黄汉军-转椅底盘线控手柄固定器的模具设计.doc

1 34 河河 南南 科科 技技 学学 院院 20092009 届本科毕业论文 设计 届本科毕业论文 设计 转椅底盘线控手柄固定器的模具设计转椅底盘线控手柄固定器的模具设计 学生姓名 学生姓名 黄汉军黄汉军 所在院 系 所在院 系 机电学院机电学院 所学专业 机械设计制造及其自动化所学专业 机械设计制造及其自动化 导师姓名 导师姓名 王占合王占合 完成时间 完成时间 2009 05 252009 05 25 2 34 摘摘 要要 模具设计采用了 Pro ENGINEER AutoCAD 设计软件 详细叙述了模具设 计中的塑料材料的选择 分型面设计 浇注系统设计 成型零件设计 顶出机 构设计 利用 Pro ENGINEER 内部的 Plastic advisor 模块 预测了最佳浇注口 仿真了塑料熔体在型腔内的充模流动以及冷却分析过程 优化了工艺方案及工 艺参数 降低了缺陷出现的可能性 给出了完整的理论设计结果 关键词 关键词 注塑模具 模具设计 模流分析 3 34 The mold design of the Swivel chair chassis handle wire fixation Abstract In the mould design process the design or analysis softwares including Plastic advisor Pro ENGINEER AutoCAD are used In this process The choice of materials parting surface design injection system design moulding parts design and ejection system design are discussed detailedly In the whole process Three dimensional modeling The characteristics of the material were analyzed Mould flow analysis A complete result of design is thus attained Technical parameters and processes have been optimized The possibility of errors was reduced Given a complete theory of design Key words Injection mold Mold technics Moldflow analysis 4 34 目目 录录 1 绪论 1 2 手控器的结构特点与材料选用 1 2 1 手控器的结构特点 1 2 2 材料选择 2 3 手控器的注塑成型工艺性分析 2 3 1 拔模斜度分析 3 3 2 型腔数量及排布 4 3 3 分型面的设计 4 3 4 浇注系统设计 6 3 4 1 浇注系统的组成 6 3 4 2 浇注系统设计原则 6 3 4 3 主流道设计 6 3 4 4 分流道设计 9 3 4 5 浇口设计 9 3 4 6 冷料穴设计 10 4 模具结构设计 11 4 1 动模板的设计 11 4 2 定模板的设计 12 4 3 大滑块的设计 13 4 4 左右滑块的设计 14 5 模具机构设计 15 5 1 标准模架的选择 15 5 2 滑块机构设计 17 5 3 导向与定位机构 18 5 4 顶出系统设计 19 6 其它辅助系统的设计 21 6 1 温度调节系统设计 21 6 1 1 温度调节对塑件质量的影响 21 6 1 2 对温度调节系统的要求 21 6 2 设计原则 21 7 塑件模流分析 22 7 1 注塑时间分析 23 7 2 注塑压力分析 23 7 3 注塑表面流动 24 7 4 注塑时表面温度 24 7 5 冷却质量 25 7 6 表面缩痕估计 25 7 7 分析的总体结果 25 8 模具总装图 26 8 1 3D 爆炸图 26 5 34 8 2 装配明细表 27 9 结束语 28 致谢 28 参考文献 28 附录 29 1 34 1 绪论绪论 转椅底盘线控手柄固定器 以下简称手控器 是中高档办公用椅的重要部 件 起着方便控制椅子底盘倾斜角度的作用 该固定器采用注塑工艺生产 因 此设计一套生产效率高 产品质量好 生产成本低的模具十分必要 2 手控器的结构特点与材料选用手控器的结构特点与材料选用 