水杯注塑模设计

中文摘要I摘 要塑料工业近 20 年来发展十分迅速，早在 7 年前塑料的年产量按体积计算已经超过钢铁和有色金属年产量的总和，塑料制品在汽车、机电、仪表、航天航空等国家支柱产业及与人民日常生活相关的各个领域中得到了广泛的应用。塑料制品成形的方法虽然很多，但最主要的方法是注塑成形，世界塑料成形模具产量中约半数以上是注塑模具。注塑模具是生产品对模具的要求越来越高，传统的塑胶模具设计方法已无法适应产品更新换代和提产各种工业产品的重要工艺装备，随着塑胶模具设计工业的迅速发展以及塑胶制品在航空、航太、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用高质量的要求。电脑辅助工程（CAE）技术已成为塑胶产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节的最有效的途经。关键词： 注塑模具 设计 UG 英文摘要IIAbstractPlastic industry nearly 20 years developing very rapidly, and as early as seven years ago plastic the annual output of the factory is calculated according to have more than steel and non-ferrous metal annual output of the total, and plastic products in car, machinery and electronic products, instruments, aerospace and other countries pillar industry and Peoples Daily life and related fields of a wide range of applications. Plastic products forming method although many, but the main method is injection forming, plastic forming mold production in the world about half above is injection mold.Injection mold is raw product to request molding tool more and more high, the traditional plastic mold design methods can not adapt to the products renewal and carry the importance of the product all kinds of industrial production technology and equipment, plastic mold design with rapid development of industry and plastic products in aviation, aerospace, electronics, machinery, ships and cars and industry departments the popularization and application of the high quality requirements. Computer aided engineering (CAE) technology has become a plastic product development, mould design and product processing in the weak link of the most effective approach Keywords： injection mold design UG 目录III目 录 摘 要 .IWater injection mold design .II1 绪论 .11.1 模具在加工工业中的地位 .11.2 模具的发展趋势 .12 塑件的工艺分析 .32.1 塑件成型工艺分析 .32.2 塑件尺寸精度的分析 .32.3 表面质量的分析 .43 注塑设备的选择 .53.1 估算塑件体积 .53.3 选择注射机 .53.3.1 初步选用的注射机 .53.3.2 塑件的注射工艺参数的确定 .54 型腔数的确定 .74.1 分型面的选择 .74.2 型腔数的确定 .74.3 确定型腔的排列方式 .74.4 型腔数的确定 .75 浇注系统的设计 .85.1 主流道的设计 .85.2 冷料穴与拉料杆的设计 .85.3 分流道的设计 .85.4 浇口的设计 .96 排气与冷却系统的设计与计算 .106.1 排气系统的设计 .106.2 冷却系统的设计与计算 .107 模具工作零件的设计与计算 .128 脱模机构的设计与计算 .148.1 脱模力的计算 .148.2 推板的厚度 .15 目录IV8.3 顶杆直径的计算 .159 注射机与模具各参数的校核 .179.1 工艺参数的校核 .179.1.2 锁模力的校核 .179.1.3 最大注射压和的校核 .179.2 安装参数的校定 .1810 总装配图 .19致 谢 .21参考文献 .22论文原创性声明 .23重 1 绪论11 绪论1.1 模具在加工工业中的地位模具是利用其特定形状去成型具有一定的形状和尺寸制品的工具。在各种材料加工工业中广泛的使用着各种模具。例如金属铸造成型使用的砂型或压铸模具、金属压力加工使用的锻压模具、冷压模具等各种模具。对模具的全面要求是：能生产出在尺寸精度、外观、物理性能等各方面都满足使用要求的公有制制品。以模具使用的角度，要求高效率、自动化操作简便；从模具制造的角度，要求结构合理、制造容易、成本低廉。模具影响着制品的质量。首先，模具型腔的形状、尺寸、表面光洁度、分型面、进浇口和排气槽位置以及脱模方式等对制件的尺寸精度和形状精度以及制件的物理性能、机械性能、电性能、内应力大小、各向同性性、外观质量、表面光洁度、气泡、凹痕、烧焦、银纹等都有十分重要的影响。其次，在加工过程中，模具结构对操作难度程度影响很大。在大批量生产塑料制品时，应尽量减少开模、合模的过程和取制件过程中的手工劳动，为此，常采用自动开合模自动顶出机构，在全自动生产时还要保证制品能自动从模具中脱落。另外模具对制品的成本也有影响。当批量不大时，模具的费用在制件上的成本所占的比例将会很大，这时应尽可能的采用结构合理而简单的模具，以降低成本。现代生产中，合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是必不可少是三项重要因素，尤其是模具对实现材料加工工艺要求、塑料制件的使用要求和造型设计起着重要的作用。高效的全自动设备也只有装上能自动化生产的模具才有可能发挥其作用，产品的生产和更新都是以模具的制造和更新为前提的。由于制件品种和产量需求很大，对模具也提出了越来越高的要求。因此促进模具的不断向前发展。1.2 模具的发展趋势近年来，模具增长十分迅速，高效率、自动化、大型、微型、精密、高寿命的模具在整个模具产量中所占的比重越来越大。从模具设计和制造角度来看，模具的发展趋势可分为以下几个方面：加深理论研究 在模具设计中，对工艺原理的研究越来越深入，模具设计已经有经验设计阶段逐渐向理论技术设计各方面发展，使得产品的产量和质量都得到很大的提高。高效率、自动化 大量采用各种高效率、自动化的模具结构。高速自动化的成型机械配合以先进的模具，对提高产品质量，提高生产率，降低成本起了很大的作用。重 1 绪论2大型、超小型及高精度 由于产品应用的扩大，于是出现了各种大型、精密和高寿命的成型模具，为了满足这些要求，研制了各种高强度、高硬度、高耐磨性能且易加工、热处理变形小、导热性优异的制模材料。革新模具制造工 2 塑件的工艺分析32 塑件的工艺分析2.1 塑件成型工艺分析 如图 1-1 水杯所示：图 1-1 水杯旋纽原料的成型特性与工艺参数 塑件的材料采用聚甲基丙烯酸甲酯，属热塑性塑料，该塑料具有如下的成型特性：1. 无定形料、吸湿性大、不易分解。2.