基于ProE的水果篮注塑模具设计与仿真

摘 要 本论文就是将塑料水果篮作为设计模型，将大学所学理论知识、课外专业参考资料及相关知识网站作为设计注射模具的理论依据，阐述塑料注射模具的设计过程。 通过对塑料水果篮成型工艺的正确分析，设计了一副一模一腔的塑料模具。模具中决定塑件几何形状和尺寸的零部件称为成型零件，包括前模板、前模、后模板、后模仁等的设计与加工工艺过程。成型零部件在工作时直接与塑料接触，在一定的温度下承受熔体的高温和高压，因此必须要有合理的结构、较高的强度和刚度、较好的耐磨性、正确的几何形状、较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度。重要零 件的工艺参数的选择与计算，推出机构与浇注系统以及其它结构的设计过程。 设计成型零部件时，应根据塑料的特性、塑件的结构和使用要求，确定型腔的总体布局，选择分型面，确定脱模方式，设计浇注系统、排溢系统等，然后根据加工工艺和装配工艺的要求进行成型零部件的结构设计，计算成型零部件的工作尺寸校核。最后使用 MPI软件可以全面模拟注塑成型过程，并以图形的方式直观地显示分析结果。 关键词： 水果篮；工艺分析；注射模； MPI Abstract This thesis is to plastic fruit basket as a design model, the university learned theory knowledge, extracurricular resources and related professional knowledge site as the theoretical basis of the design of injection mould of plastic injection mold design process. Through the correct analysis of plastic fruit basket molding process, designed a pair of one module and one cavity plastic mold. Mold in geometry and size of the plastic parts called molding parts, including former templates, template, back mould kernel, etc before mold, after the design and machining process. Molding parts in direct contact with the plastic at work, at a certain temperature melt under high temperature and high pressure, so there must be a reasonable structure, high strength and stiffness, good abrasion resistance and correct geometry, high dimensional accuracy and low surface roughness. Important parts of the process parameters selection and calculation, and the extrusion outfit, inject system and other structures of the design process. Design of molding parts, should according to the characteristics of plastic and plastic parts structure and use of the requirements, determine the overall distribution of cavity, choose the parting