塑料封蓋注塑模具設計,塑料,注塑,模具設計 南京理工大學泰州科技學院 畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯 系　　部： 機械工程系 專 業(yè)： 機械工程及自動化 姓 名： 干瑞彬 學 號： 05010116 外文出處：Journal of Materials Processing Technology 171 (2006) 259—267 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導教師評語： 譯文語句通順，專業(yè)詞匯較準確，基本符合規(guī)范和畢業(yè)設計相關要求。 簽名： 年 月 日 附件1：外文資料翻譯譯文 注塑模具的設計及其熱分析 S.H. Tang ?, Y.M. Kong, S.M. Sapuan, R. Samin, S. Sulaiman 摘要：本文介紹注塑模具設計生產翹曲測試樣本以及為了獲得殘余熱應力的影響在模具中執(zhí)行熱分析。這項技術、理論、方法在注射模具設計中必須被考慮運用。在商業(yè)計算機上使用13.0版本的計算機輔助設計軟件UG進行模具的設計。使用商用有限元分析軟件LUSAS分析家分析發(fā)現(xiàn)并揭示由于試樣的冷卻不均勻使塑件存在殘余熱應力的分析報告。該軟件提供模型的溫度等高線分布圖并通過注塑周期時間響應曲線繪制溫度變化曲線。結果表明與其它區(qū)域相比收縮更可能會發(fā)生在冷卻渠道附近。模具這種不平衡的冷卻效果有助于不同區(qū)域翹曲的產生。 關鍵詞：注塑模具 設計 熱分析 1． 引言 塑料工業(yè)被列為一個數十億美元的產業(yè)，是世界上增長最快的行業(yè)之一。在日常生活中幾乎所有的用品都離不開塑料，而大多數這些塑料都可以用注塑的方法生[ 1 ]。 眾所周知注塑成型加工是以較低的成本生產各種形狀復雜的幾何體產品 [ 2 ]。 注塑成型加工是一個循環(huán)過程。在注塑過程中有四個重要的階段。這四個階段是加料階段、保壓階段、冷卻階段和頂出頂出。塑料注塑成型加工首先是往注射機料斗中添加樹脂和適當的添加劑，并加熱塑料注射機的料斗到噴嘴部分[ 3 ]。在注射溫度下模具型腔充滿熱聚合物熔體，在模具型腔填滿后的保壓階段，更高壓力下更多的聚合物熔體裝入型腔，以補償前期聚合物凝固引起的收縮。接下來是模具的冷卻階段，塑件在排出前被冷卻到足夠的強度。最后一步是頂出階段，模具開模同時頂出塑件， 然后模具再次合上并開始下一個周期。 事實證明設計和制造理想性能的高分子注塑成型零件是一個昂貴的工程，包括反復修改加工，在模具設計任務中，設計模具明確附加幾何結構，核心方面通常包括相當復雜的凸凹面[5]。 為了設計模具必須考慮許多重要的設計因素。這些因素分別是模具的尺寸、型腔數、型腔的布局、澆注系統(tǒng)、澆口系統(tǒng)、收縮和頂出機構[ 6 ]。 在模具的熱分析中，其主要目的是分析影響殘余熱應力或壓力對產品尺寸的影響。熱誘導應力主要發(fā)生在注塑成型的冷卻階段，主要是因為其熱傳導性低以及熔融樹脂與模具之間的溫差。在冷卻期間產品的冷卻腔周圍溫度存在不均衡 [ 7 ]。 在冷卻時，冷卻管道附近的冷卻效果比遠離冷卻管道區(qū)域的冷卻效果好。不同的溫度導致不同的收縮，不同的收縮導致熱應力而顯著的熱應力可能會導致翹曲問題。因此，在冷卻階段對注射工件進行殘余熱應力模擬分析是非常重要的[ 8 ] 。通過了解熱應力的分布特點，可以預測殘余熱應力引起的變形。 本文介紹了注塑模具設計生產翹曲試樣以及為了獲得殘余熱應力影響而在模具中執(zhí)行熱分析。 2. 方法 2.1 設計翹曲測試樣本 本節(jié)說明了用于注塑模具的翹曲測試樣品的設計。很顯然翹曲的主要問題存在于產品的薄殼特征。因此，產品開發(fā)的主要目的是設計一個塑件，以確定注塑工件薄殼翹曲問題的有效因素。 翹曲測試樣本是薄殼塑料。樣本的總體尺寸長120mm，寬50mm,厚1mm. 用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）作為材料，在注射溫度為210℃，壓力為60MPa,持續(xù)3s時間生產翹曲測試樣本。圖1顯示了翹曲測試樣本的制作 圖1 翹曲測試樣本制作 2.2 翹曲測試樣本注塑模具的設計 本節(jié)介紹了設計生產翹曲測試標本時，在模具的設計方面和其他方面的考慮因素。用于生產翹曲測試樣本注塑模具的材料是AISI1050碳鋼。在模具設計時考慮了四個構思，其中包括： i. 三板式模具（構思1 ）有一個型腔兩個分型面。由于成本高，所以不適用。 ii. 兩板式模具（構思2 ）有一個型腔一個分型面但無澆注系統(tǒng)。由于單位時間內注射生產量低，不適用。 iii. 雙板模具（構思3 ）有一個分型面和兩個型腔，帶澆注和頂出系統(tǒng)。由于塑件的是薄殼的，頂桿可能破壞工件，所以不適用。 iv. 雙板模具（構思4 ）有一個分型面和兩個型腔帶澆注系統(tǒng)，只用拉料桿為頂出機構，避免頂出時破壞塑件。 翹曲測試樣本模具設計的第四個構思被應用。在模具設計中，還有許多因素需要考慮。 首先，根據注塑機使用的壓板尺寸設計模具。注塑機行程是有限的，通過兩個拉桿間的距離確定注射機的最大行程。注射機兩個拉桿間的距離為254mm，因此，最大模板寬度不應超過254mm這個距離。此外在模具和兩連桿中留出4mm的間隙便于模具的拆裝。