毕业设计（论文）-汽车过滤器模具设计.doc

山东大学毕业设计论文摘要塑料制品的广泛应用推进了注塑行业的发展，作为塑料成型的一种重要工具，注塑模具的设计将会直接关系到塑件的质量和性能。本文概述了注塑模具的重要地位和作用；总结了计算机技术在模具设计和制造中的应用。运用计算机辅助设计(CAD)和分析(CAE)对发电机组滤清器外壳进行了注塑成型过程的模拟分析和工艺及模具的设计：包括对滤清器外壳的成型工艺性分析；运用Moldflow软件模拟充填、流动和冷却过程，预测成型过程中可能的缺陷并进行了优化；对注塑模具各个部分进行了设计，其中包括针对较复杂结构所设计的侧抽芯和斜顶机构；使用UG和CAXA电子图板软件完成了对装配模具和主要零件的三维造型与二维图纸的绘制；最后以型腔为例说明了注塑模具中典型成型零件的加工制造规程。关键词 注塑成型工艺；模具设计；数值模拟；发电机组滤清器外壳ABSTRACTThe development of the injection molding industry has been promoted by the wide use of plastic products. As an important tool of plastic molding, the design of injection molds has a direct effect on the quality and performance of plastic parts. The important status and role of injection molds were briefly introduced in this paper. The application of computer technology in mold design and manufacturing is summarized. The simulation of molding processes and the design of the mold structure for a filter shell are done by the method of Computer Aided Design (CAD) and Engineering (CAE).The following tasks are accomplished: Analyzing the molding manufacturability of the filter shell; Simulating the filling, flowing and cooling process using Moldflow，Forecasting and optimizing the possible defects in injection molding process; Analyzing and designing every part of injection mold, especially the design of side core-pulling and lifter body mechanism for complex structure; Completing the 3D modeling and 2d drawings of mold assembly and the main components using UG and CAXA electronic board; Illustrating manufacturing procedures of the typical molding parts in injection mold taking the cavity for example.Keywords: Injection molding process; Mold design; Process simulation; Filter shellII目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 注塑模具的重要地位和作用11.2 计算机技术在模具设计和制造中的应用11.3 课题的主要内容2第2章 塑件成型的工艺性分析52.1 塑件结构分析52.2 材料性能分析52.2.1 使用特性52.2.2 成型性能52.2.3 主要性能指标62.3 成型工艺分析62.3.1 注射成型过程62.3.2 成型工艺参数6第3章 注塑机型号的确定93.1 注射量的计算93.2注射压力的计算93.3锁模力的计算93.4 选择注射机10第4章 塑件的注塑模拟分析114.1 Moldflow软件简介114.2 注塑过程模拟分析前处理114.2.1 模拟分析流程114.2.2 模型导入与划分和修正网格114.2.3 材料设定124.2.4 设置浇口位置124.2.5 