修正带旋转大齿轮注塑模具设计

I 本科生毕业设计（论文） 中文题目： 修正带旋转大齿轮 注塑 模 具 设计 英文题目： F 院 系： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师： 完成时间： 要 修正带是类似于修正液的一种白色不透明颜料，涂在纸上以遮盖错字，可在上面重新书写，为学 习和工作提供了方便。结构包括上、下盖，压嘴，大、小齿轮等。本论文是对修正带旋转大齿轮塑件进行模具设计，在设计过程中用 软件进行分析。通过这次模具设计，了解了塑件的设计过程及一些参数的校核，对注塑模具有了更深的认识。 关键词： 修正带 旋转大齿轮 注塑模具设计 is to a to in is in of of a of 录 1 引言 1 料工业的发展 1 具在加工工业中的地位 1 料齿轮产业在齿轮行业的发展趋势 1 课题主要研究内容 2 2 塑件分析 3 料品种的确定 3 型的主要技术指标 3 射成型工艺特性 4 件图的测绘 5 件的体积和质量 6 件的结构和工艺性分析 6 3 注射机的选择及校核 7 型腔数的确定 7 射量的计算 7 模力的计算 7 射机技术参数确定 7 腔数目的确定及校核 8 型面的选择 8 塑机的参数校核 9 模行程的校核 9 4 流分析 11 件有限元模型的建立 11 佳浇口位置分析 12 件材料牌号的确定 13 注方案的设计 13 注方案一的设计 13 注方案二的设计 14 注方案三的设计 14 注方案的 变分析对比 15 填分析结果比较 15 压分析结果比较 18 5 浇注系统与排气系统的设计 20 流道的设计 20 流道的设计 21 口的设计 22 料穴的设计 22 6 成型零部件设计 23 模仁（凹模）的结构设计 23 模仁（凸模）的结构设计 23 筒的结构设计 25 型零件的工作尺寸计算 25 模仁尺寸的计算 26 模仁的尺寸计算 27 中 心距尺寸计算 28 7 模架的选择 29 具厚度的校核 31 8 合模导向机构设计 32 导向机构的作用 32 向机构的作用 32 位机构的作用 32 柱 32 套 33 9 推出机构设计 34 出机构的作用和种类 34 出机构的设计原则 34 模力的计算 34 出机构的导 向 35 出机构的复位 35 10 冷却和排气 系统 36 却系统 36 曲分析 36 却水道的结构设计 36 却分析 37 气系统的设计 39 11 模具工作原理 40 具装配图 40 具工作原理 41 12 设计总结 42 13 经济分析 43 致 谢 44 参 考 文 献 错误 !未定义书签。 1 1 引言 料工业的发展 塑料制件在工业中的应用日趋普遍，这是由于它们具有一系列特殊的有点所决定的。塑料密度小、质量轻，大多数塑料密度在 之间，相当于钢材密度的 铝材密度的 右，即在同样的体积下，塑件要比金属制件轻得多，这就是 “以塑代钢 ”的优点。塑料的比强度高，钢的拉伸比强度约为 160 而玻璃纤维增强的塑料拉伸比强度可高达170 400 料的绝缘性能好，介电损耗低，是电子工业不可缺少的原材料；塑料的化学稳定性高，对酸、碱和许多化学药品都有良好的耐腐蚀能力；塑料减摩、耐磨及减振、隔音性能也较好。因此，塑料已从代替部分金属、木材、皮革及无机材料发展成为各个部门不可缺少的一种化学材料，并跻身于金属、纤维材料和硅酸盐三大传统材料之列。 具在加工工业中的地位 模具是利用其特定形状去成型具有一定的形状和尺寸制品的工具。在各种材料加工工业中广泛的使用着各种模具。近年来，模具增长十分迅速，高效率、自动化、大型、微型、精密、高寿命的模具在整个模具产量中所占的比重越来越大。模具工业是国民经济的基础工业，被称为 “工业之母 ”。模具是一种高附加值和技术密集型产品，其生产技术水平的高低，己成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志。 料齿轮产业在齿轮行业的发展趋势 齿轮模具的应用范围大致有塑料齿轮用模具、粉末冶金齿轮用模具和精 锻锥齿轮用模具三大方面。