塑料模具大作业

1、塑料成型加工与模具大作业超声波测距仪外壳模具设计1塑件分析塑件为超声波测距仪的底壳，采用PC（聚碳酸酯）材料注射成型，塑件厚度为1.8mm。根据使用要求，该底壳一般精度的塑件，公差等级为MT3。塑件外部长为113.6mm，宽为73.6mm，高为11.8mm。塑件内部长为107mm，宽为70mm，深度为10mm。塑件体积为20.27cm3，表面积为25784.4482mm2。设计的模具为型腔（成型塑件外表面）为定模，型芯（成型塑件内表面）为动模。2注射机的选择经计算得此件注射的体积总量约为20.27cm3,模具采用一模两腔的结构，根据国内注射机的注射量要求，注射机的注射量的80应大于塑件体积与注

2、射系统体积之和，设注射系统质量与单个塑件质量之比为1:1，故选用注射机的注射量应大于76cm3,故根据国产注射机的注射容量，将本次设计所用注射机预选为XS-ZY-125，主要技术参数如下：结构形式：卧式注射方式：螺杆式螺杆直径：42mm最大注射量：125cm3注射压力：119MPa锁模力：900kN最大注射面积：320cm2模具最大厚度：300mm模具最小厚度：200mm最大开模行程：300mm喷嘴球半径：12mm喷嘴孔直径：4mm定位孔直径：100mm2.1 注射量的校核注射机标称注射量有两种表示方法，一是用容量（cm3）表示；一是用质量（g）表示。国产的标准注射机的注射量均以容量（cm3）

3、表示。模具设计时，必须使得在一个注射成型周期内所需注射的塑料熔体的容量或质量在注射机额定注射量的80%以内。故应使： nVn+Vj 0.8Vg nmn+mj 0.8mg式中 Vn(mn)单个塑料的容量或质量，cm3或g; n型腔数目； Vj(mj)浇注系统凝料的容量或质量，cm3或g； Vg(mg)注射机额定注射量，cm3或g。本次设计的模具采用一模两腔的设计，即n=2，2×20.27cm3+20.27cm3=60.81cm3 0.8×125cm3=100cm3即所选注射机注射量满足要求。2.2 锁模力的校核当高压的塑料熔体充满型腔时，会产生一个沿注射机轴向的很大的推力 T

4、推，该推力应小于注射机额定的锁模力 T合，否则在注射成型时会因锁模不紧而发生溢料跑料现象，即有： T合 T推式中 T合注射机的额定锁模力，N； T推型腔内塑料熔体沿注射机的轴向推力，N。型腔内塑料熔体的推力T推其大小等于塑料和浇注系统在分型面上的投影之和乘以型腔内塑料熔体的平均压力，可按下式计算：T推=A×P平均 A×P=A×k×P0式中 A塑料与浇注系统在分型面上的投影面积，mm2； P平均型腔内塑料熔体的平均压力，MPa； P型腔内塑料熔体的压力，MPa； P0注射压力，MPa； k压力损耗系数，随塑料品种、注射机形式、喷嘴阻力、流道阻力等因素变化，

5、可在0.2-0.4的范围内选取。本次设计中，取A=16721.92mm2；P平均=30MPaT推= A×P平均=16721.92×30N=501657.6N=501.66kN900kN即所选注射机的锁模力满足要求。2.3 注射压力的校核注射机的最大注射压力应大于塑件成型所需压力，即Pz Pch式中 Pz注射机的最大注射压力（MPa）； Pch塑件成型所需的实际注射压力（MPa），一般制品成型注射压力70150Mpa，当塑料熔体流动性好且塑件形状简单塑件壁厚较厚时所需注射压力较小；本次设计，取Pz119Mpa，Pch100Mpa，则 Pz Pch即所选注射机的注射压力满足要求

