基于PRO-E嵌件型塑胶设计

基于 PRO-E 嵌件型塑胶1CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE Process; Desig基于 PRO-E 嵌件型塑胶目 录第 1 章 绪论 1第 2 章 零件分析与总体设计.32.1 零件分析32.2 总体设计3第 3 章 模具设计83.1 应用软件概述83.2 工件尺寸的计算93.3 内模镶件排位123.4 Pro/ENGINEER 模型造型133.5 注射机的选择.15第 4 章 成型零部件工作尺寸计算.264.1 型 腔、型工作尺寸的计算.26第 5 章 模架设计.325.1 应用软件概述.325.2 模架的选用及尺寸确定32结论.41参考文献.32致谢. 43基于 PRO-E 嵌件型塑胶1第 1 章 绪 论模具是现代工业生产的基础工艺装备，在国民经济中占重要地位。在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通讯等产品中，60%80%的零件都要依靠模具成型。用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其它加工方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器” ，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，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。模具工业是国民经济的基础产业，模具工业的发展标志着一个国家上工业水平及产品的开发能力，汽车工业中新车型的开发与批量生产，家电工业及日用品工业的产品开发等都与模具行业的发展息息相关，模具技术的应用为我国模具工业的发展起到了重要的推动作用。模具技术已成为技术发展中最具活力、创造效益最高的应用领域。同时，模具工业也普及、应用最成熟的行业之一。模具不是批量生产的产品。它具有单件生产和对特定用户的依赖特性。就模具行业来说，引进国外先进技术，不能采用通常的引进产品许可证和技术转让等方式，而主要是引进已经商品化了的 CAD/ CAM /CAE 软件和精密加工设备等。新兴的模具 CAD 技术很大程度上实现了企业的愿望。近年来，CAD 技术的应用越来越普遍和深入, 大大缩短了模具设计周期, 提高了制模质量和复杂模具的制造能力。塑料注射成型工艺的最大特点是复制，能够复制出所需要的直接或者间接使用的制品，是一种适宜大批量生产的工艺。模具是塑料成型加工的一种重要的工艺装备，模具生产的最终产品的价值往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。特别是在塑料产品的生产过程中，塑料模具的应用及其广泛，在各类模具中的地位也越来越突出，成为各类模具设计、制造与研究中最具有代表意义的模具之一。而注塑模具已经成为制造塑料制造品的主要手段之一，且发展成为最有前景的模具之一。注射成型是当今市场上最常用、最具前景的塑料成型方法之一，因此注塑模具作为塑料基于 PRO-E 嵌件型塑胶2模的一种，就具有很大的发展前景。注塑成型作为一种重要的加工方法，在加电行业，汽车工业机械工业等都有广泛应用，而且生产的制件具有精度高、复杂度高、生产率高和消耗低的特点。在注塑成型工艺中，涉及设备和原材料状况、制品设计、工艺条件等多种因素，模具是与这些因素紧密相连的关键环节，模具结构的合理性和质量的好坏直接影响到制品的质量以及整个工艺过程的效率和效益。本书主要讲述的是壳塑料的模具设计的总过程。基于 PRO-E 嵌件型塑胶3第 2 章 零件分析与总体设计2.1 零件分析零件三维图如图 2-1 所示。图 2-1 零件三维图下面是对上图零件分析的结果：(1) 该零件尺寸不大，结构较为简单，注塑时只需将较易损坏的部位做成型芯，降低维修的成本。(2) 该零件未注精度，故默认取一般精度，即 IT41。(3) 选用材料为丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物（即 ABS） ，符合经济要求和也提高了成型效率。(4) 该零件内表面上缘安装配合处有光洁度要求，故应考虑好浇口浇注系统结构需要。(5) 该塑件生产批量为大批量，为降低成型费用，采用一模四腔，注塑完后不对工件进行加工，只要把浇注口拔掉就行。2.2 总体设计2.2.1 制品的材料特性本零件选用 ABS（丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物） 。ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)的性能： (1) 应用范围基于 PRO-E 嵌件型塑胶4汽车(仪表板、工具舱闷、车轮盖、反光镜盒等)，电冰箱，高强度工具(发烘干机、搅拌器、食品加工机、割草机等)，电话机壳体，打字机键盘，娱乐用车辆，如高尔夫球手推车和喷气式雪橇车等。(2) ABS 特性优点ABS 材料具有优越的综合性能，制品强度高，刚性好，硬度、耐冲击性、制品表面光泽性好，耐磨性好。ABS 耐热可达 90 摄氏度（甚至可以在 100150 摄氏度使用） ，耐低温，可在-40 摄氏度下使用。同时耐酸、碱、盐、耐油、耐水。具有一定的化学稳定性和良好的介电性能。不易燃。(3) ABS 特性缺点不耐有机溶剂，耐气候性差，在紫外线下易老化。2.2.2 材料数据的初步确定ABS 选用成型条件见表 2-11表 2-1 ABS 成型条件预热 料筒温度塑料名称注射成型机类型堆密度 3cmg计算收缩率（%）温度/。 C时间/h后段 中段 前段喷嘴温度/。 C模具温度/。 C注射压力/MPaABS螺杆式1.031.070.30.8808523150170165180180200170180508060100成型时间 /s 后处理成形压力/MPa注射时间高压时间冷却时间总周期螺杆转速/rmin1适应注射机类型方法 温度/。 C时间/h4060209005201205022030螺杆、柱塞均可红外线灯烘箱70242.2.3 结构具体方案(1) 确定型腔布局基于 PRO-E 嵌件型塑胶5塑件的几何结构特点简单，尺寸精度要求不高，批量较大，模具制造容易，确定型腔数为 4 个。(2) 确定浇注系统考虑到塑件的质量和成型特性，还有保证内表面上缘安装配合处的光洁度，浇口的位置应该在塑件上表面边缘。(3) 确定分型面分 型 面 即 打 开 模 具 取 出 塑 件 或 取 出 浇 注 系 统 凝 料 的 面 ， 分 型 面 的 位 置 影 响 着 成型 零 部 件 的 结 构 形 状 ， 型 腔 的 排 气 情 况 也 与 分 型 面 的 开 设 密 切 相 关 。 分 型 面 的 设计 原 则 为 ：1) 分 型 面 应 选 在 塑 件 外 形 最 大 轮 廓 处 。2) 便 于 塑 件 顺 利 脱 模 ， 尽 量 使 塑 件 开 模 时 留 在 动 模 一 边 。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 加 工 制 造 。6) 对 成 型 面 积 的 影 响 。7) 对 排 气 效 果 的 影 响 。8) 对 侧 向 抽 芯 的 影 响 。对 于 此 塑 料 件 ， 采 用 动 模 框 与 定 模 框 对 接 形 成 与 塑 件 轮 廓 曲 线 相 一 致 的 分 型 面 形式 , 其 中 动 模 框 和 定 模 框 分 别 镶 嵌 于 型 腔 板 和 型 芯 板 中 ,分 型 面 呈 空 间 曲 面 形 式 。其 形 状 如 图 2-2：基于 PRO-E 嵌件型塑胶6图 2-2 分 型 面(4) 顶出机构与拉料杆的设计顶出机构采用圆柱顶杆，拉料杆采用 Z 型。在注射完成后，动模与定模分离，拉料杆把浇注系统的条料拉出，然后随顶杆一起向上运动，把零件顶出下型芯。(5) 冷却系统为了保证塑件的质量，模具的模芯温度应保持在 5080，所以模具应该设定冷却系统。模温过高会产生缩孔，过低影响到某些部位没有填充完毕，塑料已凝固。模具的最高温度的地点是型腔和型芯的附近部位，因此在这些部位的周围设计循环水冷却回路，通过回路中的阀门控制冷却水流量或流速从而达到调节模温的目的。水孔直径一般在 68mm,孔边距型腔最近距离应大于 1520mm，否则将影响型腔的强度。(6) 排气槽的设计在注塑成型过程中，模具内除了型腔和浇注系统中有的气体外，还有塑件受热或凝固产生的低分子挥发气体，这些气体若不能顺利排出，则可能因充填时气体被压缩而产生高温，引起塑件局部炭化烧焦，使塑件产生气泡，或使塑料熔接面不良而引起缺陷，因而须进行排气设置，排气深度（或间隙）0.025mm。1）排溢设计：排溢是指排出充模熔料中的前锋冷料和模具内的气体等。2）引气设计：对于一些大型腔壳形塑件，注射成型后，整个型腔由塑料填满，型腔内气体被排出，此时塑件的包容面与型芯的被包容面基本上构成真空，当塑件脱模时，基于 PRO-E 嵌件型塑胶7由于受到大气压的作用，造成脱模困难，如采用强行脱模，势必使塑件发生变形或损坏，因此必须加引气装置。3）排气系统有以下几种方式：利用排气槽；利用型芯、镶件、推杆等配合间隙；有时为了防止制品在顶出时造成真空而变形，必须设置进气装置。