塑料盖注塑工艺分析与模具设计毕业论文18

1、第 1章 概 论1.1 课题背景及意义市场竞争的日趋激烈,使得产品的功能日趋多元化,产品的生命周期不断缩 短,塑料产品结构日趋多样化和复杂化,客户对产品质量的要求也越来越高。这 在一定程度上决定了模具设计和注射成型过程的复杂性,有些注射成型问题连有 经验的模具设计师和注射工艺师都很难把握。而传统的注射模设计首先考虑的是 模具结构本身的需要,之后考虑的才是注射制品的需要。例如,常规的注射模设 计通常是根据经验确定浇注系统和冷却系统,而不是根据流动分析来确定,最后 在试模过程中通过反复的调整模具的浇注系统和冷却系统参数来勉强达到产品的 质量要求。模具试模周期过长、试模成本过高严重影响了企业的竞争力

2、。因此, 对塑料熔体的注射成型过程的计算机模拟对优化产品结构设计、模具设计以及注 射成型工艺具有非常重要的指导意义 123。1.2 本课题及相关领域的国内外现状及发展1.2.1 塑料模功能分子材料加工领域中,用于塑料制品成形的模具,称为塑料成形模具,简称 塑料模。塑料模优化设计,是当前高分子材料加工领域中的重大课题。在塑料材料、制品设计及加工工艺确定以后,塑料模设计对制品质量与产量, 就具有决定性的影响。首先,模腔形状、流道尺寸、表面粗糙度、分型面、浇注 与排气位置选择、脱模方式以及定型方法的确定等,均对制品尺寸精度和形状精 度以及塑件的物理力学性能、内应力大小、表观质量与内在质量等,起着十分

3、重 要的影响。其次,在塑件加工过程中,塑料模结构的合理性,对操作的难易程度, 具有重要的影响。再次,塑料模对塑件成本也有相当大的影响,除简易模具外, 一般说来制模费用是十分昂贵的,大型塑料模更是如此。现代塑料制品生产中,合理的加工工艺、高效率的设备和先进的模具,被誉 为塑料制品成形技术的“三大支柱” 。尤其是塑料模对实现塑件加工工艺要求、塑件使用要求和塑件外观造型要求起着无可代替的作用。高效全自动化设备,也只 有装上能自动化生产的模具,才能发挥其应有的效能。此外,塑件生产与产品更 新均以模具制造和更新为前提。1.2.2 国内外塑料模现状我国塑料模的发展极其迅速。塑料模的设计技术、制造技术、 C

4、AD 技术、 CAPP 技术,以有相当规模的开发和应用。我国在塑料模设计技术上,与发达国家 和地区的差距,参见表 1.15。在模具材料方面,专用塑料模具钢品种少、规格不 全,质量尚不稳定。表 1.1 塑料模设计技术塑料模技术,包括设计技术、材料选择、加工技术管理与维修技术等多种领 域,属于系统工程技术。随着塑料模应用领域不断扩大,地位的不断提高,对此 国家以制定出明确的奋斗目标。 第 2章 注塑模设计2.1 注塑模概述2.1.1 注射模设计特点塑料注射模能一次性地成型形状复杂,尺寸精确,或带有嵌件的塑料制件。 作为先进的模具,须在使用寿命期限内保证制品质量,并要有良好的技术经济指 标。这就要求

5、模具动作可靠,自动化程度高,热交换效率好,成型周期短。其次, 合理选用模具材料,恰当确定模具制造精度,简化模具加工工艺,降低模具的制 造成本亦十分重要。此外,在注塑模设计时,必须充分注意到以下特点 4:(1塑料熔体大多属于假塑体液体,能“剪切变稀” 。(2视注射模为承受很高型腔压力的耐压容器。(3 整个成型周期中, 塑件模具环境组成了一个动态的热平衡系统。2.1.2 注射模的组成件凡是注射模,可分为动模和定模两大部分。注射充模时动模和定模闭合,构 成型腔和浇注系统。开模时动模与定模分离,取出制件。定模安装在注射机的固 定模板上;动模则安装在注射机的移动模板上。根据零件的不同功能,可由七个 系统