6、。2.4 开模行程的校核模具开模后为了便于取出塑件，要求有足够的开模距离，而注射机的开模行程是有限的，因此模具设计时必须进行开模行程的校核。对于带有不同形式的锁模机构的注射机，其最大开模行程有的与模具厚度有关，有的则与模具厚度无关。 对于具有液压机械式合模机构的注射机(如：XS-ZY-125型等)，其最大开模行程系由肘杆机构或合模液压缸冲程所决定，而不受模具厚度影响，校核时按注射机最大开模行程大于模具所需的开模距离。对单分型面模具按下式校核：SmaxS=H1+H2+（5-10）mm式中 Smax注射机开模最大行程（mm）；H1塑件脱模所需顶出距离（mm）；H2塑件高度（mm）；本次设计，取Sm

7、ax300mm，H1=10mm，H2=11.80mm，则 18010+11.80+(5-10)mm即所选注塑机的开模行程满足要求。综上所述，所选注射机XS-ZY-125型符合使用要求。3 确定标准模架塑件尺寸：110.6×73.6mm2,投影面积：S=81.4016cm2本次模具设计采用A2型模架，A2型模架定模和动模均采用两块模板，设置推杆推出机构，适用于直接浇口，采用斜导柱侧抽芯的注射成型模具。根据塑件的尺寸，采用A2型模架的中的315×400型，参数如下：L=400mm；lt=325mm；lT=345mm；lM=245mm；lm=380mm。确定各板厚度：A板50mm

8、，B板25mm，C板80mm，H=100+A+B+C=255mm4 浇注系统设计浇注系统是指注射模中从主流道的始端到凹模之间的熔体进料通道。分为普通流道浇注系统和热流道浇注系统两类。正确设计浇注系统对获得优质塑料产品和提高生产率极为重要。4.1 主流道部分的尺寸设计：主流道是从注射机喷嘴与模具接触的部位开始到分浇道为止的一段通道。在卧式或立式注射机上，主流道垂直于分型面。为了能使凝料顺利地从主流道中拔出，所以主流道设计成圆锥形。主流道部分及浇口套的尺寸，如图4-1：图4-1 主流道4.2 定位圈的尺寸设计很多注塑模具的定位采用单独加设定位圈的方法，主流道衬套（浇口套）与定位圈要与所选注射机的喷

9、嘴和定位孔相一致。定位圈为标准件，其结构和尺寸可查表。本设计所用定位圈如图4-2：图4-2 定位圈4.3 分流道的尺寸设计分流道是主流道与浇口之间的通道。在多型腔的模具中必不可少，而在单型腔模具中，有时可以省去。常用的分流道的截面形状有圆形、半圆形、梯形、U形和六角形等。流道的截面积越大，压力的损失越小；流道的表面积越小，热量的损失越少。用流道的截面积和表面积的比值来表示流道的效率，效率越高，流道设计得越合理。PC材料分流道直径常取4.8-9.5mm, 本次设计，将分流道形状设计成半圆形，取分流道直径D=6mm。4.4 浇口的尺寸设计浇口亦称进料口，是连接分流道与型腔之间的一段细短通道，是浇注

10、系统的关键部分，起着调节控制料流速度、补料时间及防止倒流等作用。浇口的位置、形状及尺寸对塑件性能和质量的影响很大，塑件上的一些缺陷，如缩孔、缺料、白斑、熔接痕、质脆、分解和翘曲等往往是由于浇口设计不合理而产生的，因此正确设计浇口是提高塑件质量的重要环节。浇口设计与塑料性能、塑件形状、截面尺寸、模具结构及注射工艺参数等因素有关。总的要求是使熔料较快的进入并充满型腔，同时在充满后能适时冷却封闭，因此浇口截面要小，长度要短，这样可增大料流速度，快速冷却封闭，且便于塑件与浇口凝料分离，不留明显的浇口痕迹，保证塑件外观质量。此外浇口设计需遵循下述原则：尽量缩短流动距离。浇口应开设在塑件壁厚最大处。必须尽

11、量减少熔接痕。应有利于型腔中气体排出。考虑分子定向影响。避免产生喷射和蠕动。浇口处避免弯曲和受冲击载荷。注意对外观质量的影响。浇口常用的几种形式有直接浇口、矩形测浇口、扇形浇口、膜装浇口、轮辐浇口、爪型浇口、点浇口、潜伏浇口。矩形侧浇口广泛应用于中小型制品的多型腔注射模具，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。根据本次设计的塑件结构特点，选择矩形侧浇口。矩形侧浇口的大小由厚度、宽度和长度决定。确定侧浇口厚度h(mm)和宽度b(mm)的经验公式如下：h=nt b= nA30式中 t塑件壁厚，mm； n系数，与塑料品种有关； A塑件外表面面积，mm2。本次

