咖啡杯塑料模具设计论文

毕业设计(论文)咖啡杯塑料模具设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 摘 要模具，又被称作为“工业之母”，其在机械制造领域中的重要性不言而喻，各种模具在消费电子、汽车、飞机制造等工业中大量应用。根据国际生产技术协会和我国工业部统计，目前我国机械制造工业的零件中，其粗加工的75%和精加工的50%都将依靠模具完成。而塑料零件由于其流动性好，充模性能佳，更是大量使用各种模具，90%的塑料零件是由模具完成。模具生产的水平高低直接关系到一个国家制造水平和技术含量的高低，并且关系到产品的使用寿命、外观造型、性能、创新性等方面。很多新技术的推广往往与新材料和新制造工艺的产生密不可分，而这些新的产物都需要模具这种传统工具作为依托才能真正应用到生活中。所以，模具对于工业制造领域有着重要的意义。通过查阅相关资料，了解本课题的国内外发展趋势并结合所学专业课程，本文以Pro/E软件作为分析，平台完成了咖啡杯造型设计、模具结构设计、模具总图设计、模具三维造型设计，并制定完整的注塑成形工艺，为模具的快速设计提供了一定的参考，具有重要的意义。关键词：模具，塑料零件，Pro/E，三维造型，注塑成形VAbstractMold, and referred to as the mother of industrial, its in the field of mechanical manufacturing is very important, all kinds of mould in consumer electronics, automobiles, airplanes manufacturing industry in great quantities in the application. According to the international production technology association and our country industry statistics, at present our country machinery manufacturing industry of the components, the rough machining precision of 75% and 50% of all will depend on mould completed. And plastic parts because of its good fluidity and filling mold performance is good, is the use of various molding, 90% of plastic parts is completed by the mould. The level of the mold production directly related to a country manufacturing level and technical level of the content, and related to the service life of the product, exterior modeling, performance, innovative, etc. A lot of new technology and new materials and promotion often new manufacturing processes produce inseparable, but these new products are need to mould the traditional tools as the basis to really applied to the life. So, mould for industrial manufacturing area has important significance. Through the access relevant information, understanding this topic development trend and unifies studies the professional course, this paper to Pro/E software as analysis, the platform completed the coffee cup modeling design, mould structure design, mold assembly drawing design, mould three-dimensional modeling design, and make the complete injection forming process, the rapid design for mould provides some reference, has the vital significance.Key Words: mould, plastic parts, Pro/E, 3 d modeling, injection forming目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 国内外塑料模具的研究现状11.1.1国内塑料模具研究现状11.1.2 国外塑料模具研究现状21.2国内外模具CAD/CAM技术发展现状21.2.1国内模具CAD/CAM技术发展现状21.2.2国外模具CAD/CAM技术发展现状31.3 