6、或机构组成 5:(1成型零件:主要包括凹模、凸模、型芯、镶拼件,各种成 型杆与成型环; (2浇注系统(3导向和定位机构; (4脱模机构:主要由顶杆、 顶出板、回程杆、顶出固定板、拉料杆等组成; (5侧向分型抽芯机构; (6温 度调节系统; (7排气系统。2.2 塑件的工艺分析2.2.1 塑料制品的材料ABS 是由丙烯晴 , 丁二烯 , 苯乙烯共聚而成的 , 是一种新型的工程材料。它具有 三种成分的综合性能 , 是一种具有坚韧、质硬和刚性的工程材料。ABS 是非结晶聚合物 , 不透明、 无毒、 无味及微黄的热塑性树脂 . 有及好的抗冲 击强度 , 且在低温下也不迅速下降 . 有良好的机械强度和一

7、定的耐磨性、耐油性、 化学稳定性和电器性能。ABS的主要成型特点:(1可用注射、挤出、压延、吹塑、真空成型、电镀、焊接及表面涂饰等成型 加工方法。(2收缩率小 , 可制得精密塑料。(3吸湿性较大 , 成型前应干燥处理。(4流动性中等 , 溢边值 0.04mm, 溶体粘度强烈依赖于剪切速率 , 因此模具设计 大都采用点浇口形式。(5熔融温度较低 , 熔融温度范围固定 , 宜采用高料温、高模温和高注射压力 , 有 利于成型。(6浇注系统流动阻力小 , 注意浇口形式和位置应合理 , 防止产生熔接痕或减小 熔接痕数量。脱模斜度不宜过小。ABS 注射成型的主要工艺参数见表 2.16。表 2.1 ABS注

8、射成型的主要工艺参数树脂名称 ABS注射机类型 螺杆式螺杆转速, (r/min 3060形式 直通式喷嘴温度( 180190前 200210料筒温度(中 210230后 180200模具温度( 5070注射压力(MPa 7090保压压力(MPa 5070注射时间(s 35保压时间(s 1530冷却时间(s 15 30总周期 (s 40702.2.2 塑件的结构分析该塑件为一圆形塑料盖。塑件含有内螺纹,如图 2.1所示,因此需要采用螺 纹旋转脱模机构, 塑料件上有两个止转孔, 需设计为衬套形式, 防止脱模时塑料件随螺纹型芯转动。 外观 结构较为复杂, 凹模采取镶嵌式, 便于加工, 易于更换, 节

9、约了贵重材料。 该件为圆形对称件, 故在塑料盖的中心位置设置点浇口, 以便充型。 由于采用螺纹脱模机构,结构较为复杂,宜采用一模一腔 。 图 2.1 塑料盖2.2.3 塑件的尺寸精度分析注塑件由于没有精度要求 , 因此取最低精度 5级 (SJ1372-78。 由以上分析可见 , 该零件的尺寸精度为低精度 , 对应的模具相关的零件加工可以保证。2.2.4 表面质量分析塑料件没有特别的表面质量要求 , 故比较容易实现。经过以上分析可以看出 , 注射时在工艺参数控制得较好的情况下 , 零件的成型要求可以得到保证 。2.3 分型面及排气槽的设计2.3.1 分型面的设计在注塑模中 , 用于取出塑件或浇注