2 1 手控器的结构特点手控器的结构特点 手控器的外形图见图 1 零件图见图 2 图 1 手控器的三维图 2 34 图 2 手控器的二维图 2 2 材料选择 材料选择 该塑件是日用品 承受外力的几率不大 如冲击载荷 振动 摩擦等情况 比较少 塑件的工作温度是室温 这使得在材料选择时对热变形温度 脆化 温度 分解温度的要求降低 作为一种日用品 生产批量应该是大批大量生产 这 样 就必须考虑生产成本和模具寿命 在材料的选择时要综合各种因素 此外 塑 料都会老化 作为一种光学用品 还要考虑到材料的光氧化等问题 经分析 本塑件基本不怎么受较大的冲击力 外观方面要求也不是特别高 本塑件 材料采用 PA66 材料简介 PA66 又称尼龙 66 聚己二酸己二胺 nylon 66 缩写 NY66 化学式 NH CH2 6 NHCO CH2 4CO n 性状 半透明或不透明乳白色结晶形聚合物 具有可塑性 密度 1 15g cm3 熔点 252 脆化温度 30 热分解温度大于 350 连 续耐热 80 120 平衡吸水率 2 5 能耐酸 碱 大多数无机盐水溶液 卤代烷 烃类 酯类 酮类等腐蚀 但易溶于苯酚 甲酸等极性溶剂 具有 优良的耐磨性 自润滑性 机械强度较高 但吸水性较大 因而尺寸稳定性 较差 外观为白包或带黄色颗粒状 3 34 密度 g cm3 1 10 1 14 拉伸强度 MPa 60 0 80 0 络氏硬度 118 冲击强度 kJ m2 60 100 静弯曲强度 MPa 1 00 120 马丁耐热 50 60 弯曲弹性模星 MPa 2000 3000 体积电阻率 cm 1 83 1015 介电常数 1 63 PA66 在聚酰胺材料中有较高的熔点 它是一种半晶体 晶体材料 PA66 在 较高温度也能保持较强的强度和刚度 PA66 在成型后仍然具有吸湿性 其程度 主要取决于材料的组成 壁厚以及环境条件 在产品设计时 一定要考虑吸湿 性对几何稳定性的影响 尼龙 66 提供了各种特性的最佳平衡性 并且是所有尼 龙中最强状的 3 手控器的注塑成型工艺性分析手控器的注塑成型工艺性分析 3 1 拔模斜度分析拔模斜度分析 塑件在成型过程中 塑料从熔融状态转变为固体状态 将会产生一定量的 尺寸收缩 从而使塑件紧紧的包在模具型芯和型腔中凸起的部分上 为此必须 考虑内外壁有足够的拔模斜度 pro e 分析的拔模检测 拔模角度为 1 5 见图 3 所示 图 3 拔模斜度分析图 4 34 3 2 型腔数量及排布 型腔数量及排布 考虑这个塑件体积方面不是很大 且表面质量方面要求不高 为了提高 生产效率 所以型腔数量选择一模两腔 初步排版见图 4 图 4 型腔排布图 采用对面对称的排布方式 因为左右有侧抽 选择对称排布 可以让两个滑 块自由向外移动 3 3 分型面的设计分型面的设计 本塑件主要分模包括上下分型和两个侧抽 主分型面则设计在塑件对称的 中心面上 左右侧抽分型面则是设计在两个侧孔的位置 大滑块的侧抽分型面 就选择在塑件底部 U 形的面和几个螺丝孔部分 图 5 图 6 可以表示得很清 楚 5 34 图 5 总分型图 图 6 各个分型面 6 34 3 4 浇注系统设计浇注系统设计 3 4 1 浇注系统浇注系统的组成的组成 浇注系统是指模具中从注射机喷嘴开始到型腔为止的塑料流动通道 其由 主流道 分流道 浇口及冷料穴组成 3 4 2 浇注系统设计原则浇注系统设计原则 浇注系统的设计是注塑模具设计的一个重要环节 占有非常重要的地位 它的设计合理与否对注塑的成型周期和制件质量 几何特征 物理性能 尺寸 精度等 都有直接影响 因此 浇注系统的作用是保证塑料熔体顺利 平稳地 填充到型腔当中 在这个过程中 把压力充分地传递到各个部位 以便于获得 组织紧密 外形清晰的塑料制件 由于浇注系统在模具设计中的重要地位 所以设计时应遵循如下原则 1 型腔布置和浇口开设的部位应对称 防止溢料现象的产生 2 型腔和浇口的排列要合理 尽量地缩小模具的外形尺寸 3 流程应尽可能短 断面尺寸适当 太小则压力及热量损失大 太大则 塑料耗费大 且应尽量减小弯折 降低压力损失 缩短填充时间 4 对多型腔应尽可能使塑料熔体在同一时间内进入各个型腔的深处及角 落 即分流道尽可能采用平衡式布置 5 在满足充满型腔的前提下 浇注系统的容积应尽量小 以减少塑料的 耗量 6 浇口位置要适当 尽量避免冲击嵌件和细小的型芯 防止型芯变形 浇口的残痕不应影响塑件的外观 7 浇注系统的排气要良好 能够顺利地引导熔融塑料填充到型腔的各个 深度 不产成涡流和紊流 并能使模腔内的气体顺利排除 