其中塑料齿轮用模具的需求量最大。当前，我国齿轮模具发展还处于初级阶段，大多数是中小模数的塑料齿轮使用模具进行加工。随着塑料齿轮在齿轮行业的应用会越来越多，其将成为一个世界性的趋势。 与同等尺寸的塑料齿轮相比，金属齿轮运行良好，温度和湿度变化时的尺寸稳定性好。但是与金属材料相比，塑料在成本、设计、加工和性能上具有很多优势。 与金属成型相比，塑料成型的固有的设计自由度保证了更高效的齿轮制造。可以用塑料成型内齿轮、齿轮组、蜗轮等产品，而这很难以一个合理的价格使用金属材料来成型。塑料齿 轮应用领域比金属齿轮宽，因此它们推动了齿轮朝着承受更高负荷、传送更大动力的方向发展。塑料齿轮同时也是一种满足低静音运行要求的重要材料，这就要求有高精度、新型齿形和润滑性或柔韧性优异的材料出现。 塑料制造的齿轮一般不需要二次加工，所以相对于冲压件和机造件金属齿轮，在成本上保证了 50%到 90%水平的降低。塑料齿轮比金属齿轮轻、惰性好，可用在金属齿轮易腐蚀、退化的环境中，例如水表和化学设备的控制。 和金属齿轮相比，塑料齿轮可以偏转变形来吸收冲击载荷的作用，能较好的分散轴偏斜和错齿造成的局部负荷变化。许 多塑料固有的润滑特征使得它们成了打印机、玩具和其它低负荷运转机构的理想齿轮材料。 2 课题主要研究内容 （ 1）利用 塑模具分析软件，针对齿轮塑料模具进行填充、保压、冷却、变形等流动方案分析，并进行工艺参数、浇口位置、冷却系统等方面的设计； （ 2）研究分析结果，综合分析其合理性； （ 3）对产品成型方案进行工艺参数、浇口位置、冷却系统等的优化并加以比较，确定最佳成型方案； （ 4）利用 制零件模具图。 3 2 塑件分析 料品种的确定 修正带属于文具一类，内置的齿轮应达到以下的要求：体积小，质量轻，便于人们的携带；适用于长时间反复承受外力，有优良的减磨、自润滑、耐磨性能，能耐扭变；生产成本低，废料可再次利用。 查阅可知，聚甲醛（ 有如下性能： 聚甲醛是一种表面光滑、有光泽的硬而致密的材料，呈淡黄或白色，薄壁部分呈半透明。有较高的机械强度及抗拉、抗压性能和突出的耐疲劳强度，特别适合于作长时间反复承受外力的齿轮材料。聚甲醛尺寸稳定、吸水率小，具有优良的 减磨、耐磨性能。能耐扭变，有突出的回弹能力，可用于制造塑料弹簧制品。常温下一般不溶 于有机溶剂，能耐醛、酯、醚、烃及弱酸、弱碱，但不耐强酸。耐汽油及润滑油性能也很好。有较好的电气绝缘性能。其性能不亚于尼龙，而价格却比尼龙低廉。 表 学性能表 屈服强度 /9 抗拉强度 /0 断裂伸长率 /% 55 拉伸弹性模量 /弯强度 /04 弯曲弹性模量 /击韧度 /kJ/缺口 202 缺口 15 抗压强度 /9 抗剪强度 /5 布氏硬度 /选用 料 作为原材料。 型的主要技术指标 注射成型机类型：螺杆式 螺杆转速： 2040r/算收缩率： 预热和干燥：温度 80100 ，时间 35 h 料筒温度：后段温度 160170 中段温度 170180 前段温度 180190 4 模具温度： 90120 注射压力： 80130嘴温度： 170180 成型时间：注射时间 25s 保压时间 2090s 冷却时间 2060s 总周期 50160s 后处理：方法 红外线灯、鼓风烘箱 温度： 140145 时间： 4h 射成型工艺特性 品大多采用注射成型法生产。在注射成型及成型准备过程中应注意下列事项： (1)预干燥 采用铝箔防潮袋包装的 原则上可以直接用于注射成型，但对外观要求高的制品，最好经干燥后再进行成型。而对开封并放置一定时间的 ，因有一定量的吸湿，则必须经干燥后再用于成型，否则会在注射成型中产生较多的模垢，或者因产生银纹而使制品的外 观不良。通常对 行注射成型时，为了达到较好的制品外观和减少成型时的模垢，要求其原料的含水率不超过 较高的干燥温度虽能使树脂含水率降至 下所需的时间大为缩短，但因过高的温度易使 品表面氧化变黄，所以最好采用较温和的干燥条件。 最佳干燥温度为 8090 ，干燥时间为 34h。 (2)料筒温度 设定适当的料筒温度主要是为了保证 注射成型过程中既有良好的流动性又不产生明显的热分解，以便在适当的注塑压力下顺利地充满型腔并获得具有良好外观及良好性能的制品。由于 流动 性对温度的依赖性较低而对剪切速率较为敏感，因此，特别是当成型薄壁制品时仅靠提高 温度来改善其流动性的效果是有限的，且温度过高会引起别是均聚 分解，致使制品性能下降，此时一般应考虑采用熔体流动速率较高的 级。同样，对 说，如果料筒温度设定过低，其球晶来不及充分熔融也会影响其制品的性能。值得注意的是，注射成型中 实际温度往往要比料筒的设定温度高1020 。 (3)注塑压力 注塑压力可分为充填压力和保压压力两个部分，充填压力一般要比保压压力大。对 树脂而言，因其在冷却固化时往往会产生较大的体积收缩，所以必须有足够的保压压力才能使其得到补充。因此在 注射成型中，适当地增加保压压力可减少并消除 保压压力过大也会使 (4)注射速率 当成型薄壁或者采用多型腔成型对尺寸精度要求较高的 品时，应采用较快的注 5 射速率，反之，成型壁厚较大的制品时以采用较慢的注射速率为宜。 (5)模具温度 适当的模具温度是获得具有良好性能的 品的重要条件之一。一般情况下，可将模具温度设定在 6080 。如果模具温度过低，往往会在制品中留下较大的残留应力，致使制品使用过程中发生龟裂、变形，或者在较高的使用温度下发生后收缩等制品缺陷。但如果要求制品在较高的环境温度下使用，或者要求制品有较好的表面光泽时 左右。 件图的测绘 根据市场所有的修正带旋转大齿轮，用游标卡尺测绘并用 成制品三维图 图 件视图 图 件二维图 6 件的体积和质量 由 能表所示材料的性能特点，知 密度为 ，这里 由 件可以算出零件的体积和质量，如图 示。 图 件体积和质量图 则可知塑件的体积为： 1077.1 塑件质量为： 件的投影面积为： 件的结构和工艺性分析 （ 1）几何形状： 最大尺寸为长 高为 均壁厚 （ 2）尺寸精度： 影响模具精度的因素有：模具制造的精度，塑料收缩率的波动，模具磨损，模制时工艺条件。塑件的尺寸精度主要决定于塑料收缩率的波动。根据塑件精度等级的选用 ,查得 料的一般尺 寸精度为 精度。 （ 3）脱模斜度： 在塑件的内外表面，沿脱模方向应设计足够的脱模斜度。 表 2不同材质常用的脱模斜度： 表 用塑料的脱模斜度 塑料名称 脱模斜度 塑料名称 脱模斜度 型芯 型腔 型芯 型腔 聚乙烯 聚丙烯、软聚氯乙烯 硬聚氯乙烯、聚砜 2045 2550 50145 2545 301 502 龙 聚碳酸酯 301 2040 3050 35130 2545 351 聚苯乙烯 01 351 35130 40120 氯化聚醚 聚甲醛 2045 301 2545 35130 本设计材料为 上表可以查出，选择 脱模斜度为 1。 7 3 注射机的选择及校核 型腔数的确定 型腔数目的确定因素主要根据经济性、锁模力、塑件精度、以及注射量四个因素来确定。模具有单型腔模具与多型腔模具之分，其中，单型腔模具的结构简单，制造的成本低，周期短，工艺参数易于控制，塑件精度高，但是生产效率低、造成塑件的成本高；而多型腔模具则提高了塑件的生产率，降低了成本，但是另一方面造成了模具的结构复杂，制造成本与周期长，工艺参数难于控制，塑件的精度低等。所以根据要求合理的选择型腔的数量对降低生产的成本是很重要的。 在运用 步计算出塑件的质量与体积后可知，该塑件的体积很小，设计要求厚度均匀，变形较小，且产品为文具用品，价格低，故从经济成本方面考虑，确定采用一模两腔的模式。 射量的计算 由图 塑件体积为 量为 是流道凝料的体积还是一个未知数，可按塑件体积的 来估算。因为上述分析拟定采用一模 两腔的布局模式，故塑件成型所需注射量为 V =（ ） 合生产实际，注射机的最大注射量是其额定注射量的 80%，所以注射机的额定注射量为： 额V V /3.5 模力的计算 模具设计时应使注射机的额定锁模力大于胀模力，即 F （式 式中： F注射机额定锁模力（ N）； P塑料熔体在型腔内的平均压力 (； A塑件和浇注系统在分型面上的垂直投影面积（ ）。 