10、系统凝料的面 , 通称为分型面。分型面选择 的一般原则 78 :(1应便于塑件的脱模。 (2应保证塑件的质量。 (3应有利于 防止溢料。 4应有利于排气。 5应尽量使成型零件便于加工。该塑料件为一对称的圆形件,基于以上原则,分型面可选在塑件截面积最大 处,如图 2.2所示。 图 2.2 塑料盖分型面2.3.2 排气槽的设计由于是中小型模具,利用分型面排气是最简便合理的方法 , 同时利用配合间隙 排气 , 其间隙为 0.03mm 0.05mm 。2.4 注射机的选用2.4.1 型腔数目的确定方案 一模一腔优点:模具结构简单,制造容易,产品精度高。 缺点:生产效率低。 方案 一模多腔 优点:生产效

11、率高。缺点:模具结构复杂,设计成本高,质量不易保证。该塑料盖含有螺纹结构,为了实现自动化生产,宜采用旋转机构,为了简化 模具机构,应采用方案,即一模一腔。2.4.2 注射机的选择由于 ABS的密度为 1.01.1 g/cm3则 V =(4. 03. 13. 02. 02. 02. 03. 1281325. 92222- - 式中 V -塑料件和浇注系统的体积(cm 3锁 F =q P (n A1+A2 /1000 A 1=2295 =47.52³3.14=7.09³103 mm2A 2= 222. 8 =4.12³3.14=0.21³103 mm 2式中

12、 n-型腔数目; n=1;q P -塑料件熔体对型腔的成型压力(MPa ; A1-单个塑料件在模具分型面上的投影面积(cm 2 ; A2-浇注系统在模具分型面上的投影面积(cm 2 。由资料 8查表 2-2可知, ABS 的熔体压力为 30/MPa。 代入数据得:锁 F =30³(7.09³103+0.21³103 /1000=219 KN故选用 XS ZY 125型注射机,其技术规范如表 2.2。 2.5 浇注系统的设计注系统的设计对注射成型效率和制件质量有直接影响,是获得优质塑料制品 的关键。它的设计合理与否,影响着模具的整体结构及其工艺操作的难易程度。浇注系

13、统一般均由主流道、分流道、浇口和冷料穴等四部分组成 9。2.5.1 主流道的设计主流道是浇注系统中从注射机喷嘴与模具相接触的部位开始,到分流道为止 的塑料熔体的流动通道。因主流道部分在成型过程中,其小端入口处与注射机喷 嘴及一定温度、压力塑料熔体要冷热交替反复接触,属于易损件,对材料要求较 主流道设计如图 2.3所示 d=碰嘴直径 +1mm; R=碰嘴球面半径 +2=2°4° r=D/8;H=(1/32/5 R2.5.2 浇口设计本制件为一塑料盖,为了保证其外观质量,应设计为针点式浇口,浇口位置 设在制件中心,与主浇道直接接通。浇注系统和型腔的流程比 B 的校核式:B=ni

14、 iit L 1 B式中 i L -各段流程长度(mm ;i t -流程各段厚度(mm ;B-允许流程比,查资料表 74.2-3得 ABS 的流程比为 175:1。代入数据得:B=6921+=32.7<175 符合要求,可行。2.6 合模导向机构设计模具闭合时要求有准确的方向和位置。具有一定精度的合模导向机构,是注 射模设计不可缺少的组成部分。2.6.1 导柱的设计技术要求:(1 用 T10钢经淬火处理,硬度为 50HRC 度为 Ra0.8m, 导向部分表面的粗糙度为 (2导柱固定端与模板之间采用 H7/k6采用 H7/f7的间隙配合。 导柱设计如图 2.4。2.6.2 导套的设计 导套

15、选用注塑模 I型直导套采用 导套结构如图 2.5所示。2.7 成型零件的设计2.7.1 型腔型芯的设计 塑料件具有内螺纹,型芯设计为独立的螺纹型芯(如图 2.6所示 ,以便旋转 脱模。 并采用 H8/h8的间隙配合, 将螺纹型芯直接 插入模具相应的配合孔中。 凹模设计为底部镶拼结 构(如图 2.7所示 ,简化了模具的加工性,减少 了热处理变形, 镶拼结构便于模具维护, 节约了贵 重的模具钢,镶拼处的间隙利于排气。2.7.1.1 型腔、型芯径向尺寸计算 910注射塑料 ABS 的成型收缩率:Scp =2S S minmax + 由表 18.1.3-2知 m ax S =0.7%, m in S

