乐高积木盖成型工艺及注塑模具设计-模流分析-CAD图纸说明书论文毕业
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目录目录I摘要1Abstract2第一章 绪论41.1 课题背景41.2 注塑模具的简介51.3注塑模具发展国内外现状61.4国内模具的优劣势71.5本课题研究内容71.6 预计目标8第二章 塑件工艺分析与材料的选择92.1 塑件工艺分析92.2 塑件材料的选择92.2.1 ABS塑料的特点92.2.1 ABS的技术指标102.1.3 ABS的注塑成型工艺参数102.3 ABS材料的应用102.4 塑件的体积与质量112.5 塑件壁厚的分析11第三章 模具结构方案的确定123.1 出模数量与型腔布局123.2 分型面的设计133.2.1 分型面设计的原则13第四章 模具浇注系统的设计154.1 浇注系统的组成154.2 浇注系统的设计原则154.3 流道的设计154.3.1 主流道的设计154.3.2 分流道的设计164.3.3 冷料穴的设计164.3.4 浇口的设计174.4 浇注系统标准件的选用17第五章 模具成型系统设计195.1 型腔结构设计195.2 型芯结构设计195.3 型腔成型零件尺寸计算205.4 型芯成型零件尺寸计算215.5 成型钢材的选用22第六章 模具温度系统设计246.1 模具温度调节系统概述246.2 模具冷却系统设计要求246.3 冷却水道的形式类型256.4 模具冷却水道的计算校核26第七章 模具顶出脱模机构287.1 顶出脱模机构概述287.2顶出脱模机构的分类28第八章 标准模架的选用318.1 模架概述318.2 标准模架的选用318.3 模架型号的确定31第九章 注塑机的选择与校核339.1 注塑机的概述339.2 初选注塑机型号339.3 校核注塑机注塑量349.4 校核压力349.5 校核模具安装尺寸359.6 校核移模行程359.7 校核注塑机锁模力35第十章 Moldflow的注塑模拟成型分析3710.1 成型模拟简述3710.2成型过程分析3810.3 充填时间分析4110.4流动前沿温度分析4210.5 顶出时体积收缩率439.6 锁模力的分析4310.7 冻结层因子分析4410.8 熔接痕分析4510.9 变形量分析4610.10 温度、零件47设计总结49致谢50附图51参考文献52III摘要伴随着机械制造工业的发展，模具是工业之母的地位依然不可撼动，模具能够实现高效率状态下，同等精度和质量制品的的大批量生产。模具工业技术在不断的发展前行中得到了更加广泛的应用。特别是在电子电器设备与机械仪表设备、生活日用塑胶件中有了更高程度的提高。本次设计是以“乐高积木”塑件为原始文件，进行注塑模具设计。首选针对此塑件，进行结构分析，确定其塑件结构适合采用注塑模具结构生产，然后选择合适的高分子材料与型腔的出模数量。结合模具设计原则与设计规范，选择分型面并且分模完成成型系统零件设计，对浇注系统的设计方面，力求充填均匀，流道废料少、短。冷却系统均匀的分布在塑件的周边，使得温度冷却合理，在脱模顶出机构上，采用均匀分布顶出系统，让塑件能够均匀的受力顶出脱模。在选择标注模架系统方面，采用了国内最大的模具企业生产的龙记GB国标标准模架系统，能够保证制造周期短，制造精度高、效率高的特点。在完成全套的模具结构设计之后，对其生产所需的注塑机进行了选择与校核，其中校核项目包裹注塑量、注塑压力、锁模力、安装尺寸、顶出行程等内容。本次设计中，采用了计算机辅助设计软件，其中包括二维设计软件AutoCAD绘制模具的总装图与非标的零件工程图，采用了三维软件进行了塑件的建模与整体装配建模。本次设计来源于生活实践中，应用非常广泛，采用计算机辅助设计软件大大的提高了设计效率。通过完成了对应设计参数的计算与校核。经过计算校核，本套设计满足实践需求。关键词：注塑模具；结构设计；注塑机；校核；机械设计AbstractWith the development of machinery manufacturing industry, the status of mould as the mother of industry is still unshakable. The mould can realize mass production of products with the same precision and quality under the condition of high efficiency. Mold industry technology has been more widely used in the continuous development. Especially in electronic and electrical equipment and mechanical instrumentation equipment, daily plastic parts have been improved to a higher degree.This design is based on Lego blocks plastic parts as the original document for injection mold design. The preferred method is to analyze the structure of the plastic part and determine that the structure of the plastic part is suitable for the production of injection mold structure. Then the appropriate amount of polymer material and cavity is selected. According to the design principles and specifications of the mould, the parting surface is selected and the part design of the forming system is