surface, parting ways, for sure, design of gating system and overflow system, etc., and then according to the requirement of the machining process and assembly process for molding parts structure design, dimension checking calculation of molding parts work. Finally using the MPI software can be fully simulated injection molding process, and intuitively display the results of the analysis in the form of graphics. Key words: fruit basket； process analysis； injection mold；MPI； 目 录 摘 要 . I Abstract . II 目 录 . III 1 绪论 . 1 1.1 设计目的与意义 . 1 1.2 塑 料制品的发展前景 . 1 1.3 我国模具的发展现状 . 1 1.4 采用注射模成形产品的优点 . 2 1.5 本次设计需达到的要求： . 2 2 总体方案的确定 . 3 2.1 塑件的选择 . 3 2.2 尺寸精度 . 3 2.3 尺寸计算 . 3 2.4 塑件的材料性能 . 3 2.5 注塑机的确定 . 4 2.6 塑件分型面的选择 . 4 2.7 型腔数目 . 5 3 理论分析及设计计算 . 7 3.1 浇注系统的设计 . 7 3.2 脱模机构的设计 . 8 3.3 复位机构的设计 . 11 3.4 排气系统 . 12 3.5 导向机构的设计 . 12 3.6 定位圈的设计 . 13 3.7 成形零件的结构设计 . 13 3.8 成型零件工作尺寸的计算 . 14 3.9 冷却系统的设计 . 16 3.10 模具总装图和爆炸图 . 17 4 塑料注射机的校核 . 20 4.1 最大注射量的校核 . 20 4.2 最大注射压力校核 . 20 4.3 锁模力的校核 . 21 4.4 模具厚度 H 与注射机闭合高度的校核 . 21 4.5 开模行程校核 . 21 5 制造工艺分析 . 23 5.1 最佳浇口地位置 . 23 5.2 MPI 的 FLOW 仿真分析 . 23 5.2.1 填充时间 . 23 5.2.2 最大压力 . 23 5.2.3 平均速度 . 24 5.2.4 熔料的最高温度 . 24 5.2.5 体积收缩率 . 24 5.3 MPI 的 COOL 仿真分析 . 24 5.3.1 冷却管道的液流量 . 24 5.3.2 冷却管道的最高温度 . 25 5.3.3 模腔平均温度和冷却 时间 . 25 5.4 翘曲（ Warp）分析结果 . 25 6 结论与展望 . 26 致 谢 . 27 参考文献 . 28 1 绪论 1.1 设计目的与意义 此次设计的目的： （ 1） 加深对 PROE 软件的理解和应用； （ 2） 了解塑料的组成、特性及其成型的基本原理，学会分析成型工艺对注塑模具的要求； （ 3） 掌握注塑模具的特点和技术要求； （ 4） 可以具有初步分析和解决有关注塑模具方面问题的能力。 此次设计的意义： 注塑模设计是一门实践性很强的学问，若想对其有更深层次的了解和运用，需要长期的生产实践经验。在毕业设计中，需要对大学期间所学的专业知识进行巩固和综合应用，这样不仅可以加深对已学 知识的理解，又可以从中发现自己的不足，同时也可以加强创新和实践能力的培养，加强独立分析和解决问题的能力，所以综上所言，此次 PROE 水果篮注塑模设计具有非常重要的现实意义。 1.2 塑料制品的发展前景 塑料制品已经成为人们的一个生活必须品中的重要部件的材料选择，塑料材料的选择会降低产品的重量，增加产品外观多样型！且由于塑料制品自身的特殊性，其具有很好的回收性能，进过各种程序的处理之后就会被再次利用。