毕业设计（论文）-益智文具盒的设计.doc

南京铁道职业技术学院毕 业 论 文 题 目： 益智文具盒的设计 作 者： 秦铭 学 号： 431510117 系 ： 机械工程系 专 业： 计算机辅助设计与制造 班 级： 10设计制造301 指导者： 葛菊英（讲师） 评阅者： 葛菊英（讲师） 2013年 3月 毕业设计（论文）中文摘要益智文具盒的设计摘要 随着信息技术飞速发展、市场竞争日趋激烈，工业产品由传统的机械产品向机电一体化、电子信息产品的方向发展，其技术含量大大提高。同时，人们的消费也不断地发生变化，产品的功能已不再是消费者决定购买的最主要的因素，产品的创新性、外观造型、个性化、环保性等因素愈来愈受到消费者的重视，在竞争中占据突出地位。为了赢得竞争占有市场可持续发展，工业设计必须变革传统的生产方法，引进新技术新思维。工业产品的计算机辅助设计是对工业设计的一次系统性设计，它主要包括形态，色彩，人际关系等方面。文具盒是学生们熟悉、接触最频繁的东西，本文具体地阐述以益智文具盒为例的工业设计中计算机辅助设计的技术特点以及先进的计算机辅助制造模式在工业设计行业中的应用，在分析了国际国内模具CAD的研究现状和发展趋势的基础上，提出以计算机应用技术为手段辅助工业产品设计的新方法。通过对文具盒的观察、想象和再发明，引领对未来文具盒的创新风潮。主要针对产品模具常见的成型方式进行了分析研究，以达到将生产的智能化。在熟悉计算机绘图，模具设计基本知识的基础上，对系统进行分析并设计出系统的总体框架，了解系统需要实现的功能，选择UG作为设计工具。分析论述了应用UG和CAD进行产品外观造型设计。分析了设计过程中所涉及到的具体内容，建立了系统的设计框架模型。利用UG加工模块自动生成加工程序达到计算机辅助制造的目的。利用UG可以方便准确快速地查询和计算出许多设计参数。关键词 工业产品设计；文具盒外壳；塑料模具；计算机辅助设计与制造第 2 页 共 16 页目 录1 绪论21.1 选题背景21.2 设计内容22 文具盒模型及曲面CAD/CAM过程32.1 文具盒模型的CAD/CAM过程32.2 文具盒模型整体图32.3 文具盒模型的CAD过程43 模具结构设计53.1 注塑模具总体结构的确定53.2 选择注塑机型号及其参数53.3 确定分型面73.4 浇注系统的设计和选择83.5 模具成型部件的设计和计算93.6 排气系统的设计113.7 模架的确定和标准件的选择113.8 与型腔零件有关参数的校核123.9 温度调节系统的设计133.10 推出机构(脱模）133.11 导向机构143.12 射机有关参数的校核143.13 冷却系统设计153.14 注塑分析154 模具装配及调试174.1 装配174.2 试模17结 论19致 谢20参 考 文 献211 绪论1.1 选题背景本课题是来源于生活，是益智文具盒的外观设计，该产品适用于小学生使用，并在一定程度上起开发智力作用。本课题要求对该产品进行框架设计，利用UG对其进行外观、排样、添加合适的模架及其他标准件。通过对不进行详细的工艺分析确定零件的成型方案并制定部分零件的制造工艺通过这课题能够让学生掌握中等复杂程度注塑模具设计与制造的一般方法，对零件成型方案的制定、工艺计算及模具设计有了更深层次的了解，并学会对模具设计资料的检索与整合以及对已有资料的充分合理的使用，该实践性课题是对学生理论学习水平的实践和检验，可对以后从事类似的工作有一定的指导性与实践意义。1.2 设计内容该文具盒成型设计，通过对文具盒的工艺分析和比较，设计出一套注塑模具。