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机械毕业设计全套

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MJZ01-012@一模三用注塑模具设计,机械毕业设计全套

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编号： 毕业设计说明书 (论文 ) 题 目： 一模三用注塑模具设计 院 （系）： 国防生 学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 机电 工程学院 姓 名： 职 称： 讲 师 题目类型 ： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2014 年 5 月 4 日 nts 摘 要 分析降低塑料制件成本的方法，提出为了降低成本，将满足一定条件的几种规格形式的塑料制件用一副模具成型出来，就是一模多用模具；同时研究了一模多用注射模具三种形式的分类及条件 ，结合生产实例分析模具设计要点，模具巧妙结构特点等。经生产实践证明，在一定的条件下，使用一模多用注射模具可以减少模具数量，降低成本，大大提高企业的市场竞争力。 本课题针对分线盒进行产品的模具设计，通过对塑件进行工艺分析和比较，根据制品的结构及其用途性能，选择塑料的牌号及注射模成型的方法；分析塑件的性能、尺寸精度及设计的有关注意事项；阐述塑料的性能、成型特性以及工艺参数；根据模具材料选择的具体原则，选择模具各个部件的材料；本文重点讨论了模具结构设计的详细过程，最终各设计出一副注塑模。从产品结构工艺性和模具结构 出发，对模具的浇注系统、模具成型部分的结构、分型面的选择、冷却系统、注塑机的选择及有关参数的校核都有详细的分析设计说明。通过完成该课题设计，熟悉了塑料模具设计的一般方法和流程，较好的完成了任务，实现了无纸化设计。通过整个毕业设计过程，进一步的加深了对注塑模具的了解，同时巩固了对注塑模具的类型、结构、工作原理等的理性知识，以及在实践中总结并掌握模具设计的关键要点和设计方法。 关键词 ： 制件成本 ;一模多用 ;分线盒 ;分型面 ;冷却系统 nts Abstract Analysis of plastic parts to reduce the cost method,proposed in order to reduce costs,willmeet certain conditions,the specifications of several forms of plastic parts used by forming a mold,is amulti-use die;the same time a study on the use of injection-mold the three forms of classification and conditionsof production examples of die design elements,such as mold ingenious structural characteristics.The practice has proved that under certain conditions,the use of a multi-use injection mold can reduce thenumber of mold,reduce costs,and greatly enhance their market competitiveness. This topic junction box for the product mold design,plastic parts through the process of analysis and comparison,According to the structure and USES performance products,choose the brand and injection mould plastic forming methods;Analysis the performance of plastic parts,size precision and design the attention,The performance,molding paper plastic characteristics and process parameters,This paper discusses the design of die structure,the final design of an injection mold. Product structure from the structure of the starting process and mold,the casting mold system,mold forming part of the structure,the choice of sub-surface,cooling system,the choice of injection molding machines and related parameters have a detailed analysis of the design check instructions. Through the entire process of graduation design,further deepened the understanding of injection mold,and consolidate the type of injection mold structure,working principle,etc,the rational knowledge,as well as in practice and grasp the key points and mould design design method. Keywords : parts cost;amulti-use; junction box; parting;cooling system nts 目 录 引言 . 1 1 塑料制品及工艺分析 . 4 1.1 制件图 . 4 1.2 塑件的工艺分析 . 6 1.2.1 结构工艺性 . 6 1.2.2 塑件工艺性分析 . 6 1.3 塑件材质工艺性 . 6 1.4 注射成型工艺参数 . 8 2 注塑机的选择 . 9 2.1 初选注塑机 . 9 2.1.1 确定最大注射量 . 9 2.1.2 确定锁模力 . 9 2.2 注射机的选择及校核 . 9 2.2.1 注射机 的选择 . 9 2.2.2 型腔数校核 . 10 2.2.3 注射压力的校核 . 10 2.2.4 锁模力校核 . 11 2.2.5 模具与注射机安装部分相关尺寸的校核 . 11 2.2.6 开模行程的校核 . 11 3 模具结构分析与设计 . 12 3.1 结构分析 . 12 3.1.1 型腔数目的 确定 . 12 3.1.2 分型面 位置 的确定 . 13 3.2 模具零部件设计 . 14 3.2.1 型腔的结构和固定方式 . 14 3.2.2 凸、凹模的确定 . 14 3.2.3 脱模方式的确定 . 14 3.3 浇注系统的确定 . 15 3.3.1 主流道的设计 . 15 3.3.2 浇口设计 . 17 nts 3.4 冷却系统的结构设计 . 18 3.5 排气方式的确定 . 18 3.6 标准模架的选择 . 19 3.7 成型零件的尺寸的计算 . 21 3.7.1 型腔径向的尺寸 . 21 3.7.2 型腔深度尺寸 . 23 3.7.3 型芯高度尺寸 . 23 3.8 冷却系统水管孔径的计算 . 23 3.9 浇注系统尺寸的计算 . 25 4 塑件型腔强度的计算 . 26 4.1 型腔侧壁厚度强度计算 . 26 4.2 型腔底部厚度强度计算 . 26 5 分线盒脱模机构相关计算 . 27 5.1 推杆直径计算 . 27 5.2 推杆长度计算 . 28 6 抽芯距离 相关 计算 . 29 6.2 斜销尺寸计算 . 29 6.3 滑块尺寸 . 30 7 模架的确定 . 31 7.1 各模板的尺寸的确定 . 31 7.2 校核模具平面尺寸 . 31 8 模具的修模 . 32 8.1 粘着模腔 . 32 8.2 粘 着模芯 . 32 8.3 粘着主流道 . 32 结论 . 33 谢 辞 . 34 参考文献 . 35 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸 第 1 页 共 35 页 引言 自从我国加入世贸组织（ WTO）后，将获得一个更加稳定的国际经贸环境，从而有利于我国与各国、各地区的经济贸易合作，有利于世界经济的稳定发展，我国的利用外资领域将进一步扩大，国内和国外模具企业都可以从中得到更多的机会和收益。 