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本科毕业设计说明书（论文） 第 35 页 共 35 页1 引言1.1 塑料模具的现状和地位1.1.1 国外模具技术发展及目前的水平模具制造技术迅速发展，已成为现代制造技术的重要组成部分。西方发达国家为了适应工业产品多、更新快、市场竞争激烈的局面，加强了对低消耗、高效率、高一致性、高精度和高复杂度的模具产品的研发，近十多年来，国外先进国家的模具技术水平得到了飞速发展，主要表现在以下几个方面：(1)先进的快速模具制造技术得到广泛的应用。该技术被称为自数控技术以来的又一次革命，尤其对模具工业的发展起到了极大的推动作用。RPM技术与RMT技术的结合，将是传统快速制模技术进一步深入发展的方向。RPM技术与陶瓷型精密铸造相结合，为模具型腔精铸成型提供了新途径。应用RPM/RMT技术从模具的概念设计到制造完成，仅为传统加工方法所需时间的1/3，成本的1/4左右，因而具有广阔的发展前景1。(2)新一代模具CAD/CAM软件技术得到广泛的应用。 新一代模具软件应建立在从模具设计实践中归纳总结出的大量知识上。这些知识经过了系统化和科学化的整理，以特定的形式存储在工程知识库中并能方便地被模具所调用。在智能化软件的支持下，模具CAD不再是对传统设计与计算方法的模仿，而是在先进设计理论的指导下，充分运用本领域专家的丰富知识和成功经验，其设计结果必然具有合理性和先进性2。(3)模具专业化生产及标准化程度高。专业化生产是现代工业生产的重要特征之一，国外工业先进的国家模具专业化生产已达75%以上。标准化是实现模具专业化生产的基本前提，能系统提高整个模具行业技术水平和经济效益的重要手段，是机械制造业向深层次发展必由之路3。(4)模具敏捷制造系统发展较快。目前国外先进国家的模具敏捷制造系统发展较快。高速铣削加工、超精加工和复合加工技术、热流道技术等已在国外先进国家得到了很好的应用4，5。这些先进的技术的应用极大的提高了这些国家模具产品的质量、精度。缩短了生产周期，提高了经济效益，提高了产品的竞争力。1.1.2 国内模具技术发展及目前的水平从起步到现在，我国模具工业经历了半个多世纪的发展，已有了较大的提高，与国外的差距正在进一步缩小。在精密模具方面，国内多工位级进模、精冲模、精密塑料模的精度已达0.003 mm，甚至更高6。多工位的级进模设计和制造技术已日趋成熟，在引进技术及设备情况下，部分企业的此类模具已达到或接近国外先进水平。在大型模具方面，我国已能生产轿车覆盖件模具、48英寸大屏幕彩电前壳及后盖注射模具、6.5 kg大容量洗衣机全套塑料模、轿车仪表板形状复杂的注射模、自动扶梯整体阶梯压铸模及汽车变速箱体压铸模等。另外，为了提高生产率，采用了多工位及多模腔。在制造技术方面，CAD/CAE/CAM技术的应用水平已上了一个新台阶。以高速发展的家电制造业为例，引进了美国、德国、日本、澳大利亚等国相当数量的CAD/CAM系统，取得了一定经济技术效益，促进和推动了我国CAD/CAM技术的发展。在过去的20年中，我国模具工业得到了长足的进步。但是，我国的模具工业与模具发达国家相比在模具的设计水平、模具的制造水平和模具的标准化水平方面还是有差距的。所以，今后我国模具工业的发展趋势是现代设计方法与工艺设计相结合，在模具的开发和制造过程中，采用数控精密高效加工设备、采用逆向工程、并行工程、敏捷制造、虚拟技术等先进制造技术，模具工业向着集团化、规模化方向发展，走出一条自主开发模具的成功之路。1.2 本课题的要求本文主要阐述和说明挂钩的造型设计和成形零件模具设计及其开模运动仿真的过程。通过运用模具设计基础和PRO/E、CAD等这些课程的知识去做一次模具设计的实践，并在这次实践中锻炼自己用理论知识来解决实际问题的能力。在这次模具设计的实践中，我运用Pro/E软件和CAD软件对本产品造型进行了绘图设计及Pro/E和CAD软件间的3D与2D转换，同时运用到模具知识对产品造型进行反馈，使产品结构更加合理，也积极查找资料对挂钩的模具成形零件进行设计。使我又进一步的了解注塑模具的知识，同时加深了对注塑模具的类型、结构、工作原理的理性知识；并掌握模具设计的关键要点和设计方法。2 注塑件的设计2.1 功能设计功能设计是要求塑件应具有满足使用目的功能，并达到一定的技术指标。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。2.2 材料选择通常，选择塑件的材料依据是它所处在的工作环境及使用性能的要求，以及原材料厂家提供的材料性能数据。对于常温工作状态下的结构件来说，要考虑的主要是材料的力学性能，如屈服应力，弹性模量，弯曲强度，表面硬度等。该塑件对材料的要求首先必须是透光性好，其次才是成型难易和经济性问题，以下是对几种透光性能较好材料的性能对比，如表2.1所示。