16、=0.3% 图 2.6 螺纹型芯 S cp =20.3% 0.7%+ =0.5% (1型腔的径向尺寸:m L =(1+Scp % s L -43+0式中 m L 型腔径向尺寸;单位为 mms L 塑件的基本尺寸;单位为 mm塑件的公差值; 图 2.7 凹模镶块模具成形零件的制造公差;取 /4 将数据代入公式中得:1m L =(1+0.5%³95-0.75³0.600+0.07=95.220+0.07 mm2m L =(1+0.5%³66-0.75³0.520+0.13=66.070+0.13 mm 3m L =(1+0.5%³87-0.75&#

17、179;0.600+0.07=87.150+0.07 mm 4m L=(1+0.5%³8-0.75³0.200+0.05=95.220+0.05 mm(2型芯径向尺寸:m l = (1+Scp % s L +430-式中 m l 型芯径向尺寸;单位为 mm将数据代入公式中得:2.7.1.2 型腔、型芯的深度尺寸的计算 (1型腔深度尺寸计算:m H =(1+Scp % s H -32+0式中 m H -型腔深度尺寸;单位为 mms H -塑件的基本尺寸;单位为 mm将数据代入公式中得:1m H =(1+0.5%³13-32³0.220+0.06=12.93

18、0+0.06 mm 2m H =(1+0.5%³5-3mm(2型芯高度尺寸计算:m h =(1+Scp % s H +320-mmmm3m h =(1+0.5%³2+3mm2.7.1.3 螺纹成型零件的工作尺寸计算大径 (0Z b DsScp Ds d M -+=式中 M d -螺纹型芯大径(mm ;S D -塑件内螺纹大径(mm ;cp S -塑件的平均收缩率(% , ABS 取 cp S =0.5%;b -塑件内螺纹中径公差(mm ; 查螺纹公差标准 GB197-81得 b =0.18mm z -螺纹型芯大径制造公差(mm ,查资料表 3-6得 z =0.06mm。 代

19、入数据得: M d =(80+80³0.005+0.18 006. 0- =80.58006. 0-mm 中径 022243Z b S D D d cp S S M- +=式中 M d 2-螺纹型芯中径(mm ;S D 2-塑件内螺纹中径(mm ;Z -螺纹型芯中径制造公差(mm 。查资料 7表 3-7得 z =0.05mm。 代入数据得: M d 2=(78+78³0.005+43³0.18 005. 0-mm =78.53005. 0-mm小径 (0111Zb S D D d cp S S M -+=式中 M d 1-螺纹型芯小径(mm ;S D 1-塑件内螺

20、纹小径(mm Z -螺纹型芯小径制造公差(mm 。查资料表 3-6得 z =0.06mm 代入数据得: M d 1=(76+76³0.005+0.18 006. 0-=76.56006. 0-mm螺距 (Z cp S S M S P P P ±+= 式中 M P -螺纹型芯螺距(mm ;S P -塑件内螺纹螺距(mm ;Z -螺纹型芯螺距制造公差(mm 。查资料表 3-8得 z =0.04mm 代入数据得: M P =(1.5+1.5³0.005±2042.7.2 型腔侧壁厚度与底板厚度的校核由理论分析和生产实际证实,在塑料熔体的高压作用下,小尺寸模具主