不仅能降低成本，还可以减少对坏境的污染！ 由于现在工艺的发展，对塑料制品的研制加深，工业上逐渐展现出代钢伐木，代 替传统建材等趋势。这将使得塑料制品的需求大大增加！故塑料制品发展前景无限！ 1.3 我国模具的发展现状 模具，是以特定的结构形 式 通过一定方式使 材料 成型的一种工业产品，同时也是能成批生产出具有一定形状和尺寸要求的工业产品零部件的一种 生产工具 。大到飞机、 汽车 ，小到茶杯、钉子，几乎所有的工业产品都必须依靠模具成型。用模具生产制件所具备的高精度、高一致性、高生产率是任何其它加工方法所不能比拟的。模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品开发能力。所以模具又有 “工业之母 ”的荣誉称号。 在改革开放以后 , 我国模具工业一直以 15%左右的增长速度快速发展 , 年模具生产总量仅次于日、美之后位居世界第三位。但目 前我国模具生产厂点多数是自产自用的工模具车间 (分厂 ),商品化模具仅占 1/3 左右。从模具市场来看 , 国内模具生产仍供不应求 , 约20%左右靠进口 , 特别是精密、大型、复杂和长寿命的高档模具进口比例高达 40%。由此可见 , 虽然我国模具总量目前已达到相当规模 ,模具水平也有很大提高 , 但在不管在数量还是质量上我们与发达国家的水平还相差甚远 , 主要表现在模具精度、寿命、复杂程度、设计、加工、工艺装备等方面与发达国家有较大的差距。国内模具的使用寿命只有国外发达国家的 1/2 至 1/10, 甚至更短 , 模具生产周期却比国 际先进水平长许多。此外 , 模具的 标准化、 专业化、商品化程度低 , 模具材料及模具相关技术比较落后 , 也是造成与国外先进水平差距大的重要原因。这造成我国每年都需要花费大量资金从发达国家引进各种先进模具及其生产技术，所以模具发展对我们而言任重而道远！ 1.4 采用注射模成形产品的优点 （ 1） 注射成形工艺可由机床自动按照一定的程序完成，便于实现自动化，生产效率较高，适于大批量生产。 （ 2） 注射一般可一次成形，减少了制品再加工程序。 （ 3） 可以制作形状较复杂的塑料制品。 （ 4） 模具通用简单，制品成本较低。 （ 5） 注射成形后的废品及废料可以重新加热注射，故节约材料。 （ 6） 操作易于掌握，不需要等级较高的技术操作。 1.5本次设计需达到的要求： （ 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） 能综合运用所学专业知识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） 根据三维模架生成水果篮塑件注塑模的二维工程图。 （ 6） 论文依据充分，论证正确，文字通顺，条理清楚，格式符合要求。 2 总体方案的确定 2.1 塑件的选择 本设计所选择的中型的水果篮。 2.2 尺寸精度 塑件尺寸精度是指所获得的塑件尺寸与产品要求尺寸的符合程度，即所获得塑件尺寸的准确度。影响塑件尺寸精度的因素蛇粉复杂，首先模具制造的精度和塑料收缩率的波动，其次是模具的磨损程度。另外在成型时工艺条件的变化、塑件飞边等都会影响塑件精度。因此，塑件尺寸精度的确定应该合理选择，尽可能选择低精度等级。 11 2.3 尺寸计算 （ 1） 主体直接使用 Pro/E 的测量功能，测出体积 V 18.35cm3 重量 M=18.351.15 21.1g （材料采用 PC/ABS，查找网页得知其密度为 1.15cm3。 12） 图 2.1 水果篮三维图 2.4 塑件的材料性能 PA66 应用领域主要用于汽车工业 ,电气电子工业 ,交通运输业 ,机械制造工业 .制造各种轴承 ,齿轮 ,圆齿轮、凸轮、伞齿轮、输油管 ,储油器 ,保护罩 ,支撑架 ,车轮罩盖 ,导流板 ,风扇 ,空气过滤器外壳 ,散热器水室 ,制动管 ,发动机罩 ,车门把手 .轴承、齿轮、滑轮泵叶轮、叶片、高压密封圈、垫、阀座、衬套、输油管、贮油器、绳索 、传动带、砂轮胶粘剂、电池箱、电器线圈、电缆接头各种滚子、滑轮、泵叶轮、风扇叶片、蜗轮、推进器、螺钉、 螺母、 耐油密封垫片、耐油容器、外壳、软管、电缆护套、剪切机、滑轮套、牛头刨床滑块、电磁分配阀座、冷陈设备、衬垫、轴承保持架、汽车和拖拉机上各种输油管、活塞、绳索、传动皮带，纺织机械工业设备零雾料等等。 