基于ProE的接水盒注塑模具设计

摘 要 注射成型是热塑性塑料成型的主要方法之一，可以一次成型形状复杂的精密塑件。本次设计中，主要运用到了所学的注射模设计以及相关机械设计等方面的知识。分析了一副注射模的一般设计过程，即注射成型的分析、注射机的选择及相关参数的校核、模具的结构设计、注射模具设计的有关计算、模具总体尺寸的确定与结构草图的绘制、模具结构总装图和零件工作图的绘制等。设计主要包括成型位置及分型面的选择，模具型腔数的确定及型腔的排列布置和流道布局，还有浇口位置的选择，模具工作零件的结构设计，抽芯机构的设计，浇注系统的设计，推出机构 的设计，斜导柱的设计等。设计过程主要利用了 Pro/E 进行三维零件的绘制并根据设计计算绘制出模具的型芯和型腔以及基本模架等，然后用 Auto CAD 进行二维装配图和零件图的绘制，最后通过对整体结构的校核，提高了其稳定性和可靠性。 关键词：接水盒；注塑模； ABS 塑料 Abstract Injection molding is one of the main methods for thermo plastics, and it can once-form delicate plastic members with sophisticated shape. In this design, the knowledge of injection mold design and related mechanical design are mainly used. The design process of a injection mold is analyzed, that is, the analysis of injection molding, the selection of the injection molding machine and the check of the related parameters of it, the structural design of the mold, the related calculation of the injection mold design, the determination of the overall size of the mold and the drawing of the sketch, the drawing of the assembly diagram of the mold structure and the parts diagram, and so on. the design includes the choice of the molding location and the parting surfaces, the determination of the number of the mold cavity, the layout arrangement and the runner layout of the cavity, as well as the choice of the gate location, the structural design of the mold parts、 the core-pulling mechanism、 the gating system、 the ejection mechanism and so on.Design process mainly uses the Pro/E 3D part drawing and according to the design drawing of the mould core and cavity, and basic mold rack and so on, then use Auto CAD 2D assembly drawing and parts drawing, at last, by check, for the whole structure to improve its stability and reliability. Keywords:water receiver；injection mold； ABS plastic 目 录 摘 要 . III ABSTRACT . IV 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1 塑料模具设计的研究内容和意义 . 1 1.2 塑料模具国内外发展现状 . 1 1.3 本课题应达到的要求 . 2 2 塑件分析 . 3 2.1 材料的选择 . 3 2.2 塑件的几何形式及结构分析 . 4 3 设备的选择与校核 . 