塑料模具设计课程设计-手柄塑料模具设计

设计题目：手柄塑料模具设计设 计 者：学 院：机械工程学院系 别：材料成型及控制工程指导老师：2006年12月目录一、塑件的几何形状和使用要求二、塑件的成型工艺性三、注射机的选择四、塑件注射成型工艺条件五、模具结构的设计六、确定型腔的数目七、分型面的选择八、型腔的配置九、浇注系统的设计十、导向机构的设计十一、脱模机构的设计十二、排气结构的设计十三、凹模和型芯的结构和固定方式十四、冷却系统的分析计算十五、校核设计参数十六、模具成型部件材料的选择十七、模具零件材料的选用十八、设计心得十九、参考文献一、塑件的几何形状和使用要求如图1，本注塑模具制造的塑料制件是圆台与圆柱的结合体。头部为40mm圆柱，下部是20mm与斜度为85度的圆台，圆台内部为40mm32 mm的孔，塑件内部骧有M8的金属螺纹金属件外部尺寸为15mm32 mm的圆柱。下部圆孔与螺纹的同轴度要求为0.12。表面粗糙度外表面为0.8m，其余为5.5m。塑件材料为PP，查1表3-4得凹模的脱模斜度为，凸模的脱模斜度为。二、塑件的成型工艺性塑件的材料选用PE，即聚乙烯。其拉伸弹性模量为840950MPa，压缩比为1.731.9，成型收缩率为1.53.0%，与钢的摩擦因数为0.11，泊松比为0.38。聚乙烯为白色蜡状半透明材料，柔而韧，比水轻，无毒，具有优越的介电性能。易燃烧且离火后继续燃烧。透水率低，对有机蒸汽透过率则较大。其透明度随结晶度增加而下降在一定结晶度下，透明度随分子量增大而提高。聚乙烯熔点范围为132-135。常温下不溶于任何已知溶剂中，70以上可少量溶解于甲苯、乙酸戊酯等溶剂中。聚乙烯有优异的化学稳定性，室温下耐盐酸、氢氟酸、磷酸、甲酸、胺类、氢氧化钠、氢氧化钾等各种化学物质，硝酸和硫酸对聚乙烯有较强的破坏作用。聚乙烯容易光氧化、热氧化、臭氧分解，在紫外线作用下容易发生降解，碳黑对聚乙烯有优异的光屏蔽作用。受辐射后可发生交联、断链、形成不饱和基团等反映。三、注射机的选择注射机为塑料注射成型所用的主要设备，按其外形可分为立式、卧式、直角式三种。注射成型时注射模具安装在注射机的动模板和定模板上，由锁模装置和模并锁紧，塑料在料筒内加热呈熔融状态，由注射装置将塑料熔体注入型腔内，塑料制品固化冷却后由锁模装置开模，并由推出装置将制件推出。估算制件的体积39.015077cm3，查1附录6初选注射机型号为XS-ZY-125。其主要参数如下：螺杆（柱塞）直径/mm 42注射容量（） 125注射压力/ 1190锁模力/10KN 90最大注射面积/ 320最大模具厚度/mm 300最小模具厚度/mm 200四、塑件注射成型工艺条件塑件材料为聚乙烯（PE），其本身吸水率很小，成型前不一定要进行干燥，但为了提高制品质量，必要时可在80100下干燥34h。聚乙烯的熔点为132-135，分解温度为200左右。聚丙烯既可用螺杆式也可用柱塞式注射机成型。机筒温度控制在120150之间，喷嘴温度为130140，注射压力为70120MPa。具体加工条件大致为：机筒前段温度为120140中段为140150后段为120150，模具温度4080，注塑压力为70120Mp。保压力为5060Mp，注射时间为05s，保压时间为2060s，冷却时间为1550s，成型周期为40120s。螺杆转速为3060/（r/min）。此外由于聚乙烯的玻璃化温度低于室温，当制件在室温下存放后时常发生后收缩现象，所以对尺寸稳定性要求较高的制件，应进行热处理。五、模具结构的设计如图2 图2 模具装配简图1、支座 2、卡圈 3、推板4、支撑板 5、型芯固定板 6、滑块7、弯销 8、型芯 9、水套10、连接杆 11、衬套 12、定模镶块13、定模座板 14、推板根据塑件的结构特性与外观要求，模具的结构类型选用点浇口双分型面注射模具，又叫三板式模具。或选用热流道模具，但后者的成本较高故采用前者的三板试模具，因此需要设计具有两次分型的顺序脱模机构，模具总体结构如图所示。开模时为两次开模，第一次开模取出浇道凝料；第二次开模取出塑件连同型心，在模外旋出型心，下一次注射前先安放好型心及镶件。