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乐高玩具积木注塑模具设计,玩具,积木,注塑,模具设计
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引 言1.1前言 模具工业是国民经济的基础工业，是国际上公认的关键工业。模具生产技术水平的高低是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，它在很大程度上决定着产品的质量，效益和新产品的开发能力。振兴和发展我国的模具工业，正日益受到人们的关注。早在1989年3月中国政府颁布的关于当前产业政策要点的决定中，将模具列为机械工业技术改造序列的第一位。随着社会的发展，人类生活水平的提高。人们对电子产品的要求日益增高，不但要求有的效果，还应有美观大方的外表。设计和制造者都应以人为本，创造人类的视听梦想。1.2 国内外相关研究情况1.2.1 我国模具工业现状及发展趋势塑料工业近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。随着塑料制品复杂程度和精度要求的提高以及生产周期的缩短，主要依靠经验的传统模具设计方法已不能适应市场的要求，在大型复杂和小型精密注射模具方面我国还需要从国外进口模具。从市场情况来看，塑料模具生产企业应重点发展那些目前需进口的技术含量高的大型、精密、长寿命模具，并大力开发国际市场。随着我国塑料工业的快速发展，特别是工程塑料的高速发展，可以预计，我国塑料模具的发展速度仍将继续高于模具工业的整体发展速度，近年内年增长率将保持15%以上的水平。1.2.2国外模具工业的发展状况我国模具生产厂中多数是自产自配的工模具车间（分厂），自产自配比例高达60%左右，而国外模具超过70%属商品模具。专业模具厂大多是“大而全”、“小而全”的组织形式，而国外大多是“小而专”、“小而精”。国内大型、精密、复杂、长寿命的模具占总量比例不足30%，而国外在50%以上。2004年，模具进出口之比为3.7：1，进出口相抵后的净进口额达13.2亿美元，为世界模具净进口量最大的国家。 欧美许多模具企业的生产技术水平，在国际上是一流的。将高新技术运用于其中已成为快速制造优质模具的有力保证。CAD/CAE/CAM的广泛运用，显示了用信息技术带动和提升模具工业的优越性，在欧美，这些已得到广泛应用。CAE技术在欧美也逐渐成熟，在注射模设计中应运CAE分析软件，预测成型过程中可能发生的缺陷。CAE技术在模具设计中的作用越来越大，意大利COMAU公司应运CAE技术后，试模时间减少了50%以上。 为了缩短制模周期、提高市场竞争力，普遍采用高速切削加工技术。目前，欧美模具企业在生产中广泛应运数控高速铣，三轴联动的比较多，也有一些是五轴联动的，大大缩短了制模时间。欧美模具企业十分重视技术进步和设备更新。设备折旧期限一般为4-5年，增加数控高速铣是模具企业设备投资的重点。2 塑件的工艺分析2.1 塑件成型工艺性分析该塑件体积较小，外形结构较为简单，高25mm，长为23mm，宽为15mm。塑料产品外部结构简单，侧凹结构无法直接成型，需借助侧抽芯结构成型。绘制出产品三维图如图2.1所示图2-1 塑件零件图2.2 塑件结构工艺性分析2.2.1 塑件的尺寸精度分析该塑件尺寸精度无特殊要求，所有尺寸均为自由尺寸，考虑到塑件用途，采用MT4级一般精度查取公差.2.2.2塑件表面质量分析塑件表面质量包括表面粗糙度和表观质量，塑件的表面粗糙度主要与模具型腔的表面粗糙度有关，模具在使用过程中，由于型腔磨损而使表面粗糙度不断加大，应随时进行抛光复原。对于ABS塑料，粗糙度可以达到Ra=0.025m、0.05m、0.1m、0.2m、0.4m、0.8m、1.6m，外表面要求光洁，因此塑件外表面粗糙度需要至少达到Ra=0.8m，内表面Ra=1.6m。因此需要对型腔表面进行抛光，达到表面粗糙度要求。2.3 塑料分析在对本次设计产品结构分析之前,首先为儿童积木选择合适的材质。 儿童积木的材质的选择是由产品使用性质决定的，考虑其工作要求，由于是一个玩具，首先要具有良好的机械性能和耐磨性。