模具工业的发展与塑件分析

第一章 模具工业的发展及塑件的分析1.1 模具工业的发展改革开放以来，中国模具工业企业的所有制也发生了巨大的变化。除了国有专业模具厂外，其他所有制形式的模具厂家，包括集体企业，合资企业，独资企业和私营企业，都得到了快速发展，集体和私营的模具企业在广东和浙江省发展得最为迅速。例如，浙江宁波和黄岩地区，从事模具制造集体企业和私营企业多达数千家，成为国内知名的“模具之乡”和最具发展活力的地区之一。在广东，一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业，为了提高其产品和市场竞争能力，纷纷加大了对模具的制造的投入，例如科龙、美的、和威力等集团都建立了自己的模具制造中心，中外和资企业和外国独资的模具企业多集中于沿海工业发达地区，现已有上万家。例如，江苏无锡的微研有限公司为一日本独资企业，员工有300余人，拥有精密数模具加工设备70余台，1998年其模具产值已超过2亿元。中国模具工业的技术水平近年来也取得了长足的进步。目前，国内已能生产精度达2微米的精密多工级进模。工位数最多已达160个，寿命达12亿次。在大型塑料模具方面，现在已能生产48英寸电视塑壳模具，6.5KG大容量洗衣机的塑料模具，以及汽车保险杠，整体仪表板等塑料模具。在精密塑料模具方面国内已能生产照相机塑料模具，多行腔小模数齿轮模具等。在大型精密复杂压铸模方面，国内已能生产自动扶梯整体踏板压铸模及汽车后桥齿轮箱压铸模。在汽车模具方面，现已能制造新型轿车的部分覆盖件模具。其他类型的模具，例如子午线轮胎活络模具，铝合金到了较高的水平，并可替代进口模具。虽然中国模具工业在过去的十多年中取得了令人瞩目的发展，但许多方面与工业发达国家相比仍有较大差距。例如，精密加工设备在模具加工设备中的比重还比较底，CAD/CAE/CAM的普及率不高，许多先进的模具技术的应用还不够广泛等。特别在大型、精密，复杂和长寿命模具技术上存在明显差距，这些类型模具的生产能力不能满足国内需求，因而需要大量从国外进口。在中国，人们已经越来越认识到模具在制造业中的重要基础地位，认识到模具技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志，并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。1.2 注射模具的设计步骤具体设计步骤如下：（一） 编制模具设计说明书（草案）1、 塑件分析1） 明确塑件设计要求仔细阅读塑料制品零件图，从塑料品种，塑件形状，尺寸精度，表面粗糙度等方面考虑注塑成型工艺的可行性和经济性。2） 明确塑件生产批量小批量生产时，为降低成本，模具尽可能的简单；在大批量生产时，应在保证塑件质量前提下，尽量采用一模多腔的模具，以缩短生产周期，提高生产效率。3） 计算塑件的体积和质量计算塑件的体积和质量是为了确定模具型腔数，选用注塑机。2、 注射机的选用根据塑件的体积或质量大致确定模具的结构，初步确定注射机型号，了解所使用的注射机与设计模具有关的技术参数，如：注射机定位圈的直径，喷嘴前端孔径及球面半径，注射机最大注射量，锁模力，注射压力，固定模板和移动模板面积大小及安装螺孔位置，注射机拉杆的间距，闭合厚度，开模行程，顶出行程等。3、 模具设计的有关计算1） 凹，凸模零件工作尺寸的计算2） 型腔壁厚，底板厚度的确定3） 模具加热，冷却系统的确定4、 模具结构设计1） 塑件成型位置及分型面选择2） 模具型腔数的确定，型腔的排列和流倒布局以浇口位置设置3） 模具成型零件的结构设计4） 侧分型与抽芯机构的设计5） 顶出机构的设计6） 拉料杆的形成选择7） 排气方式设计5、 标准注射模架的选择按GB/T12556.1-1990选定模架，在以上模具零部件设计基础上初步绘出模具的结构草图。