毕业设计（论文）-固定架注塑模具的计算机辅助设计.pdf

目录 1 绪论绪论.1 1.1 引言.1 1.2 我国塑料模具工业的现状与发展.1 1.3 注塑模具的分类和结构组成.3 1.4 Pro/ENGINEER 软件在模具设计与制造中的应用4 1.5 EMX4.1 专家模架系统的介绍5 1.6 毕业设计任务.6 2 塑件的工艺性设计塑件的工艺性设计.6 2.1 塑件的材料及选用7 2.1.1 塑件的工艺性分析及材料的选择7 2.1.2 聚丙烯（PP）材料的介绍7 2.1.3 聚丙烯（PP）材料的成型特性8 2.1.4 聚丙烯（PP）材料的成型工艺参数8 2.2 塑件的尺寸与公差9 2.2.1 塑件的尺寸9 2.2.2 塑件的尺寸公差标准9 2.2.3 塑件的尺寸公差等级10 2.3 塑件的表面粗糙度10 2.4 塑件的结构设计10 2.4.1 塑件的壁厚设计10 2.4.2 塑件的脱模斜度设计11 2.4.3 塑件的圆角设计11 2.5 固定架的三维建模12 2.5.1 三维建模的思路12 2.5.2 三维建模的方法12 2.5.3 三维建模的注意事项14 固定架注塑模具的计算机辅助设计 3 注射机的选择注射机的选择.15 3.1 注射机的组成及分类.15 3.1.1 注射机的组成15 3.1.2 注射机的分类15 3.2 热塑性塑料注射成型工艺.16 3.3 注射机型号的选择.17 3.3.1 塑件质量的估算17 3.3.2 注射机型号的选择及技术参数17 4 固定架的模具设计固定架的模具设计.18 4.1 注射模具分型面的设计.18 4.1.1 分型面的选取原则18 4.1.2 分型面的形状确定19 4.2 注射模具浇注系统的设计.20 4.2.1 浇注系统的组成与作用20 4.2.2 浇注系统的设计原则20 4.2.3 主流道的设计21 4.2.4 分流道的设计21 4.2.5 浇口的设计及定位22 4.2.6 排气系统的设计及定位23 4.3 注射模具成型零件的计算.23 4.3.1 型芯、型腔材料的选择23 4.3.3 凸模径向尺寸计算.24 4.3.3 型腔壁厚和底板厚度计算.24 4.4 脱模机构的设计.25 4.4.1 脱模机构的构成25 4.4.2 脱模机构的设计原则25 4.4.3 脱模力的计算25 4.4.4 顶杆尺寸和固定形式的确定26 4.4.5 冷料井和拉料杆的设计27 4.4.6 顶杆的位置分布28 固定架注塑模具的计算机辅助设计 4.5 冷却系统的设计29 5Pro/EPro/E 环境下的模具造型设计环境下的模具造型设计. 30 5.1 模具设计的基本步骤30 5.2 加载参照模型31 5.3 设置收缩率32 5.4 创建工件32 5.5 创建分型面33 5.6 分割体积块34 5.7 创建浇注系统36 5.7.1 主流道的创建36 5.7.2 分流道及浇口的创建36 5.8 模具软件抽取37 5.9 铸模37 5.10 工件仿真开模37 6 固定架模架的设计固定架模架的设计.38 6.1 EMX 的功能与作用38 6.2 EMX 的项目准备39 6.3 标准模架的加载.39 6.3.1 标准模架的选用39 6.3.2 成型零件的载入40 6.4 注射机型号的校核.42 6.4.1 注射机注射量的校核42 6.4.2 注射机锁模力的校核43 6.4.3 模具厚度的校核43 6.4.4 开模行程的校核43 6.5 模架中元件的装配.44 6.5.1 夹持螺钉的布置44 6.5.2 定位环的设置.44 6.5.3 浇口衬套的设置.45 6.5.4 限位钉的布置.45 固定架注塑模具的计算机辅助设计 6.5.5 复位杆的布置.46 6.5.6 导柱和导套的布置.47 6.5.7 加载初步组件.47 6.6 顶杆的创建.48 6.7 螺钉的创建.50 6.8 定位销和螺纹孔的创建.51 6.9 冷却水道的创建.52 6.10 最终模架的显示.53 6.11 模具开模仿真.54 总结.55 参考文献.57 致谢.58 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 1 页 共 62 页 1 绪论 1.1 引言 很快，四年的本科大学学习就要结束了。毕业设计，是其中最后的也是最重要的一 个环节。它是对以前所学理论知识和所掌握技能的一次综合性运用和检验。通过这四年 的学习，我相信我可以完美完成这次毕业设计。 在这四年的大学课程学习和课程、 生产实习里， 我已经掌握了机械制图、 机械设计、 机械原理等专业基础课和专业课方面的知识，同时对机械制造、加工的工艺也有了一个 系统的、全面的理解，达到了设计所要求的标准。而且由于模具设计是一个实践性非常 强的设计课题，所以在之前我们也进行了一些模具相关的实习。 在毕业设计之前，我的认知中，认为它只是学校在我们毕业前的一份流程式作业。 但在毕业设计开展的时候我才发现，它在我们大学生涯中是那么的重要。它不仅仅考 量着我们以往所学的知识、所掌握的技能，还同时考量着我们对设计这一方面整体的 掌控能力。更重要的是，它还是我们步入社会开始工作的热身。 从老师给出的题目开始，我们需要查阅大量的资料、分析整个设计流程的路线和 学会熟练运用在这过程中所要用到的辅助软件等，这缺一不可。