這最終使模具最大寬度250mm。250X250的標準模架最終被使用。其他有關模板的尺寸則列于表1 成分 規(guī)格（ mm ）寬×高度×厚度 頂端夾緊板 定模座板 動模座板 支承板 推桿固定板 推板 夾緊板底 250 × 250 × 25 200 × 250 × 40 200 × 250 × 40 37 × 250 × 70 120 × 250 × 15 120 × 250 × 20 250 × 250 × 25 模具已設計了夾緊壓力，鎖模力應高于內部腔力（反作用力）以避免飛邊的發(fā)生。 以提供的標準模架尺寸為根據，凹模的寬度和高度的分別是200和250毫米，使得模板上的這些尺寸有足夠的空間設計兩個水平的型腔，而凸模只需留有固定澆口套的空間以便注入溶融塑料。因此，在產品的表面只設計了一個分型面。在開模的時候，塑件和流道在分型面上被分開。 模具設計了直接澆口或側澆口。澆口位于流道和塑件之間。為了便于注入塑料澆口底部設計了一個20°的錐角斜度和0.5mm的壁厚。為了熔融塑料的流入，還設計了4mm寬，0.5mm厚的澆口。 在模具設計時，選定了拋物面類型的流道。在這種情況下，它的優(yōu)點是僅需簡單的加工模具凸模部分。然與圓形截面類型相比，這種類型的流道有不利之處，如更多的熱量損耗和廢料。這可能會導致熔融塑料更容易固化。所以在設計時應縮短流道長度并增大流道直徑至少有6mm。 材料或熔融塑料在同一溫度同一壓力下同時被送到個模腔對于流道設計來說是很重要的一點?；谶@點，模腔的布局一般都是對稱的。 另一個設計方面是考慮到了氣孔設計。凹模和凸模配合面之間有非常好的修整，以防止飛邊的發(fā)生。然而當模具閉合時，可能會導致空氣閉于型腔內，導致塑件注射不足或不完整。設計足夠多的通風孔以確保型腔內的空氣可以被釋放，避免不完整的塑件發(fā)生。 為了讓冷卻更均勻，冷卻系統(tǒng)沿著模具型腔水平設置。在紊流的情況下，冷卻渠道提供了足夠的冷卻水冷卻模具。圖2顯示了在凸模上氣孔和冷卻管道的布局。 圖2 凸模上氣孔和冷卻管道的布局 在此模具設計中，頂出系統(tǒng)只由推桿固定板、拉料桿，澆口套組成。拉料桿設置與凸模的中心位置，在模具打開時不僅承擔拉著塑件到適當的位置，而且在頂出階段，作為推桿從模具中推出塑件。因為生產的產品僅有1毫米非常薄的，所以沒有額外推桿被使用或設置。在頂出階段額外的推桿可能會造成塑件產生孔或破壞塑件。 最后，為補償材料的收縮足夠的尺寸偏差被考慮。 圖3顯示三維實體造型，以及利用UG開發(fā)的模具的線框模型 圖3 三維實體造型以及利用UG開發(fā)的模具的線框模型 3．結果和討論 3.1塑件的制作生產及調整 從模具設計和制作的角度看，在試運行階段制作的翹曲測試樣本存在缺陷。該缺陷是注射不足，飛邊和翹曲。飛邊后來通過在型腔角上銑削額外的氣孔讓空氣排除的方法解決。同時，通過減小注塑機壓力減少了飛邊的產生。通過控制注射時間、注射溫度、熔融溫度等不同參數，控制翹曲變形。 經過這些修改，模具在低成本的情況下生產出了高質量的翹曲測試樣本，這些試樣還需要修整。圖4顯示修整后的模具，這是加工額外的排氣孔可以消去注射不足。 圖4 加工額外的排氣孔可以消去注射不足 3.2.模具和產品詳細分析 在塑料注射成型過程中，熔融ABS在210 ? C溫度下通過凹模上的澆口襯套直接注射到模具型腔，經過冷卻，塑件就成型了。塑件的生產周期需要花35秒，包括20秒冷卻時間。 用于生產翹曲測試樣本材料的是ABS在注射溫度、時間、壓力分別為210℃，3秒和60MPa。用于生產翹曲測試樣本注塑模具的材料是AISI1050碳鋼。 運用有限元軟件分析材料性能在決定溫度上非常重要。表2列出了ABS以及AISI 1050碳鋼的性能。 模具分析主要是凹模和凸模，因為他們是形成塑件的地方。因此，使用13.5版本的商用有限元分析軟件LUSAS分析家研究不同時段溫度的分布。使用二維熱分析研究殘余熱應力在不同區(qū)域對模具的影響。 由于對稱性，只要通過凸模的垂直斷面或在注射階段當凸凹模合在一起時的側面圖建立模型執(zhí)行熱分析。圖5所示的是模板的熱分析模型。 圖5 模具熱分析 建立模型包括分配各部分的性能以及模型的循環(huán)周期。這樣可以用有限元分析軟件用造型模擬模具模型進行分析，還可以繪制時間響應曲線顯示再某段時間內特定區(qū)域的溫差變化。 對試樣分析，使用13.5版本的LUSAS分析家進行雙向拉伸應力分析。一般只需在試樣的一端施加拉力另一端則固定住，然后慢慢增加拉力一直到達塑性極限。圖6所示的是分析的負載模型。 圖6 負載模型分析的產品。 3.3. 模具及試樣分析的結果及討論 模具分析過程對不同時間段的熱量分布作了觀測。圖7所示是在一個完整的注塑周期中不同時間段的二維等高線熱量分布圖。 圖7 不同時段溫度分布圖 對模具進行二維分析后，可繪制出時間響應曲線以分析殘余熱應力對制件的影響。圖8所示是繪制時間響應曲線所選的節(jié)點。 圖8 繪制時間響應曲線所選的節(jié)點 圖9到圖17顯示了在圖8中被標注的不同節(jié)點的溫度分布曲線 圖9節(jié)點284溫度分布 圖10 節(jié)點213溫度分 圖11 節(jié)點302溫度分布 圖12 節(jié)點290溫度分布 圖13 節(jié)點278溫度分布 圖14 節(jié)點1838溫度分布 圖15 節(jié)點1904溫度分布 圖16 節(jié)點1853溫度分布 圖17 節(jié)點1866溫度分布 從圖9—17中很顯然被選擇用來繪制曲線的每一個節(jié)點的溫度都是遞增的,也從室溫到高于室溫，然后再次溫度下保持一段時間。