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机械毕业设计全套
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MJZ02-037@底座注射模设计,机械毕业设计全套
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届毕业 设计说明书 底座注射模设计 系 、 部： 机械工程系 学生姓名： 指导教师： 职称 副教授 专 业： 材料成型及控制工程 班 级： 完成时间： 6 月 1 号 摘 要 nts 对塑料底座注射模结构采用 中心 浇口进料，采用一模一腔的模具结构 ， 材料采用流动性能差的 PC塑料，通过对塑件的分析，注射机的选定，浇注系统的设计，成型零件的设计计算，脱模推出机构的设计，以及冷却系统的设计和导向地位机构的设计，给出了生产底座的一个实际参考设计生产流程。 通过本设计，可以对注塑模具有一个初步的认识，注意到设计中的某些细节问题，了解模具结构及其工作原理；为以后从事本行业打下了良好的理论基础。此次设计的过程中查阅了大量的模具设计资料，通过模具的设计与应用，同原有的设计方法相比，模具的应用提升了产品的质量，模具整体设计的思路和要求符合现代设计潮流和未来的发展方向 。 关键词 : PC；一模一腔； 中心浇口 ；模具设计 ABSTRACT nts To plastics base injection mould structure adopts center gate; Selected a mould for four cavity die structure, and selected the medium flow not well PC plastic for filling mold, improve the design compact and practical efficiency; PC Based on the analysis of the plastic parts, injection machine selection of the design of the shunt way, Lord, molding parts design calculation of mechanism design, stripping out, and the cooling system design and guide mechanism design, status are given a production of plastics base actual reference design of the production process. The mould cognition having a first step by the fact that design, can produce plastic articles by injection moulding face to face , pay attention to knowing mould structure and their operating principle to some detail problem in designing that,; Be to be engaged in our industry hereafter having laid down fine rationale. I have consulted massive materials of the plastic mold design and manufacture in this design process .Through the design and application of the mold ,the processing technology ，compared with previous technology ,which increase the quality of the product. The overall design mentality and request conform to the modern design tidal and development direction of the future. Keywords: pc; plastics base; center gate; mold design. 目 录 nts 1 塑件成型工艺性分析 . 6 1.1 塑件的分析 . 2 1.2 PC 工程塑料的性能分析 . 2 1.2.1 基本性能 . 2 1.2.2 PC 的主要性能指标 . 3 1.3 PC 的注射成型过程及其工艺参数 . 3 1.3.1 注射成型过程 . 3 1.3.2 注射工艺参数 . 4 2 拟定模具的结构形式和初选注射机 . 4 2.1 分型面位置的确定 . 5 2.2 型腔数量和排列方式的确定 . 5 2.3 注射机型号的确定 . 5 2.3.1 注射量的计算 . 5 2.3.2 浇注系统凝料提及的初步估算 . 6 2.3.3 选择注射机 . 6 2.3.4 注射机的相关参数的校核 . 7 3 浇注系统的设计 . 8 3.1 浇注系统的设计原则 . 8 3.2 主流道的设计 . 9 3.2.1 主流道设计要点 . 9 3.2.2 主流道尺寸的确定 . 10 3.2.3 主流道的凝料体积 . 10 3.2.4 主流道当量半径 . 10 3.2.5 主流道浇口套的形式 . 10 3.3 分流道的设计 . 11 3.3.1 分流道的布置形式 . 11 3.3.2 分流道的长度 . 11 3.3.3 分流道的当量直径 . 11 3.3.4 分流道的截面形状 . 11 3.3.5 分流道界面尺寸 . 11 nts 3.3.6 凝料体积 . 12 3.3.7 校核剪切速率 . 12 3.3.8 分流道的表面粗糙度和脱模斜度 . 13 3.4. 浇口的设计 . 13 3.4.1 轮辐式 浇口尺寸的确定 . 13 3.4.2 轮辐式浇口剪切速率的校核 . 14 3.5 校核主流道的剪切速率 . 14 3.6 冷料穴的设计 . 14 4.成型零件的结构设计及计算 . 15 4.1.成型零件的结构设计 . 15 4.2.成型零件钢材的选用 . 16 4.3 成型零件工作尺寸的计算 . 16 4.3.1 凹模径向尺寸的计算 . 17 4.3.2 凹模深度尺寸的计算 . 17 4.3.3 动模凸凹模尺寸的计算 . 18 4.3.4 大型芯尺寸的计算 . 20 4.3.5 小型芯尺寸的计算 . 21 4.4 成型零件尺寸及动模垫板厚度的计算 . 22 4.1.1 凹模侧壁厚度的计算 . 22 5.脱模推出机构的设计 . 23 5.1 脱模力的计算 . 23 5.2. 推出方式的确定 . 24 5.2.1 推杆材料 . 24 5.2.2 推杆的安装 . 25 5.2.3 校核推出应力 . 25 6.模架的确定 . 26 6.1 各模板厚度尺寸的 确定 . 26 6.2 计算并选择模架型号 . 26 6.3 模架尺寸的校核 . 27 7.排气槽的设计 . 28 8.冷却系统的设计 . 29 nts 8.1 冷却介质 . 29 8.2 冷却系统的计算 . 29 8.2.1 单位时间内注入模具中的塑料熔体的总质量 W . 29 8.2.2 确定单位质量的塑件在凝固时所放出的热量sQ. 29 8.2.3 计算冷却水的体积流量vq. 29 8.2.4 确定冷却水路的直径 . 30 8.2.5 冷却水在管内的流速 v . 30 8.2.6 求冷却管壁与水交界的膜转热系数 h . 30 8.2.7 计算冷却水道的导热总面积 A . 30 8.2.8 模具上应开设的冷却水道的孔数 n . 30 8.2.9 冷却水道的布置 . 31 9.导向与定位机构的设计 . 32 9.1 导柱导向机构 . 32 10.模具零件的选材 . 33 10.1.1 模具材料选用原则 . 33 10.1.2 模具材料选用要求 . 33 10.2 注塑模具常用材料 . 33 10.2.1 塑料模具成型零件的选材 . 33 10.2.3 推出机构零件的选材 . 34 10.2.4 浇注系统零件 . 34 10.2.5 其它零件的选材 . 35 11 零件的加工工艺过程 . 36 11.1 小型芯制造工艺过程： . 