设置浇注系统134.2.6 设置冷却系统154.2.7 设置分析工艺参数164.3 注塑过程分析结果174.3.1 充填+保压分析174.3.2冷却分析204.3.3翘曲分析21第5章 模具结构设计235.1 分型面和型腔数量设计235.1.1 分型面的选择235.1.2 型腔数量的确定235.2 浇注系统的补充设计235.3 成型零件设计245.3.1 型腔结构的设计255.3.2 型芯结构的设计265.3.3 侧抽芯部分的结构设计275.3.4 成型斜顶部分设计275.4 模架的确定285.4.1 标准模架的选择285.4.2 各模板尺寸285.4.3 模架各尺寸的校核295.5 推出机构设计295.5.1 推出方式的确定295.5.2 脱模力的计算305.5.3 推杆尺寸的确定及单位压应力的校核315.6 模具其它部分的设计说明325.6.1 导向机构和开模限位机构325.6.2 排气和引气系统325.6.3 冷料穴和拉料杆的设计335.6.4 液压缸安装部分的设计335.7 整套模具的工作原理33第6章 注塑模具三维造型和二维工程图的绘制376.1 三维模型的创建376.1.1 UG注塑模具向导简介376.1.2 项目初始化376.1.3 成型零件的造型386.1.4 添加标准模架与标准件406.1.5 其他零件的手工造型与装配416.1.6 局部修改与细节补充426.2 生成二维工程图纸426.2.1 三维导出二维图纸426.2.2 二维图纸的修改编辑42第7章 典型成型零件的加工437.1 模具加工工艺过程437.2 滤清器外壳注塑模具成型零件的加工44第8章 结论45致谢47参考文献493第1章 绪论1.1 注塑模具的重要地位和作用塑料工业是国民经济中的一个非常重要的行业，石油工业的高速发展为塑料工业提供了丰富且廉价的原料，由于塑料具有密度小、耐腐蚀性强、电绝缘性能好等优点，引起了人们的普遍关注。随着国民经济的高速发展以及国家产业政策的调整，汽车、轻工、建材等行业及航空航天、医疗等新兴产业对塑料零部件的需求也越来越大，并呈现“以塑代钢”、“以塑代木”的发展趋势1。常见的塑件的成型方法有很多，如注塑成型、挤出成型、压塑成型、吹塑成型等。其中，注射成型能一次成型外形结构复杂、尺寸精度高的塑料制品，且成型过程自动化程度高，是塑料成型应用最广泛的加工方法之一。所有领域所应用的注塑制品，都要通过塑料模具生产出来。模具作为注塑成型的重要工艺装备，在成型过程中处于核心地位，其设计与制造水平直接影响着制品质量及生产效率等。根据国内外模具市场的发展状况，有关专家预测，未来我国的模具业经过行业调整后，塑料模具的比例将不断增大2。1.2 计算机技术在模具设计和制造中的应用传统模具的设计与制造，主要是依赖设计人员的经验，设计的速度、质量及可靠性因人而异，模具的设计缺陷、制品的质量问题只有在试模之后才能发现，造成模具制作周期长、制作成本高。又因为模具是单件或小批量的产品，传统的人工设计已经无法适用产品快速更新、质量日益提高的需求。计算机的应用已经成为模具生产领域中不可替代的手段，在设计和制造的过程中发挥了极其有效的作用。计算机辅助设计、分析和制造技术(CAD /CAE/CAM)能在计算机上分析和模拟模具的设计方案，在试模前发现设计中的缺陷，帮助技术人员修改和优化设计方案，提高一次试模的成功率3。CAD/CAE技术在模具设计与制造中的应用，极大的提高塑料模具的设计水平及制品质量，促进我国模具工业更快的发展。在现代模具设计与制造中，CAD是利用计算机对模具进行几何设计、实体建模、绘图等，目前在CAD应用方面，已经超越了用图板二维绘图的初级阶段，3D设计已经达到70%90%，为数控编程和CAD/CAE/CAM的集成提供了保障。CAE是利用计算机进行数值模拟分析计算进而评估和分析模型，从而对模具模型进行优化；CAE技术的应用使试模时间减少了50%以上4。CAM指设计的模具模型在经过CAE评估分析及优化后，最终进行加工刀具轨迹生成与仿真，产生数控加工代码，从而控制数控机床进行加工。采用CAD/CAE/CAM集成技术以后，制品一般不需要在进行原型试验，采用几何造型技术，制品的形状就能精确、逼真的显示出来，有限元分析程序可以对其力学性能进行预测，而且这种方法使产品模型设计、模具结构设计、模具结构分析、工艺设计及加工编程都以为数据为基础，实现数据共享，不仅能大幅度提高设计效率，且能保证模具质量，降低制作成本。设计师能从繁琐的绘图和计算中解放出来，集中精力从事诸如方案构思和结构优化等创造性的工作，尽可能的充分发挥设计人员的创造力，加快创新，进一步提高了模具企业的管理水平。对于注塑模具的设计来说，使用注塑模具CAD/CAE/CAM的功能可以进行塑料制品的几何造型、模具方案的布置，能够自动生成型腔表面形状、可以通过模架库选择标准模架、生成模具装配图和零件图、优化注射工艺条件和材料、模拟注射流动及保压过程、分析冷却过程、力学分析，模拟成型零件的数控加工仿真、最终生成零件的数控加工程序5。