這些溫度上升是由于塑料溶液注入到了塑件的型腔內造成的。 經過一段時間后，溫度進一步上升直至達到最高溫度，然后保持在最高溫度下。由于保壓階段涉及高壓導致溫度上升。溫度保持不變直到冷卻階段開始，從而導致模具溫度減小到一個低值，然后保持該低值。繪制的曲線是不平滑的，因為注入熔融塑料的速率和冷卻速率是相應的。繪制的曲線圖僅僅顯示了在周期內溫度能達到的最大值。 冷卻階段是決定殘余熱應力的最關鍵階段。這是因為冷卻階段，材料冷卻從上面到下面玻璃化轉變溫度。物質的不均勻收縮可能產生熱應力從而引起翹曲。 如圖9-17中所示冷卻階段后的溫度，很明顯在冷卻管道附近的塑件由于溫度減小的更多，塑件獲得了更好的冷卻而遠離冷卻管道區(qū)域的塑件冷卻效果差。冷卻效果好、冷卻速度快意味著在該區(qū)域發(fā)生更多的收縮。最遠的區(qū)域節(jié)點284，雖然遠離冷卻管道，但由于向空氣中散熱冷卻更快。 因此，冷卻通道設在產品型腔的中心，造成冷卻管道附近和其他區(qū)域間產生溫差。由于發(fā)生收縮使得在塑件的中心區(qū)域產生壓應力以及由于發(fā)生不均衡的收縮導致翹曲。然而，在冷卻后不同節(jié)點的溫差很小，翹曲變形也不是很明顯。對設計師來說設計一副殘余熱應力效果小和高效的冷卻系統(tǒng)是非常重要的。 對于產品分析,從被實行開始到分析塑料產品,在產品上不同載荷因素的狀態(tài)下的應力分配情況可以通過觀察生成的二維曲進行線分析。圖18—21顯示了不同荷載增量下的等效應力圖。 圖18 荷載增量1下的等效應力圖 圖19 荷載增量14下的等效應力圖 圖20 荷載增量16下的等效應力圖 圖21 荷載增量23下的等效應力圖 在關鍵的127節(jié)點，選定產品的最大拉應力進行分析。應力應變曲線和應力負載增量曲線。如圖22和23 圖22 應力應變曲線 圖23 應力與負載增量曲線 參考負載應力曲線如圖23,它很清楚表明產品在增加拉力載荷，直到它達到了23的負載因數,這意謂產品能抵抗的1150 N的拉力。由圖23可知,對產品的固定端以施加最大應力3.27 ×107 Pa時損壞可能發(fā)生在其附近區(qū)域。 該產品應力分析資料十分有限，因為生產產品的目的是為了翹曲測試，所以沒必要進行拉伸負載分析。但是在未來，應當確定產品情況，以便在其他各種負載情況下執(zhí)行進一步的分析。 4．結論 經過翹曲測試試樣的分析確定影響翹曲的參數來設計的模具已經使產品質量達到最高。生產測試試樣所需的成本很低而且只需經過很少的表面處理。 通過注塑模的熱分析得出殘余熱應力對試樣的影響，對加載拉應力的分析也可以預測到翹曲測試試樣所能承受的最大拉力。 鳴謝 作者要感謝馬來西亞博特拉大學工學部發(fā)行出版了本文。 參考文獻 附件2：外文原文（復印件） 廣西科技大學鹿山學院塑料模具設計課程設計說明書 廣西工學院鹿山學院 課程設計說明書 課程名稱： 課題名稱： 塑料封蓋注塑模具設計 指導教師： 班 級： 姓 名： 學 號： 成績評定： 指導教師簽字： 年 月 日 摘 要 模具生產技術水平的高低，已成為衡量一個國家產品制造水平高低的重要標志。塑料工業(yè)的飛速發(fā)展，對注塑模具的設計與生產提出了質量好、制造精度高、研發(fā)周期短等越來越高的要求，能否適應這種需求已成為模具生產企業(yè)發(fā)展的關鍵因素。模具技術是融合機械工程、計算機應用、自動控制、數控技術等學科為一體的綜合性學科。 本文中針對塑料封蓋注射模具制定出合理的設計結構，其中包括成型部分及其零部件設計，澆注系統(tǒng)設計，脫模機構設計，冷卻系統(tǒng)設計等。根據分析，設計了一套塑料注射模具，并對模具以及主要零件進行了CAD繪圖。 關鍵字：注射模具，澆注系統(tǒng)，脫模機構，冷卻系統(tǒng) IV 目 錄 摘 要 II 目 錄 III 1 前言 1 2 塑件的工藝分析 2 2.1塑件的工藝性分析 2 2.2塑件的特點 3 2.3塑件的結構和尺寸精度及表面質量分析 5 2.3.1結構分析 5 2.3.2尺寸精度分析 5 2.3.3表面質量分析 5 2.4計算塑件的體積和質量 5 2.5注塑機的初選 5 3 分型面選擇和澆注系統(tǒng)設計 6 3.1 注射模具分型面的選擇 6 3.1.1分型面的基本形式 6 3.1.2分型面選擇的基本原則 6 3.1.3分型面的選擇 6 3.2 澆注系統(tǒng)的設計 7 3.2.1澆注系統(tǒng)的組成 7 3.2.2注射模具主流道的設計 7 3.2.3分流道的設計 9 3.2.4澆口的設計 10 4 成型零件的設計 11 4.1 模具型腔的結構設計 11 4.2 型芯的結構設計 11 4.3 成型零件的尺寸確定 11 4.4 型芯的結構設計 12 4.5 成型零件的尺寸確定 12 5 頂出機構的設計 16 6 冷卻系統(tǒng)的設計 18 7 排氣系統(tǒng) 19 8 成型設備有關參數校核 20 9 模具特點和工作原理 21 總 結 22 參考文獻 23 廣西科技大學鹿山學院塑料模具設計課程設計說明書 1 前言 塑料制品的成型是塑料成為具有實用價值制品的重要環(huán)節(jié)。塑料成型方法已達40多種。其中最重要的是注射，擠出，吹塑和壓制等。它們幾乎占了整個塑料成型的85%；其中注射尤為突出，占塑料成型的30%以上。