塑料盖的模具设计

I 毕 业 设 计 题 目 塑料盖的模具设计 英文题目 The mould design of plastic cover 院 系 机械与材料工程学院 专 业 机械设计制造及自动化 姓 名 年 级 指导教师 年 六 月 II 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；详细介绍了冷流道注射模具 浇注系统和顶出系统的设计过程，并对模具强度要求做了说明。 采用 Pro/E 来实现塑料盖三维设计及相应模具成型零件设计，分析制件 的成型质量和完成分型面的设计，在产品设计及模具装配过程中，辅助以必 要的理论计算，将数字化设计与理论计算结合起来，大大缩短产品开发周期、 模具设计周期，提高产品设计及模具设计的准确性，降低产品研发、模具设 计成本。在设计过程中制定了合理的工艺方案，满足了大批量生产要求。 通过本设计，可以对注塑模具有一个初步的认识，注意到设计中的某些 细节问题，了解模具结构及工作原理。本模具满足生产与应用的要求。 【关键词】塑料盖；模具；分型面；设计；Pro/e III Abstract Today, Plastic industry in the world is one of the fastest growing industrial categories, and injection mould is one of the rapid developing type, therefore, the study to understand plastic injection mold production process and improve product quality has great significance. This design is introduced the basic principle of injection molding, especially the single parting surface injection mould structure and working principle of plastic products, puts forward the basic design principles, Introduces in detail the cold runner injection mould gating system and ejector system design process and to mould strength requirement illustrated. With Pro/Engineer MoldFlow to implement three-dimensional design and mold volume design of the Plastic caps, and shaping quality of part was analyzed and the parting line was designed by Pro/Engineer, It would not only shorten the cycle of product research and mold design, and improve the preciseness and the product shaping quality, but also lower the cost of the research. Having made the rational craft scheme in the design process ,so it has met the requirement of producing in enormous quantities. IV Through the design of injection mould, we can have a preliminary understanding. Noticed in the design of some details, we can understand the mould structure and work principle. 【Key words 】plastic cover;mold;parting surface;design; Pro/e V 目 录 第一章 前 言 1 1.1 模具工业在国民经济中的地 位 1 1.2 各种模具的分类和占有 量 2 1.3 我国模具工业的现 状 3 1.4 世界五大塑料生产国的产能状 况5 1.5 我国模具技术的现状及发展趋 势7 第二章 注塑件的设 计 9 2.1 功能设 计 9 VI 2.2 材 料 9 2.2.1 ABS 塑料化学名 称9 2.2.2 ABS 一般参 数1 0 2.2.3 一般性 能1 0 2.2.4 力学性 能 1 0 2.2.5 热学性 能1 0 2.2.6 电学性 能1 1 2.2.7 环境性 能1 1 2.3 结 构 11 2.3.1 壁 厚 11 VII 2.3.2 脱模斜 度 11 2.3.3 圆 角 12 2.4 塑件工艺性分 析 12 2.4.1 使用性能、制件技术要求和生产要 求12 2.4.2 了解塑件材料及性 能 12 2.4.3 塑件尺寸精度分 析 12 2.4.4 塑件表面质量分 析 12 2.4.5 塑件的结构工艺性分 析 13 2.4.6 注塑模工艺条件: 13 2.4.7 ABS 的 “阻燃添加剂” 13 VIII 第三章 注塑成型的准 备 14 3.1 注塑过 程 14 3.2 注塑成型工艺条 件 15 3.3 注塑机的选 择 17 3.3.1 注塑机简 介 17 3.3.2 注塑机基本参 数 17 3.3.3 选择注塑 机 18 3.4 注射机有关参数的校核和最终选 择19 