薄壁凸台套筒注塑模具设计及CAE分析

苏州大学本科生毕业论文（设计）摘要本文主要介绍了薄壁凸台套筒注塑模具的设计过程，以Pro/E、CAD等绘图工具为基础，对注塑模具的结构进行了详细设计，完成了模具的装配图以及主要零件的零件图。设计过程中，分析了塑件的结构、成型工艺可行性，介绍了模具的基本工作原理，并对注塑机的选择、浇注系统、型腔布置、成型零件、脱模机构、导向机构、顶出系统、排气系统、冷却系统、以及相关参数的设计及校核作了详细的计算。除了设计之外，本文还通过模流分析软件moldflow对模具浇注系统、冷却系统及流动系统进行了模拟分析，基本完成了模具的整个设计过程。关键词：薄壁、注塑、模具、moldflowAbstractThis paper applies the design precedure of the injection mold of thin-walled convex sleeves. Based on Pro/e and CAD, detailed design of the structure of the injection mold is carried out. The assembly drawing and some part drawings of the main parts are completed. During the process of the design, the structure of the plastic part and the feasibility of forming technolohy are analysed, with the basic operation principle of the mould introduced, and detailed calculation of the choice of injection molding machine、pouring system、design of cavity、molding parts、demoulding mechanism、steering mechanism、ejection mechanism、exhaust system、cooling system、design and check of related parameters are provided. Besides, the simulation of the feed system、cooling system and running system is given out through moldflow. The entire process of the design is mostly completed.Keywords: thin-walled、injection、mould、moldflow2苏州大学本科生毕业论文（设计）前言在实际生产过程中，经常会遇到加工各种不同类型的薄壁零件，在加工过程中容易变形。对其内在外在引起变形的根源进行分析，在加工薄壁类零件时，找到如何防止其变形，从而达到零件图纸的设计要求，达到各项技术指标和稳定性要求的处理方法的探索是非常必要的。薄壁零件已日益广泛地应用在各工业部门，因为它具有重量轻，节约材料，结构紧凑等特点。但由于薄壁零件刚性差，强度弱，给加工过程带来了各种技术上的问题。塑料制品通常简称为塑件，研究塑件的结构设计工艺性具有重要意义。结构良好的塑件对模塑过程、减少缺陷、获得更快的充模速度等方面有良好作用。以壁厚为例,如果仅从满足使用性能考虑而使壁厚产生剧烈变化以及在长的窄通道末端存在着厚壁均将影响模腔充填,使制品产生缺陷。要在不改变结构的情况下解决这种流动不良的现象,就需要更高的注射温度和压力,以及更长的保压时间,因而延长了模塑周期。 薄壁塑料制品的结构工艺性直接影响制品本身的性能指标、成型工艺的实施和模具结构的复杂程度。因此,模具设计人员必须熟悉与设计模具有关的塑料制品结构工艺性方面的要求,以便在满足使用要求的前提下,考虑塑件在模具中成型的特点,充分发挥所用塑料在性能上的优势,达到简化塑件及模具结构、降低生产成本的目的。在塑料材料、制品设计及加工工艺确定以后，塑料模设计对制品质量与产量，就具有决定性的影响。