注射模具成形是熱塑性塑料成型的一種方法，幾乎所有的熱塑性塑料都可以用此方法成型，有些熱固性塑料也可以用注射模塑成型。 先進制造技術的發(fā)展使人們不再單純地依賴產品圖或產品樣件來設計制作模具,逆向工程技術的應用使產品的圖片、照片或影像資料,甚至產品模具本身,都可以作為模具的設計依據。逆向工程技術特別在消化、吸收國外先進模具技術方面具有突出的優(yōu)勢, 由此還帶來設計思路上的變化,有時可以先設計模具型腔,然后據此再完善產品設計圖樣。 23 廣西科技大學鹿山學院塑料模具設計課程設計說明書 2 塑件的工藝分析 該塑件是塑料封蓋產品，其零件圖如圖所示。生產類型為大批量生產。 圖2.1 塑料封蓋圖 2.1塑件的工藝性分析 該材料為PP 聚丙烯為無毒、無臭、無味的乳白色高結晶的聚合物，密度只有0. 90--"0. 91g/cm3，是目前所有塑料中最輕的品種之一。它對水特別穩(wěn)定，在水中的吸水率僅為0. 01%，分子量約8萬一15萬。成型性好，但因收縮率大(為1%~2.5%）.厚壁制品易凹陷，對一些尺寸精度較高零件，還難于達到要求，制品表面光澤好，易于著色。 聚丙烯的結晶度高，結構規(guī)整，因而具有優(yōu)良的力學性能。聚丙烯力學性能的絕對值高于聚乙烯，但在塑料材料中仍屬于偏 低的品種，其拉伸強度僅可達到30 MPa或稍高的水平。等規(guī)指數較大的聚丙烯具有較高的拉伸強度，但隨等規(guī)指數的提高，材料的沖擊強度有所下降，但下降至某一數值后不再變化。 溫度和加載速率對聚丙烯的韌性影響很大。當溫度高于玻璃化溫度時，沖擊破壞呈韌性斷裂，低于玻璃化溫度呈脆性斷裂，且沖擊強度值大幅度下降。提高加載速率，可使韌性斷裂向脆性斷裂轉變的溫度上升。聚丙烯具有優(yōu)異的抗彎曲疲勞性，其制品在常溫下可彎折106次而不損壞。 但在室溫和低溫下，由于本身的分子結構規(guī)整度高，所以抗沖擊強度較差。聚丙烯最突出的性能就是抗彎曲疲勞性，俗稱百折膠 2.2塑件的特點 無毒、無味，密度小，強度、剛度、硬度耐熱性均優(yōu)于低壓聚乙烯,可在100℃左右使用。具有良好的電性能和高頻絕緣性且不受濕度影響，但低溫時變脆，不耐磨、易老化。適于制作一般機械零件、耐腐蝕零件和絕緣零件。常見的酸、堿等有機溶劑對它幾乎不起作用，可用于食具。 聚丙烯具有許多優(yōu)良特性： 1、相對密度小，僅為0.89-0.91，是塑料中最輕的品種之一。 2、良好的力學性能，除耐沖擊性外，其他力學性能均比聚乙烯好，成型加工性能好。 3、具有較高的耐熱性，連續(xù)使用溫度可達110-120℃。 4、化學性能好，幾乎不吸水，與絕大多數化學藥品不反應。 5、質地純凈，無毒性。 6、電絕緣性好。 7、聚丙烯制品的透明性比高密度聚乙烯制品的透明性好。 它有很多優(yōu)點但也有缺點： 1、制品耐寒性差，低溫沖擊強度低。 2、制品在使用中易受光、熱和氧的作用而老化。 3、著色性不好。 4、易燃燒。 5、韌性不好，靜電度高，染色性、印刷性和黏合性差 PP的注塑工藝參數 料筒溫度 喂料區(qū) 30~50℃(50℃) ? 區(qū)1 160~250℃(200℃) ? 區(qū)2 200~300℃(220℃) ? 區(qū)3 220~300℃(240℃) ? 區(qū)4 220~300℃(240℃) ? 區(qū)5 220~300℃(240℃) ? 噴嘴 220~300℃(240℃) 括號內的溫度建議作為基本設定值，行程利用率為35%和65%，模件流長與壁厚之比為50：1到100：1 熔料溫度 220～280℃ 料筒恒溫 220℃ 模具溫度 20～70℃ 注射壓力 具有很好的流動性能，避免采用過高的注射壓力80～140MPa(800～1400bar)； 一些薄壁包裝容器除外可達到180MPa (1800bar) 保壓壓力 避免制品產生縮壁，需要很長時間對制品進行保壓(約為循環(huán)時間的30%)；約為注射壓力的30%～60% 背壓 5～20MPa(50～200bar) 注射速度 對薄壁包裝容器需要高的注射速度(帶蓄能器)；中等注射速度往往比較適用于其它類的塑料制品 螺桿轉速 高螺桿轉速(線速度為1.3m/s)是允許的，只要滿足冷卻時間結束前完成塑化過程就可以 計量行程 0.5～4D(最小值～最大值)；4D的計量行程為熔料提供足夠長的駐留時間是很重要的 殘料量 2～8mm，取決于計量行程和螺桿轉速 預烘干 不需要；如果貯藏條件不好，在80℃的溫度下烘干1h就可以 回收率 可達到100%回收 收縮率 1.2～2.5%；收縮程度高；24h后不會再收縮(成型后收縮) 澆口系統(tǒng) 點式澆口或多點澆口；加熱式熱流道，保溫式熱流道，內澆套；澆口位置在制品最厚點，否則易發(fā)生大的縮水 機器停工時段 無需用其它材料進行專門的清洗工作；PP耐溫升 料筒設備 標準螺桿，標準使用的三段式螺桿；對包裝容器類制品，混合段和切變段幾何外形特殊(L：D＝25：1)，直通噴嘴，止逆閥 塑件精度要求,塑件工作要求不高，故選普通精度：４級 2.3塑件的結構和尺寸精度及表面質量分析 2.3.1結構分析 從零件圖上分析，該零件總體形狀為圓形。因此,模具設計,該零件屬于中等復雜程度. 2.3.2尺寸精度分析 從塑件的壁厚上來看,壁厚最大處為3mm,壁厚均勻,，在制件的轉角處設計圓角，防止在此處出現(xiàn)缺陷，由于制件的尺尺寸中等。 2.3.3表面質量分析 該零件的表面除要求沒有缺陷﹑毛刺，內部不得有雜質外，沒有什么特別的表面質量要求，故比較容易實現(xiàn)。 