方盒成型工艺与模具设计

方盒塑料模具设计 模具055班李银方盒的成型工艺与模具设计【摘要】 本文介绍了方盒塑料件的成型方法、工艺以及模具设计的全程。并通过对方盒这个典型例子说明了如何利用PS的成型工艺解决注射成型中的问题；另外介绍了注射模具的结构，工作原理，还涉及到了一些模具的加工制造过程。一） 前言近年来，中国塑料模具发展速度相当快。目前，塑料模具在整个模具行业中所占比重约为30%。随着中国汽车、家电、电子通讯、各种建材迅速发展，预计在未来模具市场中，塑料模具占模具总量的比例仍将逐步提高，且发展速度将快于其他模具。以汽车工业为例，随着汽车产销量高速增长，汽车模具潜在市场十分巨大。据介绍，在生产汽车时，各种功能性零部件都要靠模具成型，仅制造一款普通轿车约需200多件内饰件模具，而制造保险杠、仪表盘、油箱、方向盘等所需的大中型塑料模具，从模具行业生产能力看，目前满足率仅约50%。在建筑领域，塑料建材大量替代传统材料也是大势所趋，预计2010年全国塑料门窗和塑管普及率将达到30%50%，塑料排水管市场占有率将超过50%，都会大大增加对模具的需求量。应该说，塑料模具的应用潜力是不可低估的。专家预测，大型、精密、设计合理的注塑模具将受到市场普遍欢迎。 我国塑料模具制造水平已有较大提高：所生产的大型塑料模具的单套重量已达到50t以上；精密塑料模具的精度已达到3um；多腔塑料模具方面已能生产一模7800腔的塑封模具；高速模具方面已能生产挤出速度达4m/min以上的高速塑料异型材挤出模具及主型材双腔共挤模具。从生产手段方面来看，模具企业设备的数控化率已有较大提高，CAD/CAE/CAM技术的应用面已大为扩展，高速加工及RP/RT等先进技术的采用已越来越多，模具标准件的使用覆盖率及模具的商品化率都已有较大幅度的提高，热流道模具的比例也有较大提高。就我个人而言，希望通过这次毕业设计，对自己今后将从事的工作，进行一次适应性的训练和系统性的复习，通过设计锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为今后的工作打下一个良好的基础。 由于能力所限，设计中尚有许多不足之处，希望各位老师给予批评指教。方盒成型工艺与模具设计一、塑件的工艺分析 技术要求1 未注内圆角R0.52 未注外圆角R1.53 制造精度MT51 塑件的原材料分析该塑件的材料为聚苯乙烯PS，PS是无色透明并有光泽的非结晶线型结构的高聚物，密度为1.054，聚苯乙烯的透明性好透光性高，它的用途宽广，在工业上可以用于制作仪表汽车灯罩指示灯罩化学仪器零件透明模型等。在电器方面用于制作良好的绝缘材料，如电视机结构零件电池盒等在日用品方面则广泛用于制造包装材料各种容器和玩具等2 塑件的结构尺寸精度及其表面质量分析1）结构分析从图纸上分析，该塑件的外形为方体，结构简单对称。虽然壁厚不均匀，但是该塑件容易脱模，不需要侧向分型与抽芯机构。2）尺寸的精度分析该塑件尺寸精度无特须要求，所有的尺寸均为自由尺寸，可按MT5查取公差，其主要尺寸公差标注如下零件的外形尺寸 90mm，60 mm10mm零件的内形尺寸87 mm 84mm3壁厚及分析塑件的壁厚取决于塑件的使用条件，即强度、刚度、结构、电性能、尺寸稳定性以及装配等要求，所以合理的选择塑件的壁厚是很重要的。该塑件的壁厚为1.5mm，2mm，3mm，查张秀玲黄红辉主编的塑料成型工艺与模具设计一书42页表34可知符合壁厚要求。该塑件的壁厚也符合塑件的壁厚应尽可能一致的原则。4.表面质量分析与表面粗糙度选择塑件表面质量包括有无 斑点、条纹、凹痕、起泡、变色等缺陷，还有表面光泽性和表面粗糙度。