毕业设计（论文）-塑料壳体注射模具设计.doc

课程设计塑料壳体注射模具设计系 别 ：机械与电子工程系专 业 （班 级）：材料成型与控制工程11级1班作 者 （学 号）：指 导 教 师：完 成 日 期：2014年11月15 日前 言人类关于材料的使用已有数千年之久，自远古时起，人类经历了石器时代、青铜器时代、铁器时代。直至今日，由于化学、物理学等相关科学的发展，有机材料塑料，越来越成为现代生产生活中不可或缺的组成部分。塑料，由于具有一系列优异的物理力学性能、化学性能和易成形加工工艺性能而在轻工、农业、国防、航天航空、机械制造、建筑材料、交通运输、等部门及与人们的日常生活密切相关的诸多方面都得到了非常广泛的应用。如果离开了塑料，那么难以想象我们生活、工作等环境会成为一个什么样子。也正是由于塑料具有许多特殊的性能，很快地从代替部分金属、木材、皮革等材料而发展成为国民经济中不可缺少的一类化工材料，并跻身与金属、纤维、硅酸盐三大传统材料之行列，成为现代工业四大基础材料之一，应用于人类活动于生产活动的各个领域。据最近数据统计，在工业发达国家，日本生产塑料模和生产冲压模的企业各占40%；韩国模具专业厂中，生产塑料的模具占43.9%，生产冲压的模具占44.8%；新加坡全国有460家模具企业，生产塑料模的占60%，生产冲模和夹具的占35%。作为最有效的塑料成型方法之一的注射成型技术可以一次成型各种结构复杂和尺寸精密的塑件，它具有成型周期短、生产率高、大批生产时成本低廉、易于实现自动化或自动化生产等优点。因此，世界塑料成型模具产量中约半数以上是注射模具。目前，塑料塑件在国民经济和日常生活中的应用日趋广泛，发挥着举足轻重的作用，塑料塑件的加工基本上是通过模具一次成型。在众多的成型方法中，注射成型占主导地位，塑料塑件的质量、生产效率、成本和模具的结构、使用性能密切相关。因此，设计制造出结构合理，使用性能优良的注射成型模具已成为塑料生产厂家关注的焦点。本次课程设计题目是“塑料配件”，设计中重点注意侧抽芯的分型，其他系统结构具体按塑件结构要求设计。本设计说明书主要介绍了本人这次模具题目设计的整个思想过程，从开始构思到整套模具设计完毕，包括工程图，制造工艺，每个环节都必须面面俱到，不能忽视，特别是在尺寸与精度方面，更应该细心地测量与琢磨，否则就会直接影响塑料件的质量。塑料壳体注射模具设计任务书一、塑料壳体图号材料尺寸序号abcdefgh01pp70302535651055002pc80403545751266003abs90504555851287004hdpe1006055659513108005pom110706575105131090技术要求：1.塑件不允许有变形、裂纹；2.脱模斜度301；3.未注圆角r2r3；4.壁厚处处均匀；5.未注尺寸公差按mt45计算。(五组数据任选一组进行设计)二、生产批量50万件。三、设计目的综合运用画法几何与机械制图、机械设计、公差与技术测量特别是塑料成型工艺与模具设计、模具制造工艺学等课程的知识，分析和解决塑料模具设计问题，进一步巩固、加深和拓宽所学知识。通过设计实践，掌握塑料模具设计的一般规律，培养分析问题和解决问题的能力。掌握绘图在模具设计中的应用，进一步熟悉和运用技术标准、规范、设计手册等有关设计资料，并将标准合理的应用于模具设计之中，有效简化模具结构和加快设计进程。四、任务和要求1.完成模具装配图一张，用手工或cad按制图标准绘制成a1图幅；2.完成模具零件图八张；（定模座板、定模板、动模座板、动模板、型芯固定板、动模支撑板、凸模、垫块、推板、推杆固定板、推杆或推管或推板）3.编写设计任务书（30页左右）。- 2 -目 录塑料壳体注射模具设计1第一章 塑件成型工艺件分析21.1 塑件分析21.1.1 外形尺寸。21.1.2 精度等级。