塑料顶块的模具设计课程设计说明书.doc

顶块的注射模具设计课程设计本设计实例为一塑料顶块，如图所示，塑件为一对称结构，比较简单。该产品外观要求和尺寸精度要求都比较高，内表面不允许有熔接痕。最小厚度2.5mm，平均厚度达3.5mm左右塑件材料为ABS，生产批量为大批大量生产。 塑件产品图一塑件成型工艺分析1. 塑件的分析（1） 外形尺寸 该塑料件外形尺寸不大，塑料熔体流程不长，适合于注射成型。（2） 精度等级 每个尺寸的公差不一样，有的属于一般精度，有的属于高精度，就按实际公差进行计算（3） 脱模斜度 ABS属于无定型塑料，成型收缩率较小，参考表2-10选择该塑件上型芯和凹模的统一脱模斜度为1度。2. ABS的性能分析（1） 使用性能 综合性能好，冲击强度，力学强度高，尺寸稳定，耐化学性，电气性能良好；易于成型和机械加工，其表面可镀铬，适合制作一般机械零件，减摩零件，传动零件和结构零件。（2） 成型性能1.无定型塑料。其品种很多，各品种的机电性能及成型特性也各有差异，应按品种来确定成型方法及成型条件。2.吸湿性强。含水量应小于0.3%（质量），必须充分干燥，要求表面光泽的塑件应要求长时间预热干燥。3.流动性中等。溢边料0.04mm左右。4.模具设计方面。a 需要采用较高的料温与模温，浇注系统的流动阻力要小。为了在较高注射压力下避免浇口附近产生较大应力导致制品翘曲变形，可采取护耳式浇口。B注意选择浇口位置，避免浇口与熔接痕位于影响制品外观的部位。C合理设计顶出脱模结构，推出力过大时，制品表面易“发白”，“变浑”。（3）ABS的主要性能指标 如下表 密度/g.cm-31.02-1.08 屈服强度/MPa50比体积/cm3g-1 0.86-0.98 拉伸强度/MPa 38 吸水率（%） 0.2-0.4拉伸弹性模量/MPa1.4X103熔点/C0130-160 抗弯强度/MPa 80计算收缩率（%）0.4-0.7抗压强度/MPa 53比热容/J. （kg.C0）-11470弯曲弹性模量/MPa1.4X1033. ABS的注射成型过程及工艺参数1. 注射成型过程A成型前的准备。 对ABS的色泽，粒度和均匀性等进行检验，由于ABS吸水性较大，成型前应进行充分的干燥。B注射过程。 塑件在注射机料筒内经过加热，塑化达到流动状态后，由模具的浇注系统进入模具型腔成型，其过程可分为充模，压实，保压，倒流和冷却五个阶段。C成型后处理。处理的介质为空气和水，处理温度60-75C0，处理时间为16-20s。2.注射工艺参数 A 注射机：螺杆式，螺杆转数为30r/min. B料筒温度（C0）：后段 150-170；中段 165-180；前段180-200 C喷嘴稳定（C0）：170-180 D模具温度（C0）：50-80 E注射压力(MPa)：60-100 F成型时间（s）：30（注射时间取1.6，冷却时间取20.4，辅助时间取8）二拟定模具的结构形式1.分型面位置的确定通过对塑件结构的分析，分型面应该选择在投影面积最大且利于开模取出塑件的平面。这里有两种选择，第一种：如图1-1（UG 软件设计） 图1-1这种类型设计使的推出机构需要很大的力使得塑件顺利脱模，而且两个异形空的侧向抽芯的对称位要求较高，需要两个侧抽芯才能脱模。第二种选择（图1-2） （图1-2）这种选择所需要的推出力较小，符合塑件最大投影面积在分型面上，只要一个侧抽芯便可以脱模。不过对中的分型面使得塑件公模仁和母模仁有高的配合精度。综合考虑，选择第二种分型面。即如下图1-3 图1-32. 型腔数目与排列方式的确定A 型腔数量的确定 该塑件精度等级在3-4级之间，且大批大量生产，可采用一模多腔的结构形式。同时考虑塑件的尺寸比较少，以及制造费用和各种成本费用等因素，初步定为一模八腔结构形式。B 型腔的排列方式。 多型腔模具尽可能采用平衡式排列布置，且要力求紧凑，并与浇口开设的部位对称。