21、要是 强度问题。首先要防止模具的塑性变形和断裂破坏。因此,用强度条件式进行凹 模壁厚和底板厚度设计计算,再用刚度条件式进行校核 11。 2.7.2.1 刚度条件计算式(1 组合式型腔侧壁厚度2/12/125. 175. 011-+=-+=rP E rP E r rP E r R 式中 E -模具钢材的弹性模量 (2/mm N ; 一般中碳钢 E =25/101. 2mm N ; -模具刚度计算许用变形量(mm ; -模具钢材的泊松比, =0.25; P -模腔内最大熔体压力(2/mm N ABS 塑料盖,要求达到 SJ1372 78的 3级精度,模具为 IT8级精度,且为组 合式型腔结构。 塑

22、件尺寸为 95mm ³13mm , 以 W =95mm 为计算尺寸, 查资料 表 4.4-13,代入得 7:=252i =25W W 001. 045. 05/1+= 25³+295001. 029545. 05/1所以 R =2/1553. 3429525. 1101. 2025. 03. 349575. 0101. 2025. 0295-+则 壁厚应为 81.2mm -47.5mm =33.7mm 该板最小壁厚为 52.5mm , 符合条件。 (2组合式型腔底板厚度3/14Pr 74. 0=E T=3/154025. 0101. 25. 473. 3474. 0 =20

23、.1 mm设计底板厚度为 21mm ,符合要求。2.7.2.2 强度条件计算式(1组合式型腔侧壁厚度- -=122/1P r S ( >2P 式中 -模具强度计算的许用应力 (2/mm N ; 一般中碳钢 =1602/mm N 。代入数据得: -=13. 3421601605. 472/1S该板设计壁厚为 52.5mm >15.3mm , 符合强度条件。 (2组合式型腔底板厚度(2/12/1210. 18Pr 33 =+=P r T代入数据得: 2/11603. 345. 4710. 1设计底板厚度为 21mm ,符合强度要求。2.8 螺纹塑件脱模机构设计2.8.1 模外动力旋转脱

24、模设计生产中常用模具外的人力或电动机 -减速器拖动,旋转螺纹型芯实现螺纹塑件的脱模。但是螺纹塑件不能跟随成型零件一起转动,一定要有止转措施。为此, 在螺纹塑件的内表面设有止转孔。为了减少劳动强度提高效率,适应大批量生产,本设计采用电动机旋退塑件 螺纹。在第次分模完毕后,电动机带动链轮使螺纹型芯开始旋转脱模,在脱模 过程中,固定在动模板上的止转衬套在弹簧的作用下始终与塑件端面保持接触, 以防止塑件随螺纹型芯旋转,一直到脱模结束。2.8.2 螺纹脱模力矩计算螺纹旋退时的脱模力矩计算:M =2r p f s c =221 (r p p f c式中 2r -螺纹中径的半径值;s p -总包紧力;c f

25、 -塑料件与钢表面的脱模系数 。由机械设计手册及表 4.6-1确定有关参数:M80普通粗牙螺纹,中径2d =78mm, r=39mm。内径 1d =76mm,外径 d =80mm。 ABS, E =2.1³103N/mm2, =10³10-5/, c f =0.45, f T =100, j T =60, =0.38。 由已知条件 R =47.5mm, h=13mm。2d t =785. 8=101>8011p =c j f A r R r R T T E +-+-222222 (25. 1=117838. 0395. 47395. 4760100(101. 2101

26、025. 1222235+-+- =6060.9 N2p =1.5E (f T -j T (d 2-d 12M = 2r p f s c =0.45³13923.3³0.039 188 m N 2.9 模温调节系统设计注射模不仅是塑料熔体的成型设备,而且还是热交换器。模温(模具温度 调节系统直接关系塑件的质量和生产效率,是注塑模设计的核心内容之一。对于 大多数较低模温的塑料,仅设置模具冷却系统。对于模温超过 80的塑料,以及 大型模具需要设置加热装置。因 ABS 要求的模温为 4070,不超过 80, 故无须设置加热装置。2.9.1 冷却系统的简略计算对于大多数中小型注塑模