21.1.3 脱模斜度。21.2 材料的性能分析21.3 的注射成型过程及工艺参数41.3.1 注射成型过程。41.3.2 注射工艺参数。5第二章 拟定模具的结构形式及初选注射机52.1 分型面位置的确定52.2 确定型腔数62.3 型腔的排列方式62.4 模具结构形式的确定72.5 注射机型号的确定72.5.1 注射量的计算72.5.2 浇注系统凝料体积的估算82.5.3 选择注射机82.5.4 注射机的相关参数校核9第三章 浇注系统103.1 主流道的设计113.1.1 主流道尺寸113.1.2 主流道的凝料体积113.1.3 主流道当量半径123.1.4 主流道浇口套的结构形式123.2 分流道的设计123.2.1 分流道的布置形式123.2.2 分流道的长度133.2.3 分流道的当量直径133.2.4 分流道截面形状133.2.5 分流道截面尺寸143.2.6 凝料体积143.2.7 校核剪切速率153.2.8 分流道的表面粗糙度和脱模斜度153.3 浇口的设计153.3.1 侧浇口尺寸的确定153.3.2 侧浇口剪切速率的校核163.4 校核主流道的剪切速率163.4.1 计算主流道的体积流量163.4.2 计算主流道的剪切速率173.5 冷料穴的设计及计算17第四章 成型零件的结构设计及计算174.1 成型零件的结构设计174.1.1 凹模的结构设计174.1.2 凸模的结构设计（型芯）184.2 成型零件对钢材的选用204.3 成型零件工作尺寸的计算204.3.1 凹模径向尺寸的计算204.3.2 凹模深度尺寸的计算204.3.3 型芯径向尺寸的计算214.3.4 型芯高度尺寸的计算214.3.5 成型孔间间距的计算214.4 成型零件尺寸及动模垫板厚度的计算224.4.1 凹模侧壁厚度的计算 224.4.2 动模垫板厚度的计算23第五章 脱模推出机构的设计235.1 推出方式的确定235.2 脱模力的计算245.3 校核推出机构作用在塑件上的单位压应力245.3.1 推出面积：245.3.2 推出应力：24第六章 模架的确定256.1 各模板尺寸的确定256.1.1 a板尺寸。256.1.2 b板尺寸。256.1.3 c板（垫块）尺寸。256.2 模架各尺寸的校核256.2.1 模具平面尺寸：256.2.2模具高度尺寸：256.2.3 模具的开模行程：26第七章 排气槽的设计26第八章 冷却系统的设计26第九章 导向与定位结构的设计26总 结27谢 辞28参 考 文 献29ii塑料壳体注射模具设计摘 要：课题主要是针对塑料壳体的模具设计，通过对塑件进行工艺的分析和比较,最终设计出一副注塑模。该课题从产品结构工艺性，具体模具结构出发，对模具的浇注系统、模具成型部分的结构、顶出系统、冷却系统、注塑机的选择及有关参数的校核、都有详细的设计，同时并简单的编制了模具的加工工艺。通过整个设计过程表明该模具能够达到此塑件所要求的加工工艺。针对模具的具体结构，该模具是侧浇口的单分型面注射模具。其优点在于简化机构，使模具外形缩小，大大降低了模具的制造成本。通过模具设计表明该模具能达到零件的质量和加工工艺要求。关键词：塑料壳体；塑件；模具设计；注塑模具。第一章 塑件成型工艺件分析1.1 塑件分析经过对本次课程设计任务书的分析与比较，本人选择第三组数据作为本次课程设计的设计和计算依据，由任务书可知本次目标零件的相关数据有：1.1.1 外形尺寸。该塑件壁厚为2.5mm，塑件外形尺寸不大，塑料熔体流程不太长，适合于注射成型。1.1.2 精度等级。每个尺寸的公差大致一样，除了小孔之间的距离。按实际公差进行计算。1.1.3 脱模斜度。塑件精度不是很高且为小塑件，又abs成型收缩率小，参考教科书选择该塑件上型芯和凹模的统一脱模斜度为1。