綜上分析可以看出,注塑時在工藝控制得較好的情況下,零件的成型要求可以得到保證. 2.4計算塑件的體積和質量 計算塑件的質量是為了選用注塑機及確定模具型腔數。 計算塑件的體積：V=46.87cm 計算塑件的質量：根據設計手冊可查得ABS的密度為ρ=1.06kg/dm 塑件質量：M=Vρ＝50g(通過3D軟件測量得到) 2.5注塑機的初選 根據塑件的計算重量或體積，選擇設備型號規(guī)格，確定型腔數當未限定設備時，須考慮以下因素： 采用一模兩件的模具結構，考慮其外形尺寸，注塑時所需壓力和工廠現(xiàn)有設備等情況，初步選用注塑機XS—ZY—125型。 廣西科技大學鹿山學院塑料模具設計課程設計說明書 3 分型面選擇和澆注系統(tǒng)設計 3.1 注射模具分型面的選擇 3.1.1分型面的基本形式 分型面的形式由塑料的具體情況而定，但大體上有平面式分型面、階梯式分型面、斜面式分型面、曲面式分型面、綜合式分型面。 3.1.2分型面選擇的基本原則 選擇分型面的基本原則：（1）保持塑料外觀整潔；（2）分型面應有利于排氣；（3）應考慮開模是塑料留在動模一側；（4）應容易保證塑件的精度要求；（5）分型面應力求簡單適用并易于加工；（6）考慮側向分型面與主分型面的協(xié)調；（7）分型面應與成型設備的參數相適應；（8）考慮脫模斜度的影響[11]。 3.1.3分型面的選擇 1、確定成型位置 由于塑件結構簡單,所以不用設計小型心,型腔直接開設在定模板和中間板上.采用兩排各8個型腔分布. 2、確定分型面 采用單分型面注射模,從AA分型面一次分型,如下圖所示: 圖3.1 分型面 3.2 澆注系統(tǒng)的設計 3.2.1澆注系統(tǒng)的組成 澆注系統(tǒng)是將熔融的塑料從成型設備噴嘴進入模具型腔所經的通道，它包括主流道、分流道、澆口及冷料。在設計注射模具的澆注系統(tǒng)應注意以下幾項原則[12]。 （1）根據所確定的塑件型腔數設計合理的澆注系統(tǒng)布局。 （2）根據塑件的形狀和大小以及壁厚等諸多因素，并結合選擇分型面的形式選擇澆注系統(tǒng)的形式及位置。 （3）應盡量的縮短物料的流程和便于清除料把，以節(jié)省原料，提升注射效率。 （4）應根據所選用塑件的成型性能，特別是它的流動性能，選擇澆注系統(tǒng)的截面積和長度，并使其圓滑過渡以利于物流的流動。 3.2.2注射模具主流道的設計 主流道是熔融塑料由成型設備噴嘴先經過的部位，它與成型設備噴嘴在同一軸心線上。由于主流道與熔融成型設備噴嘴反復接觸、碰撞，一般澆口不直接開設在定模上，為了制造方便，都制成可拆卸的澆口套，用螺釘或迫合形式在定模板上[13]。 （1）主流道的設計 主流道是指澆注系統(tǒng)中從成型設備噴嘴與模具接觸處開始到分流道為止的塑料熔體的流動通道。主流道的形狀與尺寸對塑料熔體的流動速度和充模時間有較大的影響，因此，必須使熔體的溫度降和壓力損失最小。 （2）主流道尺寸 在臥式或立式成型設備上使用的模具中，主流道垂直于分型面。為了讓主流道凝料能從澆口套中順利拔出，主流道設計成圓錐形，其錐角 為2o～6o。小端直徑d比成型設備噴嘴直徑大0.5mm～1 mm。由于小端的前面是球面，其深度為3mm～5 mm，成型設備噴嘴的球面在該位置與模具接觸并且貼合，因此要求主流道球面半徑比噴嘴球面半徑大1mm～2mm。流道的表面粗糙度值Ra為0.08 。 （3）主流道澆口套 主流道澆口套一般采用碳素工具鋼如T8A、T10A等材料制造，熱處理淬火硬度53HRC—57HRC。 澆口套的材料應選用優(yōu)質鋼T8A，并應進行淬火處理，為了防止成型設備噴嘴不被碰撞而損壞，澆口套的硬度應低于成型設備噴嘴的硬度。為了便于澆注凝料從主流道中取出，主流道采用α為3o～6o左右的圓錐孔。澆口套于成型設備的噴嘴頭的接觸球面必須吻合，由于成型設備噴嘴是球面，半徑是固定的，所以為使熔融塑料從噴嘴完全進入主流道而不溢出，應使?jié)部谔锥嗣娴陌记蛎媾c成型設備噴嘴端的凸面接觸良好，圓錐孔的小端直徑則大于噴嘴的內孔直徑，球面與主流道孔應以清角連接，不應有倒拔痕跡。為了便于澆注凝料從主流道中取出，主流道采用α為3o～6o度左右的圓錐孔，對流動性較差的塑料也可取得稍大一些，但過于大則容易引起注射速度緩慢，并容易形成渦流。 澆口套與塑料注射區(qū)直接接觸時，其出料端端面直徑應盡量選得小些。澆口套于成型設備的噴嘴頭的接觸球面必須吻合，由于成型設備噴嘴是球面，所以為使熔融塑料從噴嘴完全進入主流道而不溢出，應使?jié)部谔锥嗣娴陌记蛎媾c成型設備噴嘴端的凸面接觸良好，圓錐孔的小端直徑則大于噴嘴的內孔直徑，球面與主流道孔應以清角連接，不應有倒拔痕跡，以保證主流道凝料順利脫模[14]。 定位環(huán)是模體與成型設備的定位裝置，它保證澆口套與成型設備的噴嘴對中定位，定位環(huán)的外徑應與成型設備的定位孔間隙配合。澆口套端面應與定模相配合部分的平面高度一致。成型設備SZ-63／400的噴嘴球半徑為18 mm，噴嘴孔徑為2 mm。所以要使?jié)部谔锥嗣娴陌记蛎媾c成型設備噴嘴的端凸球面接觸良好，凹球面半徑取19 mm，圓錐孔的小端直徑則應大于噴嘴口內徑，取3 .2mm，如圖3.2。 圖3.2 澆口套 主流道垂直于分型面。為了讓主流道凝料能順利從澆口中拔出，主流道設計成圓錐形，其錐角為 3o。小端直徑d比成型設備噴嘴直徑大0.5－1mm。