3 4 3 主流道设计主流道设计 主流道是指从注射机喷嘴与模具接触的部位起 到分流道为止的这一段 主流道结构如图 7 图 8 所示 7 34 图 7 主流道接口三维图 图 8 主流道接口二维图 熔融塑料首先经过主流道 所以它的大小直接影响塑料的流速及填充时间 主流道的断面形状常为圆形 主流道截面面积过小 塑料在流动过程中冷却面 积相对增加 热量损失大 粘度增加 流动性下降 成型压力损失大 造成成 型困难 如主流道截面面积过大 会使流道容积加大 塑料耗量增多 而且会 使塑料流动过程中压力减弱 冷却时间延长 容易产生紊流或涡流 使塑件产 生气孔 影响塑件的质量 一般对于流动性好 塑件较小 主流道要设计得小 些 流动性差 塑件较大 主流道要设计得大些 主流道的基本尺寸通常取决于两个双方面 8 34 第一个方面 所使用的塑料种类 所成型的制品质量和壁厚大小 其表如 3 1 表 3 1 制品质量和壁厚大小参考表 制品质量 gD1 mmR mm 2030 5 20 4041 40 15051 150 30062 300 50082 500 1500102 第二个方面 注塑机喷嘴的几何参数与主浇道尺寸的关系如图 9 所示 热塑性塑料的主流道衬套与注塑机喷嘴的尺寸 主流道始端直径 B A 0 5 1 mm 球面凹坑半径mm 半锥角 a 为 2 1XR 4 2 尽可能缩短长度 L 小于 60mm 为佳 浇口套注塑机喷咀 咀 浇 图 9 浇口套与注塑机喷嘴关系 本套模具主流道设计要点是 1 为便于凝料从主流道中拉出 主流道设计成圆锥形 其锥角 2 内壁 粗糙度为 Ra 0 63 整个主流道都在衬套中 并未采取分段组合形式 m 2 主流道大端处是根据注塑机的喷嘴头来设计的 呈圆角 其半径 9 34 R 11mm 以减小料流在转向时过渡的阻力 3 为使熔融塑料从喷嘴完全进入主流道而不溢出 应使主流道和注塑机的 喷嘴紧密接触 主流道对接处设计成半球形凹坑 其半径 R X 1 2 mm X 10mm 取 R 11mm 其主浇道小端直径 d2 d1 0 5 1 mm 取 d2 6mm 流道应保持光滑的表面 避免留有影响塑料流动和脱模的尖角毛刺等 3 4 4 分流道设计分流道设计 分流道是指主流道与浇口之间的这一段 它是熔融塑料由主流道流入型腔 的过渡段 也是浇注系统中通过断面积变化和塑料转向的过渡段 能使塑料得 到平稳的转换 从压力损失考虑 由于在同等断面积时的圆形周边比正方形的短 因此料 流阻力小 压力损失也小 电器盒塑料件的体积较大 特别是长度较长 所以 压力是否足够对充模成功与否具有较大的影响 所以这里应该采用U形截面的 分流道 U形分流道断面的深度一般H 2r r为圆的半径 斜角a 5 10 分流道 的表面不要求很光 表面粗糙度一般达到Ra3 2 1 6即可 因为分流道的表面不 光滑 就能使熔料的冷却皮层固定 有利于保温 分流道的分布如图10所示 图10 分流道的分布图 10 34 3 4 5 浇口设计浇口设计 浇口又称进料口或内流道 它是分流道与塑件之间的狭窄部分 也是浇注 系统中最短小的部分 它能使分流道输送来的熔融塑料的流速产生加速度 形 成理想的流态 顺序 迅速地充满型腔 同时还起到封闭型腔防止熔料倒流的 作用并在成型后便于使浇口与塑件分离 本设计采用普通侧浇口 又称边缘浇口 一般开设在分型面上 它能方便 调整充模时的剪切速率和浇口封闭时间 因而在国外称之为标准浇口 应用非 常广泛 测浇口一般取宽 1 5 5mm 厚 0 5 2mm 长 0 7 2mm 侧浇口可以根据塑件 的形状特点灵活的选择浇口的位置 来改善填充条件 不像其他浇注系统一样 有很大的限制 如框形或者环形塑件 可以从外侧进料 而当内部有足够空间 位置时也可以从内侧进料 这种可以使模具更紧凑 流程缩短 一般适用于一 模多腔 能大大强高生产效率 减少浇注系统耗量而且除去浇口方便 本塑件 量大而且对质量要求不是非常高 很符合侧浇口的使用环境 如图 11 图11 浇口设计图 3 4 6 冷料穴设计冷料穴设计 冷料穴是用来储藏注射间隔期间产生的冷料头的 防止冷料进入型腔而影 响塑件质量 并使熔料能顺利充满型腔 冷料穴又叫冷料井 11 34 卧式或立式注塑机上注塑的冷料穴一般都设置在主流道的末端 即主流道 正对面的动模上 直径稍大于主流道大端直径 以利冷料流入 当分流道较长 时 可将分流道的尽头沿前进方向稍延长的部分作为冷料穴 本模具冷料穴分 流道不怎么长 所以把冷料穴设置在主流道末端 如图12所示 图12 冷料穴设计 4 模具结构设计模具结构设计 