6、 注射机参数校核1） 最大注射量校核2） 注射压力的校核3） 锁模力的校核4） 模具与注射机安装部分相关尺寸的校核，包括闭合高度，开模安装尺寸等几个方面的相关尺寸的校核。（二） 模具装配图和零件图的绘制1、 模具装配图的绘制模具装配图绘制必须符合机械制图国家标准，其画法与一般机械画图法原则上没有区别，只是为了更清楚的表达模具中成型制品的形状，浇口位置的设置，在模具总图的俯视图上可将定模拿掉，而只画动模部分的俯视图。制图比例通常按1：1绘制，塑件图一般画在图纸的右上方。模具装配图应包括必要尺寸，如模具的闭合尺寸，外形尺寸，特征尺寸（与注塑机配合的定位环尺寸），装配尺寸，极限尺寸（活动零件移动其止点）及技术条件，编写零件明细表等。2、 模具零件图的绘制从装配图中绘制零件图，零件图中各相关公差配合按要求选取，绘制完毕后，再按零件图校核装配图中相关尺寸。 （三） 整理有关资料准备答辩1、 整理课程设计说明书装订成册。2、 校对、审核图纸并装订成册。3、 参考资料索引。塑件的分析1、塑件的分1） 塑件名称：硬聚氯乙烯（HPVC）2） 生产纲领：小批量3） 塑件的原材料分析塑件的原材料采用硬聚氯乙烯（HPVC）属热塑性塑料。从实用性能上看，有较好的抗拉、抗弯、抗压抗冲击性能，有较好的电器绝缘性能。但热稳定性较差，长时间加热会导致分解，放出氯化氢气体。从成型性能上看，易放出氯化氢，必须加入稳定剂和润滑剂，并严格控制温度及熔料的滞留时间，模具浇注系统应粗短，进料口截面易大，模具应有冷却装置。4） 尺寸精度分析该零件无精度等级要求，取一般等级IT8级精度，塑件最大壁厚为3mm,最小为2mm,壁差为1mm,叫均匀，有利于零件成型。6）表面质量分析：该零件的表面除要求没有缺陷、毛刺、内部不得有导电杂质外，没有特别的表面质量要求，故比较容易实现。 2、热塑性塑料（HPVC）的成型加工性能和注射成型条件1） HPVC的成型加工性能(a)、HPVC的稀释性小，但为了提高流动性，提高塑件质量，宜先进行干燥处理。（b）、HPVC的热稳定差，极宜分解，是塑料中热稳定最差的一种，200时既会分解，分解时放出腐蚀性及刺激性气体，故必须加入热稳定剂。（c）、HPVC熔体黏度高，需要较高的成型压力，但压力过大又易造成熔体破裂，为此，注射操作中宜采用中、低速进行，避免高速充模。（d）、HPVC的粘流态温度距热分解温度很近，成型温度范围很窄，为此要严格控制料湿。（e）、HPVC熔体在分解时会放出氯化氢气体，它有很强的腐蚀作用，故对加工HPVC的设备和模具应有良好的防腐措施，确保其不受腐蚀。（f）、HPVC的模具浇注系统应粗短，进料口截面应粗大，流道中不得有滞料死角。（g）、HPVC的成型温度范围较窄，为尽快冲模，应尽量减少熔料的滞留时间。（h）、HPVC充模时各处的温度应尽量均匀，温差应不超过5，否则会造成内应力过大。（I）、HPVC熔体的冷却速度快，成型周期应尽量短，一般成型周期为40S80S。（j）、HPVC熔体宜采用螺杆式注射机成型，喷嘴以用直通式为好，孔径宜大。 2）、 HPVC的主要注射成型条件 （a）、料筒温度：HPVC对温度要求较严，它为热敏性塑料，温度过高易造成分解；而它的流动性又较差，温度过低使流动性更差。通常，料筒温度控制在170190比较适宜，严禁超过200。 （b）、模具温度：模温高低对成型质量有较大关系，模温过 高会促进分解，过低则难以充模，通常，模具温度控制在3060为宜。 （c）、注射压力：由于HPVC熔体的粘度高，因此注射压力宜偏高，以利充模，通常，注射压力控制在80130MPA。 3、HPVC的注射工艺参数 （a）、注射机：螺杆式（b）、螺杆转速(r/min)：2040（c）、料筒温度（）： 后段：150160 中段：165170 前段：170180（d）、喷嘴温度（）： 150170 ；喷嘴形式：自锁式。