（机械制造及其自动化专业论文）基于仿真的塑料模具设计的研究.pdf

基于仿真的塑料模具设计的研究 学科 机械制造及其自动化 研究生签字 唐恕后b 指导教师签字 匀够乡 摘要 注塑成犁是现代塑料工业中的一种极为重要的加工技术 它适用于塑料制品的大批量 生产 但是我国大部分塑料模具设计还停留在传统的模具设计思路上 主要依赖于模具设 计人员的经验及工艺人员的技巧 模具设计的合理性只有经过试模才知道 从而导致制造 周期长 成本高 本文采用一种新的设计思路 采用以c a d c a e 相结合来进行塑料模 具设计 其中c a d 进行实体设计 c a e 来对模具结构进行优化 使模具一次试模成功 从而节约成本 提高设计效率 本文首先全面介绍了塑料模具设计的基本理论和在塑料模具设计时 设计人员要面对 的主要缺陷及其在模具结构上的解决办法 其次详细阐述了模具设计的c a d 部分 并提 出仅仅只用c a d 部分进行模具设计的弊端 引出将它和c a e 部分相结合来进行模具设 计的思路 接着以模拟仿真软件m o l d f l o w 为工具 结合具体制件 深入研究了如何开发 自己的材料库以及如何对模具结构进行优化设计 然后最后归纳总结这种新思路的设计流 程 并以民品接水盒为例对其进行进一步的阐述 最后建立了模具文档p d m 系统 以便 更好的管理这些资料 更快速的进行模具设计 关键词 注塑成型 m o l d f l o w c a d c a e 优化设计 p d m s i m u l a t i o n b a s e dd e s i g no fp l a s t i cm o l d d i s c i p l i n e m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i o n s t u d e n t s i g n a t u r e t 位叼6 u n 凹灿 s u p e r v i s o r 廖况j刃 csignature 泖彻加 k 优 以 堋柳m a b s t r a c t p l a s t i c si n j e c t i o nm o l d i n gi sav e r yi m p o r t a n tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi nm o d e mp l a s t i c s i n d u s t r y i ti s s u i t a b l ef o rm a s sp r o d u c t i o no fp l a s t i cp r o d u c t s h o w e v e r m o s to fo u rp l a s t i c m o l dd e s i g n sa l s or e m a i ni nt h et r a d i t i o n a lm o l dd e s i g ni d e a m a i n l yd e p e n d so nt h em o l d d e s i g ne x p e r i e n c ea n dt e c h n i c a ls k i l l so f s t a f f i ti st ok n o wt h er a t i o n a l i t yo fm o l dd e s i g no n l y t h r o u g hat e s t w h i c hr e s u l ti nal o n gm a n u f a c t u r i n gc y c l ea n dh i l g hc o s t i nt h i sp a p e r w eu s e an e wi d e aa b o u tc a d c a ec o m b i n a t i o nt od e s i g nt h ep l a s t i cm o l d c a di su s e df o rp h y s i c a l d e s i g n c a ei su s e dt oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h em o l d s ot h a tm o l dt e s ti ss u c c e s so n l y t h r o u g ha t e s ti no r d e rt os a v ec o s t sa n di m p r o v ed e s i g ne f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r i tf u l l yi n t r o d u c t i o nt ot h eb a s i ct h e o r ya b o u tp l a s t i cm o l dd e s i g na n di nt h e p r o c e s so fp l a s t i cm o l dd e s i g n d e s i g n e r sh a v et of a c eam a j o rd e f e c ti nt h ed i es t r u c t u r