机械设计论文--计算机按键注塑模设计.doc

2011届学生毕业论文（设计） 存档编号： 毕业论文（设计）论 文 题 目： 计算机按键注塑模设计 【英 文】：Design of injection mould computer key 系 部：机电与建筑工程学部 专 业 模具设计与制造 姓 名： 孟天野 学 号： 201203081111 指 导 老 师： 李继高 2015 年 04 月 28 日 绪 论作为模具设计与制造专业的学生，能进行简单模具设计是我们应该掌握的一 项基本技能。毕业在即，为了加强我们对已过三年中所学知识的掌握，老师为我 们安排了毕业设计。毕业设计（论文）是经过指导老师评审的原始设计（研究） 成果，具有一定的独创性，它所探讨的问题比较专深，对所研究的问题的阐述比 较系统。老师要求我们对毕业设计严格对待，我们也是这样做的，所做的设计基 本可以满足工厂的生产要求。模具工业是制造业中的一项基础产业，是技术成果转化的基础，同时本身又 是高新技术产业的重要领域，在欧美等工业发达国家被称为“点铁成金”的“磁 力工业” 。美国工业界认为“模具工业是美国工业的基石” ；德国则认为是所有工 业中的“关键工业” ；日本模具协会也认为“模具是促进社会繁荣富裕的动力” ， 同时也是“整个工业发展的秘密” ，是“进入富裕社会的原动力” 。日本模具产业 年产值达到 13000 亿日元，远远超过日本机床总产值 9000 亿日元。如今，世界模 具工业的发展甚至已超过了新兴的电子工业。 80 年代以来，在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的支持和引导下，我国模具工业发展迅速，年均增速均为 13%，1999 年我国模具工业产值为245 亿，至 2002 年我国模具总产值为 360 亿元，其中塑料模约占 30%左右。在未 来的模具市场中，塑料模在模具总量中的比例还将逐步提高。近年来，我国的模 具工业一直以每年 13%左右的增长速度快速发展。据预测，我国模具行业在“十 五”期间的增长速度将达到 13%15%。模具钢的需求量也将以年 12%的速度递 增，全国年需求量约 70 万吨左右，而国产模具钢的品种只占现有国外模具钢品种 的 60%，每年进口模具钢约 6 万吨。我国每年进口模具约占市场总量的 20%左右， 已超过 10 亿美元，其中塑料与橡胶模具占全部进口模具的50%以上。纵观发达国家对模具工业的认识与重视，我们感受到制造理念陈旧则是我国 模具工业发展滞后的直接原因。模具技术水平的高低，决定着产品的质量、效益 和新产品开发能力，它已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志。因此， 模具是国家重点鼓励与支持发展的技术和产品，现代模具是多学科知识集聚的高 新技术产业的一部分，是国民经济的装备产业，其技术、资金与劳动相对密集。目前，我国模具工业的当务之急是加快技术进步，调整产品结构，增加高档模具 的比重，质中求效益，提高模具的国产化程度，减少对进口模具的依赖。现代模具技术的发展，在很大程度上依赖于模具标准化、优质模具材料的研 究、先进的设计与制造技术、专用的机床设备，更重要的是生产技术的管理等。21 世纪模具行业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化。追求的目 标是提高产品的质量及生产效率，缩短设计及制造周期，降低生产成本，最大限 度地提高模具行业的应变能力，满足用户需要。可见，未来我国模具工业和技术的主要发展方向将是：大力普及、广泛应用 CAD/CAE/CAM 技术，逐步走向集成化。现代模具 设计制造不仅应强调信息的集成，更应该强调技术、人和管理的集成。 