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儿童玩具
积木
注塑
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乐高儿童玩具积木注塑模具设计,儿童玩具,积木,注塑,模具设计
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1 绪论1.1 引言21世纪，塑料工业以前所谓有的速度高速发展。塑料，在各个领域、各个行业乃至国民经济中已拥有举足轻重的不可替代的地位。市场经济的不断发展，促使工业产品越来越向多品种、高质量、低成本的方向发展，为了保持和加强产品在市场上的竞争力，产品的开发周期、生产周期越来越短，于是对制造各种产品的关键工艺装备模具的要求越来越苛刻。一方面企业为追求规模效益，使得模具向着高速、精密、长寿命方向发展；另一方面企业为了满足多品种、小批量、产品更新换代快、赢得市场的需要，要求模具向着制造周短,成本低的快速经济的方向发展。计算机、激光、电子、新材料、新技术的发展，使得快速经济制模技术如虎添翼，应用范围不断扩大，类型不断增多，创造的经济效益和社会效益越来越显著。1.2 塑料模具设计步骤本次塑料成型模具设计的工艺如下：1) 确定型腔数目及其排列方式；2) 确定分型面；3) 浇注系统的设计；4) 模架的确定；5) 推出机构设计；6) 温度调节系统设计；7) 模具总体结构设计1.3课程设计的意义本设计是以儿童积木为对象，进行注塑模具课程设计。设计内容包括分析儿童积木的结构及成型工艺分析，利用在校学习的2维软件绘制儿童积木三维，确定了儿童积木的模腔数并选择相关注塑机，完成对应牙刷挂件主体塑料模具总装图设计，模具总装图用AUTOCAD绘制，总图设计严格按标准，包含零件序号及零件明细表等；对模具分型面、浇注方案、冷却方案等设计进行分析，对模具零件关键尺寸的确定进行计算，如、厚度尺寸、导柱直径，具有很强的工程实用意义。并对我以后学习工作也有非常深刻的影响。2 产品结构及其工艺分析2.1 产品结构分析本次模具课程设计的塑料产品是儿童积木，在开始模具设计之前需要对塑件的结构进行大致分析，在这个基础上才能设计出合适的模具方案，此类塑料产品属于壁厚均匀的壳体。该塑件外形简单，体积中等，塑件二维图如图2.1所示；图2.1 产品二维图2.2产品材料分析此产品的材料在老师分布任务时，已经给出是PE，化学名称聚乙烯（polyethylene ，简称PE）是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂。在工业上，也包括乙烯与少量-烯烃的共聚物。聚乙烯无臭，无毒，手感似蜡，具有优良的耐低温性能（最低使用温度可达-100-70C），化学稳定性好，能耐大多数酸碱的侵蚀（不耐具有氧化性质的酸）。常温下不溶于一般溶剂，吸水性小，电绝缘性优良。1。聚乙烯的注射工艺参数注射类型螺杆式料筒温度前段185220o螺杆转速2050r/min中段190240o模具温度70110o后段160170o注射压力90130MPa喷嘴温度170185o保压力5070o类型形式直通式注射时间35s保压时间1530s冷却时间1530s成型时间50110s密度31.04比容30.96吸水率0.5纠缩率0.350.4熔点186190喷嘴温度170180抗拉屈服强度MP54后处理方法水或油拉伸弹性模量MP1.4103温度70预热和干燥温度90100时间24时间2.53.52.3型腔数目的确定和排列 由于儿童积木尺寸大小偏大，一模一腔效率较低，一模两腔的话既能提高效率，又能使浇注系统平衡布置。所以本设计采用一模两腔的结构，直线排列。型腔布局如图2.3所示：图2.3 型腔排布2.4 分型面位置分型面的作用是作为内部流体冷却后成品被取出时整个模具打开的地方，分型面的设计优良是与生产出来的成品优良挂钩的，所以马虎不得，通常来说这个部分的设计要注意这几点选择原则：(1)保证塑料制品能够脱模。