ea n d i t s s o l u t i o n s e c o n de l a b o r a t e do nt h ec a d w h i c hi sb e l o n g e dt om o l dd e s i g n a n d i ti sp r o p o s e d d r a w b a c k sw h i c hi so n l yr e s u l ti nc a dm o l dd e s i g n t h e nt a k em o l d f i o ws i m u l a t i o ns o f t w a r e a sat o o l l i g h to ft h es p e c i f i cp a r t s i n d e p t hs t u d yo fh o wt od e v e l o pt h e i ro w nm a t e r i a la sw e l l a sh o wt oo p t i m i z et h ed e s i g no fd i es t r u c t u r e t h e ns u m m a r i z e dt h ed e s i g no fs u c hn e wi d e a s f l o w a n dt a k ec i v i lw a t e rb o xa sa l le x a m p l ef o rt h e i rf u r t h e re l a b o r a t i o n f i n a l l y e s t a b l i s ht h e m o l dd o c u m e n tp d ms y s t e mi no r d e rt ob e t t e rm a n a g et h ei n f o r m a t i o nm o r eq u i c k l yt ot h e m o l dd e s i g n k e yw o r d s i n j e c t i o nm o l d i n g m o l d f l o w c a d c a e o p t i m a ld e s i g n p d m 学何论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属西安工业大学 本人保证毕业离校后 使用学位论文工作成果 或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学 学校有权保留送交的学 位论文的复印件 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 学位论文作者签名 摩艺悟b 指导教师签名 勿髟 日期 a 口吁备辱j 5 l 多d 日 6 7 学何论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德 本人声明所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特 别加以标注和致谢的地方外 学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成 果 不包含本人己申请学位或他人己申请学位或其他j f j 途使用过的成果 与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了致谢 学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 学位论文作者签名 虐知眉l j 篡蒜露氏眺加72 f 年历秀日 n 1 绪论 1 1 本文研究背景 1 绪论 工程塑料制品具有密度小 比强度高 电绝缘 隔热 耐化学腐蚀 容易成型加工等 优异性能 因而广泛应用于精密仪器 电子仪表 航空航天 汽车工业 光学仪器 办公 设备 家用电器和同用品等行业中 而且有的行业还出现了金属零件塑料化的趋势 因此 与工程塑料相关的塑料成型模具的增长十分迅速 特别是注射成型模具 它是采用模具成 型塑料制品 实质上也是一种少切削 无切削 多工序重合的生产方法 它具有生产效率 高 产品质量稳定 可节约大量材料 能源以及生产成本低等优点 在塑料成型模具产量 中占有极大的比重 因而在模具界也倍受关注 注射模设计是注射模制造的关键 在塑料注射成型过程中 当塑料制品及其成型设备 确定以后 影响塑件质量及生产效率的所有因素之中 模具设计因素大约占8 0 左右 一副结构合理的注射模不仅能顺利地生产出高质量的塑件 还可以简化模具的加工过程和 提高生产效率 从而降低生产成本并提高附加值 同时 注射成型还是一个复杂的加工过 程 注射模具的设计和制造以及注射成型过程分析是一个繁重的任务 仅靠设计人员的经 验和模具工人的手艺 要保证注射模具的精密设计与制造以及制品高精度的要求是很难实 现的 1 1 在国外模具行业 注射模c a e 技术研究起步较早 且技术成熟 为了提高塑料模具 的质量 缩短模具的设计和制造周期 发达工业国家从2 0 世纪8 0 年代中期己广泛使用计 算机对塑料模具进行辅助设计 即c a d c o m p u t e r a i d e dd e s i g n 辅助制造 