1.3 课题的主要内容本课题针对发电机组滤清器外壳（有产品三维造型，需使用侧抽芯和斜顶模具结构）进行工艺及模具设计。对塑料件进行工艺性分析，使用Moldflow软件进行流动过程模拟（CAE），确定最佳浇口位置及工艺参数，确定最佳工艺方案，确定总体模具结构，学习UG三维造型软件中塑料模设计模块的应用，进行塑料模具三维设计。生成并编辑主要模具零件的二维图纸（CAD），进行成型零件的制造工艺的制定；撰写设计计算说明书。通过毕业设计，掌握三维造型软件UG、注塑过程CAE软件Moldflow以及制图软件CAXA的使用，熟悉并掌握注塑模具设计基本原则与方法，能进行中等及稍高复杂程度的塑料件的工艺分析，注塑参数确定和模具结构设计。同时，通过本次设计能锻炼图纸绘制及尺寸及公差标注等工程制图能力、并培养撰写规范论文的3技能以及独立思考分析能力。本次设计要求工艺方案和模具设计原则正确；模具结构合理，工程图纸绘制正确，尺寸及公差标注无误，符合相关国家标准，故所设计模具可用于实际生产。发电机组空气滤清器主要是过滤活塞式发电机组工作时吸入的空气中的微粒和杂质的一种进气装置，由滤芯和壳体两部分组成。空气滤清器的主要要求是滤清效率高、流动阻力低、能较长时间连续使用而无需保养。其三维模型如图1-1所示。图1-1 滤清器外壳三维模型4第2章 塑件成型的工艺性分析2.1 塑件结构分析该滤清器外壳呈L状，外形尺寸为总长235mm、总宽160mm、总高80mm，总体壁厚2mm，壁厚分布较为均匀，外形尺寸在注塑成型的范围内。该塑件没有特殊的的精度要求，公差尺寸最大可以取到MT65，以降低注塑模具的加工难度和生产成本。考虑到滤清器外壳的外表面的美观，粗糙度可取Ra=0.8mm，对应型腔表面粗糙度Ra=0.4mm；内表面与滤芯接触表面粗糙度要求较低，粗糙度可取Ra=1.6mm，对应型芯表面粗糙度Ra=0.8mm。该塑件的部分结构自带有带有斜度，故不再另设脱模斜度，通过设计有效的顶出机构进行脱模。2.2 材料性能分析2.2.1 使用特性本课题中的发电机组滤清器外壳会接触到水汽或杂质，工作中可能会发生腐蚀、老化和漏电，还有长期的疲劳震动可能造成疲劳损害。为满足以上的工作要求，选用聚丙烯作为塑件材料。聚丙烯无色、无味、无毒，光泽好，易着色，不吸水；屈服强度、抗拉强度、抗压强度和硬度及弹性均比聚乙烯好。聚丙烯耐热性好，能在100以上的温度下进行消毒灭菌，其低温使用温度达-15，低于-35时会脆裂。聚丙烯的高频绝缘性能好，因不吸水，其绝缘性能不受湿度的影响。但是在氧、热、光的作用下极易解聚、老化，所以必须加入防老化剂。聚丙烯可以制作各种机械零件，如法兰、接头、泵叶轮、汽车零件和自行车零件，制作水、蒸汽、各种酸碱等的输送管道，化工容器和其他设备的衬里、表面涂层等，制造盖和本体合一的箱壳、各种绝缘零件及医疗器械零件7。2.2.2 成型性能聚丙烯是一种结晶性材料，吸湿性小，可能发生熔融破裂，长期与金属接触易发生分解；它的流动性好，溢边值应在0.03mm左右；由于冷却速度快，因此浇注系统及冷却系统应散热缓慢；PP成性收缩范围大，收缩率大，易产生缩孔、凹痕、变形，方向性强；成型时应注意控制成型温度，料温低方向性明显，尤其低温高压时更明显，模具温度低于50以下塑料件不光泽，易产生熔接不良、流痕；90以上易发生翘曲、变形；塑料件应壁厚均匀，避免缺口，尖角，以避免应力集中7。2.2.3 主要性能指标 聚丙烯的主要性能参数如表2-1所示。表2-1 聚丙烯（PP）的主要性能参数密度/(kg/dm3)0.900.91比体积/(dm3/kg)1.101.11吸水率（24h）pc1000.010.03收缩率s(100%)1.03.0熔点t/170176热变形温度t/0.46Mpa1021150.185Mpa5667抗拉屈服强度t/Mpa37抗弯强度f/Mpa67.5冲击强度an/(kJ/m2)无缺口78ak/(kJ/m2)缺口3.54.8硬度HB8.65R95105体积电阻率v/(cm)1016击穿强度E/(kV/mm)302.3 成型工艺分析2.3.1 注射成型过程滤清器外壳的注射成型工艺包括注射前的准备、注射过程和后处理三个主要阶段，具体流程如图2-1所示：2.3.2 成型工艺参数手册8推荐的PP注射成型工艺参数如表2-2所示：表2-2 PP成型工艺参数计算收缩率1.02.5%成型时间注射05s模具温度4080保压2060s压力注射压力70120MPa冷却1550s保压压力5060MPa总周期40120s注射前的准备对PP塑料颗粒的色泽、粒度、均匀度进行检验，进行必要的干燥注射机中加入PP料粒对空注射进行料筒清洗熔融塑料 注射充填 保压补缩注射过程推出塑件 冷却定型去除浇注系统凝料、飞边塑件的后处理退火处理图2-1 滤清器外壳注塑流程图8第3章 注塑机型号的确定3.1 注射量的计算本课题中已给定滤清器外壳的三维模型，通过UG软件的“质量属性”分析塑件，得到塑件的体积。