由于小端的前面是球面，其深度為3－5mm，取值為5mm，成型設備噴嘴的球面在該位置與模具接觸并且貼合，因此要求主流道球面半徑比噴嘴球面大1－2mm。 3.2.3分流道的設計 分流道是將熔融塑料從主流道截面及其方向的變化，平穩(wěn)進入單腔中的進料澆口或主流道進入多腔的澆口的通道，它是主流道與澆口的中間連接部分，起分流和轉換方向的作用，通常分流道設置在分型面的成型區(qū)域內。 在注射過程中，熔融的塑料在流經分流道時，應是它的壓力損失以及熱量損失最小，而以分流道中產生的凝料最少為原則，分流道的設計要點總體歸納如下： 分流道的形狀要考慮分流道的截面積與其周邊長度的比最大為好，這樣可以減少熔料的散熱面積和摩擦阻力，減少壓力損失。 在可能情況下，分流道的長度應盡量的短，以減少壓力損失，避免模體過大影響成本，在多型腔模具中和型腔的分流道長度盡量相等，以達到注射大時壓力傳遞的平衡，保證塑料盡可能同時均勻的充滿各個型腔。在有些情況下分流道長度不能相等時，則應在澆口處作必要的補救措施，如果分流道較長時，應在其末端設置冷料穴，放置冷料和空氣進入模腔[15]。 在滿足注射成型工藝的前提下，分流道的截面積應盡量的小，但分流道的截面積過小會降低注射速度，使填充時間延長，同時可能出現(xiàn)缺料、焦燒、皺紋、縮孔等塑件缺陷，而分流道過大則增大冷卻時間應比型腔中塑件的冷卻時間要短，才不影響注射時的效率。因此在設計時應采用較小的截面積，以便于在試模是為不要的修正留有余地。 分流道和型腔的分布是排列緊湊，距離合理，應采用軸對稱或中心對稱，使其平衡，盡量縮小成型區(qū)域的總面積。最好使型腔和分流道在分型面上的總投影面積的幾何中心和鎖緊力的中心相重合。 在分流道上的轉向次數盡量少，在轉向處應圓滑過渡，不能有尖角，這些都是為了減小壓力損失，有利于物料的流動。 當分流道設在定模一側或分流道延伸較長時，應在澆口附近或分流道的交叉處設置鉤料桿，以便于在開模時在鉤料桿的作用下首先從定模中拉出分流道的凝料，并與塑料一起頂出。 分流道的內表面不必要求很光，一般表面粗糙度取1.6μm即可，這樣可以在分流道的摩擦阻力下使料流外層的流動小些，使其分流道的冷卻皮層固定，有利于熔融塑料的保溫。 在總體分布中，應綜合考慮冷卻系統(tǒng)的方式和布局，并留出冷卻水路的空間。 a．分流道的形狀和尺寸 分流道開設在定模板上，其截面形狀為半圓形，底部以圓角相連。分流道為二次分流道，具體形狀如圖三。 b、分流道的表面粗糙度 由于分流道與模具接觸的外層塑料迅速冷卻，只有內部的熔體流動狀態(tài)比較理想，因此分流道表面粗糙度要求不太低，一般Ra取1.6μm左右，這可增加對外層塑料熔體的阻力，使外層塑料冷卻皮層固定，形成絕熱層。 c、分流道在分型面上的布置形式 分流道在分型面上的布置形式與行腔在分型面上的布置形式密切相關。由于行腔呈矩形形狀分布，則分流道一般采用“非”字狀分布。 3.2.4澆口的設計 此套模具采用的是點澆口的形式，點澆口是一種截面尺寸很小的澆口。這種澆口由于前后兩端存在較大的壓力差，可較大程度地增加塑料熔體的剪切速率并產生較大的剪切熱，從而導致容體的表現(xiàn)粘度下降，流動性增加，有利于型腔的充填。 4 成型零件的設計 4.1 模具型腔的結構設計 型腔大體有以下幾種結構形式：整體式、整體組合式、局部組合式和完全組合式。 型腔由整塊材料制成，用臺肩或螺栓固定在模板上。它的主要優(yōu)點是便于加工，特別是在多型腔模具中，型腔單個加工后，在分別裝入模板，這樣容易保證各型腔的同心度以及尺寸精度要求，并且便于部分成型件進行處理等。 型腔由整塊材料制成，但局部鑲有成型嵌件的局部組合式型腔。局部組合式型腔多于型腔較深或形狀較為復雜，整體加工比較困難或局部需要淬硬的模具。 完全組合式是由多個螺栓拼塊組合而成的型腔。它的特點是，便于機加工，便于拋光研磨和局部熱處理。節(jié)約優(yōu)質鋼材。這種形式多用于不容易加工的型腔或成型大面積塑件的大型型腔上。這里選擇整體式型腔。 在塑料注射模具的注射過程中，型腔從合模到注射保證過程中受到高壓的沖擊力，因此模具型腔應該有足夠的硬度和剛度，總的來說，型腔所承受的力大體有合模時的壓應力、注射過程中塑料流動的注射壓力、澆口封閉前一瞬間的壓力保證和開模時的壓應力，但型腔所承受的力主要是注射壓力和保證壓力，并在注射過程中總是在變化。在這些壓力作用下，當型腔的剛度不足時，往往會產生彈性變形，導致型腔向外膨脹，它將直接影響塑件的質量和尺寸精度。所以在模具設計時要首先考慮使型腔的壁厚和底板厚度都有足夠的強度和剛度，以保證型腔在注射過程中產生超過規(guī)定限度的彈性變形。因此型腔壁厚和底板的計算和選擇是十分重要的。 4.2 型芯的結構設計 型芯的結構形式大體有：整體式、整體復合式、局部組合式、完全組合式。 4.3 成型零件的尺寸確定 （1）型腔側壁厚度的計算 按強度計算 其壁厚S按下列公式計算 式中 [σ]— 型腔材料的許用應力，[σ]=156.8MPa p—型腔內單位平均壓力，P=38.4MPa r—型腔內半徑，r=10mm 代入公式得：S=4mm （2）底板厚度的計算 按強度計算 其壁厚H按下面公式計算 式中 [σ]— 型腔材料的許用應力，[σ]=156.8MPa p—型腔內單位平均壓力，P=38.4MPa r—型腔內半徑，r=10mm 代入公式得：H=5.5mm 4.4 型芯的結構設計 型芯的結構形式大體有：整體式、整體復合式、局部組合式、完全組合式。 