即 c a m c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r e 并对模具设计的各个环节进行定量计算和数值模拟分 析 即c a e c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g 计算机辅助工程 其中有e d s 公司开发的 u g m o l dw i z a r d 注塑c a d 软件 澳大利亚m o l d f l o w 公司开发的m o l d f l o w 注塑c a e 软 件 因此保证了塑料产品的质量 大大缩短了塑料产品更新换代及上市周期 并且欧美许 多模具企业己将它们广泛应用在注塑模具设计与制造之中 这些技术在其中起着越来越重 要的作用 2 1 在我国 随着计算机技术的高速发展 对注射模c a e 技术的研究也逐步展开 在过 去的十几年中取得了令人瞩目的发展 但许多方面与发达工业国家相比仍然有较大差距 例如c a d c a e c a m 技术的普及率不高 许多先进的模具技术应用还不够广泛等 虽然 我国c a d 产业有了突破性进展 开发了百余种商品软件 像c a x a 高华c a d 开目 c a d 金银花等等 但其中优秀的c a d c a m 系统很少 并且仅有少数c a d c a m 软件 带有针对模具行业的模块 例女n c a x a 提供的专业注塑模具设计与绘图软件 c a x a 注 塑模设计师 它具有c a x a 电子图板的全部功能 实现了图形绘制 资料查询 公式计 西安 l 业人学硕 学位论文 算 安全校核 标准零件的电子化 然而这些设计软件是基于二维的 己经不适应模具设 计发展需求 虽然c a x a 制造工程师具有二维模具型腔 型芯设计与自动加工编程的功 能 但功能不强 还不能称之为专用注塑模设计模块 其它国内提供的二维注塑模设计软 件也都大部分处于研究与试验阶段 离商业化 实用化尚有一段距离 由此可见 在我国 能行之有效地将c a d c a e c a m 技术应用于模具制造的过程中 还缺乏足够经验 工程应用人员在正确理解c a d c a e 的相结合的模具设计思路还不十 分明确 还是习惯于采用传统的模具设计方法 这种设计方法对设计后在成型过程中出现 的缺陷的解决方法主要通过试模来解决 依靠试模来检验零件是否合格 试模不合格的模 具一律更改设计方案 再更改模具的结构 有的甚至模具报废 如此反复 直到零件合格 为止 具有较大的盲目性 这样做不仅提高零件的成本 而且还增加模具设计与制造的周 期 使得模具的生产周期长 成本高 而且质量也难以保证 特别对大型 精密 复杂的 中高档模具 问题更为突出 甚至可能会由于这个原因而彻底失去市场竞争力 造成经济 损失 由上可见 这种传统的模具设计方法与当今模具设计潮流极不相符 而且在注射成型 生产实际中 塑料熔体的流动性能千差万别 塑料制品和模具的结构千变万化 工艺条件 各不相同 如果仅凭有限的经验和简单的公式将难以作出全面的考虑和处理 再加上设计 者经验的积累和公式的总结也往往跟不上塑料材料的发展和制品复杂程度及精度要求的 提高 因此急需找到中新的模具设计理念来改变这种现状 也就是要将计算机辅助设计 c a d 计算机辅助工程 c a e 相结合去进行模具设计p j 同时 为了管理和重用好各个阶段产生的数据 使得他们在整个生产过程都能发挥作 用 解决数据种类繁多 数据重复冗余 数据检索困难 数据的安全性及共享管理较差等 问题 p d m 是一种管理所有与产品相关的信息 包括产品规范 电子文档 c a d 文件 产品结构 存取权限等 和所有与产品相关的过程 包括工作流程的定义与管理等 的技术 p d m 覆盖产品的整个生命周期 能有效地将产品数据从概念设计 计算分析 详细设计 工艺流程设计 加工制造 销售维护至产品消亡整个生命周期内及其各阶段的相关数据 按照一定的数学模式加以定义 组织和管理 使产品数据在其整个生命周期内保持一致 共享及安全 4 1 在国外 据美国c i md a t a 公司调查 全球的p d m 业软件和服务市场年增长率达到 3 0 在调查的公司企业中有9 8 都希望实施d p m 许多世界知名大公司 a b b o b e i n g m b w s u n d 等1 纷纷开始在企业内部着手实施p d m 计划 1 9 9 7 年福特汽车花费上亿美 元购买了s o r c 公司的m t e a h p a e s 构建了自己的p d m 系统 由此引发的 福特效应 使得许多的汽车制造商同时投资建设自己企业的p d m 系统1 5j 在我国 p d m 技术在国内企业还处于初级阶段 进展也很缓慢 但是我们相信 随着 中国信息化进程的发展 国内应用p d m 系统的企业会越来越多 p d m 系统的开发和应用也 会进入快速发展的时期 虽然目前国内的p d m 产品在功能 性能和稳定性方面与国外的 2 1 绪论 p d m 产占厶还存在着差距 但是在适应企业需求 价格及技术支持等方面具有一定的优势 只要国内的p d m 生产厂家能够不断的努力 国内的p d m 产品还是会有美好的发展前景的1 6 j 1 2 论文研究的目的与意义 结合我国传统模具设计的现状以及外国的c a d c a e 技术 为了缩短设计周期 减 低成本 