本课题的任务4第2章 注塑模具设计的基本理论62.1注射成型的原理与过程62.1.1 塑化62.1.2 注射62.1.3 定型62.2注塑成型模具各零部件的设计72.2.1成型零件的结构设计72.2.2成型零件的作尺寸计算72.2.3成型零部件的强度刚度校核72.2.4其它辅助构件8第3章 基于Pro/E的注塑模具设计103.1 Pro/Engineer概述103.3.1 pro/Engineer软件基本情况103.3.2 pro/Engineer主要模块103.2 Pro/MOLDESIGN模块功能分析103.3 Pro/E模具设计的基本流程11第4章 基于PROE的咖啡杯造型及其模具设计134.1咖啡杯工艺分析134.2注塑机的选用144.3注射模设计步骤14第5章 咖啡杯模具设计155.1 塑料的基本特性及工艺分析155.2 聚丙烯主要用途及其成型特点155.3确定型腔数及位置布局方案165.3.1 型腔数的确定165.3.2 型腔布局方案165.3.3 确定分型面及模架组合形式175.4 浇注系统设计185.4.1 主流道、主流道衬套的设计185.4.2 分流道设计、浇口的设计195.4.3 冷料穴的设计及成形零部件的设计215.4.4 确定成形零部件工作尺寸215.4.5 侧向分型与抽芯机构设计22第6章 注射机的选择校核和模具零部件结构设计256.1 注射机的分类256.2 模具相关尺寸计算266.3 合模导向机构及脱模机构的设计286.4 注射量、注射压力及锁模力的校核296.5 模具高度与注射机闭合高度的关系校核、开模行程的校核30总结与展望32参考文献33致 谢35 第1章 绪论第1章 绪论模具是由机械零件构成，它与相应的压力成形机械相配合，具有直接改变金属或非金属材料的形状、尺寸、相对位置和性质，使之成形为合格制品或半成品零件1。作为一种高效率的工艺装备，模具具有节约原材料、制件成本低廉等一系列优点。目前，模具的应用日益广泛，已成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向，模具工业的水平和发展状况已被认为是衡量一个国家工业水平的重要标志之一。而在当今模具行业中，占大部分比例的是塑料成型模具，而塑料注射成型又是塑料模具工业中主要的加工方法之一，据统计塑料成形模具产量中约半数以上是注射模具2。近年来，随着新塑料的研发，以塑代钢、以塑代木的推广，塑料模的比例不断提高，塑料模将有更广阔的应用前景。同时，由于机械零件的复杂程度和精度的不断提高，对塑料模的精度要求也将越来越高，传统的制模方法已不能满足要求，这就促使了CAD/CAM技术在模具行业中的应用。而在CAD软件的开发中，参数化设计方法的研究已成为研究的热点，因此，研究塑料注射模具参数化设计关键技术，对提高塑料注射模具的设计效率具有更重要的现实意义。1.1 国内外塑料模具的研究现状1.1.1国内塑料模具研究现状我国塑料模具起步较晚，但发展很快，特别是近几年，无论在质量、技术和制造能力上都有很大发展，取得了很大成绩。按产值计算，目前我国塑料模具产值约占全部模具的1/3左右3。2006年，在第十届中国国际模具技术和设备展览会上4，温州市丰日模具厂的各类电器、开关、手机、汽配等注塑模具；精展精机有限公司的塑胶模具零配件；东莞精宝模具配件厂的各种精密模具零配件等都显示了其强大的优势。CAD/CAE/CAM技术在塑料模的设计制造上应用已越来越普遍；气体辅助注射成型技术的使用更趋成熟，不少企业已能在电视机外壳、洗衣机外壳、汽车饰件以及一些厚壁塑料件的模具上成功地运用气辅技术，一些厂家还使用C-MOLD气辅软件，取得了良好效果；热流道技术的应用更加广泛，近年来，热流道技术发展很快，热流道模具比例不断提高；精密、复杂、大型模具的制造水平有了很大提高；模具寿命不断提高。虽然近年来我国塑料模具技术水平已大大提高，但同国外发达国家相比还存在较大的差距5。1.1.2 国外塑料模具研究现状近年来，由于工业发展迅速的原因，国外发达国家的模具制造业发展也相当迅速。特别是在欧美，许多模具企业的生产技术水平在国际上都是一流的：在Arcam公司的基于EBM技术的自由成形制造工艺直接工具钢注射模具镶块方法研究中6，首次将复杂的冷却几何与传统的冷却镶块的直接比较，并通过热成像技术分析冷却效率与分布，为注射模提供了一种高效制造型芯部镶块的技术，从而降低了生产时间和成本，提高了产品质量；在模具的正确定向研究方面7，研究者针对在发动机舱中压铸铝部件日益地被耐热的热塑性塑料的注射模制品所替代的问题，讨论各向异性零件的模具设计，以玻璃纤维强化的PA废气回流阀为示例，在设计构件的机械零件时，为了确保零件成型制品质量，提出了制品纤维取向因素的模具设计方法；在高速铣削模具型腔的电火花加工（EDM）电极设计技术方面8，对于复杂模具型腔，在模具型腔加工前，EDM设计者提出几种可行的电极加工的组合设计方案，并确定最佳方案，给出了基于自动EDM电极设计系统理论的设计原理，以系统的逻辑运作方式，使EDM工程师便于实现电极设计任务，描述自动设计EDM电极的整体步骤；在模具制造的激光加工技术方面9，技术人员在高速铣削(HSM)与激光加工(LM)的粗、精的组合模具设计与加工时，通过嵌入在一个标准结构的数据库中的输入和输出的模具工艺数据，为将来的模具工艺优化和数据更新提供重要的技术支持，从而缩短了从模具设计到制造的时间。1.2国内外模具CAD/CAM技术发展现状1.2.1国内模具CAD/CAM技术发展现状我国在注塑模CAD技术开发研究与应用方面3起步较晚。