塑料罩注塑模设计.doc

前言1.1模具工业在国民经济中的地位模具作为工业生产的基础工艺装备，伴随着我国模具工业的振兴和发展，其重要性越来越受到人们的重视。在包括电子电器、汽车电机、仪器仪表等行业的产品中，70%左右的零部件，在生产过程中都是依靠模具成形 1。原因很明确，模具生产中所表现出来的高复杂程度、高精度以及高一致性等优点是其他加工制造方法所不能比拟的，而其高生产率和低消耗更是为其他加工制造方法所望尘莫及。另外，模具又被称为“效益放大器”， 通过模具生产的产品，其价值可以达到模具本身价值的几十倍甚至上百倍 2。模具生产技术水平的高低决定着一个企业的产品质量和市场开发能力，往大了看，这一水平已经被作为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。据有关方面统计, 模具市场的总体趋势是平稳向上的, 而在未来的模具市场中,塑料模具发展速度又远远高于其他模具, 它在模具行业中的比例正逐步提高。模具技术应用带来的实际经济效益确定了模具工业不可动摇的重要性，主要表现在以下几个方面：首先，模具工业是高新技术产业的一个重要组成部分。譬如，计算机的机壳、接插件及更多元器件的制造，必须有精密的冲压模具和塑料模具作为生产前提；更遑论数字化电子产品的发展, 没有精密模具作为支撑更加无法实现。从某个角度来说，发展至今的精密模具制造产业本身已经成为构成高新技术产业的一部分，而且也存在一些生产高精度模具的企业已经被冠以“高新技术企业”的称号 3。 其次，如果可以广泛的应用模具标准件，将会缩短模具设计制造周期25%-40%，同时还可以减少使用者自制模具件而造成的工时浪费。现如今，用信息技术的提升来推动模具工业的制造技术水平的发展，已成为推动模具工业技术进步的关键环节。CADCAECAM等技术在模具工业中的普遍应用，能够实现部分资源的共享，这大大减少了模具设计的工作时间和工作量，可以说是模具的设计制造技术的一场重大变革。另外，模具的开发和制造水平的提高, 还和数控精密高效加工设备的应用有着直接关系。虚拟技术、敏捷制造、逆向工程以及并行工程等先进制造技术在模具工业中的应用, 也要与电子信息等高新技术嫁接，实现高新技术产业化4。再次，模具工业最终的定位是装备工业。在1998年以前，业内许多人把机械工业视为单纯的普通加工工业，直到1998年11月中央经济工作会议的召开，才首次明确提出将装备工业的开发力度加大，以达到推进关键设备的尽量国产化的目标5。本质上，将机械工业划归为装备工业，明确机械工业与普通加工工业的区别，是对这一工业在国民经济中的地位与作用的重新定位。模具作为基础工艺装备，在装备工业中有着其无可替代的重要作用，各个产业部门所需装备的零部件中相当一部分是依赖模具来生产制造的。另外，国民经济中“机械、电子、汽车、石化、建筑”这五大支柱产业都要求模具工业的发展与之相适应，这更加凸显了模具工业的重要性。而目前我国模具制造水平在质量与数量上都远不能满足这些支柱产业发展的需要，据不完全统计，我国每年都要从国外引进总价值达10亿美元的模具来满足生产需求。另外，我国石化工业一年可以生产重量达500多万吨的聚乙烯、聚丙烯以及其他合成树脂，其中许多都有赖塑料模具进行加工成形，做成制品，才能实际应用于生产和生活消费6 。五大支柱产业对模具的需求，清晰的向我们展示了模具工业无可替代的重要性。 1.2注塑模具在国外的发展状况在国外，注塑模具的发展主要集中在精度这个方向上。由于以塑料替代金属越来越广泛，因此对塑料制零件的精度要求也越来越高，像替代锌的聚缩醛制件，其注塑精度可达到锌制零件的同等尺寸精度，而用PMMA制光学元器件的尺寸精度甚至可以达到数微米。