模具主要有分型块 下面为动模板 下模板主要有大滑块部分 有个 T 型 槽部分 12 34 4 1 动模板的设计如图动模板的设计如图 13 图图 14 图13 动模板设计三维图 图 14 动模板设计二维图 13 34 4 2 定模板的设计如图定模板的设计如图 15 图 图 16 图 15 定模板设计三维图 图16 定模板设计二维图 4 3 大滑块的设计大滑块的设计 大滑块 因为是一模两腔的设计 本来两个滑块合并为一个 因为滑块比 较大 所以采用了两根斜导柱的结构 这样受力更均匀 容易脱模 如图 17 图 18 14 34 图17大滑块三维图 图18 大滑块二维图 4 4 左右滑块的设计左右滑块的设计 左右滑块道理一样 结构和大滑块相似 如图 19 图 20 所示 15 34 图19 左右滑块三维图 图20 左右滑块二维图 两个滑块都用了斜导柱的形式 斜导柱抽芯是最常用的一种方式 他具有 结构简单 安全可靠 制造方便等特点 具体动作原理下文在做详细介绍 5 模具机构设计模具机构设计 主要有标准模架设计 滑块机构的设计 导向与定位机构设计 顶出系统 的设计 5 1 标准模架的选择标准模架的选择 应用 proe 里面一个插件 EMX 设计出本套模架的基本框图可见如图 21 16 34 图21 模架的基本框图 图中可以看见每块模板的高度 而且宽度是 250 长度是 400 这两个数据 室根据型腔的长度宽度设计的 图 22 是模架总体三维图 17 34 图22 模架总体三维图 5 2 滑块机构设计滑块机构设计 本设计过程中滑块都采用斜导柱的形式进行脱模 图 23 为合模状态时 图23 合模状态图 合模时滑块的斜面和定模板的斜面接触 起到定位的作用 滑块嵌在动模 板的 T 型槽里 开模时滑块就受到向下的力 因为滑块和斜导柱是斜面接触 力作用在垂直于斜面上 进而可以分解为垂直和水平方向的力 水平方向的力 就可以驱使滑块向左右移动 受力图如图 24 所示 18 34 图24 受力图 F 拉 是动模板给滑块的力 F 斜斜 则是因为 F 拉拉 作用在斜面上而形成的力 因为力的作用是相互的 因而会产生一个反作用力 也就是图中所示的 F 反 利用理论力学知识可以很简单得把力分解成水平和垂直的力 即 Fx 和 Fy 力 Fx 可以驱使滑块向右移动 继而打到脱模的效果 下面为开模后的示意图如图 25 图25 开模后的示意图 5 3 导向与定位机构导向与定位机构 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 如 图 26 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 如图 27 设计导柱和导套需要注意的事项有 19 34 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 6 8 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 5 2 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 图 26 导柱三维 图 27 导套三维 5 4 顶出系统设计顶出系统设计 注射成型每一循环中 塑件必须准确无误地从模具的凹模或型芯上脱出 完成脱出塑件的装置称为脱模机构 也称顶出机构 脱模机构的设计一般遵循以下原则 1 塑件滞留于动模边 以便借助于开模力驱动脱模装置 完成脱模动作 2 由于塑件收缩时包紧型芯 因此推出力作用点尽量靠近型芯 同时推 出力应施于塑件刚性和强度最大的部位 3 结构合理可靠 便于制造和维护 本设计使用简单的推杆和推管脱模机构 因为该塑件的分型面简单 结构 也不复杂 采用推简单的脱模机构可以简化模具结构 给制造和维护带来方便 在对脱模机构做说明之前 需要对脱模力做个简单的计算 图 28 图 29 为本 设计的顶杆及顶杆的位置 20 34 图 28 每个产品用四根顶杆顶出 图 29 顶杆顶出模型图 顶杆的顶出位置放在了产品的四根加强筋上面 不会影响外观 而且顶出 21 34 的力均匀 有利于脱模 6 其它辅助系统的设计其它辅助系统的设计 6 1 温度调节系统设计温度调节系统设计 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 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 PS 推荐的成型温度为 170 280 