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打印机齿轮注塑模设计

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打印机齿轮注塑模设计

I摘要打印机齿轮,广泛应用于我们的工业生产实际。为了适应用户对模具制造的精度高,短交货期,低成本的要求,模具工业正广泛应用数字化制造技术来加速技术的进步。为了缩短模具制造周期,降低模具成本,必须采用CAD/CAM技术进行塑料模具的设计。通过设计制定打印机齿轮的模具设计,掌握注塑模具制品的设计以及成型工艺的选择;一般齿轮成型模具的设计能力,质量分析以及工艺改进,注塑模具结构改进设计的能力;熟悉及学习使用模具设计的常用软件以及同实际设计的结合。本模具设计过程中分析了打印机齿轮的工艺特性,并介绍了PA66材料的成型工艺特点,在模具结构设计过程中提出了不同的成型方案并进行了比较,采取了最佳成型方案,同时详细的分析了模具结构与计算。通过整个设计过程表明该模具能够达到此塑件所需要求的加工工艺。根据题目设计的主要任务是塑料齿轮注塑模具的设计。也就是设计一副注塑模具来生产齿轮塑料产品,以实现自动化提高产量。最后,还对模具的成型零件进行了加工工艺的分析与设备的校核,还说明了模具的工作原理,对模具的装备还作了简单的介绍。关键词模具设计;打印机齿轮;注塑模;IIABSTRACTPRINTERGEARWEREWIDELYUSEDININDUSTRIALPRODUCTIONINORDERTOADAPTTOTHEUSERSOFTHEMOLDMANUFACTURINGWHICHBECOMEHIGHPRECISION,SHORTDELIVERYTIME,LOWCOSTREQUIREMENTS,THEMOLDINDUSTRYISWIDELYUSEDDIGITALMANUFACTURINGTECHNOLOGYTOACCELERATETHEADVANCEMENTOFTECHNOLOGYTOSHORTTHEMOLDMANUFACTURINGCYCLEANDREDUCETHECOSTOFTHEMOLD,CAD/CAMTECHNOLOGYMUSTBEUSEDDESIGNINGMOLD,DEVELOPPRINTERGEARMASTERINJECTIONMOLDDESIGNANDMOLDINGPROCESSOFTHEPRODUCTSOFCHOICE;THEGENERALGEARMOLDDESIGNCAPABILITY,QUALITYANALYSISANDPROCESSIMPROVEMENT,ABILITYTOIMPROVETHEDESIGNOFINJECTIONMOLDSTRUCTURE;COMMONLYUSEDSOFTWARE,ANDACOMBINATIONOFTHEACTUALDESIGNOFTHESAMETHEMOLDDESIGNPROCESSANALYSIS,PROCESSCHARACTERISTICSOFTHEPRINTERGEAR,ANDPA66MATERIALMOLDINGPROCESSCHARACTERISTICS,DIFFERENTMOLDINGPROGRAMANDCOMPAREDINTHEMOLDDESIGNPROCESS,TOTAKETHEBESTMOLDINGPROGRAM,ATTHESAMETIMEDETAILEDMOLDSTRUCTUREANDCALCULATIONMOLDCANBEACHIEVEDTHROUGHTHEENTIREDESIGNPROCESSSHOWTHATTHEREQUIREMENTSFORTHEPROCESSINGOFTHEPLASTICPARTSTHEMAINTASKISTODESIGNUNDERTHETITLEINJECTIONMOLDDESIGNOFPLASTICGEARSANINJECTIONMOLDISDESIGNEDTOPRODUCETHEGEARPLASTICPRODUCTSTOAUTOMATEINCREASEPRODUCTIONFINALLY,THEMOLDEDPARTOFTHEMOLDPROCESSANALYSISEQUIPMENTCHECK,ANDALSODESCRIBESTHEWORKINGPRINCIPLEOFTHEMOLD,THEMOLDEQUIPMENTALSOMADEABRIEFINTRODUCTIONKEYWORDSMOLDDESIGN;PRINTERGEAR;INJECTIONMOLDINGIII目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论111本课题的研究内容和意义112国内外塑料成型模具发展概况113本课题应达到的要求314本课题应达到的要求32打印机齿轮成型工艺性分析421打印机齿轮分析422注射成型过程及工艺参数523PA66的性能分析63模具结构形式的拟定731分型面位置的确定732确定型腔数量及排列方式833模具结构形式的确定84注射机的选用1041所需注射量的计算1042注射机型号的选定1043型腔数量及注射机有关工艺参数的校核11431型腔数量的校核11432注射机工艺参数的校核12433安装尺寸校核1244开模行程和推出机构的校核13441开模行程校核13442推出机构校核1345模架尺寸与注射机拉杆内间距校核135浇注系统设计1451主流道的设计1452冷料穴的设计1553分流道的设计1554浇口的设计1855浇注系统凝料体积计算19IV56浇注系统各截面流过熔体的体积计算2057普通浇注系统截面尺寸的计算与校核206模具成型零件的设计2361定模部分的型芯2362动模部分的型芯与型腔24621齿轮型腔24622圆柱型芯Ⅱ2563斜滑块瓣合模型腔25631成型打印机齿轮的上半部分26632成型打印机齿轮的下半部分2664型腔零件强度、刚度的校核26641齿根部分距整体型腔边沿的距离校核26642型腔底板厚度的校核277模架的选用2971定模座板2972定模板2973支承板2974垫块2975动模座板3076模套3077推板3078推杆固定板308推出机构设计3181脱模推出机构的设计原则3182打印机齿轮推出的基本方式3183打印机齿轮的推出机构3184斜滑块推出机构3285脱模力的计算339侧向分型抽芯机构设计3791侧向分型与抽芯机构类型的确定3792斜滑块瓣合模块的几种方案对比3793斜滑块的组合形式3794斜滑块的导滑形式3895设计要点3896各项尺寸的计算与校核3910排气与温度调节系统设计43101排气系统设计43102温度调节系统设计43V1021加热系统431022冷却系统43103冷却装置的布置4411结论与展望45111结论45112不足之处及未来展望45致谢47参考文献4911绪论11本课题的研究内容和意义近年来,随着塑料工业的飞速发展和通用工程塑料在强度和精度等方面的不断提高,塑料制品的应用范围也在不断扩大,如家用电器、仪器仪表,建筑器材,汽车工业、日用五金等众多领域,塑料制品所占的比例正迅猛增加,一个设计合理的塑料件能代替多个传统金属件,工业产品和日用产品塑料化的趋势不断上升。采用模具生产制件具有生产效率高,质量好,切削少,节约能源和原材料,成本低等一系列优点,模具成型已经成为当代工业生产的重要手段,成为多种成型工艺中最具有潜力的发展方向。模具是机械、电子等工业的基础工业,它对国民经济和社会发展起着越来越大的作用。12国内外塑料成型模具发展概况塑料是以树脂为主要成分的高分子有机化合物。树脂可分为天然树脂和合成树脂两大类,各种合成树脂都是将低分子化合物的单体通过合成的方法生产出的高分子化合物,一般相对分子质量都大于1万,有的甚至可达百万级。在一定温度和压力下,塑料具有可塑性,可以利用模具成型为具有一定几何形状和尺寸精度的塑料制件。塑料工业是一门新兴的工业,是随着石油工业发展应运而生的。塑料工业的发展大致分为以下几个阶段。1初创阶段2发展阶段。20世纪30年代,低密度聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚酰胺等热塑性塑料相继工业化,奠定了塑料工业的基础,为其进一步发展开辟了道路。