56。导柱固定部分表面粗 糙度 Ra为 0.8 m，导向部分表面粗糙度 Ra为 0.8 0.4 m。 3.5.2 导套 的 选择 导套 的 选择为与之相配的即可，长度为 60mm. 3.6 侧向分型与抽芯机构设计 当注射成型侧壁带有孔、凹穴、凸台等的塑料制件时，模具上成型该处的零件就必 须制成可移动的零件，以便在脱模之前先抽出侧向成型零件，否则就无法脱模。带动侧 向成型零件作移动的整个机构称为侧向分型与抽芯机构。根据动力来源的不同，侧向分 型与抽型机构一般可分为机动、液压 或气动以及手动等三大类型。根据产品结构特点及 生产要求采用机动侧向分型与抽芯机构。 3.6.1 抽芯距确定与抽芯力计算 注射成型后，塑件在模具内冷却定型，由于体积的收缩，对型芯产生包紧力，塑件 要从模腔中脱出，就必须克服因包紧力而产生的摩擦阻力。对于带通孔的壳体类塑件， 脱模时还要克服大气压力，一般塑料制件刚开始脱模时所需确阻力最大即所需的脱模力 最大，如图为塑模时型芯的受力分析。 15 侧向型芯或侧向成型模腔从成型位置到不妨碍塑件的脱模推出位置所移 动的距离 称为抽芯距，用 S表示。根据制件要求取 43mm. 抽芯力的计算同脱模力计算相同。可以使用以下公式进行计算： Fc=chp( cos -sin ) 式中 Fc 抽芯力 (N)； c 侧型芯成型部分的截面平均周长 (m) ； h 侧型芯成型部分的高度 (m) ； p 塑件对侧型芯的收缩应力（包紧力），其值与塑件的几何形状及塑料的 品种、成型工艺有关（ Pa）； 塑件在热状态时对钢的摩檫系数，一般 =0.15 0.20； 侧型芯的脱模斜度或倾斜角。 3.6.2 斜导柱的设计 斜导柱倾角确定 斜导柱轴向与开模方向的夹角称为斜导柱的倾斜角 ,它是决定斜导柱抽芯机构工 作效果的重要参数， 的大小对斜导柱的有效工作长度，抽芯距和各受力状况等起着决 定性的影响。 增大， L和 H减小，有利于减小模具尺寸，但 Fw和 Fk增大，影响导柱 和模具的强度和刚度。反之 减小 ，斜导柱和模具受力减小，但要获得相同的抽芯距， 斜导柱的长度就要增长，开模距就要变大，因此模具尺寸会增大，综合两方面， 取分 别取 20、 15比较理想。 斜导柱的材料多为 T8、 T10 等碳素钢，也可以用 20 钢渗碳处理。由于斜导柱与滑 块摩檫，热处理要求硬度 HRC 55，表面粗糙度 Ra 0.8m. 1)斜导柱的长度计算 斜导柱的长度计算公式如下 : LZ =L1 +L2 +L3 +L4 +L5 =22d tag + cosh +2d tag + sins +（ 5 10） 式中 Lz 斜导柱总长度； d2 斜导柱固定部分大端直径； h 斜导柱固定板厚度； d 斜导柱工作部分直径； 16 s 抽芯距； 带入数据计算： 斜导柱 1长度取 117.75mm； 斜导柱 2长度取 100mm； 2)斜导柱的直径计算 斜导柱的直径主要受弯曲应力的影响，斜导柱所受的弯矩为： M =F L 式中 M 斜导柱所受弯矩； L 斜导柱弯曲力臂； 由材料力学可知： M = W 式中 斜导柱所用材料的许用弯曲应力； W 抗弯截面系数。 斜导柱的截面一般为圆形，其抗弯截面系数为： W=32 3d =0.1 3d 所以斜导柱的直径为： 3 233 c o s 10c o s1.0 aw F c H wawc o F L wwF w lwd 式中 H 侧型芯滑块 受的脱模力作用线与斜导柱中心线的交点到斜导柱固 定板的距离，它并不等于滑块高的一半。 经计算查表取： 斜导柱 1直径为 15mm； 斜导柱 2直径为 15mm； 3.6.3 斜导柱受力分 析与强度计算 斜导柱受力析：斜导柱在抽芯过程中受到弯曲力 Fw的作用。 