首先，模腔形状、流道尺寸、表面粗糙度、分型面、进浇和排气位置选择、脱模方式以及定型方法的确定等，均对制品（或型材）尺寸精度和形状精度以及塑件的物理力学性能、内应力大小、表观质量与内在质量等，起着十分重要的影响。其次，在塑件加工过程中，塑料模结构的合理性，对操作的难易程度，具有重要的影响。再次，塑料模对塑件成本也有相当大的影响，除简易模具外，一般说来制模费用十分昂贵，大型塑料模更是如此。塑料模是塑料制品生产的基础之深刻含义，正日益为人们理解和掌握。当塑料制品及其成型设备被确定之后，塑件质量的优劣以及生产效率的高低，模具因素约占80%。由此可知，推动模具技术的进步是刻不容缓的策略。尤其大型塑料膜的设计技术与制造水平，常常可标志一个国家工业化的发展程度。第一章 塑件可行性分析1.1 外形尺寸及精度等级该塑件外径5.98mm，长度14mm，最大壁厚0.45mm，尾部锁紧扣尺寸，长度0.3mm，单边高度0.15mm。其中尺寸5.08，5.98，14mm存在公差，查表可知公差等级为IT11，未注公差取自由公差等级。图1-1 薄壁凸台套筒1.2 塑件的材料及其性能PS聚苯乙烯，热塑性材料，流动性较好，抗拉强度高，化学性能稳定，成型性能好，适合于点浇口。（具体参数如表1-1）表1-1 PS主要性能参数密度1.041.06g/cm收缩率0.50.6%抗拉屈服强度3563MPa拉伸弹性模量28003500MPa抗弯强度6198MPa冲击韧性0.540.86kJ/m热变形温度6596C硬度M6580HB1.3 分型面和脱模斜度的确定由于零件尾部锁紧扣锥度方向与抽芯方向相反，而且型腔深度较深，不便于加工，所以选择分型面时综合分析，将分型面设在零件大端面。考虑到零件尾部锁紧扣尺寸较小（单边尺寸0.15mm），根据使用用途，塑件变形后可以回弹不影响功能，故将芯轴按照零件内型加工，留出收缩量，并在芯轴外圆上加工多道台阶，台阶高度双边0.1mm，宽度1mm，可将注塑后零件从型腔中抽出，再使用退料板将零件从芯轴上推下，可实现注塑过程。PS（聚苯乙烯）的成型性能良好，成型收缩率较小，根据参考文献查表，选择塑件上型芯和凹模的统一脱模斜度为1度。1.4 型腔数量和排列方式的确定该塑件要求月产量200万件，属于大批量生产，在保证塑件质量前提下，尽可能采用一腔多模或高速自动化生产，以缩短生产周期，提高生产率。按照一台注塑机两班生产，每模6件计算，则月产量为35万件，远远不满足生产要求。由于塑件精度等级较低，体积小，不需要侧抽芯机构，在保证塑件质量的前提下，为了提高设备的利用率，考虑模具采用1腔32模进行设计。排列方式如图1-2所示图1-2 一模32腔第二章 注塑机的选择2.1 塑件体积和其他参数的计算1.单个塑件的体积和质量计算根据塑件形状进行大致计算，得到塑件体积V1=105mm=0.105cm，塑件材料聚苯乙烯（PS）的密度取=1.041.06g/cm，则单个塑件的质量为m=0.1g。2.模具所需塑料熔体注射量计算V=n*V1+V2式中，V 一副模具所需塑料的体积（cm）； n 初步选定的型腔数量； V1 单个塑件的体积（cm）； V2 浇注系统的体积（cm）。对于流动性较好的普通精度塑件，浇注系统凝料约为塑件体积的15%-20%，考虑深长型薄壁零件，设计时以0.6nV1作为预测估算，即注射V=1.6n*V1=5.376 cm3.锁模力计算A=n*A1+A2Fm=（n*A1+A2）*p式中，A 塑件及流道凝料在分型面上的投影面积（mm）； A1 单个塑件在分型面上的投影面积（mm）； A2 流道凝料（包括浇口）在分型面上的投影面积（mm）； F 模具所需的锁模力（N）； p 塑料熔体对型腔的平均压力（MPa）。对于多型腔模的统计分析，流道凝料（包括浇口）在分型面上的投影面积A2大致是单个塑件在分型面上的投影面积A1的0.2-0.5倍，因此可用0.35nA1来估算，计算得，A1213 mm。查表2-1 部分塑料所需的注射压力（伍先明塑料模具设计指导），对于难流动的薄壁窄浇口件，聚苯乙烯所需的注射压力P1=120150MPa，而成型时塑料熔体对型腔的平均压力p，其大小一般为注射压力的30%65%。计算得，p3697.5MPa，取80MPa。