completed by parting. For the design of the gating system, the filling is uniform and the runner waste is less and shorter. The cooling system is evenly distributed around the plastic parts, which makes the temperature cooling reasonable. In the ejection mechanism, the ejection system with uniform distribution is adopted, so that the plastic parts can eject ejection under uniform force. In the selection of marking die base system, Longji GB national standard die base system produced by the largest domestic die and mould enterprises is adopted, which can ensure the characteristics of short manufacturing cycle, high manufacturing accuracy and high efficiency.After the complete set of die structure design was completed, the injection machine needed for its production was selected and checked, including the checking items of package injection quantity, injection pressure, clamping force, installation size, ejection trip and so on.In this design, computer aided design software is used, including two-dimensional design software AutoCAD to draw the assembly drawing and non-standard parts engineering drawing of the die, and three-dimensional software is used to model the plastic parts and the whole assembly modeling.This design comes from life practice and is widely used. The efficiency of design is greatly improved by using computer aided design software. The corresponding design parameters are calculated and checked. After calculation and verification, the design meets the practical needs.Key words: Injection Mold; Structural Design; Injection Molding Machine; Checking; Mechanical Design第1章 绪论1.1 课题背景模具是机械工业领域中应用非常广泛的一种设备，特别是在我们日常生活中的日用塑料件，汽车塑料配件，电子电器设备，仪表设备，手机，电话，冰箱等行业里面，随着社会的发展，越来越多的塑料产品替代了原来的金属材料和无机非金属材料。相应的，随着科学进步，对于注塑模具的精度要求也更加的高了，模具的结构更加的精密化。模具的制造周期也要求相应的缩短。采用注塑模具生产出来的塑件，质量稳定性好，能够在非常久的时间内保持尺寸的稳定，生产的尺寸也非常高，能够完成其他机械加工工艺所不能制造的产品，一个企业的产品质量高低水平，很大程度上是有模具制造水平的高低来决定的。注塑模具的类型非常多，根据塑件的尺寸大小，结构形式不同而产生差异，一般情况下，核心机构为型芯和型腔，或者说是公模母模，型腔一般安装在前模部分，保持固定不动，型芯安装在后模部分，随着注塑机的开合模工作而跟随运动，注塑模具相同的地方还有导向定位机构，都是采用导柱和导套来实现工作配合的，导柱导套的精度等级，往往对模具的整体精度起到了决定性作用。其余的注塑模具零件还包括了定位环、浇口套、滑块、推杆、热流道、冷却水道等结构。每个结构都会跟随塑件的不同或者要求变更而产生了不同的演变。因为模具的结构是复杂多变的，在设计的时候，需要综合考虑一下因素：1.首先就是要分析塑料零件的工程力学性能，比如塑料的自身的应力变形量，承载载荷，自身的强度刚度，弹性变形量，塑性变形量，对水的亲和性，在做塑件结构设计的时候，要尽量避免因材料自身缺陷而引起的产品质量问题。2.考虑热塑性材料的注塑成型工艺特点，比如材料的自身流程比，材料热胀冷缩的收缩比，材料的流动性能，材料厚度过大时候的缩水问题，以及成型温度，注塑压力等3.塑件的结构应该尽可能的要考虑模具的结构形式，尽可能的去避免产生横向的抽芯或者是特殊抽芯机构，需要对模具的结构进行精简，降低制造难度。如果是有特殊使用领域的零件，比如眼镜片就要求透光率非常高，对应的模具也需要镜面抛光，其次就是根据使用领域的不同而产生的高耐压，高抗热，高强度，高承受，抗剪切等能力。2019年是我国高速发展的一年，我国的基础建设已经走向世界前列，被誉为基建狂魔，这其中对应的制造建设类设备越来越高级，需要的模具也更加精密。我国的模具设计、制造技术从改革开放的一片空白，到现在的越来越强大，更够设计和制造精度等级更高，模具尺寸更大，生产寿命更加长久的模具。