36 11.2 型腔制造工艺过程 . 36 11.设计小结 . 39 参考文献 . 40 1 塑件成型工艺性分析 nts 2 1.1 塑件的分析 （ 1）外形尺寸 该塑件壁厚较厚，平均壁厚约为 30mm，结构较简单，对称度好，只需做几个型芯即可，塑件为热塑性塑料， 流动性差，适于螺杆式注射机注射成型。 (2) 精度等级 该塑件重要尺寸和次重要尺寸精度等级均为 MT4，由以上分析可见该零件的尺寸精度中等， 对应的模具相关零件的尺寸加工可以保证。 (3) 脱模斜度 pc 的成型性能良好，成型收缩率较小，其脱模斜度根据参考文献 1中表 2-19可知型腔的脱模斜度在 153 ，型芯的在 0503 ， pc的流动性差，为使注射充型流畅，选择塑件上型芯和凹模的统一脱模斜度为 54 。 1.2 PC 工程塑料的性能分析 1.2.1 基本性能 PC聚碳酸酯无色透明，耐热，抗冲击阻燃，在普通使用温度内都有良好的机械性 能。冲击强度高，尺寸稳定性好，着色性好，电绝缘蚀性、耐腐性、耐磨性好，但自润滑性差，有应力开裂倾向，高温易水解，与其它树脂相溶性差。适于制作仪表小零件、绝缘透明件和耐冲 击零件，阻燃，在普通使用温度内都有良好的机械性能 。 成形特性： 无定形料，热稳定性好，成型温度范围宽，流动性差。吸湿小，但对水敏感，须经干燥处理，成型收缩率小，易发生熔融开裂和应力集中，故应严格控制成形条件，塑件须经退火处理。 1熔融温度高，粘度高，大于 200g的塑件宜采用螺杆式注射机。 2流动性差，溢边料 0.06m左右。 3冷却速度快，模具浇注系统以短、粗为原则，宜设冷料穴，浇口宜取大。 4料湿过低会造成缺料，塑件无光泽，料温过高易溢边，塑件起泡。模温低时收缩率、抗冲击强度高，抗弯、抗压强度低，模温超过 120 时塑件冷却慢，易变形粘模。 nts 3 图 1 塑件图 1.2.2 PC 的主要性能指标 表 1 PC 的主要技术指标 技术 指标 PC 技术指标 PC 密度 比体积 吸水率 熔点 硬度 冲击韧度 1.20g/cm3 0.83 cm3/g 0.090.15% (24h) 220250 11.4HB 无缺口 不断 有缺口 55.890 k / Jm2 热变形温度 抗拉屈服强度 拉伸强度模量 弯曲强度 击穿电压 体积电阻率 132141 (0.45MPa) 132138 （ 1.82MPa） 72MPa 1440MPa 113MPa 1722KV/mm 3.06 cm10 17 1.3 PC 的注射成型过程及其工艺参数 1.3.1 注射成型过程 （ 1）成型前准备。 对 PC的色泽、粒度和均匀度等进行检验，成型前必须预干燥，水分含量应低于 0.02%，微量水份在高温下加工会使制品产生白浊色泽，银丝和气泡。 常用方法是循环鼓风干燥，温度控制是 120 ，时间 812h 以上。 （ 2）注射过程。塑料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的型腔成型，其过程分为充 模、压实、保压、倒流和冷却五个阶段。 （ 3）塑件的后处理（退火）。退火处理的方法为红外线灯 、烘箱，处理温度为nts 4 100 130 ，处理时间为 2h8h。 1.3.2 注射工艺参数 （ 1）注射机：螺杆式，螺杆转速为 30r/min.。 （ 2）料筒温度 t/ ：前段 210240； 中段 230280； 后段 240285。 （ 3）模具温度 t/ ： 90110； （ 4）注射压力 (p/Mpa)： 80130； （ 5）成型时间（ s）：高压时间 05S 注射时间 2090 S 冷却时间 2090 S 总 周期 40190 S 2 拟定模具的结构形式和初选注射机 nts 5 2.1 分型面位置的确定 通过对塑件结构形式的分析，分型面应选在塑件截面积最大，且有利于开模，其位置如图 2 所示。 图 2 分型面的选择 2.2 型腔数量和排列方式的确定 （ 1）型腔数量的确定 由于该塑件精度要求中等，塑件尺寸较大，塑料流动性差，结构高度对称，为了便于顺利充型，初步选用一模一腔。 （ 2）模具结构形式的初步确定 由以上 分析可知，本模具设计是一模一腔，根据塑件结构形状，推出机构初选推件板推出或是推出杆推出方式。浇注系统设计时，因为塑件中间带有比主流道直径大的孔，所以为了进料均匀，采用平衡式流道和轮辐式浇口。因此，定模部分不需要单独开设分型面取出凝料，动模部分需要添加型芯固定板、支撑板或推件板。由上综合分析可确定采用大水口（或带推件板）的单分型面注射模。 2.3 注射机型号的确定 2.3.1 注射量的计算 通过 Pro/E 建模分析得塑件质量属性如图 4 所示。 nts 6 图 3 塑件质量属性 塑件体积： 3cm4.1745塑V塑件质量：塑塑 Vm=1.21745.4=2094.4g （ 1） 式中， 可根据参考文献 3表 9-6 取为 1.20 3/g cm 。 2.3.2 浇注系统凝料提及的初步估算 由于浇注系统的凝料在设计之前不能确定准确的数值，但是可以根据经验按照塑件提及的 0.2 倍 1 倍来估算。由于本次设计采用的流道简单并且较短，因此浇注系统的凝料按塑件体积的 0.3 倍来估算。故一次注入模具型腔 塑料熔体的总体积（即浇注系统的凝料和 4 个塑件体积之和）为： 塑总 VV n3.1=1.311745.4=2269 3cm （ 2） 2.3.3 选择注射机 根据以上计算得出在一次注射过程中，注入模具型腔的塑料的总体积为总V=57.6 3cm ，由 参考文献 2式 4-18，公V=总V/0.8=2269/0.8=2836 3cm 。根据以上的计算，查参考文献 3中表 13-1，初步选定公称注射量为 3000 3cm ，注射机型号为 XZY-3000 的螺杆式注射机，其主要技术参数见表 2。 nts 7 表 2 注射机主要技术参数 技术指标 参数 技术指标 参数 理论注射量 3/mm 螺杆柱塞直径 /mm 注射压力 MPa/ 注射时间 s 塑化能力 hkg/ 锁模力 /KN 喷嘴口直径 /mm 3000g/cm3 120 115 3.8 80 630 8 拉杆内向距 /mm 移模行程 /mm 最大模具厚度 /mm 最小模具厚度 /mm 锁模形式 模具定位孔直径 /mm 喷嘴球半径 /mm 900800 1120 680 400 充压式 250 25 2.3.4 注射机的相关参数的校核 (1) 注射压力校核 查 参考文献 4 可知， PC 所需注射压力为80MPa130MPa，这里取0P=90MPa， 该注射机的公称注射压力 P 公 =130 MPa，注射压力安全系数 k1=1.25 1.4，这里取 k1=1.3，则： k1 P0=1.390=117 MPa1.32m/s （ 44） 大于最低流速 1.32m/s，达到湍流状态，满足冷却要求。 8.2.6 求冷却管壁与水交界的膜转热系数 h 因为平均水温为 23.5，查参考文献 2表 4-31可得 7.6f ，则有 : h=3.6f 2 2 9 4401.067.1107.66.3d 2.08.032.08.0 ）（）（）（ kJ/(m2h) （ 45） 8.2.7 计算冷却水道的导热总面积 A 0079.05.2310022944 85.2306060 h WQA s m2 （ 46） 为模具温度与冷却管道之间的平均温度，模具温度为 100 。 8.2.8 模具上应开设的冷却水道的孔数 n n= )(21.110240101014.3 0079.0dBA 33 孔 （ 47） 式中 ： B 模仁长度，为 270mm，但冷却水孔的长度达不到 270mm，实际只有 240mm nts 31 8.2.9 冷却水道的布置 图 14 动模仁冷却水路示意图 图 15 定模仁冷却水路示意图 nts 32 9.导向与定位机构的设计 注射模的导向机构用于动模、定模之间的开合模导向和脱模机构的运动导向。按作用分为模外定位和模内定位。模外定位是通过定位圈与注射机相配合，是模具的浇口套能与注射机喷嘴精确定位；而模内定位机构则通过导柱导套进行合模定位。锥面定位则用于动、定模之间的精密定位。本模具所成型的塑件比较简单，模具定位精度要求不是很高，因此可采用木架本身所自带的定位机构。 9.1 导柱导向机构 模具导柱导向的导柱、导套结构，适用于精 度要求高、生产批量大的模具。同时在设计导柱和导套时还应注意以下几点： (1) 导柱应合理的均布在模具分型面的四周，导柱中心至模具外缘应有足够的距离，以保证模具的强度。 (2) 导柱的长度应比型芯端面高出 6 8mm，以免型芯进入凹模时与凹模相碰而损坏。 (3) 导柱和导套应有足够的耐磨度和强度，导柱常采用 20#低碳钢经渗碳0.5 0.8 mm,淬火 48 55HRC,也可用 T8A、 T10A 碳素工具钢 ,经淬火处理，硬度达到 5055HRC。导套一般采用 T10A 或者经过渗碳处理 20 钢，热处理5055HRC，公差采用 6级。 (4) 为了使导柱能顺利地入导套、导柱端部应做成锥形或半球形，导套的前端也应倒角。 (5) 导柱设在动模一侧可以保护型芯不受损伤，而设在定模一侧则便于顺利脱模取出塑件，因此可根据需要而决定装配方式。 (6) 导柱配合部分采用 H7/f7，固定配合部分采用 H7/k6；导套固定配合采用H7/k6，配合长度为配合直径的 1.5-2倍。其余部分可扩孔，减小摩擦或降低加工难度。 (7) 除了动模、定模之间设导柱、导套外，一般还在动模座板与推反之间设置导柱和导套，以保证推 出机构的下常运动。 (8) 导柱的直径应根据模具大小而决定，可参考标准模架数据选取。 nts 33 10.模具零件的选材 10.1.1 模具材料选用原则 用于注塑模具的钢材，大致应满足如下要求： （ 1）机械加工性能优良：易切削，适于深孔、深沟槽、窄缝等难加工部位的加工和三维复杂形面的雕刻加工； （ 2）抛旋旋旋光性能优良：没有气孔等内部缺陷，显微组织均匀，具有一定的使用硬度（ 40HRC 以上）； （ 3）良好的表面腐蚀加工性：要求钢材质地细而均匀，适于花纹腐蚀加工； （ 4）耐磨损，有韧性：可以在热交变负荷的作用下 长期工作，耐摩擦； （ 5）热处理性能好：具有良好的淬透性和很小的变形，易于渗氮等表面处理； （ 6）焊接性好：具有焊接性，焊后硬度不发生变化，且不开裂、变形等； （ 7）热膨胀系数小，热传导效率高：防止变形，提高冷却效果； （ 8）性能价格比合理，市场上容易买到，供货期短。 10.1.2 模具材料选用要求 在选择注射模具钢材时，要综合考虑塑件的生产批量、尺寸精度、复杂程度、体积大小和外观要求等因素。对于塑件生产批量大、尺寸精度要求高的场合，应选用优质模具钢。对于结构复杂或体积比较大的塑件应选用易切削钢。外观要求高 的塑件可以选用镜面钢材。 10.2 注塑模具常用材料 10.2.1 塑料模具成型零件的选材 1）定模：定模 成型的是塑件外表面，因而应根据塑件外表面的质量要求，来选择不同抛旋旋旋光性能的模具材料，选用 45 钢 ，它具有高的淬透性、耐磨性，热处理变形小，强度和韧性都比较好，适合于制造形状复杂的各种模具型腔。 2) 动模凸凹模 ： 型芯在成型过程中容易磨损， 同时，该 动模凸凹模形状比较复 杂，故要求所选材料的加工性能要好。所以这里选用 40cr。 10.2.2 模板零件的选材 这类零件是模具中的主要承力零件，因此要求具有足够 的机械强度。目前应用最普遍的是 45 钢，有时也用 Q235A；为延长使用寿命，可调质至nts 34 230270HBS。 表 3 模具零件的常用材料 零件名称 材料牌号 热处理方法 硬度 垫板（支承板） 动、定模板 动、定模座板 垫块 45 45 45 Q235A 淬火 调质 调质 43HRC48HRC 4348HRC 230 270HB 185235HB 这类零件包括各种导柱、导套和导向销等。这类零件在使用过程中主要起导向作用。开、合模时有相对运动，成型过程中要承受一定的压力或偏载荷。因此要求表面 耐磨性好，心部具有一定的韧性。目前 T8A、 T10A 等材料较为常用。 表 4 导向零件的常用材料 零件名称 材料牌号 热处理方法 硬度 导柱 导套 T10A T10A 淬火 淬火 52 56HRC 52 56HRC 10.2.3 推出机构零件的选材 这类零件要求表面磨性好，并具有足够的机械强度。目前如 45 钢、 T8A、T10A等材料较为常用。 表 5 推出机构零件常用材料 零件名称 材料牌号 热处理方法 硬度 推杆 推板 复位杆 拉料杆 推板固定板 3Cr2W8V 45 T10A T10A 45 淬火 淬火 淬火 淬火 淬火 50 55HRC 43 48HRC 56 60HRC 50 55HRC 185235HB 10.2.4 浇注系统零件 包括浇口套、拉料杆、分流锥等。这类零件的工作条件与成型零件相近，要求具有良好的耐磨表面、耐蚀性和热硬性。目前如 P20、 T8A、 T10A 等材料较为常用，淬火处硬度达到 38 45HRC。 nts 35 10.2.5 其它零件的选材 （ 1）定位圈 45 钢 （ 2）各螺钉 45 钢 淬火 硬度 230 270HB （ 3）水 嘴 黄铜 nts 36 11 零件的加工工艺过程 11.1 小型芯制造工艺过程： 小型芯如下图所示： 图 16 小型芯 工艺过程如下： 1、备料： 40Cr d L 45 200mm圆钢 2、粗车：以左端面为基准面，用夹心轴和尾针固定圆钢，先车至 d L 42 200mm,留余量 1 至 2mm，于离基准面 20毫米处，向右车至 d L32.4 180mm，留加工余量 12毫米，于左端 面 167.31毫米处， 向右车至 d L为 16 28.38MM，车断。 3、热处理：退火处理，消除应力。 4、 半精车：车削外圆直径至实际尺寸。 5、磨削：用心轴装夹，粗、精磨各外圆至图纸要求。 6、热处理：进行渗碳处理，淬火后硬度为 54-58HRC 7、抛光。 11.2 型腔制造工艺过程 型腔如下图所示： nts 37 图 17 凹模 工艺过程如下： 1.备料 ： L B h 275 275 120mm 45 号钢。 2.粗磨：磨外平面至 L B h 273 273 118mm，留余量，保证上下端面不超过 0.05。 3.划线 :确定 下平面距边缘长和宽为 35.9mm 四个交汇点，并连接相邻的两点，在直角处划出半径为 31mm的圆角 。划出各处投影在平面圆的圆心所在 的直线，交点即为圆心。 划出上平面的中心线。 4.粗铣：在其中 一个交汇点沿着划线铣出深度为 80mm的型腔，留余量。 5.钻孔：除左端面外在各个端面圆心 先铣出直径为 12mm、深度为 13mm 的大孔，nts 38 在距离 A平面为 90mm和 180mm的圆心处钻直径为 10mm，深度为 28mm 的盲孔 ，在上平面中心线的交汇处钻直径为 30mm的通孔。 6.热处理：淬火，硬度为 43-48 HRC 7.磨：磨外平面至图纸 实际要求，并保证 A平面与 B平面的垂直度。 8.精铣：铣 内型腔，使其粗糙度达到 0.8。 9.精铰： 使直径为 30mm的内型腔达到所需精度要求。 10、抛光 。 nts 39 11.设计小结 通过这次系统的注射模的设计， ，使我对模具设计工作有了更深层次的认识，即：模具不是只为设计而设 计，要统筹规划，全盘考虑。这次设计使我能够理论联系实际，多方面、多角度地去感知、体会书本上比较抽象的理论知识。在指导老师及关心与帮助下，我的做事效率得到了一定的提高，独立思考并解决问题的能力得到了加强，培养了实际动手能力。 我更进一步的了解了注射模的结构及各工作零部件的设计原则和设计要点，了解了注射模具设计的一般程序。 进行塑料产品的模具设计首先要对成型制品进行分析，再考虑浇注系统、型腔的分布、导向推出机构等后续工作。通过制品的零件图就可以了解制品的设计要求。对形态复杂和精度要求较高的制品，有必要了解制品的使 用目的、外观及装配要求，以便从塑料品种的流动性、收缩率，透明性和制品的机械强度、尺寸公差、表面粗糙度、嵌件形式等各方面考虑注射成型工艺的可行性和经济性。模具的结构设计要求经济合理，认真掌握各种注射模具的设计的普遍的规律，可以缩短模具设计周期，提高模具设计的水平。 收获大概可概括为以下几点： 1、 培养了分析问题和解决问题的能力 从设计的开始，就有意识地培养自己独立思考问题、发现问题并解决问题的能力。大到模具的整体布局，小到排气槽的设置、冷料穴的长短，都要经过认真思考，才能拿出相对比较成熟的方案。 2、 锻炼了实际动手能力 在整个的设计过程中，翻阅了大量的文献资料，参考了大量的书籍，除了获得设计所需的数据外，还学到了其它许多的知识。更重要的是锻炼了自己的动手能力和借助工具书解决实际问题的能力。授人以鱼，不如授人以渔，我相信这些能力在我今后的工作和生活能定能让我受益匪浅。 3、 绘图水平得到了提高 通过做设计这一期间的实际操作及练习，学到了很多具体的绘图细节。譬如：虚线、点画线的画法及线条的粗细；剖线、剖面线的画法及线条粗细；标题栏的画法及明细表的编排、技术要求等。