从20世纪80年代中期开始，国内部分大中型企业先后引进了一些国外知名度较高的注塑模CAD系统。同时，某些高等学校和科研院所也开始了注塑模CAD系统的研制与开发工作。我国注塑模CAD/CAE研究10始于70年代末，发展较为迅速。多年来，我国对注塑模设计制造技术及其CAO的开发应用十分重视，在“八五”期间，这方面安排了“大型薄壁深腔注塑模具制造技术”、“多型腔小模数齿轮精密模具制造技术”和“实用CAD/CAM技术在精密注塑模制造中的应用”等国家重点企业技术开发项目，还安排了国家“八五”重点科技公关项日“塑料注塑模CAD/CAE/CAM集成系统研究”。这些项目的成果对促进我国注塑模CAD技术的迅速发展起了重要作用，使我国注塑模CAD技术及应用水平很快提高。华中理工大学是国内较早自行开发研究注塑模CAD/CAE/CAM系统的单位。自20世纪80年代中期开始，就在注塑模流动分析模拟和冷却分析模拟的研制方面进行了多年的研究与开发工作，推出了塑料注塑模CAD/CAE/CAM系统HSC-1。该系统包括塑件二维形状输入、流动模拟、冷却分析、型腔强度与刚度校核及模具图设计与绘制等功能，在一些企业单位应用，取得较好结果，现已实现商品化。在“八五”期间，由北京航空航天大学、华中理工大学、四川联合大学等单位联合进行了国家重点科技攻关课题“注塑模CAD/CAE/CAM集成系统”，并于 1996年通过鉴定，部分成果己投入实际应用。目前出现的拥有自主版权的软件有华中理工大学开发的塑料注塑模CAD/CAE/CAM系统HSC2.0，郑州工业大学研制的Z-MOLD分析软件等。浙江大学基于工作站的UG-系统开发出精密注塑模CAD/CAM系统。该系统采用特征造型技术构造产品模型，使形状特征表达与工艺信息描述统一，并利用特征反转映射实现了型腔模型的快速生成。上海交通大学从1983年开始，对注塑模CAD进行了多方面的研究。在国内首次将人工智能技术引入注塑模CAD系统中，于1988年开发出集成化注塑模智能以D系统。目前在工作站UG-平台上进一步开发智能CAD/CAE/CAM系统。合肥工业大学在注塑模结构以D技术方面进行了多年的研究与开发工作，先后研制出微机注塑模CAD系统IPMCAD和微机注塑模三维系统IPMCADV3.0，取得了较好的成绩。现在以AutoCAD R13.0和MDT作为环境，进一步采用参数化特征模型技术，研制出注塑模CAD三维参数化系统 PIM CADV4.0，在技术水平和实用性方面都达到较高水平。1.2.2国外模具CAD/CAM技术发展现状近二十多年间，国外注塑模CAD/CAM技术发展相当迅速。注塑熔体流体理论的研究始于20世纪60年代中期11，美国、英国、加拿大等国的学者如J.R.pearson(英)、J.F.Stevenson(美)、M.R.Kamal(加)、K.K.wang(美)等开展了一系列有关塑料熔体在模具型腔内流动与冷却的基础研究。70年代许多研究者对一维流动进行了大量研究，主要是计算塑料熔体在等直径圆管，中心浇口的圆盘以及端部浇口的矩形型腔中的流动过程。塑料流变学、几何造型技术、数控加工及计算机技术的发展有利地推动了注塑模CAD/CAM研究的深入，由最初的CAD技术和CAM技术以图纸为媒介传递信息向以D/CAM一体化方向发展。80年代初开展三维流动与冷却分析并把研究扩展到保压分子取向以及翘曲预测等领域，人们成功地采用有限元法分析三维型腔的流动过程，使设计人员可以依据理论分析并结合自身的经验，在模具制造前对设计方案进行评价和修改，以减少试模时间，提高模具质量。由于CAD/CAM技术对提高模具和产品质量、加快产品更新换代的巨大作用，许多国家的政府部门和科研机构投入了大量的人力、物力进行研究。80年代中期注塑模CAD/C胡进入实用阶段，出现了许多商品化注塑模CAD/CAM软件，比较著名的有:1.澳大利亚MOLDFLOW公司的MoldFlow系统12。它是一个率先推出的注塑模流动分析软件具有流动分析、冷却分析、翘曲分析、收缩分析、结构应力分析、注塑机参数优化、气体辅助注塑分析、塑件纤维取向分析、中型面自动生成、热固性塑料流动与融合分析等功能的软件;2.美国PTC公司的Pro/Engineer软件。这也是一个通用的CAD/CAM系统，具有很强的参数化特征造型功能，另外它还包括一个专用的模具设计模块Pro/Mo1dDesign使模具设计更加方便和直观;3.美国UG公司的UG系统。UG具有强大的曲面造型实体造型和CAM功能，是一个通用的CAD/CAM系统。UG带有模具设计模块 Mold wizard，它基于UG，利用UG/WAVE和Master Model技术提供了注塑模的型芯、型腔创建和模架库等各种功能;4.美国和意大利P&C的 CAD/CAM软件TMCONCEPT。该系统包括材料选择(TMC-MS)、成型工艺参数和模具费用优化(TMC-MCO).流动模拟(TMC-FA)型腔设计(TMC-CSE)及冷却分析(TMC-MTA)共五个程序包; 5.德国工KV研究所的CAD-MOULD系统，可用于注塑模流动分析、冷却分析、力学性能校核。进入20世纪90年代后开展了成型过程流动、保压、冷却、应力分析及翘曲的全过程模拟，将各独立模块有机地结合起来，考虑它们之间的相互影响，以提高模拟软件的分析精度和扩大适用范围。这些卓有成效的研究成果，为开发使用型的注塑模分析软件奠定了基础7。1.3 本课题的任务本文以咖啡杯为例，确定了咖啡杯的模腔数并选择相关注塑机，完成对应模具总图设计，模具总图用2D-CAD绘制，总图设计严格按标准，包含零件序号及零件明细表等；完成咖啡杯的造型设计，如动模、定模等型腔零件及动定模套板、浇口套等零件的设计，按制图标准标注尺寸、公差、形位公差及表面粗糙度等；对模具分型面、浇注方案、冷却方案等设计进行分析，如：内浇口截面积的计算及压室直径的确定等；对模具零件关键尺寸的确定进行计算，如套板边框尺寸、厚度尺寸、导柱直径、压室充满度计算等，具有很强的工程实用意义。