塑件材料聚丙烯的密度为，得到的塑件质量为。浇注系统的凝料体积在设计之前不能确定准确的数值，但是可以根据经验数据按照塑件体积的0.21倍来估算。由于本次采用的流道结构相对复杂并且分流道较长，因此，浇注系统的凝料按塑件体积的0.5倍来估算。塑件和浇注系统凝料体积之和应在注塑机的公称容量的之间，即，所以。3.2注射压力的计算查手册知，PP厚壁件所需注射压力70100MPa，取，注射压力安全系数，取，则所选取的注射机的公称注射压力应满足。3.3锁模力的计算由UG注塑模具向导模块中的“计算面积”命令可以得到塑件在分型面上的投影面积。浇注系统在分型面上的投影面积，本课题中流道设计较为复杂，分流道相对较长，取。塑件和浇注系统在分型面上总的投影面 。模具型腔内的胀型力。式中，是型腔的平均计算压力值，通常取注射压力的，大致范围为。对于粘度较大的精度较高的塑料制品应取较大值，该塑件选用的聚丙烯材料粘度不高、塑件精度要求不高但塑件结构较复杂，故取。锁模力的安全系数，这里取，则。3.4 选择注射机根据以上计算，所选的注塑机参数应满足： 初步选定注射机型号为SZ-500/2000，其主要的技术参数如表3-1所示9：表3-1 SZ-500/2000注塑机的主要技术参数理论注塑容量/cm3500开模行程/mm380注塑量/g463.5塑化能力/(g/s)27.8螺杆直径/mm60拉杆内间距/(mmmm)435435注塑压力/MPa140最小模具厚度/mm200顶出行程/mm105最大模具厚度/mm450顶出力/kN40喷嘴球半径/mm20注塑速率/(g/s)60喷嘴口孔径/mm7.5锁模力/kN2000模具定位孔直径/mm160H7该注塑机的注射容量、注射压力和锁模力均能满足要求，对于其他参数的校核要等到模架选定，结构尺寸确定后方可进行。第4章 塑件的注塑模拟分析4.1 Moldflow软件简介Mlodflow软件是美国Mlodflow公司开发的用于塑料注射成型的分析软件，在注射成型分析领域中享有美好的声誉，并且拥有大量的客户。该公司是一家专业从事塑料计算机辅助工程分析（CAE）的跨国公司，自从1978年发布了世界上第一套塑料流动分析软件以来，一直主导着该领域的市场。目前，Mlodflow软件已广泛应用于汽车、航空公司、仪器仪表、信息产业、日用品、家电等众多领域。Mlodflow软件包括两个模块：快速试模分析（Mlodflow Plastics Advisers,MPA）和高级成型分析（Mlodflow Plastics Insight,MPI）10。1) MPA的主要功能用于普通模流分析。该模块可以读取给定的塑料制品CAD模型，并通过仿真分析，优化塑料制品设计及其模具设计。分析内容包括模拟塑料的填充过程、优化浇注系统结构、分析保压过程、评估所设计的冷却系统、预测制品的翘曲以及评估成本等。2) MPI的主要功能用于专业模流分析。该模块可以对整个注射成型过程进行模拟分析。分析内容包括计算最佳浇口位置，模拟填充、保压、冷却等过程，预测翘曲、纤维取向、结构应力和收缩等情况，以及模拟气体辅助过程等。4.2 注塑过程模拟分析前处理4.2.1 模拟分析流程Moldflow模拟分析的基本步骤为：新建项目引入模型网格划分检查网格修正网格选择材料设定分析序列设置浇口位置设定分析条件分析查看结果生成报告。4.2.2 模型导入与划分和修正网格本课题中的发电机组滤清器外壳，已有三维模型，如图1-1所示。在UG中导出iges格式，在Moldflow中新建项目，并导入之前的iges模型。由于零件整体壁厚较薄且相对均匀，故选用双层面网格（fusion）。设定网格全局边长为9mm。通过网格修复向导、自动修复、整体合并等工具对网格进行初步修正；通过删除单元、划分三角形网格等修复自由边和重叠区域；最后通过合并节点、交换边、重新划分网格等工具调整纵横比，使最大纵横比在20以内。经过以上网格划分和修改，最终网格统计和划分如图4-1所示。图4-1 修正后的塑件网格4.2.3 材料设定滤清器外壳材料选定为聚丙烯（PP），从材料库中选择了A Schulman GMBH公司生产的牌号为Polyflam RPP1058UHF-的聚丙烯（具体性能参数见表2-1），系统已给出的推荐工艺如下，可作为之后确定最终工艺参数的参考。模具温度范围：2080熔体温度范围：200280绝对最大熔体温度：320顶出温度：93最大剪切应力：0.26MPa最大剪切速率：24000 1/s4.2.4 设置浇口位置通过浇口位置分析，系统给出了默认工艺条件下的最佳浇口位置，如图4-2(a)所示，在此基础上根据浇口选择的原则又进行以下四个方面的考虑11：1) 从塑件上方进浇，使料流冲击到型芯壁上，从而使料流平稳地充满型腔，可以避免熔体断裂现象，从而保证注塑件的质量；2) 浇口设置在塑件上方，使凸出部分首先充满，最后充满的部分在分型面处，有利于气体的排出；3) 课题中滤清器外壳尺寸较大、结构复杂，单一浇口可能充填不满或充填时间较长，采用多个浇口能够缩短料流流程，提高熔接的强度；4) 塑件虽无表面质量要求，但是考虑便于浇口的去除，选用点浇口。