在这一过程中，我们 会发现对以往没怎么用到或不大熟练的软件，我们用得越来越好，越来越得心应手。 比如，office，pro/E 和 CAD 等。同时，我们也能发现在这过程中，我们也在慢慢地回 忆起大学四年以往学过的相关知识和灵活地去运用它们。这也将为我们即将参加的社 会工作打下良好地基础。 在这设计过程中，将会遇到一些自己短时间无法自我解决的困难，但我相信有了指导老 师的悉心指导，这次毕业设计任务也将会完美完成。由于学生知识水平有限，而且实践 经验不足，在设计中难免有不妥之处，恳请各位老师指正。 1.2 我国塑料模具工业的现状与发展 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 年我国模具总产值约为 360 亿元，其中塑料模约 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。 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 2 页 共 62 页 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.K 模具有限公司制造多腔 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 0.02mm0.05mm，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 1030 万次，淬火钢模达 501000 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/Emgineer、美国 CV 公司的 CADS5、英国 Deltacam 公 司的 DOCT5、日本 HZS 公司的 CRADE、以色列公司的 Cimatron、美国 AC-Tech 公司 的 C-Mold 及澳大利亚 Moldflow 公司的 MPA 塑模分析软件等等。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，我国自主开发的塑料模 CAD/CAM 系统有了很大发展，主要有北航华正软件工程研究所开发的 CAXA 系统、 华 中理工大学开发的注塑模 HSC5.0 系统及 CAE 软件等， 这些软件具有适应国内模具的具 体情况、能在微机上应用且价格低等特点，为进一步普及模具 CAD/CAM 技术创造了良 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 3 页 共 62 页 好条件。 近年来，国内已较广泛地采用一些新的塑料模具钢，如：P20，3Gr2Mo、PMS、SM 、SM等，对模具的质量和使用寿命有着直接的重大影响，但总体使用量仍较少。 塑料模具标准模架、标准推杆和弹簧等越来越广泛得到应用，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的商品化程度一般在 30%以下， 和 国外先进工业国家已达到 70%80%相比，仍有差距。 据有关方面预测，模具市场的总体趋势是平稳向上的，在未来的模具市场中，塑料 模具发展速度将高于其它模具，在模具行业中的比例将逐步提高。随着塑料工业的不断 发展，对塑料模具提出越来越高的要求是正常的，因此，精密、大型、复杂、长寿命塑 料模具的发展将高于总量发展速度。同时，由于近年来进口模具中，精密、大型、复杂、 长寿命模具占多数，所以，从减少进口、提高国产化率角度出发，这类高档模具在市场 上的份额也将逐步增大。建筑业的快速发展，使各种异型材挤出模具、PVC 塑料管材接 头模具成为模具市场新的经济增长点，高速公路的迅速发展，对汽车轮胎也提出了更高 要求， 因此子午线橡胶轮胎模具， 特别是活络模的发展也将高于总平均水平； 以塑代木， 以塑代金属使塑料模具在汽车、摩托车工业中的需求量巨大；家用电器行业在“十五”期 间将有较大发展，特别是电冰箱、空调器和微波炉等的零配件的塑料模需求很大；而电 子及通讯产品方面，除了彩电等音像产品外，笔记本电脑和网机顶盒将有较大发展， 这 些都是塑料模具市场的增长点1。 1.3 注塑模具的分类和结构组成 注塑模具主要分为：单分型面注塑模具（两板模）、双分型面注塑模具（三板模）、 斜导柱侧向抽芯注塑模具、带活动镶件的注塑模具、齿轮齿条侧向抽芯注塑模具、热流 道注塑模具。 注塑模具分为动模和定模两大部分，定模部分安装在注塑机的固定座板上，动模部 分安装在注塑机的移动座板上。注塑时，动、定模两大部分闭合，塑料经喷嘴进入模具 型腔。开模时，动、定模两大部分分离，然后顶出机构动作，从而推出塑件。 根据模具上各个部件所起的作用，注塑模具可分为以下几个部分： （1）成型部分 成型部分是由构成塑件形状的模具型腔组成的，它由模具的动、定模有关 的部分组成，通常是由凸模（成型塑件内部形状）、凹模（成型塑件外部形状）、型芯、 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 4 页 共 62 页 嵌件和镶块等组成。 （2）浇注系统 熔融塑料从注射机喷嘴进入型腔所流经的模具内通道称为浇注系统。 它通常由主流 道、浇口及冷料井等组成。 （3）导向机构 为了确保动、定模之间的正确导向与定位，通常在动、定模部分采用导柱、导套或 在动、定模部分设置相互吻合的内外锥面导向。 （4）侧向抽芯机构 塑件上的侧向如有凹、凸形状的孔或凸台，这就需要有侧向的凹、凸模或型芯来成 型。在塑件被推出之前，必须先拔出侧向凸模或抽出侧向抽芯，然后方能顺利脱出。 使 侧向凸模或侧向型芯移动的机构称为侧向抽芯机构。 （5）顶出机构 顶出机构是指模具分型以后将塑件顶出的装置。通常顶出机构由顶杆、复位杆、 顶 杆固定板、顶板、主流道拉料杆等组成。 （6）冷却系统 为了使熔融塑料在模具型腔内尽快固化成型，提高生产效率，一些塑料成型时对模 具进行冷却，通常是在模具上开设冷却水道，当塑料充满型腔并经一定的保压时间后， 水道通以循环冷水对模具进行冷却3。 1.4 Pro/ENGINEER 软件在模具设计与制造中的应用 Pro/ENGINEER Wildfire4.0是美国PTC公司推出的一套功能强大的三维一体化、集 成化软件,它涵盖了产品从概念设计到制造的全过程,它具有基于特征、全参数、全数据 相关的特点。作为参数化CAD、CAM领域的一面旗帜,它使产CAD、CAE、CAM这些独 立的分散系统之间实现了信息自动传递和交换。 ProE利用数据传递和转换技术实现CAD 与CAPP、CAM 的集成。其基本工作步骤如下: (1) CAD设计产品结构,为CAPP、 CAM 过程做数据准备; (2) CAPP系统读入数据, 生成零件工艺; (3)CAM系统读入工艺文件,生成数控加工程序。 ProE的全数据相关特点 使得CAM和CAD系统基于同一数据库基础上同步更新。同时,它保证产品设计、模具设 计、模具的数控加工刀具轨迹及NC加工代码数据自动更新，这样在模具设计开发过程 中进行修改就不会有任何损失,避免了由于设计修改而造成产品重新建模和NC数控编程 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 5 页 共 62 页 的工作,实现了CAD、CAE、CAM数据的全相关性设计,为并行工程的实施奠定了软件 基础4。 由于模具工业的发展趋势是向高精度、大型化、扩大应用热流道技术、进一步发展 多功能复合模具等方面发展的，所以一方面制品的使用周期缩短，另一方面花样变化频 繁，要求模具的生产周期越短越好。因此，开发快速成型模具会越来越吸引人们的关注 和重视。 所以运用 ProE 和 EMX 进行联合设计， 这样可以减少试模时间， 提高生产效率， 简化设计工作并且使设计工作快捷。 Pro/Engineer 已经成为全世界最普遍的 3D CAD/CAM 系统，广泛地应用于机械、 模 具、工业设计、汽车、航天等行业。可是称得上是全方位 3D 产品开发软件。在产品造 型中，薄壳件模具设计有 80%工作是在 Pro/E 环境下进行的，其外挂工具 EMX 中的模 具设计功能十分强大。 Pro/Engineer 是专业的 CAD/CAM 软件，它大大缩短了产品的开发周期，但是从中 国的国情出发， 其相关的模块还有待改善， 比如说增加标准模架库、 零件加工工艺库等。 当然要实现以上所述的适合我国国情的模块是可能的，我们可以通过 Pro/Engineer 软件 的二次开发平台来进行开发完成。 通过对 Pro/Engineer 软件的学习发现设计工作有以下特点： (1)能直接根据产品的三 维数据自动生成模具的型芯和型腔，提高设计的精准性；(2)利用标准模架库，可以减 少模具标准件的绘制，提高工作的效率；(3)实现了全数据三维设计，直观易懂；(4)单 一数据库特征使零件和模具的修改变得非常方便5。 1.5 EMX4.1 专家模架系统的介绍 在模具设计过程中，模具布局及非标零件的设计是一项非常繁琐的工作，所消耗 的设计时间也非常长，如何缩短模具布局及非标零件的设计周期，是模具设计需要解决 的重点问题。此时我们就需要像 EMX4.1 这样的专家模架系统来提高模具的设计效率。 对于 Pro/ENGINEER Wildfire4.0 的 Pro/MOLD 用户来讲，EMX 是一个扩展模块。 EMX 综合模具设计师的设计经验，提供了一个丰富的基于模具专业知识的模架及零件 数据库，而且包括多种不同商家的标准、非标准、及可定制零件，以满足不同用户的需 求。另外 EMX 所产生的是三维模型，透过三维，用户可以仿真开模过程、干涉检查、 顶杆自动裁剪、定制 BOM、定制冷却系统及自动产生图纸，以上所有的功能都保留了 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 6 页 共 62 页 Pro/ENGINEER Wildfire4.0 的相关性6。 1.6 毕业设计任务 零件二维工程如图 1-1 所示，首先考虑该塑件的结构，为满足批量生产的需求， 为 该塑件设计注塑模具。 基本内容： 塑件设计、工艺性分析确定所选材料、确定收缩率和分型面、成型零部件设计、 浇注系统设计、导向机构设计、顶出机构设计、以及冷却系统的设计。在设计过程中还 需要对注射设备以及模架的选用加以确定，然后形成模具的三维立体图，为最终形成二 维工程图做好准备。 