提高模具设计的效率 将c a d c a e 这两门技术有机相结合是一种非常可行的 办法 因为 首先c a d c a e 技术在注射模具设计领域的应用使得设计与制造周期大大缩短 结 构的准确性大大提高 设计者能借助于模具c a d 软件的自动检索 交互绘图和快速计算 的能力 从繁冗的手工绘图和计算中解放出来 以便能集中精力从事诸如方案构思和结构 优化等创造性工作 从而为模具的复杂结构设计节省了时间 尤其是通过对所设计的模具 进行c a e 分析后 能够对设计方案进行验证 而不必等到试模的时候 使我们少走弯路 这样不仅减少了我们设计时的盲目性 而且在提高模具结构的可行性和优化性以及加工的 精度方面也取得了很大的进展 7 1 其次 c a d c a e 技术在注射模具设计领域的应用能帮助我们尽快找到最佳的工艺 参数 长期以来 我们使用的是传统模具设计方法 此方法在设计过程中 注射模具的各 种参数设计均依赖于经验 例如 浇口和浇道开设的位置及形状 大小 冷却管道的的类 型 尺寸与位置 最佳注射压力 保压压力 充模时间等等 c a e 技术使我们在计算机 上对整个注塑成型过程进行仿真模拟分析 包括填充 保压 冷却 翘曲 纤维取向 结 构应力 收缩以及气辅成形和热固性材料流动分析 找出可能出现的缺陷 从而使注塑缺 陷能得到及时的修改 提高一次试模的成功率 使生产厂家实现高质量 低成本 短周期 的目标博 由此可见 c a d c a e 技术的引入 无论在提高模具设计水平及生产率 保证质量 方面 还是在降低成本 减轻劳动强度方面都具有重要意义一j 利用注射模c a e 技术可在模具制造之前 在计算机上对模具设计方案进行分析和模 拟来代替实际的试模 预测在模具设计中会出现的潜在缺陷 从而加以解决 突破了在注 塑机上反复试模 修模的传统模式 并为设计人员修改设计提供了科学的设计理论与方法 c a e 技术的应用带来的直接好处是省时省力 减少试模 修模次数和提高模具设计成功 率 缩短模具设计制造周期 降低成本 提高产品质量 采用c d c a e 技术 则会事半 功倍 取得显著的经济效益 l o 同时 这种模具设计理念也真正的使我们设计达到了以下目吲1 1 j 1 对塑件的可注射加工性能作出早期的判断 预先发现塑件在注射成型过程中可能 产生的质量缺陷或问题 并且查找塑件质量缺陷或问题产生的原因 寻求合理的浇注系统 及冷却系统尺寸 2 通过对塑件流动成型过程的仿真优化设计来获得最佳的工艺方案和工艺参数 增 3 两安一t 业人学硕士学位论文 强工艺的稳 止性 从而减少模具调试次数和时间 缩短模具设计的时间 提高模具的可靠 性 降低模 0 的成本 3 通过对塑件冷却成型过程的仿真优化设计来获得最佳冷却系统的各种参数 以解 决模具在工f 1 过程中动 定模的温差过大的问题 达到缩短生产周期 提高生产效率的目 的 为了使模具设计的各个阶段有机的联系在一起 p d m 系统能更好的完成各个部分的 衔接 以便边行企业信息建模的分析和设计 实现包括文档管理 生命周期管理 工作流 管理 产品结构管理 视图管理 变更管理 客户化应用等功能 1 3 论文研究内容 课题的主要研究内容 1 研究注塑模具的一般设计方法与理论 常见的缺陷分析及对策 2 研究结合u g 软件建模模块进行计算机建模 模具设计模块进行模具成型零件设 计的方法 3 研究如何以m o l d f l o w 为平台进行开发 开发出一种适合自己所在公司的注射模具 模拟仿真系统 4 研究注射模具模拟仿真系统如何导入制品零件 模拟仿真并反馈进行注塑模具结 构设计的整个模具设计过程 5 针对新的模具设计思路 建立模具的p d m 系统 1 4 本章小结 本章结合c a d c a e 目前国内外的应用状况 根据国内模具设计的趋势提出了本课 题研究的背景 目的和意义 研究的内容 4 2 注塑模的设计理论及常见的缺陷分析 2 注塑模的设计理论及常见的缺陷分析 模具的设计和制造直接关系到产品的质量 长期以来 模具的设计和制造j 要依赖于 设计人员的经验和技巧 设计的合理性只能通过试模来判断 制造的缺陷主要靠修模来纠 正 在注塑模设计过程中 事先知道常见的缺陷的特征并提前实行设计更改 必将提高设 计效率 2 1 注塑模具的分类 基本组成 2 1 1 分类 注塑模具的分类方法很多 按所成型的材料可分为热塑性塑料注射模和热同性塑料注 射模 按注射模结构特征和注射机的类型可分为卧式注射机用注射模 立式注射机用注射 模 角式注射机用注射模i 挖 2 1 2 基本组成 注塑模具的结构形式尽管多种多样 千变万化 但模具中的每一个固定部分在不同模 具类型中均起着相同的作用 依据各部分在模具中所起的作用 一套注射模一般均由以下 八个部分组成 1 3 1 成型零件是构成模具型腔的零件 通常由型芯 型腔 镶件等组成 2 浇注系统将熔融塑料由注射机喷嘴引向型腔的流道 一般有主流道 分流道 浇口 冷料井组成 3 1 导向机构通常由导柱和导套组成 用于引导动 定模正确闭合 保证动 定模 合模后的相对准确位置 有些注射模在动 定模两边分别设置互相吻合的内外锥面 用于 承受侧向力 有些注射模为避免顶出过程中推板歪斜 还设有导向零件 使推板平稳运动 4 侧向分型与抽芯机构塑料制件上如有侧孔或侧凹 需要在塑件被推出前 抽出 侧向型芯 5 脱模机构将塑件和浇注系统凝料从模具中脱出的机构 