(2)使分型面容易加工。(3)尽量避免侧向抽芯。(4)使侧向抽芯尽量短。(5)有利于排气。(6)有利于保证塑件的外观质量。(7)尽可能使塑件留在动模一侧。仔细观察零件后，参考以上所述的分型面选取原则，尽可能选择在不影响外观表面质量的部位；保证儿童积木尺寸精度；有利于排气；脱模脱模时候儿童积木能够留在动模上：再加上重要的一条原则儿童积木在分型面上的投影面积最大化：所以采用儿童积木的下平面做为此次模具设计分型面最为合适，如图所示。 分型面位置3注塑机的初选3.1产品体积 通过测量产品质量：M塑=6.5g V塑=6.8cm3 (PE密度为0.95g/cm3 )流道凝料V=0.2V(流道凝料的体积(质量)是个未知数,根据手册取0.2V(0.2M)来估算,塑件越大则比例可以取的越小)；实际注射量为:V=6.821.2=16.32cm；根据实际注射量应小于0.8倍公称注射量原则, 即： 0.8V V V= V/0.8 =16.320.8 =20.4cm；3.2注塑机型号的初选 由注塑机的理论注射量V=20.4cm，初步选用注射机理论注射容量为250m3，注塑机型号为XS-ZY-250。其主要技术参数如下1： 注射机主要技术参数理论注射量250拉杆内向距螺杆柱塞直径50移模行程500注射压力130最大模具厚度350注射速率89最小模具厚度200塑化能力18.9锁模形式液压-机械喷嘴口直径4模具定位孔直径125锁模力/kN1800喷嘴球半径123.3 模架的确定模架技术的标准，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： 模架选用基本型BI型，模板周界尺寸230270 mm定模座板厚： 25mm定模板厚： A=80mm动模板厚: B=40 mm垫块厚度: C=80 mm动模座板厚： 25mm排气缝隙厚度为1mm根据以上计算，所选模架型号为龙记模架BI型BI-2327A30B40C80.4 浇注系统设计浇注系统是塑料熔体由注塑机喷嘴通向模具型腔的流动通道，因此它应能够顺利的引导熔体迅速有序地充满型腔各处，获得外观清晰，内在质量优良的儿童积木。浇注系统设计是否合理, 直接影响到遥控器外壳的表观质量, 充模难易程度以及熔料在充模式的流动状态。浇注系统是指从模具进料口开始遥控器外壳到模具型腔止的流动通道。普通浇注系统由主浇道、分浇道、浇口和冷料穴四部分组成如图所示。1、主流道 2、分流道 3、浇口 4、拉料口 5、冷料穴 6、制品4.1主流道主流道是指浇注系统中从注射机喷嘴与模具接触处开始到分流道为止的塑料熔体的流动通道，是熔体最先流经模具的部分。在卧式注射机上主流道垂直于分型面，为使凝料能顺利拔出，设计成圆锥形，主流道通常设计在主流道衬套（浇口套）中，为了方便注射，主流道始端的球面必须比注射机的喷嘴圆弧半径大12mm，防止主流道口部积存凝料而影响脱模，通常将主流道小端直径设计的比喷嘴孔直径大0.51mm。其中，浇口套主流道大端直径D应尽量选得小些。如果D过大模腔内部压力对浇口套的反作用也将按比例增大，到达一定程度浇口套容易从模体中弹出。根据选用的XS-ZY-250型号注射机的相关尺寸得： 喷嘴前端孔径：d=4mm； 喷嘴前端球面半径：R1=12mm； 根据模具主流道与喷嘴的关系: mm mm 取主流道球面半径：mm； 取主流道小端直径：mm；图4.1 喷嘴与浇口套尺寸关系4.2分流道的设计 主流道与浇口之间的通道称为分流道。直浇道模具可以省去分浇道，但在多型腔模具中分浇道是必不可少的。分流道处于主流道和浇口之间,其应该可以拥有良好的压力传递和,持续原本期望的理想状态。应有的分布原则: (1)流道应当保持平衡(2)分流道做到能短则短(3)结构紧凑,节约材料(4)考虑平衡元素分流道截面形状 常用的分流道截面形状有圆形、正方形、梯形、U形、半圆形和正六角等。