提高大型、精密、复杂与长寿命模具的设计与制造技术，逐步减少模具 的进口量，增加模具的出口量。 在塑料注射成型模具中，积极应用热流道，推广气辅或水辅注射成型， 以及高压注射成型技术，满足产品的成型需要。提高模具标准化水平和模具标准件的使用率。模具标准件是模具基础， 其大量应用可缩短模具设计制造周期，同时也显著提高模具的制造精度和使用性 能，大大地提高模具质量。我国模具商品化、标准化率均低于 30%，而先进国家 均高于 70%，每年我们要从国外进口相当数量的模具标准件，其费用约占年模具 进口额的 3%8%。发展快速制造成型和快速制造模具，即快速成型制造技术，迅速制造出 产品的原型与模具，降低成本推向市场。 积极研究与开发模具的抛光技术、设备与材料，满足特殊产品的需要。 推广应用高速铣削、超精度加工和复杂加工技术与工艺，满足模具制造 的需要。 开发优质模具材料和先进的表面处理技术，提高模具的可靠性。 研究和应用模具的高速测量技术、逆向工程与并行工程，最大限度地提 高模具的开发效率与成功率。开发新的成型工艺与模具，以满足未来的多学科多功能综合产品开发设 计技术。在科技发展中，人是第一因素，作为模具专业的学生，深感责任的重大。在 小的方面讲，模具设计与制造的水平的高低可换来个人的荣誉和财富的多少；在 大的方面讲，我们的模具设计与制造水平也是一个国家模具制造水平的缩影，关 系到祖国模具工业能否繁荣。因此我们要特别认真，使自己变为有用的模具人才， 搞好技术创新，提高模具设计制造水平，实现祖国的繁荣与富强。第 1 章 模塑工艺规程的编制该塑件是计算机键盘上的一个按键，其塑件如图 11 所示。本塑件的材料采用ABS，生产类型为大批量生产。1.1 塑件的工艺性分析1)塑件的原材料分析 该塑件材料选用 ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物)。属于热塑性塑料,ABS 具有超强的易加工性能、外观特性、低蠕变性和优越的尺寸稳定性以及很高的抗 冲击强度, ABS 是一种三元共聚物,因此兼有三种组元的共同性能,是有具有坚韧、 质硬、刚性的材料,耐电能力和耐化学性能较好。ABS 具有吸湿性,在注塑成型之前 要进行干燥。 在 8090下最少干燥两个小时,且温度的波动应小于 0.1。 ABS 流动性较差,内浇口外表面外观不好,熔接痕显著,升温时制件精度较好。2) 塑件的结构分析从零件图上分析,该零件总体长度为长方形,内部有三个凹槽，中间凹槽上部有 阶梯孔。该塑件长 18mm,宽 6mm.中间凹槽上部较小,较小部分截面为长方形,截面 尺寸长 4.6mm，宽 3mm,高度为 3mm，较大部分截面形状为正方形,边长为 4.6mm， 高度为 10.5mm。另外两个凹槽呈对城分布,截面均为正方形,边长尺寸为 3mm,高度 为 13.5mm。倒角为 0.745。从零件的壁厚来看,塑件的最大壁厚为 3mm,最小壁 厚为 0.7mm,壁厚差为 2.7mm,壁厚分布不均匀,但塑件体积和质量较小,所以不会出 现成型困难。3） 塑件的尺寸精度分析 制件的精度等级；塑料制件的尺寸精度主要取决于塑料收缩率的波动和模具 制造误差，塑料件未注公差，由于该制件的原材料为 ABS，成型条件相对较严格， 精度选择可参照塑料成型工艺与模具设计表 218，选塑件精度等级为 5 级。 再由塑料成型工艺与模具设计查表 217 对应塑件尺寸公差，可得各部分尺寸 如下；18 0-0.1 、6 0 -0.1 、3 0 0.1 、13.5 + -0 0.3 32 2 、4.6 0 -.0 1.1、0.7 0 -0.16 。塑件的尺寸精度中等偏下， 根据现有条件，对应模具相关零件的尺寸加工可以保证。