4）该套模具的排气方式有a.利用模具的分型面排气；b.对于组合式型芯可利用其拼和的缝隙、零件配合的间隙。对制品零件的分析和初步的总体设计是必要的。有的初步的总体设计，才能在Pro/ENGINEER 里把三维模型实现。初步的总体设计不但把各部分工作相联系，而且在发现有错误或者问题的时候可以快速修改。基于 PRO-E 嵌件型塑胶8第 3 章 模具设计3.1 应用软件概述模具的设计包括产品的实体造型和模具的型腔设计，应用的 CAD 软件是Pro/ENGINEER，它能完成产品的实体造型，然后根据实体造型后的数据进行模具的型腔设计。下面就 Pro/ENGINEER 这个计算机辅助设计软件的特点进行简单的概述。(1) 全相关性Pro/ENGINEER 的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。 (2) 单一数据库Pro/Engineer 是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的 CAD/CAM 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。(3) 具有参数化设计和特征功能Pro/ENGINEER 使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性） ，然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了 Pro/ENGINEER 独特的全相关性功能，因而使之成为可能。(4) 拥有数据管理的功能基于 PRO-E 嵌件型塑胶9加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一个产品进行的各项工作，由于使用了 Pro/Engineer 独特的全相关性功能，因而使之成为可能。(5) 便捷的装配管理Pro/Engineer 的基本结构能够使你利用一些直观的命令，例如“连接” 、 “匹配” 、“插入” 、 “对齐”等很容易的把零件体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。Pro/ENGINEER 摆脱了传统线创建、面创建，改用 3D 实体结构，除了可以将模型真实的呈现出来外，更可以轻易地计算出实体的表面积、体积、重量、惯性矩和重心等物理量。在零件的实体造型环境下，根据零件图，输入必要的参数，应用了 Pro/ENGINEER 中Part/Design 模块进行三维造型, 这一模块主要造型方法有 Extrude (拉深)、Revolve (旋转)、Sweep (扫描)、Blend(混成)、Use Quilt (用曲面)、Varsec Sweep (变截面扫描)、Sweep Blend (扫描混成)、Helical Sweep (螺旋扫描)、Boundaries (用边界)、From file (从数据文件)和其它一些辅助功能(如倒圆、倒角、变化圆角、拔模斜度等)。应用 Pro/ENGINEER 这些功能,能很好地完成复杂实体造型。3.2 工件尺寸的计算a） 凹模侧壁宽度的计算 2计算公式如下 （3-31yEchpb1）式中 b凹模侧壁的理论宽度，cm；h凹模型腔的深度，cm；基于 PRO-E 嵌件型塑胶10p凹模型腔内的熔体压力，MPa；凹模长边侧壁的允许弹性变形量。对于一般塑件， ；1y cmy05.1c系数，如图 3-1 所示；系数，如图 3-2 所示；1E钢材的抗拉弹性模量。一般中碳钢 ；MPaE510.2凹模型腔的长度，cm 。1l1/lh图 3-1 c 的系数基于 PRO-E 嵌件型塑胶112/lh图 3-2 的系数1根据塑件的尺寸， ， ， ， ， ，2.5cmh40Mpacmy05.1cl10.， ，由公式（3-1）得理论侧壁宽度为7.01PaE510.2cyEchpb 28.105.71.24.5. 3531 考虑到水线的布置，取四周侧壁宽度为 2cm，中间壁宽度为 2.4cm。如图 3-3。基于 PRO-E 嵌件型塑胶12图 3-3 凹模尺寸b) 凹模底部厚度的计算 2对于有支撑板的凹模，计算其凹模侧壁宽度即可，其厚度一般应不小于侧壁宽度的1/3。即 ，选取凹模全高度为 4.5cm，底部厚度为 2.0cm。cm43.0c） 凸模厚度 B 因为凸模是有型腔，且型芯镶通，凸模厚度 B=型腔深度 a+封料尺寸 b（最小 8mm）,故此处取凸模厚度 B=25+10=35mm。