所以，锁模力F=A*p97KN2.2 注塑机的型号和规格的初步选择注射机的最大注射量（额定注射量G）和额定锁模力F应满足：GV/=6.72（取0.8），FFm=97KN根据计算的各项参数，选择注塑机型号为SZ-100/80，注塑机各项参数如表:2-1所示。表2-1注塑机主要参数型号SZ-100/80螺杆直径/mm35最大注射容量/cm100注射压力/MPa170锁模力/kN800最大模具厚度/mm300最小模具厚度/mm170拉杆内间距/mm320*320模板行程/mm305喷嘴圆弧半径/mm10喷嘴孔径/mm3注射速率g/s95螺杆转速r/min0200塑化能力g/s40第三章 浇注系统的设计3.1 模具浇注系统的设计原则普通浇注系统由主流道、分流道、浇口和冷料井组成。浇注系统的设计时注塑模具设计的一个重要环节，在设计浇注系统之前必须明确塑件成型位置，这对注塑成型周期和塑件质量（如外观、物理性能、尺寸精度）都有着直接的影响，设计时应遵循如下原则：（1）.型腔布置和浇口开设部位对称，防止模具承受偏载而造成溢流现象；（2）.型腔和浇口的排列尽可能地减少模具外形尺寸；（3）.系统流道应尽可能短，断面尺寸相当，尽量减少弯折，使热量和压力损失尽可能小；（4）.多型腔应尽可能使塑料熔体在同一时间内进入各个型腔，分流道尽可能平衡布置；（5）.满足型腔充满的前提下，浇注系统容积尽量小，以减少塑料的消耗量；（6）.浇口位置适当，尽量避免冲击型芯，防止型芯变形，浇口残痕不应影响塑件的外观。3.2 主流道的设计主流道的长度： 对于小型模具L应尽量小于60mm，这里取值50mm；主流道小端直径 d=注射机喷嘴尺寸+（0.51）mm=3+（0.51）mm=4mm；主流道大端直径 D=d+L*tan=7.5mm，（其中4）；主流道球面半径 SR=注射机喷嘴球头半径+（12）mm=10+2=12mm；球面的配合高度 h=3mm。主流道凝料体积 V主=1338 mm图3-1 浇口套（详细参数见零件图）3.3 分流道的设计分流道是主流道和浇口之间的通道，一般开在分型面上。本模具中采用梯形流道。查表可知聚苯乙烯分流道断面直径范围为3.510mm，这里取值10mm（主流道大经为8mm），梯形高度5mm。每节分流道比下一节分流道大10%20%左右，表面粗糙度一般取0.631.6um左右即可。图3-2 分流道图3-3第一到第四节分流道的截面形状3.4 点浇口的设计点浇口位置寻在分型面上，以便于模具加工及使用时的清理，根据零件的特点，浇口位置设置在尾部断面中心。浇口截面面积约为分流道截面面积额的3%9%，直径常为0.51.8mm，浇口长度0.52mm。此模具中，塑件分型面处尺寸较小，故都取值为0.5mm。图3-4 点浇口3.5 冷料穴的设计冷料穴的目作用是储存因两次注射间隔而产生的冷料头以及熔体流动的前锋冷料，以防止冷料进入型腔。冷料穴一般设置在主流道的末端，当分流道较长时，在分流道的末端有时也开设冷料穴。本设计中将冷料穴设置在各个分流道末端，详见图3-2。第四章 成型零件的设计注：PS收缩率为0.5%0.6%，这里取0.5%。尺寸公差0.1mm，径向尺寸修正系数x取0.8，轴向尺寸修正系数x取0.65。详细尺寸及技术要求见零件图。凸模型芯的尺寸计算塑件尺寸型芯尺寸h1=3.1mm3.12mm*h2=10.4(0，-1)mm11.10(0，-1)mmd1=2.2mm2.21mm*d2=5.08(+0.06，0)mm5.15(0，-0.06)mm凹模型腔的尺寸计算塑件尺寸型腔尺寸H1=3mm3.02mm*H2=11(0，-1)mm10.45(+1，0)mmD1=2.9mm2.91mm*D2=5.98(0，-0.08)mm5.95(+0.08，0)mm第五章 脱模机构的设计为将零件从芯轴上退下，模具采用推件板将塑件取下，推件板内孔与芯轴间隙为0.06mm。由于锁紧扣的存在和，芯轴在设计过程中需要加工多道台阶，详见芯轴零件图。单个塑件（以薄壁圆筒计算）的脱模力计算F=250.9N；单个塑件在推件板推出时的推出面积A=7.818 mm则，推出应力=F/A=32.09MPa35Mpa（抗拉屈服强度），合格。