图 1-1 制品二维工程图 2 塑件的工艺性设计 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 7 页 共 62 页 2.1 塑件的材料及选用 2.1.1 塑件的工艺性分析及材料的选择 由于固定架的形状较简单，但我们还是要做到严格保证方形尺寸，为了让塑件壁厚 尽量均匀，否则在注塑成型过程中因为壁厚的不均匀造成了收缩率的不一致，这样就只 能通过有效的控制模具温度来调节收缩率。由于固定架的主体作用是起固定作用，它的 内部结构就相应的给注塑带来了一定的难度，模具的制造就要具有一定的准确度。还有 便是采用整体式模具的结构要考虑到壁厚和底厚，否则在强度和刚度方面都达不到要 求。另外，考虑到各种塑料的流动性以及分流道的截面形状，在此认为选择 PP（聚丙 烯）材料是比较理想的。 2.1.2 聚丙烯（PP）材料的介绍 图 2-1 PP 常温下的状态 聚丙烯（PP）如图 2-1 在常温下为白色蜡状固体，外观与高密度聚乙烯相似，但比 高密度聚乙烯轻和透明，无臭无味无毒，密度为 0.90g0.91g/cm3，是现有塑料中最轻 的一种。 聚丙烯在室温以上有较好的冲击性能，但由于它本身分子结构的规整度很高，其低 温冲击强度较聚乙烯低。除环境温度外，聚丙烯的冲击强度还与等规度、分子量、成型 加工条件有关。 聚丙烯是属于非极性聚合物，具有优良的电绝缘性，并因其吸水率小于 0.01%，它 的电绝缘性不受环境湿度的影响。它的介电常数和介电损耗角正切值很小，几乎不受温 度和频率的影响，因此，可在较高温度和频率下使用。 聚丙烯易受空气中的氧气的氧化。 尽管他们在氮气等惰性气体环境中有较高的热稳 定性，但当暴露在大气中，特别是受到光和热的作用时，它们的性质就逐渐变坏。 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 8 页 共 62 页 聚丙烯具有优良的化学稳定性，除强氧化剂、浓硫酸、浓硝酸、硫酸等对它有侵蚀 作用外，其他试剂对聚丙烯无作用。 聚丙烯的注射制品表面光洁，具有高的表面硬度和刚度、耐应力开裂、耐热，聚丙 烯可制备下列用途的制品：如医疗器械具中的注射器、盒、输液袋、输血工具、病人用 具；一般用途机械零件中的轻载结构件，如壳、罩、手柄、手轮、特别适用于制备反复 受力的铰链、活页、法兰、接头、阀门、泵叶轮、风扇轮等；汽车零部件如汽车方向盘、 蓄电池壳、空气过滤壳、启动脚踏板、发动机等3。 2.1.3 聚丙烯（PP）材料的成型特性 （1）结晶型塑料，吸湿性小，可能发生熔体破裂，长期与热金属接触易发生分解； （2）流动性极好，溢边值 0.03mm 左右； （3）冷却速度快，浇注系统及冷却系统的散热应适度； （4）成形收缩范围大，收缩率大，易发生缩孔、凹痕、变形，取向性强； （5）注意控制成形温度，料温低时取向性明显，尤其低温高压时更明显，模具温 度低于 50 摄氏度以下塑件无光泽，易产生熔接痕、流痕；90 摄氏度以上时易发生翘曲、 变形； （6）塑件应壁厚均匀，避免缺口、尖角，以防止应力集中7。 2.1.4 聚丙烯（PP）材料的成型工艺参数 材料名称：聚丙烯 英文全名：Polypropylene 英文缩写：PP 注射成型机类型：螺杆式 密度/gcm-3：0.90.91 计算收缩率/ %：1.02.5 预热（1）温度/：80100 （2）时间/ h：12 料筒温度/（1）后段：160180 （2）中段：180200 （3）前段：200220 喷嘴温度/：- 模具温度/：8090 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 9 页 共 62 页 注射压力/MPa：150 成型时间/ s（1）注射时间：2060 （2）保压时间：03 （3）冷却时间：2090 （4）总周期：50160 螺杆转速/rmin-1：48 使用注射机类型：螺杆式、柱塞式均可7 2.2 塑件的尺寸与公差 2.2.1 塑件的尺寸 固定架塑件的基本尺寸见上述图 1-1。 2.2.2 塑件的尺寸公差标准 塑件的尺寸精度是受各方面因素影响的，其主要因素是材料收缩及模具的制造误 差。影响塑件尺寸精度的因素有如下几个方面： （1）成型材料 塑料本身收缩范围较大，原料含水分及挥发物、原料的配制工艺、批量大小、保存 方法和保存时间等不同，都会造成收缩不稳定。 （2）成型条件 成型时所确定的温度、压力、时间等成型条件，都直接影响成型收缩。 （3）塑件形状 塑件的壁厚、几何形状影响成型收缩率，脱模斜度大小直接影响尺寸精度。 （4）模具结构 其中包括进料口尺寸、料流方向、分型面的选择、模具的型芯、推杆等滑动部分的 固定方法和模具的磨损。 （5）制造误差 模具制造误差完全而直接的反映在塑件上。 （6）成型后的条件 包括测量误差和成型后的存放条件8。 塑料制件由于成型时的各种工艺因素的影响， 其尺寸精度很难达到金属切削制件的 水平。为此，各国都根据具体情况制定了关于塑料制件的公差。我国系根据自己的情况 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 10 页 共 62 页 于 1993 年原第四机械工业部制定了 GB/T 14486-1993 的塑料制件尺寸公差标准，在本 次设计中就采用了该标准进行塑件的相关尺寸计算。 2.2.3 塑件的尺寸公差等级 根据 GB/T 14486-1993 的标准， 其将塑件标准分成 7 个等级精度， MT1 级精度较高， 一般不采用。