根据成型零件的尺寸，型腔最大直径 100mm,型腔深度 25mm,由上面经验确定法得出工件的尺寸为长宽高=132mm132mm80mm，其中凹模厚度 A=45mm，凸模厚度B=35mm。3.3 内模镶件排位基于 PRO-E 嵌件型塑胶13由于是一模四腔，一般来说，内模镶件排位应遵循以下基本原则。(1) 对称排位的原则(2) 对角排位的原则(3) 浇品统一原则(4) 分流道最短原则一模多腔的模具，各型腔之间的钢厚取 12-25mm3，此处取各型腔之间的钢厚为25mm。内模镶件排位见图 3-4。图 3-4 内模镶件排位3.4 Pro/ENGINEER 模型造型（1） 应用 Pro/E 中 Mold 模块来设计模具的型芯。（2） 启动 Pro/Engineer wildfire 4.0 新建，点选“制造” ，再选“模具型腔” ，确定。选择公制模板，进入操作界面。（3） 设置绝对精度，点选 “工具”“选项” ，查找“enable_absolute_accuracy ”，将值设定为“yes” ，点选“更改”“确定” 。（4） 然后装配零件实体造型，让其处在最佳的造芯位置。（5） 进行零件的厚度分析和拔模斜度分析，符合 ABS 材料的厚度和拔模斜度要求。（6） 建立模具工件基于 PRO-E 嵌件型塑胶14根据参考零件尺寸，设置其尺寸为 132.5mm132.5mm80mm，完成工件创建。具体操作：模具模型创建工件。选取零件坐标轴，根据 ABS 的性能，根据表 1-1 知收缩率在 0.3%0.8%之间，所以设定收缩率为 0.5%，输入 0.005，完成成品的收缩率设置。具体操作：“模具”“收缩”“按比例” 。（7） 设计分型面零件较简单，分型较容易，分 型 面 应 选 在 塑 件 外 形 最 大 轮 廓 处 ， 如 图 3-5。图 3-5 分型面（8） 分割模具体积块（9）抽取模具元件（10）分割凹、凸模体积元件（11）镜像成一模四腔（12）模具拆分分解后的模具如图 3-6 所示。基于 PRO-E 嵌件型塑胶15图 3-6 模具分解3.5 注射机的选择本次设计与实际在工厂中的设计有所不同。工厂中的注塑机是已有固定的，模具设计人员通常都是根据车间内的注塑机来确定最大的之间产量，即是说厂中的注塑机选择是有限的。而在本次设计中，我们选择注塑即的原则则是按我们想象中的产品产量和实际的塑件形状来选择任何一款注塑机，最后校核能满足使用要求即可。这样同样也可以达到训练的目的。3.5.1 盒盖体积、质量的计算 ABS 的密度取 1.05 ，根据塑件的三维模型，利用三维软件 pro/e 直接可查询3cmg到可得出盒盖体积，见图 3-7。由于是一模四腔，所以盒盖总体积为 28.44=113.6cm3，盒盖总质量为 113.6 cm31.05 =119.28g。3基于 PRO-E 嵌件型塑胶16图 3-7 质量属性3.5.2 脱模力的计算脱模力指的是开始脱模时瞬间所须克服的最大阻力。壳体形塑件脱模阻力通常按薄壁和厚壁两种类型考虑，每种类型塑件再根据断面集合形状进行计算。薄壁壳体形塑件：指塑件壁厚与其内孔直径之比小于 1/20 的塑件。（1） 塑件断面为圆环形时，所需脱模力 ktgftESLQ)1(cos2(3-2)基于 PRO-E 嵌件型塑胶17（2） 塑件断面为矩形环时，所需脱模力 (3-3)ktgftESLQ)1(cos8厚壁壳体形塑件：指塑件壁厚与其内孔的直径比大于 1/20 的塑件。（1） 塑件断面为圆环形时，所需脱模力 (3-4)ktgfRESLQ)1(cos2（2） 塑件断面为矩形环时，所需脱模力 (3-5)ktgfESLbaQ)1()(cos)2其中 脱模力 (N)塑料的弹性模量（N/cm）E塑料成型收缩率S塑件的平均壁厚（cm）t塑件包容型芯的长度（cm）L基于 PRO-E 嵌件型塑胶18塑料的泊松比脱模斜度塑料与钢材之间的摩擦因数f型芯大小端的平均半径（cm）R矩形型腔的短边长度（cm）a矩形型腔的长边长度（cm）b与 、 有关的系数， ，其值约等于 1ksinco1k系数，1cs2os12tRtk如塑件孔为盲孔，上述计算式中还须加上塑件所受的大气压力：F=10A式中 F克服真空增加的脱模阻力，NA塑件盲孔的底面积，cm我们所做的塑件，且其断面近似为圆环形，ABS 的成型收缩率 S 为 0.30.8，高强度冲击 ABS 的弹性模量 E 为 2.9GPa ，泊松比 为 0.38，与钢的摩擦因数 f 为0.20.25。其中型芯的脱模阻力主要来自六个地方， 如图 3-8 所示。