3.5 模具开模行程校 核 20 IX 3.6 注塑机的参数校 核 20 第四章 模具设 计 21 4.1 塑料配方说 明 21 4.2 分型面的确 定 22 4.3 型腔数目的确 定 22 4.4 浇口确 定 23 4.5 模具材料的选 择 23 4.6 浇注系统设 计 24 X 4.6.1 主流 道 24 4.6.2 分流 道 25 4.7 标准模架的选 择 26 4.8 导向与定位机 构 27 4.9 顶出系统设 计 28 4.10 成型零件工作尺寸的计 算 30 4.11 排气设 计 30 4.11.1 排气设计原则： 30 4.12 温度调节系统设 计 31 XI 4.12.1 温度调节对塑件质量的影 响3 1 4.12.2 对温度调节系统的要 求 32 4.12.3 冷却系统设计原 则 32 第五章 模塑的工艺规程的编 制 34 5.1 工艺规程 卡 34 5.2 主要零件的加工工艺过 程 35 结 论 36 参考文 献 37 XII 谢 辞 38 附 录 39 1 第一章 前 言 1.1 模具工业在国民经济中的地位 模具是制造业的一种基本工艺装备，它的作用是控制和限制材料 （固态或液态）的流动，使之形成所需要的形体。用模具制造零件以 其效率高，产品质量好，材料消耗低，生产成本低而广泛应用于制造 业中。 模具工业是国民经济的基础工业，是国际上公认的关键工业。模 具生产技术水平的高低是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志， 它在很大程度上决定着产品的质量，效益和新产品的开发能力。振兴 和发展我国的模具工业，正日益受到人们的关注。早在 1989 年 3 月 中国政府颁布的关于当前产业政策要点的决定中，将模具列为机 械工业技术改造序列的第一位。 模具工业既是高新技术产业的一个组成部分，又是高新技术产业 化的重要领域。模具在机械，电子，轻工，汽车，纺织，航空，航天 等工业领域里，日益成为使用最广泛的主要工艺装备，它承担了这些 工业领域中 60-90的产品的零件，组件和部件的生产加工。 模具制造的重要性主要体现在市场的需求上，仅以汽车，摩托车 行业的模具市场为例。汽车，摩托车行业是模具最大的市场，在工业 发达的国家，这一市场占整个模具市场一半左右。汽车工业是我国国 民经济五大支柱产业之一，汽车工业重点是发展零部件，经济型轿车 和重型汽车，汽车模具作为发展重点，已在汽车工业产业政策中得到 了明确。汽车基本车型不断增加，2005 年达到 170 种。一个型号的汽 车所需模具达几千副，价值上亿元。为了适应市场的需求，汽车将不 断换型，汽车换型时约有 80的模具需要更换。中国摩托车产量位居 世界第一，据统计，中国摩托车共有 14 种排量 80 多个车型，1000 多 个型号。单辆摩托车约有零件 2000 种，共计 5000 多个，其中一半以 2 上需要模具生产。一个型号的摩托车生产需 1000 副模具，总价值为 1000 多万元。其他行业，如电子及通讯，家电，建筑等，也存在巨大 的模具市场。 目前世界模具市场供不应求，模具的主要出口国是美国，日本， 法国，瑞士等国家。中国模具出口数量极少，但中国模具钳工技术水 平高，劳动成本低，只要配备一些先进的数控制模设备，提高模具加 工质量，缩短生产周期，沟通外贸渠道，模具出口将会有很大发展。 研究和发展模具技术，提高模具技术水平，对于促进国民经济的发展 有着特别重要的意义。 从另一方面来看，机床、刀具工业素有“工业之母”之称，在各 个工业发达国家中都占有非常重要的地位。由于模具工业的重要性， 模具成型工艺在各个工业部门得到了广泛的应用，使得模具行业的产 值已经大大超过机床、刀具工业的产值。这一情况充分说明了在国民 经济蓬勃发展的过程中，在各个工业发达国家对世界市场进行激烈争 夺的过程中，愈来愈多的国家采用模具来进行生产，模具工业明显地 成为技术、经济和国力发展的关键。 从我国的情况来看，不少工业产品质量上不去，新产品开发不出 来，老产品更新速度慢，能源消耗指标高，材料消耗量大，这都与我 国模具生产技术落后，没有一个强大的、先进的模具工业密切相关。 因此，要使国民经济各个部门获得高速发展，尽快缩短和发达国家之 间的差距，加速实现社会主义现代化步伐，惟一的出路就是必须尽快 将模具工业搞上去，使模具生产形成一个独立的工业部门，从而充分 发挥模具在国民经济中的关键作用。 1.2 各种模具的分类和占有量 模具主要类型有：冲模，锻摸，塑料模，压铸模，粉末冶金模， 玻璃模，橡胶模，陶瓷模等。除部分冲模以外的的上述各种模具都属 于腔型模，因为他们一般都是依靠三维的模具形腔是材料成型。 (1) 冲模：冲模是对金属板材进行冲压加工获得合格产品的工具。 冲模占模具总数的 50以上。按工艺性质的不同，冲模可分为落料模， 3 冲孔模，切口模，切边模，弯曲模，卷边模，拉深模，校平模，翻孔 模，翻边模，缩口模，压印模，胀形模。按组合工序不同，冲模分为 单工序模，复合模，连续模。 (2) 锻模：锻模是金属在热态或冷态下进行体积成型是所用模具 的总称。按锻压设备不同，锻模分为锤用锻模，螺旋压力机锻模，热 模锻压力锻模，平锻机用锻模，水压机用锻模，高速锤用锻模，摆动 碾压机用锻模，辊锻机用锻模，楔横轧机用锻模等。按工艺用途不同， 锻模可分为预锻模具，挤压模具，精锻模具，等温模具，超塑性模具 等。 (3) 塑料模：塑料模是塑料成型的工艺装备。塑料模约占模具总 数的 35，而且有继续上升的趋势。塑料模主要包括压塑模，挤塑模， 注射模，此外还有挤出成型模，泡沫塑料的发泡成型模，低发泡注射 成型模，吹塑模等。 (4) 压铸模：压铸模是压力铸造工艺装备，压力铸造是使液态金 属在高温和高速下充填铸型，在高压下成型和结晶的一种特殊制造方 法。压铸模约占模具总数的 6。 (5) 粉末冶金模：粉末冶金模用于粉末成型，按成型工艺分类粉 末冶金模有：压模，精整模，复压模，热压模，粉浆浇注模，松装烧 结模等。 