表2.1 材料的特性PS PP PMMA拉伸强度/MPa51.9 6672弯曲强度/MPa11095113断裂伸长率/%280100落球冲击强度J/m16422洛氏硬度（M）11582101氧指数（OI）18。124.917.3热变形温度/ 85134100维卡软化点/105153120马丁耐热温度/112体积电阻率/cm101710192.1101010吸水率% 0.050.131.19透光度/%88929393雾度% 30.90.9折射率 1.5921.5861.492价格（元/吨）1150123033000410001950020700和机械加工一样要考虑到加工工艺问题，模具成型也要考虑到材料的注塑特性，在各特点都相差无几的情况下，好的成型特性是选择材料的主要标准，以下是三种材料的性能和成型特性比较，如表2.2所示。表2.2 材料的性能和成型特性比较 塑料品种性能特点成型特点模具设计注意事项使用温度主要用途聚苯乙烯（非结晶型）透明性好，电性能好，抗拉强度高，耐磨性好，质脆，抗冲击强度差，化学稳定性教好 成型性能好，成型前可不干燥，但注射时应防止溢料，制品易产生内应力，易开裂因流动性好，适宜用点浇口，但因热膨胀大，塑件中 不宜有嵌件3080 装饰制品，仪表壳，绝缘零件，容器，泡沫塑料，日用品等有机玻璃（非结晶型）透光率最好，质轻坚韧，电气绝缘性好/但表面硬度不高，质脆易开裂，化学稳定性较好，但不耐无机酸，易溶于有机溶剂流动性差，易产生流痕，缩孔，易分解，透明性好，成型前要干燥，注射时速度不能太高合理设计浇注系统，便于充型，脱模斜度尽可能大，严格控制料温与模温，以防分解收缩率取0.352 击穿强度(kVmm-1) 模具温度t（C）2.3 结构设计塑料制件的结构工艺性是指塑件结构对成型工艺方法的适应性。在塑料生产过程中，一方面成型会对塑件的结构，形状，尺寸精度等诸方面提出要求，以便降低模具结构的复杂程度和制造难度，保证生产出价廉物美的产品;另一方面，模具设计者通过对给定塑件的结构工艺性进行分析，弄清塑件生产的难点，为模具设计和制造提供依据。 图2.1 零件图各种塑件，不论是结构件还是板壁，根据使用要求具有一定的厚度，以保证其力学强度。一般地说，在满足力学性能的前提下厚度不宜过厚，不仅可以节约原材料，降低生产成本，而且使塑件在模具内冷却或固化时间缩短，提高生产率;其次可避免因过厚产生的凹陷，缩孔，夹心等质量上的缺陷。以下是PP的壁厚推荐值：最小壁厚mm小型件壁厚mm中型件壁厚mm大型件壁厚mm0.75 1.25 1.6 3.25.42.3.1 脱模斜度由于塑件成型时冷却过程中产生收缩，使其紧箍在凸模或型芯上，为了便于脱模，防止因脱模力过大而拉坏塑件或使其表面受损，与脱模方向平行的塑件内，外表面都应具有合理的斜度。以下是PP的脱模斜度推荐值： 制件外表面 制件内表面 351.35 301塑件内表面在造型时就有弧度，如果要有脱模斜度就是在凹槽和锁位处，这不仅对脱模有好处，而且可以更好的锁紧。2.3.2 圆角塑件上各处的轮廓过度和壁厚连接处，一般采用圆角连接，有特殊要求时才采用尖角结构。尖角容易产生应力集中，在受力或受冲击载荷时会发生破裂。圆角不仅有利于物料充模，同时也有利于融料在模具型腔内的流动和塑件的脱模。圆角的取值与应力集中的关系遵循R/T函数关系，当R/T=0.6以后应力集中变的缓和，该塑件大部分的圆角取R1，较大值取到R3。加强肋的圆角半径值关系如表2.4所示。表2.4 肋的圆角半径值关系表肋的高度/mm6.56.513131919圆角半径/mm0.81.51.53.02.55.036.5 塑件上其它的特征还有如孔，螺纹，嵌件，铰链，文字和花纹等，各个特征都有其设计原则和特殊功能，因为该塑件没有涉及，所以就不一一介绍2.4 塑件的尺寸精度及表面质量2.4.1 尺寸精度(1) 尺寸精度的选择；塑件的尺寸精度是决定塑件制造质量的首要标准，然而，在满足塑件使用要求的前提下，设计时总是尽量将其尺寸精度放低一些，以便降低模具的加工难度和制造成本。对塑件的精度要求，要具体分析，根据装配情况来确定尺寸公差，该塑件是一般民用品，所以精度要求为一般精度即可，但是由于要保证两半壳体的闭合，所以在凹槽和锁位处应该对精度要求高些，对其要有公差配合要求，应选择高精度。根据精度等级选用表，PP的高精度为2级，一般精度为3级。根据塑件尺寸公差表，在公称尺寸在100120范围内，取MT2B级的公差数值为0.52 mm，MT3B级的公差数值为0.78 mm。(2) 尺寸精度的组成及影响因素：制品尺寸误差构成为：=+ 式中 制件总的成型误差； 塑料收缩率波动所引起的误差；模具成型零件制造精度所引起的误差； 模具磨损后所引起的误差；模具安装，配合间隙引起的误差；影响塑料制品尺寸精度的因素比较复杂，归纳有以下三个方面。(a) 模具 模具各部分的制造精度是影响制件尺寸精度重要的因素。(b) 塑料材料 主要是收缩率的影响，收缩率大的尺寸精度误差就大。