PA66 在聚酰胺材料中有较高的熔点，在较高温度也能保持较强的强度和刚度。 PA66 对许多溶剂具有抗 溶性，但对酸和其它一些氯化剂的抵抗力较弱。 PA66 广泛应用于汽车工业、仪器壳体以及其它需要有抗冲 击性和高 强度要求的产品。 PA66 成型前如果加工前材料是密封的，可以不要干燥。如果储存容器被打开，建议在 90 干燥 10 小 时。 PA66 的流动性很好，它的粘度对温度变化很敏感。 PA66 的收缩率在 1%-2%之间，加入玻璃纤维 -可以 将收缩率降低到 0.2%-1% 。收缩率在流程方向和与流程方向相垂直方向上的相异是较大的。 PA66 熔化温度 约 260-290 ，对玻纤增强的产品为 275-280 ，熔化温度应避免高于 300C。模具温度约 80 。 PA66（ 聚酰胺 66 或尼龙 66），同 PA6 相比， PA66 更广泛应用于汽车工业、仪器壳体以及其它需要有抗冲击性和高强度要求的产品。 PA66 又称尼龙 66，俗称尼龙双 6； 聚己二酰己二胺 ；英文名： Polyamide 66，缩写 nylon 66。 CAS 编号： 32131-17-2 2.5 注塑机的确定 本设计中，产品的体积为 18.35 cm3，确定注塑机如下表 ： 表 2-1 注射机技术参数 型号 柱塞直径/mm 注射容量/cm3 注射压力 / 105Pa 锁模力 / 104N 最大注射面积/cm2 模具厚度/mm 模具行程/mm 喷嘴(球半径 )/mm 定位孔直径/mm 最大 最小 Xs-zy1000/120 85 1000 118 4500 120 700 300 700 18 150 2.6 塑件分型面的选择 遵循确定分型面的一般原则： （ 1） 分型面应选择在制品的最大截面处。 （ 2） 尽可能使制品留在动模一侧。 （ 3） 有利于保证制品的 尺寸精度。 （ 4） 有利于保证制品的外观质量。 （ 5） 尽可能满足制品的使用要求。 （ 6） 有利于排气。 （ 7） 尽量减少制品在合模方向上的投影面积。 （ 8） 长型芯应置于开模方向。 （ 9） 有利于简化模具结构。 （ 10）在选择非平面分型面时，应有利于型腔加工和制品的脱模方便。 要满足制品的主要要求，为保证工件的表面精度要求，以及简化模具设计，便于脱模等要求，把分型面设置为如图 2.2（ a）和 2.2（ b）所示位置。 图 2.2 （ a）分型面 图 2.2 （ b）分型面 由以上的图可以看出分型面 方法，都是由一个主分型面组成。该产品侧面孔利用斜面分型来解决产品合模及脱模，这样的分型面的选择可以去掉抽芯的结构设计加大了设计和模具制造周期，提高生产效率。节约模具材料成本！在模具设计中广泛使用！ 2.7 型腔数目 此设计为单型腔设计，主要优点有：塑件的形状和尺寸始终一致，单型腔模具机构简 单紧凑，设计自由度大，工艺参数易于控制，分型面设计较方便，制造成本低，制造简单。 3 理论分析及设计计算 3.1 浇注系统的设计 注射模的浇注系统是指塑 料溶体从注射机喷嘴进入模具开始到型腔为止，所流经的通道。它的作用是将溶体平稳地引入模具型腔，并在填充和固化定型过程中，将型腔内气体顺利排出，且将压力传递到型腔的各个部位，以获得组织致密，外形清晰，表面光洁和尺寸稳定的塑件。 该产品壁薄。所以采用点胶口系统。 主流道是塑料熔融体进入模具型腔时最先经过的部位，是指从注射机喷嘴与模具接触处开始，到有分流道支线为止的一段料流通道，它将注塑机喷嘴注出的塑料熔体导入分流道或型腔。其形状为圆锥形，便于熔体顺利地向前流动，开模时主流道凝料又能顺利地拉出来，锥角通常取 2 4，在此取 2。由于主流道要与高温塑料和注塑机喷嘴反复接触和碰撞，通常不直接开在定模板上，而是将它单独设计成主流道衬套 (即是浇口套 )镶入定模板内。 浇口套的计算 : 进料口直径： D=d+(0.5 1)mm=2.5 0.5 3mm 式中 d 为注塑机喷嘴口直径。 