4) 塑件的表面质量分析塑件表面要求没有缺陷、毛刺、内部不得有导电杂质,因为塑件外表面要与人手接触,所以要求表面尽量光滑,塑件表面没有其它要求,所以比较容易成型。1.2 计算塑件的体积和质量计算塑件的体积和质量是为了选用注塑机及确定模具型腔数。 塑件的体积=整个塑件形状所包围体积塑件低部凹槽体积倒角部分所用空间 体积。 所以塑件体积 V=186153313.52-（4410.5+334）-（0.7 0.718+0.70.74）=1620-243-2041.078=1171.922 立方毫米 塑件的总体积=1171.9228=9375.376 立方毫米 塑件的总质量=塑件的总体积塑件材料的密度=9375.3761.11=10.31 克 本 塑件采用一模八腔的模具结构，考虑起外形尺寸。注塑时所需压力和工厂现有 的设备情况，初步选用注塑机为 SYS-45 型。1.3 塑件注塑工艺参数的确定查找相关文献和参考工厂实际应用的情况，ABS 的成型工艺参数可做如下选 择： （试模时，可根据实际情况作适当调整）注塑温度：包括料桶温度和喷嘴温度。 料桶温度：后段温度选用 160 中段温度选用 170 前段温度选用 200 喷嘴温度：选用 170 注塑压力：选用 80mp 模具温度：选用 70 收缩率 ： （0.30.8） 注塑时间：30s 保 压：选用 60mp 保压时间：5s 冷却时间：30s 预 热： （23）小时1.4 注射机的选用塑件成形所需的注射总量应该小于所选注射机的注射量。注射容量以容积 （cm3）表示时，塑件体积（包括浇注系统）应小于注射机的注射容量，其关系按 “模具设计与制造简明手册”中式 2-54 校核：第 2 章 注塑模的结构设计注塑模结构设计主要包括：分型面选择、模具型腔数目的确定、型腔的排列 方式、冷却水道布局、浇口位置设置、模具工作零件的结构设计、推出机构的设 计等内容。2.1 分型面的设计 模具设计中，分型面的选择很关键，它决定的模具的结构。选择分型面时， 应该根据分型面选择原则和塑件的成型要求来选择分型面。 选择分型面的原则是：塑件脱出方便、模具结构简单、型腔排气顺利、确保 塑件质量、无损塑件外观、设备利用合理。 该塑件为计算机按键，表面没有特殊要求，但外表面常与人手接触，故要求 外表面光滑无毛刺，所以不能把分型面设在外表面。为了有利于排气，塑料溶体 的末端应在分型面上。塑件结构比较简单，不必采用侧抽芯，但是塑件内有凹槽，分型面应该取在塑件的最大表面处。为了降低模具的复杂程度和加工难度。故选 用图 2-1 所示的分型方式比较合理。 2.2 模腔数量的确定塑件的生产属大批量生产，宜采用多型腔注塑模具，其型腔个数与注塑机的 塑化能力，最大注射量以及合模力等参数有关，此外还受制件精度和生产的经济 性等因素影响，有上述参数和因素可按下列方法确定模腔数量；（1） 按注射机的额定锁模力确定型腔数量 N1（2） 注射机注塑量确定型腔数目 N2 2.3 确定型腔的排列方式本塑件在注塑时采用一模八腔。综合考虑浇注系统，模具的复杂程度等因素 拟采取如图 2-2 所示的型腔排列方式。如此排列型腔的优点是，熔料进入型腔后 到另一端的料流长度较短，有利于塑件成型。 成型。2.4 浇注系统设计浇注系统设计包括主流道设计、分流道设计、冷料井设计、浇口设计。浇注 系统设计原则是：排气良好；流程短；防止型芯和嵌件变形；整修方便；防止塑 件翘曲变形；合理设计冷料穴或溢料槽；除满足以上各点外，浇注系统的断面积 和长度尽量取小值以减少浇注系统的塑料量，从而减少回收料。冷料井易稍大于主流道直径，但为了易于加工，降低加工难度和提高生产效 率，取冷料井直径与主流道相等，冷料井长度取值范围为 45mm，这里取 4mm。根据塑件的成型要求及型腔的排列方式，选用侧浇口较理想，因为塑件结构 比较简单，且体积较小，无成型困难等问题，所以选择从塑件低部一端处进料， 料由薄处往厚处流，而且模具结构上采用镶拼式型腔，有利于填充、排气。