该模具的特点是：内螺纹镶件安放在型心上，为模外手动脱出型心。模具的排气由分型面与顶杆的运动间隙排气。六、确定型腔的数目为了使模具与注射机相匹配以提高生产效率和经济性，并保证塑件的精度，必须首先确定模具型腔数目。确定型腔数目的方法有几种，这里按注射机的最大注射量确定型腔数量n根据1式5-2得其中 注射机最大注射量，；浇注系统凝料量，；单个塑件的容积，；初步估算单个塑件的容积： =39.015而凝料的容量和最小注射量应不小于注射机额定最大注射量的20%，故可得，型腔的数目： n=2七、分型面的选择分型面的选择对于塑件质量、模具制造与使用性能均有很大的影响，它决定了模具结构的类型，是模具设计工作中的一个重要环节。为了保证塑件质量，且便于制件的脱模和模具结构的简化，综合塑件的精度和推出方式、排气方式及制造工艺等要素，选择模具的两个分型面为定模板与中间板之间的表面即塑件上半部圆球最大部分的延伸平面及塑件下部圆台内的圆孔内部即型心与凹模之间的表面。这样设置分型面，开模后塑件收缩包紧型心而留在动模上，便于塑件的脱模和模具的简化，有利于镶件的放置定位及注射机的锁模机构中的顶出装置带动塑件脱模结构工作，顶出塑件。分型面垂直于注射机的开模方向。八、型腔的配置成型零部件机构设计主要在保证塑件质量要求的前提下，并便于加工、装配、使用和维修。该模具中型腔的组成部分主要有：成型顶管、型芯、镶件、中间板、凹模。凹模、中间板与成型顶管主要成型零件的外表面，型心主要成型零件的内表面。型腔的布置应尽可能采用平衡式排列，以便构成平衡式浇注系统；应和浇口开设部位应力求对称，防止模具受偏载而产生溢料现象；应尽量使型腔排列的紧凑，以便减小模具的尺寸外形。本次设计的制件为对称结构，且型腔数目只为2个，故在型腔的布置上只要求其对称中心和模具的压力中心重合即可。型腔的配置如图3 九、浇注系统的设计（1）浇口数目的确定浇口是连接流道与型腔之间的一条细短通道，是浇注系统的关键部分。起着调节控制流料速度、补料时间以及防止倒流等作用。浇口的形状、尺寸和进料位置等对塑件成型质量影响很大，塑件上的一些缺陷如缩孔、缺料、白斑、熔接痕、质脆、分解和翘曲等往往是由于浇口设计不合理而产生的，因此正确设计浇口是提高塑件质量的重要环节。浇口设计与塑件性能、塑件形状、截面尺寸、模具结构及注射工艺参数等因数有关。总的要求是熔料以较快的速度进入并充满型腔，同时在充满后能适时冷却封闭。因此浇口截面要小，长度要短，这样可以增大料流速度，快速冷却封闭，且便于塑件与浇口凝料分离，不留明显的浇口痕迹，从而保证塑件外观质量。塑件的溶积较小，型腔采用平衡式布置。而且PE塑料的流动性非常好，又有很好的注射工艺性，故在长轴方向上的两端处设计两个浇口，浇口位置开设在塑件的底外表面中心处。这样既可以保证塑件质量，便于快速充模与脱模，也有利于模具结构的简化。（2）浇注系统断面尺寸由于注射成型的基本要求是在合适的温度和压力下使足量的塑料熔体尽快充满型腔，故浇注系统的设计影响到塑件的顺利脱模等因素。浇注系统截面尺寸的计算在设计中是非常重要的，而且浇注系统的作用是使来自注射模喷嘴的塑料熔体平稳而顺利的充模、压实和保压。所以必须精确计算浇注系统的截面尺寸，以保证注塑成型塑件的质量和精度。本注塑模具采用普通流道浇注系统，其主要由主流道、浇口、冷料穴、分流道四部分组成。经计算该塑件的体积为39.015 以下为该浇注系统各部分的设计计算：主流道的设计设计主流道为圆锥形，其锥角=；取=内壁表面粗糙度为Ra=0.63m主流道与喷嘴处制成凹坑，其半径=12+1.5=13.5mm其小端直径=4+0.5=4.5mm凹坑深 取h=4mm主流道大端呈圆角过渡，圆角半径 取r=2mm主流道长度由模板厚度确定，取 取L=35mm主流道衬套选择A型，其大端高出定模端面H=8mm主流道形状及其与喷嘴的关系见图4图4 主流道形状及其与注射机喷嘴的关系 1、定模板 2、浇口套 3、注射机喷嘴冷料穴的设计 塑件材料PE冷却速度慢，为充分冷却，需设置冷料穴，防止熔体冷料进入型腔。