由于国内某些模具在技术上和质量上与国外先进水平存在着较大的差距，使短期内国内模具难以与国外先进模具的抗衡。这对我国模具产业将产生一定的冲击。另一方面也促进国内行业优化资源配置、调整经济结构、提高社会劳动效率，促使企业苦练内功，提高管理水平。应该清醒地认识到竞争才会带来更快的发展只要发挥自身优势，减少技术 差距，我国的模具必将逐步占领国内市场，并拓展国际空间。塑料模是应用最广泛的一类模具。在国外，塑料模占模具行业的 50%以上，而我国只有 30%左右，因而有较大的发展空间。近年来，我国塑料模有长足的进步。但模具制造周期仍比国外长 2-4倍，模具的质量稳定性较差，总体水平与国外比尚有较大差距。而塑料模的主要应用领域：汽车摩托车行业，家电电子行业在加入 WTO后将会有更多的新产品开发，对各个档次的模具需求均有大幅增长。总体来说，塑料模将是发展最快的一类模具。 我国注射模成型工艺发展了近 50 年，但是由于塑料制品的多 样性、复杂性和工程技术人员经验的局限性，长期以来，工程技术人员很难精确地设置制品最合理的加工参数，选择合适的塑料材料和确定最优的工艺方案。传统模具开发流程为概念设计产品设计模具设计模具制造设置 _工艺参数试模生产。传统方法在开始大规模生产前由于仅凭经验设计模具，模具装配完毕后，通常需要几次试模，发现问题后，不仅要工艺师重新设置工艺参数，甚至还要设计师调整塑料制品和模具设计方案，修改模具。重复各个步骤增加了生产成本，影响模具质量，同时延长了制品生产时间。 近年来，随着塑料工业的迅猛发展，模具 设计与制造更趋向高效率、自动化、大型、高精度、高寿命。例如电视机外壳、洗衣机内缸、电冰箱、空调机零件、浴盆、桶、周转箱等模具。世界上一些工业发达国家，其模具工业总产值早已超过了机床工业，其发展速度也超过了机床、汽车、电子等工业。在这些国家，模具工业已成为国民经济的基础工业之一。美国工业界称“模具工业是美国工业的基石”，日本模具协会称“模具是促进社会富裕的动力”。模具的价值不仅是其本身的价值，还在于它的应用为社会创造了巨大的经济效益和社会效益。 在塑料成型生产中，先进的模具设计、高质量的模具制造、优质 的模具材料、合理的加工工艺和现代化的成型设备等是成型优质塑件的重要条件。一副优良的注射模具可以成型上百万次，一副优良的压缩模具可以成型 25 万次以上，这与上述因素有很大的关系。 我国的模具行业是应用 CA/DCAM 较早的一个领域，但就整个行业而言，至今具有较完备集成环境的企业较少。目前在该行业具有代表性的是在设计、制造及管理等部门部分或单独采用了 CAD、 CAM 等技术。虽然这些技术在应用初期对提高产品设计水平、增nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸 第 2 页 共 35 页 加企业活力起到了积极的促进作用，但随着产品更新换代速度不断加快、同行业竞争加剧及市场不断扩 大，客户对产品质量、成本、制造周期要求不断提高，原来分散独立使用已不适应发展需要。 我国是制造业大国，在新一轮国际产业结构变革中，我国正逐步成为全球制造业的重要基地之一。“以信息化带动工业化，发挥后发优势，推动社会生产力的跨越式发展”是国家的发展战略。应用高新技术，特别是信息技术改造传统产业、促进产业结构优化升级，将成为我国今后一段时间制造业发展的主题之一。我国 CAD/CAE/CAM 等现代制造技术的研发与应用起步晚、基础差。 80年代初，机械 CAE技术中的有限元法被成功地应用到注射成型分析过程中，逐 步形成了注射模 CAE系统。注射模 CAE技术是力学、流体、热学、高分子材料、注射成型工艺、注射模设计、有一限元分析和计算机等多学科相交叉的新兴学科。国际市场上出现了一些商品化注射模 CAE软件，近十来年 CAE技术也已走向成熟。国内是在“八五”期间才开始注射模 CAE技术的研究、开发工作，近年来也陆续出现了有自主知识产权的注射模 CAE 软件。“九五”期间科技部同国家经贸委等部门实施“ CAD 应用工程”，现已成功地实现了“甩图板”，并在部分企业进行了 CAD 等技术的应用试点与示范，现代技术的开发和应用有了良好的起步和发展， “十一五”期间国家将投入 8亿元实施信息化工程。同时在 CAD/CAE/CAM等软件方面拥有了自主知识产权的软件。虽然国外软件的应用在我国模具行业中仍占主要地位，但可预计国产的CAD/CAE/CAM 软件将在我国模具工业中发挥越来越重要的作用。在 CAD/CAE/CAM 研究及应用上，我国处于起步阶段， CAD 真正应用不超过十年， CAM 也仅是近些年逐步开始应用， CAE的应用仅仅限于为数不多的较大模具企业应用，技术也还处于探索阶段。 国外发达国家模具标准化程度为 70% 80%，而我国只有 30%左右。如能广泛应 用模具标准件，将会缩短模具设计制造周期 25% 40%，并可减少由于使用者自制模具件而造成的工时浪费。应用模具 CAD CAM 技术设计模具已较为普遍，推广使用模具标准件，能够实现部分资源共享，这会大大减少模具设计的工作量和工作时间，对于发展 CADCAM技术、提高模具的精密度有重要意义。 随着中国当前的经济形势的日趋好转，在“实现中华民族的伟大复兴”口号的倡引下，中国的制造业也日趋蓬勃发展；而模具技术已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一，模具工业能促进工业产品生产的发展和质量提高，并能获得极大的经 济效益，因而引起了各国的高度重视和赞赏。在日本，模具被誉为“进入富裕的原动力”，德国则冠之为“金属加工业的帝王”，在罗马尼亚则更为直接：“模具就是黄金”。可见模具工业在国民经济中重要地位。我国对模具工业的发展也十分重视，早在 1989 年 3 月颁布的关于当前国家产业政策要点的决定中，就把模具技术的发展作为机械行业的首要任务。 近年来，塑料模具的产量和水平发展十分迅速，高效率、自动化、大型、长寿命、精密模具在模具产量中所战比例越来越大。注塑成型模具就是将塑料先加在注塑机的加nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸 第 3 页 共 35 页 热料筒内，塑料受热熔化后，在注 塑机的螺杆或活塞的推动下，经过喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔内，塑料在其中固化成型。 本次毕业设计的主要任务是塑料分线盒一模三用注塑模具的设计。也就是各设计一副注塑模具来生产三种结构的分线盒塑件，以实现多结构自动化生产，提高产品质量。针对塑料分线盒的具体结构，通过此次设计，使我对直接浇口分型面模具的设计有了较深的认识。同时，在设计过程中，通过查阅大量资料、手册、标准、期刊等，结合教材上的知识也对注塑模具的组成结构（成型零部件、浇注系统、导向部分、推出机构、排气系统、模温调节系统）有了系统的认识，拓 宽了视野，丰富了知识，为将来独立完成模具设计积累了一定的经验 。 nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸 第 4 页 共 35 页 1 塑料制品及工艺分析 1.1 分线盒制件图 此次设计的塑件为分线盒塑料配件， 相同尺寸、塑料原料，不同结构形式的塑件一模多用注射模具此类模具的塑料制件相同尺寸、塑料原料，不同主要指结构形式不同，部分视图如图 1.1 所示，分线盒塑料件结构，有一通、角二通、直二通等共三种结构形式，每一通路的尺寸是相同的。如果塑料制件结构形式相差太大，可能引起模具制作困难，成本过高。主要用于通 讯、网络等线管的分线管接线作用。分线盒的塑料选用聚氯乙烯（ PVC）满足使用和成型要求。如图 1.2（塑件三）为角二通通分线盒结构尺寸图，有两个通路口， 20mm 通口与分线管相配， 63mm 尺寸与分线盒盖相配，这两组尺寸精度要求较高，其余尺寸精度只作一般要求。制件上的 2 个 20mm 通路口与分线盒的主分型面垂直，为外侧凸起和侧孔，为便于开模取制件，必须设计为侧抽芯结构。 图 1.1 分线盒三维图 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸 第 5 页 共 35 页 塑件一 塑件二 nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸 第 6 页 共 35 页 塑件三 图 1.2 分线盒尺寸设计图 1.2 塑件的工艺分析 1.2.1 结构工艺性 对于分线盒 塑料零件的材料 为 PVC(聚 氯乙 烯 )，其表面要求无凹痕。其余尺寸均无精度要求为自由尺寸，可按 MT5级精度查取公差值。 1.2.2 塑件工艺性分析 (1) 塑件尺寸较大且要求塑件表面精度等级较高，无凹痕。采用 直接 浇口流道的 单分型面型腔注射模可以保证其表面精度。 (2) 该塑件为中小批量生产，且塑件的形状较复杂。为了加工和热处理，降低成本，分线盒采用的是一模一腔的，从而 简化结构，降低模具的成本。 