故采 用截面为矩形的侧浇口，查表初选尺寸为（blh） 1mm1mm2mm，试模时修正。2.5 成型零件结构设计成型零件的结构设计，是以成型符合质量要求的塑料制品为前提，但必须考 虑金属零件的加工性及模具制造成本。a 凹模的结构设计。该塑件的成型模具采用一模八腔的结构形式，考虑加工 的难易程度和材料的价值利用等因素， 模具采用镶嵌式结构， 其结构形式如图 2-3 所示。该结构能节约优质刚才使用可靠且置换方便。b 凸模的结构设计。该模具采用组合式凸模，每个型腔内有三个小凸模。凸 模主要是与凹模相结合构成模具的型腔， 在中间型芯和侧型芯的结构形式如图 2-4 所示。第 3 章 模具设计的有关计算本设计中成型零件工作尺寸计算时均采用平均尺寸、平均收缩率、平均制造 公差和平均磨损量来进行计算。 根据设计手册查表可得 ABS 的收缩率 S=0.30.8，故平均收缩率 Scp =0.55 ，考虑到模具制造的现有条件，模具制造公差取d = D / 3 。z3.1 型芯和型腔的工作尺寸计算型腔的工作尺寸计算见表 1-1型芯的工作尺寸计算见表 1-2型芯中心距尺寸可由经验公式 LM =L S 2 得出中心距尺寸为 7.8mm。3.2 型腔侧壁厚度计算第 4 章 模具加热与冷却系统的计算模具温度对塑件质量和生产效率有很大影响，适宜的温度可以改善塑件 的成型性、成型收缩率、力学性能和外观质量、缩短冷却时间等因素。该塑件材料为 ABS，模具温度要求为 4060，塑件注塑成型时不要求很高的模温，所 以为了简化模具结构，本设计不设置加热系统。根据体积流量 V 查表可知设计中需要的冷却水管非常小，因为模具每分钟所 需要的冷却水非常小，故可不设冷却系统，依靠空冷方式冷却模具即可。第 5 章 导向与定位机构计算导柱导向机构用于动定模具之间的开合模导向和脱模机构的运动导向，任何 一副模具在动定模具之间都设有导向机构，导向机构有定位作用、导向作用、承 载作用、保持运动平稳作用。5.1 导柱设计导柱导向通常由导柱与导套的间隙配合组成，该模具导柱安装在动模一侧， 因为主型芯在动模一侧，导柱与主型芯安装在同一侧，在合模时可起保护作用。 此设计采用无肩带头导柱，在工作部分设有储油槽。这样可以储存润滑油延长润 滑时间。导柱的直径尺寸随模具分型面处模板外形尺寸而定，导柱的尺寸应能保 保证位于动、定模两侧的型腔和型芯开始闭合前导柱已经进入导孔的长度不小于 导柱直径。初选导柱直径为 12mm。该设计选用直通形（A 型）如图 5-1 所示5.2 导套的设计导向孔可以带有导套，也可以不带导套，带导套的导向孔用于生产批量大或 导向精度高的模具。无论带导套或不带导套的导向孔，都不应设计为盲孔，盲孔 会增加模具闭合时的阻力，并使模具不能紧密闭合。经分析，由于该制件的制造 精度要求不高，为了简化模具结构和缩短生产周期，可以不必设计导套，只设计 一个和导柱匹配的导向孔即可。第 6 章 脱模机构设计脱模机构的运动要准确、可靠、灵活、无卡死现象，机构本身要有足够的强 度和刚度，足以克服脱模力。该塑件结构简单，采用一次脱模即可，选用推件板 脱模机构，推件板脱模结构的优点是顶出力均匀、力量大、运动平稳、塑件不容 易变形、表面无顶痕、结构简单且不需要设置复位机构。该脱模机构包括推板、 推杆、推板固定板。6.1 脱模力计算6.2 推件板厚度计算计算结果：H=1.25cm 为了确保脱模结构的可靠性取推件板厚度为 20mm。第 7 章 模具闭合高度的确定在支撑与固定零件的设计中，根据经验确定定模座板：H 1 =37mm；定模 H2 =25mm；推板 H 3 =15mm；型芯固定板 H 4 =25mm；支撑板 H 5 =25mm。