浇道的截面积越大，压力的损失越小；浇道的表面积越小，热量的损失越小。通过综合以上原则,和比较分流道截面形状的形状流动效率和加工难易程度,本次设计采用圆形分流道,分流道直径D=6mm。所以设计的简单的一字型分流道如图所示。4.3浇口设计浇口又称进料口，是连接分流道与型腔之间的一段细短流道，浇口是连接分流道与型腔的通道，由于不同的浇口形式对塑料熔体的充型特性、成型质量及产品的性能会产生不同的影响。而各种塑料因其性能的差异对于不同的浇口形式也会有不同的适应性。在模具设计时，浇口位置及尺寸要求比较严格，它一般根据下述几项原则来参考：1) 尽量缩短流动距离；2) 浇口应开设在产品壁最厚处；3) 应有利于型腔中气体的排除；4) 避免产生喷射和蠕动；5) 不在承受弯曲或冲击载荷的部位设置浇口；6) 浇口位置的选择应注意产品外观质量。浇口的种类有很多,按浇口的结构形式和特点,常用的浇口可分为以下几种形式。1) 测浇口2) 中心浇口3) 轮辐式浇口4) 环形浇口5) 盘形浇口6) 潜伏式浇口7) 点浇口8) 对比每种浇口的特点和适用场合，再结合本次设计的塑件结构，由于产品对表面质量要求不高，决定采用侧浇口，设计两板模具。 图4.2 浇口位置235 成型零件设计及成型尺寸在注射模具中起决定儿童积木形状及尺寸作用的零件即成型零件设计，包括型芯、镶块、型腔和成型杆等。设计儿童积木成型零件时，应根据儿童积木的结构及使用要求，确定成型零件的总体结构。5.1 型芯设计型芯用于成型塑料的内表面，又称凸模、阳模。结构分整体式和组合式两种。组合式适用于复杂产品，为了便于加工和有利于排气。但是本次设计的儿童积木内部结构简单，就采用强度、刚度良好整体式结构。5.2 型腔的设计型腔用于成型产品的外表面，又称阴模、凹模。按照结构的不同也分为整体式和组合式。型腔和型芯一样也是采用整体式结构。5.3型腔和型芯工作尺寸计算在模具设计时要根据儿童积木的尺寸及精度等级确定成型零部件的工作尺寸及精度等级。影响儿童积木尺寸精度的主要因素有儿童积木的收缩率，模具成型零部件的制造误差，模具成型零部件的磨损及模具安装配合方面的误差。这些影响因素也是作为确定成型零部件工作尺寸的依据。由于按平均收缩率、平均制造公差和平均磨损量计算型芯型腔的尺寸有一定的误差（因为模具制造公差和模具成型零部件在使用中的最大磨损量大多凭经验决定），这里就只考虑塑料的收缩率计算模具盛开零部件的工作尺寸。儿童积木经成型后所获得的制品从热模具中取出后，因冷却及其它原因会引起尺寸减小或体积缩小，收缩性是每种塑料都具有的固有特性之一，选定PA材料的平均收缩率为2%，刚计算模具成型零部件工作尺寸的公式为： 式中 A 模具成型零部件在常温下的尺寸 B 儿童积木在常温下实际尺寸成型零部件工作尺寸的公差值可取儿童积木公差的1/31/4，或取IT78级作为模具制造公差。在此取IT8级，型芯工作尺寸公差取IT7级。模具型腔的小尺寸为基本尺寸，偏差为正值；模具型芯的最大尺寸为基本尺寸，偏差为负值，中心距偏差为双向对称分布。各成型零部件工作尺寸的具体数值见图纸。型腔径向尺寸 已知在规定条件下的平均收缩率S，儿童积木的基本尺寸Ls是最大的尺寸，其公差为负偏差，因此儿童积木平均尺寸为Ls-，模具型腔的基本尺寸Lm是最小尺寸，公差为正偏差，型腔的平均尺寸为Lm+z/2。型腔的平均磨损量为c/2，如以Lm +Z表示型腔尺寸, PA平均收缩率S=2%.Lm +z/2+c/2=(Ls-/2)+(Ls-/2)S经整理最终公式为：Lm0+z=(1+S)Ls-(0.50.75)+z5.3.1型腔尺寸计算表5.1 型腔尺寸计算表类型儿童积木尺寸/mm公式型腔尺寸/mm径向尺寸3430高度尺寸355.3.2型芯尺寸计算表5.2 型芯尺寸计算类型儿童积木尺寸/mm公式型芯尺寸/mm径向尺寸3026高度尺寸336 合模导向与抽芯机构设计6.1 合模导向机构作用 导向机构是保证塑料注射模具的动模与定模合模时正确定位和导向的重要零件,通常采用导柱导向,主要零件包括导柱和导套。