毕业设计（论文）-双联圆柱直齿轮注射成型工艺优化及模具设计（全套图纸）.pdf

1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 课题背景 当今社会，科学技术的发展日新月异，模具注塑成型技术在近几年来得到大力推广，由 于其大批量生产的特点，在制造领域的各行各业均占有一席之地，应用前景无可限量。随着 人民生活水平的日益提高，人们对产品的要求也越来越高，产品的更新换代越来越快，机械 制造业也不例外。各类零部件的精度等级、外观质量、力学性能、化学特性等各方各面的要 求也越来越高。在如此的发展趋势下，注塑成型技术的推广势在必行，其定位精度高、制造 周期短、制造成本低、高效自动化生产等优势突出，这使其在模具设计中，成为近年来研究 的热点和主要方向。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 注射成型是一种生产由热塑性塑料或热固性塑料所构成的部件的过程。 相比于金属制造 成型，注塑成型更加灵活多变，可变性更强，操作更加简单易行。注射成型广泛用于制造绝 大部分的塑料制品。 随着科技的蓬勃发展，各类先进模拟技术的应用，如 Moldflow，Pro/e 等计算机技术， 注射成型技术向着高精度， 高自动化方向发展。 本课题是以双联圆柱直齿轮塑料零件为研究 对象， 对塑件的注射成型充填过程进行模拟并根据结果进行模具设计工作， 此零件具有质量 轻、结构精密的特点，属于典型的注射成型塑件。 如今人们对产品的要求越来越高，模具设计的传统方法已经无法追上社会发展的步伐。 引入 CAE 技术势在必行，这对于模具的设计、制造和加工有着重大的意义，成为一个重要的 里程碑。 模具设计的传统方法指的是工作人员在设计时对产品进行经验评估，然后进行模具设 计，待完成之后进行试模，如果发生问题，那么就要重新根据产品的结构特点和功能要求继 续设计修改。这样一来就无形增加了产品生产的周期，流程如图 1-1 所示。 2 图 1-1 传统齿轮模具设计流程 计算机辅助注塑成型技术在以后的应用前景中有着巨大的优势， 其主要特点是模具设计 与模具制造采取双管齐下的工艺路线， 模具的设计与制造建立在一个统一的基础之上， 这提 高了模具设计制造的准确度和精度要求， 有效缩短模具制造的周期和成本， 保证了产品的质 量，流程如图 1-2 所示。 图 1-2 参数化齿轮模具设计流程 1.2 模具注塑成型 美国上市公司， 即 Moldflow 公司是一个主要研究开发 CAE 注塑成型软件和指导创新的 公司，多年以来，一直力主 CAE 技术开发研究的市场，利用 CAE 技术创造了更多的财富，在 诸多领域硕果颇丰。 利用 CAE 技术的最大优点在于在制造加工模具前， 可以通过电脑上对产品注塑成型的整 个过程进行非常准确的的模拟分析，包括充填、保压、冷却等模流分析，以及制品的力学性 能和体积收缩率等各方面。 这样做相当于设计者在设计完之后可以先虚拟自己的设计方案是 否合理，还有哪些地方可以改进，再进行模具的制造加工。这极大的提高了模具的精确性和 缩短了制品生产的周期， 有效的节省了金属材料和制品塑料， 避免了过多的资源浪费和环境 污染，符合中国可持续发展的国策 。 CAE 技术应用于模具注塑成型中各个方面，历来是众多学者专家研究注塑成型的重点。 3 武汉理工大学冯玮 1用 PrIDENGINEER Wildfire 的注塑充模模拟模块 Plastic Advisor 进行齿轮的填充注塑的模流分析，研究表明根据熔接痕大小和气泡的位置可以确定 齿轮注塑的最佳浇口位置和数量以及相应的成型工艺参数， 其中三点均布的浇口设置能够提 高齿轮的质量，比单个浇口进浇更加优越。 南京航空航天大学姬雷雷， 张益华等人 2采用最新的 CADCAECAMProE ngineer 软 件来实现三维设计，证明其优越性。 湖北汽车工业学院向雄芳，胡群，向雄彪等人 3结合目前的先进的 CAE 技术，发现利用 电铸加工齿轮的型腔，可以提高其齿轮的设计精度和制造精度。 湖南科技大学伍先明， 陈贤勇等人 4分析了双联塑料齿轮的结构特点和成型工艺性, 阐 述并给出了了 4 个分型面的设计依据和模具的工作过程。 大连理工大学模具研究所王学虎，祝铁丽，宋满仓，刘永云等人 5在参考 Moldflow 软 件模拟结果的基础上确定了最佳的浇口位置， 发现采用潜伏式浇口和推板顶出可以提高内齿 轮制件的外观质量和力学性能。 综上所述，Moldflow 模拟技术和 CAE 技术是新型注塑成型技术的核心。合理应用先进 注塑成型技术可以大大提高注塑零部件的生产效率， 降低生产成本， 实现模具设计的大量生 产化和自动化，并广泛应用于各个领域。