12、设计中，塑件壁厚t=1.8mm,PC材料的系数n=0.7，塑件外表面面积A12892mm2。故矩形侧浇口厚度h= nt=1.3mm，宽度b= nA30 =2.7mm。4.5 冷料穴的设计冷料穴位于主流道正对面的动模板上，或处于分流道模道末端，其作用是除去熔体流动前锋的“冷料”，防止冷料进入型腔而影响塑件质量。对于主流道冷凝料拉出，所以冷料穴直径宜稍大于主流道大端直径。本次设计拉料杆形状采用带有球形头的拉料杆。如图4-3：图4-3 拉料杆5 成型零件的设计5.1 分型面的选择模具上用以取出制品和浇注系统凝料的可分离的接触表面称之为分型面。一般的讲，分型面是模具的定模型腔板与动模型腔板的接合面，具

13、有取出塑件和排气的作用。但是，也存在因注射压力不合理而使之涨开的可能。在模具设计阶段，应首先确定分型面位置，然后才能选择模具的结构。分型面设计是否合理，对制品质量、工艺操作难易程度和模具的设计制造都有很大的影响，它决定了模具的结构类型，是模具设计工作中的重要环节。因此，分型面的正确设计需要塑料产品设计人员和模具设计人员的共同努力和配合。分型面的形状应尽可能简单，以便于制品成形和模具制造。分型面的形状可以是平面、阶梯面或者曲面，一般情况下，只采用一个与注射机开模方向相垂直的分型面，且尽可能采用简单的平面作为分型面，在特殊情况下才采用较多的分型面。分型面的选择的一般原则:选取塑件最大投影截面为分型

14、面；在开模时尽量使塑件留在动模内；应有利于侧面分型和抽芯；应合理安排塑件在型腔中的方位；考虑和保证塑件的外观不遭损坏；尽力保证塑件尺寸的精度要求；有利于排气；尽量使模具加工方便。本次设计的分型面如图5-1所示： 图5-15.2 凸模、凹模的设计模具中决定塑件几何形状和尺寸的零件称为成型零件，包括凹模、型芯、镶块、成型杆和成型环等。成型零件工作时，直接与塑料接触，塑料熔体的高压、料流的冲刷，脱模时与塑件间还发生摩擦。因此，成型零件要求有正确的几何形状，较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度，此外，成型零件还要求结构合理，有较高的强度、刚度及较好的耐磨性能。设计成型零件时，应根据塑料的特性和塑件的结构及

15、使用要求，确定型腔的总体结构，选择分型面和浇口位置，确定脱模方式、排气部位等，然后根据成型零件的加工、热处理、装配等要求进行成型零件结构设计，计算成型零件的工作尺寸，对关键的成型零件进行强度和刚度校核。凹模成型塑件外轮廓的零件，本套模具采用整体式凹模，它是由一整块金属材料直接加工而成。其特点是为非穿通式模体，强度好，不易变形，但由于加工困难，故只适用于小型且形状简单的塑件成型。凸模又称型芯是成型塑件内表面的成型零件，通常可分为整体式和组合式两种类型。经分析本次设计凸模采用整体式。5.3 影响工作尺寸的因素（1）成型零部件的制造公差z，控制在塑件相应公差的1/3左右。（2）成型零部件的磨损c，对

16、中、小型塑件一般取1/6塑件公差值。（3）塑料的成型收缩s，s=(Smax-Smin)Ls。（4）配合间隙引起的误差j，z+c+s+j, 塑件的公差。5.4 成型零件工作尺寸的计算按平均值法计算成型零件工作尺寸，PC材料的收缩率S=0.5%-0.8%，平均收缩率Scp=(Smax+Smin)/2=0.65%,取修正系数x=0.75。5.4.1型腔径向尺寸确定1)型腔长度方向塑件外形基本尺寸为Ls=113.6mm,其公差值为=0.58mm，型腔基本尺寸为Lm,制造公差为z=3=0.193mm。对于一般中、小型塑件型腔尺寸：Lm= Ls+LsScp-0.750+ z=113.90 0+0.193m