现在的注塑模具设计领域，广泛的使用了MOLDLFOW模流CAE分析软件，模流分析软件能够实现在前期进行注塑工艺生产的仿真，能够分析的项目包括充填时间，压力、温度、冷却水管的温度、翘曲变形量，注塑机锁模力等等。能够大大的降低设计制造的风险，避免了在注塑生产的时候过多的调试注塑机，浪费时间，浪费金钱。使用CAE技术能够模拟实际的注塑成产过程，已经越来越多的企业去使用。具有非常重要的意义在模具的加工方面。模具的CAM技术也在同步的往前发展，国内比较出名了数控机械机床生产企业包括了华中数控、西南数控、广州数控等企业，这些企业生产的大行程，高精密度数控加工机床，对于注塑模具这种要求精度等级达到微米的质量做出了不同的贡献，大型精密机床的发展，使得我国模具企业能够承接更大的模具项目，特别是汽车领域的发展，汽车前后挡泥板的尺寸非常大，以前国产汽车通常是采用金属材料制备，现在随着注塑模具的发展，越来越多的汽车配件采用了塑料材料来实现，塑料材料能够降低整车的质量，提高燃油效率。数控CAM中的电火花加工机床，能够实现对数控机床无法加工的区域进行深度加工，包括小的加强筋，文体LOGO，特殊纹路等，另外现在企业还能使用镜面火花机来实现快速的模具成型零件的表面处理，而无需采用原始的人工打磨抛光，缩短了制造周期，降低了人工劳力成本。1.2 注塑模具的简介随着科学技术与工业技术的不断进步与更新，注塑模具在机械工业中占用不可动摇的地位，特别现在的电子产品时代的更新，越来越多的塑料产品进入我们的生活中，新的产品出现于更新换代越来越频繁，比如我们常用的汽车仪表类产品、电子通讯类产品，更是达到了前所未有的高度，2010年之后，我国的整体国民经济状态发生了更大的改变，消费能力有了很大的提高，购买能力大幅的提升刺激了消费水平的提高。塑料产品在汽车仪表、电器电子、医用救援、工程器械等领域有更大的提高，注塑模具是机械行业与材料工程中发展最快的领域其中一块。塑料材料是高分子材料工程领域中的一种，塑料材料有不可替代的特点，他的密度不大，质量比较轻便，强度和刚度也较好，而且很多高分子塑料还具有绝缘性能，能够替代传统的金属材料，无机非金属材料。塑料材料在一定温度下融化，比金属材料熔点更低，成型更溶蚀，采用塑料材料以及注塑模具生产和制造的塑料具备了生产效率高，质量稳定，精度高，工程造价便宜，可以实现大批量连续生产。而且注塑模具的生产设备注塑机相对于其他金属材料的制造设备更小。因为具备了上述有优点，所以越来越多的塑料产品进入我们的生活中，注塑模具的发展水平，是衡量一个国家的工业制造水平的重要标志之一。1.3注塑模具发展国内外现状塑料产品是采用高分子树脂材料通过注塑模具与注塑生产工艺制造的产品。塑料产品具备有质量轻便，抗酸碱盐性能好，耐腐蚀性好，有一定的弯折性能，而且绝缘不导电。国内现在越来越多的采用塑料制品来替代原来的其他产品，更多的进度我们的日常生活中。2010年之后，随着国内工业技术的变革创新，机械工业水平的提高，对应的注塑模具产业有的快速的增长，大约每年的注塑模具增长速度在10-16%之间，我国的注塑模具从发展起步至今，经过约50年的进步，有了较大的改变，技术水平有了很大的提高，特别是在近几年的家用汽车普及、家用电器增长、电子电信日用消费子的快速发展，在沿海前沿地带形成了以珠三角与长三角一代的专业模具企业区域，逐渐向高精尖领域发展。塑料模具的发展将会比冲压模具、压铸模具等其他模具的发展更快。国内模具逐渐往高精度、高质量、超大型、超长寿命，缩短制造周期，降低制造成本，高效率方向发展。新的计算机辅助设计技术，将会极大的改善模具制造企业的专业技术层次，应用领域与设计范围将会实现不断的扩大，不同类型的模具将会越来越多，创新性越来越多，效益会越来越好。自动化程度和标准化程度或逐步提高。国外高级注塑模具技术与工艺制造装备主要集中在美国、德国、法国为主的欧美系，与日本、韩国为主的日系中。国外注塑模具的设计、制造、成型技术向着多工位化、高效自动化，超低成本方面发展。现在，国外的模具制造企业，能够感受到我国模具制造业的崛起所带来的国际环境变化，更多的中国模具进入国际市场领域。占有原来欧美日韩的市场蛋糕，预计到2020年，我国将有可能成为全球范围内最大的注塑模具供应区域，国外的模具制造周期只有国内模具制造周期的46-52%之间。但是国外的模具制造成本却又中国模具制造成本的130-300%之间，成本可以达到我国成本的三倍之多，我国的人工劳动成本优势是国外人工劳动成本的1/3左右，对国际市场上的客户产生了深远影响，2015年之后，德国与日本的整体模具总造价降低了10-20%之间，和外国的注塑模具技术发展有密不可分的关系。1.4国内模具的优劣势国内模具制造企业优势是地域集中，能够实现高度的群体效益，国家政策扶持引导企业自主创新，给与国内模具制造企业技术性的经济补贴。还涉及到的出口模方向，国家也给与了模具企业对应了关税政策优惠。国内模具制造企业的劣势是各个企业之间各自为政，没有形成统一的产业联盟，国内模具的标准化进程与自动化进程较低，与发达国家机械工程模具有较大的差距，相关核心技术与工业制造装备机床很多需要国外进口，技术在某些大型模具领域上，不能独立完成，还需要国外专业技术人员指导操作。1.5本课题研究内容1.根据塑件图完成测绘和建模，绘制塑件的二维工程图和三维模型。2.分析塑件结构，选择合适的材料，进行结构方案的确定3.选择分型面，确定出模数量，根据塑件确定浇口的类型，完成成型系统设计，确定模具整体方案。4.确定模具整体方案之后，进行注塑机的选择与校核。确定注塑工艺。5.完成模具结构的各类计算与校核。6.采用AutoCAD绘制注塑模具的二维总装图、非标零件工程图，采用三维软件完成整套模具的三维建模。7.设计完成的模具需要满足实践生产需求。1.6 预计目标完成整套得到注塑模具设计，理论结合实践。不但要三维模型结构表达清晰可靠，还需要二维制图按照机械制图规范编程明细表、技术要求、标注零件尺寸、公差、粗糙度等。最后说明书图文并茂，内容非常，计算校核准确无误。第二章 塑件工艺分析与材料的选择2.1 塑件工艺分析根据已知塑件的结构分析，如下图2.1所示，采用三维建模完成塑件的模型绘制，该塑件的结构属于中等难度，该塑件尺寸不大，壁厚比较均匀，适合采用注塑模具生产和制造，塑件的生产批量为中等批量注塑成型生产，精度等级可以采用一般精度等级。