此外，绘图的速度也得到了进一步的提高，各种快捷键的操作也越来越熟练。 nts 40 参考文献 1 高军，李熹平，高玉田，褚兴荣 . 注塑成型工艺分析及模具设计 M. 北京：化学工业出版社 . 2009. 2 叶久新，王群 . 塑料成型工艺及模具设计 M. 北京：机械工业出版社 . 2007. 3 伍先明，张蓉 . 塑料模具设计指导 M. 北京：国防工业出版社 . 2006. 4 冯炳尧 ， 韩泰荣 ， 蒋文森 . 模具设计及制造简明 手册 M. 第二版 .上海：上海科学技术出版社 . 2002. 5 塑料模具设计手册编写组 . 塑料模设计手册 M. 第二版 . 北京：机械工 业出版社 . 1999. 6 唐志玉，李德群，徐佩弦 . 塑料模具设计师指南 M. 北京：国防工业出版社 .1999. 7 陈锡栋，周小玉 . 实用模具技术手册 M. 北京：机械工业出版社 . 2003. 8 詹友刚 . ProE/ENGINEER 中文野火版 5.0模具设计教程 M. 第二版 . 北京：机械工业出版社 . 2010. 9 冯炳虎，韩泰荣，殷振海，蒋文森 .模具设计与制造简明手册 M. 上海：上海科学技术出版社 .1991. 10 王卫卫 . 材料成型设备 M. 北京：机械工业出版社 . 2010. nts 41 致 谢 首先要感谢母校多年来对我的培养和教育，让我在这几年的大学生活里，不仅学习了科学文化知识，还学会了许多为人处世的道理，提高了自己分析问题和解决问题的能力。其次要感谢老师们多年来的辛勤教诲，正是因为他们的默默付出，才有我们的今天，特别是要感谢我的指导老师 唐 田秋副教授 ，在他的悉心指导和帮助下我才能顺利地完成我的毕业设计。同时也要感谢我同窗及好友多年来对我的关心和帮助！ 由于准备的时间较为仓促，资料查询方面不尽全面，本设计之中存在许多不足之处，还望各位专家、教授不吝 指教。再次谢谢你们！ nts 附表五 湖南工学院毕业设计 (论文 )开题报告 题 目 学生姓名 班级学号 专业 一、 研究现状 : 注塑成型是现代塑料工业中的一种重要的加工方法 ,世界上注塑模的产量约占塑料成型模具总产量的 50 %以 上。塑料制品之所以能够在各行各业得到大规模的应用，是由于他们本身具有一系列特点。塑料相对于金属，密度小，但是比强度高，绝缘性能优良，具有非常优良的抗化学腐蚀性。在机械、化工汽车、航空航天等领域，塑料已经大规模的取代来了金属。目前塑料制件几乎在工业、日常生活的各个领域里无处不在。塑料作为一种新的工 程材料，发展势头极其迅猛，跻身于金属、纤维材料和硅酸盐三大材料之列。它仍在不断的开发与应用，并随着成型工艺的不断成熟与发展，大大促进了塑料成型模具的开发与制造。 我国塑料模具的发展随着塑料工业的发展而发展，在我国，起步较晚，但发展很快，特别是近几年，无论在质量、技术和制造能力上都有很大的发展，取得了很大 成绩， 但与国民经济发展需求和世界先进水平相比，差距仍很大 ，一 些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍大量进口 ， 目前，我国模具工业的当务之急是加快技术进步，调整产品结构，增加高档模具的比重，质中求效益，提 高模具的国产化程度，减少对进口模具的依赖。 本课题为底座注塑模具设计，模具作为一种高附加值和技术密集型产品，其技术水平的高低已经是衡量一个国家制作业水平高低的重要标志之一，而本题的研究将涉及一些二维及三维软件软件的应用，如运用 AutoCad、 Pro/E 等相关软件进行模具设计，为 了节省模具材料及加工的方便性，该底座设计一个大型芯及四个小型芯。通过 EMX4.1 加载标准模架，让自己对标准模架有了初步的了解，为以后工作打下良好的基础。同时本次毕业设计还有工艺方案分析、成型零部件的设计，因此通过本次设计将对我所学的知 识（如模具制造工艺学、塑料成型工艺与模具制造学等）巩固及灵活运用所学知识来解决解决实际问题有着深远的意义。 二、 要研究或解决的问题、拟采用的方法或技术路线 这次设计的任务是设计制造底座的一副模具，并绘出 模具装配图、模具零件图 以及编写设计 说明书。 首先我们需要知道模具在加工中的作用和设计的基本要求。模具是利用其特定形状去nts 成型具有一定形状和尺寸的制品的工具。在生产实际中，模具的作用在于保证塑件的质量、提高生产率和降低成本等。为此除了采用行之有效的工艺手段、进行正确的模具设计及选择合理的模具结构之外，还必须满足以 下几个要求：制造精度高 操作性能良好 使用寿命长 制造周期短 模具成本低。 对于本次设计的底座，它的材料是 pc，属于热塑性塑料制件，根据塑件的生产数量和质量要求，确定采用注射成型，因为 pc 材料的流动性不好，及塑料质量属性分析超过 200g，所以采用螺杆式注射机，这也是本设计中需要重点分析的地方。再有对模具结构和注射机的选择也是重点。在模具零件的结构设计上，也需要注意很多细小而不可忽视的问题。具体的设计思路及工作方法： 1. 接受任务书及收集资料和阅读文献； 2. 书写开题报告； 3. 工艺方案设计分析：塑料成型工艺分析、拟定模具结构形式（因塑件体积较大，塑料流动性不好所以采用一模一腔） 4. 成型设备的选用及参数校核：采用螺杆式注射机 5. 浇注系统设计：制件中间带有比主流道直径大的孔，所以采用轮辐式浇口，既能保证在圆周上进料的流速相对均匀，又易于消除浇口凝料。 6. 成型零件系统设计：凸凹模的设计，型芯的设计 7. 脱模机构设计：采用推杆推出 8. 模温调节与冷却系统设计； 9. 总体结构设计及总装图绘制 10. 重要零部件图纸设计； 11、 编写毕业设计说明书。 三 、 设计 (论文研究 ) 任务完成的阶段内容及时间安排 。 第一阶段 3 月 5 日至 3 月 15 日，资料收集，阅读文献，完成开题报告 第二阶段 3 月 16 日至 4 月 20 日， 工艺方案确定、注塑工艺 CAE 分析、模具 结构设计和计算 第三阶段 4 月 21 日至 5 月 15 日，完成所有图纸的绘制 第四阶段 5 月 16 日至 5 月 25 日，完成设计说明书的撰写 第五阶段 5 月 26 日至 6 月 5 日，完成图纸和说明书的修改，答辩的准备和毕业答辩 nts 四 、 课题的参考文献资料 : 1、国家标准总局编。塑料模国家标准 中国标准出版社， 1999 2、陈万林编著塑料模具设计与制作教程北京希 望电子出版社， 2000 3、黄健求编模具制造 机械工业出版社， 2001 4、黄毅宏、李明辉编模具制造工艺学机械工业出版社， 1996 5、王孝培编塑料成型工艺及模具简明手册机械工业出版社， 2000 6、陈晓华、王秀英编典型零件模具图册机械工业出版社， 2001 7、叶久群、王群编 塑料塑工艺与塑料模设计机械工业出版社， 1999 8、塑料模具技术手册编委会 塑料模具技术手册机械工业出版社， 1997 9、孙凤勤编 冲压与塑压设备机械工业出版社， 1997 10、黄锐编 塑料工程手册机械 工业出版社， 2000 11、屈华昌编 塑料成型工艺与模具设计机械工业出版社， 1995 12、伍先明 张蓉塑料模具设计指导第二版 国防工业出版社， 2010 指导教师 (签名 )： 年 月 日 注：可另附 A4 纸 nts 1 Int J Adv Manuf Technol (2003) 21:807819 Ownership and Copyright 2003 Springer-Verlag London Limited A Parametric-Controlled Cavity Layout Design System for a Plastic Injection Mould M. L. H. Low and K. S. Lee Department of Mechanical Engineering, National University of Singapore, Singapore Today, the time-to-market for plastic products is becoming shorter, thus the lead time available for making the injection mould is decreasing. There is potential for timesaving in the mould design stage because a design process