本次毕业设计中将主要运用 moldflow 对双联圆柱 直齿轮进行工艺参数优化，并采用三点均布式进行模流分析，运用 pro/e 和 EMX4.1 软件进 行模具的结构设计。 1.3 塑料齿轮结构特点 塑料齿轮发展历史较短，仅有半个世纪，但是如今却在诸多领域里面多有建树，之所以 如此，源于其惯性小，抗噪声能力强、润滑性好、质量轻等特点。它是一种区别于传统金属 齿轮的非金属新型齿轮。塑料齿轮采用模具注塑成型工艺，制造精度高，成本低，生产效率 高。在全球航天、汽车等工业飞速发展的今天，塑料齿轮的开发前景将难以预测。 尽管我国早在 20 世纪 60 年代末就已经有非金属齿轮， 起步不算太晚， 但是国内塑料齿 轮近况堪忧，大部分高档非金属齿轮还是需要向国外进口，由此看来，国内塑料齿轮注塑成 型技术还需要进一步的提高。 注塑成型的小模数塑料齿轮被广泛应用于精密仪器、 电子设备、 通信工程和航空航天等 行业。和金属齿轮相比较的话，注塑成型的塑料齿轮有着一定的优势，它主要具有密度小、 噪声低、自润滑、惯性小和加工成本较低等显著特点。 当今社会，注塑成型的塑料齿轮材料主要有聚甲醛、尼龙等，其中就以聚甲醛和尼龙最 为常用。两种材料都有一定的韧性和耐久度，但是相比之下尼龙的吸湿性较大，在制造时容 易引起尺寸变化，进而影响到齿轮的尺寸精度，以至于不能正常的工作。相反，聚甲醛吸湿 性极好，能够很好地保证齿轮的形位公差和尺寸精度，再者，聚甲醛在齿轮方面的使用已经 半个世纪了，各项技术趋于完善，这使得聚甲醛成为传动齿轮成型材料的第一首选。 塑料齿轮除了在材料性能上和金属齿轮差异较大之外， 在其本身特性上也有着较大的差 异，简要介绍如下： （1）与金属齿轮相比，塑料齿轮的刚度，强度较低，收缩率较大。 （2）与金属齿轮相比，塑料齿轮的弹性模量较小，容易发生变形。 （3）与金属齿轮相比，塑料齿轮的外观可以进行着色处理，可加工型强。 （4）与金属齿轮相比，塑料齿轮具有很好的柔韧性和抗噪能力，对环境的污染更少。 4 总之， 塑料齿轮最大的优势在于许多传统制造工艺难以加工的齿轮都可以通过注塑成型 技术得以实现，这是一个划时代的创举。 1.4 注塑成型工艺参数 影响齿轮注塑成型工艺的参数主要有保压时间，保压压力，熔体温度，注射压力，注射 时间和模具温度等。 一般的小模数塑料齿轮的模数在 0.31，考虑到传动比的要求，塑料双联圆柱齿轮的 大齿轮和小齿轮的直径差较大，考虑结构和安装要求，两齿轮的壁厚比在 1：3。图 1-3 是 一般的双联小模数圆柱直齿轮结构，齿轮的径向壁厚约 11.5mm，小齿轮的径向壁厚约 4.5mm。齿轮径向壁厚差较大，双联圆柱齿轮制造时，体积收缩率易于影响尺寸精度，而由 于大小径向尺寸差距较大， 体积收缩率较大， 故而体积收缩率影响尺寸精度和行位精度较大， 减小体积收缩率是考虑双联圆柱直齿轮工艺参数的首选要素， 也是工艺参数优化内容的重中 之重。 图 1-3 双联小模数齿轮结构图 江南大学机械工程学院赵亦兵， 周建华等人 6采用注塑过程数值模拟手段， 结合 Taguchi 实验设计方法， 对小模数齿轮的精密成型工艺进行模拟实验。 通过对实验数据进行信噪比和 方差分析， 研究了模具温度、 保压压力和保压时间及其三者的交互作用对小模数齿轮顶出时 体积收缩率的影响 6 。结果表明，影响小模数齿轮体积收缩性能的因素从大到小的顺序为： 模具温度、保压压力和模具温度与保压时间的交互作用 6 。 另外，土耳其马尔马拉大学穆斯塔法库尔特，萨班坎伯，优素福凯内克等人 7通过压力 传感器和压力温度联合传感器成功的获得了多型腔模具注射中连续精确的测量数据。 得 出以下结论： （1）测量点距浇道的距离会影响最终的测量数据。由于不平衡的浇道和浇口系统，各个 型腔获得的压力值是不统一的。 （2）模具温度的上升或下降无论初始条件如何都遵循了一个相似的规律。 （3）型腔压力和模具温度强烈的影响塑件 X、Y 和圆周方向上的收缩情况，具体地说就 是型腔压力和模具温度越高，产品 X、Y 和圆周方向上的收缩变化就会越小。 综上所述， 合理的组合和优化影响塑料齿轮的各工艺参数可以有效地改善聚甲醛材料成 型双联圆柱齿轮较大的体积收缩率，从而更好地提高产品的质量 6 。模具温度、保压压力和 保压时间的增大可以减小产品的成型收缩率，但是也有各自的极限，超过则适得其反。在对 双联圆柱直齿轮注射成型的工艺优化中， 由于采用聚甲醛作为零件注塑材料， 其收缩率较大， 故将主要分析工艺参数对其体积收缩率的影响， 并采取计算性噪比和方差的方法来研究工艺 5 参数对双联圆柱齿轮注塑成型的影响。 