（e）、模具温度（）： 3060（f）、注射压力（MPA）：80130 （g）、保压压力（MPA）：80130（h）、成型时间（S）：注射4060；保压25；成型周期1030；冷却1020。 4、 HPVC的主要性能指标表1 HPVC的主要性能指标密度（g/cm3）1.35-1.45屈服强度/Map35-50质量体积（cm/g）0.69-0.74抗拉强度/Map35-50吸水率24h/%0.07-0.4拉弯弹性模量/Gap2.4-4.2玻璃化温度/87抗弯强度/Map90熔点/160-212弯曲弹性模量/Map0.05-0.09计算收缩率/%抗弯强度/Map比热容/（j/(kg*k)）1260抗剪强度/Map第二章 拟订模具结构形式2.1 分型面位置的确定在塑件设计阶段，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，对塑件质量、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设计中的一个关键因素。1) 分型面的选择原则（1） 有利于保障塑件的外观质量（2） 分型面应选则在塑件的最大截面处（3） 尽可能使塑件留在动模一侧（4） 有利于保障塑件的尺寸精度（5） 尽可能满足塑件的使用要求（6） 尽量减少塑件在和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 该塑件在进行塑件设计时已经充分考虑了上述原则，同时从所提供的塑件图样上可以看出64的圆桶四周有四个外经26的 圆环。根据其特点和表面质量要求，采用平面分型面，这样有利于塑件脱模，也易于型芯和型腔的加工。其位置和形状如下图分型面形式与位置2.2确定型腔数量和排列方式一般来说，大中型塑件和精度要求的小型塑件优先采用一模一腔的结构形式，但对于精度要求不高的小型塑件（没有配合精度要求）形状具有一定的特殊性，又是小批量生产时，可以采用一模一腔的结构。故由此初步拟订一模一腔，如图第三章 注射机型号的确定注射模具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。注射机规范的确定是根据素件的大小及型腔的数目和排列方式，再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、推出形程，开模距离等进行计算。根据这些参数选择一台和模具相配的注射机，倘若拥护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，则必须自己调整或用户商量调整。3.1 所需注射量的计算1）、塑件质量、体积计算对于该用户提供了塑件图样，据次建立塑件模型并对此模型分析得 塑件体积V127.5cm3 塑件质量m127.5x1.4540g2) 浇注系统凝料体积的初步计算可按塑件体积的0.06倍计算，由于该模具采用一模一腔，所以浇注系统凝料体积为： V2=V1x0.154.13cm33) 该模具一次注射所需塑料 体积：V0=V1+V2=27.5+1.7=31.63 质量：M0=*V031.63x1.4545.86g3.2 注射机型号的选择近年来我国引进注射机型号很多，国内注射机生产厂的新机型也日益增多。掌控使用设备的技术参数是注射模型设计和生产所必需的技术准备。在设计模具时。最好查阅注射机生产厂家提供的注射机使用说明书上标明的技术参数。根据以上初步计算初步选定型号为XSZY250型卧式注射机，其主要技术参数见表2。