1.3 塑件材质工艺性 表 1-1 分线盒塑件工艺特性 塑料品种 PVC(聚 氯乙 烯 )热塑性塑结构特点料 使用温度 一般在 -15 55 之间 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸 第 7 页 共 35 页 性能特点 常规性能： PVC 树脂是一种白色或淡黄色的粉末，比重1.351.45； PVC制品的软硬度可以通过加入增塑剂的含量来调节，能做出不同软硬度的制品。纯 PVC 的吸水率和透气性都很小。 力学性能： PVC 具有较高的硬度和力学性能，并随分子量的增大而提高，但随温度的升高而降低。 PVC 中加入的增塑剂含量不同，对力学性能影响很大，力学性能随增塑剂含量的增加而下降。PVC的耐磨性一般，硬质 PVC的静摩擦系数是 0.40.5，动摩擦系数是 0.23。 热学性能： PVC的热稳定性很差，纯 PVC树脂在 140 就开始分解，到 180 就立刻加速分解；而 PVC的熔融温度为 160 ，因此纯 PVC 树脂很难用热塑性的方法加工。 PVC 的线膨胀系数比较小，并具有难燃性，氧指数高达 45%以上。 电学性能： PVC 是一种电性能较好的聚合物，但由于本身极性较大，其绝缘性不如 PE、 PVC，介电常数、介电损耗角正切值、体积电阻率较大。 PVC 的电性能受温度、频率、添加剂的品种影响较大，自身的耐电晕性也不好，一般只适用于低压、低频绝缘材料。 环境性能： PVC 可以耐大多数的无机酸（发烟硫 酸和浓硝酸除外）、无机盐、碱、多数有机溶剂（如乙醇、汽油和矿物油），适合做化工防腐材料。 PVC在酯、酮、芳烃、卤烃中会溶胀或者溶解，其中最好的溶剂是四氢呋喃和环己酮。 PVC 不耐光、氧、热，极易发生降解，引起制品颜色变化（白色 粉红色 淡黄色 褐色 红棕色 红黑色 黑色）。 成型特点 PVC 加工温度范围窄（ 160-185 ），加工较困难，工艺要求高，加工时一般情况下可不用干燥（若需干燥，在 60-70 下进行）。模温较低（ 20-40 ）。 PVC 加工时易产生气纹、黑纹等，一定要严格控制好加工温度。螺杆转速应低 些（ 50%以下），残量要少，背压不能过高。模具排气要好。 PVC 料在高温炮筒中停留时间不能超过 15分钟。 PVC 宜用大水品进胶，采用 “ 中压、慢速、低温 ” 的条件来成型加工较好。较 PVC产品易粘前模，开模速度（第一段）不宜过快，水口在流道冷料穴处做成拉扣式较好，啤 PVC料停机前需及时用 PS 水口料（或 PE 料）清洗炮筒，防止 PVC 分解产生 Hd, 腐蚀螺杆、炮筒内壁。 nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸 第 8 页 共 35 页 1.4 注射成型工艺参数 表 1-2塑件工艺参数 (PVC) 工艺参数 规格 工艺参数 规格 料筒温度 ( ) 后段： 160-170 中段： 165-180 前段： 170-190 成型时间 (t/S) 注射时间： 0-3 保压时间： 16-60 冷却时间： 16-60 喷嘴温度 ( ) 150-170 螺杆转速 (r/min) 28 模具温度 ( ) 80-90 注射压力 (MPa) 80-130 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸 第 9 页 共 35 页 2 注塑机的选择 2.1 初选注塑机 模具只有和合适的注塑机相配，生产才能进行。 注塑机的主要参数有公称注射量 ，注射压力 ， 注射速度 ， 塑化能力 ， 锁模力 ， 合模装置的基本尺寸 ， 开合模速度 ， 空循环时间等 。 这些参数是设计 、 制造 、 购买和使用注塑 机的主要依据 。下面为了选择合适的注塑机，从校核注塑机的各种参数入手： (1)注塑量：螺杆或柱塞一次注射的最大容积（ cm2）或者一次注射塑料的最大重量。 (2)注射压力；注射时螺杆或柱塞头部施于预塑物料的最大压力（ MPa） (3)注射速率；单位时间内注射的理论容积、螺杆或柱塞截面积乘以螺杆或柱塞的最大速度（ cm3/s） (4)塑化能力；单位时间内所能塑化的物料的最大质量（ g/s） (5)锁模力；为克服塑料熔体涨开模具而施于模具的力（ KN） (6)合模装置的基本尺寸；包括模板尺寸（ mm），拉杆空间（ mm），模 板间最大开距（ mm），动模板的行程（ mm），模具最大厚度与最小厚度（ mm）等。这些参数规定了机器加工制件所使用的模具尺寸范围 (7)空循环周期：注射机在不加入塑料物料时一次循环的最短时间（ s） 2.1.1 确定最大注射量 通过计算塑件质量 gVM 24.306.214.111 流道凝料的质量 2m 按塑件质量的0.6倍来估算。从上述确定的一模一腔，所以注射量为 4 8 . 3 8 g3 0 . 2 41 . 61 . 6 n m 1 M （ 2-1） 2.1.2 确定锁模力 流道凝料（包括浇口）在分型面上的投影面积 2A ，在模具设计前是个未知值，根据多型腔模的统计分析， 2A 是每个塑件在分型面上的投影面积 1A 的 0.2倍 0.5倍，因此可以用公式 1121 1 .3 5 A1 .3 5 n AAnAA （ 2-2） 21 3 4 1 9 m m33333 . 1 4A 代入得 21 4 6 1 5 . 6 5 m m3 4 1 91 . 3 51 . 3 5 AA 1 3 . 8 4 6 9 k N304 6 2 5 . 6 5ApFm 型（ 2-3） 式中 P取 30Mpa，因 为材料 PVC有精度要求。 2.2 注射机的选择及校核 2.2.1 注射机的选择 nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸 第 10 页 共 35 页 根据每一生产周期的注射量和锁模力的计算值可以选择 SZ 250/1250卧式注射机，详见下表 表 2-1注射机主要技术参数 理论注射容量/cm3 270 锁模力 /kn 1250 螺杆直径 /mm 45 拉杆内间距 /mm 415X415 注射压力 /MPa 160 移模行程 /mm 360 注射速率 /(g/s) 110 最大模厚 /mm 410 塑化能力 /(g/s) 18.9 最小模厚 /mm 150 螺杆转速/(r/min) 10200 定位孔直径 /mm 160 喷嘴球半径 /mm 15 喷嘴孔直径 /mm 3.5 锁模方式 双曲肘 2.2.2 型腔数校核 由料筒塑化速率校核模具的型腔数 n。 114243 0 . 2 4 ) / 3 0 .0 . 6-3 6 0 0 / 3 6 0 0301 8 . 9( 0 . 8) / mm-( k M t / 3 6 0 0N 12 型腔数校核合格 式中： K 是注射机最大注射量的利用系数，一般取 0.8； M是注射机的额定塑化量（ 18.9g/s） T是成型周期，取 30s 2.2.3 注射压力的校核 在确定型腔的数量后确定注塑机的类型，参考教材塑料成型 工艺与模具设计公式 2-4：按注塑机的额定锁模力确定型腔数目 n F-PA2/PA1 式中 F 注塑机的额定锁模力（ N）； A1 单个塑件在模具分型面上的投影面积（ mm2）； A2 浇注系统在模具分型面上的投影面积（ mm2）； P 塑料容体对型腔的成型压力 (MPa)，其大小一般是注射压力大小。 但由于在本文中 3.7.1 章节已进行了脱模力的计算，所以可以由校核公式 F KFt 总 进行校核，式中： F注射机额定锁模力（ KN）， Ft 总 脱模力（ KN） ， K安全系数 ,取 K=1.2 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸 第 11 页 共 35 页 M P apkp e 1301003.10/ 而 ep =160MPa注射压力合格 （ 2-4） 式中： /k 取 1.3 0p 取 100MPa（ PVC 料）。 2.2.4 锁模力校核 F Kap 型 =1.2 13.85=16.62kN,而 F=1250kN,锁模力校核合格。 其他安装尺寸的校核要在模架选定，结构尺寸确定后才可进行。 2.2.5 模具与注射机安装部分相关尺寸的校核 为了使注射模 具能够顺利地安装在注射机上并生产出合格的塑件，在设计模具时必须校核注射机与模具安装有关的尺寸。 （ 1）喷嘴尺寸：设计模具时，主流道始端的球面必须比注射机喷嘴头部球面半径略大一些。主流道小端直径要比喷嘴直径略大。在此次设计中，所选注射机型号为XS-Z-60，喷嘴球半径为 14mm，喷嘴孔直径为 4mm，本套模具的主流道始端球面半径为16mm，主流道小孔直径为 5mm，故符合设计要求。 （ 2）最大、最小厚度校核：在模具设计时，应使模具的总厚度位于注射机可安装模具的最大模厚与最小模厚之间。同时应校核模具的 外形尺寸，使得模具能从注射机的拉杆之间装入。本套模具的总厚度为 214mm，模板长度为 200mm 250mm，所选注射机 XS-Z-60 的最大模具厚度为 250mm，最小模具厚度为 70mm，动、定模固定板的尺寸 =330mm 440mm，注射机的拉杆空间为 190mm 300mm。故符合要求。 