39第2章 本章标题第2章 注塑模具设计的基本理论2.1注射成型的原理与过程塑料成型的基本原理就是利用塑料的可挤压性和可模塑性，首先将松散的颗粒料或粉状塑料成型物料从注射机的料斗送入高温的机筒内加热成熔融的塑化状态，使之成为溶融态熔体，然后在柱塞或活塞的高压推动下，以很大的流速通过注射机前端的喷嘴注射进入温度较低的闭合模具型腔之中，经过一段时间保压冷却后，开启模具更可从模具型腔中脱出具有一定形状和尺寸的塑料制件。注射成型过程是间歇操作，每完成一个操作周期需经过塑化、注射和定型、脱模取出制件等几个步骤:2.1.1 塑化塑化即塑料在料筒内经加热达到流动状态，并具有良好可塑性的全过程。因此可以说塑化是注射成型的准备过程。塑料在进入模腔之前应达到规定的成型温度，在规定时间内提供足够数量的熔融塑料，熔料温度应均匀一致，不发生热分解。2.1.2 注射即柱塞或螺杆前移将塑化好的熔料以一定的压力注入到闭合模腔的过程。注射过程中所采用的工艺条件如注射压力、注射速度等与塑料的特性、制品结构以及其它工艺条件等密切相关，它也直接影响成型制品的质量。2.1.3 定型从塑料熔体进入模腔开始，模腔注满之后，熔体在控制条件下冷却定形，直至制品从模腔中脱出。具体可分为充模、冷却、冷却三个连续阶段。1. 充模阶段从柱塞或螺杆前移直至塑料充满模腔为止。充模过程中所采用的充模速度或充模时间等工艺条件对成型制品中的分子取向、熔接线的强度等都有一定的影响。2. 保压阶段从熔体充满模腔起至柱塞或螺杆撤回为止。在这段时间内，塑料熔体会因冷却而发生收缩，但因塑料仍处于柱塞或螺杆的稳压下，因此料筒内的熔料仍然会向模腔内继续流入，以补足因收缩而留出的空隙。压实阶段对于提高制品的密度、降低成型收缩和克服制品表面缺陷等都有影响。此外，由于塑料还在流动，而且温度又在不断降低;取向分子容易被冻结，所以这一阶段是大分子取向形成的主要阶段。这一阶段的时间越长，分子取向程度也越大。3. 冷却阶段从浇口的塑料完全冻结时起到制品从模腔中脱出为止。模内塑料在这一阶段内主要是继续冷却，以便制品在脱模时具有足够的刚度而不致发生扭曲变形。在此阶段内由于模内塑料的温度、压力和体积均有变化，到制品脱模时，模腔内压力不一定等于外界压力。模腔内压力与外界压力的差值称为残余压力。4. 脱模既从模具中取出制件。注射成型过程的流程图如图2-1所示取出制件塑化合模保压阶段冷却阶段脱模冲模阶段下一个制件图2-1 注塑成型过程的流程图2.2注塑成型模具各零部件的设计2.2.1成型零件的结构设计成型零件包括型腔和型芯两种，分别是：1.型腔结构形式:整体式结构、整体嵌入式、局部拼镶式、四壁合拼式。2.型芯的结构形式:整体式、组合式、小型芯单独性加工后再嵌入模板中、非圆形小型芯、复杂型芯的组合方式。2.2.2成型零件的作尺寸计算1.成型零件的工作尺寸指成型零件上直接用来成型制件的尺寸。型芯型腔的径向尺寸、型芯的高度尺寸、型腔的深度尺寸、中心距的尺寸。2.影响制件尺寸的因素:成型零件本身制造公差、使用过程中的磨损、收缩率的波动、成型零件尺寸计算误差等。2.2.3成型零部件的强度刚度校核成型零件型芯和型腔组成的型腔全部被充满的瞬间，内压力达极大值，成型零件的刚度，强度校核;1.大尺寸型腔，刚度不足是主要问题，以刚度校核为主;2.小尺寸型腔，强度不足为主要矛盾，以强度校核为主。2.2.4其它辅助构件其它辅助构件是安装、导向、装配、冷却、加热及机构动作等作用的零部件的总称。1.导向零件作用:定位，导向及承受侧向压力的作用。类型:导柱/导套导向、锥面导向及斜面导向等。2.装配固定零件固定板 固定板用来固定型芯、型腔、导柱、导套、拉料杆等固定安装作用，要求固定板有一定的强度和厚度。垫板 垫板的作用:防止型芯、导柱、拉料杆等从固定板上脱出，并承受压力。要求:具有较高的平引度和硬度。支承件 支承件的作用:构成顶出机构的运动空间，调节模具总厚度，安装固定的作用。3.冷却、加热零件模具的型腔温度直接影响到制件的成型质量及生产率，因此需要控制模具的型腔温度，保证制件的成型质量及生产率，一般用电加热器给模具的型腔加热，用水给模具的型腔冷却。冷却装置:冷却孔与型腔距离一般不要小于10mm，加热装置:电加热，蒸汽加热，热水加热等。4.脱模机构脱模机构是使制件从模具上脱出来的机构称脱模机构或称顶出机构，脱模机构的动作方向与模具的开模方向是一致的。要求脱模时制件不变形，不损坏，顶件位置位于制件不明显处。5.抽芯机构当制件有侧孔或侧凹时，成型侧孔或侧凹的零件必须是可活动的型芯，脱模前，活动型芯必须先抽出，完成侧向活动型芯抽出的机构称作抽芯机构。6.复位机构复位机构是在脱模机构在完成制件脱模后，顶出杆伸出型腔外，它们需复位才可以开始下一次注射循环。复位机构的作用是使模具的合模过程顺利，保证模具的连续作业。宁波大红鹰学院毕业设计（论文）第3章 基于Pro/E的注塑模具设计3.1 Pro/Engineer概述3.3.1 pro/Engineer软件基本情况1985年PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。从1988年vl.0的 Pro/Engineer诞生，后经过30余年的发展，Pro/Engineer现在已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/Engineer 200l、Pro/E Wildfire.1.0、Pro/EWildfire2.0、Pro/E Wildfire3.0。