采用直线对称排列，如下图（1-4）所示 图1-4C 模具结构形式的确定 从上面分析可知道，本模具设计为一模八腔，对称直线排列，根据塑件的结构形状，推出机构拟用顶针推出形式。浇注系统设计时，流道采用对称形式，浇口采用侧浇口，且开设在分型面上。因此，定模部分不需要单独开设分型面取出凝料，动模部分只需要型芯。3. 注射机型号的确定。（1） 注射量的计算 通过NX软件分析计算得塑件的体积： V塑=1.724cm3；塑件的质量： M塑=V塑=1.78g；式中，参考表4-44可取1.02g/cm3 由于塑件尺寸较小，生产中通常选用一模两腔，加上凝料的质量（初步估算约2g）（2） 塑件成型每次需要注射量 2M+2=5.56g; (3)选择注射机 根据第二步计算得出一次注入模具型腔的塑料总质量M总=5.56g；根据注射量，满足注射量小于或等于注射机允许的最大注射量的80%，则有：M总0.8=6.95g；根据以上的计算，初步选定公称注射量为10g；注射机型号为SYS-10立式螺杆式注射机，其主要技术参数表4-45.理论注射容量/cm310最大行程/mm 120螺杆柱塞直径/mm 22最大模具厚度/mm 180V注射压力/MPa 150最小模具厚度/mm 100注射速率/g. s-1 43锁模形式双曲肘塑化能力/g. s-1 3.6模具定位孔直径/mm100螺杆转速/r. min-1 10-160喷嘴孔半径/mm12锁模力/KN 150喷嘴口孔径/mm1.25拉杆内间距/mm 300X300（3） 注射机的相关参数的校核1. 注射压力校核 查表4-1可知，ABS所需注射压力为80-110MPa。这里取p0=100MPa，该注射机的公称注射压力p公=170MPa；注射压力安全系数k1=1.25-1.4，这里取k1=1.3，则：k1p0=1.3X100=130p公，所以，注射机压力合格。2. 锁模力的校核A 塑件在分型面上的投影面积A塑=263.6mm2；B 浇注系统在分型面上的投影面积A浇，即流道凝料（包括浇口在分型面上的投影面积）mm2数值，可以按照多型腔模的统计分析来确定。A浇是每个塑件在分型面上的投影面积A塑的0.2-0.5倍。这里取A浇=0.5A塑.C 塑件和浇注系统在分型面上总的投影面积A总=nA塑+A浇=8X1.5XA塑=3163.2mm2；D 模具型腔内的胀型力F胀=A总p模=3162.2X50N=158.11KN；式中，p模是型腔的内的压力，注射压力的20%-40%，大致范围为34-68Mpa。对于粘度较大哦塑制品应取较大值。ABS属于中等粘度塑料及有精度要求的塑件，故p模取50MPa。查表4-45可得该注射机的公称锁模力F锁=320KN，锁模力安全系数为k2=1.1-1.2；这里取k2=1.2，则F胀k2=189.732KN320KN=F锁，所以注射机锁模力合格。对于其他安装尺寸的校核要等到模架选定，结构尺寸确定后方可进行。三浇注系统的设计1. 主流道的设计主流道通常位于模具中心塑料熔体的入口处，它将注射机喷嘴射出的熔体导入分流道或型腔中。主流道的形状为圆锥形，以便熔体的流动和开模时主流道凝料的顺利拔出。主流道的尺寸直接影响到熔体的流动速度和充模时间。另外，由于其与高温塑料熔体及注射机喷嘴反复接触，因此设计中常设计成可拆卸更换的浇口套。（1） 主流的尺寸主流道长度： 小型模具L主应尽量小于60mm,本次设计中初取50mm进行设计。主流的小端直径：d=注射机喷嘴尺寸+（0.5-1）mm=（3+0.5）mm=3.5mm；主流道大端直径：d=d+2L主tan=7mm，式中=40.主流道球面半径：SR0=注射机喷嘴球头半径+(1+2)mm=（10+2）mm=12mm；球面的配合高度：h=3mm。