3飞跃发展阶段。20世纪50年代中期到20世纪60年代末,石油化工的高速发展为塑料工业提供了丰富而廉价的原料。4稳定增长阶段我国塑料模工业从起步到现在,历经半个多世纪,有了很大发展,模具水平有了较大提高。在大型模具方面已能生产48英寸大屏幕彩电塑壳注射模具、65KG大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表盘等塑料模具,精密塑料模具方面,已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。如天津津荣天和机电有限公司和烟台北极星模具有限公司制造多腔VCD和DVD齿轮模具,所生产的这类齿轮打印机齿轮的尺寸精度、同轴度、跳动等要求都达到了国外同类产品的水平,而且还采用最新的齿轮设计软件,纠正了由于成型收缩造成齿形误差,达到了标准渐开线齿形要求。还能生产厚度仅为008MM的一模两腔的航空杯模具和难度较高的塑料门窗挤出模等等。注塑模型腔制造精度可达002MM~005MM,表面粗糙度RA02ΜM,模具质量、寿命明显提高了,非淬火钢模寿命可达10~30万次,淬火钢模达50~1000万次,交货期较以前缩短,但和国外相比仍有较大差距,具体数据见表11。2表11国内外塑料模具技术比较表项目国外国内注塑模型腔精度0005~001MM002~005MM型腔表面粗糙度RA001~005ΜMRA020ΜM非淬火钢模具寿命10~60万次10~30万次淬火钢模具寿命160~300万次50~100万次热流道模具使用率80以上总体不足10续表11标准化程度708070~80小于30在模具行业占有量30~402530成型工艺方面,多材质塑料成型模、高效多色注射模、镶件互换结构和抽芯脱模机构的创新方面也取得较大进展。气体辅助注射成型技术的使用更趋成熟,如青岛海信模具有限公司、天津通信广播公司模具厂等厂家成功地在29~34英寸电视机外壳以及一些厚壁零件的模具上运用气辅技术,一些厂家还使用了CMOLD气辅软件,取得较好的效果。如上海新普雷斯等公司就能为用户提供气辅成型设备及技术。热流道模具开始推广,有的厂采用率达20以上,一般采用内热式或外热式热流道装置,少数单位采用具有世界先进水平的高难度针阀式热流道模具。但总体上热流道的采用率达不到10,与国外的50~80相比,差距较大。在制造技术方面,CAD/CAM/CAE技术的应用水平上了一个新台阶,以生产家用电器的企业为代表,陆续引进了相当数量的CAD/CAM系统,如美国EDS的UGⅡ、美国PARAMETRICTECHNOLOGY公司的PRO/ENGINEER、美国CV公司的CADS5、英国DELTACAM公司的DOCT5、日本HZS公司的CRADE、以色列公司的CIMATRON、美国ACTECH公司的CMOLD及澳大利亚MOLDFLOW公司的MPA塑模分析软件等等。这些系统和软件的引进,虽花费了大量资金,但在我国模具行业中,实现了CAD/CAM的集成,并能支持CAE技术对成型过程,如充模和冷却等进行计算机模拟,取得了一定的技术经济效益,促进和推动了我国模具CAD/CAM技术的发展。近年来,我国自主开发的塑料模CAD/CAM系统有了很大发展,主要有北航华正软件工程研究所开发的CAXA系统、华中科技开发的注塑模HSC50系统及CAE软件等,这些软件具有适应国内模具的具体情况、能在微机上应用且价格低等特点,为进一步普及模具CAD/CAM技术创造了良好条件。近年来,国内已较广泛地采用一些新的塑料模具钢,如P20,3GR2MO、PMS、SMⅠ、SMⅡ等,对模具的质量和使用寿命有着直接的重大影响,但总体使用量仍较少。塑料模具标准模架、标准推杆和弹簧等越来越广泛得到应用,并且出现了一些国产的商品化的热流道系统元件。但目前我国模具标准化程度的商品化程度一般在30以下,和国外先进工业国家已达到70~80相比,仍有差距。313本课题应达到的要求(1)提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计水平及比例。