根据推出行程和推出机构的尺寸确定模脚 H6 =40mm。根据推出行程和推出结构尺寸计算模具的闭合高度：H = H1 + H 2+ H 3 + H 4 + H 5 + H 6 = 37+25+20+25+25+40 = 170mm如图 7-1第 8 章 注塑机有关参数的校核与模架选取8-1 注塑机校核本模具的外形尺寸为 160mm160mm170mm。SYS-45 型注塑机模板的最大安 装尺寸 350mm265mm，所以能满足模具的安装要求。 由上述计算模具的闭合高度 H=170mm，SYS-45 型注塑机所容许的最小模具厚 度 Hmin =70mm，最大厚度 H max =180mm，模具满足安装条件。此外，由于该模具中不设置侧抽芯机构，所以不要求过大的开模距离，该注塑机 的开模行程又比较大，经经验，SYS-45 型螺杆式注塑机能满足使用要求，故可以使用。8-2 模架选取根据型腔板的外型尺寸和型芯固定板的厚度，参照“中国模具设计大典”模架选标准件。第 9 章 模具的安装与试模(1) 清理模板平面定位孔及模具安装面上的污物，毛刺。 (2) 因本模具的外型尺寸不大，故采用整体安装法。先在机器下面两根导轨 上垫好木板，模具从侧面进入机架间，定模入定位孔，并放正，慢速闭合模板， 压紧模具，然后用压板或螺钉压紧定模，并初步固定动模，然后慢速开闭模具， 找正动模，应保证开闭模具时平衡，灵活，无卡住现象，然后固定动模。 (3) 调节锁模机构，保证有足够的开模距及锁模力，使模具闭合适当。 (4) 慢速开启模板直至模板停止后退为止，调节顶出装置，保证顶出距离。 开闭模具观察顶出机构运动情况，动作是否平衡，灵活，协调。 (5) 模具装好后，等料筒及喷嘴温度上升到距预定温度 20-30，即可校正 喷嘴与浇口套的相对位置及弧面接触情况，可用一纸片放在喷嘴与浇口套之间，观察两者接触印痕，检查吻合情况，须使松紧合适，校正后拧紧注射座定位螺钉， 紧固定位。 (6) 开空车运转，观察模具各部分运行是否正常，然后才可注射试模。9.2 模具的工作原理模具安装在注塑机上，定模部分固定在注塑机的定模板上，动模固定在注塑 机的动模板上。合模后，注塑机通过喷嘴将熔料经流道注入型腔，经保压、冷却 后塑件成型。开模时动模部分随动模板一起运动渐渐将分型面打开，型芯随动模 一起运动，塑件依附在型芯上。型芯随型芯固定板 17 运动一定距离后停止运动， 此时推板 19 在顶杆 9 驱动下向前运动使塑件渐渐脱离型芯。使轴 20 带动芯棒 18向外移动，实现抽芯。合模时，随着分型面的逐渐闭合推件板恢复原位。9.3 试模通过试模塑件上常会出现各种弊病，为此必须进行原因分析，排除故障。造 成次废品的原因很多，有时是单一的，但经常是多个方面综合的原因。需按成型 条件，成型设备，模具结构及制造精度，塑件结构及形状等因素逐个分析找出其 中主要矛盾，然后再采取调节成型条件，修整模具等方法加以解决。首先，在初 次试模中我们最常遇到的问题是根本得不到完整的样件。常因塑件被粘附于模腔内，或型芯上，甚至因流道粘着制品被损坏。这是试模首先应当解决的问题。1) 粘着模腔制品粘着在模腔上，是指塑件在模具开启后，与设计意图相反，离开型芯一 侧，滞留于模腔内，致使脱模机构失效，制品无法取出的一种反常现象。其主要 原因是： (1) 注射压力过高，或者注射保压压力过高。 (2) 注射保压和注射高压时间过长，造成过量充模。 (3) 冷却时间过短，物料未能固化。 (4) 模芯温度高于模腔温度，造成反向收缩。 (5) 型腔内壁残留凹槽，或分型面边缘受过损伤性冲击，增加了脱模阻力。2) 粘着模芯(1) 注射压力和保压压力过高或时间过长而造成过量充模，尤其成型芯上有 加强筋槽的制品，情况更为明显。 (2) 冷却时间过长，制件在模芯上收缩量过大。