1.5 注塑成型设备 近年来，不管是消费电子产品还是模型玩具，产品的更新换代越来越快，塑料制品的替 换周期也越来越短， 小型注塑机逐渐引起人们的关注， 就是因为他能适应微细型制品种类多、 交货期短、品种多、小批量化的特点，使用小型注塑成型级的小型模具制造各种不同批量的 产品能提高材料的有效利用率，缩短成型周期，减少模具制造费用、提高生产效率并节约空 间和节能资源。 国内外较著名的小型注塑机有宁波海天、德国德马格和日本东芝等。小型 注塑机的特点为： （1）高注射速率：由于小制件在注射成型时需要在很短的时间内完成，考虑到质量，体 积小，在注塑过程中易造成熔体的凝固，故而应该减少注射的时间。200 mm / s 的传统液 压注塑机的注射速度较低，电气- 液压注塑机模型可以达到600毫米/秒。 （2）精密注射量计量：小型注射成型加工设备需要控制精度达到毫克水平，以确保精密 注塑精度。传统的注塑机往往是一个线性往复螺旋注塑结构。 （3）快速反应能力：小型注射成型工艺，注射量相当小，相应的注塑设备，螺杆/柱塞 移动行程相当小， 因此微注射成型设备的驱动装置必须有非常快的响应速度， 从而保证该设 备可以达到瞬间所需的注射压力。 本次毕业设计的为小模数双连圆柱直齿轮，由于尺寸较小，故采用的是小型注塑机，在 这方面，德国和日本的注塑机更具优势。 1.6 课题研究主要内容 本次设计内容主要包含以下两个方面： 第一、利用 Moldflow 软件双联圆柱直齿轮进行成型工艺参数优化，实验研究的结果为 一组最优成型工艺参数组合，而后在做一组对比实验，深入分析影响制件表面质量的因素； 第二、根据双联圆柱直齿轮注射成型的特点进行模具设计， 选择点浇口进浇， 采用三板 式结构的模具，从浇注系统设计、脱模机构设计、模架选择等方面考虑,具体主要流程如图 1-4 所示。 6 图 1-4 设计流程 第第 2 章章 双联圆柱直齿轮零件结构设计双联圆柱直齿轮零件结构设计 2.1 双联圆柱直齿轮塑件分析 双联圆柱直齿轮塑料零件三维图如图 2-1 所示， 具体尺寸如二维图 2-2 所示， 齿轮参数 如表 2-1 所示。该塑件结构较小但较为简单，为保证齿轮精度和尺寸稳定性，材料选择为 POM，零件要求如下。 7 图 2-1 齿轮三维图 图 2-2 齿轮二维图 表 2-1 双联圆柱直齿轮参数 （1）齿轮塑件外形尺寸：大齿壁厚 4mm，小齿壁厚 2.8mm，壁厚相差较大，注射成型时 齿轮精度受其体积收缩变化的影响较大。 （2）齿轮塑件精度等级：塑件为小模数双联圆柱直齿轮，精度设计为 5 级。 2.2 材料选择与性能分析 塑料齿轮的制作材料有多种，例如 POM、PA、PC、PPA、ABS、PPS 等，各有优劣。 聚甲醛（POM）吸湿特性小，可保证齿轮长时间的尺寸稳定性、抗疲劳性和抗腐蚀性， POM 一般比其他许多工程塑料的成本要低，这节省了成本，一直是塑料齿轮中的首选材料。 尼龙（PA）虽有较好的坚韧性和耐久度，但吸湿性太强，容易引起塑料尺寸变化，尤其 不适合选作高精度传动齿轮 。 聚碳酸酯（PC）具有抗冲击性合格耐候性，收缩率小。但是其自润性能、耐化学腐蚀差， 一般作精密仪器用。 聚对苯二酰对苯二胺（PPA）具有高热变形稳定性，可以在高温下正常工作。 ABS 通常不能满足塑料齿轮的润滑性能，耐疲劳性能及尺寸稳定性。 聚苯硫醚（PPS）具有高硬度，尺寸稳定性，化学性能稳定，主要用于汽车、特殊流体 泵等领域。 综上所述，POM 疲劳强度高。耐磨性好，磨擦性能非常优异。吸水率低。表面硬度大， 刚性好。尺寸稳定性好，产品的尺寸精度高。良好的滑动，故选择 POM 作为双联圆柱直齿轮 齿轮的制作材料，材料性能见表 2-2。 表 2-2 POM 材料性能 大齿轮 小齿轮 模数 m 0.8 模数 m 0.8 齿数 z1 29 齿数 z1 9 齿形角 20 齿形角 20 变位系数 x1 -0.5 变位系数 x1 0.5 8 密度 g /cm3 1.39 吸水率 % 0.2 连续使用温度 50-105 屈服抗拉强度 MPa 63 屈服拉应变 % 10 极限抗拉强度 MPa 极限拉应变 % 31 抗冲击韧度 kJ/ 缺口冲击韧度 kJ/ 6 洛氏硬度 MPa 135 邵氏硬度 MPa 85 抗弯强度 MPa 弹性模量 MPa 2600 软化温度 150 热变形温度 HDT 155 热线膨胀系数 1.1 热导率 W/(mk) 031 摩擦系数 0.35 2.3 注射成型过程及工艺参数 2.3.POM 材料注意事项 由于 POM 吸湿特性小，不需要高温干燥，故而仅对其进行简单干燥即可。干燥温度为 110120， 干燥的时间大约在 35h 以内。 考虑到较高的干燥温度会对其表面质量有影响， 干燥时间也不宜过长，所以干燥温度大约在 8090，干燥时间取 34h。 2.3.2 注塑成型阶段 原料在进入到注塑机料筒内后通过加热融化， 一段时间后达到流动状态时， 再由模具的 主流道进入分流道，最后进入模具型腔。