模具所涉及的工艺繁多，包括机械设计制造，塑料，橡胶加工， 金属材料，铸造（凝固理论），塑性加工，玻璃等诸多学科和行业， 是一个多学科的综合，其复杂程度显而易见。 1.3 我国模具工业的现状 自 20 世纪 80 年代以来，我国的经济逐渐起飞，也为模具产业的 发展提供了巨大的动力。20 世纪 90 年代以后，大陆的工业发展十分 迅速，模具工业的总产值在 1990 年仅 60 亿元人民币，1994 年增长到 130 亿元人民币，1999 年已达到 245 亿元人民币，2000 年增至 260- 270 亿元人民币。今后预计每年仍会以 10%-15%的速度快速增长。 4 目前，我国 17000 多个模具生产厂点，从业人数五十多万。除了 国有的专业模具厂外，其他所有制形式的模具厂家，包括集体企业， 合资企业，独资企业和私营企业等，都得到了快速发展。其中，集体 和私营的模具企业在广东和浙江等省发展得最为迅速。例如，浙江宁 波和黄岩地区，从事模具制造的集体企业和私营企业多达数千家，成 为我国国内知名的“模具之乡”和最具发展活力的地区之一。在广东， 一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业，为了提高其产品的市场竞争 能力，纷纷加入了对模具制造的投入。例如，科龙，美的，康佳和威 力等知名集团都建立了自己的模具制造中心。中外合资和外商独资的 模具企业则多集中于沿海工业发达地区，现已有几千家。 在模具工业的总产值中，企业自产自用的约占三分之二，作为商 品销售的约占三分之一。其中，冲压模具约占 50%（中国台湾：40%）， 塑料模具约占 33%（中国台湾：48%），压铸模具约占 6%（中国台湾： 5%），其他各类模具约占 11（中国台湾：7%）。 中国台湾模具产业 的成长，分为萌芽期（19611981），成长期（19811991）， 成熟期（19912001）三个阶段。 萌芽期，工业产品生产设备与技术的不断改进。由于纺织、电子、 电气、电机和机械业等产品外销表现畅旺，连带使得模具制造，维修 业者和周边厂商（如热处理产业等）逐年增加。在此阶段的模具包括： 一般民生用品模具、铸造用模具、锻造用模具、木模、玻璃、陶瓷用 模具、以及橡胶模具等。 1981 年1991 年是台湾模具产业发展最为迅速且高度成长的时 期。有鉴于模具产业对工业发展的重要性日益彰显，自 1982 年起， 台湾地区就将模具产业纳入“策略性工业适用范围”，大力推动模具 工业的发展，以配合相关工业产品的外销策略，全力发展整体经济。 随着民生工业，机械五金业，汽机车及家电业发展，冲压模具与塑料 模具，逐渐形成台湾模具工业两大主流。从 1985 年起，模具产业已 在推行计算机辅助模具设计和制造等 CAD/CAM 技术，所以台湾模具业 接触 CAD/CAM/CAE/CAT 技术的时间相当早。 5 成熟期，在国际化，自由化和国际分工的潮流下，1994 年，1998 年，由台湾地区政府委托金属中心执行“工业用模具技术研究与发展 五年计划”与“工业用模具技术应用与发展计划”，以协助业界突破 发展瓶颈，并支持产业升级，朝向开发高附加值与进口依赖高的模具。 1997 年 11 月间台湾凭借模具产业的实力，获得世界模具协会 （ISTMA）认同获准入会，正式成为世界模具协会会员，。整体而言， 台湾模具产业在这一阶段的发展，随着机械性能，加工技术，检测能 力的提升，以及计算机辅助设计，台湾模具厂商供应对象已由传统的 民用家电，五金业和汽机车运输工具业，提升到计算机与电子，通信 与光电等精密模具，并发展出汽机车用大型钣金冲压，大型塑料射出 及精密锻造等模具。 1.4 世界五大塑料生产国的产能状况 美国塑料(原料)的产量多年来一直雄居各国之首。早在 80 年代 前期，美国塑料产量就已达 2000 万吨之多，1986 年增至 23l0 万吨， 占全球总产量 8100 吨的 28.5，此后美国塑料产量继续呈现稳定增 长之势，1988 年、1990 年、1992 年、1994 年、1996 年和 1998 年分 别增加到 2710 万吨、2810 万吨、3010 万吨、3410 万吨、4000 万吨 和 4360 万吨，占世界总产量的比例从 1996 年起提高到 30以上。 2001 年美国塑料产量为 4170 万吨，其中以聚乙烯为最多，达 1500 多 万吨。其次分别是氯乙烯 650 万吨、聚丙烯 720 万吨、聚苯乙烯对酞 酸脂 320 万吨、聚苯乙烯 280 万吨。国内塑料消费量(=产量+进口量- 出口量)，美国也是全球最多的。美国的全部塑料消费量 2001 年为 4280 万吨。美国人均塑料消费量也是很高的，2000 年为 159 公斤， 2001 年略减为 155 公斤 ，居全球第 3 位。美国现有各种大小塑料企 事业单位 1 万多家，其中职工人数少于 50 人的占总数的 53，50- l00 人的占 21，100-500 人的占 23，超过 500 人的占近 4，职 工总数近 90 万人。在美国塑料制品加工业的就职人数达 110 万， 2001 年的出货金额为 2150 亿美元，人均出货金额为 195 美元。 6 德国是世界最大的塑料(原料)生产国之一，上世纪 90 年代初的 1991 年、1992 年和 1993 年，德国塑料产量都为 990 多万吨，1994 年 增达超过 1000 万吨的 1110 万吨1998 年达近 1300 万吨，1999 年为 近 1400 万吨，2000 年增至 1550 万吨，超过日本为世界第 2 大塑料生 产国，2001 年上升为 1580 万吨，2002 年已过 1600 万吨。2001 年德 国生产的种种塑料原料中，聚乙烯为 285 万吨(低密度聚乙烯 160 万 吨，高密度聚乙烯 125 万吨)，氯乙烯 175 万吨，聚丙烯 160 万吨。 