另外，计算机技术的发展使得很多以前难以实现的目标，比如利用CAE技术对注射成型的流动解析、制品残余应力分析等在现在变成了较为容易的事情。相关技术的进展，不单单使得确定成型工艺条件的时间大为缩短，而且还根本性的提高了所确定条件的科学合理性，进一步使得相关产品的生产效率和质量取得较大提升7。近十多年来, 注塑模CAD技术在不断的被广泛用于注塑模具的设计与制造当中，将塑料成型模具技术的合理性以及短期化提升到了一个新的高度。在进行理论和试验研究的同时, 十分重视向实用化发展，相关商品软件在逐步推出，并在推广和实际应用中不断进行改进和完善8。1.3注塑模具在国内的发展状况塑料工业领域的不断拓宽，带来的是对塑料模具设计以及制造水平越来越高的要求。其中精密型、超大型以及复杂、长寿命和高使用频率等类别的塑料模具的发展速度，将远远高于模具行业总体的发展速度。同时，基于减少进口依赖，实现主要设备国产化的考虑，高档模具在国内市场份额会必然逐步提升9。近年来, 中国塑料模具制造水平有着明显的提升。其中最为明显的是大型塑料模具生产单套重量已达到50t以上，而我国独立生产的精密塑料模具精度也可达2m，在塑料模具多腔发展上，我国可生产一模7800腔的塑封模, 在高速模具方面，挤出速度6m/min以上的高速塑料异型材挤出模具及主型材多种共挤等各种模具也已经能够独立生产10。在生产手段上，也有着多个方向的显著提升。其中注塑模CAD/ CAE/ CAM 技术是提高注塑成型效率和质量的最有效的途径。我国注塑模CAD/ CAM 研究从70年代末期开始，发展速度可观。在“八五”期间, 由包括北京航空航天大学、华中理工大学在内的几个单位联合对 “注塑模CAD/ CAE/ CAM 集成系统”这一国家重点科技课题进行攻关，更是在1996 年通过课题审核, 之后已有部分成果投入到实际应用当中，较大的提高了我国的注塑模CAD/ CAE/ CAM 研究和应用水平 11。相关的还有高速加工及RP/RT等先进技术的采用，热流道模具的比例也有较大提高等。另外，蓬勃发展的三资企业进一步推动了塑料模具设计制造水平的提升，一些企业在信息化管理和全数字化无图制造方面都取得了突破性进展12。 我国塑料模具工业从起步到现在, 历经半个多世纪，在模具制造水平方面的提升是有目共睹的。比如天津津荣天和机电有限公司和烟台北极星I.K模具有限公司联合制造的多腔VCD和DVD齿轮模具，用这种模具生产的齿轮塑件无论在尺寸精度、同轴度还是跳动等方面都达到了不逊于国外同类产品的水平，而且生产中还采用了最新的齿轮设计软件，将成型收缩导致的齿形误差问题彻底解决，保证产品保持标准渐开线齿形13。相似的例子不胜枚举，这里不做赘言。1.4 总结如今，塑料制品在工农业以及日常生活，乃至国防等各个方面都有广泛的应用，而生产这些塑料制品都离不开设计制造相应的塑料模具。除开塑料材料、制品设计及加工工艺等因素，塑料模具的设计对相关产品的质量与生产效率都有着至关重要的影响。以模腔、流道、分型面为代表的多种形状、尺寸、位置的选择以及脱模方式和定型方法等因素的确定，都对制品的尺寸、形状等多种精度以及制件的各项性能起着决定性影响。而在加工过程中，模具结构的合理与否又与实际操作的难易程度直接相关。从经济效益出发，模具对生产成本也有十分重要的影响，除了简单结构的模具，一般来说模具的制造费用都是十分高昂的，大型塑料模更是如此。随着应用的增多，人们逐渐意识到“塑料制品生产的基础是塑料模”这个概念。加大力度推动模具设计制造技术的进步这一策略应该受到相关单位的高度重视，尤其是对大型塑料模的设计与制造水平的提升，其速度标志着一个国家工业化的发展程度。