该设计从产品结构工艺性和具体模具结构出发，对产品的三维立体结构结构等都进行详细设计。2 文具盒的CAD/CAM过程2.1 文具盒模型的CAD/CAM过程2.1.1 图案构思 实体模拟形态2.1.2 文具盒模型图产品要求如下： （1）产品外观要求圆滑，无气泡和断痕，配合精度要求非常高。两盖配合时，要求严 实、对称，两盖间连接带要求有一定的塑性，经折叠后，无断痕出现，其折叠次数要求满 足 5103 次以上。 （2）产品材料为 ABS，收缩率为 5。2.2 文具盒模型的CAD过程 2.2.1 构建底座 建模2 2.2拟定模具结构形式 确定型腔数量以及排列方式影响型腔数目的重要因数有注射机的锁模力、 注射机的注射量、 制品的精度和经济性 考虑，此外还应注意诸如模板尺寸、脱模结构、浇注系统、冷却系统等方面的限制。由于研究对象 （产品） 和注塑机的现有因素以及模具材料和制造的经济性， 确定型腔数量为 “一 模一腔” 。 在排列型腔时应尽可能采用平衡式排列， 型腔布置和浇口开设部位应力求对称， 所以 模具的型腔排列方式如图 2-1 所示： 图 2-1 型腔排列2.2.2 绘制文具盒轮廓 2.2.3 产生文具盒实体 2.2.4 模具结构形式的确定根据制品的复杂程度及浇注系统的不同类型，主要有以下七种注射模的基本结构。 （1）单分型面注射模 单分型面注射模又称为两板式注射模。 它是注射模中最简单且最常用的一类模具。 据 统计，单分型面注射模约占全部注射模的 70%。它结构简单、操作方便，但也有局限性。 在单分型面注射模中，除采用直接浇口以外，型腔的浇口位置只能选择在制品的侧面。（2） 双分型面注射模 双分型面注射模以两个不同的分型面分别取出流道凝料和制品。 与两板式的单分型面 注射模相比， 双分型面注射模在动模板与定模板间增加了一块可以往复移动的型腔板 （又 称中间板或流道板） 。双分型面注射模常称为三板式注射模。在定模板与型腔板之间设置 流道，在型腔板与动模板之间设置型腔。这类模具多用于点浇口的单型腔或多型腔模具。 （3） 带有活动镶件的注射模 由于制品的某些特殊结构， 如内外侧向有凹槽或凸台等， 可使用活动镶块连同制品一 起从模具内取出， 然后由手工或简单工具使活动镶块与制品分离并装回到模具中。 活动镶 块是构成型腔的成型零件，必须在模具中可靠地定位与固定。由于需要手工操作，这类模 具的生产效率不高，只能用于小批量生产。 （4） 带侧向分型抽芯的注射模 当制品上有侧孔或侧凹时， 在模具内可设置由斜销或侧滑块等组成的侧向分型抽芯机 构。它能使侧型芯作横向移动，使其与制品分离。此类注射模广泛的运用在带有侧孔或侧 凹制品的大批量生产中。 （5） 机动脱螺纹的注射模 当要求能自动脱卸带有内螺纹或外螺纹的塑料制品时， 可在模具中设置可转动的螺纹 型芯或型环， 这样便可利用注射机的旋转运动或往复运动， 或者采用专门设置的驱动或传 动机构，带螺纹型芯或型环转动，将螺纹制品脱出。 （6） 脱模机构设在定模的注射模 由于制品的特殊要求或形状的限制， 制品必须留在定模侧内， 这就要求在定模一侧设 置脱模机构，以便将制品从定模内脱出。一般情况下，定模一侧的脱模机构是由动模通过 拉板或链条来驱动的。 （7） 无流道凝料注射模 无流道凝料注射模通过采用对流道加热或绝热的办法来保持从注射机喷嘴到浇口处 之间的塑料保持熔融状态。 这样在每次注射成形后流道内均没有塑料凝料， 只需脱出制品 而无需脱出流道凝料，这样就减少了分型面的个数、缩短了成形周期、保证了注射成形压 力在流道中传递、有利于提高生产率和改善制品的质量。