(c) 成型工艺 成型工艺条件的变化直接造成材料的收缩，从而影响尺寸精度。2.4.2 塑件的表面质量表面质量是一个相当大的概念，包括微观的几何形状和表面层的物理-力学性质两方面技术指标，而不是单纯的表面粗糙度问题。塑件的表观缺陷是其特有的质量指标，包括缺料，溢料与飞边，凹陷与缩瘪，气孔，翘曲等。模具的腔壁表面粗糙度是塑件表面粗糙度的决定性因素，通常要比塑件高出一个等级10。该塑件要求对型腔抛光，所以对粗糙度的要求比较高，查表得PP抛光后顺纹路方向的表面粗糙度为0.02mm，垂直纹路方向的表面粗糙度为0.26mm。3 注塑成型的准备3.1 注塑成型工艺简介注塑成型是利用塑料的可挤压性与可模塑性，首先将松散的粒状或粉状成型物料从注塑机的料斗送入高温的机筒内加热熔融塑化，使之成为粘流状态熔体，然后在柱塞或螺杆的高压推动下，以很大的流速通过机筒前端的喷嘴注射进入温度较低的闭合模具中，经过一段时间的保压冷却以后，开启模具便可以从模腔中脱出具有一定形状和尺寸的塑料制件。一般分为三个阶段的工作。 图3.1 注塑成型压力时间曲线（1）物料准备：成型前应对物料的外观色泽、颗粒情况，有无杂质等进行检验，并测试其热稳定性，流动性和收缩率等指标。对于吸湿性强的塑料，应根据注射成型工艺允许的含水量进行适当的预热干燥，若有嵌件，还要知道嵌件的热膨胀系数，对模具进行适当的预热，以避免收缩应力和裂纹，有的塑料制品还需要选用脱模剂，以利于脱模。（2）注塑过程：塑料在料筒内经过加热达到流动状态后，进入模腔内的流动可分为注射，保压，倒流和冷却四个阶段，注塑过程可以用如图所示3.1所示。图中T0代表螺杆或柱塞开始注射熔体的时刻；当模腔充满熔体（T=T1）时，熔体压力迅速上升，达到最大值P0。从时间T1到T2，塑料仍处于螺杆（或柱塞）的压力下，熔体会继续流入模腔内以弥补因冷却收缩而产生的空隙。由于塑料仍在流动，而温度又在不断下降，定向分子（分子链的一端在模腔壁固化，另一端沿流动方向排列）容易被凝结，所以这一阶段是大分子定向形成的主要阶段。这一阶段的时间越长，分子定向的程度越高。从螺杆开始后退到结束（时间从T2到T3），由于模腔内的压力比流道内高，会发生熔体倒流，从而使模腔内的压力迅速下降。倒流一直进行到浇口处熔体凝结时为止。其中，塑料凝结时的压力和温度是决定塑料制件平均收缩率的重要因素。（3）制件后处理：由于成型过程中塑料熔体在温度和压力下的变形流动非常复杂，再加上流动前塑化不均匀以及充模后冷却速度不同，制件内经常出现不均匀的结晶、取向和收缩，导致制件内产生相应的结晶、取向和收缩应力，脱模后除引起时效变形外，还会使制件的力学性能，光学性能及表观质量变坏，严重时会开裂。故有的塑件需要进行后处理，常用的后处理方法有退火和调湿两种。退火是为了消除或降低制件成型后的残余应力，此外，退火还可以对制件进行解除取向，并降低制件硬度和提高韧性，温度一般在塑件使用温度以上的1020至热变形温度以下1020之间；调湿处理是一种调整制件含水量的后处理工序，主要用于吸湿性很强、而且又容易氧化的聚酰胺等塑料制件。调湿处理所用的加热介质一般为沸水或醋酸钾溶液，沸点为121，加热温度为100121，保温时间与制件厚度有关，通常取2h9h。3.2 注塑成型工艺条件(1)温度：注塑成型过程中需要控制的温度有料筒温度，喷嘴温度和模具温度等。喷嘴温度通常略微低于料筒的最高温度，以防止熔料在直通式喷嘴口发生“流涎现象”；模具温度一般通过冷却系统来控制；为了保证制件有较高的形状和尺寸精度，应避免制件脱模后发生较大的翘曲变形，模具温度必须低于塑料的热变形温度。PP料与温度的经验数据如表3.1所示。表3.1 温度的经验数据料筒温度 /喷嘴温度/模具温度/热变形温度 /后段中段前段1.82MPa0.45MPa1502101702301902502402505756596(2)压力：注射成型过程中的压力包括注射压力，保压力和背压力。注射压力用以克服熔体从料筒向型腔流动的阻力，提供充模速度及对熔料进行压实等。保压力的大小取决于模具对熔体的静水压力，与制件的形状，壁厚及材料有关。对于像PS流动性好的料，保压力应该小些，以避免产生飞边，保压力可取略低于注射压力。背压力是指注塑机螺杆顶部的熔体在螺杆转动后退时所受到的压力，背压力除了可驱除物料中的空气，提高熔体密实程度之外，还可以使熔体内压力增大，螺杆后退速度减小，塑化时的剪切作用增强，摩擦热量增大，塑化效果提高，根据生产经验，背压的使用范围约为3.4 MPa 27.5MPa。(3)时间：完成一次注塑成型过程所需要的时间称为成型周期。包括注射时间，保压时间，冷却时间，其他时间（开模，脱模，涂脱磨剂，安放嵌件和闭模等），在保证塑件质量的前提下尽量减小成型周期的各段时间，以提高生产率，其中，最重要的是注射时间和冷却时间，在实际生产中注射时间一般为3s5s，保压时间一般为20s120s，冷却时间一般为30s120s（这三个时间都是根据塑件的质量来决定的，质量越大则相应的时间越长）。