一般配合部分尺寸精度高于非配合部分尺寸精度，受塑件收缩率波动的影 响，小尺寸易达到高精度。塑件的精度要求越高，模具的制造难度及成本亦增高，模具 的制造精度要求也越高，同时塑件的废品率也会增加。因此，在塑件材料和工艺条件一 定的情况下，应该参照 GB/T 14486-1993 的标准合理地选用公差等级3，在此，根据毕 业设计塑件制品的材料（PP）和尺寸要求，选择标注了公差尺寸的为高精度时用 MT2， 一般精度时用 MT3，而未注的公差尺寸则选用 MT5。 2.3 塑件的表面粗糙度 表面质量包括：表观质量和表面粗糙度。 塑件的表观质量：指塑件成型后的表观缺陷状态。造成缺陷的因素可能有塑件成型 工艺条件、塑件成型原材料的选择、模具总体设计等。 塑件表面粗糙度的高低，主要与模具型腔表面的粗糙度有关。目前，注射成型塑件 的表面粗糙度通常为 Ra0.021.25m，模腔表壁的表面粗糙度应为塑件的 l/2，即 Ra0.0l0.63m。 2.4 塑件的结构设计 2.4.1 塑件的壁厚设计 模塑制品的壁厚应该满足强度、结构、质量、刚度及装配等各项要求。同时其他的 形体和尺寸如加强筋和圆角等，都是以壁厚为参照。若壁厚不均匀，会使塑料熔体的充 模速率和冷却收缩不均匀。由此产生许多质量问题，如凹陷、真空泡、翘曲、甚至开裂。 确定合适的制品壁厚是设计制品的主要内容之一。 通常热塑性塑料的注塑件，壁厚为 24mm。如果壁厚取的较小，装配紧固时将对 制件的强度和刚度产生影响。设计电器制品，其壁厚的选择与绝缘性有关。另外，在脱 模顶出过程中，较小的壁厚，会使塑件受到变形的损伤。为提高注塑件的刚性，通常不 是采用增加塑件壁厚的方式，而是采用增设加强筋或以形体的刚性结构设计来满足。 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 11 页 共 62 页 由于热塑性塑料注射模制品必须在模内冷却变硬后，启模取出制品，厚壁制品冷却 变硬时间比薄壁制品长，设计制品应尽量减小壁厚和壁厚不均匀，这样有利于缩短模塑 周期，提高生产率及节省材料3。 而根据制品的尺寸， 本次设计的制品应当是属于中等大小的塑件， 而材料是聚丙烯， 整个塑件的平均壁厚为 34mm。 2.4.2 塑件的脱模斜度设计 塑料从熔融状态转变为固体状体将产生一定量的尺寸收缩， 制品在冷却或固化过程 中围绕凸模和型芯产生收缩而包紧。 为了便于塑料制品脱模， 防止脱模时划伤制品表面， 与脱模方向平行的塑件表面一般应具有合理的脱模斜度。 影响脱模斜大小的因素： 塑件的性质、收缩率、摩擦因数、塑件壁厚和几何形状。硬质塑料比软质塑料脱模 斜度大；形状较复杂或成型孔较多的取较大的脱模斜度；高度较大、孔较深，则取较小 的脱模斜度；壁厚增加、内孔包紧型芯的力大，脱模斜度也应取大些3。 根据学习书本上知识所得到的经验，对于聚丙烯材料的塑件来讲，脱模斜度应在 301，也就是说要小于 1。 2.4.3 塑件的圆角设计 塑件除使用要求需要采用尖角之外，其余所有内外表面转弯处应尽可能用圆角过 渡，以减少应力集中。圆角的设计不但使塑件强度高，塑件在型腔中流动性好，而且美 观，模具型腔不易产生内应力和变形。圆角半径的大小主要取决于塑件的壁厚，一般不 小于制品壁厚的 1/4 如图 2-2，其尺寸可供设计时参考。 图 2-2 圆角与壁厚的选择 图 2-3 表示内圆角、壁厚与应力集中系数之间的关系，图中 R 为内圆角半径，t 为壁 厚。由图可见，将 Rt 控制在 1/43/4 的范围内较为合理。 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 12 页 共 62 页 图 2-3 内圆角、壁厚与应力集中系数之间的关系 根据以上的说明，由于毕业设计的塑件的平均壁厚在 34mm 之间，所以根据塑件 外形的不同部分，分别倒有半径值为 1、2、3mm 的圆角。 2.5 固定架的三维建模 2.5.1 三维建模的思路 根据图 2-2 的制品二维工程图上面的尺寸和形状来看，可以看出该制品是通过先拉 伸出一个整体的特征然后再拉伸去除材料而大体生成的。由于 Pro/E 是一个三维作图软 件，我们在其环境之下就可以以上面所述的几个特征来进行制品的三维建模。 2.5.2 三维建模的方法 在 Pro/E 的零件图绘制环境下，先选取 Front、Top、Right 三个基本参照平面中的任 何一个，然后选定好参照平面就可以进入到草绘环境了。先利用拉伸命令绘制出整个制 品的框架，这样通过两边对称拉伸添加材料而得到该整体。然后再选择该特征草绘的基 准面垂直的基准面作为草绘平面并选定好参照平面，就如到草绘环境，利用拉伸去除材 料命令绘制出其中一边一个类梯形的截面形状，拉伸距离为 35.21mm。接着，将刚建立 的特征进行镜像，得到我们第二步想要的结果。然后在此基础上用同样两边拉伸添加材 料的方法在第一次拉伸的基准面上草绘，在中心处拉伸出两块厚为 1.509mm 的板。接 着用倒圆角命令倒出几个地方需要的圆角。 这样做的目的是让塑件在模具中充模时减小 应力集中，另外会使整个塑件的外观美化。建立出来的制品图如图 2-4(a)、(b)、(c)所示。 