最终确定的浇口形式为三个不同高度的点浇口，其具体排布形式如图4-2(b)所示。经过初步的充填分析和对比可以看出三个点浇口比单一浇口充填更为平衡。 (a)最佳浇口位置分析结果 (b)最终浇口方案图4-2 最佳浇口分析4.2.5 设置浇注系统确定使用点浇口后，浇注系统结构即可确定为主流道、一级分流道、二级分流道和点浇口。浇注系统尺寸的确定是先由经验公式得到初定值，再通过模拟结果进行小幅修正12。为便于试模后的修正，浇口尺寸暂时取较小值，确定为：。因为浇口高度不一致导致二级分流道长度不同，设计时使三条二级分流道的末端尺寸相同均为6，流道单边斜度取1.5以便于凝料的取出；流道长度由流道分模面决定，定三条二级分流道的长度依次为29mm、59mm、82mm。一级分流道承担分流和平衡料流的作用，选择等效直径为10的梯形截面，如图4-3，加工方便，长度为115mm和20mm两段。图4-3 一级分流道截面形状主流道长度应尽量减短以保证流道凝料顺利取出，同时还可减少压力损失和流道废料。主流道长度定为；主流道小端直径和球面半径由注塑机喷嘴尺寸来取：，球面高度，取6.5mm；为保证可靠脱模主流道单边斜度取1.5。以上确定了浇注系统各部分的尺寸，由于左侧分流道较长，为保证塑件各处同时充满，主流道位置的设置应尽量使三个浇口的料流流程相同，通过模拟和优化最终确定主流道进浇点在偏离左侧浇口40mm处，且该位置偏移塑件中心较少，能保证模具处在注射机的压力中心上。在Moldflow中通过坐标和偏移生成节点，创建柱体网格并通过属性设置定义流道类型和尺寸，生成的浇注系统如图4-4所示。图4-4 浇注系统布置图4.2.6 设置冷却系统冷却系统计算时暂不考虑模具因空气对流、辐射以及与注射机接触所传导的热量，冷却介质选用常温水。通过Moldflow中的成型窗口分析得到推荐的熔体温度为230，模具温度为80。1) 流道形状和尺寸已经确定，塑件和流道的总体积一次注射的PP塑料质量2) 模拟过程中注射时间约为1.6s，暂时取2s；由于PP单位热流量较大，故冷却时间取到40s；塑件推出时间一般取8s。因此成型周期。3) 所以每小时的注射次数为次；单位时间内注入模具的熔体质量。4) 查手册得到单位PP塑件凝固时所放出的热量；设入水口温度，出水口温度，；则冷却水的体积流根据手册推荐值，取。5) 冷却水在管内流速：6) 查表可得到系数，则冷却管壁与水交界面的膜传热系数为：7) 冷却水通道的导热总面积：8) 冷却水管的总长度：根据以上对冷却水道长度的估算，结合塑件本身结构，合理避免小型芯或嵌件位置，确定以下水道形式（如图4-5）：型腔部分在型腔嵌件开设一条水道，考虑连接水管不妨碍取件操作，出水口和入水口在同侧；型芯深腔部分设置两条带隔水板的水道，一条直径为12mm，开设在隔水板水道开在小型芯上、引导水道开在型芯固定板上；另一条直径16mm，开在型芯上，出入水口均在同侧。以上设置的冷却水道总长约为715mm，大于理论计算值。图4-5 冷却水道布置图4.2.7 设置分析工艺参数结合材料的推荐工艺参数和成型窗口分析得到的最佳工艺参数，确定最后的分析工艺参数如下：计算收缩率2%成型时间：注射2s保压26s冷却50s开模时间：8s总周期：76s模具表面温度：80熔体温度：230压力： 注射压力 90MPa保压压力 55MPa充填控制：自动速度/压力切换：由%充填体积，100%保压控制：保压曲线分析中注射处的压力约在2s时达到峰值，在24s时降为0，由此可判断第一段保压结束时间为（2+24）/2=13s，除去注射时间第一段保压11s；又浇口冻结时间为26s，故第二段保压时间为15s；塑件收缩率较大，为保证有效补缩取保压压力为55MPa（在推荐范围内），最终得到保压曲线如图4-6。图4-6 保压曲线的确定4.3 注塑过程分析结果对滤清器外壳的成型模拟包括充填、保压，冷却和翘曲三部分。4.3.1 充填+保压分析充填过程的合理性由充填时间、流动前沿的温度、体积温度、压力、气穴、熔接痕等结果来表征。充填分析可以对塑料熔体从开始进入型腔直至充满型腔的整个过程进行模拟。根据模拟结果，可以得到塑料熔体在型腔中的充填行为报告，获得最佳浇注系统设计，主要用于查看塑件的充填行为是否合理、充填是否平衡、能否完成对塑件的完全充填等。可通过分析避免流动不平衡、短射等问题。同时获得注射压力和锁模力的最低值，为经济地选取注射机提供依据。保压分析过程主要分析保压是否合理，主要参数为顶出时的体积收缩率、缩痕指数等；流动分析包括充填和保压两个阶段，用来模拟塑料熔体从注射点进入型腔开始，直到充满整个型腔的流动过程。