毕业设计（论文）-计算机辅助塑料注射模具的设计.doc

学号 20110607050514 密级 公开 兰州城市学院本科毕业论文兰州城市学院本科毕业论文 计算机辅助塑料注射模具设计计算机辅助塑料注射模具设计 学 院 名 称 培黎工程技术学院 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 李海童 指 导 教 师 王 玲 二 一三年五月 目目 录录 第 1 章 绪论 1 1 模具工业的发展现状 1 1 2 模具工业今后的主要发展方向 1 1 4 计算机辅助设计系统的发展状况和趋势 3 1 5 本课题研究的意义 4 1 6 论文的整体结构 5 第 2 章 注塑模具介绍 2 1 塑料概述 6 2 1 1 塑料的组成 6 2 2 塑料的特性 6 2 3 热塑性塑料成型的工艺特性 6 2 4 注塑成型过程简介 6 2 5 注塑模具分类 7 2 6 注塑模典型结构 7 第 3 章 CPU 风扇支架加工工艺分析 3 1 塑件概况 9 3 2 材料选择 10 第 4 章 注射模具设计方案 4 1 注射机选择及注射机的校核 11 4 1 1 选择注射机 11 4 1 2 注塑机的校核 11 4 2 成型零部件设计 13 4 2 1 成型零部件分类及结构 13 4 2 2 成型尺寸计算 14 4 3 浇注系统设计 16 4 3 1 浇注系统的作用 16 4 3 2 对浇注系统设计的具体要求 16 4 3 3 浇注系统的设计 16 4 4 侧向分型与抽心机构设计 17 4 4 1 侧向分型与抽芯机构的分类 18 4 4 2 侧向分型与抽芯机构的设计 18 4 5 注塑模导向机构设计 20 4 5 1 导向机构的功能及其分类 20 4 5 2 设计要点及设计方案 20 4 6 顶出机构 21 4 6 1 顶出机构的分类 21 4 6 2 顶杆脱模机构的设计要点 22 4 6 3 设计采用方案 22 4 7 复位装置 23 4 8 冷却系统介绍 23 4 9 模具总体结构分析 24 4 10 模具用钢 25 4 10 1 塑料模具用钢的必要条件 26 4 10 2 选择钢材的条件 26 4 10 3 注塑模具常用材料 26 4 11 模具的装配与调试 26 4 11 1 装配基准的确定 26 4 11 2 塑料模的装配顺序 27 结论 28 参考文献 29 致谢 30 1 第第 1 章章 绪论绪论 模具制造是国家经济建设中的一项重要产业 振兴和发展模具工业 日益 受到世界各国的重视和关注 模具是工业生产的基础工艺装备 也已经成为广 大业内人士的共识 在电子 汽车 电机 电器 仪器 仪表 家电和通信等 产品中 60 80 的零部件都要依靠模具成形 用模具生产制件所具备的高精 度 高复杂程度 高一致性 高生产率和低消耗 是其他加工制造方法所不能 比拟的 作为基础工业 模具的质量 精度 寿命对其它工业的发展起着十分重 要作用 在国际上被称为 工业之母 对国民经济的发展起着无可置疑的关键 作用 1 1 模具工业的发展现状模具工业的发展现状 模具工业是制造业中的一项基础产业 是技术成果转化的基础 同时本身 又是高新技术产业的重要领域 在欧美等工业发达国家被称为 点铁成金 的 磁力工业 美国工业界认为 模具工业是美国工业的基石 德国则认为是 所有工业中的 关键工业 日本模具协会也认为 模具是促进社会繁荣富裕的 动力 同时也是 整个工业发展的秘密 是 进入富裕社会的原动力 日本 模具产业年产值达到 13000 亿日元 远远超过日本机床总产值 9000 亿日元 如 今 世界模具工业的发展甚至已超过了新兴的电子工业 我国国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求 2005 年 仅汽车行业将需要各种塑料制件 36 万吨 电冰箱 洗衣机和空调的年产量均超 过 1000 万台 彩电的年产量已超过 3000 万台 到 