一般情况下 由推杆 复位杆 推杆固定板 推板 及导柱和导套等组成 6 调温系统为了满足注射工艺对模具温度的要求 模具设有冷却或加热系统 模 具需冷却 常在模内开设冷却水道 需加热则在模内或其周围设置加热元件 如电加热元 件 乃排气系统模过程中 为排出模腔内气体 常在分型面处开设排气槽 小型塑件 排气量不大 可直接利用分型面上的间隙排气 许多模具的推杆或其它活动零件之间的间 隙均可起排气作用 8 其他辅助部件是为了满足模具结构上的要求而设置的 如固定板 动 定模座板 两安l 业入学硕十学位论文 支承板 连接螺钼 等 构成模具型腔的零件 通常由型芯 型腔 镶f 等组成 2 2 浇注系统的结构设计 浇注系统是指从注塑机喷嘴进入模具开始 到型腔入口为止的那一段流道 浇注系统 的作用是使来自注塑模喷嘴的塑料熔体平稳顺利地充模 压实和保压 对塑件质量影响很 大 浇注系统设计包括 流道布置形式 流道断面尺寸 浇口数量 位霞的优化等 1 4 2 2 1 浇注系统的典型结构 作用和设计要点 多型腔模具的浇注系统由主流道 分流道 浇口 冷料井几部分组成 图2 1 所示是 卧式注塑模的普通浇注系统 1 5 16 1 1 主流道2 主流道衬套3 冷料井4 分流道5 浇口6 型腔 图2 1 普通浇注系统 1 主流道承接熔融塑料从注塑机喷嘴到分流道的一段流道 它与注塑机喷嘴在同 一轴心线上 物料在主流道中不改变流动方向 主流道断面形状一般为圆锥形 设计要点 a 为了便于浇注凝料从主流道中取出 主浇道设计成锥度为2 0 到6o 的圆锥孔 锥 度不宜过大 否则不仅形成涡流而且增加回收料 b 主流道出口应圆角过渡 一般r l 3 m m c 在满足制件成型的条件下 主流道尽可能短 以减少压力损失和回收料 d 主流道应做成整体 以免熔体溢出 e 主流道口r 与喷嘴r 匹配 大于喷嘴r 0 5 l m m 2 分流道是主流道与浇口之间的通道 一般开设在分型面上 分流道的断面形状 有圆形 六边形 半圆形 梯形 矩形 u 字型等 其中圆形 六边形需在动模和定模两 边同时开槽组合而成 其他断面可单开在定模一边或动模一边 在多型腔的模具中分流道 6 2 注塑漠的设计理论及常见的缺陷分析 必不可少 在分流道的设计时应考虑尽量减小在流道内的压力损失 尽可能避免熔体江j l 度 降低 同时还要考虑减小流道的容积 设计要点 f t 圆形分流道截面直径 d 2 q a c m q 一流经一分流道的熔体体积流率 c m s d 一圆形流道截面直径 c m a 一熔体在该流道内的剪切速率 1 m b 对于壁厚在3 2 m m 以内 重量为2 0 0 9 以下的塑料制品的圆形分流道直径 可按 下列经验公式求得 流道直径限于3 2 9 5 m m 以内 d 0 2 6 5 4 w 1 2 l l 4 其中 d 流道直径 m m w 制品重量 g l 流道长度 删m c 对梯形分流道截面 其截面深度h 可用下面公式计算 h i 5 8 7 q a 17 j e r a 截面宽度w w 3 2 5 4 h 3 浇口是指紧接分流道末端将塑料引入型腔的狭窄部分 是浇注系统的关键部 分 一般来说 除主流道型浇口外的其他各种浇口 其断面尺寸都比分流道的断面尺寸小 得多 长度也很短 起着调节料流速度 控制补料时间等作用 设计要点 如图2 2 所示 a 浇口厚度t 浇口厚度减小时加速作 用明显 对充填薄壁制件有利 易获清晰外形 但过小 浇口冷凝快 造成补缩困难 甚至成 型不满 厚度增大时 熔体进入型腔的流速下 降 流动平稳又有利与排气以提高制件表面质 量 但过厚又流速下降使浇口冷凝过慢引起倒 流 形成真空泡 一般厚取0 8 1 2 m m b 浇口宽度a 合适宽度有利于排气 并 使熔体流动平稳 一般取厚度的3 1 0 倍 c 浇口长度b 一般取0 7 2 m m 过长 使浇口过早冷凝 影响注射压力正常传递 形 成制件表面云纹或浇不足 过短去除浇口困难 甚至损伤制件 实际工作中先长后修短 图2 2 普通浇口 4 冷料井用来除去料流中的前端冷料 在注塑循环过程中 由于喷嘴与低温模具 7 西安h k 人导 硕十学位论文 接触 使喷嘴前端存有 d 段低温料 丌始注塑时 冷料在料流最前端 若冷料进入型 腔将造成制件上的冷疤 熔接痕 甚夸堵塞浇1 3 不能进料 冷料井一般设在主流道末端 有时也设在分流道术端 设计要点 a 带钩形拉料杆的冷料井 三种形式的尺寸设计如图2 3 所示 1 主流道衬套2 冷料并3 动模板4 拉料杆 图2 3 带钩形拉料杆 b 带球头拉料杆的冷料井 其具体尺寸设计如图2 4 所示 图2 4 带球头拉料杆 2 2 2 浇注系统的设计原则 1 依据制件的大小 形状 壁厚以及选择的分型面形式合理选择浇注系统的形式 8 2 注塑模的设计理论及常虻的缺陷分析 大小及位置 2 浇注系统的形式 大小及位置应保证熔体进入型腔不产生紊流 且排气通畅 3 在满足成型和排气通畅的前提下 流程应 s 量短 少转折 以减少压力损失 节 省原料 4 浇口的形式和位置要结合制件的形状和要求 作到整修方便 且不影响制件外观 质量 浇口的位置设计要满足 a 一般设于制品的中央附近或中心线附近 并且应尽量设置在制品的厚壁部 b 浇口的直面应避开小直径的型芯 预埋嵌件 避免因较高的压力造成小型芯 预 埋嵌件弯曲或变形 c 不应设在影响制品外观的部位且设在便于进行浇口修整的部位 