Fw= cosFt Fk= tgFt 式中 Fw 侧抽芯时斜导柱所多弯曲力 Ft 侧抽芯时的脱模力，其大小等于抽芯力 Fc Fk 侧抽芯时所受开模力 3.6.4 滑块结构设计 17 分析滑块受力情况 图中 Ft是抽芯 力压的反作用力，大小与 Fc 相等，方向相反 Fk是开模力，它通过导滑模施加于滑动 F是斜导柱通过斜导孔施加于滑块的正压力，其大小与斜导柱所受的弯曲力 Fw相等 F1是斜导柱与滑块间的磨擦力 F2是滑块与滑模间的磨擦力 0 xF 则 0c o s21 FFsiFF t （ 1） 0Fy 则 0co s1 kFaFFsia （ 2） 式中 UFF1 kFF 2 （ 3） 由（ 1）（ 2）（ 3）得 221s in utg a utg aco aa FF t 由于磨擦力和其它力相比较一般很小，可以忽略，（即 =0） 上式 F= aFtcos 即 Fw= aFccos 3.6.5 导滑槽设计 成型滑块在侧向分型抽芯和复位过程中，要求其必须沿一定的方向平稳地往复移 动，这一过程是在滑块和导滑槽的配合形式也不同，一般采用 T 形槽或燕尾槽导滑。 T 形槽导滑结构紧凑，多用于小型模具的抽芯机构，由于塑件尺寸较小，抽芯距不大所以 本模具采用组合式 T 形槽导滑，材料 45 钢。为了便于加工和防止热处理变形，常常调 质铣销成形。盖板材料用 45钢，要求硬度 42HRC. 导滑槽与滑块导滑部分采用间隙配合， 一般采用 H8/F8在配合面上成型时与熔融塑料接触，为防止配合部分漏料，应适当提高 精度，采用 H8/f7或 H8/g7,其它各处留有 0.5mm左右间隙，配合部分表面要求较高表面 粗糙度 Ra 0.8wm。 3.6.6 楔紧块设计 在注射成型过程中，侧向成型零件受到熔融塑料很大的推力作用，这个力通过滑块 传给斜导柱，而一般的斜导柱为一细长杆件，受力后容易变形，导致滑块后移，因此必 须设置楔紧块，以便在合模后锁住滑块，承受熔融塑料给予侧向成型零件的推力 楔紧块的工作部分是斜面，为了保证斜面能在合模时压紧滑块，而在开模时又能迅 速脱离滑块，以避免楔紧块影响斜导柱对滑块的驱动，锁紧角 一般都应比斜导柱倾 斜解 大一些 = +（ 2 3）。 楔紧块是防止注射时熔体压力使测型芯滑块产生位移而设置的，为了有效工作，其 18 上面的斜面应与侧型芯滑块上的斜度一致，设计时斜面应留有一定的修正余时量，以便 装配时修正。 3.6.7 滑块定位装置设计 依靠压缩弹簧的弹力使滑块停留在限位挡块处，即：弹簧拉杆挡块式，适用于任何 方向的抽芯动作 压缩弹簧的弹力是滑块重量的 2 倍左右，其压缩长度须大于抽芯距 S， 一般取 1.3S 拉杆 5 是支持 弹簧的，当抽芯距，弹簧的直径和长度已确定，则拉杆的直 径和长度就能确定，拉杆长度计算如下： Ll=2d+s+t60.8Ld+4d 其中 L1 拉杆长度 d 拉杆直径 S 抽芯距 T 挡块厚度 Ld 弹簧自由长度 2d 拉杆旋入滑块中的长度 4d 拉杆端部拧入垫圈及六角螺母的长度 经计算可取： L1=85mm L2=85mm 3.7 推出机构的设计 塑件在从模具上取下之前，还有一个从模具的成型零件上脱出的过程，使塑件从 成型零 件上脱出的机构为推出机构。推出机构的动作是通过装在注射机合模机构上的顶板来完 成的。由于推出机构的动作是通过装在注射机合模机构上的顶板来驱动的，所以一般情 况下，推出机构设在动模一侧。正因如此，在分型面设计时应尽量注意，开模后使塑件 能留在动模一侧。为了保证塑件在推出过程中不变形、不损坏，设计时应仔细分析塑件 对模具的包紧力和粘附力的大小，合理的选择推出方式及推出位置，从而使塑件受力均 匀、不变形、不损坏。推出机构应使推出动作可靠、灵活，制造方便，机构本身要有足 够的强度、刚度和硬度，以承受推出过程中的各种力的作 用，确保塑件顺利地脱模。推 出塑件的位置应尽量设在塑件上不影响使用的部位，以免推出痕迹影响塑件的外观质量 和使用。 19 设计推出机构时，还必须考虑合模时机构的正确复位，并保证不与其他模具零件相干涉。 综合考虑这些因素，本模具采用推板推出塑件，所要求的是推板具有一定的强度和刚度， 所以采用如图所示的阶梯轴结构形式，这样既保证其起到顺利推出制件的作用，又能保 证推板的强度和刚度要求。推板孔与推板间隙应小于聚氯乙烯的溢料间隙（ 0.04mm）， 设计四根弹簧用以推板机构的复位。 