17、m2)型腔宽度方向Ls=73.6mm,Lm= Ls+LsScp-0.750+ z=73.64 0+0.193mm5.4.2型芯径向尺寸确定1)型芯长度方向塑件内形尺寸ls=107mm,其公差值=0.78mm,型芯基本尺寸为lm,制造公差为z=3=0.26mm。对于一般中、小型塑件型芯尺寸：lm=ls+lsScp+0.75 - z0=108.28 -0.260mm2)型芯宽度方向lm=ls+lsScp+0.75 - z0=71.04 -0.260mm5.4.3型腔深度尺寸确定塑件高度尺寸为Hs 0-=11.8 -0.580mm，型腔深度尺寸为Hm -z0，公差值为=0.58mm，制造公差为z=3

18、=0.193mm。型腔底面和型芯端面均与塑件脱模方向垂直，磨损量很小，因此计算时磨损量c不予考虑，则有：Hm=Hs+HsScp-(2/3) 0+ z=11.49 +0.1930 mm5.4.4型芯高度尺寸确定塑件内部深度基本尺寸hs=10mm，公差值=0.78mm，制造公差为z=3=0.26mm。型芯高度尺寸为：hm= hs+hsScp+(2/3) 0-z =9.55 0-0.26 mm5.4.5中心距尺寸确定1)塑件长度方向塑件基本尺寸Cs=79mm，z=4=0.145mm。模具制造中心距Cm= Cs+CsScp ±z2 =79.51±0.073mm2)塑件宽度方向塑件基

19、本尺寸Cs=61mm，z=4=0.145mm。模具制造中心距Cm=Cs+CsScp ±z2 =61.40±0.073mm3）塑件侧壁方向塑件基本尺寸Cs=49mm，z=4=0.145mm。模具制造中心距Cm=Cs+CsScp ±z2 =49.32±0.073mm5.5 成型型腔壁厚的计算采用整体式型腔，型腔材料使用45钢，弹性模量E=2.1×105MPa,塑料熔体对型腔的压力p=30MPa，l/b=1.5,常数C=3l4h42l4h4+96 =1.49，C=0.0240，允许变形量=0.05mm。 5.5.1 型腔侧壁厚度的计算按刚度条件计算侧

20、壁壁厚为：S=3Cph4E = 31.49×30×11.494210000×0.05 =4.2mm5.5.2 型腔底板厚度的计算按刚度条件计算的底板厚度为：t=3Cpb4E = 30.024×30×73.644210000×0.05 =12.6mm6 导向机构及排气系统设计6.1 导向机构设计 导向机构主要用于保证动模和定模两大部分或模内其他零件部件之间的准确对合，起定位和导向作用。绝大多数导向机构由导柱和导套组成，称之导柱导向机构，此外也有锥面，销等作定位导向的结构。因此，导向机构主要有导柱导向和锥面导向两种形式，其设计的基本要求时

21、导向精确，定位准确，并具有足够的强度，刚度和耐磨性。导柱设计要点如下:导柱的直径视模具大小而定，但必须具有足够的弯曲强度，且表面要耐磨，芯部要坚韧，因此导柱的材料多半采用底碳钢，或用碳素工具钢T8A淬火处理，硬度为5055HRC。导柱的长度通常应高于凸模端面68 mm，以免在导柱未导正时凸模先进入型腔与其碰撞而损坏。导柱的端部常设计为锥形或半球形，便于导柱顺利的进入导向孔。导柱的配合精度。导柱与导向孔通常采用间隙配合H7/f6或H8/f8，而与安装孔则采用过渡配合H7/m6或H7/k6，配合部分表面粗糙度为0.8µm。同时需注意，要采用适当的固定方式防止导柱从安装孔中脱出。导柱直径尺