这样才能满足其作用。综合考虑以上特点，选用材质为ABS。ABS中文名：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物英文名：Acrylinitrile-Butadiene-Styrene。2.3.1 ABS基本特性ABS是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯共聚而成的。这三种组分的各自特性，使ABS具有良好的综合力学性能。丙烯腈使ABS有良好的耐腐蚀性及表面硬度，丁二烯使ABS坚韧，苯乙烯使它有良好的加工性和染色性能。ABS无毒、无味，呈微黄色，成型的塑件有较好的光泽，密度在1.021.05g/cm3,其收缩率为0.30.8%。ABS 吸湿性很强，成型前需要充分干燥，要求含水量小于0.3%。流动性一般，溢料间隙约在0.04mm。ABS有极好的抗冲击强度，且在低温下也不迅速下降。有良好的机械强度和一定的耐磨性、耐寒性、耐油性、耐水性、化学稳定性和电气性能。水、无机盐、碱、酸类对ABS几乎无影响，在酮、醛、酯、氯代烃中会溶解或形成乳浊液，不溶于部分醇类及烃类溶剂，但于烃长期接触会软化溶胀，ABS塑料表面受冰醋酸、植物油等化学药品的侵蚀会硬气放映开裂。ABS有一定的硬度和尺寸稳定性，易于成型加工。经过调色可陪成任何颜色。其缺点是耐热性不高，连续工作温度为70左右，热变形温度约为93左右。耐气候性差，在紫外线作用下易变硬发脆。2.3.2 成型特点ABS在升温时粘度增高，所以成型压力较高，塑料上的脱模斜度宜稍大；易产生熔接痕，模具设计时应注意尽量减小浇注系统对料流的阴力；在正常的成型条件下，壁厚、熔料温度及收缩率影响极小。要求塑件精度高时，模具温度可控制在5060oC，要求塑件光泽和耐热时，应控制在6080 oC。2.3.3 ABS主要技术指标比重：1.021.16g/cm3。 比容：0.860.98cm3/g吸水性：0.20.4% (24h)。熔点：130160oC。热变形温度：4.6105Pa- 130160oC。 18.5105Pa- 90108oC。 抗拉屈服强度(105Pa): 500 拉伸强度模量：1.8104 Mpa 弯曲强度：800105Pa2.3.4 ABS的注射工艺参数 注射机类型： 螺杆式 螺杆转速： 3060 r/min 喷嘴形式： 直通式 喷嘴温度： 190200oC 料筒温度： 前 200210oC 中 210230oC 后 180200oC 模温： 5080oC 注射压力： 70120Mpa保压力： 5070Mpa注射时间(s)： 35保压时间(s)： 1530冷却时间(s)： 1530成型周期(s)： 4070第 26 页 共 26 页3 拟定模具的结构形式和初选注射机3.1 分型面位置的确定分型面是指分开模具塑件和浇注系统凝料的可分离的接触表面。分型面的形式与塑件的几何形状、脱模方法、模具类型及排气条件浇口形式有关。选择分型面要遵循几项原则，现主要归纳为以下几点： 1)分型面应选在塑件外形最大轮廓处;2)使塑件在开模后留在动模上;3)分型面的痕迹不至于塑件表面的外观造成影响;4)浇注系统,特别是浇口能合理的安排;5)使推杆痕迹不露在塑件外观表面上;6)使塑件易于脱模。7）侧抽芯机构尽量布置在动模上通过对塑件外形的分析，以及分型面选择的相关原则4选取塑件截面积最大而且利于取出塑件的下表面为分型面，很容易判断出塑件下表面为本次模具设计的分型面，分型面位置如图4-1所示。图4-1 分型面的选择3.2 型腔数量和排位方式的确定考虑型腔数目的时候，通常要综合以下因素： 产品尺寸精度； 模具制造成本； 注塑成形的生产效益； 制造难度。腔数越多,难度越大。此处生产批量为中批量生产，综合考虑生产批量，而且塑件体积比较小，考虑产品精度和到生产效率，准备采用一模四腔比较合适。为了保证塑料熔体均匀地充满每个型腔,使各型腔的塑件内在质量均一稳定。这就要求型腔与主流道之间的距离尽可能短，同时采用平衡流道。一模4腔常见排位的形状分多钟有“O”“H”“X”， 为了保持流道平衡采用教材中一模四腔模具型腔在模板上的排列方式通常采用H形排列，型腔布局如图所示。