（2） 主流道的凝料体积 V主=3L主R主2+r主2+R主r主=3.143X50X3.52+1.752+3.5X1.75mm3=1.12cm3；（3） 主流道当量半径 Rn=1.75+3.52mm=2.625mm。（4） 主流道浇口套的形式。 主流道衬套为标准件可选购。主流道小端入口处与注射机喷嘴反复接触，易磨损。对材料的要求较严格，因而尽管小型注射模可以将主流道浇口套与定位圈设计成一个整体，但考虑上述因素通常仍然将其分开来设计，以便于拆卸更换。同时也便于选用优质钢件进行单独加工和热处理。设计中常采用碳素钢（T8A或者T10A），热处理淬火表面硬度为50-55HRC，如下图（3-1）所示。 主流道浇口套的结构形式（3-1）2. 分流道的设计（1） 分流道的布置形式 在设计时应考虑尽量减少在流道内的压力损失和尽可能 避免熔体温度降低，同时还要考虑减少分流道的容积和压力平衡，因此采用平衡式分流道。（2） 分流道的长度 由于流道设计简单，根据八个型腔的结构设计，分流道较长。单边分流道的长度L分1=50mm，L分2=17mm；（3） 分流道的直径 由推荐的分流道直径直接取D分1=4.5mm; D分2=(80%-90%)D分1;取D分2=4mm；（4） 分流道的截面形状 常用的分流道截面形状有圆形，梯形，U形，六角形，为了便于加工和凝料的脱模，分流道大多设计在分型面上。为了有助于熔融材料的流动和减少其温度传到模具中，本设计采用圆形流道，广泛应用于侧浇口模具中。（5） 分流道的截面尺寸 A分1=D分14=3.14X4.524mm2=15.9mm2; A分2=D分24=3.14X424mm2=12.56mm2;（6） 凝料的体积1. 分流道的长度L分1=75X2X15.9mm3=2385mm3=2.385cm3; L分2=17X8X12.56mm3=2311mm3=1.708cm3;(7)校核剪切速率1. 确定注射时间：查表，可取T=1.0S2.计算分流道体积流量：q分=V分+V塑t=2.385+1.708+1.7241.0cm3/s=5.82cm3/s;由式（4-20）可得剪切速率 分=3.3q分R分3=3.3X5.82X1033.14X(4.252)3S-1=6.37X102S-1;该分流道的剪切速率处于浇口主流道与分流道的最佳剪切速率5X102-5X103S-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和脱模斜度 分流道的表面粗糙度要求不是很低，一般取Ra1.25-2.5um即可，此处取1.6um。另外，其脱模斜度一般取50-100；这里取80.3.浇口的设计该塑胶件表面质量要求较高，采用一模八腔注射，为了便于调整冲模时的剪切速率和封闭时间，因此采用侧浇口。其截面形状简单，易于加工，便于试模后修正，且开设在分型面上，从型腔的边缘进料。（1） 侧浇口尺寸的确定1.计算侧浇口的深度 根据表4-10，可得侧浇口的深度h计算公式为 H=nt=0.7X3.5mm=2.45mm；式中，t是塑件平均壁厚，这里t=3.5mm，n是塑料成型系数，对于ABS，其成型系数n=0.7.在工厂进行设计时。浇口深度常常先取小值，以便今后试模时发现问题进行修模处理，并根据表4-9中推荐的ABS侧浇口的厚度为0.25-0.5mm，故此处浇口深度取0.4mm。2. 计算侧浇口的宽度。 根据表10-2，可得侧浇口的宽度B的计算公式为 B=nA30=0.7X583.630cm=0.56cm；式中，n是塑料成型系数，对于ABS其n=0.7；A是凹模的内表面积（约等于塑件的外表面积）。由表10-2侧浇口有关参数的经验值取B=1mm。 侧浇口剪切速率的校核计算浇口的长度。根据表10-2，可得侧浇口的长度L浇一般选用0.7-2.5mm，这里取L浇=1.1mm。 图3-2（2） 侧浇口的剪切速率的校核。1. 计算浇口的当量半径 由面积相等可得R浇2=Bh，由此矩形浇口的当量半径R浇=（Bh）12。