第六章 模架型号和相关尺寸的确定6.1 模架的选取根据模具型腔布局的中心距可以算出型腔所占平面尺寸为80mm*174mm，条件（1）80W3-10，即W390mm，查表得W3=110，故W=180，D2=12。条件（2）174L2-D2-30，即L2174+12+30=216， 查表得L2=208，故L=250。所以，所选模架为W*L=180*250，DB型模架6.2 各模板尺寸的确定1.A板尺寸：A板为定模型腔板，包含（分流道凝料厚度5mm、浇口深度、塑件高度14mm），这里取25mm。2.B板尺寸：B板是型芯固定板，按模架标准板厚取25mm。3.C板（垫板尺寸）：垫板=推出行程+推板厚度+推杆固定板厚度+（510）mm=14+15+20+（510）=5459mm，初步选定60mm。 4.其余尺寸（H1、H2、H3等）均为标准模架厚度，查表可得。6.3 模架尺寸的校核1.模具平面尺寸230mm*250mm320mm*320mm（拉杆内间距）；2.模具高度尺寸230mm，170mm230mm305mm（模具最大、最小厚度）；3.开模行程S=H1+H2+（510）mm=14+65+(510)=8489mm305mm。故，模架各尺寸均合格。第七章 导向和定位机构的设计注射模的导向机构用于动、定模之间的开合模导向和脱模机构的运动导向。按作用分为模外定位和模内定位。模外定位是通过定位圈与注射机相配合，使模具的浇口套能与注射机喷嘴精确定位（由于本模具的定模座板和推料板尺寸较小，浇口套未采用标准件，定位方式如下图，详细尺寸公差及技术要求见零件图）。而模内定位机构则通过导柱导套进行合模定位。本模具所成型的塑件比较简单，模具定位精度要求不是很高，因此可采用模架本身所带的定位机构。图7-1 浇口套的定位第八章 排气和冷却系统的设计塑料熔体在填充模具的型腔过程中同时要排出型腔及流道原有的空气，除此之外，塑料熔体会产生微量的分解气体，这些气体需及时排出。否则，被压缩的空气会产生高温，引起塑件局部碳化烧焦，或塑件产生气泡，亦或是塑件熔接不良引起强度下降，甚至冲模不满。由于该模具为小型模具，且分型面位置事宜，推件板与芯轴之间存在0.1mm的设计间隙，可作为气体排出方式，故无需设计排气槽。由于塑件型腔以4*8排列，每个型腔间距24mm，冷却回路按照图8-1设置，冷却水口口径为6mm，每节水管长度24mm。图8-1 冷却水管的分布第九章 模具总装图图9-1 装配图1.动模座板；2.内六角螺钉；3.内六角螺钉；4.弹簧垫圈；5.挡环；6.垫块；7.支承板；8.动模板；9.推件板；10.定模板；11.推料板；12.直导套；13.带头导套；14.内六角螺钉；15.浇口套；16.定位圈；17.定模座板；18.带头导套；19.导柱；20.内六角螺钉；21.复位杆；22.推杆固定板；23.推板；24.拉料杆；25.型芯。第十章 模流分析的前期工作10.1 Pro/E建立塑件模型要进行模流分析，首先必须将待分析件的模型建立出来，同时并转换成Moldflow可以识别的格式。如图所示，将Pro/E模型转换成stl格式：图10-1 转换stl格式10.2 网格划分图10-2 网格划分网格统计结果： 图10-3 网格统计第十一章 最佳浇口位置分析 图11-1 最佳浇口位置最佳浇口的分析结果如图11-1所示，可以看出，最佳浇口位置位于套筒外圆面中见部位，与原设计略有差异。因为考虑到大批量生产，为简化模具，仍选取原方法。第十二章 填充与翘曲分析12.1 填充时间分析图12-1 填充时间由图中可以看出，充填所需时间约为0.1秒，时间偏短，可以通过调节注射压力、调节注射速度来调节充填时间。12.2 体积收缩率分析图12-2 体积收缩率由图中可以看出，底部中间处的体积收缩率较小，浇口处收缩率很大，整体收缩相对来说不大（若是比较大，则需增大保压压力）。12.3 零件变形分析图12-3 所有因素（取向、收缩、冷却等）引起的变形由图中可以看出，塑件大端面处变形较大，可能的因素是保压压力不足或者是保压时间不足，可以适当地增加保压压力和延长保压时间。12.4 气穴位置分析图12-4 气穴的位置从图中可以看出，气穴的位置集中在端面部位，这和熔料的流动有关，因为熔料从中间向两侧填充。分析结果显示气穴还比较多，所以需要适当在气穴附近开一些排气孔，同时增加注塑压力。