这是由于塑料模成型的制品日渐大型化、复杂化和高精度要求以及因高生产率要求而发展的一模多腔所致。(2)在塑料模设计制造中全面推广应用CAD/CAM/CAE技术。CAD/CAM技术已发展成为一项比较成熟的共性技术,近年来模具CAD/CAM技术的硬件与软件价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度,为其进一步普及创造良好的条件;基于网络的CAD/CAM/CAE一体化系统结构初见端倪,其将解决传统混合型CAD/CAM系统无法满足实际生产过程分工协作要求的问题;CAD/CAM软件的智能化程度将逐步提高;塑料制件及模具的3D设计与成型过程的3D分析将在我国塑料模具工业中发挥越来越重要的作用。(3)开发新的成型工艺和快速经济模具。以适应多品种、少批量的生产方式。(4)推广应用热流道技术、气辅注射成型技术和高压注射成型技术。采用热流道技术的模具可提高制件的生产率和质量,并能大幅度节省塑料制件的原材料和节约能源,所以广泛应用这项技术是塑料模具的一大变革。制订热流道元器件的国家标准,积极生产价廉高质量的元器件,是发展热流道模具的关键。气体辅助注射成型可在保证产品质量的前提下,大幅度降低成本。目前在汽车和家电行业中正逐步推广使用。气体辅助注射成型比传统的普通注射工艺有更多的工艺参数需要确定和控制,而且常用于较复杂的大型制品,模具设计和控制的难度较大,因此,开发气体辅助成型流动分析软件,显得十分重要。另一方面为了确保塑料件精度,继续研究开发高压注射成型工艺与模具也非常重要。(5)提高塑料模标准化水平和标准件的使用率。我国模具标准件水平和模具标准化程度仍较低,与国外差距甚大,在一定程度上制约着我国模具工业的发展,为提高模具质量和降低模具制造成本,模具标准件的应用要大力推广。为此,首先要制订统一的国家标准,并严格按标准生产;其次要逐步形成规模生产,提高商品化程度、提高标准件质量、降低成本;再次是要进一步增加标准件的规格品种。(6)应用优质材料和先进的表面处理技术对于提高模具寿命和质量显得十分必要。(7)研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程。采用三坐标测量仪或三坐标扫描仪实现逆向工程是塑料模CAD/CAM的关键技术之一。研究和应用多样、调整、廉价的检测设备是实现逆向工程的必要前提。14本课题应达到的要求(1)通过大量查阅文献资料和实验研究,将理论和实践结合,进行比较分析,完成设计。(2)通过对教材、网上及图书馆搜集的资料做详尽的分析以外,还有在所有实训实践当中的动手操作。42打印机齿轮成型工艺性分析21打印机齿轮分析1圆柱齿轮打印机齿轮工程图如图21所示,齿轮部分参数见表21。图21打印机齿轮零件工作图表21打印机齿轮部分参数模数M08压力角/20齿数Z20分度圆直径D/MM16齿顶圆直径AD/MM176跨齿数N3公法线长度010218652色调不透明、蓝色。3生产纲领大批量。4打印机齿轮的结构及成型工艺性分析1结构分析如下。①该打印机齿轮作为传动件,一端为齿轮,另一端为插销,分别在不同的型腔内成型,必须保证打印机齿轮的同轴度,所以在模具设计和制造上要有精密的定位措施和良好的加工工艺,以保证传动精度。②该打印机齿轮外形是一阶梯形轴类零件,圆柱齿轮以上的部分有侧向凹凸和槽。2成型工艺分析如下。①精度等级。采用一般精度5级。②脱模斜度。该打印机齿轮壁厚约为125MM,其脱模斜度查参考文献1中的表857有打印机齿轮内表面25′40′,打印机齿轮外表面25′40′。由于该打印机齿轮没有特殊狭窄细小部位,所用塑料为PA66,流动性极好,注射充型流畅,所以打印机齿轮外形没有放脱模斜度。同时为了保证齿轮传动的齿面接触强度,齿轮轮齿不放脱模斜度,轴孔5起定心作用也不放脱模斜度。22注射成型过程及工艺参数1注射成型过程1成型前的准备。对PA66的色泽、细度和均匀度等进行检验。由于PA66容易吸湿,成型前应进行充分的干燥,干燥至水分含量03。干燥条仵真空度为51039PA,烘箱温度为90℃110℃,料层厚度,25MM,干燥时间8H12H。