d 应设在不易产生熔接线 气体容易排除的部位 e 避免设在受外力的部位及要求强度高的部位 f 浇口位置应避免产生滞流现象和喷流现象 g 平板状制品成型时容易产生翘曲变形 若在制品中心设置针状浇口 则树流动呈 辐射状 造成制品的径向收缩与切向收缩不均而产生变形 所以平制品的浇口应避免设在 制品的中心 而采用能使树脂呈平行流动的浇口位置 2 2 3 浇注系统的布置形式及最佳平衡流道的确定 1 浇注系统的布置形式 浇注系统的布置形式有平衡式和非平衡式两类i l 7 平衡式是指从主流道到各型腔的分流道和浇口的长度 形状 断面尺寸都相等 这种 设计可达到各个型腔均衡地进料 均衡地补料 如图2 5 所示 加工平衡式布置的分流道 时应注意各对应部位尺寸的一致性 其断面尺寸的误差应控制在1 以内 非平衡式一般适用于型腔数较多的情况 其流道的总长度可比平衡式布置的短一些 可减少回头料的重量 如图2 6 所示 适合于性能和精度要求不高的塑件 为达到各型腔 同时充满 必须把浇口开成不同的尺寸 非平衡式布置的分流道也可采用改变各段流道断 面尺寸的办法来达到进料平衡 使从主流道到各个浇口的压力降相等 由于流道断面尺寸 不便于修整 设计时应先计算 然后试模时配合修浇口以达到较好的效果 a 圆形分布 9 两安r 业人0 硕十 学何论文 b 矩形分布 图2 5 分流道的平衡布局 w w w ww 一卜 米嫩米 只双愀 图2 6 分流遭的非平衡布局 2 最佳平衡流道的确定 对于多模腔而言 浇注系统就有平衡式布置和非平衡式布置 在多型腔非平衡分流道 布置时 由于到各型腔的分流道长度不同或各型腔所需充填流量不同 也可采用调整各浇 口截面尺寸的方法 使熔融树脂同时充满各型腔 浇口平衡简称b g v b a l a n c eg a t e v a l u e 只要到各型腔b g v 值相同 基本上能达到平衡充填 对于多型腔制品相同的模具 其浇口平衡计算公式如下 船肚彘lglr 2 1 式中 s 卜浇口的截面积 m m 2 l g 一浇口的长度 m m l 卜分流道的长度 m m 对于多型腔不同制品 模具单位浇口平衡计算公式如下 w 口 形6 sg 口 g6 瓜 sg6 lo 口 2 2 式中 w a 1 j b 分别为型腔a b 所需的塑料充填量 c m 3 s g a s g b 分别为型腔a b 的浇口截面积 c m 2 l r a l r b 分别为型腔a b 分流道的长度 c m l g a l g b 分别 为型腔a b 浇口的长度 c m l o 2 注颦模的设汁理论及常见的缺 f j 分析 2 3 冷却系统的结构设计 2 3 1 模具温度对塑件的影响 模具温度对塑件的影响体现在以下方面 1 8 1 低的模具温度能降低塑件的成型收缩率 2 模具温度均匀 冷却时间短 注射速度快可以减小塑件的翘曲变形 3 对于结晶性聚合物 提高模具温度可使塑件尺寸稳定 避免后结晶现象 但会导 致成型周期延长和塑件发脆的缺陷 4 对于结晶性聚合物而言 结晶度越高 塑料的耐应力开裂性降低 降低模具温度 有利 对于高粘度的无定型聚合物 由于其开裂性与塑件的内应力直接有关 此时提高模 具温度和充模速度 减少补料时间有利 5 提高模具温度可以改善塑件的表面质量 普通浇注系统 2 3 2 模具温度的确定 注射成型工艺过程中 模具温度直接影响到塑料的充模 塑件的成型 模塑周期和塑 件质量 对于无定型聚合物分为两类 一类是熔融粘度较低和中等的无定型塑料如聚苯乙 烯 醋酸纤维素等 可采用较低的模温以缩短冷却时间 第二类是熔融粘度较高的塑料如 聚碳酸酯 聚苯醚 聚砜等 必须采用较高的模温以避免产生冷流痕 注不满等缺陷 同 时由于其软化温度较高 提高模温还可调整塑件的冷却速率 使之均匀一致 以防塑件因 温度差过大而产生凹陷 内应力和裂纹等问题 对于结晶性聚合物 当温度降低到熔点以下既开始结晶 结晶速率受冷却速率并最终 由模温控制 高模温将导致大结晶速率 有利于分子的松弛过程 因此尺寸稳定但塑件发 脆 适用于结晶速率很小的塑料如聚对二甲酸乙二酯 对于玻璃化温度低于室温的塑料如 聚烯烃将出现后结晶现象 从而引起尺寸和力学性能的变化 适宜的模温区域 冷却速率 适中 分子结晶和定向也适中 1 9 常用塑料成型时的模温见表2 1 表2 1 常用塑料成型时的模温 材料模温 材料 模温 聚丙烯4 0 6 0有机玻璃4 0 6 0 聚乙烯 5 0 7 0聚甲醛4 0 6 0 聚苯乙烯6 0 8 0氯化聚醚 4 0 1 0 0 硬聚氯乙烯4 0 5 0聚碳酸酯 9 0 11 0 a b s 4 0 9 0 聚苯醚 10 0 一 1 2 0 聚酰胺4 0 6 0聚砜 1 0 0 1 2 0 西安t 业人学硕十学位论文 2 3 3 冷却系统的设计原则 模具中设计冷却系统的主要目的是使模具型芯和型腔迅速而又均匀的冷却 因此为了 提高冷却效率和获得均匀与稳定的型腔和型芯表面温度 在冷却系统的综合设计中应注意 下面一些情况1 2 0 j 1 要优先考虑冷却管道的位置 而后综合处理脱模机构零件布置和镶块结构 并首 先保证型芯的冷却 尽量减小型芯壁和型腔壁之间的温差 特别是大型模具应使用模具温 度调节装置 这可有效保证模温控制质量 在通常注射成型生产中 模具温度波动不超过 士2 5 精密注射时 模具温度误差在士1 之内 并采用缓冷方法 保证制品尺寸精度 