塑件质量要求高，所以表面质量要求避免，表面光泽性和表面粗糙度应根据塑件使用要求而定，查张秀玲黄红辉主编的塑料成型工艺与模具设计一书表33选择表面粗糙度为6.305 脱模斜度的选择 为了便于塑件脱模，以防止脱模时擦伤塑件的表面，与脱模方向平行的塑件表面一般应具有合理的脱模斜度。根据查张秀玲黄红辉主编的塑料成型工艺与模具设计一书表37可知型腔的脱模斜度为35/130/，型芯的脱模斜度为30/35/6生产批量该产品的生产批量为小批量生产7成型工艺参数根据查张秀玲黄红辉主编的塑料成型工艺与模具设计260页附表C可知注射机的类型为柱塞式，预热与干燥的温度为6075，时间为2s，料筒温度为140160,模具温度为75注射压力为60110 Mpa,注射时间为15s45s,保压时间为0s3s，冷却时间为20s120s，总周期为40s120s。二、计算塑件的质量和体积计算塑件的质量是为了选用注射机及确定型腔数V=S+S+S=5601.52+29060+32560=13500mm=13.5cm计算塑件的质量 查张秀玲黄红辉主编的塑料成型工艺与模具设计7页知PS的密度为1.504g/cm M=13.51.054=13.75g三、初选设备，记录参数1、初选设备(1) 注射机的类型所需注射量为塑件两件的质量与浇注凝料之和，即W=213.75+13.750.6=27.5+8.25=35.75g ,查张秀玲黄红辉主编的塑料成型工艺与模具设计一书附录D可知注射机的型号为XSZY125。注射机的主要参数主要为螺杆直径 42mm注射容量 125cm3注射压力 230mm锁模力 900KN最大成型面积 320cm2最大模厚 300mm模板最大行程 300mm最小模厚 200mm喷嘴球半径 SR12mm定位孔直径 mm喷嘴孔直径 4mm顶出类型 螺杆式顶出孔孔径 22mm顶出孔孔距 119Mpa2） 根据查张秀玲黄红辉主编的塑料成型工艺与模具设计260页附表C可知注射的类型为柱塞式3） 注射机的最大注射量 初步确定模具型腔数量由于该产品为小批量生产所以确定模腔数目为一模两腔 确定成型塑件所需的注射量Mr所设计的注射模，塑件加浇注系统所需的凝料量，不应超过最大注射量，对于正常的批量生产应满足M0.8M，而塑件所需的注塑量为35.75g，满足该公式。四、分型面的选择、型腔的数目和排列方式1分型面的选择分型面的选择很重要，在选择过程中应遵循以下几个原则；1分型面应选在塑件最大轮廓处，确定有利的留模方式，便于塑件能顺利脱模2、能保证塑件的精度要求。3、满足塑件的外观质量要求4、便于模具加工制造5、考虑成型力和锁模力6、对侧向抽芯的影响7、考虑排气效果2确定型腔的数目和排列方式该塑件无需采用侧抽芯机构和螺纹等式逻辑复杂或型号机构，且体积较小，产量为小批量生产，根据尺寸精度和投形面积要求，可选一模两腔结构综合浇注系统及模具结构复杂程度考虑，采用以下排布方式该分布方式排到平衡，浇口的位置对称，可使模具的两个型腔进料均匀，且型腔排到紧凑，减少外形尺寸。五、成型零部件结构设计成型塑件外表面的零件凹模或型腔。型腔按结构形式可分为整体式、整体嵌入式、局部镶嵌式、组合式等。由于该塑件形状比较简单，可以采用整体式型腔，而且具有强度高、刚度好的优点。整体嵌入式是加工在一整块零件上，但是该零件嵌入到另一模套内。1型芯设计 成型塑件内表面的零件统称凸模或型芯。型芯按复杂程度和结构形式大致分：整体式型芯、嵌入式型芯、异形型芯结构形式、小型芯安装固定形式等。由于该塑件结构牢固，内表面形状简单，所以可以采用整体式型芯。2成型零件的工作尺寸计算收缩率是指室温时塑件与模具型腔两者尺寸的相对差。