运用 件计算面功能自动得出 A= 574 塑件成型时所需的注射压力 P 通常为 80 130 因为所采用材料为 为中等粘度，精度高，考虑压力损失，选择 P =120 所以锁模力 F20 574=68.9 射机技术参数确定 根据以上初步地对注射量和锁模力进行计算，查阅塑料模具设计手册，可选用国产0 立式 注射机，其主要技术参数参看表 表 国产 0 立式注射机技术参数表 理论注射容量/100 锁模力 /00 螺杆直径 /5 拉杆间距 /20*320 注射压力 / 50 模板行程 /00 8 注射速度 /（ g/s） 85 最大模厚 /00 塑化能力 /（ kg/h） 40 最小模厚 /70 喷嘴球半径 /0 喷嘴伸出量 /0 定位孔直径 /25 定位孔深度 /0 顶出行程 /0 机械质量 /t 208 顶出力 /5 外型尺寸 /m 嘴口径 / 腔数目的确定及校核 本设计实例采用一模两腔的型腔布局。 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。一般根据注射机料筒塑化速率确定型腔数量 n ； p 1 （式 式中 K 注射机最大注射量的利用系数，一般取 注射机最大注塑量（ g 或 ： 1001m 浇注系统所需塑料质量或体积（ g 或 ： m 单个塑件的质量或体积（ g 或 ： 此可求出： n ( 故取 2n 满足要求 型面的选择 在注塑模具中，打开模具取出塑料制品的界面称为分型面，它是动、定模在合模状态下的接触面或瓣合式模 具的瓣合面。分型面形状和位置的选择不仅直接关系着模具结构的复杂程度和制造难度，而且直接影响着塑件的质量和生产效率，是模具设计的重要环节。 在确定分型面时应遵循以下原则： (1）应使模具结构尽量简单。如避免或减少侧向分型，采用异型分型面减少动、定模的修配以降低加工难度等 . (2）有利于塑件的顺利脱模。如开模后尽量使塑件留在动模边以利用注塑机上的顶出机构，避免侧向长距离抽芯以减小模具尺寸等 . (3）保证塑件的尺寸精度。如尽量把有尺寸精度要求的部分设在同一模块上以减小制造和装配误差等 . (4）不影响塑件的外观质 量。在分型面处不可避免地出现飞边，因此应避免在外观光滑面上设计分型面 . (5）保证型腔的顺利排气。如分型面尽可能与最后充填满的型腔表壁重合，以利于型腔排气。 9 分析零件特点后，且经过模流分析，模具浇注采用点浇口，所以决定分型面沿零件的外表面（有突出孔的朝下）。如下图所示： 图 型面 塑机的参数校核 （ 1） 最大注塑量效核 模具型腔能否充满与注塑机允许的最大注射量密切相关，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的范围内。根据生产经验，这涉及的最大注射量是其允许 的最大注射量（额定注射量）的 80%，由前面可知注射机理论注射量 额V=100 3.5 故最大注塑量符合要求。 （ 2） 注射压力的效核 所选注塑机的注塑压力必须大于成型塑件所需的注射压力。塑件成型时所需的注射压力是由塑料流动性，塑件大小形状，注射机类型，喷嘴形式以及浇注系统的压力等因素所决定。型塑件所需的注射压力一般为 80 30 所选注塑机的注射压力为 150 所以该注塑机的注塑 压力符合要求。 （ 3） 锁模力效核 高压塑料熔体充满型腔时，会产生使模具沿分形面分开的胀模力，此力的大小等于塑件和流道系统在分形面上的投影等于型腔压力的乘积，它应该小于注塑机的额定锁模力，才能使注射时不发生溢料和胀模现象。由前面计算可知锁模力 F=于额定锁模力 600 模行程的校核 注射机开模行程是有限的，塑件从模具中取出时所需的开模距离必须小于注射机的最大 10 开模行程，否则塑件无法从模具取出。为了保证开模后既能取出塑件又能取出流道内的凝料，对于双分型面注射模具，需要满足下式： 10521 （ 式 S注射机最大开模行程； (S=3001H 推出距离（脱模距离， m） 2H 包括浇注系统在内的塑件高度；（ 0 a取出浇注系统凝料必须的长度。（ 20 ） 则 7 910509)105(21 故满足要求。 