2010 年 在建筑与建材行业 方面 塑料门窗的普及率为 30 塑料管的普及率将达到 50 这些都会大大增 大对模具的需求量 模具工业一直以每年 13 左右的增长速度快速发展 模具 行业在 十五 期间的增长速度将达到 13 15 每年进口模具约占市场总量 的 20 左右 已超过 10 亿美元 其中塑料与橡胶模具占全部进口模具的 50 以 上 冲压模具占全部进口模具约 40 另外 我国模具制造企业约有 200000 家 并以每年 10 15 的速度高速递增 7 1 2 模具工业今后的主要发展方向模具工业今后的主要发展方向 模具工业今后的主要发展方向包括 2 1 1 在塑料模设计制造中全面推广应用 在塑料模设计制造中全面推广应用 CAD CAM CAECAD CAM CAE 技术 技术 模具作为成型 必须的工艺装备 其设计周期 生产效率和质量直接影响产品的进度 成本和效 率 过去模具设计工作主要依靠设计人员的经验 模具的加工制造又在很大程 度上依赖于生产者的操作技能 因此存在模具设计水平低 加工质量差 生产周 期长 使用寿命短等缺陷 随着计算机硬件和软件技术的迅猛发展 CAD CAM 技术的发展和应用越来 越普遍 出现了许多可用于注塑模设计和制造的软件 实现了产品从概念设计到 制造全过程的设计制造一体化 它提供了采用参数化设计的 基于特征的实体 模型化系统和模型间的相关联性设计以及共享数据库和强大的分析系统等技术 为产品的设计 分析和制造的一体化提供了平台 使产品 CAD CAE CAM 各系 统之间实现了数据的自动传递和转换集成 注塑模设计和制造的软件通过模具 检测 自动分模 模拟开模和数控加工仿真的三维动态显示的设计制造与视频 技术的结合 使过程设计生动地展现出来 极大地提高了产品的设计与生产效率 同时也保证了产品的生产进度和质量 目前 国内模具企业中已有相当多的厂家 引进了较高档的 CAD CAE CAM 系统 U G Pro Engineer I2DEAS Euclid2IS 等著名软件在中国模具工业中 2 2 快速制模技术的开发与应用 快速制模技术的开发与应用 快速成形与制造 RPM Rapid Prototyping Manufacturing 是融激光 材料科学 信息与控制技术等为一 体的分层 层积技术 堪称是 20 世纪后半期制造技术最重大的进展之一 RPM 技术诞生 10 余年来已在汽车 家电 航空 医疗等行业中得到广泛应用 国外大型企业如通用 福特 法拉利 丰田 麦道 IBM AT T Motorola 等 以及我国的一些著名企业 都积极在产品设计过程中采用这项技术 进行产品的 有关设计检验 外观评审 装配实验 动态分析 光弹应力分析 风洞实验等 成功地实现了面向市场的产品造型设计敏捷化 而随之兴起的快速制模尤其是 快速制造金属模具 RMT Rapid Metal Tooling 则是由新产品设计迅速形成高 效 低成本 优质的批量生产并抢占市场的必由途径 是 RPM 技术进一步发展并 取得更大经济效益所面临的关键课题 成为当前 RPM 技术研究的国际前沿 该技 术被美国汽车工程杂志评为全球 15 项重大技术之首 受到全球制造业的广泛关 注 快速成型技术模具制造周期仅为常规模具切削制造的 1 5 至 1 3 而成本 3 仅为后者的 1 4 至 1 2 快速经济制造技术 具有制造周期短 成本低等优 点 在精度和寿命方面又能满足生产上的使用要求 综合经济效益比较好 非常 适用于新产品开发 样品试制 工艺验证或中 小批量生产的需要 快速经济 制造技术近几年来在国内外均得到了迅速发展 特别是随着市场经济的发展 各 品种小批量产品的增多 各种新产品更新换代的周期缩短 诸多高新技术应用范 围不断扩大 类型不断的增多 创造的经济效益和社会效益越来越显著 如采用 RPM 原型复制石膏模具 复制铝 或锌 合金注塑模具 可生产近 250g 注塑件 产品精度可达 015mm 用 RPM 