4.5 成型零件的尺寸確定 （1）型腔尺寸計算 型腔的各部分尺寸一般都是趨于增大尺寸，因此應選擇塑件公差△的1/2，取負偏差，再加上-1/4△的磨損量，而型芯深度則再加上-1/6的磨損量，這樣的型芯的計算尺寸的表述如下。 （a）型腔的徑向尺寸的計算式： 式中 D0—型芯的最小基本尺寸； —塑件的最大基本尺寸； S—塑件的平均收縮率，S=0.02； △—塑件的公差，取八級精度； δ—模具制造公差，按1/4△選取； 根據公式計算得型腔的徑向尺寸： （b）型腔的深度根據尺寸的計算公式 式中 —型腔深度的最小尺寸； —塑件的最大基本小尺寸； S—塑件的平均收縮率； △—塑件的公差，取八級精度； δ—模具制造公差，按1/4△選??； 根據公式計算得型腔的深度尺寸： （2）型芯尺寸的計算 型芯的各部尺寸除特殊情況外都是趨于縮小尺寸,因此應選擇塑件公差的1/2,取正偏差,再加上+1/4的磨損量,而型芯高度則加上+1/6的磨損量.型芯的計算尺寸表達如下。 （a）型芯的徑向尺寸的計算式： 式中 —型芯的最大基本尺寸； —塑件的最小基本尺寸； S—塑件的平均收縮率； △—塑件的公差，取八級精度； δ—模具制造公差，按1/4△選??； 根據公式計算得型芯的徑向尺寸： （b）型芯的高度尺寸的計算： 式中 —型芯高度的最大尺寸； —塑件內形深度的最小尺寸； S—塑件的平均收縮率； △—塑件的公差，取八級精度； δ—模具制造公差，按1/4△選取； 根據公式計算得型芯的高度尺寸： 確定主要零件結構及尺寸 經過初步設計,預選中小型315×400×194標準A1模架，各板厚數值皆已有國際規(guī)定，其強度足夠。 定模座板 外形尺寸：400×315×25mm；材料：Q235A；調質HB216-260；澆口套與板之間采用φ20H7/k6過渡配合，四個孔距為260×160mm，四個小孔為160×100的銷釘孔。如圖5所示。 圖5 定模座板 4.6.3、型腔 外形尺寸：315×315×32mm；材料：45鋼；調質HB230-270；板上開16腔孔；采用四個φ30,孔距為230*6mm的導套孔采用過渡配合（H7/k6）。 4.6.3、型芯 外形尺寸：315×315×32mm；材料：45鋼；調質HB230-270；板上開24腔孔；采用四個φ20mm、孔距為258×260mm的導柱與孔采用過渡配合（H7/k6）；260×160mm。 4.6.7、推桿固定板 外形尺寸：199×315×20mm；材料：Q235A；四個與φ2.6推桿過渡配合、孔距為150×240mm的孔；四個用于連接推板的M12螺釘孔，孔距為285×160mm。 4.6.8、推板 外形尺寸：315×199×20mm；材料：45鋼；淬火HRC43-48；四個用于連接推桿固定板的φ12孔，孔距為285×160mm。如圖9所示。 圖9 4.6.9、動模座板 外形尺寸：400×315×25mm；材料：Q235A；調質HB216-260；四個孔距為260×160mm的M16螺釘孔。如圖10所示。 圖10 動模座板 5 頂出機構的設計 頂出機構的分類：按驅動方式分類可分為：手動頂出、機動頂出、啟動頂出。 按模具結構分類可分為：一次頂出、二次頂出、螺紋頂出、特殊頂出。 （1）推出機構的結構組成 在注射成形的每個周期中，將塑料制品及澆注系統(tǒng)凝料從模具巾脫出的機構稱為推出機構，也叫頂出機構或脫模機構。推出機構的動作通常是由安裝在成型設備上的機械頂桿或液壓缸的活塞桿來完成的。 結構組成：由推出、復位和導向零件組成。 （2）結構分類 手動推出、機動推出、液壓或氣動推出。 （3）結構設計要求 塑件留在動模,塑件在推出過程中不變形、不損壞,不損壞塑件的外觀質量,合模時應使推出機構正確復位,動作可靠。 （4）結構設計 （a）推桿推出機構 推桿推出機構是整個推出機構中最簡單、最常見的一種形式。由于設置推桿的自由度較大，而且推桿截面大部分為圓形，容易達到推桿與模板或型芯上推桿孔的配合精度．推桿推出時運動阻力小，推出動作靈活可靠，因此在生產中廣泛應用。 但是因為推桿的推出面積一般比較小，易引起較大局部應力而頂穿塑件或使塑件變形，所以很少用于脫模斜度小和脫模阻力大的管類或箱類塑件。 （b）推管推出機構 推管推出機構是用來推出圓筒形、環(huán)形塑件或帶有孔的塑件的一種特殊結構形式，其脫模運動方式和推桿相同。由于推管是一種空心推桿，故整個周邊接觸塑件，推出塑件的力量均勻，塑件不易變形，也不會留下明顯的推出痕跡。 （c）推件板的推出機構 凡是薄壁容器、殼形塑件以及表面不允許有推出痕跡的塑料制品，可采用推件板推出．推件板推出機構義稱頂板頂出機構，它由一塊與型芯按一定配合精度相配合的模板和推桿組成。 特點：推件板推出的特點是頂出力均勻，運動平穩(wěn)，且推出力大。但是對于截面為非圓形的塑件，其配合部分加工比較困難。 （d）活動嵌件及凹模推出機構 有一些塑件由于結構形狀和所用材料的關系，不能采用推桿、推管、推件板等簡單推出機構脫模時，可用成形嵌件或型腔帶出塑件。 （5）頂出機構的設計原則： 塑件在成型頂出后，一般都留有頂出痕跡，但應盡量使頂出的殘留痕跡不影響塑件的外觀，這是在選擇頂出形式和頂出位置時必須考慮到的問題。一般頂出機構應設在塑件的內表面以及不顯眼的位置。 注射設備的頂出裝置都設計在動模一側，因此，在一般情況下開模時，盡量設計使塑件留在動模一側，以便于頂出塑件。這在分型面的選擇時就應充分考慮。 