根据查张秀玲黄红辉主编的塑料成型工艺与模具设计一书附录259页可知PS的收缩率S为0.6%0.8%故平均收缩率为S=0.6%+0.8%/2=0.7%凹模有关尺寸的计算径向尺寸L=L(1+k)-(3/4) =90 (1+0.007)-(3/4) 1.00 =89.88深度尺寸H=L(1+k)-(2/3) =10 (1+0.007)-(2/3) 0.28 =9.873凸模有关尺寸的计算径向尺寸l=l(1+k)+(3/4) = 87 (1+0.007)+(3/4) 1.00=88.359l=l(1+k)+(3/4)=84 (1+0.07)+(3/4) 1.00=85.338 型心尺寸h=h(1+k)+(2/3)=5 (1+0.007)+(3/4) 0.24 =5.195h=h(1+k)+(2/3)= 3 (1+.0.07)+(2/3) 0.24= 3.181h=h (1+k)+(2/3)=8 (1+0.007)+(2/3)0.28=8.242模具型芯尺寸的计算C=C(1+k)= 10 (1+0.007)0.093/2 =10.070.0465六、 浇注系统的设计1. 主流道的设计主流道一般位于模具中心线上，它与注射机的喷嘴的轴线重合，以利于浇注系统的对称布置。主流道一般应设计得粗大，以便于熔体能向分流道流动，但是不能太大，否则会引起塑料浪费增多。反之主流道也不能设计过小，否则会溶体流动阻力增大，压力损失大，对充模不利。因此。主流道尺寸必须恰当。通常对黏度大的塑料或尺寸较大的塑件，主流道截面应设计大一些，对黏度小的塑料或尺寸较小的塑件，主流道截面应设计小一些，根据张秀玲黄红辉主编的塑料成型工艺与模具设计P264页查得XS-ZY-125型注射机喷嘴的有关尺寸为喷嘴前端孔径；喷嘴前端球面半径。根据模具主流道与喷嘴R=及d=,取主流道R=13mm，小端直径d=4.5mm。为了便于将凝料从主流道中拔出，将主流道设计成圆锥形其斜度为，取主流道长度为70mm。由于该该浇口套的外形尺寸较小，为了使熔体顺利进入分流道和便于凝料从中拔出。因此，在主流道大端处设计的1的圆角，且取a=4。又考虑到模具的外形尺寸较小，为保证模具的匀称以及浇口套和定模板的配合，采用H7/m6的方式配合。其结构图34所示2. 分流道的设计（1）分流道的截面和形状分流道截面的形状主要有圆形截面形状，U形截面形状，半圆形截面形状，矩形截面形状以及半圆形截面形状。虽然圆形和矩形流道的利用率最高，但是圆形截面分流道因其分型面为界分为两半进行加工才有利于凝料脱出，加工工艺性不佳，且模具闭合后难以确定保证两半圆对准，故生产实际中不常用。矩形分流道不易于推出，生产中也比较少用。生产中常采用梯形分流道。梯形截面的分流道容易加工，且塑料的溶体的热量散失及流动阻力均不大。根据经验，一般取梯形流道的深度为梯形截面大底边宽度的2/33/4侧面斜度取510。根据经验公式D=0.2654=0.26542=3.5mm（2）分流道的长度分流道的形状及尺寸应根据塑件的体积，壁厚，形状的复杂程度，注射速率，分流道长度等因素来确定。本塑件的形状不算复杂，熔料填充型腔比较容易。根据型腔的排列方式可知分流道的长度比较短，为了便于加工起见，选用浇常用的截面形状为圆型分流道。分流道应尽可能短，且少折弯，以有利于最经济的使用原材料和减少注射机的能耗，减少压力损失和热量损失。根据经验以及分析取分流道的长度为L=10mm，R=3mm（3）分流道的表面粗糙度分流道的表面粗糙度一般取1.6um左右，不需要很低，这样的表面有利于塑料熔体的外层冷却皮层固定，从而与中心部位的熔体之间产生一定的速度差，以保证熔体流动时有适合的剪切速率和剪切热。3. 浇口的设计浇口设计主要包括浇口的数目、位置、形状和尺寸的设计。浇口的细微变化都会对塑料熔体的充填产生很大的影响。浇口设计应保证提供一个快速、均匀、平衡、单一方向流动的充填模式，避免射流、滞流、凹陷等现象的发生。