原型复制一种硫化硅橡胶模具 制模周期短 修 模方便 成本低 可铸造高强度锌合金 铝锡合金 铝合金铸件及注塑工程塑料制 件等 制件成型尺寸精度高 轮廓清晰 3 3 塑料模具的标准化和高档次模具使用 塑料模具的标准化和高档次模具使用 模具在满足用户要求 使模具 精益求精的基础上 价格是影响其市场占有率的一个重要因素 企业在降低塑 料模具成本方面 推广模具标准化无疑是一条必由之路 国外对模具标准化工 作十分重视 这是因为采用模具标准化不仅能有效提高模具质量 降低成本 而且能大大缩短模具生产周期 提高生产效率 随着工业产品多品种 小批量 个性化 短周期的发展趋势日益明显 模具标准化的意义也显得更为重用 目 前我国模具标准化使用比率有所增加 初步估计在 40 50 之间 但与国际上 70 80 的比率相比还有很大差距 日益增多高档次模具 大致可分 3 个层次 一是用于汽车 飞机 精密机 械的微米 um 级精密加工 二是用于磁盘 磁鼓制造的亚微米 0 1 um 级 精密加工 三是用于超精密电子器件的毫微米 0 001 um 级精度加工 目前 超精密加工已进入纳米 0 1 100 um 级精度阶段 这将使模具的技术含量不 断提高 使中 高档模具比例将不断增大 未来 模具产品向着更大型 更精密 更复杂及更经济的方向发展 模具 产品的技术含量不断提高 模具制造周期不断缩短 模具生产朝着信息化 无 图化 精细化 自动化的方向发展 塑性成形技术与科学发展的总趋势是交叉 综合化 数字智能化 清洁高效化和柔性集成化 在我国经济快速发展和新技 术的应用与引导下 模具在国民经济中作用愈来愈大 一定程度上将决定了我 国机械制造业的市场竞争 9 4 1 4 计算机辅助设计系统的发展状况和趋势计算机辅助设计系统的发展状况和趋势 计算机辅助设计系统依靠知识库 数据库 专门的系统程序来解决各种设计 问题 计算机辅助设计系统是人工智能领域内出现的很富有实用价值的计算机 程序 它主要是处理专家们积累的实际经验和知识 与传统的计算机使用方法不 同 计算机辅助设计系统能模拟专家解决问题的过程 首先研究设计要求及各 种有关事实和数据 然后应用专业知识进行反复综合与分析 最后得到用户满意 的设计方案 目前计算机辅助设计技术的发展逐渐趋向标准化 集成化 智能化 网络 化 计算机辅助设计标准体系是开发应用计算机辅助设计软件的基础 是指导标 准化管理部门进行计算机辅助设计技术工作决策的科学依据 也是促进计算机辅 助设计技术普及应用的手段 CAD CAM 和 CAPP 系统先前都是独立发展起来的 因而有许多对同一物体的表示方式和信息描述的方式不一致 实现 CAD CAPP 和 CAM 集成统一十分困难 因此标准化至关重要 现有的计算机辅助设计技术在机械设计中只能处理数值型的工作 包括计算 分析与绘图 然而机械产品的设计是一种复杂的创造性劳动 包括方案构思与最 佳方案选择 结构设计 评价 决策以及参数选择等 把计算机辅助设计技术 与专家系统结合起来 形成智能化计算机辅助设计系统是计算机辅助设计技术发 展的必然趋势 目前计算机辅助设计技术已经应用于许多行业 如机械 汽车 飞机 船舶 电子 轻工 建筑 化工 纺织及服装等 而计算机辅助设计技术应用于机械 类产品设计的比例最大 机械自动设计系统在整个工程计算机辅助设计中占有十 分重要的地位 综上所述 计算机辅助设计技术近年来取得了长足的进步 但就以机械自动 设计系统解决机械零件设计问题还没有完全解决 无论在理论体系研究方面 还 是在处理图表数据方面 仍存在着一些未很好解决的难点 所以我们必须对机械 自动设计系统进行坚持不懈的研究 使机械自动设计系统在机械工程设计的各个 领域发挥越来越重要的作用 5 1 5 本课题研究的意义本课题研究的意义 塑料行业从起步到现在有很大的发展 水平有了较大的提高 塑料作为高 分子化学和材料科学发展的重要成果 早已成为人类不可缺少的重要生产资料 塑料制品 制件在工业生产和日常生活中得到了愈来愈广泛的应用 