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 13 页 共 62 页 (a) 制品正视图 (b) 制品左视图 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 14 页 共 62 页 (c) 制品正视图 图 2-4 制品三维立体图 2.5.3 三维建模的注意事项 在整个三维建模的过程中，应当注意的是塑件各个尺寸间的关系，特别是对于一些 比较小的尺寸来讲，更是应当注意。另外就在于草绘平面的选取了，草绘平面如果选得 合理的话，就可以为画图带来很大的方便，反之会很麻烦，而且还有可能会将图形之间 的关系给弄错。至于用于画图的方法，这就取决于画图人了，因为同一种图形可以用不 同的方法给画出来，而有些方法可以说是效率很高的。最后就是在倒圆角的时候，一定 要注意选择倒圆角部位的顺序，因为有时由于顺序的不同会导致不同的倒圆角效果， 还 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 15 页 共 62 页 应当注意的是倒完的圆角之间的过渡问题，应尽量避免圆角汇交区的生硬问题。 3 注射机的选择 3.1 注射机的组成及分类注射机的组成及分类 3.1.1 注射机的组成 根据塑料注射成型过程，一般可将注射机分为以下几个部分。 （1） 注射装置 注射装置的主要作用是使固态的塑料颗粒均匀地塑化成熔融状态， 并已足够的压力 和速度将塑料熔体注入到闭合的模具型腔中。注射装置包括料斗、料筒、加热器、计量 装置、螺杆及其驱动装置、喷嘴等部件。 （2） 开、合模装置 合模装置的作用有两点，第一是实现模具的开闭动作，第二是在成型时提供足够的 夹紧力使模具锁紧。开、合模装置可以是机械式，也可以是液压式或者液压机械联合作 用方式。 （3） 推出机构 推出机构的作用是开模时推出模内的塑料制品。 推出机构也有机械式推出和液压式 推出两种，液压式推出既有单点推出，又有多点推出。 （4） 液压传动和电气控制 有注射成型过程可知，注射成型由塑料熔融、模具闭合、熔体充模、压实、保压、 冷却定型、开模推出制品等多道工序组成。液压传动和电气控制系统是保证注射成型过 程按照预定的工艺要求（压力、速度、时间、温度）和动作程序准确进行而设置的。 液 压传动系统是注射机的动力系统，而电气控制系统是各个动力液压缸完成开启、闭合、 注射和推出等动作的控制系统7。 3.1.2 注射机的分类 （1）按注射机成型能力分类 按其成型能力可分为超小型、小型、中型、大型、超大型五类。 （2）按塑化方法分类 根据塑化方法的不同，常用的有柱塞式和螺杆式两大类。 （3）按外形结构特征分类 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 16 页 共 62 页 A立式注射机 立式注射机的特点是注射装置与合模装置的轴线从合并与机器安装底面垂直。 它占 地面积小、模具拆装方面、易于安装嵌件、料斗中的物料能均匀地进入机筒。但制品被 推出模具后需要人工去除，不易实现机械化或自动化操作。此外还有机身不稳定、加料 不方便、对厂房高度有一定要求等缺点。立式注射机主要用于生产注射量小于 60cm3的 多嵌件制品，其结构也多为柱塞式结构。 B.卧式注射机 卧式注射机是注射机中最普通和最主要的形式， 卧式注射机的注射装置和定模安装 镑在设备的一侧，而合模装置、动模安装板和推出机构均设置在另一侧。卧式注射机的 主要优点是机体较矮，容易操作加料，制品推出后能自动落下，便于实现自动化操作， 大、中型注射机多采用这种形式。缺点是设备占地面积大、模具装卸不方便以及安放嵌 件困难等。 C直角式注射机 直角式注射机的特点是注射装置与合模装置的轴线垂直， 使用和安装特点介于上述 两类注射机之间，适用于中心部分不允许留有浇口痕迹的小型塑料制品7。 3.2 热塑性塑料注射成型工艺 注射工艺过程包括成型前准备、注射成型过程和制件的后处理 A成型前的准备 为保证塑件制品质量，在成型前应作一些工艺准备工作 B注射工艺过程 注射过程一般包括加料、塑化、注射、冷却和脱模几个步骤。 a.加料 由于注射成型是一个间歇过程， 因而需定量加料， 以保证操作稳定， 塑料塑化均匀， 最终获得良好的塑件。 b.塑化 加入的塑料在料筒中进行加热， 由固定颗粒转换成粘流状态并且具有良好的可塑性 的过程成为塑化。 c.注射 不论任何形式的注射机，注射的过程可分为充模、保压、倒流、浇口冷结后的冷却 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 17 页 共 62 页 和脱模等几个阶段9。 3.3 注射机型号的选择 3.3.1 塑件质量的估算 由于该制品的材料为聚丙烯（PP） ，密度为 0.90g0.91g/cm3，其收缩率范围是 0.0100.025，又因为本设计中所用的绘图软件为 Pro/ENGINEER Wildfire4.0，它是一 款可以自动计算出塑件和浇注系统凝料体积的软件，其计算出来的结果如图 3-1 所示。 图 3-1 塑件模型分析 由上图可知塑件的质量为 3.64 克，而本设计中的型腔数为 2，所以塑件的中质量为 7.28 克，另外估算出浇注系统凝料的质量为 0.71 克，最终算的总质量为 7.99 克。 