3.7.1 推出机构的设计计算 塑件在模腔中成形以后 ,便可以从模具中取下 ,但塑件从模具中取下之前 ,模具还必 须完成一个将塑件从模腔中推出的动作 ,模具上完成这一动作的机构称为脱模推出机 构 . 一般情况下 ,推出塑件的动作在动模上完成。在特殊情况下 ,也可以在定模上设脱模 机构 .但因注射机的定模板一侧没有推出机构 ,故此时须采取特殊结构 . 推出机构通常是有三大部分组成 ,第一部分是直接作用在塑件上将塑件推出的零件 称推出零件 ;第二部分是用来固定推出零件的零件 ,有推板固定板 ,推板等 ;第三部分是 作用推出零件推出动作的导向及合模时推出零件复位的零件 . 推出机构的原 则是 : 应使塑件脱模时不发生变形或损伤塑件的外观 ;推力的分布依 脱模阻力的大小要合理安排 ;推出机构的结构应力求简单 ,动作可靠 ,不发生错误动作 , 合模时能正确复位 . 3.8 温度调节系统设计 无论何种塑料进行注射成型，均有一个比较适宜的模具温度范围，在此温度范围内， 塑料熔体的流动性好，容易充满型腔，塑件脱模后收缩和翘曲变形小，形状与尺寸稳定， 力学性能以及表面质量也比较高。为了使模温能控制在一个合理的范围内，必须设计模 具温度的调节系统。 模具温度的调节是指对模具进行冷却或加热，必要时两者兼有，从而达到控制模温 的目 的。对模具进行冷却还是加热，与塑料品种、塑件的形状与尺寸、生产效率及成型 工艺对模温的要求有关。 对于粘度低、流动性好的塑料，因为成型工艺要求模温都不太高，所以常用常温水 对模具进行冷却，有时为了进一步缩短在模内的冷却时间，亦可用冷水控制模温。对于 粘度高、流动性差的塑料，为了提高充型性能，成型工艺要求有较高的模温，因此经常 需要对模具加热。对于粘流温度或熔点较低的塑料，一般需用常温或冷水对模具冷却； 而对于高粘流温度或高熔点的塑料，可用温水控制模温。流程长、壁厚较大的塑件，或 者粘流温度或熔点虽不高，但成型面积很大时 ，为了保证塑料熔体在充模过程中不至温 降太大而影响充型，可对模具采取适当的加热措施。对于大型模具，为保证生产之前用 较短时间达到工艺所要求的模温，可设置加热装置对模具进行预热。对于小型薄壁塑件， 且成型工艺要求模温不太高时，可以不设置冷却装置而依靠自然冷却。由于本模具型腔 较小，工艺要求也不高，所以可以采用自然冷切，但是为了适应不同地区的不同气候环 境，及节省冷却时间，提高生产效率，模板上应开设一定的冷切水道以便于冷切。 3.9 弹簧的选定 20 由斜滑块体积得到它的质量，然后根据 10%预压缩量和其他零件的相关尺寸选定 弹 簧。斜滑块 1质量 1.273599Kg，中径必须大于 10mm 又属于轻负载，所以选 TL22X75， 同理弹簧 2选 TL22X75，顶杆复位弹簧选 TF30X100。 结 论 21 这次毕业设计历时三个月，所设计的是基于 CAD 技术的注塑模生产技术及其工艺装 备的研制。本课题是一个实践性课题，它有很高的技术开发性，其设计技术是采用目前 业内比较先进的 CAD技术和三维立体设计技术 Pro/ENGINEER 的有效结合，它和我们的 专业 机械设计制造及其自动化专业还是比较接近的。通 过对本课题的研究，结合大 学所学专业知识，更重要的是在老师的悉心指导下，使我少走了许多弯路，也让我在最 短的时间内，学到更多原本上学不到的知识。使我们的专业知识再上一个台阶，理论和 实践相结合进一步提高了我的综合能力和小组合作能力。 22 参考文献 ： 1张中元 . 塑料成型工艺与模具设计 . 北京：航空工业出版社 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 2 模具标准选编组 . 模具标准汇编 . 北京：中国标准出版社 3徐进 . 模具材料应用手册 . 北京：机械工业出版社 4王 树勋 . 典型注塑模具结构图册 . 广东 :中南工业大学出版社 5黄圣杰 . Pro/ENGINEER 2001 高级开发实例 . 北京：电子工业出版社 6 初利宝 . Pro/ENGINEER 模具设计 . 北京：北京大学出版社 7 王