质脆、表面硬度低。3. 流动性中等，溢边值 0.03mm 左右，易发生填充不良、缩孔、凹痕、熔接痕等缺陷。4. 宜取高压注射，在不出现缺陷的条件下宜取高料温、模温，可增加流动性，降低内应力、方向性，改善透明度及强度。5. 模具浇注系统应对料流阻力小，脱模斜度应大，顶出均匀，表面粗糙度应好，注意排气。6.质透明，要注意防止出现气泡、银丝、熔接痕及滞料分解、混入杂质。塑件的结构和尺寸精度及表面质量分析塑件的结构分析 该零件的总体形状为圆形，结构比较简单。2.2 塑件尺寸精度的分析该零件的重要尺寸，如，30.90.09mm 的尺寸精度为 3 级，次重要尺寸 3.75 2 塑件的工艺分析40.07mm 的尺寸精度为 4 级，其它尺寸均无公差要求，一般可采用 8 级精度。由以上的分析可见，该零件的尺寸精度属中等偏上，对应模具相关零件尺寸加工可保证。从塑件的壁厚上来看，壁厚最大处为 4.5mm，最小处为 2.25mm，壁厚差为 2.25mm，较为均匀。2.3 表面质量的分析该零件的表面要求无凹坑等缺陷外，表面无其它特别的要求，故比较容易实现。综上分析可以看出，注射时在工艺参数控制得较好的情况下，零件的成型要求可以得到保证重庆科学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 注塑设备的选择53 注塑设备的选择3.1 估算塑件体积计算塑件的重量是为了选用注射机及确定模具型腔数。计算得塑件的体积：V9132mm3计算塑件的质量：公式为 WV根据设计手册查得聚甲基丙烯酸甲酯的密度为 1.18kg/dm3，故塑件的重量为：WV91321.1810-310.776g3.3 选择注射机3.3.1 初步选用的注射机根据注射所需的压力和塑件的重量以及其它情况，可初步选用的注射机为：SZ60/40 型注塑成型机，该注塑机的各参数如下所示：理论注射量 60/cm3移模行程 180/mm螺杆直径 30/mm最大模具厚度 280/mm 注射压力 150/Mp最小模具厚度 160/mm锁模力 400/KN 喷嘴球半径 15/mm拉杆内间距 295*185/mm喷嘴口孔径%c3.5/mm3.3.2 塑件的注射工艺参数的确定根据情况，聚甲基丙烯酸甲酯的成型工艺参数可作如下选择，在试模时可根据实际情况作适当的调整。注射温度：包括料筒温度和喷嘴温度。料筒温度：后段温度 t1 选用 180中段温度 t2 选用 200前段温度 t3 选用 220喷嘴温度：选用 220重庆科学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 注塑设备的选择6注射压力：选用 100MP注射时间：选用 20s保压时间：选用 2s保压： 80MP冷却时间：选用 28s总周期： 50s 重庆科学院高等教育自学考试本科毕业论文 4 型腔数的确定 74 型腔数的确定4.1 分型面的选择该塑件为旋纽，表面质量无特殊要求，端部因与人手指接触因此形成自然圆角，此零件可采用右图所示的分型面比较合适。4.2 型腔数的确定型腔数的确定有多种方法，本题采用注射机的注射量来确定它的数目。其公式如下：n2=(G-C)/V 式中： G注射机的公称注射量/cm3V单个制品的体积/cm3C浇道和浇口的总体积/cm3生产中每次实际注射量应为公称注射量 G 的（0.750.45）倍，现取 0.6G 进行计算。每件制品所需浇注系统的体积为制品体积的（0.21）倍，现取 C0.6V 进行计算。n2=0.6G/1.6V=0.375G/V=(0.37560)/90132=2.46由以上的计算可知，可采用一模两腔的模具结构4.3 确定型腔的排列方式本塑件在注射时采用一模两件，即模具需要两个型腔。综合考虑浇注系统、模具结构的复杂程度等因素，拟采用下图所示的型腔排列方式。4.4 型腔数的确定型腔数的确定有多种方法，本题采用注射机的注射量来确定它的数目。其公式如下：n2=(G-C)/V 式中： G注射机的公称注射量/cm3V单个制品的体积/cm3C浇道和浇口的总体积/cm3生产中每次实际注射量应为公称注射量 G 的（0.750.45）倍，现取 0.6G 进行计算。