确定成型周期的经验数值如表3.2所示。表3.2 成型周期与壁厚关系制件壁厚/mm成型周期/s制件壁厚/mm成型周期/s0.5102.5351.0153.0451.5223.5652.0284.085经过上面的经验数据和推荐值，可以初步确定成型工艺参数，因为各个推荐值有差别，而且有的与实际注塑成型时的参数设置也不一致，结合两者的合理因素，初定制品成型工艺参数如表3.3所示。表3.3 制品成型工艺参数初步确定内容 特性 内容 特性注塑机类型 螺杆式 螺杆转速（r/min） 48 喷嘴形式 直通式 模具温度 50喷嘴温度() 230 后段温度() 150210中段温度() 170230 前段温度() 190250 注射压力MPa 90 保压力MPa 80注射时间s 1.5 保压时间 s 5冷却时间s 20 其他时间s 3成型周期s 30 成型收缩(%) 0.6干燥温度() 6080 干燥时间() 13 后处理温度70，保温时间2h。3.3 注塑机的选择1956年制造出世界上第一台往复螺杆式注塑机，这是注塑成型工艺技术的一大突破，目前注塑机加工的塑料量是塑料产量的30%；注塑机的产量占整个塑料机械产量的50%。成为塑料成型设备制造业中增长最快，产量最多的机种之一。3.3.1 注塑机简介注塑机的分类方式很多，目前尚未形成完全统一标准的分类方法。常用的说法有：（1）按设备外形特征分类：卧式，立式，直角式，多工位注塑机；（2）按加工能力分类：超小型，小型，中型，大型和超大型注塑机。此外还有按用途分类和按合模装置的特征分类，但日常生活中用的较少。3.3.2 注塑机基本参数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。(1)公称注塑量：指在对空注射的情况下，注射螺杆或柱塞做一次最大注射行程时，注射装置所能达到的最大注射量，反映了注塑机的加工能力。(2)注射压力：为了克服熔料流经喷嘴，浇道和型腔时的流动阻力，螺杆(或柱塞)对熔料必须施加足够的压力，我们将这种压力称为注射压力。(3)注射速率：为了使熔料及时充满型腔，除了必须有足够的注射压力外，熔料还必须有一定的流动速率，描述这一参数的为注射速率或注射时间或注射速度。常用的注射速率如表3.4所示。表3.4 注射量与注射时间的关系注射量/CM 125 250 500 1000 2000 4000 6000 10000注射速率/CM/S 125 200 333 570 890 1330 1600 2000注射时间/S 1 1.25 1.5 1.75 2.25 3 3.75 5(4)塑化能力：单位时间内所能塑化的物料量。塑化能力应与注塑机的整个成型周期配合协调，若塑化能力高而机器的空循环时间长，则不能发挥塑化装置的能力，反之则会加长成型周期。(5)锁模力：注塑机的合模机构对模具所能施加的最大夹紧力，在此力的作用下模具不应被熔融的塑料所顶开。(6)合模装置的基本尺寸：包括模板尺寸，拉杆空间，模板间最大开距，动模板的行程，模具最大厚度与最小厚度等。这些参数规定了机器加工制件所使用的模具尺寸范围。(7)开合模速度：为使模具闭合时平稳，以及开模，推出制件时不使塑料制件损坏，要求模板在整个行程中的速度要合理，即合模时从快到慢，开模时由慢到快在到停。(8)空循环时间：在没有塑化，注射保压，冷却，取出制件等动作的情况下，完成一次循环所需的时间。3.3.3 选择注塑机(1) 由公称注射量选定注射机由注射量选定注射机。由Pro/E建模分析得：总体积V =82.6cm；总质量M =86.8g；流道凝料V =0.5V(流道凝料的体积(质量)是个未知数，根据手册取0.5V(0.5M)来估算，塑件越大则比例可以取的越小)11；实际注射量为：V=82.61.5=123.9 cm；实际注射质量为M=1.5M=86.81.5=130.2g；根据实际注射量应小于0.8倍公称注射量原则，如式（3.1）所示： 0.8V V （3.1） V= V/0.8 = 123.90.8= 154.9 cm；(2) 由锁模力选定注射机，如式（3.2）所示：FF=AP （3.2） =2P=23010=569.91 （kN）式中 ：F注射机的锁模力（N）； A塑件和浇注系统在分型面上的投影面积之和；P型腔压力，取P=30MPa； D 取的是塑件的平均直径；D =110.5，D 110mm ；结合上面两项的计算，初步确定注塑机为表3.5所示，查国产注射机主要技术参数表取SZ-160/1000，主要技术参数如下。