通过用pro/e制图软件对该零件绘制，得到该塑料壳体零件的3d视图，如图1-1所示。图1-1 塑料壳体零件的3d视图1.2 材料的性能分析因为本次课程设计选用的第三组数据要求的塑料材料为abs，所以材料的性能分析将围绕abs展开。acrylonitrile butadiene styrenne copolymers即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，简称abs。abs是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料结构。abs树脂是丙烯腈、1，3丁二烯、苯乙烯的三元共聚物。abs树脂集合了三者单体的优良性质，即：丙烯腈的耐热性、刚性、耐油性；苯乙烯的光泽、电性能、成型性；丁二烯的耐冲击性。塑料的性能有以下几点：1） 一般性能 ：abs树脂是丙烯腈、1，3丁二烯、苯乙烯的三元共聚物abs的外观为不透明呈象牙色的粒料，无毒、无味、吸水率低其制品可着成各种颜色，并具有90%的高光泽度。abs同其它材料的结合性好，易于表面印刷、涂层和镀层处理。abs的氧指数为18.2，属易燃聚合物，火焰呈黄色，有黑烟，烧焦但不滴落，并发出特殊的肉桂味。abs是一种综合性能十分良好的树脂，在比较宽广的温度范围内具有较高的冲击强度和表面硬度，热变形温度比pa、pvc高，尺寸稳定性好。abs熔体的流动性比pvc和pc好，但比pe、pa及ps差，与pom和hips类似。abs的流动特性属非牛顿流体，其熔体粘度与加工温度和剪切速率都有关系，但对剪切速率更为敏感。2） 力学性能abs有优良的力学性能，其冲击强度极好，可以在极低的温度下使用。即使abs制品被破坏，也只能是拉伸破坏而不会是冲击破坏。abs的耐磨性能优良，尺寸稳定性好，又具有耐油性，可用于中等载荷和转速下的轴承。abs的蠕变性比psf及pc大，但比pa和pom小。abs的弯曲强度和压缩强度属塑料中较差的。abs的力学性能受温度的影响较大。3） 热学性能abs属于无定形聚合物，无明显熔点；熔体粘度较高，流动性差，耐候性较差，紫外线可使变色；热变形温度为70107（85左右），其制品经退火处理后还可提高10左右。对温度，剪切速率都比较敏感；abs在-40时仍能表现出一定的韧性，可在-4085的温度范围内长期使用。4） 电学性能abs的电绝缘性较好，并且几乎不受温度、湿度和频率的影响，可在大多数环境下使用。5） 环境性能abs不受水、无机盐、碱醇类和烃类溶剂及多种酸的影响，但可溶于酮类、醛类及氯代烃，受冰乙酸、植物油等侵蚀会产生应力开裂。abs树脂是五大合成树脂之一，其抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能优良，还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点，容易涂装、着色，还可以进行表面喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工，广泛应用于机械、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑等工业领域，是一种用途极广的热塑性工程塑料。abs树脂广泛应用于汽车工业，电器仪表工业和机械工业中，常作齿轮,汽车配件，挡泥板，扶手，冰箱内衬，叶片，轴承，把手，管道，接头，仪表壳，仪表板，盆安全帽，等；在家用电器和家用电子设备的应用前景更广阔，如电视机，收录机，冰箱，冷柜，洗衣机，空调机，吸尘器和各种小家点器材：日用品有鞋，包，各种旅游箱，办公设备，玩具及各种容器等，低发泡的abs能代替木材，适合作建材，家具和家庭用品。abs的主要技术指标如表1-1所示。