2塑料罩的制件设计2.1 塑料罩的三维图2.2塑料制品分析2.2.1塑料制品分析消化制品图 制品横截面呈中空椭圆形, 一端有开口, 如图2-2所示：制品原材料的选择：这里选用刚性PVC材料作为制品原材料，原因如下：PVC材料是一种非结晶性材料，具有不易燃性、高强度、耐气侯变化性等多重优良性能，同时该材料还具有优良的几何稳定性，对氧化剂、还原剂和强酸都有很强的抵抗力。在实际使用过程中，PVC材料还可以加入稳定剂、润滑剂、辅助加工剂、色料、抗冲击剂及其它添加剂，以满足更多情况下的正常使用14。2.2.2确定制品的成型方法 制件所使用的聚氯乙烯（PVC）是热塑性材料，因此成型方法采用注射成型。2.2.3拟定制品的成型工艺参数在PVC材料在加工过程中，熔化温度是一个非常重要的工艺参数, 如果此参数不当，很容易导致材料分解等问题出现。另外，由于PVC材料的流动特性相当差, 其工艺范围也很窄，特别是大分子量的PVC材料，其加工通常具有相当的难度（这种材料通常要加入润滑剂改善流动特性），因此通常使用的都是小分子量的PVC材料15。注塑模工艺条件：干燥处理：不需要干燥处理。熔化温度：185205模具温度：2050注射压力：130MPa注射速度：慢速3 塑料罩的注射模具设计3.1选择制品的分型面分型面是指分开模具取出塑件和浇注系统凝料的可分离的接触表面。模具中分型面的数量根据需要各不相同，可能只有一个，也存在两个或者两个以上的分型面；分型面的方向有多种，可以是垂直于合模方向，也可以与合模方向平行或倾斜。模具中分型面的位置直接影响模具使用、制造及塑件质量，因此分型面的选择必须合理。本次设计中的模具设计两个分型面，具体如图3-1所示：开模时，分型面1首先向下打开，带动斜滑块沿分型面2分型。3.2型腔的布置由于设计中型芯是由三个部分拼凑组成, 型腔由两个斜滑块组成，而且脱模过程中含有侧抽芯过程，结构比较复杂，因此采用一模一腔最为合理。3.3浇注系统的设计从主流道的始端到型腔之间的熔体流动通道便是所谓的注射模的浇注系统，其作用主要是使塑料熔体平稳而有序地充填到型腔中，以获得组织致密、外形轮廓清晰的塑件。本次设计中模具浇注系统设计如图3-2所示： 下面详细介绍主流道和浇口的设计：3.3.1主流道的设计主流道是连接注射机喷嘴与分流道的一段通道，通常和注射机喷嘴在同一轴线上, 断面为圆形，带有一定的锥度，其主要实际要点为： 主流道圆锥角=4，内壁粗糙度为Ra=0.63m。 主流道大端呈圆角，半径r=3mm，以减小料流转向过度时的阻力。 其小端直径D2=4mm。主流道的一端常设计成带凸台的圆盘，其高度为7并与注射机固定模板的定位孔间隙配合，衬套的球形凹坑深度取4mm。R2=R1+(1mm)； 查表取D2=4mm D1=3mm D3=5.5mm 在模具结构允许的情况下，主流道设计应尽可能短，本设计取L=47mm。 主流道衬套与定模座板采用H7/m6过渡配合,而与定位圈的配合采用H9/f9间隙配合。 主流道衬套选用T8制造，热处理硬度要求：54HRC。3.3.2浇口的设计浇口是连接分流道与型腔之间的一段细短通道，它是浇注系统的关键部分。其中点浇口又称橄榄形浇口或菱形浇口，是种截面尺寸特小的圆形浇口，常用于成型中、小型塑件的一模多腔模具中，也可用于单行腔模具或表面不允许有较大痕迹的塑件。本次设计便是采用点浇口，开设在分型面上，具体如图3-4：其中D=1.2mm, L1=47mm, L=18mm。3.4溢流和排气系统设计注射成型的过程中，模具内不但有型腔和浇注系统中原有的空气，还有塑料受热挥发气体或凝固产生的低分子挥发气体，这些气体如果没有顺利排出，则会在充填时被压缩而产生高温，进而引起塑件局部炭化烧焦，或者在塑件中形成气泡，还可能使塑料熔接不良而引起其他缺陷。