表3.5 国产注射机SZ-160/1000技术参数表特性内容特性内容结构类型卧拉杆内间距(mm)360260理论注射容积（cm）179移模行程(mm)280螺杆(柱塞)直径(mm)44最大模具厚度(mm)360注射压力(MPa)132最小模具厚度(mm)170注射速率(g/s)110锁模形式(mm)液压塑化能力(g/s)10.5模具定位孔直径(mm)120螺杆转速(r/min)10150喷嘴球半径(mm)10锁模力(KN)1000喷嘴口直径-3.4 注射机的校核3.4.1 最大注塑量的校核为确保塑件质量，注塑模一次成型的塑件质量（包括流道凝料质量）应在公称注塑量的35%75%范围内，最大可达80%，最小不小于10%。为了保证塑件质量，充分发挥设备的能力，选择范围通常在50%80%。 V =73.95 cm； V 179 cm； = 41.3%满足要求。3.4.2 锁模力的校核 在确定了型腔压力和分型面面积之后，可以按下式校核注塑机的额定锁模力，如式（3.3）所示：FK AP （3.3）1.223010 683.892 kN 满足要求。 式中：F注塑机额定锁模力：1000kN； K安全系数，通常取1.11.2，取K =1.2； 3.4.3 塑化能力的校核 由3.2.3初定的成型周期为30s计算，实际要求的塑化能力为即：=2.465（g/s），小于注塑机的塑化能力10.5（g/s），说明注射机能完全满足塑化要求。3.4.4 喷嘴尺寸校核在实际生产过程中，模具的主流道衬套始端的球面半径R2取比注射机喷嘴球面半径R1大1mm2 mm，主流道小端直径D取比注射机喷嘴直径d大0.5mm1mm，如图3.2所示，以防止主流道口部积存凝料而影响脱模，所以，注射机喷嘴尺寸是标准，模具的制造以它为准则。 图3.2 喷嘴与浇口套尺寸关系3.4.5 定位圈尺寸校核 注塑机固定模板台面的中心有一规定尺寸的孔，称之为定位孔。注塑模端面凸台径向尺寸须与定位孔成间隙配合，便于模具安装，并使主流道的中心线与喷嘴的中心线相重合。模具端面凸台高度应小于定位孔深度。3.4.6 模具外形尺寸校核注塑模外形尺寸应小于注塑机工作台面的有效尺寸。模具长宽方向的尺寸要与注塑机拉杆间距相适应，模具至少有一个方向的尺寸能穿过拉杆间的空间装在注塑机的工作台面上。3.4.7 模具厚度校核模具厚度必须满足下式，如式（3.4）所示：H H H （3.4） 170301360 满足要求。式中：H所设计的模具厚度 301 mm； H注塑机所允许的最小模具厚度170 mm；H注塑机所允许的最大模具厚度360 mm；3.4.8 模具安装尺寸校核注塑机的动模板，定模板台面上有许多不同间距的螺钉孔或“T”形槽，用于安装固定模具。模具固定安装方法有两种：螺钉固定，压板固定。采用螺钉直接固定时（大型模具常用这种方法），模具动、定模板上的螺孔及其间距，必须与注塑机模板台面上对应的螺孔一致；采用压板固定时（中，小模具多用这种方法），只要在模具的固定板附近有螺孔就行，有较大的灵活性。该模具外形尺寸为300400属中、小型模具，所以采用压板固定法（一般认为当尺寸在500500内为中，小模具）。3.4.9 开模行程校核所选注塑机为全液压式锁模机构，最大开模行程受模具厚度影响。此时最大开模行程S等于注塑机移动、固定模板台面之间的最大距离减去模具厚度。如式（3.5）所示：SH+H+（510）mm （3.5） 28092 满足要求。 式中 S注塑机移模行程280 mm；H推出距离15 mm；H流道凝料与塑件高度67 mm。4 模具设计4.1 塑料配方说明塑料配方设计是塑料制品成型加工中在加工设备和工艺参数确定之后所必须进行的重要环节，设计水平的高低直接关系到塑料制品的最终使用性能的优劣，也是应用现代技术对塑料进行改性的过程，其技术含量极高。一个成功配方的产生是多年实践经验与应用高新技术的结局。塑料是以高分子聚合物为主要成分，加入一定量添加剂而组成的一种混合物，添加剂是由一系列为改变塑料的某些性能而添加的混合物，通常为填充剂，增塑剂，稳定剂，润滑剂，着色剂等。根据PP的特性及使用性能要求，配方中应含有以下添加剂。填充剂玻璃微珠；PP成型后易产生内应力，添加玻璃微珠使塑料的流动性好，残余内应力分布均匀，使光的漫反射率为80%88%。增韧剂SBS，ABS，EPR；PP的冲击性能很差，是一种十分脆的材料，增韧改性是必须的。光稳定剂氧化锌；塑料制品在日光或强荧光下，由于吸收紫外光的能量，引发氧化反应，导致聚合物降解，使制品的外观或内在性能变坏，这一过程称为光氧化或光老化。润滑剂硬脂酸及其盐类；对塑料的表面起润滑作用，防止塑料在成型加工时黏模，同时提高塑料制品表面光洁度。着色剂粉红色；在塑料制品中，需要着色的大约占80%左右，着色的目的有增加制品美感，以吸引消费者的购买欲望，提高产品的耐候性，主要是通过着色剂防紫外线功能而实现的。抗菌剂磷酸锆系银离子抗菌剂；考虑到该产品人们可能会作为玩具把玩，因此需要做此设计。很多塑料制品的表面会滋生致病细菌，与人接触后可能导致如感冒，咽炎，流行性脑膜炎，肺结核等疾病的传播。塑料抗菌改性是在树脂中加入抗菌剂，其逸出塑料表面后，可将沾在塑料表面的细菌杀死或抑制细菌的繁殖，保持自身的清洁状态。