并且模具使 工业及日常生活中的用品得到了广泛的扩大 同时也取得了显著成效 因此大 力推行模具业具有重大的意义 且掌握塑料注射模的设计是很有必要的 1 6 论文的整体结构论文的整体结构 本论文先介绍模具工业的发展现状和今后的发展方向以及大概阐述塑料及 其成型工艺性能 通过注射模具的介绍引出本论文具体设计的塑件 CPU 风扇 支架 根据塑件确定注射模具的设计方案 包括浇注系统设计 抽芯机构设计 注塑模导向机构设计 顶出机构设计 冷却系统设计 最后模具总体结构分析 及校核 装配与调试 6 第第 2 章章 注塑模具注塑模具介绍介绍 2 1 塑料概述塑料概述 2 1 1 塑料的组成塑料的组成 塑料的主要成分是树脂 树脂可分为天然树脂和合成树脂 都属于高分子 化合物 广义的塑料是指具有塑性的材料 狭义的塑料是指树脂为主要成分 以增强剂 填充剂 润滑剂 着色剂等添加剂为辅助成分 在加工过程中能流 动成型的材料 5 2 2 塑料的特性塑料的特性 塑料有以下的特性 质轻 化学性稳定 不会腐蚀 耐冲击性好 具有较 好的透明性和耐磨耗性 绝缘性好 导热性低 一般成形性 着色性好 加工 成本低 大部分塑料耐热性差 热膨胀率大 易燃烧 尺寸稳定性差 容易变 形 多数塑料耐低温性差 低温下变脆 容易老化 某些塑料易溶于溶剂 4 2 3 热塑性塑料成型的工艺特性热塑性塑料成型的工艺特性 热塑性塑料成型的工艺特性是指其在成型加工过程中表现出来的特有性质 模具设计者必须对成型工艺有充分的了解 具有以下性质 1 收缩性 2 流 动性 3 相容性 4 热敏性 5 水敏性 6 应力开裂 7 吸湿性 8 降 解 9 玻璃化温度 10 流长比和型腔压力 4 2 4 注塑成型过程简介注塑成型过程简介 注塑成型过程分为加料 塑化 计量 注塑充模 保压 冷却定型及脱模 等几个主要步骤 其中 塑化 注塑充模及冷却定型是决定成型周期及成型品 质量的三个重要过程 分述如下 1 塑化是指塑料在料筒内经加热达到流动状态 并具有良好可塑性的全 过程 7 2 注塑充模是指在螺杆或柱塞的挤压作用下 将已塑化均匀的塑料熔体 经喷嘴 流道及浇口注入闭合模腔中的过程 3 冷却定型过程是指从模腔完全充满开始到取出制品前的这一阶段 按 照模腔压力的变化特点 冷却定型过程又可分为保压补料 倒流和浇口冻结后 的冷却三个阶段 2 5 注塑模具分类注塑模具分类 目前 模具可分为 1 单分型面注射模 模具上只有一个将动 定模分开的主分型面 成型 零件分设在动定模两部分上 闭合后构成封闭的型腔 单分型面模具又称二板 模 约占全部注塑模的 70 以上 单分型面模具结构简单 操作方便 但有其 局限性 除采用直接浇口外 型腔的浇口位置只能选在制品的侧面 2 双分型面注射模 双分型面注射模 除主分型面外 还增加了一个与 主分型面平行的分型面 故又称三板模 这种模具在采用点浇口成型或当需要 在定模部分抽芯时才采用 双分型面模具可在塑料制品的中心设点浇口 可以 提高成型质量 但制造成本较高 结构复杂 开模行程也较大 3 侧向分型或抽芯的注塑模 对于带有侧孔或侧凹的塑件 不能直接从 模具内顶出 必须先将成型侧孔或侧凹的模具零件从塑件上的侧向分开 为此 模具必须增加抽芯机构或侧向分型机构 4 带活动镶块的注塑模 有些塑料件 为简化模具设计和成形方便 常 常在模具中设置活动镶块 这些活动镶块成形塑件的某一部分 5 模具内机动脱模纹注塑模 对于生产批量大的螺纹塑件 采用活动螺 纹成型镶块在机外卸下的方法效率低 应使用模具内带传动机构的模具 使螺 纹型芯或型环自动从塑件上旋下 6 无流道凝料的注射模 无流道凝料模具在模具正常工作中 模具通过 加热或绝热的办法 保持从塑机喷嘴到浇口之间塑料熔体保持熔融状态 这样 每次注射成形后流道内均没有凝料 只需脱出制品即可 6 2 6 注塑模典型结构注塑模典型结构 注塑模的典型结构包括 1 成型零部件 是直接成型塑料件的零件 有型腔和型芯 分别成型塑 8 