按其过程可以分为充模、压实、保压、倒流和冷却 五个阶段。 9 2.3.3 POM 注射工艺参数 （1）料筒温度 喂料区 4050（50） 区 1 160180（180） 区 2 180205190） 区 3 185205200 区 4 195215（205） 区 5 195215（205） （2）熔料温度 205215 （3）料筒恒温 170 （4) 模具温度 40120(60 ) (5) 注射压力 100150MPa；对于截面径向厚度为 34mm 的厚壁制品件而言，注射压 力约为 100MPa，对薄壁制品件来说可提升至 150MPa。 (6) 保压压力 主要取决于制品壁厚和模具温度；保压时间越长，零件的收缩就越小； 保压压力一般为 80100MPa，模内压力大约获得 6070MPa. （7）收缩率 约为 2（1.83.0） ；24h 后收缩停止。 以上为 POM 材料推荐的注塑工艺，在具体注塑成型时，应根据实际情况进行调整。 第第 3 章章 双联圆柱直齿轮塑料零件成型工艺参数优化双联圆柱直齿轮塑料零件成型工艺参数优化 注塑成型工艺参数优化是提高产品质量最有力的措施， 影响成型制品最主要的因素不言 而喻，就是其设计时考虑到的工艺参数。在产品制造前，通过利用 Moldflow 软件对制品的 10 注塑成型进行模流分析， 在根据最后的分析结果提供可以参考的依据， 这有利于注塑工艺参 数的优化，进而提高制品的质量。在实际的注塑加工制造中，工艺参数主要包括模具温度、 熔体温度、注射时间、注射压力、保压时间、保压压力、冷却时间等。 3.1 双联圆柱直齿轮工艺要求 3.1.1 网格分析 双联圆柱直齿轮网格划分如图 3-1 所示，优化之后的网格统计如图 3-2 所示。 图 3-1 齿轮网格划分 图 3-2 网格统计 网格最大纵横比小于 6，匹配百分比大于 85%，满足 moldflow 分析与仿真要求。 3.1.2 浇注系统设计 双联圆柱直齿轮结构塑件型腔采用矩形一模四腔的形式布置，其零件、型腔大小间距 及浇注系统如图 3 所示。其中点浇口采用三点均布设置，相比于旁置式单点浇口设置，三点 均布式更容易保证齿轮的精度要求。主流道进浇口直径 2.5mm，其拔模角为 3，分流道直 径为 2mm，点浇口最小直径为 1mm，如图 3-3 所示。 11 图 3-3 浇注系统情况 双联圆柱直齿轮材料为 POM，制造商 DuPont Engineering Polymers，牌号 Delrin 500 HP。零件表面质量要求达到 5 级精度，根据双联圆柱直齿轮结构形式，大小齿轮径向壁厚比 较大，在体积收缩方面影响较大，因此，在注射成型过程中，近量减少如体积收缩率、熔接 痕、气穴等影响制件表面质量较大的缺陷，尤其是体积收缩率。 3.2 工艺参数的选取 由于影响聚甲醛小模数齿轮成型体积收缩率的主要工艺参数是模具温度， 保压压力和注 射时间，而熔体温度对熔接痕的影响较大，所以选取模具温度，熔体温度，保压压力和注射 时间为变量，其中保持注射压力和保压压力一致没有压力降，有利于保证齿轮精度。采用正 交实验法分析，参数为熔体温度、模具温度、保压压力和注射时间。 3.3 制件成型工艺参数优化 3.3.1 试验仿真设计 双联圆柱直齿轮成型材料 POM 的推荐模具温度为 70，熔体温度为 225。利用 Moldflow 产品 MPI6.1 对其进行模流分析。通过上文说明，在本制品的初步工艺参数优化过 程中，以熔体温度、模具温度、保压压力、保压时间为变量，采用正交试验法进行分析。 正交试验中，熔体温度用 A 表示，选取 215、225、235作为三个参数；模具温度 用 B 表示，选取 60、70、80三个参数；保压压力用 C 表示，根据材料 POM 材料的注 射压力在 100 MPa-150 MPa，在其周围选取数值，选取 100 MPa、125 MPa、150 MPa 三个参 数；注射时间用 D 表示，在系统默认的推荐条件下注射时间为 1.6s，选取 1s、1.6s、2.2s 三个参数。这些因素的三水平表如表 3-1 所示。 表 3-1 四因素的三水平表 12 水平 因素 A/ B/ C/MPa D/ s 1 215 60 100 1 2 225 70 125 1.6 3 235 80 150 2.2 3.3.2 仿真数据 优化实验中 4 因素 3 水平，可以组合成 9 组正交试验。通过 Moldflow 分析发现，所有 实验制品填充效果良好，结果如图 3-4 所示。 图 3-4 充填情况 9 组仿真结果中，气穴位置没有太大差异，气穴出现在制品的注入口处附近以及齿轮边 缘处，结果如图 3-5 所示，均处在距分型面位置不远处，型腔排气良好，不用过多考虑气穴 带来的制品缺陷，不需要专门考虑排气问题。 