其具体作用有:(1)定位作用;(2)导向作用;(3)承载作用;(4)保持运动平稳作用;(5)锥面定位机构作用。(5)为了便于塑料制品脱模。6.2 导柱导套的设计导柱：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，以减小导柱导向的摩擦。材料:T10A，热处理:56HRC60HEC 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。材料:T10A，热处理:56HRC60HEC导柱最好装在动模板上(正装),但有时也要装在定模板上(反装),这就要根据具体情况而定。本次注塑模具设计的导向机构在模具4周设置4根导柱导套，采用导柱导套正装，导柱导套之间采用间隙配合，导套与定模板导柱与动模板都采用过盈配合，导柱导套装配方式如图所示。图6-1 导套和导柱 7 推出机构的设计在注塑成型的每一个循环中，都必须使产品从模具型腔中或型芯上脱出，模具上这种脱出产品的机构称为脱模机构（或称推出、顶出机构）。常见的顶出机构有推板，推管，推杆和推块机构。推管和推块明显不适合此次模具设计，以下仅对推板和推杆进行分析。推板适用于薄壁，型腔比较深的塑料产品，但是此次设计的儿童积木高度仅为30mm，而且壁厚为2mm，内部可以布置圆推杆推出儿童积木。7.1推出机构设计原则 推出机构应尽量设置在动模一侧。保证儿童积木不因推出而变形损坏。机构简单、动作可靠。推出儿童积木的位置应尽量设在儿童积木内部或隐形面和非装饰面上。合模时能正确复位。7.2脱模力的计算脱模力计算公式 式中 -型芯或凸模被包紧部分的断面周长（cm）; -被包紧部分的深度（cm）; -由塑件收缩率产生的单位面积上的正压力，一般取； -磨擦系数，一般取； -脱模斜度； L=2r=169.56mm h=28mm Q=169.562810（0.1cos1-sin1）=4747N7.3脱模机构的选择推出机构设计原则如下：(1)推出机构应近尽量设置在动模一侧。(2)保证塑件不因推出而变形损坏。(3)机构简单,动作可靠。(4)良好的塑件外观。(5)合模时的准确复位。常见的推出机构有推杆，推管，推板和推块，在选择脱模机构种类的，要首先分析产品结构。比如深腔薄壁类的产品适合推板脱模，螺柱孔适合推管脱模，由于产品结构的特点，再结合老师的建议，综合考虑采用推板脱模比较合适，此机构特点是推力均匀，脱模平稳，产品不易变形。推板推出 7.4 模具的复位机构目前回程杆的形式有三种:(1)复位杆回程。各位领导(2) 顶杆兼回程杆回程。(3) 弹簧回程。本次模具设计的复合结构选择复位杆复位。 8 温度调节系统设计8.1排气系统塑料注塑模具的型腔，在熔融塑料填充过程中，除了模具型腔内有空气外，还有因塑料受热而产生的气体，尤其在高速注射成型产生的气体更多，排气系统对确保儿童积木成型质量起着重要的作用，排气方式有以下几种。利用排气槽。利用型芯、镶件、推甘等的配合间隙；利用分型面上的间隙。对于大中型、深型腔儿童积木为了防止儿童积木在顶出时造成真空而变形，需设进气装置。 本书设计的模具不是大型模具，并且分型面位于熔体流动末端，可直接利用分型面间隙排气，不必专门设置排气槽和进气槽。8.2温度调节系统 模具成型过程中，模具温度会直接影响到塑料熔体的充模、定型、成型周期和产品质量。模具温度过高，成型收缩大，脱模后产品变形大，并且还容易造成溢料和粘膜；模具温度过低，则熔体流动性差，塑料轮廓不清晰，表面会产生明显的银丝或流纹等缺陷；当模具温度不均匀时，型芯和型腔温差过大，塑料收缩不均匀，导致塑料翘曲变形，会影响产品的形状和尺寸精度。综上所述，模具上需要设置温度调节系统以达到理想的温度要求。PA推荐的成型温度为160-220，模具温度为4080 。