4.2 分型面的确定 分型面的选择原则： (1)便于塑件脱模； (2)在开模时尽量使塑件留在动模； (3)外观不遭到损坏；(4)有利于排气和模具的加工方便。结合该产品的结构，分型面确定在塑件的最大投影面积上。如图4.1所示。图4.1分型面4.3 型腔数目的确定注塑模的型腔数目，可以是一模一腔，也可以是一模多腔，在型腔数目的确定时主要考虑以下几个有关因素：(1)塑件的尺寸精度；(2)模具制造成本；(3)注塑成型的生产效益；(4)模具制造难度。考虑到该塑件是一般日用品，查手册得塑件的经济精度推荐4级，这个产品是两个壳件的组合，所以初定为一模两腔最合理。4.4 浇口确定PP料的流动性好，可适用于各种浇口，为了不影响外观，简化模局结构，确定使用侧浇口。4.5 模具材料的选择现有的模具模架已经标准化，所以在模具材料的选择时主要是根据制品的特性和使用要求选择合理的型腔和型芯材料19。如何合理的选择模具钢，是关系到模具质量的前提条件，如果选材不当，则所有的精密加工所投入的工时，设备费用将浪费。在选择模具钢时，首先必须考虑材料的使用性能和工艺性能，从使用性能考虑：硬度是主要指标之一，模具在高应力作用下欲保持尺寸不变，必须有足够的硬度，当承受冲击载荷时还要考虑折断，崩刃问题，所以韧性也是一重要指标，耐磨性是决定模具寿命的重要因素，从PP特性看，这三项指标是必须要满足的，此外还有红硬性，抗压屈服强度和抗弯强度和热疲劳能力的指标。从工艺性能考虑：要热加工工艺好，加工温度范围宽，冷加工性能如切削，铣削，抛光等加工性能好，此外还要考虑淬透性和淬硬性，热处理变形和氧化脱碳等性能。另外从经济考虑，要求材料来源广，价格低。查手册选择模仁的材料是4Cr13。属马氏体类型不锈钢，该钢机械加工性能较好，经热处理(淬火及回火)后，具有优良的耐腐蚀性能，抛光性能，较高的强度和耐磨性，适于制造承受高负荷，高耐磨及在腐蚀介质作用下的塑料模具，透明塑料制品模具等。有关参数如下：物理性能：临界温度（）AC1：820；AC3：1100；线膨胀系数：10.5(在20100)热导率：27.6W(M.K)-1(在20左右)弹性模量210000223500(20左右)4.6 浇注系统设计注塑模的浇注系统是指模具中从注塑机喷嘴开始到型腔入口为止的塑料熔体的流动通道，它由主流道，分流道，冷料穴和浇口组成。它向型腔中的传质，传热，传压情况决定着塑件的内在和外表质量，它的布置和安排影响着成型的难易程度和模具设计及加工的复杂程度，所以浇注系统是模具设计中的主要内容之一。4.6.1 主流道主流道是连接注塑机的喷嘴与分流道的一段通道，通常和注塑机的喷嘴在同一轴线上，断面为圆形，有一定的锥度，目的是便于冷料的脱模，同时也改善料流的速度，因为要和注塑机相配，所以其尺寸与注塑机有关。主要参数： 锥角=3；内表面粗糙度Ra =0.00063mm；小端直径D =d +(0.51)mm；半径R=R+(12)mm；材料T8A；由于主流道要与高温的塑料熔体和喷嘴反复接触和碰撞，所以主流道部分常设计成可拆卸的主流道浇口套，以便选用优质的钢材单独加工和热处理。4.6.2 分流道分流道是主流道与浇口之间的通道，一般开设在分型面上，起分流和转向作用，分流道的长度取决于模具型腔的总体布置和浇口位置，分流道的设计应尽可能短，以减少压力损失，热量损失和流道凝料。常用分流道断面尺寸推荐如表4.1所示。表4.1流道断面尺寸推荐值塑料名称分流道断面直径塑料名称分流道断面直径mmABS，AS 聚乙烯尼龙类聚甲醛丙烯酸抗冲击丙烯酸醋酸纤维素聚丙烯异质同晶体4.89.51.69.5 1.69.5 3.510 810812.5510510810聚苯乙烯软聚氯乙烯硬聚氯乙烯聚氨酯热塑性聚酯聚苯醚聚砜离子聚合物聚苯硫醚 3.510 3.510 6.516 6.58.0 3.58.0 6.510 6.510 2.410 6.513分流道的断面形状有圆形，矩形，梯形，U形和六角形。要减少流道内的压力损失，希望流道的截面积大，表面积小，以减小传热损失，因此，可以用流道的截面积与周长的比值来表示流道的效率，其中圆形和正方形的效率最高，但正方形的流道凝料脱模困难，所以一般是制成梯形流道。4.6.3 冷料穴冷料穴一般位于主流道对面的动模板上，或处于分流道末端，其作用是存放料流前端的冷料，防止冷料进入型腔而形成冷接缝，此外，开模时又能将主流道凝料从定模板中拉出，冷料穴的尺寸宜稍大于主流道大端的直径，长度约为主流道大端直径。 4.6.4 浇口 (1)浇口分类浇口是连接分流道与型腔的一段细短的通道，它是浇注系统的关键部分，浇口的形状，数量，尺寸和位置对塑件的质量影响很大，浇口的主要作用有两个，一是塑料熔体流经的通道，二是浇口的适时凝固可控制保压时间。浇口的类型有很多，有点浇口、侧浇口、直接浇口、潜伏式浇口等，各浇口的应用和尺寸按塑件的形状和尺寸而定，该模具采用潜伏式浇口，其有以下特性：(a)去除浇口方便，开模时料头可以自动脱落，便于后处理加工；(b)试模时如发现不当，容易及时修改；(c)能相对独立地控制填充速度及封闭时间；(d)对于壳体形塑件，流动充填效果较佳。