3.3.2 注射机型号的选择及技术参数 根据塑件和浇注系统的总质量，在对比各型号的注射机的理论注射量的 80%，在此 选定 XS-ZY-125 型注射机10。 注射机的主要技术参数如下： A.注射装置 a.螺杆直径/mm：30,45,42 b.螺杆转速/（rmin-1） ：10140 c.理论注射容量/cm3：104,106,125 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 18 页 共 62 页 d.注射压力/MPa：150 e.注塑速率/（gs-1） ：85 f.塑化能力/（kgh-1） ：40 B.锁模装置 a.锁模力/kN：900 b.拉杆间距(HV)/(mmmm)：260300 c.模板行程/mm：160 d.模具最小厚度/mm：200 e.模具最大厚度/mm：300 f.定位孔直径/mm：100 g.定位孔深度/mm：10 h.喷嘴伸出量/mm：20 i.喷嘴球半径/mm：10 j.顶出行程/mm：80 k.顶出力/kN：15 C.电气 a.油泵电机功率/kW：11 b.加热功率/kW：6 D.其他 a.机器质量/t：2.8 b.外形尺寸(LWH)/(mmm)：3.91.31.8 4 固定架的模具设计 4.1 注射模具分型面的设计 4.1.1 分型面的选取原则 为了塑件的脱模和安放嵌件的需要，模具型腔由两部分或更多部分组成，这些可分 离部分的接触表面便称为分型面。 所谓合模方向通常是指上模与下模、动模与定模闭合的方向。 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 19 页 共 62 页 分型面的形状有水平分型面、阶梯分型面、斜分型面、垂直分型面、曲面分型面等 3。 在选择分型面时应遵守如下原则： （1）分型面应选择在制品的最大截面处，否则，制品无法脱模； 在选择分型面时，这是首要原则。 （2）尽可能使制品留在动模一侧； 因为注射机的推出液压缸设在动模一侧，制品留在动模一侧有利于脱模机构的设 置。 （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； 动、定模相配合的分型面上稍有间隙，熔体就会在制品上产生飞边，影响制品的外 观质量。因此在制品光滑平整的表面或圆弧曲面上，应尽量避免选择分型面。 （5）尽可能满足制品的使用要求； 在注射成型过程中，制品上会产生一些很难避免的工艺缺陷，如脱模斜度、飞边及 推杆与浇口痕迹等。在分型面设计时，应从使用角度避免这些工艺缺陷影响制品的使用 功能。 （6）尽量减小制品在合模方向上的投影面积，以减小所需锁模力； （7）长型芯应置于开模方向； 当制品在相互垂直的两个方向都需要设置型芯时，应将较短的型芯置入侧抽芯方 向，有利于减小抽拔距。 （8）有利于排气； 熔体充模流动的末端应在分型面上，以便型腔的气体能从分型面上的空隙逸出。 （9）有利于简化模具结构； 当安排制品在型腔中的方位时，应尽可能避免侧向分型或抽芯，特别应避免在定模 一侧的侧向抽芯。 （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7。 4.1.2 分型面的形状确定 分析：在综合考虑到上述的原则后，结合自己的制品形状来观察，大体可将分型面 确定为曲面分型面，当然这中间还包括有平面分型面，因为分型面仅仅只是一个曲面过 渡，所以在整体分型面的平面部分就可以直接选择了。 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 20 页 共 62 页 4.2 注射模具浇注系统的设计 4.2.1 浇注系统的组成与作用 浇注系统是指模具中从接触注射机喷嘴开始到型腔为止的塑料流动通道。 它一般由 主流道、分流道、浇口及冷料井四个部分组成。 （1）主流道 主流道（也叫进料口）是指从注射机的喷嘴与模具接触的部位起到分流道为止的一 段流道。它与注射机的喷嘴在同一轴线上，熔体在主流道中不改变流动方向。主流道是 熔融塑料最先经过的流道，所以它的大小直接影响熔体的流动速度和充模时间。 （2）分流道 分流道是主流道与型腔进料口（浇口）之间的一段流道。它是熔体由主流道流入型 腔的过渡段通道。也是使浇注系统的截面变化和熔体流动转向的过渡通道。 （3）浇口 浇口是料流进入型腔最狭窄部分， 也是浇注系统中最短的一段。 浇口尺寸狭小而短， 目的是使分流道流进的熔体产生加速，形成理想的流动状态而充满型腔，又便于注射成 型后的塑件与浇口分离。 （4）冷料井 在每个注射成型周期开始时，最前端的料接触低温模具后会降温，变硬后被称为冷 料。为了防止在下一次注射成型时，将冷料带进型腔而影响塑件质量，一般在主流道或 分流道的末端设置冷料井，以储藏冷料并使熔体顺利地充满型腔3。 4.2.2 浇注系统的设计原则 （1）结合型腔布置考虑，尽可能采用平衡式分流道布置； （2）尽量缩短熔体的流程，以便降低压力损失、缩短充模时间。