图 3-5 气穴情况 熔接痕大体分布一致，如图 3-6 所示位于零件表面，基本可以接受。 13 图 3-6 熔接痕情况 流动前沿温度差值(E)、顶出时体积收缩率(F)、最大熔接痕(G)结果数据如表 3-2、表 3-3、表 3-4 所示。 表 3-2 熔体前沿温度差值 试验号 A/ B/ C/ MPa D/ s 流动前沿温度差值/ 1 215 60 100 1 2.1 2 215 70 125 1.6 1.7 3 215 80 150 2.2 4.8 4 225 60 125 2.2 5.5 5 225 70 150 1 2.0 6 225 80 100 1.6 1.6 7 235 60 150 1.6 2.2 8 235 70 100 2.2 6.9 9 235 80 125 1 1.8 表 3-2 顶出时体积收缩率 试验号 A/ B/ C/ MPa D/ s 顶出体积收缩率/% 1 215 60 100 1 6.858 2 215 70 125 1.6 6.807 3 215 80 150 2.2 6.797 4 225 60 125 2.2 6.882 5 225 70 150 1 6.882 6 225 80 100 1.6 7.407 7 235 60 150 1.6 6.734 8 235 70 100 2.2 7.388 9 235 80 125 1 7.280 表 3-4 熔接痕 14 试验号 A/ B/ C/ MPa D/ s 最大熔接痕/deg 1 215 60 100 1 160.2 2 215 70 125 1.6 156.1 3 215 80 150 2.2 158.4 4 225 60 125 2.2 158.6 5 225 70 150 1 159.7 6 225 80 100 1.6 156.0 7 235 60 150 1.6 161.3 8 235 70 100 2.2 155.1 9 235 80 125 1 135.0 3.3.3 数据分析 （1）信噪比（S/N）分析 信噪比顾名思义，即为信号和噪声的比值，它是正交试验中评估试验效果的一项较为重 要的依据。 在正交试验中利用不同水平的噪声就可以进行值计算信噪比， 通过信噪比是衡量 某项因素重要性的标准， 受噪声影响最小的试验即具有最大的信噪比， 由此对试验进行优化。 信噪比越大， 评定效果越好。 本研究采用 Taguchi 实验设计中的 “望小” 原则， 即信噪比 “越 小越优”的计算方法，具体公式如下： 2 1 1 /10lg() n i i S Ny n = = (3-1) 式(1)中：S/N信噪比，单位 dB； i y 第 i 次试验结果； N试验次数。 由上式可以算出流动前沿温度差（E） 、顶出时体积收缩率（F） 、最大熔接痕（G）三项 目标函数的信噪比，结果如表 3-5、3-6、3-7 所示。 表 3-5 流动前沿温度差（E）的信噪比值 因素 S/NE 水平 1 水平 2 水平 3 A -10.0488 -10.8884 -12.6858 B -11.1959 -12.5935 -9.8286 C -12.5990 -10.8372 -10.2639 D -5.8917 -5.3529 -15.2673 表 3-6 顶出时体积收缩率（F）的信噪比值 15 因素 S/NF 水平 1 水平 2 水平 3 A -16.5822 -16.9778 -17.0740 B -16.6820 -16.9400 -17.1057 C -17.1734 -16.8931 -16.6558 D -16.9135 -16.8886 -16.9355 表 3-7 最大熔接痕（G）的信噪比值 因素 S/NG 水平 1 水平 2 水平 3 A -43.9683 -43.9790 -43.5729 B -44.0861 -43.9187 -43.5234 C -43.9189 -43.5438 -44.0646 D -43.6440 -43.9557 -43.9370 由表 3-5、3-6、3-7 已看出，熔体温度越高，流动前沿温度差越大，保压压力越大，流 动前沿温度差越小，模具温度和注射时间对其有相反性影响，且注射时间对其影响最大。熔 体温度越大，模具温度越大，零件顶出体积收缩率越小，保压压力越大，顶出体积收缩率越 大，注射时间对其有相反性影响，熔体温度对其影响最大。熔体温度、保压压力和注射时间 对熔接痕有相反性影响，模具温度越高，熔接痕越大，保压压力对其影响最大。 （2）资料分析 利用正交设计助手软件对性噪比结果进行数据分析，并绘制其对应的效应曲线，结果效 应曲线图如图 3-6，图 3-7，图 3-8 所示。 