模具温度 为 20 70 6 1 1 温度调节对塑件质量的影响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 6 1 2 对温度调节系统的要求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 6 2 设计原则设计原则 1 尽量保证塑件收缩均匀 维持模具的热平衡 2 冷却水孔的数量越多 孔径越大 则对塑件的冷却效果越好 3 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 5 3 5D 冷却水管壁距模具边界和制件 壁的距离为 0 8 1 5B 最小不要小于 10 4 浇口处加强冷却 冷却水从浇口处进入最佳 5 应降低进水和出水的温差 进出水温差一般不超过 5 22 34 6 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 7 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 如图 30 图 30 冷却系统设计图 7 塑件模流分析塑件模流分析 利用 Pro ENGINEER 的外挂软件塑料顾问 Plastic Advisor 还可以对已 设计完成的模具的流动及充填情况进行分析研究 以便在模具投入制造之前就 发现存在的设计问题 并有目的地进行改进设计 减少设计失误造成的不必要 损失 23 34 7 1 注塑时间分析注塑时间分析 如图如图 31 图 31 时间分析图 7 2 注塑压力分析注塑压力分析 如图如图 32 图 32 注塑压力分析图 24 34 7 3 注塑表面流动注塑表面流动 如图如图 33 图 33 注塑表面流动图 7 4 注塑时表面温度注塑时表面温度 如图如图 34 图 34 注塑时表面温度图 25 34 7 5 冷却质量冷却质量 如图如图 35 图 35 冷却质量图 7 6 表面缩痕估计表面缩痕估计 如图如图 36 图 36 表面缩痕估计图 7 7 分析的总体结果分析的总体结果 运用 CAE 技术 我们对本产品充模情况进行分析 分析的内容主要有充模 时间 模具行腔内的压力分布 模具行腔内的温度分布情况 可能出现的熔接 痕和气泡等 根据分析结果我们可以更好的对模具结构进行修模和优化 以下 26 34 为注塑条件的部分参数 Mold Temperature 60 00 deg C Melt Temperature 280 00 deg C 充填阶段结果摘要 最大注射压力 10 500 170 MPa 充填阶段结束的结果摘要 充填结束时间 1 s 机械打开时间 5 s 总重量 制品 流道 51 45 g 最大锁模力 在充填期间 16 6120 tonne 8 模具总装图模具总装图 8 1 3D 爆炸图爆炸图 如图如图 37 图 图 38 图 37 爆炸图 一 27 34 图 38 爆炸图 二 8 2 装配明细表装配明细表 如图如图 39 28 34 图 39 装配明细图 1 浇注口衬套 2 定模底座 3 衬套 4 水线喷嘴 5 定模板 6 斜导 柱 7 顶杆 8 左右滑块 9 大滑块 10 动模板 11 导柱 12 支撑板 13 复位杆 14 弹簧 15 顶板 16 动模底座 17 顶杆固定板 18 垫板 9 结束语结束语 1 在模具设计初始阶段采用模流分析软件对整个模具设计进行优化 可以 设计浇注系统并进行最佳浇注口的分析 充模温度 表面缩痕估计等 为设计 做出提前预判和可靠的参照 2 利用 Pro ENGINEER 软件完成了产品的外形设计 分型面设计 浇注 系统设计 成型零件设计 顶出机构设计 首先在 Pro E 模具模块里作出分型 面 利用分型面得出动 定模 初步出三维造型 最后导入工程图中并转化到 AutoCAD 中进行修改并完善 继而出二维图纸 从而得出完整的理论设计结果 分析时采用 Pro ENGINEER 内部的 Plastic advisor 模块预测了最佳浇注口 仿真 了塑料熔体在型腔内的充模流动以及冷却分析过程 预测了缺陷产生的临界条 件 优化了工艺方案及工艺参数 降低了缺陷出现的可能性 采用这些软件进 行设计分析 优化了设计的参数和缩短了设计时间 提高了生产效率 致谢 致谢 设计过程中遇到许多的问题 在众多师友的帮助下予以解决 首先要感谢 王老师和公司同事对我的指导和督促 王老师给我指出了正确的设计方向 使 我加深了对知识的理解 同时也避免了在设计过程中少走弯路 王老师的督促使