和质量 2 要保证实现管道冷却水湍流状态的流速和流量 还要保证足够的水压 冷却管道 总长在1 5 m 以下 弯头数目不要超过1 5 个 增加回路数可以增大流量 减少压力损失 提高传热效率 均匀冷却以冷却水在出 入口处的温差小为好 精密成型的模具 多型腔 模具 此二者温度差要控制在2 之内 一般模具也应该控制在5 以下 管道作串连布 置 特别是从模具外用管接头和水管连接 加工维修方便 但由于流程长使冷却水的压力 降和进出口温差大 多路并联冷却 冷却效果好 但需要控制好各路的流量和水温的一致 性 3 管道直径一般为8 2 5 m m 管道过细 加工和清理困难 水管接头孔径应与管道 孔径一致 进水和出水接头尽可能在模具一侧 并置于不妨碍注塑操作的方向 进口和出 口的接头尽量不要高出模具外表平面 以免模具运输过程中造成损坏 4 冷却管道布置应以均匀冷却为前提 冷却管路孔壁与型腔壁的间距大于1 0 m m 为冷却管直径的1 2 倍 孔壁之间的间距为冷却管直径的2 4 倍 冷却管道均匀布置后 按需要作局部调整 过大间距 会使模具温度不均匀 过小的间距 孔壁承受型腔高压后 由于弯曲应力和剪切应力的综合作用 在孔的中央部位会产生型腔壁的压塌现象 5 对浇注系统要加强冷却 特别是应加强浇口处的冷却 因为塑料熔体在充模时 浇注系统内的熔料温度较高 其凝固时间很长 影响生产周期 6 保证冷却通道不泄露 才能保证冷却液在一定的流量和压力下流动 同时应该防 止与模具其它部位发生干涉 7 冷却时间长短与制件壁厚有很大关系 尽可能采用均匀厚度的制件 这样可以减 少制件因冷却或者固化速度不同产生的附加内应力 从而提高制件的质量 8 冷却通道应避开可能出现熔接痕的位置 2 3 4 冷却系统的冷却形式 1 直通冷却管道式 简单的直通式冷却管道 如图2 7 所示 其中又分为外接直通 式冷却管道 见图2 7 中的 a 图 和内接直通式冷却管道 见图2 7 中的 b 图 外接式 是用水管接头和橡皮管将模具内的管道连接成单回路或多回路循环 内接式是直接钻孔 1 2 2 注塑模的设计理论及常见的缺1 5 f 分析 用水管接头和螺塞拨成单回路或多回路循环 直通式冷却管道的有效接触面积大 冷却效 果较好 所以做为优先选择的冷却方式 对于镶块上能引上直通式冷却管道的应尽量选用 它 它主要是通过红模具上钻孔或铣槽 通入冷却介质来达到冷却的目的1 2 i 按其连接 方式又可分为串联幽通式冷却管道和并联直通式冷却管道 a 外接式直通冷却管道 b 内接式直通冷却管道 图2 7 直通式冷却管道 2 点冷式冷却 点冷式冷却的特点是局部冷却 适用于型芯冷却 按照结构形式可 分为喷泉式 铜板隔水片 螺旋形塑料隔水片和导热针式 2 4 注塑制品常见缺馅分析 模具c a e 主要是对各种注塑制品的缺陷进行预测 以便进行改进 因此对注塑制品 的常见缺陷应有较深了解 注射成型质量分为内部质量和外部质量两方面的内容 内部质量也称为性质质量 它 包括制品内部的组织结构形态 如结晶和取向 制品的物理力学性能和熔接痕强度 以及 与塑料收缩有关的制品尺寸和形状精度 外部质量主要就是表面质量 它包括表面粗糙度 和表观缺陷状况等 最常见的表观缺陷有凹陷 缩孔 气孔 流纹 暗斑 暗纹 银纹 发白 剥层 烧焦 变形翘曲 没有光泽 颜色不均 浇1 3 裂纹 表面龟裂以及溢料飞边 等等 而内外部质量之间并不是互相独立无关的问题 例如 制品表观的凹陷或缩孔往往 也就是塑料内部收缩不均造成的结果1 2 2 1 注塑过程中塑料需经过受热软化 熔融 注塑 保压和冷却定型等五个阶段的物理变 化过程 塑料内部产生大分子定向 结晶以及残余应力等 由于注射成型过程中的成型条 件 如注射压力 螺杆背压 注射速度 注射量 锁模力 料筒温度 掸具温度 的选择不 当或模具本身存在的问题 因而会使注塑制品出现许多不良现象和缺陷 缺陷的种类很多 而在工厂实际中 主要考虑气泡 熔接缝 填充不满 翘曲等几种 主要情况 针对这些缺陷结合模具设计 归纳其特征 产生原因 并提出了预防和解决措 施f 2 3 两安 i 业人学硕1 学f 妒论文 2 4 1 凹痕及气饱 产品凹痕通常由于制品上受力不足 物料充模不足及制品设计不合理 凹痕常出现在 与薄壁相近的厚壁部分 气泡的造成是由于模腔内塑料不足 外圈塑料冷却固化 内部塑料产生收缩形成真空 多半由于吸湿性材科未干燥好 以及物料中残留单体及其它化合物而造成的 判断气泡造 成的原因 只要观察塑料制品的气泡在开模时瞬时出现还是冷却后出现 如果开模时出现 多半是物料问题 如果是冷却后出现的则属于模具或注塑条件问题 其在模具设计上的具 体解决措施为 浇口过小或流道尺寸太小 流动阻力大 从而导致物料充模不足 冷却后就形成凹痕 所以要增大浇口 主流道 分流道 喷嘴孔的尺寸 还要考虑浇口的位置设置 满足平衡 充模速率的要求 避免填充不足引起的凹痕 另外 如果可能 减少制品壁厚差异 将浇 口进料设置在制品壁厚部位 2 4 2 4 2 熔接缝 在注塑制品中常遇到接合缝 制品受到外力等环境作用时 常在接合缝处发生破坏 这个接合缝足怎样形成的呢 当制品采用多浇口或有孔 锻件 或设计的制品厚度不均时 熔体在模具内发生两个方向以上的流动 在两股料流的汇集处就形成接合缝 又称熔接线 熔接线的强度依赖于流动前沿熔体之间互相结合的特性 在大多数情况下无法消除熔接线 只能通过改变模具结构 