冷料穴设置在主流道的末端。设计成带Z形头拉料杆的冷料穴，其底部做成钩形。分流道的设计该模具为多型腔的模具故分流道是必不可少的。在分流道设计时应考虑尽量减少在流道内的压力损失和尽可能避免容体温度降低，同时还要考虑减少流道的容积。m 查教材表6-1得分流道的直径为4.8-9.5mm取6mm浇口的设计浇口的设计要求是使熔料以较快的速度进入并充满型腔，同时在充满后能适时冷却封闭，因此浇口截面要小，长度要短，这样可增大料流速度，快速冷却封闭，且便于塑件与浇口凝料分离，不留明显的浇口痕迹，保证塑件外观质量。因为这是多型腔的注射模具，为了比较容易平衡浇注系统此设计采用点浇口。由1试6-9查得点浇口的尺寸：d=0.5-1.8mm，取d=1.2mm，l=1mm，R1=2mm。浇口截面如图5图5浇注系统的衡进料计算 由于此设计采用平衡式浇注系统主流道到两型腔的分流道的长度相等故无需计算。故浇注系统如下图所示：十、导向机构的设计导向机构主要用于保证动模和定模两大部分或模内其他零件的准确配合，起定位和定向作用。本模具的导向机构由导柱和导套组成，为导柱导向机构，其基本设计要求是导向精确，定位准确，并且要有足够的强度、刚度和耐磨性。导柱导向机构是利用导柱和导套孔之间的配合来保证模具的配合间隙的。注射模一般采用四个导柱和导套。导柱既可安装在动模一侧，也可安装在定模一侧，但通常导柱设在主型芯的四周，起保护型芯的作用。在注射过程中，导柱可承受一定的侧压力，当熔体产生的侧压力很大时便不能单靠导柱承担，此时要增设锥面定位装置。由于横向尺寸较小，在注射成型时模具不会产生很大的侧压力，所以不需要增设锥面定位装置。导柱应合理均匀布置在模具分型面的四周，导柱中心至模具外缘应有足够的距离，以保证模具的强度。导柱的长度应比型芯端面的高度高出68mm，以免型芯进入凹模时与凹模相碰而损坏。导柱和导套应有足够的强度和耐磨度。本模具采用T8A钢，淬火处理。导柱和导套配合部分的表面粗糙度要求为Ra1.6m。为了使导柱能顺利的进入导套，导柱端面做成锥形或者半球形，导套的前端倒角。导柱设在动模的一侧可以保护型芯不受损坏，设在定模一侧便于塑料制品的脱模。可按具体情况确定模具的正反装。本模具中导柱滑动部分的配合精度按H7/f7定部分的配合精度按H7/k6套外径的配合精度按H7/k6。除在定模和动模部分设置导柱和导套外，一般还在动模座板和顶出板之间设置导柱和导套，以保证推板顺利的实现推出运动，同时，导柱还可以起到支撑动模垫板的作用。导柱的直径应根据模具的尺寸来选取，选取时参考注射模标准模架数据。设计有4跟导柱固定在定模座板上，与之相对应的设计有4个导向孔贯穿动模板和支撑板上。2根导柱固定在动模板上，对应2个导向孔在中间板上，2个导柱固定在动模座板上，对应2个导向孔在顶出板和顶出固定板上。十一、脱模机构的设计。（1）脱模力的计算将制品从包紧的型芯上脱出时所需克服的阻力即为脱模力。当脱模开始时主力最大推杆的刚度和强度应按此时的受力较核 此制件的，属于薄壁制件。由1公式8-3得，制件所需脱模力为：其中无量纲系数，随而异；从1表8-2 查取。 无量纲系数，随f和而异；从1表8-3查取。 L 型心的长度；mm型心的平均半径；mm S塑料平均成型收缩率； E塑料的弹性模量，MPa（查1附录2）；f制件与型芯之间的摩擦因数（查1附录2）；模具型芯的脱模斜度，（）；塑料的泊松比（查1附录2）； A盲孔制品型芯在垂直于脱模方向上的投影面积，通孔制件的A等于零；（2）推件板厚度的确定 对于筒形或圆形塑料制件，根据强度确定，由1公式8-8得其中 K3系数，随R/r而异，按1表8-4选取；推件板材料的许用应力，MPa； F脱模力，N；（3）推件杆直径的确定根据压杆稳定公式，得推件杆直径为：1公式8-10其中 d推杆的最小直径，mm； K安全系数，取K=1.5； L推杆的长度，mm； F脱模力，N；N推杆数目； E钢材的弹性模量，MPa；强度校核：根据1公式8-11其中 推杆材料的许用应力，MPa；推杆所受的应力，MPa；其他符号同前述。