塑料盖注塑工艺分析与模具设计毕业论文完整版本

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

3、分重 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。122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、CAD技

4、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塑料模设计技术技术名称发达国家中国美国日本德国香港台湾大陆CAD应用75%75%70%50%40%20%CAE应用50%50%50%40%30%10%Flow软件普及普及普及70%50%有应用Cool软件普及普及普及70%50%有应用塑料模发展趋势塑料模技术，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

5、 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

6、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

7、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 大都米用点浇口形式。(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

8、。(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 2.1。表2.1 ABS注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/mi n)30 60形式直通式喷嘴温度(C)180190刖200210料筒温度(C)中210230后180200模具温度(C)50 70注射压力(MPa70 90保压压力(MPa50 70注射时间(s)35续表2.1保压时间（s）15 30冷却时间（s）15 30总周期（s）40 70密度（g/ cm 3 ）1.01 1.08222塑件的结构分析2.1所示，因此需

9、要采用螺图2.1 塑料盖该塑件为一圆形塑料盖。塑件含有内螺纹，如图 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 。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。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

10、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分型面的设计在注塑模中，用于取出塑件或浇注系统凝料的面，通称为分型面。分型面选择的一般原则：（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2.4注射机的选用型腔数目的确定方案I 一模一腔优点：模具结构简单，制造容易，产品精度高。 缺点

11、：生产效率低。方案u 模多腔优点：生产效率高。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I，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/cm131.3 0.20.220.20.321.3 0.4+ 0.220.12 22.1 0.12 tg10 1.2=39.62cm3式中V-塑料件和浇注系统的体积（cm3）F锁=Pq (n A1+A) /1000A=295=47.52 X 3.14=7.09 X 103 mniA=22232=4.1 X 3.14=0.21 X 10 mm式

12、中 n-型腔数目；n=1；Pq-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（cmf）;a2-浇注系统在模具分型面上的投影面积（cm；由资料查表2-2可知，ABS的熔体压力为30/MPs。代入数据得：F锁=30X（ 7.09 X 103+0.21 X 103） /1000=219 KN故选用XS-ZY125型注射机，其技术规范如表2.2。表2.2 XS ZY-125型注射机的技术规范注射量/cm3125模板最大仃程/mm300螺杆直径/mm42模具厚度/mm最大300注射压力/MPa119最小200注射行程/mm115拉杆空间/mm260X 290注射时间/s1

13、.6模板尺寸/mm428X 450锁模力/kN900喷嘴球径/mmSR12最大成型面积/cm2320喷嘴孔径/mm© 42.5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。浇注系统一般均由主流道、分流道、浇口和冷料穴等四部分组成。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，对材料要求较高，所以模具的主流道部分设成可拆

14、卸更换的主流道衬套式，以便有效地选用优 质钢材单独进行加工和热处理。主流道衬套设置在模具的对称中心位置上。主流道设计如图2.3所示，其主要参数为：4=碰嘴直径+1mmR=®嘴球面半径+23mma =2° 4°r=D/8 ;H= (1/3 2/5 ) R。图2.3主流道浇口设计浇口是塑料熔体进入型腔的阀门，对塑件质量具有决定性的影响。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。n L浇注系统和型腔的流程比B的校核式：B= Bi 1 ti式中 Li -各段流程长度(mrj)；ti-流程各段厚度（mm；B-允许流程

15、比，查资料表4.2-3得ABS的流程比为175: 1代入数据得：b=31.55121342121 =32.7 V 175222459 69 6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。261导柱的设计技术要求：（1）为使导柱具有硬而耐磨的表面，坚韧而不易折断的内芯，采用T10钢经淬火处理，硬度为50HR&55HRC导柱固定部分表面粗糙度为Ra0.8 m,导向部分表面的粗糙度为 Ra0.8 mRa0.4 m（2）导柱固定端与模板之间采用 H7/k6过渡配合；导柱导向部分 采用H7/f7的间隙配合。

16、导柱设计如图2.4。导套的设计导套选用注塑模型直导套采用H7/r6配合镶入模板导套结构如图2.5所示。2.7成型零件的设计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 可编辑范本芯（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：cpSmaxSmin由表 18.1.3-2 知 Smax=0.7%， Smin =0.3%

17、0.7%0.3%2=0.5%（1）型腔的径向尺寸:Lm=( 1+SP% Ls 40式中Lm 型腔径向尺寸；单位为 mm图2.6 螺纹型芯图2.7凹模镶块Ls 塑件的基本尺寸；单位为 mm塑件的公差值；模具成形零件的制造公差；取/4将数据代入公式中得：Lm1 = (1+0.5%)X 95- 0.75 X 0.60 0+0.07=95.220+0.07 mmLm2= (1+0.5%)X 66- 0.75 X 0.52 0+0.13=66.070+0.13 mmLm3= (1+0.5%)X 87- 0.75 X 0.60 o+0.07=87.15o+0.07 mm+0.05+0.05Lm4= (1+