表1-1 abs的主要技术指标收缩率0.30.8吸水率0.10%比体积0.93v/dm3kg密度1.031.07g/cm3拉伸强度4558mpa抗弯强度87mpa1.3 的注射成型过程及工艺参数1.3.1 注射成型过程。注射成型过程一般分为成型前的准备、注射过程和塑件的后处理三个阶段。1） 成型前的准备。对abs的色泽、粒度和均匀度等进行检验，微量水份在高温下加工会使制品产生白浊色泽，银丝和气泡，成型之前必须预干燥，水分含量应低于0.02%。2） 注射过程。塑件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，其过程可分为冲模、压实、保压、倒流和冷却五个阶段。3） 塑件的后处理。对塑件进行烘箱处理，处理条件为110120。处理时间在八小时以下，随空气逐渐冷却。1.3.2 注射工艺参数。abs的注射工艺参数参见表1-2。表1-2 abs的注射工艺参数注射机类型螺杆式螺杆转数2040r/min，取30r/min料筒温度（）后段150170中段165180前段180220喷嘴温度（）170180模具温度（）5080注射压力（mpa）6001000注射时间（s）05保压时间（s）2090冷却时间（s）20120成型时间（s）50220第二章 拟定模具的结构形式及初选注射机2.1 分型面位置的确定通过对塑件结构形式的分析，分型面应该选在盖截面积最大且利于开模取出塑件的底平面上，如图2-1所示，这种是将型腔全部设置在定模内，能保证压铸件外形的同轴度要求，同时，金属液的压射终端与分型面重合，有利于排出型腔内的气体。图2-2 分型面位置的确定2.2 确定型腔数该塑件虽然为50万件每年的大批量生产零件，但精度要求不高，又考虑到塑件尺寸、模具结构尺寸的大小关系，以及制造费用和各种成本费用等因素，初选为一模4腔结构形式。2.3 型腔的排列方式因为多型腔模具尽可能要采用平衡式排列布置，且要力求紧凑，并与交口开设的部位对称。并且由于该设计选择的是一模4腔，故采用90对角对称排列，如图2-2所示，这种x形排列方法较h形排列方法，更利于塑料液的注入和残留物的清理。图2-2 型腔的排列方式2.4 模具结构形式的确定从上面的分析可知，本模具设计为一模四腔，对角对称排列，根据塑件结构形状，推出机构拟采用脱模板推出的推出形式。浇注系统设计时，流道采用对称平衡式，浇口采用侧交口，且开设在分型面上。因此，定模部分不需要单独开设分型面取出凝料，动模部分需要添加型芯固定板、支撑板和脱模版。由上综合分析可确定选用带脱模板的单分型面注射模。2.5 注射机型号的确定2.5.1 注射量的计算通过pro/e建模分析得塑件质量属性，如图2-3所示。图2-3 塑件质量属性由图2-3可知：塑件体积： v塑=48.04mm3塑件质量：m塑=v塑=48.041.05=50.44g式中，取1.05g/cm3。2.5.2 浇注系统凝料体积的估算根据经验公式按照塑件体积的0.21倍来估算。则选取0.25倍。故一次注入模具型腔塑料熔体的总体积为：v总=v塑1+0.254=48.041.254240.2cm32.5.3 选择注射机根据计算得出一次注入模具型腔的塑料总质量v总=240.2cm3，并结合：v公=v总0.8，则有v公300.25cm3。根据以上的计算，初步选定公称注射量为320cm3，注射机型号为xzy-300卧式注射机，其主要技术参数如表2-1所示。表2-1 xzy-300卧式注射机主要技术参数理论注射容量/cm3320螺杆柱塞直径/mm60注射压力/mpa170锁模力/kn1500移模行程/mm340最大模具厚度/mm355最小模具厚度/mm285塑化能力/(g/s)55模具定位孔直径/mm125喷嘴球半径/mm12喷嘴口直径/mm4拉杆内间距/mm450450450450合模方式液压机械电动机功率/kw172.5.4 注射机的相关参数校核1） 注射压力校核。