在實踐中如果出現(xiàn)塑件并沒有留在動模側的情況時，可設法增加動默一側的阻力，一是將型芯的脫模斜度變小，或增加型芯的表面粗糙度，或者在不影響塑件使用的前提下，在型芯側面人為的開設橫凹槽、凹窩等脫模障礙，以增大動模的阻力。在特殊情況下必須使塑件留在定模時可采用定模頂出機構。 塑件在成型頂出后，一般都留有頂出痕跡，但應盡量使頂出的殘留痕跡不影響塑件的外觀，這是在選擇頂出形式和頂出位置時必須考慮到的問題。一般頂出機構應設在塑件的內表面以及不顯眼的位置。 頂出零件應有足夠的機械強度和耐磨性能，使其在相當長的運作周期內平穩(wěn)順暢，無卡滯現(xiàn)象，并力求制造方便，容易維修。 頂出裝置力求均勻分布，頂出力作用點應在塑件承受頂出力最大的部件，盡量避免頂出力作用于最薄的部位，防止塑件在頂出過程中的變形和損傷。 頂出零件應有足夠的機械強度和耐磨性能，使其在相當長的運作周期內平穩(wěn)順暢，無卡滯現(xiàn)象，并力求制造方便，容易維修。 6 冷卻系統(tǒng)的設計 塑料在生產過程中由于需要對熔融的塑料流體進行冷卻，塑料制件不能有太高的溫度（防止出模后制件發(fā)生翹曲，變形）冷卻系統(tǒng)設計可按下式進行計算： 設該模具平均工作溫度為60°，用20°的常溫水作為模具的冷卻介質，其出口溫度為30°，產量為（1分鐘2模）1000g/h。 求塑件在硬化時每小時釋放的熱量為Q3，查有關文獻得尼龍1010的單位熱流量為Q2=314.3～398.1J/g ,取Q2=350J/g：Q3=WQ2=1008g/h×350J/h=352800J 求冷卻水的體積流量V V=WQ1/Pc1(T1－T2) =140cm3 溫度調節(jié)對塑件的質量影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：變形尺寸精度 力學性能 表面質量 在選擇模具溫度時，應根據使用情況著重滿足制件的質量要求。 在注射模具中溶體從200 C,左右降低到60C左右，所釋放的能量5％以輻射，對流的方式散發(fā)到大氣中，其余95％由冷卻介質帶走，因此注射模的冷卻時間只要取決與冷卻系統(tǒng)的冷卻效果。模具的冷卻時間約占整個循環(huán)周期的2/3?？s短循環(huán)周期的冷卻時間是提高是提高生產效率的關鍵。在冷卻水冷卻過程中，在湍流下的熱傳遞是層流的10—20倍。在此我選擇湍流。 如表五： 冷卻水道直徑 d/（mm） 最低流量v /（m/s） 流量 qv/（m/min） 12 1.10 7.4×10 7 排氣系統(tǒng) 在注塑模具的設計過程中，必須考慮排氣結構的設計，否則，熔融的塑料流體進入模具型腔內，在填充模具的型腔過程中同時要排出型強及流道原有的空氣，氣體如不能及時排出會使制件的內部有氣泡， 除此以外，塑料熔體會產生微量的分解氣體。這些氣體必須及時排出。否則，被壓縮的空氣產生高溫，會引起塑件局部碳化燒焦，或塑件產生氣泡，或使塑件熔接不良引起強度下降，甚至充模不滿甚至會產生很高的溫度使塑料燒焦，從而出現(xiàn)廢品。 排氣方式有兩種：開排氣槽排氣和利用合模間隙排氣。 由于塑料封蓋注塑模是小型鑲拼式模具，可直接利用分型面和鑲拼間隙進行排氣，而不需在模具上開設排氣槽。 8 成型設備有關參數校核 1、模具閉合高度的確定 根據支承與固定零件中提供的數據確定：定模座板H1=25mm ，上固定板H2=20mm 下固定板H3=25mm支承板H4=32mm動模座板H5=25mm，墊塊H6=50mm H=H1+H2+H3H+H4+H5+H6+H7 =25+20+25+32+25+50=177mm 2、 注射機有關參數的校核 本模具的外形尺寸為300㎜×250㎜，XS—Z—125型注射機模板最大安裝尺寸為500㎜×500㎜；故能滿足模具的安裝要求。 經驗證，XS—Z—250型注射機能夠滿足使用要求，故可以采用 9 模具特點和工作原理 1、模具的特點： 該模具是兩板模，設計了1 個水平分型面。設計了定距拉桿， A 分 型面是為了取出制件。該模具一模2件，節(jié)省了成本，降低了制造周期，提高了生產效率。 2、模具的工作過程 模具裝配試模完畢后，模具進入正式工作狀態(tài)，其基本工作過程如 下。 （1）對塑料進行烘干，并裝入料斗。 （2）清理模具型芯、型腔，并噴上脫模劑，進行適當的預熱。 （3）合模、鎖緊模具。 （4）對塑料進行預塑化，注射裝置準備注射。 （5）注射過程包括充模、保壓、倒流、澆口凍結后的冷卻和脫模。 （6）脫模過程。制件的推出同一般注塑模具推出方式相同，即由注 塑機推桿推動模具推板，從而推動推件桿將之間頂出。 廣西科技大學鹿山學院塑料模具設計課程設計說明書 總 結 這次課程設計針對設計內容進行了大量的工作，順利完成了課程設計中所提出的各項任務，達到了課程設計的目的。 通過此課程設計，掌握了模具設計的方法和步驟，并結合具體的零件進行了具體的設計工作，包括確定型腔的數目、選擇分型面、確定澆注系統(tǒng)、脫模方式、溫度調節(jié)系統(tǒng)的設計、注射模成型零件尺寸的計算等。 課程設計進行三維造型繪制；完成塑件注射模具方案設計和相關設計計算；最后完成模具加工，掌握了完整的工程設計過程，工程設計應用能力得到了鍛煉和提高。 廣西科技大學鹿山學院塑料模具設計課程設計說明書 參考文獻 [1] 申長雨，陳靜波等. 塑料型材擠初模具 CAE 技術[M]. 模具工業(yè)出版社，2001(7). 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