图3-2 型腔数量及排列方式3.3 注射机型号的确定（1） 通过软件分析得塑件体积，塑件体积：（2） 因为流道塑件属于未知数，流道凝在分型面上的投影面积是每个塑件在分型面上的投影面积的0.2-0.5倍，这里取0.3倍进行估算：因此塑料熔体总体积为：模具成型的塑料制品和流道凝料总体积应小于注射机的额定注射量的80%，根据塑件的质量和体积，查注射机的有关资料，初选XS-ZY125卧式注射机，其主要参数参考相关文献5如表4-3所示。表4-3 XS-ZY125注射机技术参数项目参数项目参数理论注射容积/cm3125塑化能力(kgh-1)29.6螺杆直径/cm42拉杆内间距/mm260-290移模行程/mm300注射压力/MPa120最小模具厚度/mm200最大模具厚度/mm300模具定位孔直径/mm100锁模形式液压-机械喷嘴口直径/mm3锁模力/kN900喷嘴球直径/mm12最大成型面积/cm21604 浇注系统的设计浇注系统是熔融塑料从注射机喷嘴到型腔的必经通道，它直接关系到成型的难易和塑件的质量，是注射模设计中的重要组成部分。浇注系统的作用是使熔融塑料平稳、有序地填充到型腔中去，且把压力充分地传递到型腔的各个部位，以获得组织致密、外形清晰、美观的塑件。对浇注系统设计的具体要求是：a. 对模腔的填充迅速有序；b. 可同时充满各个型腔；c. 对热量和压力损失较小；d. 尽可能消耗较少的塑料；e. 能够使型腔顺利排气；f. 浇注道凝料容易与塑料分离或切除；g. 不会使冷料进入型腔；浇口痕迹对塑料外观影响很小。浇注系统组成是：主流道、分流道、浇口、冷料井。4.1主流道的设计主流道在整个浇注系统中是一个类似于先锋兵的角色，它的职责决定了设计制造方面的困难性，因为要考虑的因素有很多，一方面是流体带来的高压与高温，一方面也要兼顾后续的分流道与其他系统的设计分布情况，通常来说，整个塑料模中最容易损耗的地方就是主流道。所以主流道的锥度角常在2度4度这个范围中取值，若取值过小会使浇道凝料脱模时候难易取出，本此护壳注射模主流道设计中取2度,主流道内壁粗糙度取在Ra0.8以下。根据选用的XS-ZY125型号注射机的相关尺寸得： 喷嘴前端孔径：mm 喷嘴前端球面半径：R0 = 12mm所以：主流道小端直径d=注射机喷嘴直径+（0.51)mm=4mm；主流道的球半径 SR = 注射机喷嘴球头半径+（12）mm=13mm；球面配合高度h=3mm；2） 主流道衬套形式主流道衬套的结构形式 常见主流道衬套形式由以上三种，本设计虽然是小型模具，但为了仅于加工和缩短主流道长度衬套和定位圈还是设计成分体式，主流道长度约等于定模板与定模座板的厚度之和，材料采用T10制造热处理强度为5256HRC . 4.2分浇道的设计分流道的作用是分流，即将流经此地的流体全部分流至模具内部，除了作为载具这一作用外，分流道的存在还为主流道分担了很多压力，这种高压情况下的工作环境使得分流道设计变得尤为谨慎，分流道在设计的时候尽可能短，每个产品的距离在满足经验值的条件下，分流道应尽可能短，两个塑料产品之间的距离可以按照经验值。 分流道的截面形状 常用的分流道截面形状有全圆形、梯形、半圆形、矩形和U字型等。由于本次设计分型面准备采用圆形截面，圆形截面要分流道，流通效率高，方便加工，由于产品体积较小，本次半圆形截面直径D取6mm。 4.3浇口的设计浇口是连接分流道和型腔之间的通道。它的位置、形状和尺寸对产品儿童积木的成型有较大的影响。它的设计包括了形状、尺寸的确定和位置的选择。在浇注系统设计之前，我们首先要选择浇口的形式，教材上浇口分为多种，平常毕业设计最常用到的浇口形式有以下几种。a. 直接浇口 b. 侧浇口 c. 搭接式浇口d. 扇形浇口f. 盘形浇口g. 环形浇口i. 点浇口 j. 潜伏式浇口在浇注系统设计之前，我们首先要选择浇口的形式，决定采用侧浇口。该浇口是一模多腔的模具中最为常用的浇口形式。 侧浇口4.4冷料穴的设计 冷料穴一般位于主流道对面的动模板上，其作用就是存放料流前峰的“冷料”防止“冷料”进入型腔而形成冷接缝，冷料穴的直径尺寸宜稍大于主流道大端的直径，该模具取10mm;深度约为主流道大端直径的3/4，约为6mm如（下图）所示，鉴于制件采用推板、推杆共同推出，并采用Z形拉料杆。