22、寸按模具模板外形尺寸而定，模板尺寸越大，导柱间中心局距应越大，所选导柱直径也越大。注射模的导柱一般取两24根，其数量和布置形式根据模具的结构来确定。为了避免安装方位的错误，可将导柱导柱做成两大两小一大两小或直径相等，但其中一根位置错开310 mm。本设计中使用导柱两根。本次设计采用A型导柱，A型导柱适用于简单模具和小批量生产，一般不要求配置导套。导柱结构如图6-1：图6-1 导柱6.2 排气系统排气系统的作用是在注射过程中，将型腔中的气体有序而顺利的排出，以免塑件产生气泡、疏松等缺陷。注射过程中需排出的气体有以下几种：1、浇注系统和型腔中原有的自然空气；2、塑料含有的水分在注射温度下蒸发而形成

23、的水蒸气；3、塑料熔体在受热或凝固时分解产生的低分子挥发气体；4、塑料熔体中某些添加剂的挥发和化学反应所产生的气体。在高速成型过程中，高温的塑料熔体，将这些气体驱赶并压缩至死角，形成多个高温高压的气压室。这些高压的气室的反压作用，阻止熔料的正常快速充模，而高温也能引起塑件局部的碳化、烧焦。同时这些高温高压的气室也可能渗入塑料熔体内部，造成填充不足，产生气孔、空洞、组织疏松等影响塑件强度的缺陷。因此，在注射过程中，及时将这些气体有序的排出模外是十分必要的。本套模具采用从分型面上自然排气的形式。合模再严密，由于分型面的平面误差的缝隙作为排气通道是足够的。7 脱模机构的设计7.1脱模力的计算分析塑件

24、，成型塑件属于薄壁制件，塑件脱模所需脱模力（N）按下式计算：F=82ESLcos(f-tan)(1-)K2+0.1A K2=1+fsincos式中 K2无量纲系数，随f和而异；K2值还可从课本P178表8-3中选取； 2矩环形塑件的平均壁厚，mm； S塑料平均成型收缩率； E塑料的弹性模量，MPa； L塑件对型芯的包容长度； f塑件与型芯的摩擦因数； 模具型芯的脱模斜度，（º）； 塑料的泊松比； A盲孔塑件型芯在垂直于脱模方向上的投影面积，mm2，通孔制件的A等于零。其中，K2=1.006；2=1.8mm；S=0.65%；E=1440MPa；L=710mm；f=0.35；=1

25、86;；=0.38；A=0。塑件脱模所需脱模力为：F=82ESLcos(f-tan)(1-)K2+0.1A=51014.21N7.2 推出零件尺寸的确定7.2.1 推件板厚度的确定根据刚度计算，推件板的厚度t(mm)公式为：t=0.54L03FEB式中 L0推件板长度上两推杆的最大距离，mm； B推件板的宽度，mm； F脱模力，N； E推件板材料的弹性模量，对于一般中碳钢：E=2.1×105MPa； 推件板板中心所允许的最大变形量，一般可取制件在被推出方向上的尺寸公差的15110，mm。本次设计中，查标准手册取推件板尺寸为L=400mm；B=199mm；F=51014.21N；E=2

26、.1×105MPa；=0.15mm；L0=220mm推件板的厚度为：t=0.54L03FEB=24mm查标准手册，取推件板的厚度为t=25mm。7.2.2 推杆直径的确定1）根据压杆稳定公式，可得推杆直径d（mm）的公式：d=K4L2FnE式中 d推杆的最小直径，mm； K安全系数，可取K=1.5； L推杆的长度，mm； F脱模力，N； n推杆数目； E推杆材料的弹性模量，MPa。本次设计中，K=1.5；L=125mm；F=51014.21N；n=6；E=2.1×105MPa。推杆直径d= K4L2FnE=7.5mm 查标准手册，取推杆的直径d=8mm。2）推杆的强度校核校