此外，无流道凝料注射模还易实 现全自动操作。其缺点是模具成本高，对浇注系统和温度控制系统要求很严，对制品形状 和塑料品种也是一定的限制。 由于制品外观质量要求光滑， 无明显痕迹， 又考虑使用机构使凝料自动脱落或无凝料，模具结构可以设计为双分型面注射模（及三板式注射模）或无流道凝料注射模。但由于无 流道凝料注射模成本高， 对浇注系统和温度控制系统要求很严， 对制品形状和塑料品种也 是一定的限制，故采用双分型面注射模（及三板式注射模） 。3. 模具材料的选择 近40 年来，随着石油化工工业的发展，塑料已成为重要的工业原材料；因此，塑料 制品成形用的模具需要量迅速增长， 不少工业发达国家塑料模具的产值已经超过冷作模具 的产值，在模具制造业中居首位。由于不同类型的塑料制品对模具钢的性能要求有差异， 因此在不少国家已经形成包括范围很广的专用塑料模具用钢系列， 包括碳素结构钢， 渗碳 型塑料模具钢，预硬型塑料模具钢，时效硬化型、耐蚀型、易切削型、马氏体时效型塑料 模具钢以及适应低表面粗糙塑料制品模具用的镜面抛光型塑料模具用钢。 但是这些材料的 加工工艺复杂， 材料的经济性差， 不但模具材料的选择需要按塑料制品的不同类型来决定 （即不同类型的塑料制品采用不同的模具材料） ，而且塑料模具钢在使用过程中会产生高 温冲蚀-氧化现象，降低了模具的使用寿命，还有在外部环境的影响下，模具的内部和外部都会产生氧化反应产生锈蚀的现象。 故经过思考和实践研究， 决定采用有机玻璃材料.有机玻璃材料的特性如表 3-1 所示，其优点有：轻质、价廉、易于加工、高度透明、 机械强度高， 防静电性能能够长久保持、 并完全不受湿度的影响， 这样避免了外部的影响。 由于材料的能承受的冲击力低， 故在使用注射机进行注射试加工时， 注射机的参数需要降 低，例如锁模力等，或者采用指定的注射机进行试加工。 PMMA 材料的性能参数表2.2.5 实体造型方案对比 4 注射机型号的确定由于模具材料采用 PMMA 材料（即有机玻璃材料） ，根据材料的特性可知，其不能够用于一般的注射机进行生产， 它对注射机参数的要求很高。 为了能够生产出合格的制品， 故采用微型注射机。5. 分型面的设计模具上用以取出制品和（或）浇注系统凝料的，可分离的接触表面称之为分型面。在 制品设计阶段，就应考虑成型时分型面的形状和位置，否则无法用模具成形。在模具设计 阶段，应首先确定分型面的位置，然后才能选择模具的结构。分型面设计的是否合理，对 制品质量、工艺操作难易程度和模具的设计制造都有很大的影响。 2.3 文具盒模型的数控加工工艺2.3.1 零件工艺审查 2.3.2 毛坯的选择 2.3.3 零件的装夹 2.3.4 加工对象及加工区域的划分 2.3.5 加工工艺路线的确定 2.3.6 加工方式和切削方式的确定2.3.7 确定起刀点和换刀点2.4 文具盒半模的CAM过程 2.4.1 产生刀具路径 2.4.2 实体模拟加工 2.4.3 数控程序NC代码处理 图 2.1非切削参数6.3 浇口的设计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。 6.3.1 浇口的选择通常浇口可分为大浇口和小浇口两类。前者亦称为非限制性浇口，系指直接浇口； 后者称为限制性浇口，常用新的有侧浇口、点浇口等。由于制品模具采用的是三板式注射模的结构，可以采用直接浇口、侧浇口或点浇口等。