为了将这些气体从型腔中及时排出，可以采用开设排气槽的方法，有时排气槽还可溢出少量料流前锋的“冷料”，对提高塑件的熔接强度大为有利，大多数情况下可利用模具的分型面或模具零件间的配合间隙排气，这种情况下可以不特意增开排气槽。本次设计中模具就是采用分型面排气，这种设计可以减少模具制造的工序，节约成本。3.5导向机构的设计为了保证注射模准确合模和开模，在注射中必须设置导向机构。导向机构的作用是导向、定位以及承受一定的侧向压力。导向机构的形式主要有导柱导向和锥面定位两种，本次设计选用导柱导向，具体如下图所示： 设计导柱和导套时还应注意的有以下几点：（1） 导柱分布在模具分型面两侧。（2） 导柱的长度比型芯（凸模）端面高出6mm，以避免型芯进入凹模时与凹模相碰而产生损坏。（3） 导柱和导套需要足够的耐磨度和强度，所以这里采用20#低碳钢经渗碳0.8mm，淬火硬度达55HRC。（4） 为使导柱能顺利地进入导套，将导柱端部做成锥形，相应的导套前端也经过倒角。（5） 将导柱设在定模一侧，以达到塑件顺利脱模的目的。（6） 导柱滑动部分的配合形式选择H8/f8，导柱和导套固定部分配合选择H7/k6，导套外径的配合选择H7/k6。（7） 导柱的直径由模具大小来决定，本次设计取导柱直径D=17mm。3.6侧抽芯机构设计图3-6 侧抽芯机构1-定模 2-拉杆 3-斜导柱 4-斜滑块 5-滑块 6-型芯 7-底板这种设计的工作原理是：底板7在拉杆2的作用下，带动型芯6抽出，同时滑块5向内滑动， 并带动与燕尾槽连接的斜滑块4向下移动，斜滑块4在斜导柱3的作用下同时向两侧移动，从而完成侧抽芯的动作。3.6.1斜导柱设计 斜导柱长度及开模行程计算：此模具的抽芯方向和开模方向垂直，所以L=l1+l2+l3+l4+l5=D/2tanh/cosd/2tanS/sin(815)式中：D =25mm；H=41mm；=24；计算得出L=176mm。完成抽芯距所需要的最小开模行程：H=Scot =114mm 斜导柱的安装固定形式及表面要求：斜导柱与固定板的配合选择H7/m6。而为了保证运动灵活，斜导柱与滑块间应采用比较松动的配合, 通常选择H11/a11，保持0.5mm的间隙，滑动表面粗糙度为Ra0.8mm。斜导柱材料为T8钢，渗碳处理，淬火硬度达55HRC以上。3.6.2滑块设计滑块导滑形式的选择： 导滑槽须为滑块宽度的1.5倍，而滑块在完成抽芯动作后还需留在导滑槽内，此时留在导滑槽内的长度l应不短于滑块长度L的2/3。滑块与导滑槽间上下左右应各有一对平面呈间隙配合，配合精度选择H8/f8，其余各面应留有0.5的间隙。导滑槽的硬度应达到56HRC。一般在导滑易磨损部位应加上耐磨板，滑块材料为T8钢，淬火硬度56HRC。导滑平面可以根据需要制成带油槽的滑动面，以达到减少摩擦，降低损耗的目的。3.7温度调节系统设计 在塑料成型的过程中，模具温度是一个至关重要的参数，会直接影响到塑料的充模、定型、成型周期，并进一步影响塑件成型质量。模具温度过高时，成型收缩大，脱模后塑件变形率大，而且还容易造成溢流和黏膜；相反的，如果模具温度过低，则会导致熔体流动性差，塑件轮廓不清晰，同时表面会产生明显的银丝或流纹等缺陷。而当模具温度不均匀时，型芯和型腔温度差若过大，则会导致塑件的不均匀收缩，产生翘曲变形，严重影响塑件的形状和尺寸精度。因此，温度调节系统对于注射模具来说是不可或缺的。温度调节系统包括冷却系统和加热系统两个部分。对于特殊的小型薄壁塑件，模具可自然快速冷却，因此不设冷却系统。聚氯乙烯熔融黏度较高，流动性差，要求有较高的模具温度，此时需要对模具进行加热。另外若是模温过低，导致塑料的流动性不足，会产生较大的流动剪切力，使塑件的内应力大大增加，甚至还会导致塑件出现冷流痕、银丝、轮廓不清等缺陷，因此该模具在工作前还应该进行预热处理。