11 4 流分析 件有限元模型的建立 首先在 件中，将制件模型转换成 式并导入 ，对其进行网格划分，初始划分结果和网格统计结果如下图 图 示： 图 品的初步网格划分 图 步网格统计 由图 网格统计对话框可以得到：表面三角形单元为 26914 个，节点为 13441 个，没有柱体单元，连通区域 1 个，自由边 0 个，公用边 40371 个，交叉边 0 个，配向不正确单元 0 个，相交单元 0 个，完全重叠单元 0 个，复制柱体 0 个，最小纵横比 大纵横比 12 均纵横比 配百分比 相互百分比 由以上数据可以清晰地看出，匹配百分比大于 85%，可进行流动、冷却与翘曲分析，只是初始有限元划分的问题是最大纵横比大于 6，需对网格进行修复。 对网格修复处理前先对制品网格进行网格的最大纵横比诊断，然后针对纵横比大的网格运用网格工具中的各种命令如插入节点、合并节点、重新划分网格及自动修复等对网格进行处理，降低最大纵横比。处理后的纵横比诊断如图 示，最大纵横比降低到了 合要求。 那么就可以进行流动、冷却及翘曲分析，并且可以得到比较精 确的结果。 图 复后的网格统计 佳浇口位置分析 网格处理好后，选择的材料为 后对其进行最佳浇口位置的分析，浇口的设计主要包括浇口的数目、位置、形状和尺寸的设计。浇口的系列变化都会对塑件熔体的填充产生很大影响。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、滞留。凹陷等现象的发生。所以在确定成型方案之前，对制品进行最佳浇口位置的预分析，其结果如下图 示。 13 图 佳浇口位置分析结果 件材料牌号的确定 因为该齿轮装配在修正带内部仅 作为传动部件使用，对齿轮的表面质量和精度要求不是很高，因此选择牌号为 90造商为 料推荐的工艺参数如下图： 图 90荐工艺参数 注方案的设计 注方案一的设计 根据最佳浇口位置分析结果，在浇口设置的最佳区域选定节点作为制件的浇口位置，采用两个浇口和冷流道，如下图 示： 14 图 注方案一 注方案二的设计 基于浇注方案一，浇注方案二采用 3 个浇口。同样采用冷浇道，如下图 示： 图 注方案二 注方案三的设计 基于浇注方案二，浇注方案三采用 4 个浇口。同样采用冷浇道，如下图 示： 图 注方案三 15 注方案的 变分析对比 流变分析的目的是通过对熔融体流经流道，浇口填充型腔的过程的模拟，预测和显示熔体流动前沿的推进方式、充填过程中的压力和温度变化、气穴和熔接痕的位置，并且优化模腔的布局。流变分析包括充填分析和保压分析。 填分析结果比较 虽然充填分析过程只是整个成型周期中的一小部分，但它确实非常重 要的过程，如果充填不充分，则不能进行保压和冷却过程，因此，为了保证制件质量，塑料熔融体必须确保填充充分。充填分析结果主要包括 填充时间、熔融体流动前沿温度、锁模力。 (1) 填充时间 填充时间指的是熔融体填满整个型腔所需的时间，三种方案的分析结果如下图所示。 16 图 填时间 从上图可以看出，三种都能将制件充满，方案一的充填时间为 案二的充填时间为 案三的充填时间为 种方案的填充时间都相差不大，但方案二的填充更均匀点。所以就充填时间而 言，三种方案相差不大。 （ 2）熔融体流动前沿温度 熔融体流动前沿温度指的是熔融体流动前沿到某一节点的温度。在制件比较薄的地方，如果这一温度太低，则会造成滞流、短射现象的发生。如果这一温度太高，则会使塑料聚合体发生降解，造成制件的表面缺陷。 三种方案的熔融体流动前沿温度的分析结果如下图所示： 17 图 动前沿温度 由上图可以看出，三种方案的熔融体流动前沿温度绝大部分与设置的熔体温度 相近，但温度分布差大，方案三的制品充填可能发生短射，在充填制品之前，流动前沿已经凝固。所以排除 方案三。 （ 3）锁模力 锁模力即为在进行注塑时闭合模具所需要的力。锁模力会随着型腔的充填而逐渐变化，要降低锁模力的最大值，最重要的是设法降低充填所需压力。两种方案的锁模力分析结果如下图所示： 18 图 模力（浇口方案一） 图 模力（浇口方案二） 由上图可以看出，方案一完成成型所需的最大锁