若采用直接浇口进浇，由于浇口处熔体固化慢，容易造成成形周期长，产生过大的 残余应力，在浇口处易产生裂纹，浇口凝料切除后制品上的疤痕较大，使得制品的外观及质量的不合格。若采用侧浇口进浇，容易在制品的外表面留下有浇口的痕迹，此外从模具的结构上看，需要浇口套的长度很长，这样既浪费成本又增加了制造的难度。所以三板式注射模常采用点浇口。其优点有：（1） 可显著提高熔体的剪切速率，使熔体黏度大为降低，有利于充模。这对于 PE、PP、 PS 和 ABS 等对剪切速率敏感的熔体尤为有效。 （2） 熔体经过点浇口时因高速摩擦生热，熔体温度升高，黏度再次下降，使熔体的流动 性更好。（3） 有利于浇口与制品的自动分离，便于实现制品生产过程的自动化。 （4） 浇口痕迹小，容易修整。 （5） 在多型腔模中，容易实现各型腔的平衡进料。 （6） 对于投影面积大的制品或者易于变形的制品，采用多个点浇口能够提高制品的成形 质量。 （7） 能较自由地选择浇口的位置。 6.3.2 浇口位置的选择模具设计时，浇口的位置及尺寸要求比较严格，初步试模后还需进一步修改浇口尺 寸，无论采用何种浇口，其开设位置对塑件成型性能及质量影响很大，因此合理选择浇 口的开设位置是提高质量的重要环节，同时浇口位置的不同还影响模具结构。总之要使 塑件具有良好的性能与外表，一定要认真考虑浇口位置的选择，通常要考虑以下几项原 则：（1）尽量缩短流动距离。（2）浇口应开设在塑件壁厚最大处。（3）必须尽量减少熔接痕。（4）应有利于型腔中气体排出。（5）考虑分子定向影响。（6）避免产生喷射和蠕动。（7）浇口处避免弯曲和受冲击载荷。（8）注意对外观质量的影响。 根据制品的形状特征，按照浇口选择的原则，将浇口的中心开设在分流道中心的同 一条直线上，位于制品两盖上端面的中心上，如图 6-7 所示。这样既使熔体能够在流道中心部畅通，又减少熔体在流道中流动的长度。 6.4 冷料穴的设计在完成一次注射循环的间隔，考虑到注射机喷嘴和主流道入口这一小段熔体因辐射 散热而低于所要求的塑料熔体的温度，从喷嘴端部到注射机料筒以内约 1025mm 的深 度有个温度逐渐升高的区域，这时才达到正常的塑料熔体温度。位于这一区域内的塑料 的流动性能及成型性能不佳，如果这里温度相对较低的冷料进入型腔，便会产生次品。 为克服这一现象的影响，用一个井穴将主流道延长以接收冷料，防止冷料进入浇注系统 的流道和型腔，把这一用来容纳注射间隔所产生的冷料的井穴称为冷料穴。 如图 6-7 所示， 冷料穴位于分流道末端， 其标称直径与主流道大端直径相同或略大一 些，长度一般为流道直径的 1.52 倍。最终要保证冷料的体积小于冷料穴的体积，冷料 穴有六种形式，常用的是端部为 Z 字形和拉料杆的形式，具体要根据塑料性能合理选用。7. 导向与定位机构注射模的导向机构主要有导柱导向和锥面定位两种类型。导柱导向机构用于动、定模之间的开合模导向和脱模机构的运动导向。锥面定位机构用于动、定模之间的精密对中定位。 导柱：国家标准规定了两种结构形式，分为带头导柱和有肩导柱，大型而长的导柱 应开设油槽，内存润滑剂，以减小导柱导向的摩擦。若导柱需要支撑模板的重量，特别 对于大型、精密的模具，导柱的直径需要进行强度校核。导套：导套分为直导套和带头导套，直导套装入模板后，应有防止被拔出的结构， 带头导柱轴向固定容易。 设计导柱和导套需要注意的事项有：（1） 合理布置导柱的位置，导柱中心至模具外缘至少应有一个导柱直径的厚度；导 柱不应设在矩形模具四角的危险断面上。通常设在长边离中心线的 1/3 处最为安全。