德国 2001 年的国内塑料消费量为 1280 万吨，其中聚乙烯 265 万吨， 聚丙烯 155 万吨氯乙烯 152 万吨。德国人均塑料消费量 2001 年为 160 公斤，在世界上仅少于比利时的 172 公斤，高于美国的 155 公斤， 排在世界第 2 位。德国塑料制品加工业的职工总计有近 30 万人， 2001 年的出货金额为 360 亿美元，人均 126 美元。德国塑料制品加工 企业中职工少于 50 人的占 4450-100 人的占 28，100-500 人的占 25，500 人以上的占 4。 中国塑料工业多年持续高速增长，1991 年产量仅为 250 万吨， 1995 年增为 350 万吨，1998 年超过 700 万吨，到 2002 年已增达约 1400 万吨，超过日本而成为世界第 3 大塑料原料生产国。中国今年塑 料制品市场将持续走强，在包装、工程、建材、农用和日用塑料制品 等各个领域都将有较大幅度的增长，需求量将超过 2500 万吨。其中 包装塑料制品今年需求量将超过 850 万吨，工程塑料制品需求量将达 400 万吨左右，建材塑料制品需求量将达 300 万吨以上，农用塑料制 品需求量将在 500 万吨左右，日用塑料制品需求量约为 80 万吨左右。 日本在很长的时期内都是仅次于美国的世界第 2 大塑料生产国。 一直到 1997 年，日本塑料产量曾经连续多年增长，年产量在 70 年代 中期就已达 500 多万吨，1987 年突破 1000 万吨，1991 年达约 1300 万吨，1992 年和 1993 年因受日本经济下滑的影响，产量略有减少， 分别降至 1258 和 1225 万吨。从 1994 年起产量再度增长，1994 年、 1995 年和 1996 年分别回升到 1300 万吨、1400 万吨和 1470 万吨， 7 1997 年的产量又比上年增长 3.7，达到 1521 万吨，首次超过 1500 万吨。但这种增势在 1998 年受到遏制，产量大幅度减少。1998 年， 日本塑料产量为 1390 万吨，比上年减少了 8.7。1999 年和 2000 年 日本塑料产量分别回升到 1432 万吨和 1445 万吨，但仍远未恢复到 1997 年的水平。2001 年和 2002 年日本塑料产量再度下降至 1400 万 吨以下的 1364 万吨和 1361 万吨。2002 年日本塑料(原料)产量减为 1361 万吨。而中国则增为 1366 万吨，日本又退居第 4 位。 韩国塑料产量增长十分迅速，1986 年超过 200 万吨，1990 年增 达 300 万吨，1992 年突破 500 万吨，1994 年、1996 年和 1997 年分别 上升到 600 多万吨、700 多万吨和 800 多万吨，1998 年产量增至 850 万吨，1999 年突破 900 万吨，2001 年达 1200 万吨，跻身于世界 5 大 塑料生产国之列。韩国塑料原料产品中以聚乙烯居首，2001 年产量为 340 万吨(低密度聚乙烯 160 万吨，高密度聚乙烯 180 万吨)，聚丙烯 以 238 万吨排在第 2 位，其次分别是聚酯 161 万吨、氯乙烯 124 万吨、 ABSAS 树脂 86 万吨、聚苯乙烯 77 万吨。韩国国内塑料消费量 2001 年 420 万吨，只相当于产量的 1/3 略高。人均塑料消费量 2001 年为 106 公斤，韩国塑料制品加工业的职工总数 2001 年为 3.1 万人，出货 金额为 85 亿美元，人均 276 美元。 塑料产量位居世界前 10 名的国家和地区还有法国 660 万吨、比 利时 600 万吨、中国台湾 598 万吨、加拿大 432 万吨和意大利 385 万 吨(均为 2001 年产量)。 1.5 我国模具技术的现状及发展趋势 20 世纪 80 年代开始，发达工业国家的模具工业已从机床工业中分离出 来，并发展成为独立的工业部门，其产值已超过机床工业的产值。改革开放 以来，我国的模具工业发展也十分迅速。近年来，每年都以 15的增长速度 快速发展。许多模具企业十分重视技术发展。加大了用于技术进步的投入力 度，将技术进步作为企业发展的重要动力。此外，许多科研机构和大专院校 也开展了模具技术的研究与开发。模具行业的快速发展是使我国成为世界超 8 级制造大国的重要原因。今后，我国要发展成为世界制造强国，仍将依赖于 模具工业的快速发展，成为模具制造强国。 中国塑料模工业从起步到现在，历经了半个多世纪，有了很大发展，模 具水平有了较大提高。在大型模具方面已能生产 48（约 122CM）大屏幕彩 电塑壳注射模具，6.5KG 大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体 仪表板等塑料模具，精密塑料模方面，以能生产照相机塑料件模具，多形腔 小模数齿轮模具及塑封模具。经过多年的努力，在模具 CAD/CAE/CAM 技术， 模具的电加工和数控加工技术，快速成型与快速制模技术，新型模具材料等 方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面作出 了贡献。 尽管我国模具工业有了长足的进步，部分模具已达到国际先进水平，但 无论是数量还是质量仍满足不了国内市场的需要，每年仍需进口 10 多亿美 元的各类大型，精密，复杂模具。与发达国家的模具工业相比，在模具技术 上仍有不小的差距。今后，我国模具行业应在以下几方面进行不断的技术创 新，以缩小与国际先进水平的距离。 (1) 注重开发大型，精密，复杂模具；随着我国轿车，家电等工业的快 速发展，成型零件的大型化和精密化要求越来越高，模具也将日趋大型化和 精密化。 (2) 加强模具标准件的应用；使用模具标准件不但能缩短模具制造周期， 降低模具制造成本而且能提高模具的制造质量。因此，模具标准件的应用必 将日渐广泛。 (3) 推广 CAD/CAM/CAE 技术；模具 CAD/CAM/CAE 技术是模具技术发展的 一个重要里程碑。实践证明，模具 CAD/CAM/CAE 技术是模具设计制造的发展 方向，可显著地提高模具设计制造水平。 (4) 重视快速模具制造技术，缩短模具制造周期；随着先进制造技术的 不断出现，模具的制造水平也在不断地提高，基于快速成形的快速制模技术， 高速铣削加工技术，以及自动研磨抛光技术将在模具制造中获得更为广泛的 应用。 9 第二章 注塑件的设计 2.1 功能设计 功能设计是要求塑件应具有满足使用目的功能,并达到一定的技术指标. 该塑件是封口盖,承受外力的几率不大,如冲击载荷,振动,等情况比较少;塑 件的工作环境是室内，可能会和机油接触,这使得在材料选择时对热变形温 度,脆化温度,分解温度的要求降低;作为一种密封盖,且生产批量是大批大量 生产,这样,就必须考虑耐油性、生产成本和模具寿命,在材料的选择时要综 合各种因素;此外,塑料都会老化,作为一种光学用品,还要考虑到材料的光氧 化等问题. 2.2 材料 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, 本设计要求采用 ABS 材料，下面讲介绍 ABS 材料的各种性质： 2.2.1 ABS 塑料化学名称 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物 ；英文名称:Acrylonitrile Butadiene Styrene ABS 为丙烯腈 A、丁二烯 B 和苯乙烯 S 三种单体共聚而成的聚合物， 简称 ABS。每种单体都具有不同特性，从形态上看，ABS 是非结晶性材料。 这就决定了 ABS 材料的耐低温性、抗冲击性，外观特性，低蠕变性，优异的 尺寸稳定性及易加工性等多种特性。且表面硬度高、耐化学性好，同时通过 改变上述三种组分的比例，可改变 ABS 的各种性能，故 ABS 工程塑料具有广 泛用途。合成的 ABS 有中冲击型、高冲击型、超高冲击型及耐热型四类。由 10 于其具有韧、刚、硬的优点，应用范围已远远超过 PS，成为一种独立的塑料 品种。ABS 既可用于普通塑料又可用于工程塑料。 2.2.2 ABS 一般参数 比重: 1.05 克/立方厘米 成型收缩率: 0.4-0.7% 吸水率: 0.2%-0.45% 成型温度：200-240 干燥条件: 80-90 20 小时 热变形温度为: 70107 使用温度范围: -4080 硬度: R65-R115 2.2.3 一般性能 ABS 的外观为不透明呈象牙色的粒料，无毒、无味、吸水率低其制品可 着成各种颜色，并具有 90%的高光泽度。ABS 的相对密度为 1.05，ABS 同其 它材料的结合性好，易于表面印刷、涂层和镀层处理。ABS 的氧指数为 18.2，属易燃聚合物，火焰呈黄色，有黑烟，烧焦但不滴落，并发出特殊的 肉桂味。 ABS 是一种综合性能十分良好的树脂，在比较宽广的温度范围内具有较 高的冲击强度和表面硬度，热变形温度比 PA、PVC 高，尺寸稳定性好，收缩 率在 0.4%-0.8%范围内，若经玻纤增强后可以减少到 0.2%-0.4%，而且绝少 出现塑后收缩。其临界表面张力为 34-38mN/cm。 ABS 熔体的流动性比 PVC 和 PC 好，但比 PE、PA 及 PS 差，与 POM 和 HIPS 类似。ABS 的流动特性属非牛顿流体，其熔体粘度与加工温度和剪切速 率都有关系，但对剪切速率更为敏感。 2.2.4 力学性能 ABS 有优良的力学性能，其冲击强度极好，可以在极低的温度下使用。 即使 ABS 制品被破坏，也只能是拉伸破坏而不会是冲击破坏。ABS 的耐磨性 能优良，尺寸稳定性好，又具有耐油性，可用于中等载荷和转速下的轴承。 ABS 的蠕变性比 PSF 及 PC 大，但比 PA 和 POM 小。ABS 的弯曲强度和压缩强 度属塑料中较差的。ABS 的力学性能受温度的影响较大。 2.2.5 热学性能 ABS 属于无定形聚合物，无明显熔点；熔体粘度较高，流动性差；热稳 定不太好，耐候性较差，紫外线可使变色；热变形温度为 70107，制品 11 经退火处理后还可提高 10左右。对温度，剪切速率都比较敏感；ABS 在 40时仍能表现出一定的韧性，可在 -40到 80的温度范围内长期使用。 2.2.6 电学性能 ABS 的电绝缘性较好，并且几乎不受温度、湿度和频率的影响，可在大 多数环境下使用。 2.2.7 环境性能 ABS 不受水、无机盐、碱醇类和烃类溶剂及多种酸的影响，但可溶于 酮类、醛类及氯代烃，受冰乙酸、植物油等侵蚀会产生应力开裂。ABS 的耐 候性差，在紫外线的作用下易产生降解，置于户外半年后，冲击强度下降一 半。 2.3 结构 塑料制件的结构工艺性是指塑件结构对成型工艺方法的适应性.在塑料 生产过程中,一方面成型会对塑件的结构,形状,尺寸精度等诸方面提出要求, 以便降低模具结构的复杂程度和制造难度,保证生产出价廉物美的产品;另一 方面,模具设计者通过对给定塑件的结构工艺性进行分析,弄清塑件生产的难 点,为模具设计和制造提供依据。 2.3.1 壁厚 各种塑件,不论是结构件还是板壁,根据使用要求具有一定的厚度,以保 证其力学强度.一般地说,在满足力学性能的前提下厚度不宜过厚,不仅可以 节约原材料,降低生产成本,而且使塑件在模具内冷却或固化时间缩短,提高 生产率;其次可避免因过厚产生的凹陷,缩孔,夹心等质量上的缺陷.以下是 ABS 的最小壁厚 3 mm ,整体壁厚 3mm。 2.3.2 脱模斜度 由于塑件成型时冷却过程中产生收缩,使其紧箍在凸模或型芯上,为了便 于脱模,防止因脱模力过大而拉坏塑件或使其表面受损,与脱模方向平行的塑 件内,外表面都应具有合理的斜度.以下是 ABS 的脱模斜度推荐值:制件外表 12 面 35-1.35,制件内表面 30-1塑件内外表面在造型时均没有弧度,脱 模斜度就是在分形面处,这不仅对脱模有好处，而且可以更好的锁紧。 