浇口是连接分流道与型腔的最短通道。根据塑件的成型要求及型腔的排列方式，选用侧浇口较为理想。采用截面为矩形的侧浇口，初选尺寸为1mm2mm1mm（blh），试模时修正。4. 冷料井的设计冷料井位于主流道正对面的动模板上，或者处于分流道末端。其作用是聚集料流前锋的“冷料”，防止“冷料”进入型腔而影响塑件质量，开模时又能将主流道的凝料拉出。冷料穴的作用是贮存因两次注射间隙而产生的冷料头，以及熔体流动的前锋冷料，以防止熔体冷料进入型腔。冷料穴一般都设计在主流道的末端，且在开在主流道对面的动模上，直径稍大于主流道大端直径，便于冷料进入。常见的冷料穴及拉杆的形式有以下几种：勾头（Z形）拉料杆锥形或沟槽拉料穴球头拉料杆分流锥形拉料杆由于是一模二腔的模具结构，因而开模后必须保证塑件及浇注系统凝料都随动模一起移动。再考虑到推出元件是推杆，材料为聚乙烯，球头拉料杆加工较困难，分流锥形拉料杆运用于单型腔，本模具采用带Z 形头拉料杆的冷料穴。Z 形头拉料杆结构简单，容易加工，也可以交好的完成拉料的工作。D应比主流道末端大0.5到1所以取D=95排气系统的设计型腔内气体的来源除了型腔内原有的空气外，还有因塑料受热或凝固而产生的挥发气体，塑料熔体向注射模型腔填充过程中必须考虑把这些气体顺利排出，否则不仅会引起物料注射压力过大，熔体填充型腔困难而造成填充不满，而且气体还会在压力作用下渗进塑料，使塑件产生气泡，组织疏松，熔接不良。因此，在模具设计时，要充分考虑排气问题。本模具可利用模具分型面和模具零件间配合间隙自然地排气，可不分设排气槽，间隙的大小为0.020.04将冷料井设计成如下图所示，底部带拉料杆的冷料杆。6. 排溢系统的设计 当塑料熔体填充型腔时，必须顺序排出型腔，及浇注系统的空气和塑料受热或凝固产生的低温，分子挥分性气体。如果型腔调内因各种原因各种原因即产生的气体不排除干净的话，一方面将在塑件上形成气泡，接缝表面轮廓不清以及填以及填充缺料等式逻辑缺陷，另一方面气受压，估积缩小而产生高温点导致塑件局部碳化和烧焦（褐色斑纹）同时积存的气体还产生反向压力降低充模速度，因此设计型腔时必须考虑排气问题，因为零件较小且不复杂，所以可以利用模具分型面或模具零件间的配合间隙排气，取间隙量为0.02-0.03mm，不另开排气槽。 7. 推出与复位机构的设计推出机构的作用是推出留在型腔内或型芯上的制品。简单推出机构常见结构有推杆推出机构、推管推出机构、推件板推出机构、推块推出机构等。在注射成型的每一个循环中，都必须使塑件从模具型腔中或型芯上脱出，模具中这种脱出塑件的机构称为脱模机构（或称推出、顶出机构）。推出是注射成型过程中的最后一个环节，推出质量的好坏将最后决定塑件的质量，因此，塑件的推出是不可忽视的。在设计脱模推出机构时应遵循下列原则。( 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 ）合模时的正确复位。设计推出机构时，还必须考虑合模时机构的正确复位，并保证不与其他模具零件相干涉。综合各种情况，本套模具选用推杆推出。复位结构采用复位杆复位，它的作用是将已经完成推出塑件的推杆回到注射成型的原始位置，同时还起着推板的导向作用。8. 加热和冷却系统设计查张秀玲黄红辉主编的塑料成型工艺与模具设计P260页查得，塑件PS成型时所需的模具温度为，温度要求不高，模具工作时可达到，故可不设计加热系统，是否需要冷却系统可作如下算：塑料传给模具的热量与自然对流散发到空气中的模具热量、辐射散发到空气中的模具热量及模具传给注射机的热量的差值即为冷却水扩散的模具热量。