2.2.6 开模行程的校核 注射机的开模行程是有限制的，塑件从模具中取出时所需的开模距离必须小于注射机的最大开模距离，否则塑件无法从模具中取出。由于注射机的锁模机构不同，开模行程的校核可分为与模具厚度无关、与模具厚度有关两种。 所选用注射机 XS-Z-60 是液压和机械联合作用的锁模机构，最大开模程度由连杆机构的最大行程所决定，并不受模具厚度的影响。本模具属于单分型面注射模具，如图 2-1 所示，又公式 2-5 开模行程可按下式校核： 1 0 )m m(5+H+HS 21 （ 2-5） 式中： S 注射机最大开模行程， mm； H1 推出距离， mm； H2 包括浇注系统在内的塑件高度， mm。 开模 行程的校核应考虑侧向抽芯所需的开模行程 HC，当 HC H1+H2 时， HC对开模行程没有影响，仍用上面公式进行校核。当 HC H1+H2 时，可用 HC 代替上面的 H1+H2。 nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸 第 12 页 共 35 页 3 模具结构分析与设计 3.1 结构分析 注射模具主要由动模和定模两部分组成，定模部分安装在注射机的固定模板上，动模部分安装在注射机的移动模板上。在注射成型过程中，模具的动模随注射机上的合模系统运动，同时动 模部分与定模部分由导柱导向而闭合形成浇注系统和型腔，塑料熔体从注射机喷嘴流经模具浇注系统进入型腔内。冷却后开模时动模与定模分离，由推出机构将塑件推出。 根据模具上各个部分的不同作用，注射模大致可分为下面八大部分： （ 1）成型部分 成型部分主要由凸模（型芯）、凹模（型腔）等组成。凸模（型芯）形成塑件的内表面形状，凹模（型腔）形成塑件的外表面形状。合模后组成塑件的几何边界，包容塑件。 （ 2）浇注系统 熔融塑料从注射机喷嘴进入模具型腔所流经的通道称为浇注系统，将注射机喷嘴喷出的熔融塑料引入到型腔中，起到输送管道的 作用。浇注系统由主流道、分流道、浇口及冷料井组成。 （ 3）导向机构 导向机构分为动模与定模之间的导向和推出机构的导向。 （ 4）侧向分型与抽芯机构 塑件上如果有侧向的凹凸形状或者侧孔，就需要有侧向的凸模或者成型块来成型。在塑件被推出之前，必须先使侧向凸模或侧向成型块抽出，然后才能顺利脱模。带动侧向凸模或侧向成型块移动的机构称为侧向分型与抽芯机构。 （ 5）排气系统 在注射成型过程中，为了将型腔内的气体排出模外，需要开设排气系统。小型塑件的排气量不大，因此可直接利用分型面间的间隙排气。 （ 6）温度调节系统 为了满 足注射工艺对模具的温度要求，必须对模具的温度进行控制，因此模具常常设有冷却或加热的装置。冷却系统一般在模具上开设冷却水道，加热系统则在模具内部或四周安装加热元件。 （ 7）推出机构 把模具分型后的塑件从模具中推出的装置，有些可能要靠人工协助，有的完全自动将塑件推出。 （ 8）支承零部件 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸 第 13 页 共 35 页 是整个模具的主骨架，通过它将模具的各个部分组合成一个整体，并且使模具与注射机连在一起。 3.1.1 型腔数目的确定 根据模具型腔数目可以分为单型腔模具和多型腔模具。一次注射只能生产一个塑料产品的模具称为单型腔模具。如果一副模具一次 注射能生产两个或两个以上的塑料产品，则这样的模具称为多型腔模具。 与多型腔模具相比较，单型腔模具的特点有：塑料制件的形状和尺寸一致性好、模具结构简单紧凑、模具制造成本低、制造周期短等。但是，如果是大批量生产，多型腔模具又相对有优势，它可以提高生产效率，降低塑件的整体成本。 型腔数目的确定有如下几种方法： （ 1）根据所用的注射机的最大注射量确定型腔数。 （ 2）根据注射机的最大锁模力确定型腔数。 （ 3）根据塑件的精度确定型腔数。 （ 4）根据经济性确定型腔数。 本次设计的塑件分线盒 为 中 小批量生产，故 分别 采用 一模一 腔 。 3.1.2 分型面 位置 的确定 分型面是决定模具结构形式的一个重要因素，它与模具的整体结构、浇注系统的设计、塑件的脱模和模具的制造工艺等有关，因此分型面的选择是注射模具设计中的一个关键步骤。 如何确定分型面，需要考虑的因素比较复杂。由于分型面受到塑件在模具中 的成型位置、 浇 注系统设计、塑件的结构工艺性及精度、嵌件位置形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种因素的影响，因此在选择分型面时应综合分析比较，从几种方案中优选出较为合理的方案。选择分型面时一般应遵循以下几项原则： (1) 保证塑料制品能 够脱模 ； (2) 使型腔深度最浅 ; (3) 使塑件外形美观，容易清理 ； (4) 尽量避免侧向抽芯 ； (5) 使分型面容易加工 ； (6) 使侧向抽芯尽量短 ； (7) 有利于排气 。 综上所述，选择注射模分型面影响的因素很多，总的要求是顺利脱模，保证塑件技术要求，模具结构简单制造容易。当选定一个分型面方案后，可能会存在某些缺点，再针对存在的问题采取其他措施弥补，以选择接近理想的分型面。 nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸 第 14 页 共 35 页 3.2 模具零部件设计 3.2.1 型腔的结构和固定方式 型腔采用 整体式 结构 ，其优点：结构简单，牢固可靠，不易变形，成型的塑 件质量较好。 3.2.2 凸、凹模的确定 凸、凹模是成型塑件外表面的凸凹状零件，通常可分为整体式和组合式两大类。 (1) 整体式凸模和凹模结构简单，牢固可靠，不易变形，成型的塑件质量较好，适合用于形状简单的小型塑件的成型。 (2) 组合式凸模和凹模改善了加工性，减少了热处理变形，节约了模具贵重钢材，但结构复杂，装配调整麻烦，塑件表面可能留有镶拼痕迹，因此，这种凸模和凹模主要用于形状复杂的塑件的成型。 对于设计的 外壳， 由于其结构简单，故选用整体式凸模和整体式凹模。 3.2.3 脱模方式的确定 所谓脱模机构就是使塑件从模具成型零件上脱出的机构。让固化的成型塑件完好的从模具中顶出，取决于脱模机构的合理设计。在设计脱模机构时一般要综合考虑以下选用原则： （ 1）尽可能让塑件留在动模，使脱模机构易于实现； （ 2）不损坏塑件，不因脱模而使塑件质量不合格； （ 3）塑件被顶出位置应尽量在塑件内侧，以免损伤塑件外观； （ 4）脱模零件配合间隙合适，无溢料现象； （ 5）脱模零件应有足够的强度和刚度； （ 6）脱模零件要工作可靠，运动灵活，制造容易，配换方便。 另外，为实现注塑生产的自动化，必要时不但塑 件要实现自动坠落，还要使浇注系统凝料能脱出并自动坠落。塑件在成形时，由于有尺寸上的收缩，所以对模具的凸出部位有包紧力。而脱模机构的负荷就是这种包紧力对脱模方向上形成的阻力。 塑件冷却收缩，会紧紧的包住型芯，与型腔脱离， 最后 推件板 在液压机构的作用下将塑件从动模上推下，完成注塑的全过程。 其优点 : (1) 制件受力均匀在 分离 时不产生变形 ； (2) 制件表面质量不受影响 ； (3) 推出机构简单可靠，简化了模具。 桂林电子科技大学毕业设计用纸 1 第 1 页 共 23 页 Automated Assembly Modelling for Plastic Injection Moulds An injection mould is a mechanical assembly that consists of product-dependent parts and product-independent parts. This paper addresses the two key issues of assembly modelling for injection moulds, namely, representing an injection mould assembly in a computer and determining the position and orientation of a product-independent part in an assembly. A feature-based and object-oriented representation is proposed to represent the hierarchical assembly of injection moulds. This representation requires and permits a designer to think beyond the mere shape of a part and state explicitly what portions of a part are important and why. Thus, it provides an opportunity for designers to design for assembly (DFA). A simplified symbolic geometric approach is