2. 校核浇口的剪切速率确定注射时间，查表4-8，可取t=1s；计算浇口的体积流量：q浇=V塑t=1.7241cm3s=0.1724X104cm3/s;计算浇口的剪切速率：由式（4-20）可得：浇=3.3q浇R浇3=3.83X104s-1该矩形侧浇口的剪切速率处于浇口与分流道的最佳剪切速率5X103-5X104s-1之间，所以，浇口的剪切速率校核合格。4.校核主流道的剪切速率上面分别求出了塑件的体积，主流道的体积，一级分流道的体积，二级分流道的体积，以及主流道的当量半径，这样就可以校核主流道熔体的剪切速率。计算主流道的体积流量q主=V主+V分1+V分2+nV塑t=1.12+2.385+1.708+8X1.7241.0cm3s=19.00cm3/s;计算主流道的剪切速率主=3.3q主R主3=2.08X103s-1；主流道内熔体的剪切速率处于浇口与分流道的最佳剪切速率5X102-5X103s-1之间，所以主流道的剪切速率校核合格。5.冷料穴的设计及计算冷料穴位于主流道正对面的动模板上，其作用主要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表面质量。本设计有主流道和分流道冷料穴，采用顶针推出，开模时，利用凝料对球头的包紧力使凝料从主流道衬套中脱出。四成型零件的结构设计及计算1.成型零件的结构设计（1）凹模的结构设计 凹模时成型制品的外表面的成型零件。按凹模的结构的不同可将其分为整体式，整体嵌入式，组合式和镶拼式四种。这里选择镶拼式凹模。（2）凸模的结构设计 凸模可分为整体式和组合式，由对中性，此是模具的凹模和凸模具有相同的截面形状，故只需要设计凹模或者凸模一种结构既可以。2.成型零件钢材的选用根据对成型塑件的综合分析，该塑件的成型零件由足够的刚度，强度，耐磨性及良好的抗疲劳性能，同时考虑它的机械加工性能和抛光性能。又因为该塑件为大批大量生产，所以构成型腔的镶拼式凹模钢材选用NAK80（美国牌号）。对于成型塑件凸模选用NAK55做动模镶件。此两种钢材均来自日本大同公司。3. 成型零件工作尺寸的计算。采用表4-15中的平均尺寸法计算成型零件尺寸，塑件尺寸公差按照塑件零件图中给定的公差计算。（1） 凹模径向尺寸的计算 塑件外部径向尺寸的转换：ls1=13.50+0.1mm=13.6-0.10mm;相应的塑件制造公差1=0.1mm；ls2=33.50+0.2mm=33.7-0.20；相应的塑件制造公差2=0.2mm；LM1=1+Scpls1-x110+z1=1+0.0055X13.6-0.6X0.10+0.017mm=13.610+0.017mm;LM2=1+Scpls2-x220+z2=1+0.0055X33.7-0.6X0.20+0.033mm=33.770+0.033mm;式中，Scp,是塑件的平均收缩率，查表1-2知道ABS的收缩率为0.3%-0.8%，所其平均收缩率Scp=0,。003+0.0082=0.0055；x1，x2是系数，查表4-15可知道x一般在0.5-0.8之间，此处选择x1=x2=0.6；1，2分别是塑件上相应的尺寸的公差（下同）；z1，z2是塑件上相应尺寸的制造公差，对于中小型塑件取z=16（下同）。（2） 凹模的深度尺寸的计算 塑件高度方向上尺寸的转换：塑件的最大尺寸（对中取）Hs1=4-0.05+0.05mm=4.05-0.10mm；相应的s1=0.1mm;塑件最低处的高度尺寸Hs2=2.50+0.05mm=2.55-0.050mm，相应的s1=0.05mm； HM1=1+ScpHs1-x110+z1=1+0.0055X4.05-0.6X0.10+0.017mm=4.010+0.017mm；HM2=1+ScpHs2-x220+z2=1+0.0055X2.55-0.6X0.050+0.008mm=2.530+0.008mm；式中，x1，x2是系数，由查表4-15可知道一般在0.5-0.7之间，此处取x1=x2=0.6； 图4-1（3） 凹模小型芯的设计。