that is repeatable for every mould design can be standardised. This paper presents a methodology for designing the cavity layout for plastic injection moulds by controlling the geometrical para- meters using a standardisation template. The standardisation template for the cavity layout design consists of the configur- ations for the possible layouts. Each configuration of the layout design has its own layout design table of all the geometrical parameters. This standardisation template is pre-defined at the layout design level of the mould assembly design. This ensures that the required configuration can be loaded into the mould assembly design very quickly, without the need to redesign the layout. This makes it useful in technical discussions between the product designers and mould designers prior to the manu- facture of the mould. Changes can be made to the 3D cavity layout design immediately during the discussions, thus saving time and avoiding miscommunication. This standardisation tem- plate for the cavity layout design can be customised easily for each mould making company to their own standards. Keywords: Cavity layout design; Geometrical parameters; Mould assembly; Plastic injection mould design; Standardis- ation template on it and provides the mechanism for molten plastic transfer from the machine to the mould, clamping the mould by the application of pressure and the ejection of the formed plastic part. The injection mould is a tool for transforming the molten plastic into the final shape and dimensional details of the plastic part. Today, as the time-to-market for plastic parts is becoming shorter, it is essential to produce the injection mould in a shorter time. Much work had been done on applying computer techno- logies to injection mould design and the related field. Knowl- edge-based systems (KBS) such as IMOLD 1,2, IKMOULD 3, ESMOLD 4, the KBS of the National Cheng Kang University, Taiwan 5, the KBS of Drexel University 6, etc. were developed for injection mould design. Systems such as HyperQ/Plastic 7, CIMP 8, FIT 9, etc. are developed for the selection of plastic materials using a knowledge-based approach. Techniques have also been developed for parting design in injection moulding 1012. It has been observed that although mould-making industries are using 3D CAD software for mould design, much time is wasted in going through the same design processes for every project. There is great potential for timesaving at the mould design stage if the repeatable design processes can be standard- ised to avoid routine tasks. A well-organised hierarchical design tree in the mould assembly is also an important factor 13,14. However, little work has been done in controlling the para- meters in the cavity layout design; thus this area will be our main focus. Although there are many ways of designing the 1. Introduction Plastic injection moulding is a common method for the mass production of plastic parts with good tolerances. There are two main items that are required for plastic injection moulding. They are the injection-moulding machine and the injection mould. The injection-moulding machine has the mould mounted Correspondence and offprint requests to: K. S. Lee, Department of Mechanical Engineering, National University of Singapore, 10 Kent Ridge Crescent, Singapore 119260. E-mail address: mpeleeks .sg Received 8 January 2002 Accepted 16 April 2002 cavity layout 15,16, mould designers tend to use only conven- tional designs, thus there is a need to apply standardisation at the cavity layout design level. This paper presents a