3.8成型零件的设计 型腔是在塑件成型加工过程中用来充填塑料熔体以成型制品的空间，构成型腔的零件叫做成型零件，通常包括凹模、凸模、小型芯、螺纹型芯和型环等。加工过程中，这些成型零件都直接与高温、高压的塑料熔体接触，而且脱模过程中更会反复与塑件产生摩擦，因此此类零件在选材时，除了要求有较高的强度、刚度、硬度、耐磨性外，还要求较低的表面粗糙度。3.8.1成型零件的结构设计 凹模的结构设计： 凹模是用于成型塑件的外轮廓的零件。由于本次设计中模具侧壁成圆弧面，所以采用凹模底部镶嵌拼式结构。 凸模的结构设计： 凸模是用于成型塑件内表面的成型零件，通常分为整体式和组合式两种类型。为了方便加工，本次设计中模具采用镶嵌组合式凸模。3.8.2成型零件工作尺寸的计算 一般情况下，影响成型零件及塑料公差的因素主要有三项，分别是模具制造公差z、模具磨损量c以及塑件的收缩率S。而成型零件工作尺寸计算方法一般分为两种：一种是按平均收缩率、平均制造公差和平均磨损量来进行计算，称为平均值法；另一种是按极限收缩率、极限制造公差和磨损量进行计算。相对来说，前一种方法较为简便，但不适合精密塑件的模具设计，后一种计算更为复杂，但能较好的保证尺寸精度。根据具体需求，本次设计采用平均值法。3.9型腔工作尺寸的计算 凹模大端径向尺寸： 凹模小端径向尺寸： 凹模型腔高度尺寸： 以上各式中：Ls是制品名义尺寸的最大尺寸, 其公差按规定为负值“-”；Lm是凹模名义尺寸的最小尺寸, 其公差按规定为正值“+z”；Hs是型腔高度的最大尺寸, 其公差按规定为负值“-”；Hm是型腔高度最小尺寸, 其公差按规定为正值“+z”。3.10型芯尺寸的计算经计算，确定型芯尺寸如下图所示：4选择注射机4.1注射机的选择注射机，的选用由注射量决定，由Pro/E建模分析得：塑件总体积V=1.0384546105mm3； 根据实际注射量应小于0.8倍公称注射量原则，即：0.8V公VV公=0.83076368105mm3结合上面的计算，再通过查阅国产注射机主要技术参数表，初步确定注塑机取SZ-100/60，其主要技术参数如表4-1：表4-1：国产注射机SZ-100/60技术参数表特性内容特性内容结构类型立拉杆内向距(mm)440340理论注射容积（cm）100移模行程(mm)260螺杆(柱塞)直径(mm)35最大模具厚度(mm)340注射压力(MPa)150最小模具厚度(mm)10锁模力(KN)600喷嘴球半径(mm)124.2注射机的校核4.2.1注射压力的校核该项工作的目的是校核所选注射机的公称压力P能否满足塑件成型时所需要的注射压力P0。 塑件成型时所需要的压力一般由塑料的流动性、塑件的结构和壁厚以及浇注系统类型等因素来综合决定，其数值一般在70150MPa这个范围。本次设计中塑件材料为聚氯乙烯（PVC），其所需注射压力P0如表4-2所示：表4-2：PVC所需的注射压力P0塑料注射条件厚壁件中等厚壁件难流动的薄壁窄浇口件聚氯乙烯100120120150150显然P公=150MPaP0, 因此所选注射机满足条件。4.2.2锁模力的校核 锁模力是指注射机中锁模机构对模具所施加的夹紧力的最大值。高压的塑料熔体充填模腔时，锁模方向上会有一个很大的胀型力产生，而只有注射机的额定锁模力大于该胀型力时，加工才能正常进行， 即F锁F胀=A分P型式中, F锁为注射机的额定锁模力； P型为模具型腔内塑料熔体平均压力, 这里P型=40MPa； A分为塑件和浇注系统在分型面上的投影面积之和。本次设计中，F锁F胀=A分P型=10011040=44000N ，即 F锁F胀满足要求。4.2.3开模行程与推出机构的校核从模具中取出塑件所需要的最小开合距离即为开模行程，用H表示，它必须小于