27、具的水冷却系统,必需计算冷却传热面积,确定冷 却水温度和流量。2.9.1.1 热平衡计算进行注射过程热平衡计算,就是计算单位时间内熔体固化放出热量等于冷却 水所携走的热量nG m Q i p i in =式中: in Q -塑料熔体每小时冷却固化所放出的热量(KJ/h ;n -每小时注射次数;G -每次注射的塑料用量(Kg ; p m -每小时注射的塑料量(Kg i -每千克塑料熔体凝固时放出热焓量(KJ/Kg ;由资料表 4.9-1得 i =400 KJ/Kg。 设注射周期为 60s ,则 n=3600/60=60in Q =400³60³0.0416 998.4 KJ&

28、#178;h -1冷却水每小时从模具携走热量 out Q(in out w w out t t C m Q -=式中 w m -冷却水每小时的用量(kg/h ;w C -冷却水的比热容, 4.187KJ/Kg²ºC ; out t -模具的出水温度ºC ; in t -模具的进水温度ºC 。由热平衡条件 out Q =in Q 可得:in out w i in out w p i w t t C nGt t C m m -=-=其中,取 out t 为 28ºC ; in t 为 22ºC ; 则 w m =2228187. 44.

29、998- 39.7 (kg/h经计算保证冷却水在水管中处于湍流状态,从而获得冷却水的体积流量 V ,并确定相应的管径 d ,由水的密度 =3/1000m kg 和每小时用水量 w m ,可换算得 冷却水的体积流量 V =60wm =inout i t t nG -510398. 0 (min /3m =22284. 99810398. 05- 3101. 5- min /3m由资料表 4.9-2查得:冷却水管的直径为 3108- m 。 则冷却水流速 220202. 0604dVd V v =33108101. 5- 1.61 s m /2.9.1.3 冷却面积计算 较薄的型芯壁改善了冷却效果

30、,只是加工较复杂。必须保证塑件所需的注射量(包括浇注系统及飞边在内小于注射机允许的 最大注射量, 一般占注射机最大注射量的 80%以内 13。 当注射机的最大注射量以最 大注射容积 m ax V 等于或大于成型塑料件的体积 s V 即L K m ax V s V式中 s V -塑料件所需塑料的体积(包括浇注系统凝料及飞边在内, cm 3 ; m ax V -注射机最大注射量(公称容积, cm 3 ;L K -注射机最大注射量利用系数,一般取 L K =0.8。塑料的容积与其压缩率有关,故所需塑料的体积为:s V =S K V式中 S K -塑料的压缩率;V -塑料件的体积(包括浇注系统凝料及飞

31、边在内, cm 3。 由资料表 4-3得 ABS的压缩率 S K =1.82.0 ,密度为 1.01.1 g/cm3V =(4. 03. 13. 02. 02. 02. 03. 1281325. 92222- - 则 s V =2.0³39.62=79.24 cm3 该注射机的最大注射量为 125cm 3则 L K m ax V =80%³125=100>s V =79.24 cm3 符合要求。2.10.2 锁模力的校核注射机锁模力(锁 F 的校核关系式应为:锁 F =q P (n A1+A2 /1000式中 n-型腔数目; n=1;q P -塑料件熔体对型腔的成型压

32、力(MPa ;A1-单个塑料件在模具分型面上的投影面积 (cm 2 ; A1=7.09³103(cm 2 ;A 2-浇注系统在模具分型面上的投影面积(cm 2 ; A 2=0.21³103(cm 2 。由资料 8查表 2-2可知, ABS 的熔体压力为 30/MPa。 代入数据得:锁 F =30³(7.09³103+0.21³103 /1000=219 KN 该注射机型号的锁模力为 900 KN>219 KN故符合要求。注射机的最大注射压力应大于或等于塑件成型时所需的注射压力,即 m ax P KP 式中 m ax P -注射机的最大注射压力;P -塑料件成型时所需的注射压力。