methodology for designing the cavity layout for plastic injection moulds by controlling the parameters based on a standardisation template. First, a well-organised mould assembly hierarchy design tree had to be established. Then, the classification of the cavity layout configuration had to be made to differentiate between those with standard con- figurations and those with non-standard configurations. The standard configurations will be listed in a configuration database and each configuration has its own layout design table that controls its own geometrical parameters. This standardisation nts 2 808 M. L. H. Low and K. S. Lee Fig. 1. Front insert (cavity) and back insert (core). template is pre-defined at the layout design level of the mould assembly design. 2. Cavity Layout Design for a Plastic Injection Mould An injection mould is a tool for transforming molten plastic into the final shape and dimensional details of a plastic part. Thus, a mould contains an inverse impression of the final part. Most of the moulds are built up of two halves: the front insert and the back insert. In certain mould-making industries, the front insert is also known as the cavity and the back insert is known as the core. Figure 1 shows a front insert (cavity) and a back insert (core). Molten plastic is injected into the impression to fill it. Solidification of the molten plastic then forms the part. Figure 2 shows a simple two-plate mould assembly. Fig. 2. A simple mould assembly. 2.1 Difference Between a Single-Cavity and a Multi-Cavity Mould Very often, the impression in which molten plastic is being filled is also called the cavity. The arrangement of the cavities is called the cavity layout. When a mould contains more than one cavity, it is referred to as a multi-cavity mould. Figures 3(a) and 3(b) shows a single-cavity mould and a multi-cavity mould. A single-cavity mould is normally designed for fairly large parts such as plotter covers and television housings. For smaller parts such as hand phone covers and gears, it is always more economical to design a multi-cavity mould so that more parts can be produced per moulding cycle. Customers usually deter- mine the number of cavities, as they have to balance the investment in the tooling against the part cost. 2.2 Multi-Cavity Layout A multi-cavity mould that produces different products at the same time is known as a family mould. However, it is not usual to design a mould with different cavities, as the cavities may not all be filled at the same time with molten plastic of the same temperature. On the other hand, a multi-cavity mould that produces the same product throughout the moulding cycle can have a bal- anced layout or an unbalanced layout. A balanced layout is one in which the cavities are all uniformly filled at the same time under the same melt conditions 15,16. Short moulding can occur if an unbalanced layout is being used, but this can be overcome by modifying the length and cross-section of the runners (passageways for the molten plastic flow from the sprue to the cavity). Since this is not an efficient method, it is avoided where possible. Figure 4 shows a short moulding situation due to an unbalanced layout. A balanced layout can be further classified into two categor- ies: linear and circular. A balanced linear layout can accommo- date 2, 4, 8, 16, 32 etc. cavities, i.e. it follows a 2n series. A balanced circular layout can have 3, 4, 5, 6 or more cavities, but there is a limit to the number of cavities that can be accommodated in a balanced circular layout because of space constraints. Figure 5 shows the multi-cavity layouts that have been discussed. 