图2.1 塑件三维模型图2.2 塑件材料的选择2.2.1 ABS塑料的特点该塑料适合采用ABS高分子材料，该塑料为热塑性材料中的一种，查材料的物性表分析ABS的性能指标可以得得知，该材料吸水性小，有一定的强度和刚度，绝缘不导电，耐磨，抗弯折性能好，对于成型塑件的的壁厚不能取太大或者太小，一般ABS材料的壁厚取值可以采用1-3mm之间，脱模斜度取1-5范围值均可。ABS材料的综合性能好，价格也不贵，所以应用非常广泛。2.2.1 ABS的技术指标ABS材料的技术参数如下所示收缩率：1.005比重：1.05g/cm熔融温度：195-240成型温度：40-90成型压力：120-140Mpa射速：中等速度2.1.3 ABS的注塑成型工艺参数ABS材料的成型工艺参数中主要的几个要求就是注射温度，模具温度，注射压力，注射速度这几个参数。注射的温度就包含了料筒的温度，料筒分为前中后三段的温度，和喷嘴的温度，需要通过查表，了解其基础工艺温度，然后结合塑件与模具的实际情况来调节注塑机的温度。模具的温度可以通过在模具上面设置冷却水道，根据水温高低，控制水流大小流速来实现，保证模具的整体温度在一个可控的范围内，能够与实现注塑生产的稳定性。最后通过材料物性表控制注射的压力和射速，来进行较好的工艺生产。以下为该材料的基础成型工艺参考内容。注塑机类型：螺杆式螺杆转速：35-65r/min料筒温度：后段：195-200；中段200-210；前段210-220喷嘴温度：220-225预热温度：50-60注塑压力：75-95Mpa注射时间：15-20S冷却时间：20-50S2.3 ABS材料的应用ABS材料主要应用领域在汽车、电子电信、电器仪表、装饰件、工程件、办公设备、家用电器外壳、装饰工程配件，各类小型家电设备，大中小型玩具外壳和配件等领域，ABS具有很好的综合性能以及非常好的二次加工能力，可以在塑件的表面进行表面喷涂，电镀，钻孔加工，丝印，移印等，在该材料中增加和改变不同的成分，可以变成不同的改性材料，该材料的延伸改性材料在日常生活中已经是非常常见的的材料之一，在众多的材料中脱颖而出。2.4 塑件的体积与质量本次设计中，采用三维软件进行了塑件模型的建立，可以通过三维软件直接测量得到塑件的体积，如下图2.2所示。图2.2 塑件的体积测量然后根据质量公式：M=PV，可以计算得到塑件的质量：M=PV=1.05g/cmx5.7=5.99g。2.5 塑件壁厚的分析塑件的壁直接影响的注塑成型的质量，通过三维软件分析塑件壁厚在1-3mm之间，满足材料一般注塑成型要求。第三章 模具结构方案的确定3.1 出模数量与型腔布局为保证注塑模具与生产能力之间互相适应，提高生产能力和效率，以及保证合理的经济指标能力，注塑模具在设计的同时需要考虑模具的出模数量，一般有以下几种方法1. 结合经济指标确定型腔数量；2. 结合注塑机的额定注塑量来确定型腔数量；3. 结合注塑机的锁模力来确定型腔的数量；4. 结合塑件的精度等级来确定型腔数量；通过分析本次设计的塑件，该塑件尺寸不大，塑件结构难度为中等难度，精度等级要求一般，经济性要求合理，然后考虑后续的模具结构设计形式，注塑机的参数能综合性，本次设计采用一模二腔的结构形式，其型腔结构布局如下图所示。采用对称布局的结构形式，保证注塑充填的均匀性。图3.1 模具结构布局形式3.2 分型面的设计3.2.1 分型面设计的原则分型面一般指的是模具型芯和型腔之间随着动模和定模打开之后的面，分型面得到位置直接影响着塑件的结构形状，模具分型面的有时候还会开设排气槽，或者有滑块抽芯机构等。分型面的设计原则可以按照如下几点综合考虑：1. 方便塑料产品的脱模：开模具打开时候，产品要尽可能的留在动模上面。2. 方便抽芯机构的实现，一般还要考虑模具上时候需要设计滑块抽芯机构。3. 保证塑料的外观和表面质量不受影响，特别是外观需要光滑或者是镜面的产品。4. 保证塑料产品的尺寸和精度的等级在合理的公差范围值之内。5. 尽可能的使得模具型腔内的空气通过分型面排出去。6. 考虑实际机械机床加工的便利性，让加工更简单。7. 分型面要考虑让模具的整体结构更加的精简和合理，8. 考虑模具整体的装配便利性，让装配技术人员简单的更换和维修。3.2.2 分型面类型的选择模具的分型面一般分为单分型面和多分型面。其类型特点如下：（1）、单分型面模具一般此类模具结构都比较简单，也是注塑模具中最常见的结构形式之一。可以设计为单腔模具或者是多腔模具，从分型面打开后，可以之间看见型芯和型腔，浇注系统的结构形式也比较简单，可以直接用动模的勾料针勾出来。这种单分型模具结构简单，工作安全可靠，制造便利，能够很容易的实现自动化生产。（2）、多分型面模具多分型面模具的结构形式一般指的是三板模，和单分型面的模具相比，他多了一块脱料板，一般适合采用的是点式浇口注塑成型的模具，浇口在塑件的顶面，在脱模的时候开业实现浇注系统与塑件的自动分离。但是缺点就是模具结构复杂，制造困难，修模装配麻烦，制造经济成本高。3.3 分型面具体结构形式的确定结合塑件的实际结构形式，以及考虑模具结构形式，适合采用如下图所示的分型面，该分型面能够保证模具制造方便，结构合理，注塑充填工艺性能好。图3.2 分型面的选择第四章 模具浇注系统的设计4.1 浇注系统的组成浇注系统是原料从注塑机喷嘴出来以后一直到达模具型腔的这一段距离内产品的凝料，合理设计浇注系统是非常重要的，浇注系统一般分为普通流道和无流道两种，普通流道就是常见的冷流道，包括了主流道、分流道、浇口、冷料穴，这几个重要特点。如果是无流道系统，一般指的是采用了专门的热流道浇注系统，这类一般造价昂贵，结构复杂，在大型精密模具中才会应用。4.2 浇注系统的设计原则1.确定一个合适的流道截面类型，一般有圆形，梯形，半圆形等形状。2.根据材料自身的成型性能、以及塑件的结构形式，出模数量，来确定流道的尺寸大小，长度。3.主流道、分流道的尺寸长度应该尽可能的短，这样才能减少原材料的损耗，提高经济效益。4.浇注系统周边尽可能的不要设计冷却系统，避免浇注系统在进入型腔之前就过快的冷却。5.浇注系统要尽可能的设计冷料穴，让充填前端的冷却凝料不要进入模具型腔里面影响塑件的成型。6.浇口的设计要尽可能的保证充填的均匀，饱满，同时又要兼顾塑件的表面外观质量。7.浇口尽可能的设计在塑件的隐秘区域，而且要有利于区域浇口衬套，不能影响外观。