螺杆直径/mm50拉杆内间距/mm448x370螺杆长径比最大模具厚度/mm300理论容量/cm3250最小模具厚度/mm200注射质量/g推出行程/mm注射速率(g/s)顶出力/ken塑化能力(g/s)顶出杆根数额定注射压力/Map120定位孔直径/mm100螺杆转速/(r/min)顶出中心孔直径/mm锁模力/ken900喷嘴球半径SR/mm12开模行程/mm喷嘴孔半径/mm43.3 型腔数量及注射机有关工艺参数的校核1）、型腔数量的校核（1）、由注射机料筒塑化速率校核型腔数量 N(kmt/3600-m1)/m1 上式右边1、39，符合要求 式中 k-注射机最大注射量的利用系数，取0、8m-注射机的额定塑化量(g/h或cm3/h) t-成型周期，t取20。m1-单个塑件的质量或体积（g或cm3）,取m1=40g m2-浇注系统所需塑料的质量或体积（g或cm3）,取m2=2.34g （2）按注射机额定锁模力进行校核 n(Fop-Pa)/Pa上式右边1.8式中：Fop-注射机的额定锁模力，Na- 单个塑件在模具分型面上的投影面积，mm2a1-浇注系统在模具分型面上的投影面积，mm2p-塑料熔体对型腔的成型压力，Map,其大小一般是注射压力的802）、注射机工艺参数的校核（1）注射量校核 注射量以容积表示，最大注射容积为 Amax=V=0.75x125=93.75 cm3式中：V max-模具型腔和流道的最大容积（cm3） V-指定型号和规格的注射机注射量容积（cm3） -注射系数，取0.75倘若实际注射量过小，注射机的塑化能力得不到发挥塑料在料桶中停留时间过长，所以最小注射量容积Vain=0.25V=0.25x125=31.25cm3.故每次注射的实际注射量容积V应满足Vain V Amax,而V31.63cm3,符合要求。（2）最大注射压力校核 注射机的额定注射压力即为该机器的最高压力Plax=120Mpa，应该大于注射成型时所需调用的注射压力P 即PlaxKP0式中：K-安全系数，常取K=1.25-1.4实际生产中，该塑件成型时所需注射压力P0为70Mpa-100Mpa,代值计算，符合要求。3)安装尺寸校核（1） 主流道小端直径D大于注射机喷嘴d，通常为D=d+ (0.5-1) mm对于该模具d=4mm,取D=4.5mm,符合要求（2） 主流道入口的凹面半径SR0应大于注射机喷嘴球半径SR，通常为 SR0=SR+（1-2mm） 对于该模具SR=12mm,取SR0=13mm,符合要求。 （3）、定位圈尺寸 注射机定位孔尺寸为，定位圈尺寸取，两者之间呈较松动的间隙配合，符合要求。（4）、最大与最小模具厚度 模具厚度应满足Hmin H Hmax 式中Hmin=200mm，Hmax=300mm 而该套模具厚度H=90+32+50+63=235mm,符合要求。4)开模行程和推出机构的校核 (1)开模行程的校核 ShcH1+H2 HH1+H2+（5-10）mm 式中 H注射机动模板的开模行程（mm） H1塑件推出行程 H2=25+32+60+（5-10）=112117（mm）代值计算，符合要求。该注射机推出行程满足要求 5）模具尺寸与拉杆内间距校核 该套模具模架的外形尺寸为315mmx250mm,而注射机拉杆间距为448mm x 370mm,因370mm 315mm,符合要求。 注：对于上面的2）、3）、4）、5）的校核内容与后面的模具结构设计交叉进行的，但为了整体形式与内容的统一，所以将次部分内容放于次。第四章 浇注系统形式和浇口的设计 浇注系统是引导塑料熔体从注射机喷嘴到模具型腔的进料通道，具有传质、传压和传热的功能，对塑件质量影响很大。他分为普通流道浇注系统和热流道浇注系统。 该模具采用普通流道浇注系统，采用点浇口，双分型面。主流道的设计主流道通常位于模具中心塑料熔体的入口处，它将注射机喷嘴处的熔体导入分流道或型腔中。主流道的形状为圆锥形，以便于熔体的流动和开模时主流道凝料的顺利拔出。