3. The Design Approach This section presents an overview of the design approach for the development of a parametric-controlled cavity layout design system for plastic injection moulds. An effective working method of mould design involves organising the various subas- semblies and components into the most appropriate hierarchy design tree. Figure 6 shows the mould assembly hierarchy design tree for the first level subassembly and components. Other subassemblies and components are assembled from the second level onwards to the nth level of the mould assembly hierarchy design tree. For this system, the focus will be made only on the “cavity layout design”. nts 3 Fig. 3. (a) A single cavity mould. (b) A multi-cavity mould. A Cavity Layout Design System 809 3.1 Standardisation Procedure Fig. 4. Short moulding in an unbalanced layout. In order to save time in the mould design process, it is necessary to identify the features of the design that are com- monly used. The design processes that are repeatable for every mould design can then be standardised. It can be seen from Fig. 7 that there are two sections that interplay in the stan- dardisation procedure for the “cavity layout design”: component assembly standardisation and cavity layout configuration stan- dardisation. nts 4 810 M. L. H. Low and K. S. Lee Fig. 5. Multi-cavity layouts. Fig. 6. Mould assembly hierarchical design tree. Fig. 7. Interplay in the standardization procedure. 3.1.1 Component Assembly Standardisation Before the cavity layout configuration can be standardised, there is a need to recognise the components and subassemblies that are repeated throughout the various cavities in the cavity layout. Figure 8 shows a detailed “cavity layout design” hier- archy design tree. The main insert subassembly (cavity) in the Fig. 8. Detailed “cavity layout design” hierarchical design tree. second level of the hierarchy design tree has a number of subassemblies and components that are assembled directly to it from the third level onwards of the hierarchy design tree. They can be viewed as primary components and secondary components. Primary components are present in every mould design. The secondary components are dependent on the plastic part that is to be produced, so they may or may not be present in the mould designs. As a result, putting these components and subassemblies directly under the main insert subassembly, ensures that every repeatable main insert (cavity) will inherit the same subas- semblies and components from the third level onwards of the hierarchy design tree. Thus, there is no need to redesign similar subassemblies and components for every cavity in the cavity layout. 3.1.2 Cavity Layout Configuration Standardisation It is necessary to study and classify the cavity layout configur- ations into those that are standard and those that are non- standard. Figure 9 shows the standardisation procedure of the cavity layout configuration. A cavity layout design, can be undertaken either as a multi- cavity layout or a single-cavity layout, but the customers always determine this decision. A single-cavity layout is always considered as having a standard configuration. A multi-cavity mould can produce different products at the same time or the nts 5 A Cavity Layout Design System 811 Fig. 10. The standardization template. design table. The configuration database consists of all the standard layout configurations, and each layout configuration has its own layout design table that carries the geometrical