球面凹坑半径： R=r+(1 2)mm=9+2 11mm 式中 r 为注塑机喷嘴球头半径。 主流道长度 L 根据定模座板厚度确定，在能够实现成型的条件下尽量短，以减少压力损失和塑料耗量。 本设计取 L=95mm 。 主流道大端与分流道相接处又过度圆角，以减小料流转向时 的阻力，其圆角半径取 r=2 mm。 所选浇口套的立体图如图 3.1 所示。 图 3.1 浇口套及其二维图 分流道是主流道与型腔进料口之间的一段流道，主要起分流和转向作用，是浇注系统的断面变化和溶体流动转向的过渡通道。 分流道截面采用最常用的梯形截面形状，优点为热量损失较少，加工比较容易，流动阻力较小，属于比较常用的截面形式。 浇口又称进料口，是连接分流道与型腔之间的一段细短流道，是整个浇注系统的最薄弱点和关键环节。 一般情况下，浇口采用长度很短而截面很窄的小浇口。当熔融塑料通过狭小的浇口时，流速增高，并因摩 擦使料温也增高，有利于填充型腔。同时，狭小的浇口适当保压补缩后首先凝固封闭型腔，使型腔内的熔料即可在无压力状态下自由收缩凝固成型，因而塑件内残余应力小，可减小塑件的变形和破裂。狭小的浇口便于浇道凝料与塑件的分离，便于修整塑件，成型周期较短。但是，浇口截面尺寸不能过小。过小的浇口，压力损失大，冷凝快、补给困难，会造成塑件缺料、缩孔等缺陷，甚至还会产生熔体破裂形成喷射现象，使塑件表面出现凹凸不平。 此设计采用 ，它是一种尺寸很小截面为圆形的直接浇口的特殊形式。特点是进料口小，去浇口后残留痕迹小，可减少熔接不良现 象，浇口可自动拉断，塑件光泽，表面清晰。适用于成型熔体粘度随剪切速度提高而明显降低的塑料和粘度较低的塑料，如各种塑料的壳、盒、盖等塑件。 3.2 脱模机构的设计 在注射成型的每一循环中，塑件必须由模具的型腔或型芯上脱出，脱出塑件的机构称为推出机构，也常称为脱模机构。 该模具我们用点胶口的结构设计，它的注射及脱模，顶出如图 3.2 所示。（该图仅供参考） 图 3.2 （ a） 顶出图 图 3.2 （ b）顶出图 脱模机构的设计原则 : （ 1） 尽量使塑件留 在动模一边。 （ 2） 保证塑件不因推出而变形和损坏。 （ 3） 保证塑件外观良好。 （ 4） 结构可靠。 脱模力是指将塑件从动模一侧的主型芯上脱出时所需要的外力，是设计推出机构的主要依据之一。 塑件在模具冷却定型时，由于体积收缩，其尺寸逐渐缩小而将型芯包紧而产生的力，叫做型芯包紧力。对于不带通孔的壳体类塑件，脱模时所要克服大气压力，叫做真空吸力。此外，还要克服机构本身运动的摩擦阻力及塑料与钢材之间的粘附力。 开始脱模的瞬间所要克服的阻力最大，称为初始脱模力，以后脱模所需的力称为相续脱模力，后者要比前者小。所以在 计算脱模力的时候，总是计算初始脱模力。影响脱模力大小的因素很多，如型芯成型部分的表面积及其形状；塑料的收缩率以及对于型芯的摩擦系数；塑件的壁厚及同时包紧型芯的数量；成型时的工艺参数等。根据这些因素来精确计算脱模力是相当困难的，所以下面根据主要影响因素进行粗略计算。 当塑件包紧型芯时，由于型芯一般具有脱模斜度，故在脱模力 脱F 的作用下，塑件对型芯的正压力降低了 脱F sin，这时摩擦阻力为： 摩F = cf ( 正F - 脱F sin ) 式中 摩F 摩擦阻力（ N）； cf 摩擦系数 ,查表得 cf = 0.6 ； 正F 因塑件收缩产生对型芯的正压力（ N）； 脱F 脱模力（ N） ； 脱模斜度，因为材料是 PC/Abs，所以取 =2 根据受力图列出力的平衡方程式为： YF = 0 图 3.3 零件脱模的受力图 即 摩F cos- 脱F - 正F sin= 0 将上式代入 摩F = cf ( 正F - 脱F sin ) 可得： 脱F = aafafaFcossin1)tan(cos正 其中 正F 因塑件收缩产生对型芯的正压力（ N）， 正 F =p A P 因塑件收缩对型芯产生的单位正压力（ MPa） ,一般 p=12 20MPa,薄壁件取小值，厚壁件取大值，所 要生产的塑件比较薄，故取 p=14MPa； A 塑件包紧型芯侧面积。 （ 1）直接使用 Pro/E 的测量功能，测出塑件包紧型芯侧面积 A 6984 mm2 所以， 脱F =