(2)浇口尺寸(a)侧浇口深度尺寸H的确定H =nt =0.61.6 = 0.96mm n塑料系数PP料取0.6； t塑件在浇口位置处的壁厚，该设计取壳体中间壁厚t=1.6 mm。经验数据表明，H的取值范围在0.5mm2.0mm之间，若按浇口处壁厚计算则H =0.65=3mm，超出了经验值，而且由于浇口是易磨损部位，所以开始时取小值是有好处的，这有利于以后的修模。(b)侧浇口宽度尺寸W的确定，如式（4.1）所示：W = （4.1） A型腔一侧的表面积： A =V/t ；V浇注体积 ：V =53.910mm；t取平均壁厚=3.3mm 取3mm。 W =2.68 取3mm 4.6.5 剪切速率的校核 生产实践表明，当注射模主流道和分流道的剪切速率R =510510s、浇口的剪切速率R =1010s时，所成型的塑件质量最好。用公式：R = 式中：q体积流量（cm/s）；R浇注系统断面当量半径（cm）。(1)主流道剪切速率校核Q =0.8Q/T=73.951.5=49.3（cm/s） 注射时间T =1.5(s)； R=0.27（cm） R主流道的平均当量截面半径；d 主流道小端直径 ， d =0.4 （cm）； d主流道大端直径，d=0.68（cm）R= =2.6310 s (2)分流道剪切速率的校核 第一级分流道：Q=27（cm/s） R=0.3（cm）R= = =1.0510 s 第二级分流道：Q=（cm/s） 因为当量半径和第一级，相同所以，R= R/2 510s(3)浇口剪切速率的校核R= =1.4210s Q= Q=13.5（cm/s）； 浇口面积S =13=3mm，当量面积S =R 取R=1mm。 从以上的计算结果看，流道与浇口剪切速率的值都落在合理的范围内，证明流道与浇口的尺寸取值是合理的。4.7 模架的确定 4.7.1 型腔壁厚和底版厚度计算在注塑成型过程中，型腔主要承受塑料熔体的压力，因此模具型腔应该具有足够的强度和刚度。如果型腔壁厚和底版的厚度不够，当型腔中产生的内应力超过型腔材料本身的许用应力时，型腔将导致塑性变形，甚至开裂。与此同时，若刚度不足将导致过大的弹性变形，从而产生型腔向外膨胀或溢料间隙。因此，有必要对型腔进行强度和刚度的计算，尤其对重要的，精度要求高的大型塑件的型腔，不能仅凭经验确定。根据大型模具按刚度条件设计，按强度校核；小型模具按强度条件设计，按刚度校核原则：侧壁厚度计算公式如式（4.2）所示： S () （4.2） =() =20.91 mm式中：C与型腔深度对型腔侧壁长边边长之比h/L有关的系数；查表C=1； 型腔压力，取30MPa； 型腔深度，=40；E模具材料的弹性模量（MPa），E取2.110；刚度条件，即允许变形量(mm)，取=0.04;底板厚度计算公式如式（4.3）所示： （） （4.3） =（）=46.02mm由底板短边与长边边长之比决定的系数；查表=0.026；型腔压力，取30 MPa；底版短边长度(mm)，=180；模具材料的弹性模量（MPa），E取2.110；刚度条件，即允许变形量(mm)，取=0.04；4.7.2 模架的选用注塑模模架国家标准有两个，即GB/T125561990塑料注射模中小型模架及其技术条件和GB/T125551990塑料注射模大型模架。前者适用于模板尺寸为BL560mm900mm；后者的模板尺寸BL为（630mm630mm）（1250mm2000mm）。由于塑料模具的蓬勃发展，现在在全国的部分地区形成了自己的标准，该设计采用龙记标准模架。(1)模仁尺寸的确定因为采用的是整体式凹模和整体式凸模，所以模仁的大小可以任意制定，模仁所承受的力最终是传递到凸、凹模上，从节约材料和见效模具尺寸出发，模仁的值取的越小越好，但实际中因为要考虑冷却因素，又因为经过模仁的冷却系统比经过模仁外部的冷却系统效率高，所以为了给冷却系统留有足够的空间，该设计取模仁的大小为100250 mm。(2)凸、凹模尺寸的确定凸、凹模受力的作用，其尺寸需要进行强度或刚度校核来确定。根据3.3.3的计算结果，只要凹模长边的宽度满足12 mm就可以达到刚度要求，理论上只要取大于12 mm的值就满足设计要求，但考虑到导柱和导套、螺钉、冷却水孔等对模架强度、刚度的削弱作用，实际生产中都取比理论值大得多的值，在本设计中，在长度方向，取模仁到模具边的单边宽度为45 mm，在宽度方向，取模仁到模具边的单边宽度为50mm（实际生产中宽度方向的边值一般比长度方向的边值大）。所以凸、凹模尺寸为250500 mm。(3)模具高度尺寸的确定各块板的厚度已经标准化，所需要的只是选择，如何选择合理的厚度，这里有两个尺寸需要注意：(a)凸模底板厚度和凹模底板厚度；在注射成型时型腔中有很大的成型压力，当塑件和凝料在分型面上的投影面积很大时，若凸模底板厚度不够，则极有可能使模架发生变形或者破坏，所以凸模底板厚度尺寸需要校核才能确定，根据4.7.1知道，厚度满足46可满足要求，为了安全，取底板厚度为50 mm。