导柱 布置方式常采用等径不对称布置，或不等直径对称布置。（2）导柱工作部分长度应比型芯端面高出 68 mm，以确保其导向与引导作用。（3）导柱工作部分的配合精度采用 H7/f7，低精度时可采取更低的配合要求；导柱固 定部分配合精度采用 H7/k6；导套外径的配合精度采取 H7/k6。配合长度通常取配合直径的 1.52 倍，其余部分可以扩孔，以减小摩擦，降低加工难度。（4）导柱可以设置在动模或定模，设在动模一边可以保护型芯不受损坏，设在定模一边有利于塑件脱模。8 脱模机构的设计注射成形每一循环中，塑料制品必须准确无误地从模具的凹模中或型芯上脱出，完 成脱出制品的装置称为脱模机构，也常称为推出机构。 8.1 脱模机构设计原则脱模机构设计一般应遵循如下原则： （1）尽可能使制品滞留在动模一侧，以便借助于开模力驱动脱模装置，完成脱模动 作。 （2）防止制品变形或损坏，正确分析制品对型腔的粘附力大小及其所在部位，有针 对性地选择合适的脱模机构，使推出重心与脱模阻力中心相重合。 （3）力求良好的制品外观，在选择推出位置时应尽量选择制品的内部或外部影响不 大的部位。 （4）结构合理可靠，运动灵活，制造方便，更换容易，推杆应具有足够的强度和刚度。9 温度调节系统的设计 9.1 温度调节系统的必要性在注塑成型过程中，模具的温度直接影响到塑件成型的质量和生产效率。由于各种 塑料的性能和成型工艺要求不同，模具的温度要求也不同。流动性差的塑料如 PC，POM 等，要求模具温度高，温度过低会影响塑料的流动，增大流动剪切力，使塑件内应力增 大，出现冷流痕，银丝，注不满等缺陷。普通的模具通入常温的水进行冷却，通过调节 水的流量就可以调节模具的温度，为了缩短成型周期，还可以把常温的水降低温度后再 通入模内，可以提高成型效率。对于高熔点，流动性差的塑料，流动距离长的制件，为 了防止填充不足，有时也在水管中通入温水把模具加热。 9.1.1 温度调节对塑件质量的影响（1） 采用较低的模温可以减小塑料制件的成型收缩率； （2） 模温均匀，冷却时间短，注射速度快可以减少塑件的变形 （3）对塑件表面粗糙度影响最大的除型腔表面加工质量外就是模具温度，提高模温能 大大改善塑件的表面状态；温度对塑件质量的影响有相互矛盾的地方，设计时要根据材料特性和使用要求偏重于 主要要求。 9.1.2 对温度调节系统的要求（1） 根据塑料的品种确定是对模具采用加热方式还是冷却方式； （2） 希望模温均一，塑件各部同时冷却，以提高生产率和提高塑件质量； （3） 采用低的模温，快速，大流量通水冷却效果一般比较好； （4）温度调节系统应尽可能做到结构简单，加工容易，成本低廉； 从成型温度和使用要求看，需要对该模具进行冷却，以提高生产率。9.2 冷却系统的设计 9.2.1 冷却系统的设计原则为了提高冷却系统的效率和使型腔表面温度分布均匀，在冷却系统的设计中应遵循 如下原则。 （1） 合理确定冷却水道的形式，确定冷却水管接头位置，避免与模具的其他机构发生 干涉。 （2） 尽量保证塑件收缩均匀，维持模具的热平衡； （3） 冷却水孔的数量越多，孔径越大，则对塑件的冷却效果越好； （4） 尽可能使冷却水孔至型腔表面的距离相等，与制件的壁厚距离相等，经验表明， 冷却水管中心距 B 大约为 2.53.5D， 冷却水管壁距模具边界和制件壁的距离为 0.81.5B。 最小不要小于10。 （5） 浇口处加强冷却，冷却水从浇口处进入最佳； （6） 应降低进水和出水的温差，进出水温差一般不超过 5 （7）冷却水的开设方向以不影响操作为好，对于矩形模具，通常沿宽度方向开设水孔。 