每件制品所需浇注系统的体积为制品体积的（0.21）倍，现取 C0.6V 进行计算。n2=0.6G/1.6V=0.375G/V=(0.37560)/90132=2.46由以上的计算可知，可采用一模两腔的模具结构重庆科学院高等教育自学考试本科毕业论文 5 浇注系统的设计 85 浇注系统的设计5.1 主流道的设计图 4-1 主流道根据设计手册查得 SZ60/40 型注射机喷嘴有关尺寸如下：喷嘴前端孔径：d0=3.5mm喷嘴前端球面半径：R015mm为了使凝料能顺利拔出，主流道的小端直径 D 应稍大于注射喷嘴直径 d。Dd+(0.51)mm=3.5+14.5mm主流道的半锥角 通常为 12过大的锥角会产生湍流或涡流，卷入空气，过小的锥角使凝料脱模困难，还会使充模时熔体的流动阻力过大，此处的锥角选用2。经换算得主流道大端直径 D8.5mm, 为使熔料顺利进入分流道，可在主流道出料端设计半径5mm 的圆弧过渡。主流道的长度 L 一般控制在 60mm 之内，可取L55mm。5.2 冷料穴与拉料杆的设计对于依靠推件板脱模的模具常用球头拉料杆，当前锋冷料进入冷料穴后紧包在拉料杆的球头上，开模时，便可将凝料从主流道中拉出。球头拉料杆固定在动模一侧的型芯固定板上，并不随脱模机构移动，所以当推件板从型芯上脱出制品时，也将主流道凝料从球头拉料杆上硬刮下来。其结构如右图所示5.3 分流道的设计分流道在设计时应考虑尽量减小在流道内的压力损失和尽可能避免熔体温度的降低，同时还要考虑减小流道的容积。圆形和正方形流道的效率最高，当分型面为平面重庆科学院高等教育自学考试本科毕业论文 5 浇注系统的设计 9时一般采用圆形的截面流道，但考虑到加工的方便性，可采用半圆形的流道。一般分流道直径在 310mm 范围内，分流道的截面尺寸可根据制品所用的塑料品种、重量和壁厚，以及分流道的长度由中国模具设计大典第 2 卷中图 9.2 12 所示的经验曲线来选定，经查取 D=5.6mm 较为合适，分流道长度取 L20mm 从图9.214 中查得修正系数 fL=1.02，则分流道直径经修正后为 DDfL=5.61.02=5.712，取 D6mm5.4 浇口的设计根据浇口的成型要求及型腔的排列方式，选用侧浇口较为合适。侧浇口一般开设在模具的分型面上，从制品的边缘进料，故也称之为边缘浇口。侧浇口的截面形状为矩形，其优点是截面形状简单，易于加工，便于试模后修正。缺点是在制品的外表面留有浇口痕迹，因为该制件无表面质量的特殊要求，又是中小型制品的一模两腔结构，所以可以采用侧浇口。在侧浇口的三个尺寸中，以浇口的深度 h 最为重要。它控制着浇口内熔体的凝固时间和型腔内熔体的补缩程度。浇口宽度 W 的大小对熔体的体积流量的直接的影响，浇口长度 L 在结构强度允许的条件下以短为好，一般选 L0.50.75mm。确定浇口深度和宽度的经验公式如下：h=nt W=nA1/2/30 式中：h侧浇口深度（mm）中小型制品常用 h=0.52mm，约为制品最大壁厚的 1/32/3, 取 1.5mmt制品的壁厚（mm） 3.38mmn塑料材料的系数 查表得 0.8W浇口的宽度（ mm）A型腔的表面积（mm2） 计算得 2940mm2将以上各数据代入公式得：h=1.5mm，W=1.5mm, L 取 0.5mm。计算后所得的侧浇口截面尺寸可用 r=6q/(Wh2)104s-1 作为初步校验。制品的体积 V9.132cm3，设定充模时间为 1s，于是：q=9.132/1=9132mm3/sr=6q/Wh2=(69132)/(1.51.52)=1.6104104s-1所以符合要求重庆科学院高等教育自学考试本科毕业论文 6 排气与冷却系统的设计与计算 106 排气与冷却系统的设计与计算6.1 排气系统的设计排气槽的截面积可用如下公式进行计算：F25m1(273+T1)1/2/tP0 式中：F 排气槽的截面面积（ m2）m1模具内气体的质量(kg)P0模具内气体的初始压力（Mp）取 0.1MpT1模具内被压缩气体的最终温度()t充模时间(s)模内气体质量按常压常温 20的氮气密度 01.16kg/m3 计算，有m1= 0V0 