12.5 熔接痕位置分析 图12-5 熔接痕位置分析由图可以看出，熔接痕的位置也在突起部位，跟气穴所在位置接近，熔接痕在很大程度上就是由气穴造成的。所以，要消除熔接痕首先要消除气穴，就是要增加排气孔，同时适当增加注塑压力、保压压力等。12.6 注射处压力分析图12-6 注射位置处压力图中可以看出，注塑分两个阶段，填充过程时间太短，注射压力较大，整个充填过程中压力较稳定，保压结束后压力释放，归零。第十三章 冷却与流动分析13.1 体积温度分析 图13-1 未加冷却回路时的体积温度图13-2 加冷却回路后的体积温度由图中可以看出，由于加了冷却回路，接水盒的温度明显降低。由于零件不大，且壁厚t=0.5mm，冷却效果很明显，整体体积温度都降低。13.2 冻结时间分析图13-3 冻结时间由图中可以看出，由于零件较小，壁厚较薄，总体冻结时间较短，从中间浇口位置开始到外侧冷却时间逐渐增大。13.3回路冷却介质温度分析 图4-15回路管壁温度由图中可以看出，冷却介质的温度不一样，入口处的温度最低，然后越来越高，出口处的温度最高。13.4 制品温度分析 图4-18 制品温度由于冷却回路的作用，制品的温度较低，且温度分布也较为均匀。13.5 螺杆速度分析图4-19 推荐螺杆速度有图中可以看出，螺杆速度越大，制品温度越高，因为螺杆速度越快，熔料流动就越快，冷却就不均匀，温度就越高。总结本论文主要介绍了薄壁凸台套筒注塑模具的设计过程，并对注塑过程进行了简单模拟，给出了分析过程中的部分图片。设计过程中，综合考虑了塑件材料的安全性、流动性、可塑性，塑件的质量要求，模具的制造成本，模具的可加工性等要素，本着一切从实际出发的原则，针对提高生产效率和产品质量两个方面进行设计。从第二章起详细介绍了模具各部件的设计计算过程，并给出了重要部件的零件图和部分详细尺寸，模具总装图则直观地展示了模具的整体构架。第十章起结合moldflow对相关的熔体流动进行模拟和分析，通过对注塑的最佳浇口位置及注塑过程中翘曲、变形、收缩、冷却等各种情况的研究，查出了一些缺陷并给出了相应的优化方案，消除缺陷或将缺陷控制在范围内。这对模具后期调试提供了参考，缩短了生产周期，节约了劳动成本。本文的设计已经基本完善，但是仍然存在一定的缺陷，比如模具的校核做得不够详细，模流分析做得还不够成熟，这些都需要在以后的工作中加以改进。要做出一个合格的模具，合理的数据计算、校核和零部件的设计是为关键的环节，如何使模具以最简单的结构达到较高的成产要求，是对设计者最大的考验。通过这次的毕业设计，对我们之前所学的基础专业知识进行了一次系统的巩固和知新，进一步扎实了我们的理论知识和实践经验，为我们以后步入工作或者更深入的学习打下了坚实的基础。参考文献1伍先明，张蓉等.塑料模具设计指导（第二版）.国防工业出版社.2011.2李建军，李德群.模具设计基础及模具CAD.机械工业出版社.2011.3韩进宏.互换性与技术测量.机械工业出版社.2011.4朱辉，唐保宁等.画法几何及工程制图.上海科学技术出版社.2009.5李德群，唐志玉.中国模具工程大典，第3卷，塑料与橡胶模具设计.电子工业出版社.2007.6李学志.计算机辅助设计与绘图（AutoCAD2007中文版）（第二版）.清华大学出版社.20077陈智勇.Moldflow 6.1 注塑成型从入门到精通.电子工业出版社.2009.致谢逝者如斯夫，不舍昼夜，四年的时光就这样不知不觉的过去了。在苏州大学的四年时光我永生难忘，学校严谨的学风，融洽的氛围，老师的精心指导和无私奉献的精神，都给予我很大的帮助。在这四年中，我从课堂上学习到了很多专业知识，同时，我利用课余时间拓展了很多课外知识。这些都为本论文的写作打下了扎实的基础，学校图书馆大量的文献资料也为本文提供了广泛的空间，在此表示感谢。完成毕业设计的过程锻炼了我自我学习，参阅资料，编写论文的能力，也开拓了视野，了解了国内外一些先进的技术与理念。这里还要特别感谢杨宏兵老师，本毕业论文正是在杨老师的指导之下完成的，在这一学期的时间里，如果没有杨老师的督促与指导，本论文也就无法完成。另外，也要感谢与我同组的所有同学，我们平时互帮互助、相互讨论、发现问题、解决问题，一起学习、探讨才能使毕业设计踏踏实实一步一步完成。末尾，再次感谢在完成本论文过程中帮助过我的老师与同学。29