5 成型零件的结构设计及计算5.1 成型零件的结构设计5.1.1 型腔的结构设计型腔又称凹模，是成型塑件外表面的型腔模具零件，按结构可以分为整体式和组合式两类，其中整体式型腔是在整块模板上直接加工而成，结构简单，牢固可靠，不易变形，制品表面不会出现拼缝的溢料痕迹，整体式型腔又分为整体式和整体嵌入式，本次设计中为了提高加工效率和便于拆卸，设计成整体式，并且通过螺钉与型腔固定板（A板）固定。5.1.2 型芯的结构设计型芯又称为凸模，是成型塑件内表面的凸状模具零件，按结构不同可以分为整体式和镶拼式，对于本次设计也采用整体式.5.2 成型零件钢材的选用成型零件需要有足够的刚度，强度，耐磨性及良好的抗疲劳性，并且要考虑到其加工性能和抛光性能，以及该塑件需要大批量生产，所以型腔钢材选用718H，型芯钢材也选用718H，并且进行渗氮处理,型芯镶件采用P20材料，并且进行渗氮处理。5.3 成型零件工作尺寸的计算ABS塑料成型收缩率为1.6%4.0%4，本次设计成型零件工作尺寸的计算按平均尺寸法计算，分别设计模具的型芯尺寸、型腔尺寸以及型芯中心距和镶件尺寸。模具型腔和大型芯的制造公差取制品公差的1/3计算，型芯中心距的制品公差按照制品上两孔中心距公差的1/4计算，然后根据标准公差6进行设计。自由公差可直接把公称尺寸作为型芯的工作尺寸，并可以不考虑制造误差，具体计算如下。5.3.1型腔尺寸计算表5.1 型腔尺寸计算表类型产品尺寸/mm公式型腔尺寸/mm径向尺寸2315高度尺寸255.3.2型芯尺寸计算表5.2 型芯尺寸计算类型产品尺寸/mm公式型芯尺寸/mm径向尺寸1321高度尺寸66 模架及其他零件的选择6.1 模架的选择模架技术的标准，是指在模具设计中和制造中所应遵循的技术规范、基准、和准则。GB/T125561990塑料注射模中小型模架及其技术条件适用于小型模具模板尺寸为BL560mm900mm；由于塑料模具的蓬勃发展，现在全国各地的部分地区形成了统一的标准，本次模具设计的采用大水口两板模结构图如图：图6-1 CI模架定模座板厚： 25mm定模板厚： A=60mm动模板厚: B=60 mm垫块厚度: C=80 mm动模座板厚： 25mm排气缝隙厚度为1mm模具厚度：H模=251mm根据以上计算，所选模架型号为龙记模架CI型CI-2327A60B60C80.7 抽芯机构的设计当产品在垂直于脱模方向上存在侧凹或者侧孔时，无法通过型芯、型腔直接成型。必须借助抽芯机构成型这些结构。侧向分型与抽芯机构用来成型制品侧壁的内外侧孔和凹槽。7.1抽芯机构类型选择由于塑件侧凹结构，需设计侧抽机构成型，常见的侧向抽芯机构有斜导柱+滑块抽芯机构和斜推杆抽芯机构，前者常用于外侧抽，后者常用于内侧抽。分析儿童积木结构特点，采用斜导柱+滑块机构成型最为合适。如图所示。 侧抽机构7.2抽芯距确定与抽芯力的计算 (1) 抽芯距的确定抽芯距的计算公式如下： 式中：抽芯距，mm；S侧凹深度，mm；S抽=19mm (2) 抽芯力的计算 抽芯力得计算同脱模力计算相同。对于侧向凸起较小的儿童积木的抽芯力往往是比较小的，仅仅是克服儿童积木与侧型腔的粘附力和侧型腔滑块移动时的摩擦 力。对于侧型芯的抽芯力，往往采用如下的公式进行估算：=chp(Cos-Sin) (4-7)式中抽芯力(N)；c侧型芯成型部分的截面平均周长(cm)h侧型芯成型部份的高度(cm) ；p儿童积木对侧型芯的收缩力(包紧力)，其值与儿童积木的几何形状及塑料的品种、成型工艺有关，一般情况下模内冷却的儿童积木，p=(0.81.2)Pa；儿童积木在热状态时对钢的模擦系数，一般=0.150.20；侧型芯的脱模斜度或倾斜角()。将数据代入公式中得 =13.2x3x120x(0.2cos0-sin0)=475.2 N8 脱模推出机构的设计注塑成型的每一个循环中，都必须使儿童积木从型芯上脱出，注塑模具上这种脱出儿童积木的机构称为脱模机构（或称推出、顶出机构）。8.1 推出方式的确定 1、按推出零件的类别分类：（1）推杆推出脱模；（2）推管推出脱模；（3）推件板推出脱模；（4）复合推出脱模。