1、 塑料传给模具的热量单位时间内传给模具的热量可用下式计算Q=nmq式中，Q单位时间内塑料传给模具的热量（KJ/h）； N每小时的注射次数； M每次注射的塑料量，包括浇注系统（kg）; q单位质量的塑料在模腔内的热量（kJ/kg）;单位质量的塑料在模腔内的总热容等于单位质量的塑料从充模温度到脱模温度之间热量之差值，与塑料在模内的物理状态有关。如果只考虑塑料在模内外于单相粘流态，则式中， 塑料的比热容(kJ/(kgK)塑料熔体充模时的温度(塑料脱模时的温度2、 自然对流散发到空气中的模具的热量单位时间内通过自然对流散发到空气中的热量要根据下式计算式中，单位时间内通过自然对流散发到空气中的热量(kJ/h)自然对流时的传热系数(能发生自然对流的模具表面积()模具整体的平均温度()室温()3、 辐射散发到空气中的模具热量单位时间内通辐射方式散发到空气中的模具热量要按下列经验公式计算单位时间内通辐射方式散发到空气中的模具热量(kJ/h)模具四周与空气接触的表面积()辐射率，对于模具四周的侧表面，若属于未加工的毛坏面，=1，若为氧化的切削加工面，=0.80.9，若经过磨削加工，=0.040.05。4、模具传给注射机的热量注射模的动模座板和定模座板分别安装在注射机的动、定固定板上，因些模具必然会有一部分传给这两块固定板。单位时间内模具传给这两块固定板的热量为：式中， 单位时间内模具传给这动、定固定板的热量模具与注射机动、定模固定板之间的传热系数（()与动、定模底板的材料有关，采用碳素钢时可取140，采用合金钢时可取105；动、定模座板与注射机固定板之间的接触面积()5、 需要用冷却水扩散的热量 综上所述，用水流对模具进行冷却进，单位时间内需要冷却水扩散的模具热量为 式中，单位时间内需要冷却水扩散的模具热量，因此=(kJ/h)由上述计算可知，单位时间内需要冷却水扩散的模具热量很小，故不需设计冷却系统。七、模架的选择1. 型腔侧壁厚度和底板计算： =0.2090+17mm =35mm 型腔底壁厚度 =（0.130.15）90mm =11.713.5mm综合考虑，取其t=40， t=15模具周界长度尺寸L=2t+2l+20=240+260+20=220mm模具的周界宽度尺寸B=2t+2b+230=240+90+60=230mm综合考虑 ，为了更好的放置导柱导套和紧固螺钉等，可将模具周界尺寸放大到BL=355mm400mm2 塑料注射模架结构模架也称模体，是注射模的骨架和基体，模具的每一部分都寄生其中， 也是型腔未加工的组合体。模架的主要零件如图4 一137 除凹模和型芯取决于塑件外，模架的其余部分都极其相似。这就使得模架的标准化成为可能。我国于1990 年正式颁布了塑料注射模模架的国家标准（见图5 -1）料模设计手册（第3 版）: P127 一128 根据产品的特点等,选择A2型模架。查实用模具设计与制造手册P357表6-100和前面的计算，取：动模板的长度宽度厚度依次为：35540032，材料为45#钢。热处理为230270HBS。定模板的厚度为32。材料为45#钢。热处理为230270HBS。支承板的厚度为50。动、定模座板的长度宽度厚度依次为：35540032。推杆固定板的厚度为20推板的厚度为25垫板：H=80mmH= H +H+ H+ H+H+H=32+32+32+50+32+80=258mm其结构图为52所示 3模具闭合高度的确定根据支承与固定零件的设计中提供的经验数据，以及查许发樾主编的实用模具设计与制造手册一书358可确定：定模座板B1=450H=32mm；定模板：H=32mm；动模板：H=32mm支承板：H=50mm动模座板：H=32mm根据推出行程和推出机构的结构尺寸确定垫板：H=80mm宽度为63因而模具的闭合高度：推板高度为25推板固定板为20 H= H +H+ H+ H+H+H=32+32+32+50+32+80=258mm推杆固定板H=20推板H=25长220其结构图为八、 注射机有关参数的校核本模具的外形尺寸为350mm400mm258mm, XS-Z-60型注射机模板最大安装尺寸为，故能满足模具的安装要求。