2.3.3 圆角 塑件上各处的轮廓过度和壁厚连接处，一般采用圆角连接，有特殊要求 时才采用尖角结构。尖角容易产生应力集中，在受力或受冲击载荷时会发生 破裂。圆角不仅有利于物料充模，同时也有利于融料在模具型腔内的流动和 塑件的脱模。圆角的取值与应力集中的关系遵循 R/T 函数关系，当 R/T=0.6 以后应力集中变的缓和，该塑件大部分的圆角取 R5 以内，较小值取到 R1。 2.4 塑件工艺性分析 2.4.1 使用性能、制件技术要求和生产要求 该塑件为盖状，可用于防尘。根据要求，采用大批量生产，采用注塑成 型。 2.4.2 了解塑件材料及性能 根据要求，材料采用 ABS 塑料，ABS 低蠕变性，且不受水、无机盐、碱 醇类和烃类溶剂及多种酸的影响。收缩率为 5；溢边值为 0.04mm，其成型 性能: (1)无定形料,吸湿小,不须充分干燥,不易分解.但热膨胀系数大,易产生 内应力,流动性能好.可采用螺杆或柱塞式注射机成型。 (2)宜用高料温,高模温,低注射压力延长注射时间有利于降低内应力,防 止缩孔变形。 (3)可用各种形式浇口,浇口与塑件圆弧连接,以免去处浇口时损坏塑件, 脱模斜度大,顶出均匀,塑件壁厚均匀,最好不带镶件,有镶件要预热。 2.4.3 塑件尺寸精度分析 本设计采用的是小尺寸的精度设计，在保证基本尺寸情况下，以减少加 工成本为第一准则。 2.4.4 塑件表面质量分析 (1)必须避免在塑件的分型面处出现毛边； 13 (2)注意通孔处不出现锐边； 2.4.5 塑件的结构工艺性分析 (1)根据塑件的尺寸要求，塑件有较好成型性能； (2)塑件本身结构简单，利于分模； (3)从塑件结构看，设置一个分型面。 2.4.6 注塑模工艺条件: 干燥处理：ABS 材料具有吸湿性，要求在加工之前进行干燥处理。建议干燥 条 件为 8090下最少干燥 2 小时。材料温度应保证小于 0.1%。 熔化温度：210-280，建议温度：245。 模具温度：25-70，（模具温度将影响塑件光洁度，温度较低则导致光 洁 度较低。） 注射压力：5001000bar。 注射速度：中高速度。 2.4.7 ABS 的“阻燃添加剂” 对 ABS 塑料具有较好阻燃作用的主要有磷系、卤系有机物及某些无机化 合物，其中无机阻燃剂在 ABS 中添加量需要达到 40%以上才有较明显的效果， 同时由于其添加量大，因此会严重损害 ABS 的物理力学性能。而磷系阻燃剂 品种、数量较少，且多数又为液体和低熔点化合物，不适用于 ABS 的造粒加 工工艺。因此，当前对于 ABS 的阻燃体系主要采用卤系阻燃剂，其中阻燃效 果最好的为含溴有机化合物，如十溴二苯醚 (DBDPO)、四溴双酚 A 等，其外 观如下图 2-1： 14 图 2-1 十溴二苯醚、四溴双酚 A 外观 第三章 注塑成型的准备 3.1 注塑过程 注塑成型是利用塑料的可挤压性与可模塑性，首先将松散的粒状或粉状 成型物料从注塑机的料斗送入高温的机筒内加热熔融塑化，使之成为粘流状 态熔体，然后在柱塞或螺杆的高压推动下，以很大的流速通过机筒前端的喷 嘴注射进入温度较低的闭合模具中，经过一段时间的保压冷却以后，开启模 具便可以从模腔中脱出具有一定形状和尺寸的塑料制件。一般分为三个阶段 如图 3-1： 图 3-1 注塑成型压力时间曲线 (1)物料准备：成型前应对物料的外观色泽、颗粒情况，有无杂质等进行检 验，并测试其热稳定性，流动性和收缩率等指标。对于吸湿性强的塑料，应 15 根据注射成型工艺允许的含水量进行适当的预热干燥，若有嵌件，还要知道 嵌件的热膨胀系数，对模具进行适当的预热，以避免收缩应力和裂纹，有的 塑料制品还需要选用脱模剂，以利于脱模。 (2)注塑过程：塑料在料筒内经过加热达到流动状态后，进入模腔内的流动 可分为注射，保压，倒流和冷却四个阶段，注塑过程可以用如图所示 3.1 所 示。图中 T0 代表螺杆或柱塞开始注射熔体的时刻；当模腔充满熔体 （T=T1）时，熔体压力迅速上升，达到最大值 P0。从时间 T1 到 T2，塑料仍 处于螺杆（或柱塞）的压力下，熔体会继续流入模腔内以弥补因冷却收缩而 产生的空隙。由于塑料仍在流动，而温度又在不断下降，定向分子（分子链 的一端在模腔壁固化，另一端沿流动方向排列）容易被凝结，所以这一阶段 是大分子定向形成的主要阶段。这一阶段的时间越长，分子定向的程度越高。 从螺杆开始后退到结束（时间从 T2 到 T3），由于模腔内的压力比流道内高， 会发生熔体倒流，从而使模腔内的压力迅速下降。倒流一直进行到浇口处熔 体凝结时为止。其中，塑料凝结时的压力和温度是决定塑料制件平均收缩率 的重要因素。 (3)制件后处理：由于成型过程中塑料熔体在温度和压力下的变形流动非常 复杂，再制件内经常出现不均匀的结晶、取向和收缩，导致制件内产生相应 的结晶、取向和收缩应力，脱模后除引起时效变形外，还会使制件的力学性 能，光学性能及表观质量变坏，严重时会开裂。故有的塑件需要进行后处理， 常用的后处理方法有退火和调湿两种: 退火是为了消除或降低制件成型后的 残余应力，此外，退火还可以对制件进行解除取向，并降低制件硬度和提高 韧 性，温度一般在塑件使用温度以上的 10-20 度至热变形温度以下 10-20 度之 间；调湿处理是一种调整制件含水量的后处理工序，主要用于吸湿性很强、 而且又容易氧化的聚酰胺等塑料制件.调湿处理所用的加热介质一般为沸水 或醋酸钾溶液（沸点为 121），加热温度为 100-121，保温时间与制件 厚度有关，通常取 2-9 小时。针对设计的材料、结构及应用场合分析，不需 要采用退火和调湿处理。 16 3.2 注塑成型工艺条件 (1)温度：注塑成型过程中需要控制的温度有料筒温度，喷嘴温度和模具温 度等。喷嘴温度通常略微低于料筒的最高温度，以防止熔料在直通式喷嘴口 发生“流涎现象”。为了保证制件有较高的形状和尺寸精度，模具温度必须 低于塑料的热变形温度。