6 3.1 塑件质量的计算 . 6 3.2 型腔数量的确定 . 6 3.3 注射机参数的校核 . 7 3.3.1 注射量校核 . 7 3.3.2 塑件在分型面上的投影面积与锁模力的校核 . 7 3.4 开模行程的校核 . 8 3.5 脱模力 Q . 8 4 浇注系统和排溢系统的设计 . 9 4.1 塑料制件在模具中的位置 . 9 4.2 浇注系统的设计 . 11 4.2.1 主流道的设计 . 11 4.2.2 主流道尺寸的确定 . 12 4.2.3 浇口位置的选择 . 12 5 成型零部件的设计与计算 . 12 5.1 成型零件的结构设计 . 13 5.1.1 型腔（或凹模）的设计 . 13 5.1.2 型芯（或凸模）的设计 . 13 5.2 成型零件工作尺寸的计算 . 13 5.2.1 型腔外形尺寸的确定 . 14 5.2.2 型芯外形尺寸的确定 . 15 5.2.3 型腔深度和型芯高度尺寸的计算 . 16 5.2.4 型腔侧壁厚度的计算 . 17 5.2.5 型腔底板厚度的计算 . 17 5.2.6 中心距尺寸的计算 . 18 6 脱模机构的设计 . 18 6.1 脱模力的计算 . 19 6.2 推出机构的设计 . 20 6.3 推出机构的复位与导向 . 22 6.4 模架的选取 . 22 7 侧向分型与抽芯机构 . 24 7.1 抽芯距的确定 . 24 7.2 抽芯机构设计 . 24 7.2.1 斜导柱抽芯的工作原理及设计 原则 . 24 7.2.2 斜导柱倾斜角的选择 . 25 7.2.3 斜导柱直径计算 . 25 7.2.4 斜导柱长度计算 . 25 7.3 侧滑块 的设计 . 25 7.3.1 侧滑块形状设计 . 25 7.3.2 侧滑块定位装置的设计 . 26 7.3.3 导滑槽的设计 . 26 7.3.4 楔紧块的设计 . 27 8 合模导向机构设计 . 27 8.1 导柱 . 28 8.2 导套 . 28 9 温度调节系统 . 29 9.1 冷却系统的设计原则 . 30 9.2 冷却回路的尺寸确定 . 30 9.2.1 冷却回路所需的总面积 . 30 9.2.2 冷却 回路的总长度 . 30 10 结论与展望 . 31 10.1 结论 . 31 10.2 不足之处及 未 来展望 . 31 致 谢 . 32 参考文献 . 33 1 绪论 1.1 塑料模具设计的研究内容和意义 研究的内容： （ 1）了解聚合物的物理性能、流动特性，成型过程中的物理、化学变化及塑料的组成分类主性能。 （ 2）了解塑料成型的基本原理和工艺特点，正确分析成型工艺对模具的要求。 （ 3）能掌握各种成型设备对各类模具的要求 （ 4）掌握各类成型模具的结构特点及设计计算方法，能设计中等复杂程度的模具。 研究的意义： 随着科学技术的发展需要，模具已成为现代化不可缺少的工艺装备，它被称为工业产品之母，所有工业产品莫不依赖模具才得以规模生产、快速扩张，被欧美等发达国家誉为“磁力工业”。模具设计是机械专业一个最重要的教学环节，是一门实践性很强的学科，是对我们所学知识的综合运用，通过对模具设计和制造过程有个基本了解，为以后的工作及学习深造打下了坚实的基础。接水盒是日常生活中常用的基本品，对它的注塑模具进行设计和分析，有一定的现实意义和经济价值，是顺应当前模具制造行业发展需要的，具有重大意义。 1.2 塑料模具国内外发展现状 我国塑料模具发展现状： 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、 6.5kg大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具；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 I.K 模具有限公司制造的多腔 VCD 和DVD 齿轮模具，所生产的这类齿轮塑件的尺寸精度、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 于成型收缩造成的齿形误差，达到了标准渐开线齿形要求。还能生产厚度仅为 0.08mm 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 0.02 0.05mm，表面粗糙度 Ra0.2m，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。 