由此得推杆直径符合要求，设计合理。十二、排气结构的设计本模具的排气方式是通过分型面和型心及顶杆活动的间隙排气，故不必设置排气槽。十三、凹模和型芯的结构和固定方式成型零部件的设计应在保证塑件质量要求的前提下，从便于加工、装配、使用、维修等角度加以考虑。其中最重要的是凹模和凸模尺寸的设计。成型零部件工作尺寸是指成型零部件上直接决定塑件形状的有关尺寸，主要包括型腔和型芯的径向尺寸及高度尺寸，及孔中心距等。本设计中采用平均值法计算，其中：塑件的尺寸精度取IT8级精度。 设计及计算如下：（1） 型腔的设计（2） 由1公式7-7得型腔的基本尺寸为：其中 塑料的平均收缩率；塑件外形基本尺寸；模具制造公差；（2）型芯径向尺寸由1公式7-9得其中 塑料的平均收缩率；塑件内形基本尺寸；模具制造公差；塑件尺寸公差；（3）型腔深度尺寸由1公式7-10得其中 塑件高度尺寸；型腔深度尺寸；模具制造公差；塑件尺寸公差；塑料的平均收缩率；（4）型芯高度尺寸由1公式7-13得其中 塑件深度尺寸；型芯高度尺寸；模具制造公差；塑件尺寸公差；塑料的平均收缩率；（5）型腔侧壁厚度计算该模具为组合式圆形型腔，按第三强度理论推算的强度计算公式。1公式7-45得其中 P型腔内压力，MPa，一般为2050MPa； r型腔内半径，mm；型腔模具材料的许用应力，MPa，一般中碳钢=160MPa；（6）型腔底版厚度计算对于组合式圆形型腔的底版，根据1公式7-55得其中 P型腔内压力，MPa，一般为2050MPa；型腔外半径，mm；型腔模具材料的许用应力，MPa，一般中碳钢=160MPa；十四、冷却系统的分析计算在注射成型中，模具的温度直接影响到塑件的质量和生产效率，一般模具内温度的降低是依靠在模具内通入冷却水，将热量带走实现的。注射成型时模具温度稳定，冷却水速度均衡，可以减小塑件的变形。该塑件壁厚不一致，热容量大，且收缩率较大，故需设置冷却系统来保持模具温度的稳定，提高塑件尺寸的精度。本冷却系统中采用水作为冷却介质，其进入模具的温度为18，从管道总流出的温度为23，要保持冷却水在管道内一直处于湍流状态，以增强冷却效果，同时可减小冷却管直径，减少成本。（1） 数据准备 由塑件图纸知道，制件中最厚的壁厚是12.5mm，所以冷却时间t1应以该厚度为计算依据。查表得 =36sS塑件的壁厚，mm塑料的热扩散率，mm2/s塑料注射温度，模具温度，塑料热变形温度，由于塑件在开模时无法自动坠落，必须手动取出，设开模取件与放置镶件的时间为10s，加上注射时间t1=4s和闭模20s故制件的成型周期为T=74s所以每小时注射次数为N=3600/70=51.42注射量为m=pvn=0.9*39.015077*2=70.234加上流道的凝料，故一次注射量G取为82g由1表10-4并计算得单位热流量将以上数据代入1式10-18得到单位时间内型腔总热量为（2） 求冷却水的体积流量由教材式10-12得：（3） 求冷却管道的直径d，查教材表10-1，为使冷却水处于湍流状态，取 d=30mm。（4） 求冷却水在管道内的流速v 由教材式10-16得（5） 求冷却管道孔壁与冷却介质之间的传热膜系数h 查教材表10-5，取f=7.22（水温为30度时）， 由教材式10-2得（6） 求冷却管道的总传热面积A由教材式10-14得（6） 求模具上应开设的冷却管道的孔数n 有教材式10-17得十五、校核设计参数（1）注射量的校核在模具设计时，必须使得在一个注射成型周期内所需注射的塑料熔体的质量在折射机的额定注射量的80%以内。在一个注射成型周期内需要注射的塑料熔体的质量为塑件的质量和浇注系统凝料质量的总和，即由前面计算知：注射机的最大注射量为250X0.88=220g而 220X80%=17682g所以注射量满足要求。（2）琐模力的校核为了保证在注射成型时不致因琐模不紧而发生溢边、跑料现象，因此在当高温时的塑料熔体充满型腔时产生的沿注射机轴向的推力应小于注射机的额定锁力，所以要对锁模力进行校核。