式中：V0模具型腔的体积（m3）应用气体状态方程可求得上式中被压缩气体的最终温度（）T1（273+T0）(P1/P)0.1304-273 式中：T0模具内气体的初始温度（）由 V9132mm3 充模时间 t=1s被压缩气体最终排气压力为 P120MPa由式得：T1(273+20)(20/0.1)0.1304-273=311.7模具内的气体质量由式得：m1=V00=9.13210-61.16kg=1.06 10-5kg将数据代入式得：所需排气槽的截面面积为：F=251.0610-5(273+311.7)1/2/(10.1106)=0.064mm2查取排气槽高度 h=0.03mm，因此排气槽的总宽度为：W=F/h=0.064/0.03=2.13mm为了便于加工和有利于排气，运用镶拼式的型芯结构，与整体式型芯相比，镶拼型芯使加工和热处理工艺大为简化。6.2 冷却系统的设计与计算重庆科学院高等教育自学考试本科毕业论文 6 排气与冷却系统的设计与计算 11图 5-2-1 运水冷却系统设计的有关公式：qV=WQ1/c1(1-2) 式中：qV冷却水的体积流量(m3/min)W单位时间内注入模具中的塑料重量(kg/min)Q1单位重量的塑料制品在凝固时所放出的热量 (kJ/kg)冷却水的密度(kg/m3) 0.98103c1冷却水的比热容 kJ/(kg.) 4.1871冷却水的出口温度() 252冷却水的入口温度() 20Q1 可表示为：Q1=c2(3-4)+u式中：c2 塑料的比热容 kJ/(kg.) 1.465Q3塑料熔体的初始温度() 2004塑料制品在推出时的温度() 60u结晶型塑料的熔化质量焓(kJ/kg)Q1=c2(3-4)+u=1.465(200-60)=205.1kJ/kg将以上各数代入式得：qV=(0.013205.1)/0.981034.187(25-20)m3/min=0.1310-3m3/min上述计算的设定条件是：模具的平均工作温度为 40，用常温 20的水作为模具的冷却介质，其出口温度为 25，产量为 0.013kg/min。由体积流量查表可知所需的冷却水管的直径非常小，体积流量也很小，故可不设冷却系统，依靠空冷的方式即可。但为满足模具在不同温度条件下的使用，可在适当的位置布置直径 d 为 8mm 的管道来调节温度。重庆科学院高等教育自学考试本科毕业论文 7 模具工作零件的设计与计算 127 模具工作零件的设计与计算凹模的结构采用整体嵌入式，这样有利于节省贵重金属材料。1、型芯采用镶拼式结构，有利于加工和排气。 （如图所示）图 6-1 型腔型芯本设计中,零件工作尺寸的计算均采用平均尺寸、平均收缩率、平均制造公差和平均磨损量来进行计算，已给出这 PMMA 的成型收缩率为 0.005，模具的制造公差取z=/3 。型腔型芯工作尺寸的计算 2、型腔侧壁厚度和底板厚度的计算1）型腔侧壁厚度的计算 根据圆形整体式型腔的侧壁厚度计算公式：S0.90Pr4/E()1/3 式中： S侧壁厚度(mm)P型腔压力 (Mpa) 40r型腔半径(mm) 17.625E模具材料的弹性模量(MPa) 2.1105刚度条件，即允许变形量(mm) 0.05将以上各数代入式得：S1.15(4019.84)/(2.1 1050.05)1/3=9.62mm2）底板厚度的计算公式如下： 重庆科学院高等教育自学考试本科毕业论文 7 模具工作零件的设计与计算 13hs0.56(Ph4/E)1/3将各参数代入式中得：hs4.68mm型腔的厚度 h 腔 hc+h=4.68+19.8=24.48mmS 可取 10mms 腔取 32mm根据计算，型腔侧壁厚度应大于 9.62mm，而型腔的直径为 3525mm。根据浇注系统的条件及制件的大小，初选标准模架，依据塑料注射模中小型模架及技术条件(GB/T12556-90)，根据模板的参数确定导柱、导套、垫块等的有关尺寸。重庆科学院高等教育自学考试本科毕业论文 8 脱模机构的设计与计算 148 脱模机构的设计与计算8.1 脱模力的计算此模具采用推件板脱模如图 7-1，因该制件的，属厚壁制品，厚壁制品脱模力受到材料向壁厚中性层冷却收缩的影响，可用弹性力学的有关厚壁圆筒的理论进行分析计算图 7-1 推板公式如下：式中，对于圆筒制品中：k脱模斜度系数k=(fcCos-Sin)/fc(1+fcSinCos)=0.92fc脱模系数，即在脱模温度下制品与型芯表面之间的静摩擦系数，它受高分子熔体经高压在钢表面固化中粘附的影响。