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设计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 2934 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 C-MOLD 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 UG、美国 Parametric Technology 公司的 Pro/Engineer 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，国内已较广泛地采用一些新的塑料模具钢，如： P20、 3Cr2Mo、 PMS、SM、 SM等，对模具的质量和使用寿命有着直接的重大的影响，但总体使用量仍较少。塑料模标准模架、标准推杆和弹簧等越来越广泛地得到应用，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和商品化程度一般在 30%以下，和国外先进工业国家已达到 70%-80%相比，仍有很大差距。 国外塑料模具发展现状： 注塑成型是最大量生产塑料制品的一种成型方法，二十多年来，国外的注塑模 CAD 技术发展相当迅速。 70 年代已开始应用计算机对熔融塑料在圆形、管形和长方形型腔内的流动情况进行分析。 80 年代初，人们成功采用有限元法 分析三维型腔的流动过程，使设计人员可以依据理论分析并结合自身的经验，在模具制造前对设计方案进行评价和修改，以减少试模时间，提高模具质量。近十多年来，注塑模 CAD 技术在不断进行理论和试验研究的同时，十分注意向实用化阶段发展，一些商品软件逐步推出，并在推广和实际应用中不断改进、提高和改善。 1.3 本课题应达到的要求 1、熟悉注塑模具发展历程，以及当前模具制造行业的发展现状。 2、能综合运用所学的专业知识（如注塑模成型与模具设计）进行中等复杂程度模具的设计和计算。 3、熟练掌握 CAD/CAM 软件 Pro/E 的三维 造型、模具设计的原理和方法。在 Pro/E 的模具设计模块中设计成型零件。 4、熟练掌握利用专家系统 EMX 设计整套标准模架的流程和方法。 5、根据三维模架生成接水盒塑件注塑模的二维工程图。 6、论文正文依据充分，论证正确，有一定见解，文字通顺，条理清楚，数据准确，格式符合要求。 2 塑件分析 2.1 材料的选择 该塑件为 接水盒 ,没有太高的配合精度，所以从塑件使用性能上分析，其必须具备有一定的综合机械性能 ,包括一定的弹性和耐油性，耐水性，化学稳定性和电气性能。而符合以上性能的塑料材料很多，从材料的来源以及材料的 成本和调配颜色来看， ABS（丙烯腈 -丁二烯 -苯乙烯共聚物）比较适合。 ABS 是目前世界上应用最广泛的材料，它来源广，成本底，符合该塑件成型的特性。因此制作该塑件选用 ABS 塑料。 表 2-1 ABS的主要技术指标 密度 比容 吸水率 收缩率 热变形 温度 1.02 1.16 0.8 0.98 0.2% 0.4% 130 160 0.3% 0.8% 83 103 抗拉强度 拉伸弹性 模量 弯曲强度 冲击强度 比体积 50Mpa 1.8X107 80Mpa 11HB 9.7HB 0.86 0.96 表 2-2 ABS的注射工艺参数 注射机类型 螺杆转数 喷嘴形式 喷嘴温度 螺杆式 50 70 直通式 180 190 料筒的温度 模具温度 注射压力 保压力 190-200 200-220 170-190 50 70 60 90Mpa 30- 60Mpa 注射时间 保压时间 冷却时间 成型周期 3 -5S 15 30S 10 30S 30 70S 预热温度 预热时间 计算收缩率 80 85 2 3h 0.3 0.8% ABS 无毒无味，呈微黄色，成型塑料件有较好光泽。密度为 1.05-1.18g/m。ABS 的抗冲击强度极好，且在低温下也不迅速下降。有良好的机械强度和一定的耐磨性，耐寒性，耐油性，耐水性，化学稳定性和电气性能。 ABS 有一定的硬度和尺寸稳定性，易于成型加工。经过调色可配成任何颜色。但其缺点是耐热性不高，连续工作温度为 70 左右，热变形温度约为 90 左右。耐气候差，在紫外线作用下易变硬发脆。其成型特点： ABS 在升温时黏度增高，所以成型压力较高，导致塑料上的脱模斜度稍大。流动性中等，溢边料 0.04mm 左右。易产生熔接痕，模具设计时应注意尽量减小浇注系统对料流的阻力；在正常的成型条件下，壁厚，溶 料温度及收缩率影响极小 19。 