8.流道的废料要尽可能的少。4.3 流道的设计4.3.1 主流道的设计主流道一般是从注塑机连接浇口衬套一直到分流道连接处截止的流道，也可以说是浇口衬套内的流道，一把从注塑机出来的凝料首先就要经过他，一般情况下主流道和模具的正中心呈现一个中心重合状态。浇口衬套与注塑机喷嘴需要满足如下图所示的关系式：D = d + (0.5 1) mm R1= R2 + (1 2) mm 图4.1 浇口衬套与注塑机配合关系4.3.2 分流道的设计凝料流过主流道之后，就要进入分流道了，分流道要求塑料原料尽可能快的进入模具型腔，温度的损失要尽可能的小，模具流道的表面要尽可能的抛光，让阻力小一些，同时为了提高注射的压力，此处的分流道应该比主流道略小。分流道的尺寸结合一般塑件的壁厚2-3mm，考虑塑件的实际结构情况，可以采用圆形截面的分流道，分流道的直径一般取值范围在3-10mm之间变动，如果材料的流动性比较好，分流道的尺寸还可以小一点，如果原材料的流动性比较差，那么就需要较大的分流道直径了。分流道的设计方面，应该尽可能的避免弯折或者转向，保证其射度不能过快的降低。本次设计中，采用了梯形截面的分流道，查表确定分流道尺寸取值为：高度=4.5mm;宽度=6mm4.3.3 冷料穴的设计冷料穴是为了把充填前端的冷却较快的锋料储藏起来，避免进入模具型腔里面影响塑件质量的一个区域，一般设计在主流道的末端，下面设计有勾料针，把凝料拉出来，如果是分流道的长度比较长的时候，也会在分流道的末端设计一个冷料穴来储藏锋料。一般情况下，冷流道的直径取值范围在5-14mm之间，深度大概是6-10mm左右，如果是大型的模具，可能还会开设更大的冷料穴。冷料穴没有精度要求，只要能够储藏前端锋料即可冷料穴下部设计有勾料针，一般采用Z形勾料针，这种加工简单，使用方便。4.3.4 浇口的设计浇口是浇注系统设计中最重要的一个位置了，浇口的位置以及结构形式，对塑料产品的影响非常大。浇口的类型有：直接式浇口；侧入式浇口；潜入式浇口；点式浇口；牛角式浇口等浇口类型。浇口的作用是连接分流道末端与塑料产品之间的桥梁，浇口的位置应该尽可能的小，保证塑件的外观质量良好，同时还要考虑充填的流动性，尽可能的避免熔接痕的产生，如果在塑件的孔位产生了熔接痕，这会导致塑件的强度降低。本次设计中，综合塑件质量要求与模具结构形式，采用点浇口浇注系统，其尺寸查表后取值如下：完成后的浇注系统如下图所示图4.2 浇注系统结构形式4.4 浇注系统标准件的选用本次设计中，采用了标准的浇口衬套和定位环，标准件的采用能够缩短设计与制造周期、提高模具经济成本，更换容易，修模维修简单。能够更好的提高生产效率。图下图所示为定位环与浇口衬套结构形式。图4.3定位环与浇口衬套结构形式第五章 模具成型系统设计模具的成型零件一般包含了型芯、型腔、各种与塑件想接触的成型区域零件的镶件等零件。而在本文中，特指的是型芯和型腔的结构设计。设计的时候要考虑塑料的材料性能，以及对应的尺寸需求，塑件精度等级、表面粗糙度等技术指标，还需要考虑成型零件的加工便利性。5.1 型腔结构设计型腔主要用于成型塑件的外表面或者外观面，型腔上一般还有浇注系统的流道，以及冷却水道。本次设计中，采用的是镶嵌式的型腔结构形式，该结构加工简单，制造容易，更换维修方面，机械加工与装配工艺简单，适合本次模具设计，完成后的模具型腔结构设计如下图所示。图5.1 模具型腔结构设计5.2 型芯结构设计型芯主要是用于成型塑件的内表面或内部结构特征，型芯上一般还有顶出脱模机构，能够让顶杆实现顺利的脱模，以及冷却水道。本次设计中，采用的是镶嵌式的型芯结构形式，该结构加工简单，制造容易，更换维修方面，机械加工与装配工艺简单，适合本次模具设计，完成后的模具型腔结构设计如下图所示。图5.2 模具型芯结构设计5.3 型腔成型零件尺寸计算型腔径向尺寸的计算采用平均尺寸法，公式如下：式中： ；（0.55%）；型腔长度尺寸计算为：型腔宽度尺寸计算为：（2）型腔深度尺寸计算型腔深度尺寸采用平均尺寸法，公式如下：式中 ；其他符号意义同上。5.4 型芯成型零件尺寸计算1、型芯尺寸的计算（1）型芯径向尺寸计算型芯径向尺寸的计算采用平均尺寸法，公式如下：；其他符号意义同上。型芯长度尺寸计算为：型芯宽度尺寸计算为：（2）型腔深度尺寸计算型芯深度尺寸采用平均尺寸法，公式如下：；其他符号意义同上。5.5 成型钢材的选用成型零件的钢材一般需要选择专门的模具钢，需要具备几个重要的因素：1.钢材的机械加工性能要好，能够实现机床的快速切削，并且在加工以后的精度要高，不易变形。2.具备较好的省模抛光性能，一般情况下，模具要达到Ra0.8的表面粗糙度等级，已经是接近镜面的光洁度了，如果是镜面高光模具，还需要达到Ra0.4mm的表面粗糙度。3.具备良好的强度和刚度，一般情况下，成型零件钢材的硬度需要达到38-42HRC左右的硬度，太软了容易承受不了注塑机压力而产生变形，如果是硬度过高，又会机械加工切削困难。4.具备较好的耐磨性和耐腐蚀性，对于某些塑料材料，在注塑成型的时候塑料材料自身具备一定的腐蚀性和，需要材料能够抵抗一定的腐蚀性，其次就是一些滑动工作零件需要长期的摩擦配合工作，所以需要具备一定的耐磨性能。综合以上几点钢材选择要求，本次设计中选择了牌号为718H钢材，这种模具钢材能够很好的适应本次设计的以及模具生产需求。718H的GB标准钢材的代号是3Cr2NiMo，这种钢材材质均匀，纯洁度好，抛光性能也不错，机械加工性能好。可以满足一般塑胶模具的成型零件需求。718H钢材如下图所示图5.3 718H模具钢材第六章 模具温度系统设计6.1 模具温度调节系统概述注塑机通过把颗粒状的塑料原材料加热加压融化后注射到注塑模具的型腔里面，然后熔料在模具的型腔里面一直冷却凝固后成型，这段时间是由熔融装在下的树脂原料和模具的温差共同实现的，一般情况下注射的原材料温度在200-300之间，而模具的温度一般情况下是人手可以轻微触摸的，在40-80之间，根据不同树胶材料的成型温度不同，需要对应的调节模具的温度，来加速冷却效应，缩短成型周期，并且需要保证这个冷却过程是均匀的逐步冷却过程的，不然过快或者过慢的冷却，都会导致塑件质量的不稳定或者瑕疵产品的产生。