料件的外形和内形 型腔和型芯可能设置在定模 也可能设置在动模 或定 动模各有一部分 动 定模闭合后组成封闭的腔体用于成型塑料件 由于塑料 件特殊形状的需要 型腔和型芯上可能镶有各种镶块 小型芯等 2 浇注系统 是注塑机喷嘴通向模具型腔的通道 一般情况下包括主流 道 分流道 浇口和冷料穴四个部分 视模具的具体结构 可能没有分流道 除主流道单独开设在一个专用零件上 主流道衬套 外 分流道 浇口 冷料 穴都开设在含有型腔的相应模具零件上 3 导向系统 动 定模闭合时 由导柱起导向对准作用 导柱可安装在 动模 也可安装在定模 安装在模具另一侧的导套的作用是与导柱配合承受磨 损作用 磨损后若影响到导向精度 容易更换 导向精度要求高的模具可采用 锥面导向 此外 要求比较高的模具顶出机构上也带有导柱 保证顶出元件顶 出运动的准确性 4 推出脱模机构 塑件在型腔中冷却凝固后 会收缩包紧在型芯上 或 黏附在型腔内 必须借助模具内的顶出机构推动其脱出模外 脱模机构一般都设 置在动模一侧 是在模具打开时动模后退至一定距离后 由注塑机顶出元件推 动模具的顶出机构脱出塑件 5 侧向分型和抽芯机构 对于带有侧孔侧凹塑料件的成型 模具内设有 抽出侧型芯或侧向分型的机构 侧向分型和抽芯机构也是依靠模具打开时的开 模运动进行工作的 称之为机动抽芯 应用最广泛的有斜导柱 斜滑块等机构 此外 对于大距离抽芯 亦可采用液压抽芯 但注塑机上必须带有抽芯液压油 缸 6 加热和冷却系统 不同塑料成型时对模具温度要求相差甚大 大批量 成型的通用塑料件和对模具温度要求不高的工程塑料塑件 一般都采用模具冷 却系统来缩短成型周期 提高生产率 冷却系统是开设在模具相应零件上的冷 却流动槽道 可按塑件形状和温度分布合理布置 7 排气系统 在塑料熔体注射充模的过程中 必须使型腔内原有的空气 迅速地排出腔外 否则不能使型腔完全充满或会因空气的快速压缩升温而使塑 件边角处烧黑 故在熔体最后充满处都开设有排气槽 排气槽的准确位置可在 试模后确定 但在许多情况下 分型面 退出元件 推杆 推管 的配合间隙 足以起到排气作用 无须再专门开排气槽 9 8 其他结构零件 注塑模除上述七个部分外 其余零件还有 模具安装 固定用的动 定模固定板 使模具由分散的零件连接成为一整体的螺钉 销钉 定位用 形成动模固定板与动模成型部分之间顶出空间的支承块 固定型芯 用的固定板等 7 第第 3 章章 CPU 风扇支架加工工艺分析风扇支架加工工艺分析 3 1 塑件概况塑件概况 此塑件为 CPU 风扇支架 零件如图 3 1 所示 10 图 3 13 1 风扇支架零件图 风扇骨架形状较为复杂 带有很多曲面造型 产品形状中空薄壁形零件 粗糙度和精度要求较高 不允许有明显的熔接痕 飞边等工艺痕迹 需要一定 的配合精度要求 通过和其它材料性能对比 并考虑制造零件的使用环境 最 终确定模具加工该零件 3 2 材料选择材料选择 材料 根据塑件功能塑件材料选为 ABS 丙烯腈 丁二烯 苯乙烯聚合物 1 基本特性 ABS 无毒 无味 呈微黄色 成形的塑件有较好的光泽 密度为 1 02 g cm 1 05g cm ABS 有较好的抗冲击强度 且在低温下也不迅速 下降 优良好的机械强度 硬度和一定的耐磨性 耐寒性 耐油性 耐水性 化学稳定性及电器性能 水 无机盐 碱 酸类对 ABS 几乎无影响 ABS 有一 定的硬度和尺寸稳定性 易于成形加工 经过调色可配成任何颜色 其缺点是 耐热性不高 连续工作温度为 70 左右 热变形温度约为 93 左右 耐气候性 11 差 在紫外线的作用下易变硬发脆 2 主要用途 ABS 在机械工业上用来制造齿轮 轴承 管道 电机外壳 仪表壳 仪表盘等 汽车工业用 ABS 制造汽车挡泥板 扶手 加热器等 ABS 还可以制作水表壳 纺织器材 电器零件 文教体育用品 玩具 电子琴及收 音机壳体 食品包装器材及家具等 3 成型特点 ABS 在升温时粘度增高 所以成型压力较高 塑件上的脱 模