在我国有许多的企业正在使用这些系列软件进行相关设计，许多大专院校大多开设Pro压有关课程供学生学习，Pro/E系列软件在我国使用率在三维图形软件中是比较广泛的一种。PTC的系列软件包括了在工业设计、机械设计和模具设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro压还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。Pro/Engineer的主要功能有:零部件设计、装配设计、工程制图、NC加工和切削模拟、注射流动模拟。 pro/Engineer提供了一个易于使用的完整三维解决方案，它详细描述了产品的形状、配合和功能。特别是Pro/Engineer中的MOLDDESIGN模块的出现使PTC可以进行塑料模具设计。3.3.2 pro/Engineer主要模块1.工业设计模块主要用于对产品进行三维几何图形设计，传统设计在零件未制造出来时，是无法观看零件形状的，只能通过工艺人员从二维平面图进行想象出它的三维形状。现代设计用三维软件可以生成三维几何实体模型，而Pro/E中的单一数据库是对设计中数据作统一管理，用Pro/E三维软件生成的模型在工程实际中3.2 Pro/MOLDESIGN模块功能分析Pro/MOLDESIGN模块用于设计模具部件和模具组装，它包括如下功能：(1)首先从设计模型产生参考模型，生成毛坯，并根据工艺要求设计分模面，然后使用分割方法自动生成模具型腔、斜销和滑块等模具组件。(2)使用组件模块设计型芯，其设计灵活性与模具设计模块类似。(3)对复杂的注塑模提供生成Slider(滑块)、Waterline(冷却水道)等功能。(4)用不同的收缩率设置方式重新修改设计模型。(5)提供了多种模具分析功能，包括:Mo1d AnalysiS(模具分析)、Thickness Cheek(厚度检测)、Projeted Area(投影面积)、Parting Surface Cheek(分模面检测)以及 Mold Opening(开模)等。(6)可生成模具的特定组件，包括:Spruce(流道)、Runner(浇道)、Gates (浇口)等。(7)Pro/LIBARARY提供的功能可与Pro/MOLDESIGN结合使用，包括标准化的模具组装及模具元件。3.3 Pro/E模具设计的基本流程在Pro/E模具模式中进行模具设计的基本流程如下:(l)创建模具模型模具模型包括参照模型和工件两部分。可以直接在模具模式中创建参照模型和工件，还可以在零件模式中创建，再将其装配到模具模式中。(2)拔模检测和厚度检测塑件或铸件上必须有适当拔模斜度，才能从模具中顺利脱出。在进行模具设计前，应根据开模方向对参照零件进行拔模检测，并对参考零件上的各部位进行厚度检测。对于检测出不合理的地方，则需要更改设计零件。(3)创建收缩率由于塑件或铸件在冷却和固化时会产生收缩，所以必须增加参照零件的尺寸。在一般情况下应该创建各方向同性的比例收缩率或收缩系数。(4)创建分型曲面或体积块分型曲面是一种曲面特征，主要用来分割工件。创建分型曲面时，需要用到曲面设计的各种功能。体积块是没有质量的封闭曲面面组，也可以用来分割工件。(5)分割工件利用创建的分型曲面或体积块将工件分割成为单独的体积块。(6)创建模具元件模具元件主要采用抽取模具体积块的方法来创建，还可以直接在模具模式中创建模具元件。(7)创建浇注系统、顶出系统和冷却系统可以利用组件特征来创建浇注系统、顶出系统和冷却系统。创建浇注系统是模具设计中的重要环节，应该综合考虑各方面的因素来创建浇注系统。(8)生成塑件或铸件可以模拟生成一个塑件或铸件，用来检查模具设计的正确性。系统将根据减去提取部分后工件中剩余的体积块来自动创建铸件。(9)仿真开模可以定义打开模具的步骤，并对每一步进行是否与静态零件相干涉的检测。 (10)创建其他部件通过前面的步骤，创建出了模具的型腔部分。而对于模具的其他部件(如模架、滑块等)，可以在模具模式中直接创建，还可以在组件模式中创建。第4章 基于PROE的咖啡杯造型及其模具设计咖啡杯是我们日常生活中用得最多的注塑模具之一，本文就以咖啡杯为例，对其模具进行设计，对模具设计的一般过程进行说明。本文所使用的咖啡杯如图4-1所示。图 4-1 咖啡杯造型4.1咖啡杯工艺分析塑件的工艺性分析聚丙烯（PP）水杯是我们日常生活所必须的用品，是装水的良好用具。其产品主要通过注塑模成型制造，塑件产品图见图4-1。收缩率对于聚丙烯水杯产品，材料为PP，理论收缩率为15/1000，而实际与理论是有区别的。按照前人经验此项设计收缩率取20/1000。塑件壁厚 塑料制品应该有一定的厚度，这不仅是为了塑料制品本身在使用中有足够的强度和刚度，而且也是为了塑料在成型时有良好的流动状态。塑件壁厚受使用要求、塑料材料性能、塑件几何尺寸以及成型工艺等众多因素的制约。根据成型工艺的要求，应尽量使制件各部分壁厚均匀，避免有的部位太厚或者太薄，否则成型后会因收缩不均匀而使制品变形或产生缩坑，凹陷烧伤或者填充不足等缺陷。热塑性塑料的壁厚应该控制在1mm-4mm之间。太厚，以产生气泡和缺陷，同时也不易冷却。本文采用的是在Pro/E软件中使用壳命令来进行壁厚的造型，该产品图反映出，此塑料件最壁厚为2mm，壁厚均匀，在1mm-4mm的推荐值之间。易于成型。塑件尺寸精度和表面粗糙度塑件的尺寸精度是指成型后所获得的塑件产品尺寸和图纸中尺寸的符合程度。一般而言，塑件尺寸精度是取决于塑料因材质和工艺条件引起的塑料收缩率范围大小，模具制造精度、型腔型芯的磨损程度以及工艺控制因素。