18、0.5%)X 8-0.75 X 0.20 0=95.220 mm(2)型芯径向尺寸：,30lm= ( 1+Scp%) Ls+4式中 lm 型芯径向尺寸；单位为 mm将数据代入公式中得:lm1= (1+0.5%)X 63+0.75 X 0.46-o.i2O=62.78-0.122.7.1.2 型腔、型芯的深度尺寸的计算（1）型腔深度尺寸计算:2H* (1+SCp% Hs-3式中Hm-型腔深度尺寸；单位为 mmH s -塑件的基本尺寸；单位为 mm将数据代入公式中得:H m1= (1+0.5%)X 13- - X 0.22 0+0.06=12.930+0.06 mm 32Hm2= (1+0.5%)

19、X 5 X 0.18 0+0.05= 5.3 0+0.05 mm3(2)型芯高度尺寸计算：hm1=hm2=hm3=2hm= (1+SCp% Hs+- 3X 11 X 0.22 -0.053X 5+- X 0.1832X 2+ X 0.163(1+0.5%)(1+0.5%)(1+0.5%)0 =11.250-0.05 mm-0.05=5.150-0.05 mm0 0-0.04=2.11 -0.042.7.1.3 螺纹成型零件的工作尺寸计算大径DsDsScp式中 dM -螺纹型芯大径（mm；Ds-塑件内螺纹大径（mm；Scp -塑件的平均收缩率（%, ABS取 Scp =0.5%；b-塑件内螺纹中

20、径公差（mm；查螺纹公差标准 GB197-81得b=0.18mmz-螺纹型芯大径制造公差（mm,查资料表3-6得z=0.06mm代入数据得：dM = (80+80X 0.005+0.18 ) 爲=80.58°0.06mm中径30d2MD2SD2SScpb4Z式中d2M-螺纹型芯中径（mm；D2 S-塑件内螺纹中径（mm；Z -螺纹型芯中径制造公差（mm。查资料表3-7得z=0.05mm代入数据得：3d2M = (78+78X 0.005+Y X 0.18 ) 00 05mm4=78.5300.05mm小径d1MD1SD1SScpb z式中d1M -螺纹型芯小径（mm；D1S-塑件内螺

21、纹小径（mmZ -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：d1M = (76+76X 0.005+0.18 ) 爲=76.56 00.06mm螺距PMPSPSScpZ式中Pm -螺纹型芯螺距（mm；Ps-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：Pm = (1.5+1.5 X 0.005 )± 0042可编辑范本=1.51± 0.02mm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

22、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。刚度条件计算式（1）组合式型腔侧壁厚度ErP1/2ErP1/2E 0.75rPE 1.25rP式中E-模具钢材的弹性模量（N/mm2）;般中碳钢E = 2.1 105 N / mm2 ；-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（N/mm2）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。塑件尺寸为© 95mm X 13mm，以W=© 95mm为计算尺寸，查资料 表4.4-13，代入得：=25i2=25 0.

23、45W1/5 0.001W=25X 0.451/59520.001952=25 m=0.025 mm所以R = 9550.025 2.1 100.759534.31/250.025 2.1 101.2534.32=81.2 mm则壁厚应为 81.2 mm-47.5 mm =33.7 mm该板最小壁厚为52.5 mm ,符合条件(2)组合式型腔底板厚度1/30.74 旦4E=0.74434.3 47.52.1 105 0.0251/3=20.1mm设计底板厚度为21 mm，符合要求。2.722 强度条件计算式(1)组合式型腔侧壁厚度1/2S r1(> 2P)2P式中-模具强度计算的许用应力

24、(N/mm2);般中碳钢=160N/mm2代入数据得:S 47.51/2160160 2 34.3=15.3mm该板设计壁厚为52.5 mm >15.3 mm ,符合强度条件(2)组合式型腔底板厚度2 1/23 3 Pr81.10r1/2P代入数据得:T 1.10 47.534.31601/2=20.2mm设计底板厚度为21 mm，符合强度要求2.8螺纹塑件脱模机构设计模外动力旋转脱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