also presented to infer the configurations of assembly objects in an assembly according to the mating conditions. Based on the proposed representation and the simplified symbolic geometric approach, automatic assembly modelling is further discussed. Keywords: Assembly modelling; Feature-based; Injection moulds; Object-oriented 1. Introduction Injection moulding is the most important process for manufacturing plastic moulded products. The necessary equipment consists of two main elements, the injection moulding machine and the injection mould. The injection moulding machines used today are so-called universal machines, onto which various moulds for plastic parts with different geometries can be mounted, within certain dimension limits, but the injection mould design has to change with plastic products. For different moulding geometries, different mould configurations are usually necessary. The primary task of an injection mould is to shape the molten material into the final shape of the plastic product. This task is fulfilled by the cavity system that consists of core, cavity, inserts, and slider/lifter heads. The geometrical shapes and sizes of a cavity system are determined directly by the plastic moulded product, so all components of a cavity system are called product-dependent parts. (Hereinafter, product refers to a plastic moulded product, part refers to the component of an injection mould.) Besides the primary task of shaping the product, an injection mould has also to fulfil a number oftasks such as the distribution of melt, cooling the molten nts 桂林电子科技大学毕业设计用纸 2 第 2 页 共 23 页 material, ejection of the moulded product, transmitting motion, guiding, and aligning the mould halves. The functional parts to fulfil these tasks are usually similar in structure and geometrical shape for different injection moulds. Their structures and geometrical shapes are independent of the plastic moulded products, but their sizes can be changed according to the plastic products. Therefore, it can be concluded that an injection mould is actually a mechanical assembly that consists of product-dependent parts and product-independent parts. Figure 1 shows the assembly structure of an injection mould. The design of a product-dependent part is based on extracting the geometry from the plastic product. In recent years, CAD/CAM technology has been successfully used to help mould designers to design the product-dependent parts. The Fig. 1. Assembly structure of an injection mould automatic generation of the geometrical shape for a product-dependent part from the plastic product has also attracted a lot of research interest 1,2. However, little work has been carried out on the assembly modelling of injection moulds, although it is as important as the design of product-dependent parts. The mould industry is facing the following two difficulties when use a CAD system to design product-independent parts and the whole assembly of an injection mould. First, there are usually around one hundred product-independent parts in a mould set, and these parts are associated with each other with different kinds of constraints. It is time-consuming for the designer to orient and position the components in an assembly. Secondly, while mould designers, most of the time, think on the level of real-world objects, such as screws, plates, and pins, the CAD system uses a totally different level of geometrical objects. nts 桂林电子科技大学毕业设计用纸 3 第 3 页 共 23 页 As a result, high-level object-oriented ideas have to be translated to low-level CAD entities such as lines, surfaces, or solids. Therefore, it is necessary to develop an automatic assembly modelling system for injection moulds to solve these two problems. In this paper, we address the following two key issues for automatic assembly modelling: representing a product-independent part and a mould assembly in a computer; and determining the position and orientation of a component part in an assembly. This paper gives a brief review of related research in assembly modelling, and presents an integrated representation for the injection mould assembly. A simplified geometric symbolic method is proposed to determine the position and orientation of a part in the mould assembly. An example of automatic assembly modelling of an injection mould is illustrated. 