ABS 料与温度的经验数据如表 3-1 所示。 表 3-1 温度的经验数据 (2)压力：注射成型过程中的压力包括注射压力，保压力和背压力。注射压 力用以克服熔体从料筒向型腔流动的阻力，提供充模速度及对熔料进行压实 等。对于像 ABS 流动性好的料，保压力应该小些，以避免产生飞边，保压力 可取略低于注射压力。背压力是指注塑机螺杆顶部的熔体在螺杆转动后退时 所受到的压力根据生产经验，背压的使用范围 3.4-27.5MPA。 (3)时间：完成一次注塑成型过程所需要的时间称为成型周期。包括注射时 间，保压时间，冷却时间，其他时间，在保证塑件质量的前提下尽量减小成 型周期的各段时间，以提高生产率，其中，最重要的是注射时间和冷却时间， 在实际生产中注射时间一般为 3-5 秒，保压时间一般为 20-120 秒，冷却时 间一般为 30-120 秒。确定成型周期的经验数值如表 3-2 所示： 表 3-2 成型周期与壁厚关系 制件壁厚 /mm 成型周期 / s 制件壁厚 / mm 成型周期 / s 0.5 10 2.5 35 1.0 15 3.0 45 1.5 22 3.5 65 2.0 28 4.0 85 料筒温度 / 喷嘴温度/ 模具温度/ 热变形温度 / 后段 中段 前段 150-210 170-230 190-250 240-250 25-70 70-107 17 经过上面的经验数据和推荐值，可以初步确定成型工艺参数，因为各个推荐 值有差别，而且有的与实际注塑成型时的参数设置也不一致，结合两者的合 理因素，初定制品成型工艺参数如表 3-3 所示: 表 3-3 制品成型工艺参数初步确定 3.3 注塑机的选择 3.3.1 注塑机简介 注塑机又名注射成型机或注射机。它是将热塑性塑料或热固性料利用塑 料成型模具制成各种形状的塑料制品的主要成型设备。分为立式、卧式、全 电式。注塑机能加热塑料，对熔融塑料施加高压，使其射出而充满模具型腔。 注塑机的分类方式很多,目前尚未形成完全统一标准的分类方法。常用 的说法有: （1）按设备外形特征分类:卧式,立式,直角式,多工位注塑机； （2）按加工能力分类:超小型,小型,中型,大型和超大型注塑机。 此外还有按用途分类和按合模装置的特征分类,但日常生活中用的较少。 3.3.2 注塑机基本参数 注塑机的主要参数有公称注射量、注射压力、注射速度、塑化能力、锁模力、 合模装置的基本尺寸、开合模速度、空循环时间等。这些参数是设计、制造、 购买和使用注塑机的主要依据： （1）公称注塑量：所能达到的最大注射量,反映了注塑机的加工能力。 特性 内容 特性 内容 注塑机类型 螺杆式 螺杆转速（r/min） 48 喷嘴形式 直通式 模具温度 50 喷嘴温度() 230 后段温度() 150-210 中段温度() 170-230 前段温度() 190-250 注射压力 MPa 90 保压力 MPa 80 注射时间 s 3 保压时间 s 10 冷却时间 s 20 其他时间 s 12 成型周期 s 45 成型收缩(%) 0.5 干燥温度() 80-90 干燥时间() 2-3h 18 （2）注射压力：为了克服熔料流经喷嘴,浇道和型腔时的流动阻力,螺 杆(或柱塞)对熔料必须施加足够的压力,我们将这种压力称为注射压力。 （3）注射速率：为了使熔料及时充满型腔,除了必须有足够的注射压力 外,熔料还必须有一定的流动速率,描述这一参数的为注射速率或注射时间或 注射度。 常用的如所示表 3-4 注射速率： 表 3-4 注射速率 注射量 /cm 3 125 250 500 1000 2000 4000 6000 10000 注射速率/cm 3/s 125 200 333 570 890 1330 1600 2000 注射时间/s 1 1.25 1.5 1.75 2.25 3 3.75 5 （4）塑化能力：单位时间内所能塑化的物料量.塑化能力应与注塑机的 整个成型周期配合协调,若塑化能力高而机器的空循环时间长,则不能发挥塑 化装置的能力,反之则会加长成型周期。 （5）锁模力：注塑机的合模机构对模具所能施加的最大夹紧力,在此力 的作用下模具不应被熔融的塑料所顶开。 （6）合模装置的基本尺寸：包括模板尺寸,拉杆空间,模板间最大开距, 动模板的行程,模具最大厚度与最小厚度等.这些参数规定了机器加工制件所 使用的模具尺寸范围。 （7）开合模速度：为使模具闭合时平稳,以及开模,推出制件时不使塑 料制件损坏,要求模板在整个行程中的速度要合理,即合模时从快到慢,开模 时由慢到快在到停。 （8）空循环时间：在没有塑化,注射保压,冷却,取出制件等动作的情况 下,完成一次循环所需的时间。 3.3.3 选择注塑机 （1）由注射量选定注射机.由 PRO/E 建模分析得（材料密度取 =1.05g/cm 3）: 总体积 V=43.66cm3； 总质量 M=45.84g； 流道凝料 (流道凝料的体积(质量)是个未知数,根据手册 0.5V(0.5M)V5.0 来估算,塑件越大则比例可以取的越小)； 19 实际注射量为:V 实 =43.661.5=65.49 cm3； 实际注射质量为 M 实 =1.5M=45.841.5=68.76g； 根据实际注射量应小于 0.8 倍公称注射量原则, 即： 0.8 V 公 V 实 V 公 = V 实 /0.8=65.490.8=81.86 cm3 （2）一次成型的塑料重量（塑件与流道凝料之和）应在注塑机理论注射量 的 10%-80%之间；既能保证制品质量，又可充分发挥设备的能力，则选 50%- 80%为最佳。 （3）塑件的形状较复杂，壁厚不均，也无特别高的精度要求，但是塑件的 材料为 ABS，粘度为中等，一般选用的压力为 50-100Mpa，因塑件的结构较 简单，取 P=60Mpa 塑件的投影面积计算 A=6X3.6X4=86.4cm 型腔的压力计算 P 腔 =2/3P=40Mpa 锁模力的计算 F=AP 腔 =86.440=33104N 根据计算，初选柱塞式注射机 ：XS-Z-60 3.4 注射机有关参数的校核和最终选择 (1) 模具闭合高度的校核 安装模具的高度应满足： HminHHmax 设计模具高度为 H 总 =237mm 由于 XS-Z-60 型注射机所允许模具的最小厚度为 Hmin70mm，最大厚度为 Hmax200mm,所以，模具闭合高度不能满足安装要求。 