其目的是为了获得最佳的保压阶段设置，从而尽可能地降低由保压引起的塑件收缩、翘曲等质量缺陷，降低收缩率，通过建立正确的保压条件，避免出现过保压13。图4-7给出了t=1.662s充填结束时的充填情况，所选注塑机的注射时间能满足充填时间的要求；且图4-7中红色区域即两个末端能够同时充满，充填相对平衡。图4-7 充填时间模拟效果图图4-8分别给出了进浇点(N32856)、浇口位置(N32780)、最后充填位置(N5508)以及制件上任意取得两点(N6945、N6715)上压力随时间的变化曲线。可见在整个充填过程中各处的压力比较平衡，且远小于注射机能提供的最大注射压力。图4-8 压力随时间变化曲线图体积温度：充填过程中温度较高的区域，最高温出现在1.550s，为235.4，低于材料的降解温度，说明注射温度在合理范围内。流动前沿的温度在230.1218.4范围内（图4-9），温差为11.7，温差较小，在可接受的范围内。图4-9 流动前沿温度图图4-10中熔接痕较多，主要存在于浇口的中间以及方形腔与细管接头的地方，对比图4-9熔体流动前沿的温度可知熔接痕区域熔体温度较高，因此质量较好，对制件的性能影响较小。图4-10 可能出现熔接痕的位置如图4-11气穴主要分布于分型面上，可以通过分型面或小型芯间隙进行排气，不需另设排气槽。顶出时的体积收缩率和缩痕指数如图4-12所示，除浇注系统部分，其他部分收缩均匀（约3%）且收缩较小；缩痕指数小，塑件质量能够得到保证，能够减小因收缩不均而引起的翘曲变形。图4-11 可能出现气孔的位置图4-12 顶出时的体积收缩率4.3.2冷却分析冷却过程应保证制件冷却均匀、结束后达到顶出温度以下、冷却液温升合理，主要查看回路冷却介质温度、回路的流动速率和雷诺数回路管壁温度、冻结时间、最高温度、平均温度等；冷却分析用来模拟塑料熔体在模具内的热量传递情况，通过以上的分析并不断从而可以判断塑件冷却效果的优劣，优化冷却系统设置，缩短塑件的成型周期，提高生产速率，提高塑件的成型质量14。由分析可知该模型中冷却回路的流动速率为4.234lit/min，雷诺数大于10000，满足湍流的条件，可以达到较好的冷却效果；回路冷却介质在出口和入口处的温度分别为25.65和25.01，温差为0.54，温升较小，各处冷却效果较好、冷却效率均匀；回路管壁温度在25.4228.63范围内，温差为3.19，小于5，以上参数均符合要求。图4-13给出了制件各处的冻结时间，制品局部冻结时间较长，可达到96.99s，即顶出时还未完全结晶，此处可以通过改善塑件结构的方法进行优化；而对于塑件的其它部分在冷却结束后（t=50s）已经冻结且基本冷却，可达到顶出的要求。图4-13 制品的冻结时间总体来说，塑件的平均温度分布如图4-14，塑件整体冷却均匀，除个别区域，可通过延长冷却时间使制件达到顶出条件；冷却条件合理，能够减少因冷却不均而造成的翘曲和变形。4.3.3翘曲分析通过翘曲分析可以模拟塑件成型过程，对成型结果的翘曲变形进行预测，减少失误，从而确定改进方案和措施。翘曲分析的目的就是预测模拟成型过程中发生翘曲变形的情况，查出发生翘曲的原因，从而优化模具设计及工艺参数设置，以获得高质量的塑件14。图4-14 冷却后的制件平均温度总体翘曲变形图如图4-15，最大变形量为1.047mm，相对变形较小，即各参数设置较为合理。图4-15 总体翘曲变形冷却引起的翘曲变形较小，最大值为0.0504mm；收缩引起的翘曲变形较大，可继续进行保压分析改善收缩不均；由分子取向引起的翘曲变形最大值为5.82110-8mm，变形非常小，可忽略不计。总体来说，经过Moldflow分析模拟，最终得到了合适的浇注系统尺寸，完善了注塑工艺参数，为模具设计和产品的制造工艺提供一定的参考。第5章 模具结构设计5.1 分型面和型腔数量设计5.1.1 分型面的选择根据分型面的选择原则，分型面应选择在塑件的最大截面初以保证顺利脱模，但滤清器外壳的最大截面并不在一个平面内，因此设计以斜面过渡来保证型芯和型腔的闭合，如图5-1所示。如此设计分型面还能保证滤清器外壳外观质量不受影响，毛刺及飞边在边缘处便于清除；该分型面还是模拟过程中可能出现气泡的位置，有利于排除模具型腔内的气体；最后确定型腔在定模侧，保证分模后塑件留在动模一侧，便于塑件的顶出。图5-1 分型面的选择5.1.2 型腔数量的确定由于塑件尺寸相对较大，一模多腔的设计可能无法选用同时满足注射量、注射压力和锁模力需求的注塑机，其相应的模架尺寸和成型零件也会很大，成本更高、加工制造的难度也会加大，同时也不利于使用过程中模具的运输和安装；而且塑件结构较复杂，有需要使用斜顶推出的部分，即零件成型后需要从侧向取出，多模腔设计不能保证各个模腔向同侧取件。综合以上分析，确定对该塑件使用单模腔的设计。5.2 浇注系统的补充设计浇注系统各部分的结构和尺寸已由模拟分析所确定，现对浇口套和定位圈等浇注系统零件进行补充设计。