(3) 模腔温度过高，使制件在设定温度内不能充分固化。 (4) 机筒与喷嘴温度过高，不利于在设定时间内完成固化。 (5) 可能存在不利于脱模方向的凹槽或抛光痕迹需要改进。3) 粘着主流道(1) 闭模时间太短，使主流道物料来不及充分收缩。 (2) 料道径向尺寸相对制品壁厚过大，冷却时间内无法完成料道物料的固化。 (3) 主流道衬套区域温度过高，无冷却控制，不允许物料充分收缩。 (4) 主流道衬套内孔尺寸不当，未达到比喷嘴孔大0.51 。 (5) 主流道拉料杆不能正常工作。 一旦发生上述情况，首先要设法将制品取出模腔（芯），不惜破坏制件，保 护模具成型部位不受损伤。仔细查找不合理粘模发生的原因，一方面要对注射工 艺进行合理调整；另一方面要对模具成型部位进行现场修正，直到认为达到要求，方可进行二次注射。4) 成型缺陷当注射成型得到了近乎完整的制件时，制件本身必然存在各种各样的缺陷， 这种缺陷的形成原因是错综复杂的，一般很难一目了然，要综合分析，找出其主 要原因来着手修正，逐个排出，逐步改进，方可得到理想的样件。下面就对度模 中常见的成型制品主要缺陷及其改进的措施进行分析。(1) 注射填充不足所谓填充不足是指在足够大的压力、足够多的料量条件下注射不满型腔而得 不到完整的制件。这种现象极为常见。其主要原因有：a. 熔料流动阻力过大 这主要有下列原因：主流道或分流道尺寸不合理。流道截面形状、尺寸不利 于熔料流动。尽量采用整圆形、梯形等相似的形状，避免采用半圆形、球缺形料 道。熔料前锋冷凝所致。塑料流动性能不佳。制品壁厚过薄。 b. 型腔排气不良 这是极易被忽视的现象，但以是一个十分重要的问题。模具加工精度超高， 排气显得越为重要。尤其在模腔的转角处、深凹处等，必须合理地安排顶杆、镶 块，利用缝隙充分排气，否则不仅充模困难，而且易产生烧焦现象。 c. 锁模力不足 因注射时动模稍后退，制品产生飞边，壁厚加大，使制件料量增加而引起的 缺料。应调大锁模力，保证正常制件料量。(2) 溢边（毛刺、飞边、批锋） 与第一项相反，物料不仅充满型腔，而且出现毛刺，尤其是在分型面处毛刺 更大，甚至在型腔镶块缝隙处也有毛刺存在，其主要原因有： a. 注射过量 b. 锁模力不足 c. 流动性过好 d. 模具局部配合不佳 e. 模板翘曲变形 (3) 制件尺寸不准确 初次试模时，经常出现制件尺寸与设计要求尺寸相差较大。这时不要轻易修 改型腔，应行从注射工艺上找原因。第 10 章 注塑模主要零件加工工艺规程的编制在此只对型芯 2 和推件板的加工工艺进行分析。 型芯 2 和推件板的加工工艺过程见表 101 型芯加工工艺过程卡和 102 推件板 加工工艺卡。 小 结注塑成型技术是材料加工技术中不可缺少的重要加工手段之一，目前在国内 正处于蓬勃发展时期，具有广泛的发展前景。注塑模具又是注塑成型中必备的设 备，在大学三年学习即将结束之际，能够按照老师的指导并综合运用三年来的所 学所知设计一套注塑模具,既是对三年来所学知识的总结，又是为日后的独立工作 创造一个良好的开始。 在毕业设计过程中各位老师特别是李继高老师一直扮演着导向者的角色，从接到 设计题目那一刻起就给我指明了方向，让我明白了设计要求、设计流程、设计中 可能遇到的问题以及解决方法等。在设计过程中对我的请教细心的讲解，并不厌 其烦的纠正我设计中的错误，详细检查设计中的细节及重点，对设计方案提出了 宝贵的修正意见，一步步完善了我的设计。在此对各位老师表示衷心的感谢！ 此外，我在设计过程中参考了一些同学的设计实例，并向他们请教，得到他们的大力帮助，为我提供了许多有关设计的资料。每当我遇到困难时，总是向我伸出帮助之手，和我一起攻克难关，在此一并表示 深深的谢意！由于能力有限，所以在设计过程中难免有错误之处，敬请各位老师指正。