2、按脱模动作分类：（1）一次推出脱模；（2）二次推出脱模；（3）动定模双向推出脱模；（4）带螺纹制品脱模。常见的推出机构有推杆，推管，推板和推块，各个推出机构都有自己适合的产品结构。比如深腔类的产品适合推板推出，螺柱孔适合推管，所以在选择推出结构的时候，首先要分析塑件的结构，本设计采用的顶出机构是推杆，顶出产品。推杆就采用常见到的直径圆截面推杆。推杆加工简单，更换方便，脱模效果好。推杆结构如图所示。8.2推出力的计算查资料得推出力的计算公式： （式5-1） （式5-2）式中：A为塑件包络型芯的面积，通过计算，本设计塑件包络型芯的面积约为5405mm。 P为塑件对型芯单位面积上的包紧力。一般情况下，模外冷却的塑件，p取；模内冷却的塑件，取。为方便计算，本设计中取。 为塑件对钢的摩擦系数，一般取0.10.3，本设计中取0.2。 为脱模斜度。因此，本设计推出力通过上述公式计算约为。9 冷却系统的设计9.1冷却介质模具温度在50到80之间，且ABS材料粘度低，易流动所以采用冷却水冷却。9.2 冷却系统的简单计算9.2.1 单位时间内注入模具中的塑料熔体的总质量W(1) 塑料制品的体积(2) 塑料制品的质量(3) 取注射周期t =t注+t冷+t脱=1.2+3+5.8=10s，则每小时注射次数为：N=360次(4) 单位时间内注入模具中的塑料熔体的总质量：W=Nm=3600.01=3.6kg/h。9.2.2 确定单位质量的塑件在凝固时所放出的热量(1) ABS的单位热流量QS的值的范围在（310410）KJ/kg，可取QS=360KJ/kg(2) 计算冷却水的冷却流量qV设冷却水道入口的水温为2=22出口水温为1=25模具温度取60取水的密度=1000kg/m3 水的比热容c=4.187kJ/（kg.）(3) 确定冷却水路的直径d为使冷却水处于瑞流状态，取模具冷却水孔的直径d=10mm。(5) 冷却管壁与水交界面的膜转热系数平均水温为23.5时，查表12-45得=6.72(6)计算冷却水通道的导热总面积(7)计算模具冷却水管的总长度(8)设冷却水路根数为，设每条水路的长度为=1000mm由水道排列满足冷却系统的设计原则，水管中心距在孔径的35倍，距离型腔表面是孔径的12倍，并且考虑到管子的壁厚和各个零件是否干涉的情况，最终水道分上下模仁，排列形式布置如图所示。图9-2-2 水路整体设计10注射机校核10.1最大注射量的校核注塑机的最大注塑量应大于制品的质量或体积（包括流道及浇口凝料和飞边），通常注塑机的实际注塑量最好是注塑机的最大注塑量的80%。所以选用的注塑机最大注塑量应满足： (3-1)故而我们所选用的注射机XS-ZY-125的额定注射量是125，大于16.25，所以注射机基本符合要求。10.2锁模力的校核当塑料熔体充满模具型腔时，会产生一个很大的推力，此推力的大小等于塑胶产品加上浇注系统在分型面上的垂直投影面积之和（即注射面积）乘以型腔内的塑料压力。为了保障操作人员的人身安全，需要机床提供足够大的锁模力。因此，欲使模具从分型面涨开的必须小于注射机规定的锁模力9。即Tk2Fq/1000式中T注射机的额定锁模力，t；F塑胶产品与浇注系统在分型面上的总投影面积，cm2；q熔融塑料在模腔内的压力，MPA；k2安全系数，通常取1.11.2，这里取1.1。经查表可得，ABS大致范围为25MPS40MPS这里取= 30MPA；为了保证注射成型过程当中型腔能够可靠的锁闭，必须满足（nA1+Aj）pFn 查的公称锁模力F锁=900KN锁模力的安全系数k=1.2，kF胀=1.2165630=59.6900kN, 即该注塑机的锁模力大于张力，所以注射机锁模力满足要求。10.3模具厚度与注射机闭合高度模具的厚度（闭合高度）必须满足下式： HminHmHmax注：Hm所设计的模具厚度，mm Hmin注塑机允许的最小模具厚度，mm Hmax注塑机允许的最大模具厚度，mmXS-ZY125型注射机所允许的最小模具厚度Hmin=150mm；所允许的最大模具厚度Hmax=300mm；即模具满足Hmin
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