由于主流道要与高温塑料和注塑机喷嘴反复接触和碰撞，通常不直接开在定模上，而是将它单独设计成浇口套套镶入定模板内。由于受型腔或分流道的反压力作用，主流道衬套会产生轴向移动，所以主流道衬套的轴向定位要可靠。本例中采用单独的定位圈进行定位，以便于拆卸更换和采用更优质的钢材和热处理15，切向采用防转销定位。浇口套材料采用碳素工具钢T10A,热处理淬火表面硬度为5055HRC；定位圈加厚以减小主流道长度；浇口套上端与定位圈孔采用H7/k6过渡配合。定位圈与浇口套三维模型如图5-2所示。 (a) 定位圈 (b) 浇口套图5-2 定位圈与浇口套三维模型为便于从主流道中拉出浇注系统的凝料以及考虑塑料熔体的膨胀，主流道设计成圆锥形，其锥度取3，过大会造成流速减慢，易成涡流，内壁粗糙度为Ra=0.4um。外壁与定模座板孔采用H7/m6过渡配合，Ra=0.8um。一级分流道为梯形截面，表面粗糙度取Ra=1.6um；二级分流道的表面粗糙度取Ra=1.6um，脱模斜度为3。5.3 成型零件设计根据对成型塑件的综合分析，该塑件的成型零件要有足够的刚度、强度、耐磨性及良好的抗疲劳性能，同时需考虑它的机械加工性能和抛光性能。本例中塑件內形较复杂，故型芯、滑块以及斜顶材料选用高合金工具钢Cr12MoV；外形磨损相对较小，考虑使用寿命，型腔选择P2016。5.3.1 型腔结构的设计型腔用于成型制品的外表面。由于滤清器外壳的外表面连续且多为曲面或弧面，不适于拆分；采用整体嵌入式型腔结构更换方便、节约模具材料。图5-3所示A处为较高的壁板，会在型腔上形成不易加工的深槽，因此设计成型腔嵌件，通过台阶固定在整体型腔上对该处进行成型。图5-3 型腔侧复杂结构及小型芯 如图5-4所示，型腔镶件与定模板采用10斜面定位配合，即左右方向和前后方向单侧做成斜面，定模板底部圆角为R5，型腔镶件配合圆角R3；安装时将镶件放入定模板后敲紧，底部留有0.5mm间隙以保证四周完全接触，然后用6个M8螺钉直接固定。按照经验数据，型腔壁厚度取18mm，底板厚度取。图5-4 型腔镶件的固定5.3.2 型芯结构的设计型芯用于形成制品的内表面。由于零件本身存在一处较高的肋板（如图5-5 A处），在型芯上表现为不易加工的深而窄的槽，加上外壳主主体与滤芯管处的连接可以拆分（B处），因此确定主要的型芯设计为三部分镶拼块，有四处通孔（C处）和侧边的两处深腔（D处）设计成小型芯，通过台阶安装在主型芯上；E处的内部侧向通孔采用斜顶进行成型。图5-5 型芯侧的复杂结构与定模侧类似，见图5-6中型芯与动模板采用10斜面定位配合、各镶块分别用M8螺钉固定。图5-6 型芯镶件的固定5.3.3 侧抽芯部分的结构设计滤清器外壳放置滤芯处的细长管状结构与开模方向不一致，成型后必须通过侧向分型才能取出塑件，因此通过滑块带动的侧向抽芯机构对其进行成型。抽芯距，其中侧孔深度h最大为81mm。可见抽芯距很长且侧孔没有斜度，所需的抽芯力较大，因此采用液压抽芯。如图5-7所示，滑块与侧向成型芯做成一体，滑块末端和液压缸芯的头部分别用线切割做出一个T型槽，二者通过0.15mm的间隙进行配合，使液压缸的动力施加到滑块上。图5-7 侧抽芯滑块及液压缸缸芯加工制造时，先把滑块T形槽板用螺钉锁紧在模板上，并打上销钉进行定位，然后再用T形刀加工出滑块T形槽，以保证模板和滑块滑板上的滑块槽位置对准，滑块能顺利滑动。5.3.4 成型斜顶部分设计图5-4所示E处的内部通孔无法通过普通型芯进行成型，因此考虑采用斜顶来成型内表面。斜顶的成型部分宽度为18mm，推荐斜度为512，取8，则所需的斜顶推出高度应为。而实际上所设置的推出行程仅为66mm，不能满足斜顶的侧向行程的要求，又考虑斜顶推出侧向分开一定距离后从侧边取件，可有效解决该问题。斜顶截面应在不干涉推出的情况下取较大值以保证强度，本设计中取1218mm；斜顶由型芯镶件和模板上的孔做斜向导向，顶出时，斜向运动分解为向上顶件的运动和圆柱销带动的在斜顶导槽内的横向运动。推出机构达到极限位置后，塑件脱离型芯，但部分斜顶仍伸进塑件内孔中，此时从侧向即可取出塑件。斜顶机构的三维模型如图5-8所示。图5-8 斜顶成型机构5.4 模架的确定5.4.1 标准模架的选择模具的大小主要取决于塑件的大小和结构。对于本课题中滤清器外壳注塑模具而言，在保证足够强度和刚度的条件下，结构越紧凑越好，可以以塑件布置在推杆推出范围之内及复位杆与型腔保持一定距离为原则来确定模架大小，可以大致按下列经验公式来计算17：塑件在分型面上的投影宽度塑件在分型面上的投影长度又考虑凹模最小壁厚（18mm）及模套壁厚，导柱导套的布置及冷却水道，最终选择简化点浇口JCT型模架的4040系列，即WL=400400mm，即定模两块模板，动模一块模板。5.4.2 各模板尺寸的各模板尺寸及标准件布置如表4-1所示。