abs的注射压力为100140mpa，这里取p0=120mpa，该注射机的公称注射压力p公=170mpa，注射压力安全系数k1=1.251.4，这里取1.4，则：p0k1=1201.4=168mpap公=170mpa所以，注射机压力合格。2） 锁模力校核。塑件在分型面上的投影面积a塑，则a塑=452-42.52mm2=686.875mm2浇注系统在分型面上的投影面积a浇，即流道凝料在分型面上的投影面积a浇的数值，按照多型腔模的统计分析来确定。a浇是每个塑件在分型面上的投影面积a浇的0.20.5倍。选取a浇=0.2a塑。塑件和浇注系统在分型面上总的投影面积a总，则a总=na浇+a塑=na塑+0.2a塑=41.2686.875=3297mm2模具行腔内的胀型力f胀，则f胀=a总p模=329730n=98910n=98.91kn式中，p模型腔的平均计算压力值。通常取注射压力的2040%，大致范围为2540mpa。对于粘度较大的精度较高的塑料制品应该取较大值。结合abs的特性，取p模为30mpa。由表2-1可知，本次设计所选用的注射机的公称锁模力f锁=1500kn，锁模力安全系数为k2=1.11.2，这里取k2=1.2，则f胀k2=1.298.91=118.682f锁=1500kn所以，注射机锁模力合格。对于其他安装尺寸的校核要等到模架选定，结构尺寸确定后方可进行，所以，现在不做校核。第三章 浇注系统浇注系统设计是否合理不仅对塑件性能、结构、尺寸、内外在质量等影响很大，而且还对塑件所用的塑料的利用率、成型生产效率等相关，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。它的主要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。3.1 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，它将注射机喷嘴注射出的熔体导入分流道或型腔中。主流道的形状为圆锥形，以便熔体的流动和开模时主流道凝料的顺利拔出。主流道的尺寸直接影响到熔体的流动速度和充模时间。另外，由于主流道与高温塑料熔体及注射机喷嘴反复接触，因此设计中常设计成可拆卸更换的浇口套。3.1.1 主流道尺寸1） 主流道的长度：一般由模具结构确定，对于小型模具l主应尽量小于60mm，因此，本次设计中初选50mm进行设计。2） 主流道小端直径：d=注射机喷嘴直径+0.51mm=4+1=5mm。3） 主流道大段直径：d=d+2l主tan7mm，式中=4。4） 主流道球面半径：sr=注射机喷嘴球头半径+（12）mm=（12+2）=14mm5） 球面的配合高度：h=3mm。3.1.2 主流道的凝料体积v主=l主（r主2+r主2+r主r主）3=5052+1.752+51.753.143=1926.52mm33.1.3 主流道当量半径rn=（1.75+5）2mm=3.375mm3.1.4 主流道浇口套的结构形式主流道衬套为标准件可选购。主流道小端入口处与注射机喷嘴反复接触，易磨损。对材料的要求严格，因而尽管小型注射模可以将主流道浇口套与定位圈设计成一个整体，但考虑上述因素通常仍然将其分开来设计，以便于拆装更换。同时也便于优选优质钢材进行单独加工和热处理。材料采用碳素工具钢t10a，热处理淬火后表面硬度为53hrc57hrc。如图3-1所示。定位圈的结构由总装配图来确定。图3-1 主流道浇口套的结构形式3.2 分流道的设计3.2.1 分流道的布置形式在设计时应考虑尽量减少在流道内的压力损失和尽可能避免熔体温度降低，同时还要考虑减小分流道的容积和压力平衡，因此采用平衡式分流道。