2. Related Research Assembly modelling has been the subject of research in diverse fields, such as, kinematics, AI, and geometric modelling. Lib-ardi et al. 3 compiled a research review of assembly modelling. They reported that many researchers had used graph structures to model assembly topology. In this graph scheme, the components are represented by nodes, and transformation matrices are attached to arcs. However, the transformation matrices are not coupled together, which seriously affects the transformation procedure, i.e. if a subassembly is moved, all its constituent parts do not move correspondingly. Lee and Gossard 4 developed a system that supported a hierarchical assembly data structure containing more basic information about assemblies such as “mating feature” between the components. The transformation matrices are derived automatically from the associations of virtual links, but this hierarchical topology model represents only “part-of” relations effectively. Automatically inferring the configuration of components in an assembly means that designers can avoid specifying the transformation matrices directly. Moreover, the position of a component will change whenever the size and position of its reference component are modified. There exist three techniques to infer the position and orientation of a component in the assembly: iterative numerical technique, symbolic algebraic technique, and symbolic geometric technique. Lee and Gossard 5 proposed an iterative numerical technique to compute the location and orientation of each component from the spatial relationships. Their method consists of three steps: generation of the constraint equations, reducing the number of equations, and solving nts 桂林电子科技大学毕业设计用纸 4 第 4 页 共 23 页 the equations. There are 16 equations for “against” condition, 18 equations for “fit” condition, 6 property equations for each matrix, and 2 additional equations for a rotational part. Usually the number of equations exceeds the number of variables, so a method must be devised to remove the redundant equations. The NewtonRaphson iteration algorithm is used to solve the equations. This technique has two disadvantages: first, the solution is heavily dependent on the initial solution; secondly, the iterative numerical technique cannot distinguish between different roots in the solution space. Therefore, it is possible, in a purely spatial relationship problem, that a mathematically valid, but physically unfeasible, solution can be obtained. Ambler and Popplestone 6 suggested a method of computing the required rotation and translation for each component to satisfy the spatial relationships between the components in an assembly. Six variables (three translations and three rotations) for each component are solved to be consistent with the spatial relationships. This method requires a vast amount of programming and computation to rewrite related equations in a solvable format. Also, it does not guarantee a solution every time, especially when the equation cannot be rewritten in solvable forms. Kramer 7 developed a symbolic geometric approach for determining the positions and orientations of rigid bodies that satisfy a set of geometric constraints. Reasoning about the geometric bodies is performed symbolically by generating a sequence of actions to satisfy each constraint incrementally, which results in the reduction of the