锁模力可按下式校核：式中 注射压力；塑件在分型面上的投影面积，；浇注系统在分型面上的投影面积，； F注射机额定锁模力；A=20X20X3.14X2+6X120=3232已知注射机的最大锁模力为1800KN，故选用的压力机是合适 的。能满足注射成型的压力要求。（3）注射压力的校核注射机的最大注射压力应大于塑件成型的许用压力，应满足下 式：式中 注射机最大注射压力，此处；塑件成型所需的注射压力；120Mp故可得选择的注射机满足塑件注射压力的要求。（4）模具厚度H与注射机闭合高度的关系校核模具的闭合高度应在注射机最大与最小闭合高度之间，按下式式中 注射机允许的最小模厚（250mm）；注射机允许的最大模厚（350mm）；查设计手册，依据GB/T12556.1-90塑料注射模中小型模架及技术条件，选择模架系列为（BXL）315mmX450mm，闭合高度为320mm，其他尺寸查设计手册。（5）注射机开模行程校核模具开模后为了便于取出塑件，要求有足够的开模距离，而注射机的开模行程是有限的，因此必须进行注射机的开模行程校核。对于不同型式的锁模机构的注射机，其最大开模行程与模具厚度有关，有的与模具厚度无关。该模具中选择的注射机其最大行程与模具厚度无关，且模具为双分型面注射模。所以注射机开模行程应大于模具开模时取出塑件所需的开模距离，即满足下式：式中 塑料脱模所需要的顶出距离，mm；此处为120mm；第一次开模距离（包括浇注系统凝料），mm；此处80mm；则S=120+80+7=207mm由注射机参数知，满足要求。十六、模具成型零部件材料的选择由于标准模架的座板、垫块、推件板、导柱、导套、螺钉等标准零件可查找设计手册确定，故此处只对成型零件的材料进行选择。作为用于成型部位的材料，应具备以下性能：1、 切削加工性能好，热处理变形小，可淬性好。2、 抛光性好，加工后的成型部位表面光滑美观。3、 耐磨性好，以便延长模具的使用寿命。4、 具有足够的机械强度。5、 耐腐蚀性好，在使用中不易生锈。 本模具的成型部位的材料选用的是碳素工具钢T10A，其处理前硬度HRC30，易于切削加工。这种钢在真空环境下经500550，以510h时效处理，钢材弥散析出复合合金化合物，使钢材硬化具有HRC4045，耐磨性好且处理变形小。由于材质纯净，可做镜面抛光，并能光腐蚀精细图案，还有较好的电加工及抗腐蚀性能。工作温度达300，拉伸强度1400MPa。十七、模具零件材料的选用导柱和导套应有足够的强度和耐磨度，常采用20底碳钢渗碳淬火处理，硬度为4855HRC，也可采用T8A或T10碳素工具钢，经淬火处理。导柱和导套配合部分的表面粗糙度要求为Ra1.5m。由于45钢具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后，可获得很好的韧性、塑性和耐磨性，材料来源光，价格低廉，一般经过调质处理后用来制造塑料模具，是我国目前塑料模具用钢最广泛的一个品种。此处选择该钢种为其他模具零件的材料，其热处理工艺根据零件的要求加以选择。十八、设计心得塑料成型加工与模具是我们很重要的一门专业课程，做课程设计的时候，必须用很严谨的态度仔细的做好每个细节。两周的课程设计让我学到了许多新的知识。塑料模具的设计是一门实践性和实用性很强的学科，而且它又是集塑料工艺、模具加工、和成型模具等许多工程技术基础学科为基础，与模具设备、模具制造工艺学密切联系的，因而我们在做课程设计就必须要理论联系实际，综合运用相关学科的基础知识，强化了我们对以前知识的记忆和熟悉。在课程设计阶段，我们遇到了很多不懂的地方和难题。但是，在我们的不断努力下，通过不断实践，不断学习，不但解决了问题，还学到很多课本上没有的新知识。最后，感谢一直为我们解决课程设计中遇到难题的指导老师！十八、参考资料1塑料成型加工与模具 化学工业出版社 黄虹 主编 2003年3月第一版 2006年6月北京第5次印刷2注塑模典型结构图例 化学工业出版社 杨占尧 主编 2005年8月第一版 2005年8月北京第1次印刷3塑料模具技术手册 机械工业出版社 塑料模具技术手册编委会 主编 2004年1月第1版 第5次印刷