2注射过程。塑料在注射机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后,由模具的浇注系统进入模具型腔成型,其过程可以分为充模、压实、保压、倒流和冷却5个阶段。3打印机齿轮的后处理。采用调湿处理,其热处理条件查参考文献1中的表8710有处理介质为油;处理温度为120℃;处理时间为15MIN。2PA66的注射工艺参数1注射机螺杆式。2螺杆转速R/MIN2050。3料筒温度℃后段250260;中段260280;前段255265。4喷嘴温度℃250260;喷嘴形式自锁式。5模具温度℃60120。6注射压力MPA80130。7保压压力MPA4050。8成型时间S注射05;保压2050;成型周期50100;冷却2040。注螺杆带止回环。623PA66的性能分析1使用性能坚韧、耐磨、耐油、耐水、抗霉菌,但吸水大,因此符合此打印机齿轮作为传动仵的要求。适用于作一般机械零件、减摩耐磨零件、传动零件以及化工、电器、仪表等零件。2成型性能1结晶型塑料,熔融温度范围窄,熔融状态热稳定性差,料温超过300℃,滞留时间超过30MIN即分解。较易吸湿,须预热烘干。2流动性极好,溢边值一般为002MM,易溢料,用螺杆式注射机注射时喷嘴宜用自锁式结构,并应加热,螺杆应带止回环。3成型收缩率范围大、收缩率大,取向性明显,易发生缩孔、凹痕、变形等缺陷,成型条件应稳定。4融料冷却速度对结晶度影响较大,对打印机齿轮结构及性能有明显影响,故应正确控制模温,一般为60℃90℃,按壁厚选定,模温低易产生缩孔、结晶度低等现象。对要求伸长率高、透明度高、柔软性较好的薄壁打印机齿轮宜选用低模温;对要求硬度高、耐磨性好,以及在使用时变形小的厚壁打印机齿轮宜选用高模温。3主要性能指标表22PA66的主要性能指标1。密度/CM3110屈服强度/MPA89质量体积/CM3/G091抗拉强度/MPA74吸水率24H/0916拉伸弹性模量/GPA1228玻璃化温度/℃47抗弯强度/MPA126熔点/℃250265弯曲弹性模量/GPA28计算收缩率/15抗压强度/MPA7198比热容/J/KGK1680抗剪强度/MPA6773模具结构形式的拟定31分型面位置的确定在打印机齿轮设计阶段,就应考虑成型时分型面的形状和位置,否则无法用模具成型。在模具设计阶段,应首先确定分型面的位置,然后才选择模具的结构。分型面设计是否合理,对打印机齿轮质量、工艺操作难易程度和模具的设计制造都有很大影响。因此,分型面的选择是注射模设计中的一个关键因素。1分型面的选择原则1有利于保证打印机齿轮的外观质量。2分型面应选择在打印机齿轮的最大截面处。3尽可能使打印机齿轮留在动模一侧。4有利于保证打印机齿轮的尺寸精度。5尽可能满足打印机齿轮的使用要求。6尽量减少打印机齿轮在合模方向上的投影面积。7长型芯应置于开模方向。8有利于排气。9有利于简化模具结构。该打印机齿轮在进行打印机齿轮设计时已经充分考虑了上述原则,同时从所提供的打印机齿轮图样可看出该打印机齿轮一端为齿轮,齿轮以上部分外形为阶梯形,且在10外圆柱面上有侧向凹凸和槽,所以分型时需进行轴向抽芯和侧向抽芯分型。2分型面选择方案1分型面选择方案I。第一分型面与开模方向垂直;第二分型面与打印机齿轮推出方向平行。分型面的形式与位置如图31所示。定模型芯长为26利用开模动作从打印机齿轮中抽出,打印机齿轮外侧凸凹利用瓣合模或滑块来成型,分型距离短单边距离为12MM左右,齿轮部分可在另外一块模板中成型,整个打印机齿轮成型精度比较高,模具结构也比较简单。2分型面选择方案Ⅱ。第一分型面与开模方向平行第二分型面与开模方向垂直,如图32所示。因为齿轮在动、定模两个部分,所以齿轮部分无法直接开模,必须做一个型腔嵌件由侧向抽芯分型。左右抽芯需侧向移动,其中左型芯需侧向移动262安全余量28MM,设斜导柱的安装斜度为22,通过计算滑块厚度693,若设置成一模多腔,则滑块体积就比较大了,模具的垂直高度也比较大,模具结构也相当复杂。综上所述,分型面采用方案I结构相对简单,打印机齿轮成型精度可靠,因此采用方案I。