objects available degrees of freedom (DOF). The fundamental reference entity used by Kramer is called a “marker”, that is a point and two orthogonal axes. Seven constraints (coincident, in-line, in-plane, parallelFz, offsetFz, offsetFx and helical) between markers are defined. For a problem involving a single object and constraints between markers on that body, and markers which have invariant attributes, action analysis 7 is used to obtain a solution. Actionanalysis decides the final configuration of a geometric object, step by step. At each step in solving the object configuration, degrees of freedom analysis decides what action will satisfy one of the bodys as yet unsatisfied constraints, given the available degrees of freedom. It then calculates how that action further reduces the bodys degrees of freedom. At the end of each step, one appropriate action is added to the metaphorical assembly plan. According to Shah and Rogers 8, Kramers work represents the most significant development for assembly modelling. This symbolic geometric approach can locate all solutions to constraint conditions, and is computationally attractive nts 桂林电子科技大学毕业设计用纸 5 第 5 页 共 23 页 compared to an iterative technique, but to implement this method, a large amount of programming is required. Although many researchers have been actively involved in assembly modelling, little literature has been reported on feature based assembly modelling for injection mould design.Kruth et al. 9 developed a design support system for an injection mould. Their system supported the assembly design for injection moulds through high-level functional mould objects (components and features). Because their system was based on AutoCAD, it could only accommodate wire-frame and simple solid models. 3. Representation of Injection Mould Assemblies The two key issues of automated assembly modelling for injection moulds are, representing a mould assembly in com- puters, and determining the position and orientation of a product-independent part in the assembly. In this section, we present an object-oriented and feature-based representation for assemblies of injection moulds. The representation of assemblies in a computer involves structural and spatial relationships between individual parts. Such a representation must support the construction of an assembly from all the given parts, changes in the relative positioning of parts, and manipulation of the assembly as a whole. Moreover, the representations of assemblies must meet the following requirements from designers: 1. It should be possible to have high-level objects ready to use while mould designers think on the level of real-world objects. 2. The representation of assemblies should encapsulate operational functions to automate routine processes such as pocketing and interference checks. To meet these requirements, a feature-based and object-oriented hierarchical model is proposed to represent injection moulds. An assembly may be divided into subassemblies, which in turn consists of subassemblies and/or individual components. Thus, a hierarchical model is most appropriate for representing the structural relations between components. A hierarchy implies a definite assembly sequence. In addition, a hierarchical model can provide an explicit representation of the dependency of the position of one part on another. Feature-based design 10 allows designers to work at a somewhat higher level of abstraction than that possible with the direct use of solid modellers. Geometric features are instanced, sized, and located quickly by the user by specifying a nts 桂林电子科技大学毕业设计用纸 6 第 6 页 共 23 页 minimum set of parameters, while the feature modeller works out the details. Also, it is easy to make design changes because of the associativities between geometric entities maintained in the data structure of feature modellers. Without