在做模架温度调节系统设计时候，首先需要材料的自身物理性能，可以通过查询材料物性表来获取材料的注射温度和模具温度，根据材料参数来进行一下调节：（1）、如果注塑成型的时候材料温度不够的情况下，需要增加模具的加热装置。（2）、如果成型塑件的壁厚过大的时候，为了防止收缩，好考虑增加加热装置。（3）、如果成型温度超过材料要求的温度，就必须要增加模具冷却装置。（4）、一般情况下，在做热塑性材料成型时，都需要设计冷却系统，来缩短其生产周期，提高生产效率，快速降低模温。6.2 模具冷却系统设计要求（1）、冷却水管的间距需要基本保持一致，水管与塑件之间的间距也要尽可能一致，需要排布均匀，形状也需要尽可能一致。（2）、冷却水管的直径一般取值为6-14mm之间的直径，冷却水管和产品之间的间距保证在15-30mm之间的间距，如果太近的话，冷却会过快，如果太远的话，冷却效果又会太差。（3）、冷却水管要先避开浇注系统的流道和浇口，避免浇注系统过快的冷却而损失压力和射速。（4）、冷却水管要考虑塑件成型时候的熔接线位置，尽量不要设置在有熔接线的位置。（5）、冷却水管整体要形成一个闭合回路，还需要重点实现不同零件之间的联通，保证不同零件之间的密封性，通常可以使用防水圈连接，水道止水栓来实现水道末端的封闭。（6）、冷却水嘴的接头端应该尽可能的设置在操作人员的背面，这样不影响员工的调试与操作。（7）、动模部分与定模部分最好能够分别独立的设计冷却水道，这样可以方便注塑工艺的调试以优化和控制注塑工艺产生的产品缺陷和不良。（8）、模具冷却水管的设计方面，需要考虑加工的便利性，一般是采用麻花钻、深孔钻来加工，要考虑机床加工性，麻花钻的直径等因素。6.3 冷却水道的形式类型冷却水道最终要形成一个闭合的回路，让各个区域都要冷却均匀。常见的方式有直通式，串联式，并联式，环绕式，水塔式（水井式），喷泉式，多层循环式，侧面环绕式，平面螺旋式。本次设计中，结构模具结构形式，塑件结构特点，考虑浇注系统与成型系统，采用了环绕式冷却水道，如下图所示。图6.1 模具冷却系统设计6.4 模具冷却水道的计算校核根据热平衡计算：在单位时间内熔体凝固时放出等热量等于冷却水所带走的热量，故有公式：；）；1).求塑料制品在固化时每小时释放的热量Q设注射时间为2s，冷却时间为20s，保压时间为15s，开模取件时间为3s.，得注射成型周期为40S。设用20的水作为冷却介质，其出口温度为28，水呈湍流状态，一个小时成型次数n3600/4090查注塑模具设计指导手册得ABS单位重量放出的热量 故：2).水的体积流量由公式3).求冷却水道直径d根据水的体积流量查注塑模具设计指导手册1得d=6mm；本次设计中的冷却水道满足要求。第七章 模具顶出脱模机构7.1 顶出脱模机构概述在塑件完成注塑成型之后，熔融装在下的凝料完成固化，根据塑料材料的特性，塑料材料会产生一定的收缩性，随着塑件的收缩，而塑件又在型芯部分，所以必然会产生一定的包裹力，需要克服脱模时的瞬时大气真空力以及持续脱模时的摩擦力。脱模系统在顶出塑件的时候，不能损坏塑件，需要保证塑件的完整形态，不能有沾模，顶白，顶穿等不良现象，顶出的位置不能够影响塑件的表面外面质量。脱模方向与模具的开模方向相同，且在注塑机顶棍中心线上受力顶出。7.2顶出机构零件顶出系统的零件包括常见的顶杆、顶板、顶针面板、顶针底板、复位杆、复位弹簧等零件。如果涉及其他的顶出脱模类型，还有气动脱模机构，液压脱模机构，齿齿轮齿条旋转脱模机构，液压马达旋转脱模机构等等。顶出系统的顶出力要均匀稳定，不能倾斜。7.2顶出脱模机构的分类根据动力来源划分，脱模机构一般可以分三大类别：（1）、手动脱模机构，这类脱模机构现在非常少见，方法是模具在打开之后，采用人工操作的方法去取出塑件，非常浪费时间，效率低下。（2）、机械推出脱模，这类是最常用的脱模方式，也是应用最广泛的方式，这类脱模依靠注塑机上面的顶棍，通过模具底板的顶棍孔顶出顶杆或者推板，完成塑件的脱模，这类机械脱模脱模方式工作可靠，顶出行程，顶出速度，顶出时间，均可以通过注塑机伺服机构调节，能够实现大批量稳定连续生产，应用广泛。（3）、其余脱模机构，一般用在特殊模具结构中，包括的液压动力推出机构，气动推出脱模机构，内螺纹旋转脱模机构，前模顶出脱模机构等。7.4 脱模机构的设计要点脱模顶出是模具设计的重要环节，一般脱模顶出系统的设计需要遵循以下几个要点：（1）、顶出结构的设置要平衡，使得塑件能够均匀受力。防止塑料产品在顶出脱模时产生变形。（2）、要考虑塑件的结构特点和使用性能，保证塑件的外观优良，特别是高光和透明性产品，顶出机构的设计必须要在隐秘位置，其次不能影响塑件的使用结构。（3）、顶出机构的设置应该在塑件的受力位置，这样材料实现最大脱模力的产生。这样顶出的时候，塑件的强度好，承受能力大，不至于产生产品的不良现象。（4）、如果塑件又较深的骨位，支撑柱结构结构特征，为了防止脱模困难，也需要设计脱模机构。（5）、顶杆的布置应该尽可能在塑件的圆角或者斜角位置。（6）、顶杆最好能够实现对称分布。使得顶出力均匀。（7）、在有滑块抽芯机构的模具中，顶杆在运动的时候不能和滑块抽芯机构产生干涉现象。（8）、需要考虑成型零件的镶件位置，不能考得太近，要保证成型零件的刚度和强度。（9）、顶出系统不能和成型零件的冷却水道。固定螺丝等零件产生干涉现象。（10）、顶杆的边缘距离成型钢料的边缘需要保证有1-2mm的距离，以保证成型零件的强度和刚度。根据以上设计要点进行模具的顶出脱模机构设计，完成后的顶出脱模机构如下图所示。图7.1 顶出脱模机构设计第八章 标准模架的选用8.1 模架概述随着机械工业与模具制造业的发展，现在逐渐的实现了标准化，在模具中，现在已经实现了标准模架型号的GB国标规范，国内企业中，比较出名的标准模架企业有龙记模架，明利模架、环胜模架，标准模架的分类包含了大水口模架系统，细水口模架系统，简化细水口模架系统，标准模架的选用可以大大的缩短设计与制造的周期，并且可以提高制造精度。8.2 标准模架的选用选用标准模架的方式按照以下方法进行1.考虑浇注系统的特点，确定模架的基本类型2.结合型芯、型腔的外形长宽高尺寸，先确定模板的长宽高尺寸。3.考虑塑件的顶出行程，确定垫块的高度。最后，综合以上几点因素，查表确定标准模架的型号和规格，在实际工作中，还需要考虑整套模具的实际结构形式来综合选择标准模架的型号。