ABS 成型收缩率，拉伸模量，泊松比与刚的摩擦因素见下页表 2-3 表 2-3 ABS成型收缩率，拉伸模量，泊松比与钢的摩擦因素 塑料名称 成型收缩率 /% 拉伸模量 E/103Mpa 泊松比 U 与钢的摩擦系数 f PE 1.5-3.5 0.212-0.98 0.49 0.23-0.5 PP 1.0-2.5 1.6-6.2 0.43 0.49-0.51 PS 0.6-0.8 1.4-8.9 0.38 0.45-0.75 ABS 0.3-0.8 1.91-1.98 0.38 0.20-0.25 2.2 塑件的几何形式及结构分析 图 2-1 塑件三维图 图 2-2 塑件二维图 1、脱模斜度 脱模斜度取决于塑件形状，壁厚及塑料的性能和收缩率。本塑件型腔深度一般 ，但由于考虑到塑件配合精度不高，所以塑件两侧要有角度，所以采用使塑件强行脱模的方式，而且往外偏有个小角度。 该塑件脱模斜度取 1。 表 2-4 塑料制品的脱模斜度 塑料制品材料 脱模斜度 塑件外表面 塑件内表面 ABS 塑料 40 120 35 1 2、 壁厚 塑件的壁厚是最重要的结构要素，是设计塑件时必须考虑的问题之一。应该考虑尽量采用均匀壁厚，所以该塑件壁厚取为 2.5mm，符合推荐壁厚，且可保证塑件的刚度、强度，可防止塑件产生内应力以及气泡、缩孔等各种质量缺陷。 表 2-5 塑件壁厚选择 塑料种类 制件最小壁厚 mm 一般产品壁厚 mm 大型产品壁厚 mm 塑料 ABS 0.75 1.75-2.6 3 3.5 3、 侧抽芯机构 当塑件有侧抽芯时，应尽可能放在动模或下模，避免定模或上模侧抽芯。该塑件外部有侧孔，内部还有凸台，因该塑件材料为 ABS，且该孔是通孔，故 必须采用侧抽芯机构，侧抽芯机构由滑块和斜导柱等机构组成，采用滑块整面抽芯。 3 设备的选择与校核 为保证注射质量和充分发挥注射设备的能力 ,应根据注射模一次成型的塑料体积和质量来初步确定注射机的类型。根据理论和在实际生产中的经验得出塑件和浇注道之间材料的总和应该在注射机理论注射量的 50%80%之间。（初步估算浇注系统的质量为 25g）初步选定注射机为 XS-ZY-25017。 3.1 塑件质量的计算 根据三维软件 Pro/E 模型分析得体积： V=180cm 因为 ABS 的平均密度为： =1.14g/cm 所以 ， M=175g。 图 3-1 Pro/E 中零件的质量属性 3.2 型腔数量的确定 因型腔数量与注射机的塑化速率、最大注射量及锁模量等参数有关，因此有任何一个参数都可以校核型腔的数量。一般根据注射机的最大注射量来确定型腔数量 n ； 1/ mn )m-(Km 20 （ 3.1） 式中 K 注射机最大注射量的利用系数，一般取 0.8； M0 注射机允许的最大注射量（ g 或 cm）； m2 浇注系统凝量（ g 或 cm）； m1 单个塑件的质量或体积 (g 或 cm)。 由此可求出： 1175/ = 25)-250( 0 .8n 故取 n=1 满足设计要求。 3.3 注射机参数的校核 3.3.1 注射量校核 模具型腔是否能充满与注射机允许的最大的注射量密切相关，设计模具时，应保证注射模内所需熔体总量在注射机实际的最大注射量范围内。根据生产经验，注射机的最大注射量是其允许最大注射量（额定注射量）的 80%，由此有： 021 %80 mmnm + （ 3.2） 1175+250.8250 即 200200 (符合要求 ) 3.3.2 塑件在分型面上的投影面积与锁模力的校核 1、投影面积校核 注射成型时，塑件在模具分型面上的投影面积是影响锁模力的主要因素，其数值越大，需要的锁模力也就越大。如果这一数值超过了注射机允许使用的最大成型面积，则成型过程中将会出现涨模溢料现象。因此，设计注射模时必须满足下面关系 17： A=nA1 +A2 （ 3.3） 式中 A1 单个塑件在模具分型面上的投影面积，该塑件为 37700mm2 ； A2 浇注系统在模具分型面上的投影面积 ,约为 A1 的 0.2 0.5 倍，该 设计取 0.4； 总的投影面积计算为： A=nA1 +A2 =137700+0.437700=52780 mm2 2、锁模力的校核 FmF型=AP型 （ 3.4） 式中 Fm注射机的额定锁模力为 1250KN； P型模具型腔内塑料熔体平均压力（ Mpa） ,通常为 20 40 Mpa，此设计中取 35 Mpa； 所以 F型=5278035=184.73KN，则 Fm F型 （符合要求） 故该注射机符合要求。其技术参数如下 17： 表 3-1 XS-ZY-250 注射机主要技术参数 单位 XS-ZY-250 额定注射量 cm 250 螺杆直径 mm 45 注射压力 MPa 160 注射速率 g/s 110 塑化能 力 g/s 18.9 锁模力 kN 1250 螺杆转速 r/min 10 200 移模行程 mm 360 模具最大厚度 mm 550 模具最小厚度 mm 150 喷嘴口直径 mm 3 定位孔直径 mm 160 喷嘴球半径 mm SR15 3.4 开模行程的校核 开模取出塑件所需开模距离必须小于注塑机最大开模行程。