小型芯的径向尺寸lm1=1+Scpls1+x11-z10=1+0.0055X3+0.6X0.1-0.0170mm=3.08-0.0170mm;lm2=1+Scpls2+x22-z20=1+0.0055X5+0.6X0.1-0.0170mm=5.09-0.0170mm;lhm=1+Scphs+x-z0=1+0.0055X2.5+0.6X0.2-0.0340mm=2.63-0.0340mm; 图4-2凸模镶件和小型芯的设计。对于这种对称性零件，凸模与凹模的截面尺寸基本一致，高度上可以适当的增加，可以增加模具的强度，延长模具的使用寿命。 图4-3 图4-4（4） 滑块（侧向抽芯设计）由于本镶件是小型（尺寸比较小）故选用的抽芯机构为滑块+斜导柱的侧向抽芯。为了便于后期的修模，现在选用以下的结构， 图4-51. 侧抽芯的设计本塑件的镶件较小，抽芯较长，可做成拼接滑块，滑块结构如上图（4-5）设计要点是，通过UG NX的“斜率分析”（如图4-6） 图4-6该图红色区域表示型腔部分，蓝色区域表示型芯部分面。而分型面上得区域有蓝色区域表示该区域存在倒扣，需要侧抽芯脱模。分型面以下存在红色区域表示存在倒扣位置，需要侧抽芯脱模。为了便于抽芯，需要在端部做个脱模斜度，取双边10的脱模斜度，然后真身位取经验值11mm，用螺钉锁紧在滑块上。如下图（4-7）所示 图4-72. 斜导柱的设计直径取D=6mm确定斜导柱的斜度：在15-25取值，初取斜导柱的角度=17；滑块的锁紧角为=+2-3=20；抽芯距离S抽=h+2-3mm=（11.4-12.4）mm；取S抽=12mm；斜导柱的长度L,由于模具的模仁高度并没有确定，故现在只需要确定斜导柱伸入滑块的长度即可，剩余长度可以由模仁高度直接确定。L=S抽sin+8-15mm=（49-56）mm取50mm滑块的斜导柱内孔单边留有0.5mm的避空位。3. 滑块和锁紧块的设计锁紧块的角度取=20由于滑块要保证一定的强度，设计参考表9-6和9-7滑块和锁紧块的经验值。侧抽芯用螺钉连接在滑块上。其具体尺寸如下图4-7所示 图4-8其配合精度为H7/f7（滑块与导滑槽）滑块顶的圆角可以减少应力集中。 图4-9弹簧的选择：因为抽芯距离较长，故选择黑色圆弹簧，其规格如下表弹簧规格TL8X4X30弹簧行程7mm最大压缩量14.4mm剩余压缩量2.4mm当前压缩量12mm压缩状态长度18mm扩孔直径9.5mm五模架的确定根据模具型腔的布局的中心和凹模镶件的尺寸可以知道平面尺寸为220X110mm，又考虑到滑块的抽芯距离和滑块，锁紧块，侧抽芯的径向总长。同时参考选型公式，可确定选用模架为龙记（LKM），（WXL=250mmX300mm），类型为CI两板模。各模板尺寸的确定A板尺寸，由于考虑冷却水道的加入，取40mmB板尺寸 ，镶件对称，可比A板取稍大一点，取50mm；C板的尺寸，C板高度=限位钉高度+推出行程+推板厚度+推杆固定板厚度+（10-15）mm=（4+5+25+25+10-15）mm=（69-74）mm，初步选择70mm（标准）；经过上述确定，知道模架的尺寸如图4-7所示。 图4-82.模架各尺寸的校核根据所选注射机来校核模具设计的尺寸1. 模具平面尺寸250X300mm300X300mm(拉杆间距)，校核合格。2. 模具高度尺寸220mm,130mm220mm240mm,校核合格。3. 模具的开模行程S=H1+H2+（5-10）mm=4+65+5-10mm=（74-79）mm220mm(开模行程)，校核合格。六排气槽的设计该塑件由于采用侧浇口进料，直接在公母模仁开排气槽，同时镶件和推杆配合间隙进行排气。七脱模推出机构的设计1.推出方式的确定本塑件采用推杆推出，便于修模和减少阻力。