25、批量生产，本设计采用电动机旋退塑件 螺纹。在第U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。282螺纹脱模力矩计算螺纹旋退时的脱模力矩计算：M = fcPs2= fc(Pl P2)2式中r2-螺纹中径的半径值；Ps总包紧力；fc-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32d2=78mm r=39mm 内径 d!=76mm 外径 d =80mm ABS，E =2.1 x 10 N/mm， a =10X 10-5

26、/C，fc=0.45 ,Tf =100C, Tj=60C,卩=0.38。由已知条件 R=47.5mm h=13mm代如数据得：t=R r2 =47.5 39=8.5mmt 8.511 二 > d278 10 801.25 E(TfP1= R2 r225378 111.25 10 10 5 2.1 103(10060)220.3847.5392247.539=6060.9 N2 2P2=1.5 a E (Tf Tj ) (d d1 )=1.5 X 10X 10-5 X 2.1 X 103X 40X( 802- 762) =7862.4 Nps = p1+ p2=6060.9+7862.4=

27、13923.3 NM = fcpsr2=0.45 X 13923.3 X 0.039 188 N m2.9 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 80C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40C70C,不超过80C, 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

28、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Qini mpinG式中：Qin - 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)； mp- 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=60Qin=400X 60X 0.0416 998.4 KJ h冷却水每小时从模具携走热量Qout式中QoutmwC w (t outtin)mw-冷却水每小时的用量（kg/h ）;Cw-冷却水的比热容，

29、4.187KJ/Kg oC;tout-模具的出水温度。C;t -模具的进水温度。Co由热平衡条件Qout=Qin可得：mwimpi nGC tw outtinc tw outtin其中，取 tout 为 28oC; tin 为 22oC;mw =998.44.18728 2239.7(kg/h)湍流计算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=1000kg/m3和每小时用水量mw，可换算得冷却水的体积流量V=E)=0.398 10 5卫色(m3/min )60tout tin5998.433=0.398 105.1 10 m /min2

30、8 22由资料表4.9-2查得：冷却水管的直径为8 10 3 m。则冷却水流速4Vv 60 d20.0202二d2(m/s)=0.02025.1 108 10 3A°=7.93。由式3.6A00.8vd0.23.67.930.81000 1.61=27568.8 kJ /m2 h C3 0.210 3则所需冷却面积=imPt代入数据=400_°.0416_6027568.8 250.00145m2 1.61 m/s冷却面积计算以冷却水的平均温度tcp=25C查资料表4.9-3得冷却水物理性质参量的函数冷却水套冷却水套图2.8螺旋式冷却水套2.9.2 冷却系统的设计，为了提高

31、冷却效率和争取型腔表面温度的均匀 与稳定，在系统的综合设计中应遵守生产中的约定准 则。在管道回路布置时，还需进一步考虑型腔的形状 和尺寸，并使加工方便和密封效果良好12。本设计采用螺旋式冷却回路，如图2.8所示，大直径的圆柱高型芯，在心柱表面车制螺旋沟槽，压入型芯的内孔中。冷却水从、中心孔引向心柱顶端，经螺旋回路从底部流出。心柱使型芯有较好刚性;较薄的型芯壁改善了冷却效果，只是加工较复杂2. 10注射机有关尺寸的校核最大注射量的校核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%内13。当注射机的最大注射量以最 大注射容积Vmax等

32、于或大于成型塑料件的体积Vs即式中3、cm);Kl Vmax > VsVs-塑料件所需塑料的体积（包括浇注系统凝料及飞边在内,Vmax-注射机最大注射量（公称容积，CH3）；Kl-注射机最大注射量利用系数，一般取 Kl=0.8 塑料的容积与其压缩率有关，故所需塑料的体积为：Vs =Ks V式中ks-塑料的压缩率;V-塑料件的体积（包括浇注系统凝料及飞边在内，cH）。由资料表4-3得ABS的压缩率Ks =1.8 -2.0，密度为1.0 /321.1 g/cm2V= 9.513821.30.20.220.220.31.3 0.422+ 0.220.1222.10.12 tg101.2=39.

33、62cm33Vs = 2.0 X 39.62 = 79.24 cm该注射机的最大注射量为125cHK l Vm ax 8°%X 125= 100 > Vs3=79.24 cm符合要求。锁模力的校核注射机锁模力（F锁）的校核关系式应为:F锁=Pq (n A1+A2) /1000式中 n- 型腔数目；n=1；Pq-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（cnf）; A1=7.09 X 103 （ cH）A-浇注系统在模具分型面上的投影面积（cH） A=0.21 X 103 （c）0由资料查表2-2可知，ABS的熔体压力为30/MPa。代入数据得：33F锁=30X(7.09 X 10+0.21 X 10) /1000=219 KN该注射机型号的锁模力为 900 KN&g