制品设计以及工艺条件 来将熔接线移动到不影响制品外观或容易处理的地方 在模具结构设计上克服熔接线的方 法有 对于由模具温度过低产生熔接线缺陷 应适当提高模具温度或有目的地提高熔接缝处 的局部温度 如果是流道细小 过狭或过浅 冷料井小引起的 应增加流道的尺寸 提高 流道效率 同时增加冷料井的容积 此外 熔接线的产生还与浇口位置的开设有关 浇口 开设要尽量避免熔体在嵌件 孔洞的周围流动 发生喷射充模的浇口要设法修正 迁移或 加挡块缓冲 尽量不用或少用多浇口 排气不良或没有排气孔也会导致熔接线的产生 此 时 应该开设 扩张或疏通排气通道 其中包括利用镶件 顶针缝隙排气1 2 副 2 4 3 填充不满 填充不满是指材料未完全充满模具型腔而导致的制品不完整现象 它一般发生在薄壁 区域或远离浇口的区域 主要表现为制品整体有缩瘪倾向 多型腔模具部分型腔局部充填 不足等 从理论上讲 任何增加塑料熔体流动阻力或者阻止足够材料流入到型腔的因素都 会引起填充不满 如浇口 流道尺寸太小 塑件壁太薄 过低的熔体温度和模具温度导致 的熔体粘度过大 而流动性降低 注射压力低和螺杆转速小都会使熔体的流速过慢 注塑机 控制阀门的破损导致压力损失和材料泄漏 由于熔体滞流或注射时间太长引起的熔体流动 1 4 2 注塑模的设计理论及常见的缺陷分析 前锋过早凝固等 模具设计方面应优先从考虑模具设计结构是否合理或浇注系统是否有缺陷 舀 模具设 计当中 这两种情况都会引起填充不满 解决方法 应适当增加流道及浇口尺寸 对于多型腔模具要仔细考虑流道及浇口大小 尺寸 以确保流动平衡 避免填充不满的缺陷发生 此外 还要合理布置浇口的f p 置及数 目 在确定浇口位置和数目时 应针对塑件的几何形状特征及技术要求 来分析姆i 件的流 动状态 填充条件及排气条件等因素 对于可能由于排气不足引起的填充不满 要开设排 气孔或排气槽 2 6 1 2 4 4 翘曲 翘曲变形是指注塑制品的形状偏离了模具型腔的形状 它是塑料制品常见的质量缺陷 之一 翘曲变形与塑件的收缩有关 一般均匀收缩只引起塑件体积上的变化 只有不均匀 收缩才会引起翘曲变形 2 7 1 引起收缩变化的主要因素有 1 沿流动方向和垂直于流动方向的分子和纤维取向 如果成型塑料件具有较高的分 一于取向 分子链会在取向方向上产生很大程度的收缩而导致各向异性的收缩 对于纤维 增强塑料件 由于收缩率的不一致 增强纤维收缩率较小 会造成沿纤维排列方向收缩较 小 而在横向收缩较大 2 沿制件厚度方向的非均匀冷却 从模壁到制件中心材料的冷却与收缩的不一致 将导致制件在脱模后产生翘曲 3 由于制件厚度变化引起的非一致冷却速率 塑料制件壁厚不同 冷却速度也不相 同 4 非对称的制件几何形状 如一平板上有许多肋排列在一个方向上或处于制件的一 侧 也会导致不一致的冷却 5 成型制件内部的温度和保压状态的变化等 如浇口附近的压力过大和远离浇口位 置的压力不足 为了减少或控制翘曲变形的发生 在模具方面 由于冷却部位温度控制不均匀会使制 件取向和结晶度产生差异 从而引起内应力不均 最终导致翘曲 脱模力不均匀或脱模顶 出面积不当也会引起翘曲发生 对于浇注系统的设计 如果浇口太小而不能使物料在浇口 封闭之前填满模腔将会引起翘曲变形 另外 在薄的断面处开浇口也会造成较高的内应力 而导致翘曲发生 所以应在厚断面处开浇口 总括起来 减少翘曲的办法是 减小取向 增大浇口尺寸 适当降低熔体和模具温度 加快注射速度 增大注射压力 延长注射时间和保压时间 减小浇口处的压力 增加壁厚 增加筋和圆角处的补强 1 5 曲安川k 人学硕十学位论文 2 5 本章小结 本章主要阐述了注塑模具的结构设计理论 其中包括模具的浇注系统和冷却系统的设 计 为c a e 进行模拟分析提供了初始设计方案的设计理论依据 并且在此基础上详细介 绍了常见的缺陷 为c a d 和c a e 结合进行模具设计提供了设计依据 为本课题的展开 打下基础 1 6 3u g 在模具没汁中的应用 3u g 在模具设计中的应用 u n i g r a p h i c s 简称u g 是美国u g s 公司丌发的一套面向制造行业的c a d c a e c a m 的软件 该软件不仅具有强大的实体造型 曲l 面造型 虚拟装配和工程图等功能 而且 在设计过程中可进行有限元分析 机构运动分析 动力学分析和仿真模拟 提高设计的可 靠性 同时 可用建立的三维模型直接生成数控代码 用于产品的加工 u g 自1 9 9 0 年 进入中国市场以来 迅速发展 己成为中国航天航空 汽车 机械 计算机及外设 家用 电器等流域的首选软件 目前西安航空动力控制有限责任公司在模具设计方面所用的软件就是u g 作为模具 设计的c a d 工具 在提高设计准确性方面起到了非常重要的作用 尤其是u g m o l dw i z a r d 模块 在注塑模具设计自动化方面取得了极其显著的效果 2 引 3 1u g m o l dw i z a r d 的特点 u g m o l dw i z a r d 与e d s 的知识嵌入的基本理念相匹配 它的用户界面融合了业界最 好的经验 指导用户构造模具的全过程 它内嵌以前仅仅存在于高级模具设计师头脑中的 知识 并通过与u g 的其他一些功能相结合 诸如w a v e 主模型 使得u g m o l dw i z a r d 具有极强的自动化能力和帮助用