对于 XS-ZY-250 注塑机，其最大开模行程有注塑机曲轴机构的最大行程决定，与模具厚度无关。 双分型面 注射模，其开模行程按下式校核： SH1 +H2 + a +（ 5 10） mm （ 3.5） 式中 S注塑机的最大开模行程（ mm）； H1塑件脱出距离（也可作为凸模高度）（ mm）； H2塑件高度（ mm）； a 中间板与定模的分开距离（ mm）； 已知 H1=120mm H2=97mm a=115 mm 所以 H1+H2+ a +（ 5 10） =120+97+115+（ 5 10） =337 342（ mm） 又由于 XS-ZY-250 卧式注塑机的移模行程为 360mm，即 342 mm 360mm 所以开模行程也符合要求。 3.5 脱模力 Q )s in-c o s( fL h pQ = （ 3.6） 式中 L型芯或凸模被包紧部分的周长（ cm）； h被包紧部分的深度（ mm）； p由塑件 收缩率产生的单位面积的正压力，一般取 7.8 1.8Mpa； f摩察系数，一般取 0.1 0.2； 脱模斜度（ ）。 而对于不通孔的壳型塑件脱模时，需克服大气压力造成的阻力（ QH） , 即 HQ=1F F 为垂直于推出型芯方向的投影面积（ cm2 ） 。 并设大气压力为 0.09 Mpa，则HQ=F 所以，当不塑件对型芯的粘附力时，其总的脱模力（ Q总）为 Q总= Q+ QH （ 3.7） 计算时，为使脱模力（ Q总）大于诸因素造成的阻力，须修正以确定脱模力。 由零件图得 L=136cm， h=97mm， p=7.8 Mpa ， f=1.5， =1 。 所以 Q总=136 97 7.8（ 0.15 cos1 - sin1 ） +0.09 13636.57N 推杆推顶接触总面积 a=10 210 2 =1950(mm2 ) 则接触压力校核为： =aQ总=195057.13636Mpa 6.99 Mpaps=14 Mpa 由此，该模具推杆的推顶总面积是可行的。 4 浇注系统和排溢系统的设计 4.1 塑料制件在模具中的位置 1、型腔排列方法 型 腔的排列 应遵循以下原则 13： 当采用一模多腔时，型腔在模板上通常采用圆形排列， H 形排列，直线排列以及复合排列等。 在设计时应遵循以下要点 19： 尽 量 采用平衡式排列，以构成平衡浇注系统，保证 塑件 质量均一和稳定。 型腔布置和浇口开设部位力求对称，防止模具承受偏载而产生溢料现象。 尽可能使型腔排列得紧凑 些 ，以便减小模具的外形尺寸。 型腔的圆形排列所占模板 的 尺寸大，虽然有利于浇注系统的平衡，但加工困难，除圆形制品和一些高精度制品外，在一般情况下常用直线排列和 H 形排列。 由以上计算得出，型腔数为 1，即 一模一件。又此塑件结构比较对称，故塑件在模具型腔中间位置布局。 图 4-1 型腔布置图 2、分型面的设计 将模具适当地分成两个或几个可以分离的部分，这些可以分离部分的接触表面分开时能够取出塑件及浇注系统凝料，当成型时又必须接触封闭，这样的接触表面称为模具的分型面。 根据塑件的形状和尺寸，由于此塑件为外观件，选用单一平直分型面。 本模具采用平直分型面有以下优点和符合设计基本原则 19： （ 1）分型面在塑件外形最大轮廓处； （ 2）便于塑件顺利脱模； （ 3）保证塑件的精度要求； （ 4）满足塑件的外观要求； （ 5）便于模具加工制造； （ 6）减少塑件在合模分型面上的投影面积，可靠锁模避免涨模溢料现象； （ 7）有利于排气； （ 8）保证抽心机构顺利抽芯； （ 9）保证斜销机构顺利退出。 4.2 浇注系统的设计 浇注系统设计是否合理不仅对塑件性能、结构、尺寸、内外在质量等有很大影响，而且还对塑件所用的塑料的利用率、成型生产效率等有关系，因此这是一个重要环节。浇注系统设计主要包括主流道，分流道，浇口和冷料穴四部分。它的作用是将来自注射机喷嘴的塑料熔体均匀而平稳地输送到型腔，同时使型腔内的气体能 及时顺利排出，将注射压力有效地传递到型腔的各个部位，以获得形状完整、内外在质量优良的塑料制件。浇注系统的设计应遵循浇注系统的设计原则。 设计浇注系统应注意以下几点 13： （ 1）流道应尽量减小弯折，表面粗糙度为 Ra1.6 到 Ra0.8m； （ 2）应按型腔布局设计，尽量与模具中心线对称； （ 3）应避免在模具的单面开设浇口，否则会造成注射时受力不均； （ 4）设计主流道，避免熔融塑料冲击小直径型芯及镶件而产生弯曲或折断； （ 5）在满足塑料成型和排气良好前提下，选取短的流程，可缩短填充时间； （ 6）能顺利地引导熔 融塑料填充各个部位； （ 7）生产成批塑件，在保证产品质量前提下，缩短冷却时间及成型周期。 4.2.1 主流道的设计 主流道 (俗称浇口套 )是塑料熔体的流动信