而模具的某些结构特点又在相当大程度上影响塑件的尺寸精度。故而，塑件的精度应尽量选择的低些。对于本产品，图纸未注明尺寸精度，查手册，我们取IT7级精度。4.2注塑机的选用注塑机的选用包括两方面的内容：一是确定注塑机的型号，是塑件、塑料、注塑模及注射工艺等所需要求的注塑机的规格参数在所选注塑机的规格参数范围之内；二是调整注塑机的技术参数至所需要的参数。 根据塑料的品种、塑件的结构、成型方法、生产批量、现有设备及注射工艺等进行选择。本制品采用卧式注塑机低压注射。选用G54-S200/400螺杆式注塑机。4.3注射模设计步骤塑件成型方案的确定本产品聚丙烯，要求材料为PP，PP为热塑性塑料，且多为注射成型，根据实际，我们采用注射成型。型腔数目的确定根据塑件的精度：根据经验，在模具中每增加一个型腔，塑件的尺寸精度就要降低4%。但根据产品结构和尺寸形状来看不起，由于该塑件尺寸形状很大，只能为一模一腔。根据需要和后续加工的要求我们确定为平行于塑件的最大尺寸方向，中心分布。第5章 咖啡杯模具设计5.1 塑料的基本特性及工艺分析聚丙烯是由丙烯单体经聚合而成。无味、无毒，外观似聚乙烯，呈白色的半透明蜡状，是通用塑料中最轻的聚合物，其相对密度仅为0.890.91g/ cm，结晶度为50%70%，具有明显的熔点（164170）。聚丙烯具有优良的耐热性、耐化学腐蚀性、电性能和力学性能。屈服强度、抗拉强度、抗压强度、硬度、刚度及弹性、韧性、延伸性比聚乙烯好，特别是经定向后的聚丙烯具有极高的抗弯曲疲劳强度，可制作铰链。聚丙烯可在107121下长期使用，在无外力作用下，使用温度可达150。聚丙烯是通用塑料中唯一能再水中煮沸且在135蒸汽中消毒而不被破坏的塑料。聚丙烯的低温特性不如聚乙烯，脆化温度仅为-10-30，低温冲击强度低，抗氧化能力很低，其制品在光、热及氧的作用下易老化，故聚丙烯塑料中应添加适量的抗氧化添加剂。制品的材料采用增强聚丙烯，属热塑性塑料。该塑料吸水性小，熔融时流动性较好，成型容易，但收缩大。另外，该塑料成型时易产生缩孔、凹痕、变形等缺陷；成型温度低时，方向性明显，凝固速度较快，易产生内应力。因此，在成型时应注意控制成型温度，浇注系统应缓慢散热，冷却速度不宜过快。工艺分析：根据材料的性能，聚丙烯材料塑件的壁厚应为0.94。合理的选择壁厚很重要，在使用上要求壁厚有足够的强度和刚度，脱模时能顺利脱出，为方便实用，塑件取用壁厚为2.0，太厚不但显得笨重，而且还会增加成本，由于塑件冷却后产生收缩，会使塑件冷却后紧紧包住型芯或型腔当中的突起部分，为防止拉伤和擦伤塑件，设计塑件时，必须考虑塑件内外表面沿脱模方向具有足够的脱模斜度，常取1- 30。塑件转角处采用过渡圆角，半径为塑件壁厚的1/3以上。最少不宜小于0.5mm。5.2 聚丙烯主要用途及其成型特点主要用途：聚丙烯可用做各种机械零件，如法兰、接头、泵叶轮、汽车零件和自行车零件等；可用作冷热水、蒸汽、各种非强酸、碱等的输送管道，化工容器和其他设备的衬里、表面涂层等；可制造各种绝缘零件以及自带铰链的盖体合一的箱壳类制件。聚丙烯优良性还在于它能耐沸水蒸煮，而不损坏，因此，适宜做医疗器械，和餐具。成型特点：成型收缩范围大，易发生缩孔，凹痕及变形；聚丙烯热容量大，注射成型模具必须设计能充分冷却的冷却回路；聚丙烯成型的适宜模温为80，温度过低会造成制品表面光泽差或产生熔接痕等缺陷。温度过高会产生翘曲现象。由于模具是与注射机配套使用的，设计模具时，大部分结构都是根据注射机的技术规格来设计的，因此设计过程中，注射机的选用显得尤为重要，而且应先选用注射机。5.3确定型腔数及位置布局方案 5.3.1 型腔数的确定 为了提高模具的成形效率，把模具设计成有多个型腔的结构，使得一次注射成形多个相同的塑料骨架。而Sz-400/ZH-63注射机的最大注射量为63cm，这势必会限制模具的型腔数。而且，此塑件成形模具必须带有侧向抽芯机构，型腔越多，模具结构就越复杂，从而提高模具的制造难度及加工成本。另外，型腔越多，成形出的制品精度也就越低。经验认为每增加一个型腔，制品尺寸精度降低4%，因此型腔数也不宜过大。综合考虑，初步确定为一模两腔的结构。 5.3.2 型腔布局方案由于Sz-400/ZH-63注射机为卧式注射机，模具也应该设计成卧式的，因此模具在水平方向上实现合开模动作。而侧向抽芯运动方向既可铅垂（图3-1），也可水平（图3-2），但对两者进行比较发现，前者上下两个侧型芯的自重会影响各自的抽芯力，导致两个侧型芯所用抽芯力的大小不同，破坏两个斜导柱的受力平衡。而且在开模后，上下两个侧型芯所需的限位形式也会有所不同，从而增加模具结构的复杂性。若采用后者结构，上述缺点就会全被消除，因此应该选用(图2)所示的水平抽芯结构。侧向型芯位置确定后，为了使斜导柱的安装位置不与分流道的开设位置发生干涉，最好将两个型腔上下设置，即一个型腔设置在整个模具的上半部分，另一个型腔设置在下半部分，形成一上一下的位置结构（图3-3）。 图3-1图3-25.3.3 确定分型面及模架组合形式由于有两个型腔，若模具设置成一个分型面，塑件成形后就很难使冷凝料和塑件自动脱落，而且取出塑件和冷凝料也会有一定困难，因此最好设两个分型面，即一个主分型面-用来取出成形塑料制品，一个次分型面-用来取出冷凝料。此时，注射机、型腔数与布局及分型面都已确定，接下去就可以对模架的组成形式作出大致的确定。注射模架设计应尽量选用标准的模架组合形式，但由于一些标准模架不完全符合模具的设计结构，所以模架不能完全选用标准件，因此可参照GBT 12556.1-90模架标准进行模架设计。根据成形塑料零件及注射机型号，再参照GBT 12556.1-90模架标准，初步确定模架主要结构部件及主要尺寸。