图 3-6 流动前沿温度差（E）实验结果 16 图 3-7 顶出时体积收缩率（F）实验结果 图 3-8 熔接痕（G）实验结果 （3）方差分析 方差分析通过百分数评估流动前沿温度差、顶出时以及收缩率、熔接痕受工艺参数影响 的权重。通过下公式对数据进行处理。 edT SSSSSS+= （3-2） 2 iiT -SS =）（ （3-3） Td SS/SSP = （3-4） ee dd f /SS f /SS F = （3-5） 式(3-2)、式(3-3)、式(3-4)、式(3-5)中： T SS 总离差平方和； d SS 偏差平方和； e SS 组内离差平方和； i 第 i 次试验所得的 S/N 的平均值； 17 f自由度； F各因素影响程度； P各种工艺参数对流动前沿温度差、顶出时收缩率、熔接痕的影响权重值。 其方差分析见表 3-8,表 3-9，表 3-10。 表3-8 流动前沿温度方差分析 表3-9 顶出时体积收缩率方差分析 因素 偏差平方和 自由度 F比 显著性 权重/% A 0.160 2 1.083 27.12 B 0.172 2 1.164 29.15 C 0.257 2 1.739 明显 43.56 D 0.002 2 0.014 0.17 误差 0.59 8 表3-10 熔接痕方差分析 因素 偏差平方和 自由度 F比 显著性 权重/% A 118.082 2 0.924 23.09 B 164.602 2 1.287 明显 32.19 C 156.842 2 1.227 30.67 D 71.882 2 0.562 14.05 误差 511.41 8 由以上分析可知，对流动前沿温度差的影响百分比 DBAC，获得流动前沿温度差最小 的组合是 A2B3C1D2；对顶出时顶出时体积收缩率影响百分比 CBAD,获得顶出时体积收缩率 最小的组合是 A3B1C3D2；对熔接痕影响百分比 BCAD，获得熔接痕最小的组合是 A3B3C2D1。 最终得出最优组合为 A3B3C3D1。 因素 偏差平方和 自由度 F比 显著性 权重/% A 0.976 2 0.122 3.05 B 0.996 2 0.125 3.12 C 0.569 2 0.071 1.81 D 29.416 2 3.682 明显 92.02 误差 31.96 8 18 3.3.4 试验验证 用选取的最优组合 A3B3C3D1，即熔体温度 235，模具温度 80，保压压力 150MPa，注 射时间 1s 进行模拟分析，得到如下结果： 图 3-9 最优条件下的填充情况 充填情况良好，与其余正交试验结果相比相差不大。 图 3-10 最优条件下的流动前沿温度差 参数优化后的流动前沿温度差为 1.9s，基本上小于其余正交试验组。 19 图 3-11 最优条件下的顶出时体积收缩率 参数优化后的顶出时体积收缩率为 6.806%，小于其余正交试验组。 图 3-12 最优条件下的体积收缩率 参数优化后的体积收缩率为 16.38%，小于其余正交实验组。 20 图 3-13 最优条件下的熔接痕 参数优化后熔接痕为 135deg，小于其余正交实验组。 通过试验最终得出结论，上述优化试验仿真参数组合为最佳参数组合，其具体参数为： 熔体温度 235，模具温度 80，保压压力 150MPa，注射时间 1s。 3.3.5 结果分析 参数优化结果中，未出现填充未满的现象，相比单浇口而言，三点式均布浇口更能使得 塑件完整，材料均匀，但是在熔接痕、气穴方面不是很理想。 考虑到一般情况下提高模具温度可以减少熔接痕，而对于 POM 材料特性，注射过程中使 用高模温也许会得到更好的塑件质量， 但是过高的模具温度可能适得其反， 为了验证此结论， 做一组对比试验，除模具温度外，其余 3 项均采用最优方案参数，结果如图 3-15、3-16、 3-17、3-18 所示： 图 3-.15 流动前沿处温度 21 图 3-16 顶出时体积收缩率 图 3-17 体积收缩率 22 图 3-18 熔接痕 试验验证，在气穴、流动前沿温度差、顶出时体积收缩率、体积收缩率方面对比后没有 优势，熔接痕反而增大了，说明模具温度 80是改善塑件熔接痕的最佳温度，可以确定之 前求出的参数值较好。 综上所述， 模具温度对于采用 POM 作制件材料的产品来说， 在熔接痕方面有着相反性的 影响，但是在一定范围内熔接痕将随着模具温度升高而减小，由对比试验可以看出 80成 为一个影响 POM 产品质量的重要的拐点。 保压压力在理想状态下应该和注射压压力保持大约 一致，这样的话没有压力降，对于产品质量有较大的提高，在体积收缩率、气穴等方面影响 较大。 