8.3 模架型号的确定根据以下方式进行选择模架型号模架长度=型腔长度+（50-80）mm250mm模架宽度=型腔宽度+（50-80）mm250mm定模板高度=型腔高度+（30-50）mm100mm动模板考虑=型芯高度+（40-60）mm70mm垫块高度=顶出行程/0.8+面针板厚度+底针板厚度+垃圾钉高度100mm综合上述数据，结合浇注系统结构形式，选择CI2525-A100-B70-C100型号的标准模架，标准模架的简图如下图所示。图8.1 模架基本结构形式第九章 注塑机的选择与校核9.1 注塑机的概述注塑机又可以成为注射机，他的作用是把颗粒状态下的原始高分子塑料进行上料加热，经过注塑机蜗杆旋转加热，让高温高压状态下的融化原材料注射进入模具的型腔里面固化成型，注塑机一般有卧式注塑机，立式注塑机，双色注塑机这三类。本次设计中可以采用卧式注塑机进行生产，卧式注塑机工作原理如下图所示。图9.1 注塑机原理图9.2 初选注塑机型号注塑机与注塑模具相互配合，其中既包含了相关的安装尺寸的校核，也包括了注塑量，注塑压力，顶出脱模行程等参数的校核，本次设计中，结合注塑模具的尺寸大小，注塑量等要求进行初步选择注塑机，然后再对注塑机中的参数进行校核。本次设计中，初选注塑机的型号为HT160XB，其参数表如下型号1602A1602B1602C 参数螺杆直径404548理论注射容量253320364注射重量PS230291331注射压力202159140注射行程201螺杆转速0230料筒加热功率9.3锁模力1600拉杆内间距(水平垂直)455455允许最大模具厚度500允许最小模具厚度180移模行程420移模开距(最大)920液压顶出行程140液压顶出力33液压顶出杆数量5油泵电动机功率18.5油箱容积240机器尺寸(长宽高)5.41.452.05机器重量5最小模具尺寸(长宽)320320表9.1注塑机参数9.3 校核注塑机注塑量在校核注塑机的最大注塑量的时候，首先通过三维软件测量浇注系统和塑件的总体积V，然后根据一般机械安全系数取值80%计算。需要满足以下公式。查注塑机参数表，注塑机的额定注塑量为320cm，所以满足注塑量的要求。9.4 校核压力查注塑机参数表，注塑机的额定注射压力为159Mpa，而本次选择的材料注塑压力范围值为100-120Mpa之间，满足注塑压力要求。9.5 校核模具安装尺寸查注塑机参数表，注塑机的拉杆内间距尺寸为455x455mm，而本次设计的模具外形尺寸为300x250mm，所以满足长宽尺寸的要求。查注塑机参数表，注塑机的容模厚度为180-500mm之间，而本次设计的模具总高度为355mm，多以满足高度要求。综上：模具长宽高的安装尺寸要求在注塑机的安装尺寸范围内。9.6 校核移模行程注塑的工作的时候，不但要顶出塑件，还要把模具打开，让机械手或者人工可以取出塑件，根据以下公式校核，查表注塑机总的开模行程为420mm；式中 所以满足开模行程的要求。9.7 校核注塑机锁模力当高温高压下的融料进入模具型腔之后，会对模具产生张开力，使得模具会在压力状态下打开，所以需要让注塑机把模具的前后模呈现锁紧状态。避免产生溢料、毛边、披锋等现象。投影面积可以直接在三维软件中测量得到，校核公式如下；式中：F-注塑机的额定锁模力n-型腔数量P-平均型腔成型压力，取值范围查表取30Mpa经过校核计算，满足注塑机锁模力的要求。第十章 Moldflow的注塑模拟成型分析10.1 成型模拟简述本次课题设计主要利用MoldFlow软件对浇注系统进行分析，了解塑件在成型过程中的状态以及其成型性能。在Moldflow软件中，选用其中的MPA模块，这个模块对注塑模具方面的许多问题都能提供比较近似的解决方案，完美结局有关塑料模具方面的问题。本次分析的成型过程主要包括收缩痕、气泡和熔痕分析、充填性能分析、流动分析、预测成型的质量以及选择最佳的浇口位置。这次设计使用MPA模块的过程只是进行相对简单的分分析。对注塑机的参数设置如下所示：注塑机参数: 最大注塑机锁模力 = 7.0002E+03 tonne 最大注射压力 = 1.8000E+02 MPa 最大注塑机注射率 = 5.0000E+03 cm3/s 注塑机液压响应时间 = 1.0000E-02 s 工艺参数: 充填时间 = 1.9000 s 自动计算已确定注射时间。 射出体积确定 = 自动 冷却时间 = 20.0000 s 速度/压力切换方式 = 自动 保压时间 = 10.0000 s 螺杆速度曲线(相对): % 射出体积 % 螺杆速度 0.0000 100.0000 100.0000 100.0000 保压压力曲线(相对): 保压时间 % 充填压力 0.0000 s 80.0000 10.0000 s 80.0000 20.0000 s 0.0000 环境温度 = 25.0000 C 熔体温度 = 230.0000 C 理想型腔侧模温 = 50.0000 C 理想型芯侧模温 = 50.0000 C表10-1 注塑机参数设置对注塑模流材料做如下设置10.2成型过程分析在Moldflow界面导入UG所绘制的三维模型，首先确定软件的分析单位，然后对塑件产品进行 网格划分。网格划分是有效分析的先决条件。塑件的网格划分的方法主要有以下三种：中性面、零件表面、3D数模，如图9-1所示。图10-1网格划分方法在MOLDFLOW软件中选择菜单，导入绘制的模型，对壁厚开始分析以及统计曲面网格。本课题采用双层面（双面流）的方法对塑件进行网格划分，分析的内容项目主要包括塑料熔体的平衡流动、模具是否困气、模具的冷却、产品的熔接痕以及注塑后可能发生的产品变形等。通过软件对塑件进行网格划分，模型细节如下所示。模型细节 : 网格类型 = 双层面 网格匹配百分比 = 90.2 % 相互网格匹配百分比 = 90.5 % 节点总数 = 8593 注射位置节点总数 = 1 注射位置节点标签是: 546 单元总数 = 16238 零件单元数 = 16238 主流道/流道/浇口单元数 = 0 管道单元数 = 0 连接器单元数 = 0 分型面法线 (dx) = 0.0000 (dy) = 0.0000 (dz) = 1.0000 三角形单元的平均纵横比 = 3.8573 三角形单元的最大纵横比 = 56.8747 具有最大纵横比的单元数 = 5832 三角形单元的最小纵横比 = 1.1643 具有最小纵横比的单元数 = 33827 总体积 = 89.3110 cm3 最初充填的体积 = 0.0000 cm3 要充填的体积 = 89.3110 cm3 要充填的零件体积 = 89.3110 cm3 要充填的主流道/流道/浇口体积 = 0.0000 cm3 总投影面积 = 177.7118 cm2表10-2 塑件的网格参数在对注塑机的参数设置完毕后，还需要设定需要进入模流分析的参材料参数，本次设定的是热塑性材料，他的详细数据与参数如下所示。