features, designers have to be concerned with all the details of geometric construction procedures required by solid modellers, and design changes have to be strictly specified for every entity affected by the change. Moreover, the feature-based representation will provide high-level assembly objects for designers to use. For example, while mould designers think on the level of a real- world object, e.g. a counterbore hole, a feature object of a counterbore hole will be ready in the computer for use. Object-oriented modelling 11,12 is a new way of thinking about problems using models organised around real-world concepts. The fundamental entity is the object, which combines both data structures and behaviour in a single entity. Object- oriented models are useful for understanding problems and designing programs and databases. In addition, the object- oriented representation of assemblies makes it easy for a“child” object to inherit information from its “parent”. Figure 2 shows the feature-based and object-oriented hier- archical representation of an injection mould. The representation is a hierarchical structure at multiple levels of abstraction, from low-level geometric entities (form feature) to high-level subassemblies. The items enclosed in the boxes represent “assembly objects” (SUBFAs, PARTs and FFs); the solid lines represent “part-of” relation; and the dashed lines represent other relationships. Subassembly (SUBFA) consists of parts (PARTs). A part can be thought of as an “assembly” of form features (FFs). The representation combines the strengths of a feature-based geometric model with those of object-oriented models. It not only contains the “part-of” relations between the parent object and the child object, but also includes a richer set of structural relations and a group of operational functions for assembly objects. In Section 3.1, there is further discussion on the definition of an assembly object, and detailed relations between assembly objects are presented in Section 3.2 nts 桂林电子科技大学毕业设计用纸 7 第 7 页 共 23 页 Fig. 2. Feature-based, object-oriented hierarchical representation 3.1 Definition of Assembly Objects In our work, an assembly object, O, is defined as a unique, identifiable entity in the following form: O = (Oid, A, M, R) (1) Where: Oid is a unique identifier of an assembly object (O). A is a set of three-tuples, (t, a, v). Each a is called an attribute of O, associated with each attribute is a type, t, and a value, v. M is a set of tuples, (m, tc1, tc2, %, tcn, tc). Each element of M is a function that uniquely identifies a method. The symbol m represents a method name; and methods define operations on objects. The symbol tci(i= 1, 2, %, n) specifies the argument type and tc specifies the returned value type. R is a set of relationships among O and other assembly objects. There are six types of basic relationships between assembly objects, i.e. Part-of, SR, SC, DOF, Lts, and Fit. Table 1 shows an assembly object of injection moulds, e.g. ejector. The ejector in Table 1 is formally specified as: (ejector-pinF1, (string, purpose, ejecting moulding), (string, material, nitride steel), (string, catalogFno, THX), (checkFinterference(), boolean), (pocketFplate(), boolean), (part-of nts 桂林电子科技大学毕业设计用纸 8 第 8 页 共 23 页 ejectionFsys), (SR Align EBFplate), (DOF Tx, Ty). In this example, purpose, material and catalogFno are attributes with a data type of string; checkFinterference and pocketFplate are member functions; and Part-of, SR and DOF are relationships. 3.2 Assembly Relationships There are six types of basic relationships between assembly objects, Part-of, SR, SC, DOF, Lts, and Fit. Part-of An assembly object belongs to its ancestor object. SR Spatial relations: explicitly specify the positions and orientations of assembly objects in an assembly. For a component part, its spati