1） 主流道尺寸（1） 主流道小端直径D=注射机喷嘴直径+（05-1） =4+（05-1），取D=4.5mm （2）主流道球面半径 SR0=注射机喷嘴球半径+（1-2） =12+（1-2），取SR0=13mm（3）球面配合高度h=3mm-5mm,取h=3mm（4）主流道长度尽量小于60mm，由标注模架结合该模具结构，取L=40mm.2)主流道衬套的形式 主流道小端入口处与注射机喷嘴反复接触，属易损件，对材料要求较严，因而模具主流道部分常设计成可拆卸更换的主流道衬套形式即浇口套，以便有效的选用优质刚材单独进行加工和热处理，常采用碳素工具钢，如T8A、T10A、等，热处理硬度为50HRC-55HRC，如图5主流道衬套3)浇口的结构形式如图6图6浇口的位置与形式第五章 浇注系统的平衡对于该模具，从塑件图上可以刊出，该塑件是对称结构，采用点浇口，浇注系统显然是平衡的。流动比的校核 =Li/Ti式中-流动距离比Li-模具中料流通道的长度Ti-模具中料流通道的截厚度=40/5.23=7.65 因为影响流动比的因素主要是塑料的流动比，HPVC的流动性中等，其允许流动比=170-130，所以符合要求。第六章 成型零件的结构设计和尺寸设计塑料模具型腔在成型过程中受到塑料熔体的高压作用，用具有足够的强度和硬度，如果型腔侧壁和板底厚度过小，可能因刚度不够而产生塑性变形，导致溢料飞边，降低塑件尺寸精度并影响顺利脱模。因此，应通过强度和刚度计算来确定型腔壁厚，尤其对于重要的精度要求高的或大型模具的型腔，更不能单纯凭经验确定型腔壁厚和底板厚度。6.1 型腔、型芯工作部位尺寸的确定 查课本HPVC塑件的收缩率 S=（0.6%+1.5%）/2=1.05% 型腔工作部分尺寸 型腔径向尺寸: Lm=1+sLs-x 型腔深度尺寸：Hm=1+sLs- x 型芯径向尺寸：lm=1+sls+ x 型芯深度尺寸：hm=1+sls+ x 型芯高度尺寸：hm=1+shs+ x 中心距尺寸：Cmz/2=1+slsz/2 式中Ls-塑件外形径向基本尺寸的最大尺寸（mm） Ls-塑件内形径向基本尺寸的最小尺寸（mm） Hm-塑件外形高度基本尺寸的最大尺寸（mm） hm-塑件内形深度基本尺寸的最小尺寸（mm） Cm-塑件中心距基本尺寸的平均尺寸（mm） x-修正系数，取0.5-0.75 -塑件公差（mm） 各工作部位尺寸计算结果如图7所示，通常制品中1mm和小于1mm并带有大于0.05公差的部位以及2mm和小于2mm并带有大于0.1mm公差的部位不需要进行收缩率计算 图76.2 型腔零件强度、刚度的校核对于该套模具选整体式型腔。型腔的强度、刚度校核如下1.型腔侧壁厚度的校核（1） 按强度校核S=rp/p-2p0.5-17.6855,符合要求。 式中 r-凹模内半径（mm）,平均为32mm p-模具型腔内最大的塑料熔体压力Mpa,一般为30Mpa-50Mpa，取50Mpa p-模具强度计算的许用应力，预硬化模具钢具体值为p=300 Mpa（2） 按刚度校核 R=rp*E/rp+1-u/p/rp-1-u0.5 式中r-凹模内半径（mm）,平均为32mm P-模具型腔内最大的塑料熔体压力Mpa,一般为30Mpa-50Mpa，取50Mpa E-模具钢材的弹性模量，预硬化塑料模具钢E=2.2x105 Mpa u-模具钢材的泊松比，取0.25 3*3+upr2p-模具刚度计算许用变形量 p=25i=18.3x10-3mm 带入计算R=32.4755符合要求 2. 型腔底板厚度的校核（1） 按强度校核T=3*3+upr28p0.53.59mm16mm符合要求式中各符号意义与取值同前（2） 按刚度校核T=0.74pr4/Ep(1/3)5.0316符合要求式中各符号意义与取值同前第七章 模架的确定根据以上分析，计算以及型腔尺寸位置可确定定模架的结构形式和规格。