2.脱模力的计算由于该塑件为厚壁塑件端面是矩形形状，脱模力计算公式为F=2a+bESL(f-tan)(1+K1)K2+0.1A; 式中，F是脱模力（N），E是塑料的弹性模量（MPa），查表4-24；S是塑料的平均收缩率（%），查表4-24得；t是塑件的壁厚（mm）；L是被包型芯的长度（mm）；是塑料的泊松比；是脱模斜度；f是塑料与钢材之间的摩擦因数。查表4-24；r是型芯的平均半径（mm）；a是矩形的短边长度（mm）；b是矩形型芯的长边长度（mm）；A是塑件在与开模方向垂直的平面上的投影面积（mm2），当塑件底部有通孔时，A项视为零；K1是由和决定的无因次数，K1=22cos2+2cos；K2=1+fsincos；所以F=2a+bESL(f-tan)(1+k)+0.1A=1030.5+26.35N=1056.85N3.校核推出机构作用在塑件上得单位压应力 推出面积A=263.6mm2;推出应力 =1.2FA=48.1MPa128MPa(抗压强度)合格。推杆的设计根据塑件的分型面大小，本设计采用两种推杆具体尺寸如图7-1所示其他结构设计支撑柱设计为了防止锁模力，或注塑时的注塑压力（胀型力）将动模板压弯变形而造成成型制品的品质不能达到要求，需要在模具底板和动模板之间加撑柱，以提高模具的刚性和寿命。撑头（支撑柱）必须用螺丝或管针与底板固定，撑头直径一般在25-50mm之间，撑头孔需要大于撑头2mm左右。撑头用高碳钢制造。根据经验值选用直径30mm的两个撑头，避空单边1mm，用螺钉固定。限位钉的设计 在推杆固定板和模具底板之间按模架大小和高度加设小圆形支承柱，作用是减少推杆底板和模具底板的接触面积，防止因掉入垃圾或模板变形，导致推杆复位不良。限位钉大端直径一般取经验值10mm，16mm和20mm.本设计取16mm；四个垃圾钉。八冷却系统的设计冷却系统的计算很麻烦，在此只进行简单的计算。设计时忽略模具因空气对流，辐射以及与注射机接触所散发的热量，按单位时间内塑料熔体凝固时所放出的热量应等于冷却水所带走的热量。1. 冷却介质ABS属于中等粘度材料，其成型温度及模具温度分别为200和50-80，所以，模具初步选定为60。用常温水对模具进行冷却。2. 冷却系统的简单计算（1） 单位时间内注入模具中的塑料熔体的总质量WA 塑料制品的体积V=V主+V分1+V分2+nV塑=1.12+2.368+1.708+8X1.724cm3=19.00cm3；B塑料制品的质量 m=v=19X1.02g=19.38g=0.01938kg;C.塑件的平均厚度为3.5mm，可以查表4-34得t冷=21s；取注射时间t注=1s；脱模时间t脱=8s；则注射周期：t=t冷+t注+t脱=30s。由此得每小时注射次数：N=（3600/30）次=120次。D单位时间内注入模具中的塑料熔体的总质量：W=Nm=2.38KG/H。（2）确定单位质量的塑件在凝固时所放出的热量Qs， 查表4-35直接可知道ABS的单位热流量Qs的范围在（310-400）KJ/KG,之间，可取Qs=360KJ/KG.（3）计算冷却水的体积流量qv 设冷却水道入水口的水温为2=25，出水口的水温为1=28；取水的密度=1000KG/m3；水的比热容c=4.187KJ/(KG.).则根据公式可得： qv=WQs60c（1-2）=2.38X36060X1000X4.187X(28-25)=0.0011m3/min;(4)确定冷却水路的直径d 直接按照经验值 取d=6mm；（5）冷却水在管内的流速v v=4qv60XD2=0.67m/s；（6）求冷却管壁与水交界面的膜传热系数h 因为平均水温为26.5，查表4-31可得f=6.9，则有： h=4.187f（v）0.8d0.2=1.46X104KJ/(m2.H.)(7)计算冷却水通道的导热总面积AA=WQSh=2.38X3601.46