Sz-400/ZH-63注射机所允许的模具最小厚度为150mm，模具最大厚度为无限制，但要考虑到模板行程。整个模架的厚度应在150500之间。初定模架厚度为200mm。模具高度或宽度应小于Sz-400/ZH-63注射机动、定模固定板上的拉杆间距，以使模具能穿过拉杆空间安装在固定板上。若模具高度小于拉杆间距，安装时应把模具吊起，高过注射机，从上往下穿过拉杆进行安装。若模具宽度小于拉杆间距，安装时则把模具从注射机一侧横向穿过拉杆进行安装。因型腔是一上一下分布，高度方向尺寸相对宽度方向要大，再根据Sz-400/ZH-63注射机动、定模固定板尺寸，初定模具高度为255mm，宽度为230mm，即模具高度大于模具宽度，且宽度小于固定板上拉杆间距，在注射机上安装模具时应把模具从上往下穿过拉杆进行安装。5.4 浇注系统设计 浇注系统是指塑料熔体从注射机喷嘴出来后，到达型腔之前在模具中所流经的通道，其作用是将熔融状态的塑料从喷嘴处平稳的引入模具型腔，并在熔体填充和固化定形的过程中将注射压力和保压力传递到塑料制品各部位，以获得组织致密、外形清晰、表面光洁和尺寸精确的塑料模具。浇注系统可分为普通流道浇注系统和无流道浇注系统两大类。此次设计的模具，其浇注系统为普通流道浇注系统。浇注系统的设计对注射成型效率和制件质量有直接影响，是获得优质塑料制品的关键。 浇注系统由主流道、分流道、浇口和冷料穴等四部分组成。5.4.1 主流道、主流道衬套的设计主流道是指从注射机喷嘴与模具接触处起到分流道为止的一段料流通道，负责将塑料熔体从喷嘴引入模具。当模具闭合后，注射机喷嘴压紧模具主流道衬套，并封紧注射机与模具之间的间隙，熔体材料直接从料筒流入主流道。此次设计的模具在卧式注射机上使用，主流道应垂直于分型面。为了使冷凝料能从主流道中顺利拔出，将主流道设计成圆锥形。锥角约为14，锥角取大值，以降低熔体在流道中流动阻力，因此取=4见图。内壁表面粗糙度Ra应小于0.631.25m，取Ra=0.6m。注射机喷嘴应与主流道对中，为了补偿对中误差并解决冷凝料的脱模问题，主流道进口端直径需比喷嘴直径大0.51mm。主流道进口直径 d=d0+(0.51) (mm) 式中 d0为注射机喷嘴直径， d0=4mm，因此，d=4+1=5（mm）。 主流道进口端与喷嘴头部应为球面接触，在主流道衬套上连出一浅的球形定位槽，将喷嘴的球形头压在主流道衬套凹内。通常主流道进口端凹下的球面半径R比喷嘴球面半径R0大12mm，凹下深度约为35mm。主流道进口端球面半径R=R0+（12） （mm） 式中R0为喷嘴球面半径，得R0=12mm，因此,R=12+2=14 (mm),以方便脱出主流道内的塑料凝料。在保证制品成形的条件下，主流道的长度应尽可能短，以减少压力损失及废料，但由于主流道的长度由与定模座板的厚度及主流道衬套的安装位置有关，必须结合主流道衬套的设计一同对其进行确定，因此主流道长度待定，接下去先设计主流道衬套。由于注射成形时，注射机对模具施加的压力很大，主要作用于主流道衬套上，且主流道在与高温塑料熔体和注射机喷嘴反复接触和碰撞，所以一般不将主流道直接开设在定模上，而是将它单独开在一个主流衬套中，通常在淬火后嵌入模具，这样在损坏时便于更换或修磨。常用的主流道衬套有A、B两类，此模具选用A型主流道衬套，B型是为了防止衬套在熔体反压力作用下退出定模设计的，这里不再赘述。主流道衬套嵌定模座板之后，再由定位圈压住其大端面，也能起到抵抗熔体反压力的作用。主流道衬套的材料选用T8A，要求热处理后硬度达到5357HRC。 其尺寸应根据Sz-400/ZH-63注射机配套的定位圈尺寸及定模的厚度进行确定。 衬套与定模座板之间的配合采用H7/m6。因定模座板必须与中间板无间隙接触，所以主流道衬套与定模座板配合后，必须保证其端面与定模座板大平面处在同一平面内。主流道衬套长度定为30mm，主流道长度也随之确定为36mm（30-4=26），主流道截止到定模座板的左端面处，塑料熔体流经此处开始进入分流道。下一步，分流道的设计。5.4.2 分流道设计、浇口的设计分流道是主流道与浇口之间的料流通道，是塑料熔体由主流道流入型腔的过渡段，负责将熔体的流向进行平稳转换，在多型腔模中起着将熔体向各个型腔分配的作用。对于单型腔模，可不设置分流道，而此次设计的模具设有两个型腔，有必要开设分流道，且开设在定模座板与中间板之间，并在中间板上进行加工。分流道其截面形状及尺寸主要取决于制品的大小、模具结构以及所加工的塑料种类。根据此塑料零件、材料及加工难易程度，确定分流道截面为抛物线截面，其尺寸依据推荐值及主流道直径大小定为如图所示尺寸。分流道的表面粗糙度不宜太小，以防将冷凝料带入型腔，一般要求达到Ra值为1.6m即可。这样可增大对外层塑料熔体的流动阻力，减小流速，并与中心熔体之间具有一定的速度差，以保证熔体流动时具有合适的切变速率和剪切热。在容易修磨情况下，分流道的长度应尽可能短，以减少压力损失及废料，因此两个型腔之间的间距也尽量小。根据型腔的大小，两个型腔的距离定为102mm，分流道的单边长度应为40mm，总长为80mm浇口是分流道与型腔之间长度非常短，截面又很狭窄的一段料流通道。浇口截面狭窄，可使经过分流道之后压力和温度都已有所下降的塑料熔体，产生加速度和较大的剪切热，保证熔体充模时具有较快的流动速度和较好的流动性。又因其长度短，所以浇口内可容纳的塑料熔体体积很小，故很容易冷却固化，从而有助于防止保压力不足或保压时间过短而引起的倒流现象。而且，浇口内冷却固化的塑料熔体（废料）强度很低，非常容易断裂，故使制品与废料分离，并便于制品脱模。浇口的长度和截面尺寸一般均可在试模过程中适当调整。