表5-1 模架 的详细参数代号名称长度/mm备注高A定模板100型腔嵌入深度+底板厚=80+20=100mmB动模板50型芯嵌入深度+底板厚=30+20=50mmC垫块130H5+H6+推出行程+(510)=126131mmH1 动模座板30H3推件板40H4定模座板50H5推杆固定板25H6推板30H闭合高度400H=H1+H3+H4+A+B+C=30+40+50+100+50+130=400mm宽W1模座板宽450W2垫块宽68W3推板和推杆固定板宽260W总宽400长L总长400其他D1导柱直径435W6L7导柱间距324324D2复位杆直径425W4L2复位杆间距198340W7L6动模座板螺钉间距3302446M16W5L1推板螺钉间距2343744M125.4.3 模架各尺寸的校核模具的平面尺寸：400400435435（拉杆间距），校核合格。模具的高度尺寸为400mm，200mm（模具的最小厚度）400mm450mm（模具的最大厚度），校核合格。模具的开模行程：注射机最大开模行程应大于模具开模时取出塑件（包括浇注系统）所需的开模距：S=推出距离+塑件高+浇注系统分型面开模距+(510)mm=66+83+142+(510)=(296301)Smax=380mm，校核合格。5.5 推出机构设计5.5.1 推出方式的确定塑件边缘曲折，不适于用推板推出；而推杆制造简单、更换方便且推出效果较好，因此选用五根推杆作为滤清器外壳的推出机构。5.5.2 脱模力的计算由于塑件结构复杂，脱模力计算较为复杂，因此将塑件分块计算脱模力，以各主要部分锁模力之和简要估算推杆直径18。图5-9中将塑件脱模力较大的区域分为了五个主要部分。以下为各部分脱模力的计算。图5-9 脱模力的估算1) ，所以1区域可视为薄壁矩形件，2) ，所以2区域可视为薄壁矩形件，3) ，所以3区域可视为厚壁圆形件，4) ，所以4区域可视为薄壁矩形件，5) ，所以5区域可视为薄壁矩形件，综上，估算脱模力为。5.5.3 推杆尺寸的确定及单位压应力的校核圆形推杆直径可由欧拉公式简化获得：在不干涉其他结构的情况下，推杆直径应尽量取大；又五根推杆由于位置不同长度不全一致，根据型芯面高度及周边结构确定推杆长度与直径如图5-10所示。如此，设计的推杆直径所能提供的脱模力远大于计算值，且斜顶部分也起到脱模作用，故校核合格。推杆上端与型芯为H8/f8间隙配合，配合长度均为10mm。复位杆的直径、长度及分布根据标准模架来确定；复位杆上端与动模板为H7/m6过渡配合，配合长度取20mm。图5-10 推杆的尺寸与分布图5.6 模具其它部分的设计说明5.6.1 导向机构和开模限位机构本文中采用简化点浇口模架，采用一套带头导柱和带头导套进行导向。由模架确定导柱直径为35，长度取250mm；长导柱与定模座板为H7/m6过渡配合，配合长度取32mm。由模架确定导套内径为35mm，长度为100mm，导套与定模板为H7/m6过渡配合；配合长度85mm。导柱和导套之间采用H7/f6间隙配合。点浇口模架须有两个分型面保证塑件和浇筑系统凝料的取出。限位拉杆作用是限制浇注系统分型面的开模行程，同时起到一定的导向作用。限位拉杆的长度由浇筑系统高度所决定：，取150mm。根据手册经验值，直径为16mm，螺纹头为M1218，底部台阶为2412。5.6.2 排气和引气系统该塑件由于采用三个点浇口进料，最后充型的部位位于分型面上型腔与型芯的接触处，且模具设计中多处使用小型芯，可利用各镶块间隙进行排气，故不再单独设置排气系统。由CAE模拟分析也看出气泡可能出现的位置均在分型面附近。引气系统的设置是为了防止脱模时型腔内部形成真空使得脱模力很大或脱模困难。本设计中采用点浇口，顶件之前点浇口已经被拉断，型腔内部可通过三个点浇口与外界联通，故也无需再设置引气系统。5.6.3 冷料穴和拉料杆的设计冷料穴的作用是收集熔体前锋的冷料，防止冷料进入模具型腔而影响制品的质量。本设计中在一级分流道末端设置三处冷料穴。为保证浇注系统凝料顺利取出，在二级分流道对面的定模座板上设置三个圆弧锥面拉料杆，其中两处由定位圈限位，另一处用M12的无头螺丝顶住；拉料杆与定模座板孔为H7/k6间隙配合。开模时，拉料杆的弧面钩住凝料使之从二级分流道中脱出，同时将浇口拉断。5.6.4 液压缸安装部分的设计液压缸安装板通过螺钉固定在导滑槽板上，导滑槽又通过螺钉和销钉固定在动模板上，缸芯穿过固定板与滑块的T形槽连接，如图5-11所示。图5-11 液压缸安装部分模型5.7 整套模具的工作原理如图5-12所示，注塑模具动模侧和定模侧分别安装在注射机的移动模板上，液压缸放置在上方，连接管道的出入水口在后侧和下侧。注射过程中动模侧在注射机合模系统的带动下与定模对合，此过程中导柱导套来保证合模精度。合模之后型腔与型芯形成与塑件形状一致，尺寸比例为1.02的闭合的注塑空腔。型芯与型腔在注射机合模系统提供的锁模力作用下锁紧，随后塑料熔体从注射机的喷嘴喷出，经过主流道、分流道和点浇口浇口进入型腔。熔体充满型腔之后进入保压补缩阶段，