选用结构形式为A2型、模架尺寸为250mmx250mm的标准模架可符合要求。模具上所有的螺钉尽量采用内六角螺钉；模具外表面尽量不要有突出部分；模具外表面应光洁，加防锈油。两模板之间应有分模间隙，即在装配、调试、维修过程中可以方便地分开两模板第八章 脱模推出机构的设计原则 注射成型每一循环中，塑件必须准确无误的从模具的凹模中或型芯中脱出，完成脱出塑件的装置称为脱模机构，也常称为推出机构 8.1 脱模推出机构的设计原则 1）推出机构应尽量设置在动模一侧2）保证塑件不因推出而变形损坏3）机构简单，动作可靠4）良好的塑件外观5）合模时的准确复出8.2 推出机构的设计1） 推出力的计算 Ft=APucos-sin+QA1式中A-塑件包络型芯的面积（mm2） P-塑件对型芯单位面积上的包紧力，即P取0.8x1071.2x107(Pa) -脱模斜度 Q-大气压力取0.09Mpa u-塑件对钢的摩擦系数，约为0.1-0.3 A1-制件垂直于脱模方向的投影面积（mm2） Ft=10119.618N2）确定顶出方式及顶杆位置 根据制品结构特点，确定在制品的四周边缘对称设置四根普通的圆顶杆，普通圆形顶杆按GB4169.1-1984选用 3推杆强度计算1、 圆形推杆直径dd=642L2Q/n3.143E1/4式中d-圆形推杆直径(mm)-推杆长度系数0.7 L-推杆长度(mm) n-推杆数量 E-推杆材料的弹性模量(N/cm2)钢E=2.1x107 Q-总脱模力 d4取d=6mm 推杆的应力校核 =(4Q)/(3.14nd2)s式中-推杆应力(N/cm2) s-推杆钢材的屈服极限强度(N/cm)一般中碳钢s=3200N/cm2合金结构钢s=4200N/cm2 8952.25 N/cm2 s满足要求第九章 侧抽芯机构的设计 9.1 斜导柱长度的计算 侧型芯滑块抽芯方向与开合模方向垂直，斜导柱的工作长度L与抽芯距及倾斜角有关，即L=S/sin 斜导柱总长度为： Lz=L1+L2+L3+L4+L5 =d2tan/2+h/cos+dtan/2+s/sin+(5-10)mm 式中Lz-斜导柱总长度 d2-斜导柱固定部分大端直径 h-斜导柱固定板厚度 d-斜导柱工作部分的直径 s-抽芯距 Lz-98.71mm9.2 斜导柱直径计算 侧向抽拔力Ft=AP(ucos-sin) 式中A-塑件包紧侧型芯的侧面积 P-塑件收缩率对型芯单位面积的正压力塑件在模内冷却P=0.8x107-1.2x107(Pa) u-塑件对钢的摩擦系数 -斜导柱倾斜角=20 Ft=8.46KN 因为Hw=15mm Hw为侧型芯滑块受到脱模力的作用线与斜导柱中心线交点到斜导柱固定板的距离 由于其直径计算比较复杂，有时为了方便，也可以用查表的方法确定斜导柱的直径。先按已求得的抽拔力Ft和选定的斜导柱倾斜角查有关资料得出斜导柱的直径d d=16mm第十章 温度调节系统 HPVC的成型温度的模具温度分别为190-215、20-60用温水对模具进行冷却。 10.1 冷却介质 冷却介质有冷却水和压缩空气，但用冷却水较多，因为水的热容量大，传热系数大、成本低。用水冷却，即在模具型腔周围或内部开设冷却水道。 10.2 冷却系统的简略计算1） 求塑件在固化时每小时释放的热量Q HPVC单位质量放出的热量Q1=1.7x102KJkg-3.6 x102KJkg,取Q1=3.6 x102KJkg Q=WQ=4.586x10-2x3.6x102x60=式中W-单位时间内注入模具中的塑料质量（KJ/Min）,该模具每分钟注射3次，W=4.586x10-2kg/min2)求冷却水的体积质量 qv(WQ)/(pc1(1-2)=0.79x10-3m3/min 式中p-冷却水的密度，为1x10