27、核公式=4Fnd2式中 推杆材料的许用应力，MPa； 推杆所受应力，MPa。本次设计中，45钢=235MPa，=4Fnd2=169MPa，故设计的推杆符合使用要求。推杆如图7-1所示图7-18 冷却系统的设计由产品图得知，塑件的壁厚最厚，厚度为1.8mm，故冷却时间t2应该以该厚度为计算依据。查资料得到塑件的冷却时间t2为5s，设开模取出时间t3为15s,再加上注射时间t1=1.6s（查表6-2可知注射机XS-ZY-125的注射时间为1.6s）,故制品的成型周期为：t=t1+t2+t3=21.6s被PC熔体带入型腔内的总热量为：Q=NGQ1N=3600/6.6545，查表10-4可取Q1=27

28、0kJ/kg，G=60.81×1.2/1000，则：Q10737.8kJ/h对流散发的热量Qc=4.187（0.25+3602M+300）AM（2M-0）4/3式中 AM模具表面积，m2； 2M模具平均温度，； 0室温，。Qc=15.58kJ/h辐射散发的热量QR=20.8AM1(273+2M100)4-(273+0100)4式中 辐射率。磨光表面=0.04-0.05，一般加工面=0.80-0.90，毛坯表面=1.0； AM1模具的四个侧表面积，m2。AM1=7887.12mm2=7.9×10-3m2QR=5.8kJ/h应由冷却水带走的热量Q2为：Q2=Q-（Qc+QR）=

29、10716.42kJ/h这些热量应由凹模和型芯的冷却系统带走。考虑到型芯储存的热量多，且散热条件差，故应强化冷却，采用课本P217的式10-41的分配方案，则凹模冷却系统应带走的热量Q2G为：Q2G=0.4Q2=4286.6kJ/h型芯冷却系统应带走的热量为：Q2K=0.6Q2=6429.9kJ/h8.1凹模冷却系统的计算8.1.1塑件与型腔壁温差的平均值（1-2）MG=Q2G1549fG式中 fG 凹模与塑件的接触面积，m2；有效传热率，=t1+t2t,t1为内注射时间，s；t2为冷却时间，s；t为该注射周期。（1-2）MG=Q2G1549fG=9.18.1.2 塑件推出的温度。设熔体温度1

30、max=230，型腔壁最高温度3max=65,型腔壁最低温度温度3min=60,则型腔壁平均温度3M=62.5。由（1-2）MG=9.1及（1max-3min）=170，查课本P218图10-5所示曲线图，得1min-3max可忽略不计，所以制件推出时的温度1min=65。8.1.3 凹模所需冷却水管直径及流速。设冷却水进、出口温度分别为5in=20，5out=25，则冷却水的平均温度5M=22.5，所需冷却水流量为：qV=Q2c1(5out-5in)式中 qV所需冷却水的体积流量，m3/h； 5out冷却水出口温度，；5in冷却水入口温度，； 冷却水平均温度5M时水的密度，kg/m3；c1冷

31、却水平均温度5M时水的比热容，kJ/(kg)；Q2单位时间冷却水带走的热量，kJ/h。qV=Q2c1(5out-5in)=Q2Gc1(5out-5in)×160=0.0034m3/min由qV查课本P208表10-1得水管直径d=8mm,冷却水最低流速vmin=1.66m/s。8.1.4凹模热阻计算。在凹模模板中设计了两组对称排列的U形回路。为了便于计算，将每组回路简化成横向（长为0.05m）与纵向（长为0.09m）流动的管道各4根与3根，且与型腔的平均距离为0.004m。在略去若干细节后，可分别求出横向与纵向流动管道与型腔壁之间的热阻：Rv=12.3A-ab-(B-b)alg(Ab

32、aB) (A/Ba/b时)或者 Rv=1×2.3aB (A/B=a/b时)式中 模板的热导率，kJ/(m h )；模具型腔壁与冷却水管壁之间的距离，m；Rv1=11932.3×0.0040.05-0.113×0.073-(0.008-0.073)×0.113lg(0.05×0.0730.113×0.008)=0.1（h·/kJ）Rv2=11932.3×0.0040.09-0.073×0.113-(0.008-0.113)×0.073lg(0.09×0.1130.073×0.008)=0.06（h·/kJ）总热阻为：1RVG=8RV1+6RV2 求得RVG=5.6×10-3h&#