材料数据 : 树脂 : (0% Rubber) : Monsanto Kasei pvT 模型: 两域修正 Tait 系数: b5 = 366.0300 K b6 = 2.5500E-07 K/Pa 液体阶段 固体阶段 -b1m = 0.0010 b1s = 0.0010 m3/kgb2m = 6.1390E-07 b2s = 3.0210E-07 m3/kg-Kb3m = 2.0321E+08 b3s = 2.5425E+08 Pab4m = 0.0053 b4s = 0.0043 1/Kb7 = 0.0000 m3/kgb8 = 0.0000 1/Kb9 = 0.0000 1/Pa 比热(Cp) = 2400.0000 J/kg-C 热传导率 = 0.1800 W/m-C 粘度模型: Cross-WLF 系数: n = 0.2808 TAUS = 7.0508E+04 Pa D1 = 1.2400E+11 Pa-s D2 = 373.1500 K D3 = 0.0000 K/Pa A1 = 25.8490 A2T = 51.6000 K 转换温度 = 100.0000 C 机械属性数据: E1 = 1200.0000 MPa E2 = 1200.0000 MPa v12 = 0.4300 v23 = 0.4300 G12 = 419.6000 MPa 热膨胀(CTE)数据的 横向各向同性系数: Alpha1 = 0.0001 1/C Alpha2 = 0.0001 1/C表10-3 材料数据10.3 充填时间分析充填的时候，塑料熔体沿着流道进入模腔，设计的时候将4个浇口的流道设计成相等的长度，塑料熔体容易开始注入到到达浇口的时间是相等的。进入型腔之后，同时充填各个部分。如下图所示，深蓝色的部位是填充时间最短的区域，相反，红色区域就是填充时间最长的区域，也就是说红色区域是塑料熔体最迟到达的地方。不填充的区域讲没有任何颜色。下图比较清楚地显示了整个模腔的充填时间。图9-2 充填时间从上图分析可以得出，该模具型腔每一个部位都得到了塑料熔体的填充，填充的效果还是比较好的，这就表明塑料熔体的流向比较均匀，在最后填充的额部位，塑料熔体到达的时间都是相同的。软件分析塑料熔体的充填时间大约为2.518s。10.4流动前沿温度分析流动前沿温度是的是塑料熔体充填一个节点时的中间流温度，这个温度是充填过程中流动波前温度的分布，它代表的是流道截面中心的温度，通常情况下不会有太大的变化。熔接线首先形成的地方是在截面的中心，所以，如果流动前沿的温度高，熔接线强度一般都会高；若流动波前温度下降的趋势比较快，接近于凝固温度，那就会阻碍了后面塑料熔体再进入这个区域，产生短射。在壁厚较薄的地方，有可能会出现不能充填的情况，在软件中，这个区域没有温度显示。分析的结果如下图所示。图10-3 流动前沿温度图中的红色区域表示流动前沿温度比较高，塑料熔体都可以充填这些区域。蓝色区域表示这些部位流动前沿温度比较低，可能会发生塑料溶体凝固的现象，导致溶体停滞流动或者流速过满。结果：流动前沿温度最高为230.4，最低式222.7。10.5 顶出时体积收缩率顶出时的提及收缩率指的是堵料溶体最初进入模具型腔之后的体积与熔体保压冷却成型以后的体积比。体积收缩率的分析如下图所示。图10-4 体积收缩率从图中的分析数据可以得出，顶出时的体积收缩率为6.55%，越靠近流道末端，收缩率越小，蓝色区域的收缩率最小。9.6 锁模力的分析在注塑过程中，当定模与动模在注塑机的作用下合模，就会产生一定的锁模力，锁模力会随着时间的变化 而发生变化。锁模力与注塑机的额定锁模力相互紧密联系，也与塑件在Z轴方向上面的投影面积、成型压力存在一定的函数关系，软件所模拟的结果一般不应该超过近注塑机额定锁模力的80%，以确保安全。对模具进行锁模力分析的结果如下图所示。图10-5 锁模力xy图由上图可以看出，锁模力也随着注塑机开始注塑而发生变化，在塑料熔体进入模具型腔后，锁模力逐渐增加，大约完成一次塑件注塑周期之后，锁模力达到最大，之后进入压力逐渐减小的阶段。结果：需要最大锁模力约为7.5T。10.7 冻结层因子分析冻结层因子是取一个中间值，跟随时间的变化，冻结层因子也随之变化，从最小的取值一直到最大的取值。冻结层因子其数值范围在0-1之间，其理想状态是在一个恒定的值，在充填的过程中，冻结层一般都应该在恒定的厚度之间，使得每个部位流动的连续均匀。冻结层因子的分析结果如下图所示。图9-6 冻结层因子从图上可看出塑件在32.52S时已经凝固下来。10.8 熔接痕分析塑料熔体在不同的浇口进入型腔之后，跟随型腔的外形缓缓流动，在流动的过程中，例如熔体相遇的地方就有可能会出现熔接痕，类似熔体相遇的区域，出现熔接痕的概率就会越大。熔接痕是塑件结构上的一种瑕疵或缺陷，尤其是一些对外观要求比较高的产品来说，更是一种致命的影响，严重影响着塑件的正常使用。一般来说，影响熔接痕的因素有很多，包括注塑工艺的参数（温度、注射压力、保压压力、注射速度和时间等）、模具的结构（浇注系统、排气系统、冷料井、温度控制系统、型腔型芯的表面粗糙度）等。在Moldflow软件中进行模拟分析，可以看出熔接痕大概会出现的区域，如下图所示。图10-7 熔接痕10.9 变形量分析变形量主要与材料的收缩率有关系，不同材料的收缩率都是不一样的，收缩是注塑过程中塑料本身的一种变形属性，这种收缩与模具结构、浇口的位置等的因素没有太大的联系。通过软件的分析，我们可以提前知道塑件在注塑成型后的变形状况，但是这个情况只是接近，并不完全是这样，需要对实际的情况进行分析。总变形量如下图所示。图10-8 总变形量从以上各图可以得出总的变形量
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