parameters. As mould-making industries have their own stan- dards, the configuration database can be customised to take into account those designs that are previously considered as non-standard. Fig. 9. Standardisation procedure of the cavity layout configuration. same products at the same time. A mould that produces different products at the same time is known as a family mould, which is a non-conventional design. Thus, a multi- cavity family mould has a non-standard configuration. A multi-cavity mould that produces the same product can contain either a balanced layout design or an unbalanced layout design. An unbalanced layout design is seldom used and, as a result, it is considered to possess a non-standard configuration. However, a balanced layout design can also encompass either a linear layout design or a circular layout design. This depends on the number of cavities that are required by the customers. It must be noted, however, that a layout design that has any other non-standard number of cavities is also classified as having a non-standard configuration. After classifying those layout designs that are standard, their detailed information can then be listed into a standardisation template. This standardisation template is pre-defined in the cavity layout design level of the mould assembly design and supports all the standard configurations. This ensures that the required configuration can be loaded very quickly into the mould assembly design without the need to redesign the layout. 3.2 Standardisation Template It can be seen from Fig. 10 that there are two parts in the standardisation template: a configuration database and a layout 3.2.1 Configuration Database A database can be used to contain the list of all the different standard configurations. The total number of configurations in this database corresponds to the number of layout configur- ations available in the cavity layout design level of the mould design assembly. The information listed in the database is the configuration number, type, and the number of cavities. Table 1 shows an example of a configuration database. The configur- ation number is the name of each of the available layout configurations with the corresponding type and number of cavities. When a particular type of layout and number of cavities is called for, the appropriate layout configuration will be loaded into the cavity layout design. 3.2.2 Layout Design Table Each standard configuration listed in the configuration database has its own layout design table. The layout design table contains the geometrical parameters of the layout configuration and is independent for every configuration. A more complex layout configuration will have more geometrical parameters to control the cavity layout. Figures 11(a) and 11(b) show the back mould plate (core plate) with a big pocket and four small pockets for assembling the same four-cavity layout. It is always more economical and easier to machine a large pocket than to machine individual smaller pockets in a block of steel. The advantages of machin- ing a large pocket are: nts 6 S01 Single 1 L02 Linear 2 L04 Linear 4 L08 Linear 8 812 M. L. H. Low and K. S. Lee Fig. 11. The back mould plate with pocketing. Table 1. Sample of the configuration database. Configuration number Type Number of cavities L16 Linear 16 L32 Linear 32 L64 Linear 64 C03 Circular 3 C04 Circular 4 C05 Circular 5 C06 Circular 6 1. More space between the cavities can be saved, thus a smaller block of steel can be used. 2. Machining time
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