基于 PRO-E 嵌件型塑胶19图 3-8 型芯脱模阻力示意图Q1 处属薄壁壳体形，塑件断面为圆形环，底处存在通孔，不需要克服真空增加的脱模阻，所以用下式计算：基于 PRO-E 嵌件型塑胶2011)()cos2ktgfESLtQ其中 =0.096cm1t=0.150cmL21 01.2sinco38.01sincok所以 NtgQ 1.201.38. 5.s59.206.21 Q2 处属薄壁壳体形，塑件断面为圆形环，底处存在通孔，不需要克服真空增加的脱模阻，所以用下式计算： 222)1()cosktgfESLtQ其中 =0.193cm2t=1.522cmL72 05.17sinco38.01sinco12 k NtgQ 3.4 72529.3.02 Q3 处属薄壁壳体形，塑件断面为圆形环，底处存在盲孔，要克服真空增加的脱模阻，所以用下式计算：基于 PRO-E 嵌件型塑胶21210)1()cos23333 AktgfESLtQ其中 =0.023cm3t=1.477cmL1301.sin1co38.01sinco3 kA= 22234.0mr NtgQ 10.324.0101.)38.1( )25.(cs4759. Q4 处大径属薄壁壳体形，小径属厚壁壳体形，塑件断面为圆形环，底处存在通孔，不需要克服真空增加的脱模阻，所以用下式计算： 4242414141 )1()(cos)()cos2 ktgfESLRktgfESLtQ 其中 =0.0978cm41t=3.8cm2=0.459cm41L=0.170cm2412cm5.0R4 01.2sinco38.01sino13 k基于 PRO-E 嵌件型塑胶2201.sin1co38.01sinco14242 k03.1cos52.83.2s244224 Rtt 01.)38.1( )25.0(2cos45909.2078.24 tgQ.)( )1.(7.34.3t7.1N3Q5 处属薄壁壳体形，塑件断面为矩形环，底处存在通孔，不需要克服真空增加的脱模阻，所以用下式计算： 2)1()cos8555ktgfESLtQ其中 =0.200cm5t=0.155cmL9.15 01.9sin.1co38.01sinco5 k NtgQ 2).( )25.(0.2853 基于 PRO-E 嵌件型塑胶23Q6 处属薄壁壳体形，塑件断面为矩形环，且只受一侧的包紧力，底处存在通孔，不需要克服真空增加的脱模阻，所以用下式计算： 2)1()cos8666ktgfESLtQ其中 =0.100cm6t=1.500cmL0610sinco38.01sinco16 k NtgQ 5.32).( )5.(59.2863 所以单模腔所受的脱模力Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=2.1+5.3+3.1+3.1+1.2+3.5=18.3N因为此为一模四腔，所以总脱模力 。NQ2.73.184总3.5.3 塑料注射机选择根据计算所得的总体积和质量可初选 SZ-500/200 注射机。塑料注射机参数的规格如下表 3-13。表 3-1 SZ-500/200 注射机参数螺杆直径/mm螺杆转速/(r/min)理论注塑容量/ cm3注塑压力/MPa注塑速率/（g/s）塑化能力/(kg/h)55 0180 500 150 173 110锁模力/kg 拉杆间距（HV）/(mmmm)模板行程/mm 模具最小厚度/mm模具最大厚度/mm定位孔直径基于 PRO-E 嵌件型塑胶24200 570570 500 280 500 160定位孔深度喷嘴伸出量/mm 喷嘴球半径/mm顶出行程/mm 顶出力/KN 外形尺寸(LWH)/(mmm)25 30 20 90 53 5.61.92.03.5.4 塑料注射机相关参数的校核(1) 注射机容量的校核注射机的选择必须满足注射量 V 机V 塑件/0.8， 式中 V 机额定注射量（cm 2） V 塑件塑件与浇注系统凝料体积和（cm 2） 注射量 V 机V 塑件/0.8=113.6/0.8=142cm 3 满足注射机的容量的要求。(2) 注射机额定锁模力的校核注射机额定锁模力 Fs 要求 FsFz=p(nAx+Aj)Fs锁模力Fz胀模力p模腔压力（一般为 40Mp-60Mp）Ax塑件型腔在模具分型面上的投影面积Aj塑件浇注系统在模具分型面上的投影面积n型腔数Ax3.145 2 =78.54 cm2Aj1420.6=16.8 cm 2FsFz=40(478.54+16.8)=13238.4 NFs13.2384 KN满足注射机额定锁模力的要求。(3) 注塑压力的校核根据表 2-1 ABS 成型条件，ABS 的注塑压力为 60100Mpa，SZ-500/200 注射机的注射压力为 150Mpa，满足注塑压力要求。