特别是调整其截面尺寸时，截面高度的变化对浇口的容积及浇口冻结时间影响很大；另外，截面积的变化对塑料熔体内的切变速率影响很大，而切变速率又与熔体表面黏度有关，所以改变浇口截面尺寸或截面积的大小，可以控制浇口冻结时间，以及熔体充模时的流动性能。浇口的形式很多，参考实用模具设计与制造手册1给出的浇口形式，根据塑料种类、塑料制品的形状及分模落料形式，应选点浇口。点浇口又称针状浇口或橄榄形浇口，点浇口是一种在制品中央开设浇口时使用的圆形限制性浇口，由于浇口前后两端存在较大的压力差，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，利于充模。常用于各种壳类、盒类的热塑性塑料制品。点浇口的优点是浇口残留痕迹小，易取得浇注系统的平衡，也利于自动化操作；但是 由于浇口的截面积小，流动阻力大，需提高注射压力，只宜于成型流动性好的热塑性塑料。 浇口的直径经计算得 d=1 5.4.3 冷料穴的设计及成形零部件的设计冷料穴是用来收集料流前锋的冷料，常设在主流道或分流道末端。如图所示深度取4mm，主流道表面粗糙度Ra小于0.320.63m。注射模闭合后，其内部零部件将组合成一个能容纳塑料的闭合空腔，即所说的型腔，它将接受由注射机注射出来的塑料熔体，并使它们在其内部固化成形为塑料制品。构成型腔的所有零部件统称为成形零部件。由于塑料零件外形有凹陷部分，对应成形模上必须有凸起部分，为便于加工起见，不把成形模设计成一个整体，而是采用嵌入式的成形模，即用型芯嵌入固定板中形成型腔结构。另外，与其它结构件不同，成形零部件采用的是更为优质的材料，出于材料费用考虑，也应设计成嵌入式的。成形零部件在注射成形过程中直接与塑料熔体接触，需要承受温度、压力及塑料熔体的冲击和摩擦，长期工作之后，容易发生磨损、变形和断裂，因此成形零部件必须采用优质钢材制作。而聚丙烯又跟别的塑料不同，热分解后会产生带有腐蚀性的气体，因此成形零部件必须要选用耐腐蚀材料，可选用热作模具钢38CrMoAl，或者用T8A进行镀铬或渗碳处理。5.4.4 确定成形零部件工作尺寸成形零部件工作尺寸的确定必须考虑塑料的成形收缩、成形零部件的制造偏差及成形零部件的磨损等各方面因素。而且，由塑料零件图给出，零件上由模具型腔成形的部位，其最大尺寸为基本尺寸，偏差为负值；有型芯成形的部位，其最小尺寸为基本尺寸，偏差为正值。参见塑料成型工艺及模具简明手册的规定，型腔的最小尺寸为基本尺寸，偏差为正值；型芯的最大尺寸为基本尺寸，偏差为负值。由塑料成型工艺及模具简明手册中的公式，型腔内形尺寸计算LM =LS+LSS -/2-z/2 式中LM为型腔内形基本尺寸（），为制品的公差或偏差，z为成型零件的制造公差或偏差,取为/5-/3，LS为塑料制品的基本尺寸，且为最大极限尺寸（），S为塑料的平均收缩率，这里材料是聚丙烯，因此S=（0.4+0.8）/2=0.6。 LM2=27+270.006-0.32/2-0.08/2 =24.95 LM3=13+130.006-0.22/2-0.08/2 型芯外形尺寸计算LM=LS+LSS+/2+z /2 式中LM为型芯外形基本尺寸（），LS为塑料制品的基本尺寸，且为最小极限尺寸（），为制品的公差或偏差，z为成型零件的制造公差或偏差,取为/5-/3。LM4=50+500.006+0.22/2+0.1/2=10.21型腔深度尺寸计算HM=HS+HSS-/2-z /2式中HM为型腔深度基本尺寸（）， HS为塑料制品高度基本尺寸，且为最大极限尺寸（），为制品的公差或偏差，z为成型零件的制造公差或偏差，取为/5-/3，HM1=14+140.006-0.22/2-0.08/2 =13.94型芯高度尺寸计算HM=HS+HSS+/2+z/2 式中HM为型芯高度基本尺寸()，HS为塑料制品型孔深度基本尺寸，且为最小极限尺寸（）, 为制品的公差或偏差，z为成型零件的制造公差或偏差，取为/5-/3，HM3=14+140.006+0.15/2+0.05/2 =14.23为了塑件成形后便于脱模，型芯应该做成1的锥度。塑件成型收缩率计算成型收缩率是指室温时塑件与模具型腔（或型芯）两者尺寸的相对差。可按下式求得：S= （LM - LS ）/ LS*100%=0.6%S塑件成型收缩率；LM 模具型腔在室温下的尺寸；LS 塑件在室温下的尺寸。 5.4.5 侧向分型与抽芯机构设计因为此塑件有侧凹部分，所以成形结构中必须带有侧向分型与抽芯机构。为实现分型时自动抽芯，把其设计成机动式的侧向分型与抽芯机构。机动式侧向分型与抽芯机构利用注射机的开模运动，并对其方向进行变换后，可将模具侧向分型或把侧型芯从制品中抽出。此次设计采用斜导柱式抽芯机构。由于塑料制品冷却后产生收缩，会紧紧地包住模具型芯或型腔中凸出的部分，为了使制品易于从模具内脱出，在设计时必须保证制品的内外侧面具有足够的脱模斜度。脱模斜度一般依靠经验数据选取，其大小与塑料的品种、制品的形状及模具的结构等因素有关，通常情况下脱模斜度30130，最小为1520。成型型芯愈长或型腔愈深，则斜度应取偏小值；反之可选用偏大值。制品高度不大时（小于23mm）可不设计脱模斜度。脱模斜度的经验数据见表2-1表2-1 各种塑料的脱模斜度塑料名称脱模斜度聚乙烯、聚丙烯、软聚氯乙烯ABS、尼龙、聚甲醛、氯化聚醚、聚苯醚硬聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、有机玻璃热固性塑料301351305022011) 抽芯距的确定抽芯距是指侧型芯从成形位置抽到不妨碍制品取出位置时，侧型芯在抽拔方向所移动的距离。抽芯距应保证型芯从成形位置拔到不防