塑料的线膨胀系数（1/ ） 查表得：610-5塑料的泊松比 0.40E在脱模温度下塑料的抗拉弹性模量（MPa） 3.16103Tf软化温度 () 100 重庆科学院高等教育自学考试本科毕业论文 8 脱模机构的设计与计算 15T脱模顶出时制品的温度（） 60Ac制品包紧在型芯上的有效面积（mm2） 1422.55t制品的厚度（mm） 3.38将以上各数据代入公式得 Qc=1372.45N8.2 推板的厚度 筒形或圆形制品采用推件板脱模，推件板的受力状态可简化为圆环形平板周界受集中载荷的力学模型，最大挠度产生在板的中心。按刚度条件和强度条件的计算公式如下，取大者为依据。按刚度条件：h=(C2QeR2/E p)1/3 按强度条件：h=(K2Qe/p)1/2 式中：h推件板的厚度(mm)C2随 R/r 值变化的系数 0.3500R推杆作用在推件板上的几何半径(mm) 61r推件板圆形内孔或型芯半径(mm) 13.125Qe脱模力 (N) 1372.45E推杆材料的弹性模量(MPa) 2.1105K2随 R/r 值变化的系数 1.745p推件板材料的许用应力(MPa) 610p推件板中心允许变形量(mm)，通常取制品尺寸公差的 1/51/10，即 p=(1/51/10)i 0.088其中 i制品在被推出方向上的尺寸公差(mm) 0.88将上述各数据代入式得：h=1.69mm将上述各数据代入式得：h=1.98mm所以推件板的厚度可取：16mm8.3 顶杆直径的计算重庆科学院高等教育自学考试本科毕业论文 8 脱模机构的设计与计算 16图 7-3 顶杆推杆推顶推件板时应有足够的稳定性，其受力状态可简化为一端固定、一端铰支的压杆稳定性模型，根据压杆稳定公式推导推杆直径计算式为：d=K(l2Qe/nE)1/4 推杆直径确定后，还应用下式进行强度校核：c=4Qe/nd2s 式中：d推杆直径(mm)K安全系数，通常取 K=1.52 2 l推杆的长度(mm) 102Qe脱模力 (N) 1372.45E推杆材料的弹性模量(MPa) 2.1105n推杆根数 4c推杆所受的压应力(MPa)s推杆材料的屈服点(MPa) 360将以上各数据代入式得：d=4.06mm 圆整取 5mm将以上各数据代入式进行校核：c=4Qe/nd2=17.47 MPas=360 MPa所以此推杆符合要求。留的时间会过长。所以最小注射量容积 Vmin0.25V。Vmin0.25V=0.2560=15cm3实际注射量 V=2V0+20.6V0=29.132+20.69.132=29cm3即 Vmin VVmax所以符合要求。重庆科学院高等教育自学考试本科毕业论文 9 注射机与模具各参数的校核 179 注射机与模具各参数的校核9.1 工艺参数的校核9.1.1 注射量的校核（按体积）Vmax=V 式中：Vmax 模具型腔流道的最大容积 (cm3)V指定型号与规格注射机的注射量容积(cm3)塑料的固态密度(g/cm3)注射系数取 0.750.85，无定形料可取 0.85，结晶形可取 0.75。将以上各数代入式得：Vmax=V 0.856051cm3倘若实际注射量过小，注射机的塑化能力得不到发挥，塑料在料筒中停留的时间会过长。所以最小注射量容积 Vmin0.25V。Vmin0.25V=0.2560=15cm3实际注射量 V=2V0+20.6V0=29.132+20.69.132=29cm3即 Vmin VVmax所以符合要求。9.1.2 锁模力的校核公式：FKAPm式中 F注射机的额定锁模力(kN) 400A制品和流道在分型面上的投影和(cm3)Pm型腔的平均计算压力(MPa) 由表 9.9-4 取 30K安全系数，通常取 K1.11.2 1.2则：KAPm1.22(35.25/2)2+20630=78.905kN400kN=F所以符合要求。9.1.3 最大注射压和的校核PmaxKP0式中：Pmax注射机的额定注射压力(MP