8.3冷却系统设计： 尽量保证产品收缩均匀，维持模具的热平衡；冷却水孔的数量越多，孔径越大，则对产品的冷却效果越好；尽可能使冷却水孔至型腔表面的距离相等，与制件的壁厚距离相等，经验表明，冷却水管中心距B大约为2.53.5D，冷却水管壁距模具边界和制件壁的距离为0.81.5B。最小不要小于10。浇口处加强冷却，冷却水从浇口处进入最佳；应降低进水和出水的温差，进出水温差一般不超过5。冷却水的开设方向以不影响操作为好，对于矩形模具，通常沿宽度方向开设水孔。合理确定冷却水道的形式，确定冷却水管接头位置，避免与模具的其他机构发生干涉。8.3.1冷却时间的确定 在对冷却系统做计算之前，需要对某些数据取值，以便对以后的计算作出估算；取闭模时间6S，开模时间7S，顶出时间5S，冷却时间30S，保压时间25S。 其中冷却时间依塑料种类、产品壁厚而异，一般用下式计算： t冷=2In2TE-TM=(3.1420.07)8/3.14(200-50)/(80-50)= 73（S）式中：S儿童积木平均壁厚，S取6mm； 塑料热扩散系数(mm/s)，=0.07；TS成型温度160-220，T取200；TE平均脱模温度，T取80；TM模具温度4080，T取50。由计算结果得冷却时间需要73 S，这么长的冷却时间显然是不现实的。本模具型芯中的冷却管道扩大为腔体，使冷却水在型芯的中空腔中流动，冷却效果大为增强。参照经验推荐值，冷却时间取30S即可。8.3.2 确定冷却管道直径d根据查询相关资料教材注塑模具设计实用教程经验得到冷却水道直径为6毫米。一般在型腔、型芯等部位合理布置冷却水路进行冷却,通过调节冷却水量及流速来控制模温。冷却系统的冷却介质一般为室温冷水,因此在本设计中选用室温水作为冷却介质。8.3.3 求管道孔壁与冷却介质间传热系数式中：f与冷却介质温度相关的物理系数。 （7）求冷却管道总传热面积A（）式中： 模具温度与冷却水温度之间的平均温差（）。8.3.4 计算模具所需要的冷却水管的总长度L（m）根据以上计算，设计冷却水道如图所示，冷却水道直径为6mm。9 注塑机的校核9.1最大注塑量的校核在计算儿童积木之后，按照一模两腔的方案，进行估算注射量总体积，进而选择注射机型号的，所以是满足要求的，此处不再做计算校核。 9.2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：FK AP1.256304510304KN因此锁模力满足要求。式中 :F注塑机额定锁模力：1800KN；K安全系数，取K=1.2。 9.3模具厚度校核模具厚度必须满足下式：Hmin Hm Hmax200mm315mm350mm式中：Hm为所设计的模具厚度 315 mm：Hmin为注塑机所允许的最小模具厚度200mm；Hmax为注塑机所允许的最大模具厚度350mm；结 论 经过两周的认真分析与计算,我顺利的完成了预期的设计目标, 模具设计对于作者来说,基本上是一个新的领域,对模具的了解只限于在工厂里打工时见到的一些模具外观和简单知识。通过查阅塑料注射模具的相关书籍和手册弥补空缺的知识,逐渐的熟悉了解模具设计的重点难点以及设计流程,再结合以前所学知识开始本次设计。本次设计通过AutoCAD绘制了塑件二维图、模具装配图、模具零件图并且用Pro/E绘制塑件三维图。在设计过程中出了很多的错误和不规范的设计,经过导师的指导和同学们的探讨以及借鉴相关书籍,慢慢的修改与完善。经过不段的修改与完善中积累的经验,后面的设计逐渐的变明朗,错误也逐渐的减少。本次设计让我学到了很多关于模具设计的知识,并且把大学四年来所学的知识重新熟悉了一遍,我相信本次设计对我以后工作有非常大的帮助。 参考文献1 刘岩. 面向制造的注塑模具结构设计J. 高科技通讯，2002, 12(10) : 50-53.2 潘振鹏. 塑料模具材料的研
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