改选 XS-ZY-125 型，最大装模高度 Hmax=300mm，最小装模高度 Hmin=200mm，H 总 =237mm 介于二者之间，满足模具厚度安装要求 (2) 注塑机的有关参数如表 3-5： 表 3-5 XY-ZY-125 型注塑机的主要参数 注塑机型号 XS-ZY-125 额定注射量 125cm3 螺杆（柱塞）直径 42mm 注射压力 120Mpa 注射行程 115mm 20 3.5 模具开模行程校核 模具开模行程应满足：SmSz 其中：Sz 为最大开模行程，查注射机 XS- ZY-125 型 Sz=300mm，Sm 为模具的开模行程；Sm=塑件的高度+浇注系统的高 度+顶件的顶出高度+（5-10）mm=17+50+20+7=94mm 可见 Sm 符合条件。 3.6 注塑机的参数校核 P 机 P 塑 P 机 注射机的最大注射压力，单位 Mpa 或 N/cm3 P 塑 成型塑件所需的注射压力，单位 Mpa 或 N/cm3 一般 ABS 取 50-100Mpa， XS-ZY-125 注射机的最大注射压力 P 机 =150Mpa，可见 XS-ZY-125 注射机满足 PS 注射压力的要求。 综合验证，XS-ZY-125 型注射机完全能满足此模具的注射要求盖注塑模 的结构设计 注射方式 螺杆式 锁模力 900KN 最大成型面积 320cm2 最大开合模行程 300mm 模具最大厚度 300mm 模具最小厚度 200mm 喷嘴圆弧半径 R12mm 喷嘴孔直径 4 mm 顶出形式 两侧设有顶杆，机械顶出 动、定模固定板尺寸 428X458mm 拉杆空间 260X290mm 合模方式 液压、机械 流量 100、12L/min 液压泵 压力 6.5Mpa 电动机功率 11KW 加热功率 5 KW 机器外形尺寸 3340X750X1550mm 21 第四章 模具设计 4.1 塑料配方说明 塑料配方设计是塑料制品成型加工中在加工设备和工艺参数确定之后所 必须进行的重要环节,设计水平的高低直接关系到塑料制品的最终使用性能 的优劣,也是应用现代技术对塑料进行改性的过程,其技术含量极高.一个成 功配方的产生是多年实践经验与应用高新技术的结局.塑料是以高分子聚合 物为主要成分,加入一定量添加剂而组成的一种混合物,添加剂是由一系列为 改变塑料的某些性能而添加的混合物,通常为填充剂,增塑剂,稳定剂,润滑剂,着 色剂等.根据 ABS 的特性及使用性能要求,配方中应含有以下添加剂. 填充剂玻璃微珠；ABS 成型后易产生内应力,添加玻璃微珠使塑料的 流动性好,残余内应力分布均匀,使光的漫反射率为 80%-88%。如图 4-1 22 图 4-1 玻璃微珠放大图 增韧剂SBS,ABS,EPR；PS 的冲击性能很差,是一种十分脆的材料,增 韧改性是必须的。 光稳定剂氧化锌；塑料制品在日光或强荧光下，由于吸收紫外光的 能量，引发氧化反应，导致聚合物降解，使制品的外观或内在性能变坏，这 一过程称为光氧化或光老化。 润滑剂硬脂酸及其盐类；对塑料的表面去润滑作用,防止塑料在成 型加工时黏模,同时提高塑料制品表面光洁度。 着色剂粉红色；在塑料制品中，需要着色的大约占 80%左右，着色 的目的有 1：增加制品美感，以吸引消费者的购买欲望;2：提高产品的耐候 性，主要是通过着色剂防紫外线功能而实现的。 4.2 分型面的确定 根据分型面的选择原则： （1）便于塑件脱模； （2）在开模时尽量使塑件留在动模； （3）外观不遭到损坏； （4）有利于排气和模具的加工方便。 结合产品结构,分型面确定在塑件的最大投影面积上.如图 4-2 所示。 23 图 4-2 分型面的位置 4.3 型腔数目的确定 注塑模的型腔数目,可以是一模一腔,也可以是一模多腔,在型腔数目的 确定时主要考虑以下几个有关因素： （1）塑件的尺寸精度； （2）模具制造成本； （3）注塑成型的生产效益； （4）模具制造难度。 根据大批量生产要求，本模具采用一模四腔，塑件型腔位置设在模具环 中心处。 4.4 浇口确定 ABS 料的流动性好,可适用于各种浇口,为了不影响外观,简化模局结构, 确定使用轮辐式浇口。如图 4-3 24 图 4-3 轮辐式浇口 4.5 模具材料的选择 现有的模具模架已经标准化,所以在模具材料的选择时主要是根据制品 的特性和使用要求选择合理的型腔和型芯材料.如何合理的选择模具钢,是关 系到模具质量的前提条件,如果选材不当，则所有的精密加工所投入的工时, 设备费用将浪费。 在选择模具钢时,首先必须考虑材料的使用性能和工艺性能,从使用性能 考虑:硬度是主要指标之一,模具在高应力作用下欲保持尺寸不变,必须有足 够的硬度,当承受冲击载荷时还要考虑折断,崩刃问题,所以韧性也是一重要 指标,耐磨性是决定模具寿命的重要因素,从 ABS 特性看,这三项指标是必须 要满足的,此外还有抗压屈服强度和抗弯强度和热疲劳能力的指标。 从工艺性能考虑:要热加工工艺好,加工温度范围宽,冷加工性能如切削, 铣削,抛光等加工性能好,此外还要考虑淬透性和淬硬性,热处理变形和氧化 脱碳等性能.另外从经济考虑,要求材料来源广,价格低。 查手册选择模仁的材料是 45 钢，属中碳钢,该钢机械加工性能较好,经 热处理(淬火及回火)后,具有优良的耐腐蚀性能,抛光性能,较高的强度和耐 25 磨性,适于制造承受高负荷,高耐磨及在腐蚀介质作用下的塑料模具,透明塑 料制品模具等。 4.6 浇注系统设计 注塑模的浇注系统是指模具中从注塑机喷嘴开始到型腔入口为止的塑料 熔体的流动通道，它由主流道，分流道，冷料穴和浇