10.3 成形零件的加工工艺成形零件的加工质量直接体现出模具的制造精度与使用寿命，以及成形制品的质量。 因此，成形零件的加工应满足以下要求：形状准确、尺寸精度高以及表面粗糙度低。对于 尺寸精度来说，本设计型芯与型腔应满足配合精度为(1+ S cp )t。其中 t 为制品厚度。本设 计中，成形零件的加工工艺如下表10-3,10-4所示： 型腔的加工工艺工序序号工序名称工序内容所用到的设备1备料准备135x135x30的板锯床2铣外形铣出尺寸到130.4x130.4x24.4铣床3磨外形磨外形尺寸至要求尺寸平面磨床4铣型腔面按照尺寸要求铣型腔面加工中心5打孔打螺纹孔的底孔以及副流道的穿丝孔加工中心6攻螺纹加工4个螺纹孔 M5x18攻丝机7加工浇口用线切割割出2个带2角的副流道线切割8去毛刺去除工件各边的毛刺倒角机型芯的加工工艺工序序号工序名称工序内容所用到的设备1备料准备135x135x30的板锯床2铣外形铣出尺寸到130.4x130.4x31.4铣床3磨外形磨外形尺寸至要求尺寸平面磨床4铣型腔面按照尺寸要求铣型芯面加工中心5打孔打出4个螺纹孔的底孔以及顶针的穿5打孔丝孔以及冷却水路孔加工中心6攻螺纹加工4个螺纹孔 M5x18攻丝机7加工浇口用线切割割出12个顶针孔线切割8去毛刺去除工件各边的毛刺倒角机结 论利用各种CAD、UG软件的优势，在设计前将产品设计、模具设计、实验综合全面考虑，大大减少因设计不合理而造成的时间延误，增加设计的可信度，达到避免设计缺陷，缩短开发周期的目的。这里注射成型工艺分析过程和应用研究是一个涉及较多工艺参数的应用性课题，其中对某些参数的研究和认识难免存在一定的误区和不足，对许多工艺相关性方面有待于做进一步的研究和探索。本课题的难点是由于该零件的曲面较多，所以分模时会比较困难本次设计与以前所做的课程设计有着很大的不同。在本次设计中，核心零件都是基于UG 的优化模块实现优化设计。这是在具体方法上对传统设计的革命。传统设计计算繁琐且重复率较高，尤其在试凑计算时对经验要求很高，然而优化设计只要确定设计变量、确立优化目标、定好约束条件就可以由计算机去完成复杂的迭代计算。在完成本次毕业设计的过程中，本人渐渐地熟悉了注塑模具设计的一般过程和步骤。设计过程中需大量地运用已学过的知识，因此很好地巩固了书本上所学到的知识，配合自己动手所得到的实践经验，对所学知识（尤其专业知识）掌握得更加牢固。在本次设计过程中遇到过不少问题，例如对软件的不熟悉，软件的很多功能以前都没有接触过，因此需从头学起，边学边做，也因为这样，印象特别深刻，掌握得特别牢固。在设计过程中，模具的分型面的确定是比较难的，在UG中分型面的绘制也是比较难的，难点有凸有凹，不可以用拉伸的方法创建分型面，要用复制的方法创建分型面。又图中的面与面不在同一平面上，要用拉伸与合并的方法创建分型面。最终确定用复制的方法创建,然后用拉伸的方法创建平面的分型面，再用合并的方法合并各个创建的分型面，最后用延拓的方法使分型面到达模芯的边缘。通过这次模具设计，使我加深了模具方面的认识，在这个过程中，培养了自身的独立思考问题、解决问题的能力。致 谢经过长时间的撰写，此篇毕业论文终于完成了。由于时间仓促等原因，这篇文章中还是有很多的不足之处。本文在撰写过程中参考了大量资料，也得到我的指导教师傅建刚的精心指导。我要感谢学校里教过我的所有老师，如果没有你们的教育，我不可能学到那么多关于模具的专业知识，我也不可能学会机床的基本操作，你们三