图3-2 分流道的布置形式3.2.2 分流道的长度由于流道设计简单，根据两个型腔的结构设计，分流道较短，故设计时可适当选小一些。单边流道长度l分取5560mm，这里取59mm。如图3-2所示。3.2.3 分流道的当量直径因为该塑件的质量m塑=v塑=48.031.05g=50.43g10，此处视为薄壁圆筒塑件，根据公式4-263，脱模力有：f=2eslcos（f-tan）（1-）k2+0.1a带入各项数据，。5.3 校核推出机构作用在塑件上的单位压应力5.3.1 推出面积：a板=（d2-d2）4=（902-852）4=686.875mm25.3.2 推出应力：=fa=1.23024.8686.875=5.28mpa53mpa（抗压强度）合格。第六章 模架的确定根据模具行腔布局的中心距和凹模嵌件的尺寸约为160160mm，又凹模最小壁厚，导柱、导套的布置等，在结合标准模架的选型经验公式以及查表，可确定选用模架序号为8号（400400）模架结构为a4型。6.1 各模板尺寸的确定6.1.1 a板尺寸。a板是定模型腔板，塑件高55mm，又考虑在模板上还要开设冷却水道，还需要留出足够的距离，故a板取标准70mm。6.1.2 b板尺寸。b板是型芯固定板，按模架标准厚取23mm。6.1.3 c板（垫块）尺寸。垫板=推出行程+推板厚度+推板固定板厚度+25mm=42.5+15+15+25=74.577.5mm选标准块75mm。 经上述尺寸的计算，模架尺寸已经确定为模架序号为8号，板面为400400mm，模架结构形式为a4型的标准模架。其外形尺寸：宽长高400400276mm。6.2 模架各尺寸的校核根据所选注射机来校核模具设计的尺寸。6.2.1 模具平面尺寸：400400mm450450mm（拉杆间距），校核合格。6.2.2模具高度尺寸：276，200276300（模具的最大厚度和最小厚度），校核合格。6.2.3 模具的开模行程：s=h1+h2+510mm=8590mm325mm（开模行程），校核合格。第七章 排气槽的设计该塑件由于采用侧浇口进料，熔体经塑件下方的台阶充满型腔，顶部有一个12mm小型芯，其配合间隙可作为气体排出的方式。同时，地面的气体会沿着推杆的配合间隙、分型面和型芯与脱模板之间的间隙向外排出。第八章 冷却系统的设计冷却系统的计算很复杂，在此只进行简单的说明。设计时忽略模具因空气对流、辐射以及注射机接触所散发的热量，按单位时间内塑料熔体凝固时所放出的热量应等于冷却水所带走的热量。冷却介质的选用abs粘度高，熔融温度高，其成型温度及模具温度分别为：230320和5080。所以模具温度初步选定为80，用常温水对模具进行冷却。第九章 导向与定位结构的设计注射模的导向机构用于动、定模之间的开合模导向和脱模机构的运动导向。按作用分为模外定位和模内定位。模外定位是通过定位圈使模具的浇口套能与注射机喷嘴精确定位；而模内定位机构则通过导柱导套进行合模定位。锥面定位则用于动、定模之间的精密定位。本模具所成型的塑件比较简单，模具定位精度要求不是很高，因此可采用模架本身所带的定位结构。整套模具装配图及相关尺寸，见本设计书附带的塑料壳体注射模具总装配图及各部零件图。总 结该模具采用侧浇口进料，产品质量良好，模具结构合理，经试模验证，该套模具结构设计合理，可靠，可生产产品。通过对塑料壳体模具的设计，对常用塑料在成型过程中对模具的工艺要求有了更深一层的理解，掌握了塑料成型模具的结构特点及设计计算方法，对独立设计模具具有了一次新的锻炼。在完成模具设计后，我熟练地掌握了机械制图、机械设计、热处理、计算机辅助设计等专业基础课和专业课方面的知识，我对于模具特别是塑料模具的设计步骤有了一个全新的认识，丰富了各种模具的结构和动作过程方面的知识，在指导老师的协助和讲解下，同时查阅了很多相关资料并亲手拆装了一些典型的模具模型