8图31分型面形式与位置1定模部分;2第Ⅰ分型面;3瓣合模部分;4第Ⅱ分型面图32分型面形式与位置11定模部分;2左侧型芯;3右侧型芯和型腔;4动模部分32确定型腔数量及排列方式当打印机齿轮分型面确定之后,就需要考虑是采用单型腔模还是多型腔模。一般来说,大中型打印机齿轮和精度要求高的小型打印机齿轮优先采用一模一腔的结构,但对于精度要求不高的小型打印机齿轮没有配合精度要求,形状简单,又是大批量生产时,若采用多型腔模具可提供独特的优越条件,使生产效率大为提高。故由此初步拟定采用一模四腔,如图33所示。33模具结构形式的确定该打印机齿轮外观质量要求较高,从该打印机齿轮的外部特征可以看出打印机齿轮外形是一阶梯形轴类零件,Φ10外圆柱面上有侧向凹凸和槽,对该打印机齿轮进行模塑成型时,在圆柱齿轮以上的部分只能采用侧向成型。侧向成型方法有多种形式,有斜导柱、斜导槽和弯销驱动侧向成型滑块成型,有斜滑块侧向成型等方法。而斜滑块侧向成型要比斜导柱之类的侧向成型机构简单得多,因此本设计采用斜滑块侧向成型。而齿轮采用整体模腔成型,因此可初步拟定采用四型腔两分型面的模具结构形式,其中两分型面分别为水平、垂直分型面,如34所示。9图33型腔布置图34模具结构形式104注射机的选用注射模是安装在注射机上使用的工艺装备,因此设计注射模是应该详细了解注射机的技术规范,才能设计出符合要求的模具。注射机规格的确定主要是根据打印机齿轮的大小及型腔的数目和排列方式,在确定模具结构形式及初步估算外形尺寸的前提下,设计人员应对模具所需的注射量、锁模力、注射压力、拉杆间距、最大和最小模具厚度、推出形式、推出位置、推出行程、开模距离等进行计算。根据这些参数选择一台和模具相匹配的注射机,倘若用户已提供了注射机的型号和规格,设计人员必须对其进行校核,若不能满足要求,则必须自己调整或与用户取得商量调整。41所需注射量的计算1打印机齿轮质量、体积计算对于该设计,用户提供了打印机齿轮图样,据此建立打印机齿轮模型并对此模型分析得打印机齿轮体积3721VCM3打印机齿轮质量61237210111VMG2浇注系统凝料体积的初步估算可按打印机齿轮体积的06倍计算,由于该模具采用一模四腔,所以浇注系统凝料体积为69560372460412VVCM33该模具一次注射所需塑料PA66体积17154210VVVCM3质量691600VMG42注射机型号的选定根据以上的计算初步选定型号为SZ45/100A型卧式注射机,其主要技术参数见表41。表41SZ45/100A型注射机主要技术参数螺杆直径/MM25拉杆内间距/MM215265螺杆长径比224最大模具厚度/MM240理论容量/CM349最小模具厚度/MM90注射质量/G45推出行程/MM60注射速率/G/S40顶出力/KN2711塑化能力/G/S6顶出杆根数1额定注射压力/MPA200定位孔直径/MM100055螺杆转速/R/MIN0140顶出中心孔直径/MM50锁模力/KN400喷嘴球半径SR/MM12开模行程/MM240孔直径/MM343型腔数量及注射机有关工艺参数的校核431型腔数量的校核4311由注射机料筒塑化速率校核型腔数量123600/MMKMTN上式右边449,符合要求。式中K注射机最大注射量的利用系数,结晶型塑料一般取075;M注射机的额定塑化量G/H或CM3/H,该注射机为6G/S;T成型周期,因打印机齿轮小,壁厚不大,取30S;1M单个打印机齿轮的质量和体积G或CM3,取掘1≈261G;2M浇注系统所需塑料质量和体积G或CM3,取0641M。4312按注射机的最大注射量校核型腔数量12MMKMNN上式右边45310,符合要求。式中NM注射机大注射量G或CM3,该注射机为4允许的最5G。其他符号意义与取值同前。4313按注射机的额定锁模力校核型腔数量打印机齿轮在充模过程中产生的胀模力主要作用在两个位置在两瓣合模上的作用面积约为2000500411AMM2瓣合模与支承板的接触处的作用面积约为80020042A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