23 第第 4 章章 双联圆柱直齿轮模具结构设计双联圆柱直齿轮模具结构设计 4.1 分型面的选择及型腔布置 通过对双联圆柱直齿轮的结构分析， 分型面位置为大齿轮末端表面， 即最大的横截面积， 这有利于顺利开模并顶出塑件。为了保证两齿轮的同轴度，选择如图 4-1 所示分型面。 图 4-1 分型面选择 由于零件体积质量较小，且需要大批量生产，一模一腔效率过低，所以选用一模四腔布 置，制件间距离为 50mm50mm，如图 4-2 所示。 图 4-2 模腔布置 24 4.2 注射机型号的确定 4.2.1 注射量的计算 通过 Pro/E 建模分析得知双联圆柱直齿轮质量属性如图 4-3 所示： 图 4-3 塑件质量属性 塑件体积： V塑 =1287.61mm 3 塑件质量： M塑 =V塑 =1.2881.4208=1.8300g 式中，可根据 Moldflow 提供的材料属性，查得为 1.4208 g/ cm 3。 4.2.2 浇注系统凝料体积的初步估算 考虑到浇注系统聚集在前的设计是不知道准确的数值，此时可以通过经验公式估算。 由于采用了相对简单的毕业设计流程， 即流道相对简单细小， 所以以体积的 0.3 倍计算塑件 浇注系统的总体积，在第一次注射的熔融塑料总体积为： V总= V塑(1 + 0.3)4 =1.2881.34=6.70cm 3 4.2.3 选择注射机 25 根据 4.2.2 中计算得出的一次注入模具型腔的塑料熔体总体积为 V总=6.70cm 3，结合公 式则有： V总/0.8=6.70/0.8=8.38cm 3 由上述计算结果初步估算公称理论注射量为 20cm 3， 利用互联网查阅资料，选择注射机 德国德马格 ET25/280- 35Concept，其性能规格如表 4- 1 所示： 表 4-1 规格表注射机性能 理论注射容量/cm3 23 锁模行程/mm 300 螺杆柱塞直径/mm 18 最大模具厚度/mm 注射压力/MPa 211 最小模具厚度/mm 160 注射速率/ cm3s- 1 48.3 顶出行程/mm 100 拉杆间距/mm 280280 射出行程/mm 90 锁模结构 直压 喷嘴球半径/mm 20 锁模力/kN 250 喷嘴口孔径/mm 2 4.2.4 参数确定 （1) 注射压力校核。 由 POM 材料特性可知， 对于制件壁厚小于 3-4mm 的薄壁制品件而言， 注射压力一般可以达到 150MPa，根据模流分析取 150MPa，注射压力的安全系数一般为 k1=1.251.4，根据制件本身特点取=1.3，则 k1 P 0=1.3150=195MPa211MPa 因为 195MPa80.62kN，所以符合条件。 4.3 浇注系统的设计 4.3.1 主流道的设计 中心浇口位置一般位于模具中心， 主流道的塑料熔体进入模具通过注塑机， 然后通过分 流，并最终进入型腔。在本设计中，采用锥形流道，这有利于浇口和注塑机熔料顺利注入。 26 此外，在浇口中的高温塑料熔体和喷嘴反复接触摩擦，很容易磨损，所以设计一个可拆卸的 主流道。 (1) 主流道尺寸 1) 主流道的长度：一般由模具结构确定，对于小型模具 L 应尽量小于 60mm，本次设计 中初选 45mm 进行计算。 2) 主流道的小端直径：d=喷嘴尺寸+（0.5-1）=3mm 3) 主流道的大端直径：D=d+2Ltan（/2）=6.5mm 式中4 4）主流道的球面半径：SR=喷嘴球头半径+（1-2）=20+2=22mm 5）球面的配合高度：h=3mm (2) 主流道的凝料体积 V主=/3 L主 (R主2+r主2+ R主r主)=3.14/350（3.25 2+1.52+3.251.5）=925.65mm3 3）主流道当量半径 R主=(1.5+3.25)/2=2.375mm 4）主流道浇口套的设计 特殊材料进行特殊加工，为了便于拆卸更换，本设计中将浇口套和定位圈分开设计，对 浇口主流道衬套为标准件。 在流体进入主流道的过程中， 高温的塑料熔体与喷嘴反复接触摩 擦，非常容易磨损，所以需要用套选用优质钢材单独加工。本设计中浇口套采用碳素工具钢 T10A，热淬火处理表面硬度 50HRC55HRC。具体结构由总装配图确定，示意图如图 4-4 所 示。 图 4-4 浇口套 4.3.2 分流道的设计 (1) 分流道的布置形式 为了保证一模四腔的平衡性及精密度，分流道采用平衡式布排。四个零件的分流道与 浇口的长度、形状、截面尺寸都对应相等，以此保证在相同的温度和压力下，所有型腔同时 被充满。因此分流道设计形式如下图 4-5 所示。 27 图 4-5 分流道布置形式 (2) 分流道的长度 根据制件大小设计分流道长度，保证模具正常工作而又不浪费材料，如图 4-5。 (3) 分流道的截面形状 本设计采用圆形截面，这有利于减少熔融材料的热损失，流动阻力也相对较小。 (4) 分流道的直径 因为塑件的质量 m=V塑=1.2881.4208=1.8300g200g，所以用下面的经验公式确定 分流道的直径。 D分 = 4 0.2654 mL (4-1) 式(1)中 D分流道直径（mm） m塑件的质量（g） L分流道的长度（mm） 一级分流道单边长 L1=25mm。 求得 D1=0.80mm ，尺寸过小，所以按照经验取 2mm。 二级分流道单边长 L2 =25mm。 按照经验取 D2 =2mm。 (5) 凝料体积 1) 分流道的长度： L分=（25+25）2=100mm 2) 分流道截面积： A分=（R分） 2 =3.141 2 =3.14mm 2 . 3) 凝料体积： 28 V分=L分A分=314mm 3. 考虑到圆弧的影响，取 V分=300 mm 3 (7) 校核剪切速率 1) 确定注射时间：根据模拟情况，可取 t=1.0s。 2) 计算单边分流道体积流量： 1-s mm. 2724=/t） V 2+ /2V（ =q 塑分分 3) 由参考文献 8 （式 2-22）可得剪切速率： 1 -3 1 3 1 1 s10315. 0 R q3 . 3 r= 分 分 分 (4-2) 该分流道的剪切速率在浇口主流道与分流道的最佳剪切速率 510 2-5103s-1 之间， 所以，分流道内熔体的剪切速率合格。 (8) 分流道的表面粗糙度 分流道的表面粗糙度要求不是很低， 一般取 Ra1.25m2.5m 即可， 由于塑件尺寸小， 精度高，此处选 Ra1.6m。 4.3.3 浇口的设计 (1) 浇口截面是浇注系统截面是最小的一部分， 是连接流动腔的通道。 熔融塑料通过浇 口时的流动速度变快，摩擦提高温度，粘度减小，这使得流动性的得以增加，因此，该浇口 结构有利于填充的空腔。因此，浇口表面粗糙度有一定要求，RA 值不超过 0.4um。浇口决定 了塑件的尺寸和成型质量。以下为浇口位置的选择原则： 1）浇口位置应选择在腔壁或中心位置，改变方向，很容易融入，减少冲击的影响，使 得熔体充型平稳，避免明显的焊缝标记。 2）根据塑件的厚截面选择浇口的位置。 3）浇口宜避免短射现象。 4）考虑气体释放选择浇口位置。 5）考虑避免焊接线，选择浇口位置。 6）考虑型腔结构变形，选择浇口位置。 7）考虑聚合物逆取向对充型过程的有害影响，选择浇口位置。 基于上述原理，考虑到双联直齿圆柱齿轮的工艺要求，选择点浇口三点式均布进浇，浇 口具有以下特点： 浇口位置的设置主要根据制件结构来决定。 浇注系统中设计拉料销和脱模板， 由于点浇 口结构特点，模具会自动切断凝料和塑件。 (2) 浇口尺寸的确定 (3) 根据参考文献 8 表 2-6，L 在允许条件下尽量取最小值，而 L=13mm，可得点浇口 的 L=1mm ，=28。 4 dnkA= (4-3) 式(3)中 n塑料系数，POM 材料的 n=0.7 29 K系数，塑件壁厚的函数，k=0.206t ，t 值 适用于 t=0.752.5，t 为塑件壁厚 A型腔表面积(mm 2 ) 所以 d=1mm。 (3) 浇口校核： 1) 1.0； 2) 浇口的体积流量： 浇塑t1287.6111287.61mm 3/s . 3) 浇口的剪切速率： 浇=4浇/d 3 =1639.44s1 16.26mm,所以初定的分布满足要求。根据型腔的布 置，浇口类型，初步估算模板平面尺寸选用 200mm250mm，它比型腔布置的外围尺寸大得 多，所以完全满足强度和刚度要求。 （6）垫块 C 高度校核 525715205 321 =+=+=shhhhmm 因为 5224mm，满足刚度要求，不需要设计支撑柱。 4.5 脱模推出机构的设计 考虑到双联圆柱直齿轮的结构特点， 塑件留在动模一边， 这有利于推出时保证其同轴度， 改善推出时的表面质量。 4.5.1 脱模机构的设计原则 （1）尽可能地在动模一边制造塑件，利用注射机集装置推出塑件。 （2）应选择合适的脱模方式和发射地点，脱模力应均匀和合理。 （3）脱模机构应动作灵活，工作可靠，便于制造和维修。 （4）释放的零部件应具有足够的强度和刚度，配合间隙应适当，没有溢出的现象。 由于塑料具有体积小，精度高的优点，所以脱模力更大，因为在弹射过程中产品结构易 发生体积收缩，参考选择脱模机构的设计原则，选择推杆和推板组合方式，考虑到塑件小， 一般的推杆可能推出会对塑料零件的损坏，选择直径4推杆，每腔2根。 4.5.2 脱模力计算 （1）6 . 2型芯脱模力 因为= t r = 3 3 . 1 10，所以视为厚壁圆筒塑件，计算公式为： 21) 1 ( )tan(2 KK frESL F + = （4-9） 由公式得： 4 ) 1cos0sin5 . 01)( 0cos4 . 020cos 4 . 02 35