由上述的计算模具的闭合高度H=，XS-Z-60型注射机所允许模具的最小厚度，最大厚度，即模具满足的安装条件。查文献（1）P263页附录D XS-Z-60型注射机的最大开模行程S=300mm, sH+H+(510)mm=20+10+(510)mm=40mm注射压的校核即校核注射机的公称压力P公能否满足注射机所需的注射压力，初选设备的公称压力=119Mpa，根据注塑成型技术，查得塑料PS所需的注射压力=100110Pa,因此P公 P0符合要求。锁模力的校核锁模力是指注射机的锁模机构对模具所施加的最大夹紧力。当高压的塑料熔体提充型腔时，会沿锁模方向产生的成型压力，因此，注塑机锁模力必须大于此成型压力， 即F锁初选设备的锁模力为=900KNP型是型腔内塑料的平均压力，一般为注射压力的0.30.7倍。由于该模具较小，故可采取A分型塑件浇注系统在分型面上的投影面积 则, A=2034=240mmA=6090=5400 mm因此=564071.4=402KN经验证，XS-Z-60型注射机能够满足使用要求，故可采用。1. 导向机构的标准件查 实用模具设计简明手册 P146 （机械社，2006 一03 ）。及本套模具的相关要求为本套模具选用的标准导柱为带头导柱。如图所示注：1 、材料：T8A 、20 钢。2 、技术条件： 热处理50 一55HRC , 20 钢渗碳，WcO . 5 一0 . 5 % ，淬硬56 一6OHRC ，但其硬度应低于导柱的硬度； 图中标注的形位公差按GB / Tll84 一1996 附录一，t 为6 级； 直径d 和dl 的尺寸公差根据使用要求可在相同公差等级内变动； 图示倒角不大于C0 . 5 ; 其他按GB / T4170 一1984 。2 、导套查 实用模具设计简明手册 P149 （机械工业出版社，2006 年3 月版）。及本套模具的相关要求为本套模具选用的标准导柱为带头导套。导套与导柱配合保证导向精度，一般配合精度为H7 / f7 ，如图所示注：1 、材料：T8A 、20 钢。2 、技术条件： 热处理50 一55HRC , 20 钢渗碳，WcO . 5 一0 . 5 % ，淬硬56 一6OHRC ，但其硬度应低于导柱的硬度； 图中标注的形位公差按GB / Tll84 一1996 附录一，t 为6 级； 直径d 和dl 的尺寸公差根据使用要求可在相同公差等级内变动； 图示倒角不大于C0 . 5 ; 其他按GB / T4170 一1984 。九、 模具的验收 模具制造结束后要经过多次试模，一般中小型模具需要35次，结构特别复杂的模具试模次数可能还会更多。试模次数的多少与所采用的设备和操作工艺员素质有关，与模具设计，生产质量等息息相关。同时，在某种程度上反映了一个模具厂的技术水平。最能全面反映模具水平的是最后一次试模所提供的样件。通常把该样件送订货方，以检查结果作为模具验收时的一个重要依据。样件基本尺寸正确与否可以放映模具的制造精度。因此，在验收过程中。首先要进行制品验收。验收制件至少在塑件成型或所要求的后处理完成16小时之后进行。验收的标准环境温度21-25。相对湿度为506，露点温度21，大气压力8901060hpa，空气流速1m/s。如果实际环境不标准，可以在双方协商的条件在进行，或者将所测的数值用相应的长度膨胀系数加以修正。1、制品基本尺寸的检验取得一件样品，首先要观察它的整体形状正确，基本造型是否符合产品设计思想，