为此，浇注系统 的长度应尽量短、断面尺寸应合理、应尽量减少流道的弯折； （3）浇口尺寸、位置和数量的选择十分关键，应有利于熔体流动、避免产生湍流、 涡流、喷射和蛇形流动，并有利于排气和补缩； （4）避免高压熔体对模具型芯和嵌件产生冲击，防止变形和位移的产生； （5）浇注系统凝料脱出应方便可靠，凝料应易于和制品分离或者易于切除和修整； （6）熔接痕部位与浇口尺寸、数量及位置有直接关系，设计浇注系统时要预先考 虑到熔接痕的部位、形态，以及对制品质量的影响； （7）尽量减少因开设浇注系统而造成的塑料凝料用量； 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 21 页 共 62 页 （8）浇注系统的模具工作表面应达到所需的硬度、精度和表面粗糙度，其中浇口 应有 IT8 以上的精度要求； （9）设计浇注系统时应考虑存储冷料的措施； （10）应尽可能使主流道中心与模板中心重合，若无法重合也应是两者的偏离距离 尽可能缩短7。 4.2.3 主流道的设计 主流道是连接注射机喷嘴与分流道的一段通道，通常和注射机喷嘴在同一轴线上， 断面为圆形，带有一定的锥度，其主要设计点为： （1）主流道圆锥角=26，对流动性差的塑件可取 36，内壁粗糙度 为 Ra0.63m。 （2）主流道大端呈圆角，半径 r=13mm，以减小料流转向过渡时的阻力。 （3）在模具结构允许的情况下，主流道应尽可能短，一般小于 80mm，过长则会 影响熔体的顺利充型。 （4）对小型模具可将主流道衬套与定位圈设计成整体式。但在大多数情况下是将 主流道衬套与定位圈设计成两个零件， 然后配合固定在模板上。 主流道衬套与 A 板采用 H8/m6 过渡配合，与定位圈的配合采用 H9/h9 间隙配合。 （5）主流道衬套一般选用 T8、T10、T10A 制造，热处理强度为 5256HRC。 4.2.4 分流道的设计 分流道是主流道与浇口之间的进料通道。在多型腔模具中分流道是必不可少的， 在 分流到设计时应考虑尽量减小在流道内的压力损失和尽可能避免熔体温度的降低， 同时 还要考虑减小流道的容积。 常用的分流道截面形状有圆形、梯形、U 形和六角形等。圆形和正方形流道的效率 最高。但是，正方形截面的流道不易于凝料的推出，在实际应用中常采用梯形截面的流 道。一般取梯形流道的深度为梯形截面上端宽度的 2/33/4，脱模斜度取 510 度7。 根据上述注意事项，可知如果采用圆形截面的分流道的话，固然效率比较高，但是 在加工模具的时候需要在动、定模两侧分别加工出来，这样一来的话成本就会升高， 而 且在定位方面也十分不方便。而半圆形截面和方形截面的压力损失过高，一般在设计中 的不予采用。所以在综合考虑各方面的因素后，决定在本次设计中采用梯形截面的分流 道。 该截面的上端长度为 3mm，下端的长度为 2.5mm，关于模具中心线对称，而拔模 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 22 页 共 62 页 角度取 7，其具体参数可见图 4-1： 图 4-1 分流道截面尺寸 根据经验中小型模具的分流道的长度一般在 610mm 之间取值，因此取分流道的 长度（包括过渡阶段的长度）为 6mm。如图 4-2： 1定模座板2定位环紧固螺钉3定位环4浇口套紧固螺钉 5浇口衬套6A 板7分流道8主流道 图 4-2 浇注系统 4.2.5 浇口的设计及定位 浇口是连接流道与型腔之间的一段细短通道。它是浇注系统的关键部位。浇口的形 状、位置和尺寸对制品的质量影响很大。浇口的主要作用有如下几点： （1）熔体充模后，首先在浇口处凝固，当注射机螺杆抽回时可防止熔体向流道回 流； （2）熔体在流经狭窄的浇口时会产生摩擦热，使熔体升温，有助于充模； （3）易于切除浇口尾料； （4）对于多型腔模具，浇口能用来平衡进料7。 浇口的类型分为直接浇口、侧浇口、重叠式浇口、环形浇口、潜伏式浇口和轮辐浇 口等。在这些浇口类型中，根据自己制品的特点，认为选择侧浇口是最为合适的，而且 固定架注塑模具的计算机辅助设计 第 23 页 共 62 页 侧浇口一般都开设在分型面上，而自己所设计的分流道及浇口的形式就是在分型面上 的。 由于设计中的塑件的支撑部分的面是一个圆平面，考虑到此，决定应用侧浇口的变 形形式重叠式浇口，即当侧浇口开设在制品端面的边缘时，便形成了重叠式浇口， 它 可以避免熔体从浇口中直接射出，在型腔中产生喷射现象，还可以使高速料流冲击在型 腔壁或型芯上，改变了熔体的流向，降低了流速，使熔体能均匀地填充型腔。侧浇口的 截面形状一般为矩形。根据所选塑件的材料及塑件的复杂性分析，可依据经验选取浇口 截面的厚度为 0.5mm，而宽度为 310 倍的厚度值，在此选用 3 倍即为 1.5mm，未重叠 的长度依经验在 0.73mm 之间选取，在此选为 2.4mm，而重叠的长度为 0.6mm。 4.2.6 排气系统的设计及定位 在注射成型过程中，模具内除了型腔和浇注系统中原有的空气外，还有成型过程中 固化反应产生的气体。这些气体要顺利地排出模具之外，否则，被压缩的气体所产生的 高温将引起塑件局部烧焦碳化或产生气泡，还可能产生熔接痕等。尤其是高速注射和热 固性塑料注射成型，排气是很有必要的。 常用的排气方法有两种， 即在模具上单独开设排气槽和利用模具零件的配合间隙自 然排气3。 根据经验可知， 对于中小型注射模具来讲只利用分型面或模具零件间的配合间隙自 然地排，这时可不另开排气槽。 4.3 注射模具成型零件的计算 4.3.1 型芯、型腔材料的选择 SM45 属优质碳素塑料模具钢，与普通优质 45