凹模的底板因为是与注塑机的工作台接触的，所受的力传递到工作台上，所以凹模底板的厚度同样只要留有走冷却系统的空间就可以，该设计取凹模底板厚度为30 mm。(b)推板推出距离；在分模时塑件一般是黏结在型芯上的，需要推杆或推板推出一定的距离才能脱离型芯，该塑件的高度为18 mm左右，黏结在型芯上的尺寸约15 mm左右，所以当推出距离为15 mm时就能使塑件和型芯分离。如果C板（即模脚）的高度太小，则推出的距离不够而使塑件不能脱离型芯，如图4.5所示：图4.5推出距离关系需要满足关系：Hh1h2h3h0 HC板高度；h1挡销高度；h2推板厚度；h3推杆固定板厚度； h推出距离； 完成了以上的工作，确定模具尺寸为250500 mm，A板厚度50 mm，B板厚度40 mm，C板厚度 50，为了保证凸、凹模不碰伤，A板和B板之间取1mm间隙。为了起吊模具，模具上都设有吊环。4.8 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。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。设计导柱和导套需要注意的事项有：(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6mm8mm，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1.52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。4.9 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。4.9.1 脱模力的计算首先需要对塑件进行理想模型建模，如图4.6所示：图4.6塑件其中A段是塑件凹槽锁位的长度，长度为5mm，B段是圆弧形壳体的理想建模，长度为10mm，原塑件的两端斜率不一致，所以取平均值为脱模斜度。=25.9 取26对建模进行受力分析，F制件对型芯的包紧力（N）； F、FF的垂直和水平分量（N）； FF的反作用力（N）； F沿凸模表面的脱模力（N）；F沿制件出模方向所需的脱模力（N）；脱模斜度；F= Fcos;F= F= Fsin;F= F= Fcos;F=( FF) cos =( FcosFsin) cos = Fcos( cossin)所以，脱模力的计算公式如式（4.4）所示： F= Fcos( cossin) （4.4） 又如式（4.5）所示： F=Lh （4.5） 式中 L凸模成型型部分的截面周长； H 模被制件包紧部分的高度； 制件对凸模的单位包紧力，其数值与制件的几何特点及塑料的性质有关，一般可取8MPa12MPa；A段： F LhDh =3.1411010510910 15543(N) 式中，D取的是塑件的平均直径，D=110.5，取D=110mm。 B段： F LhD h3.1455101010910 =15543(N) B段两端截面周长不等，取等效截面周长在中间D=D/2。 所以脱模力为：F F+ F F+ F cos( cossin)15543+155430.90（0.40.9-0.44）=16662（N） 注：A段脱模斜度为0，所以A段F= F；B段脱模斜度为26，需要按前面的分析求解。因为制件对型芯的力总是阻碍脱模，所以，在(cossin)为负时我们取其绝对值。由于以上所计算得的只是一腔的脱模力，所以总的脱模力为： F=2 F=216662=33324（N）；4.9.2 推杆脱模机构推杆脱模机构是最简单、最常用的一种形式，具有制造简单、更换方便、推出效果好等特点。推杆直接与塑件接触，开模后将塑件推出。推杆的截面形状；可分为圆形，方形或椭圆形等其它形状，根据塑件的推出部位而定，最常用的截面形状为圆形；推杆又分为普通推杆和成型推杆两种，前者只是起到将塑件推出的作用，后者不仅如此还能参与局部成型，所以，推杆的使用是非常灵活的。(1)推杆尺寸计算：本设计采用的是推管和推杆推出，在求出脱模力的前提下可以对推杆或推管做出初步的直径预算并进行强度校核。本设计采用的是圆形推杆，圆形推杆的直径由欧拉公式简化为如式（4.6）所示：D =k() （4.6）=1.5() = 4.91 mm 式中：d推杆直径； n推杆的数量，n取31（把推管当作推杆）L推杆长度（参考模架尺寸，估取L=150）； E推杆材料的弹性模量，取E=2.110MPak安全系数，取k=1.5； F总的脱模力，F=33324（N）；实际推杆尺寸直径为5 mm，推管直径为7 mm，可见是符合要求的。但为了安全起见，再对其进行强
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