塑料盖板注塑成型模拟及模具设计和实现 机械制造专业

塑料盖板注塑成型模拟及模具设计摘要阐述了当前模具制造行业的现状与前景。分析了塑料盖板的注塑成型过程，并且根据塑件材料及制品的特点，确定模具结构和选择注塑机，对注塑工艺进行分析，设计浇注、冷却系统以及成型零部件和推出机构。接着利用MPI软件对制品成型过程进行模拟分析，确定浇口位置、填充过程和冷却-流动-翘曲分析等。最后根据MPI软件分析的结果及模具结构，使用CAD软件对模具进行三维结构设计。关键词：注塑模具；塑料模具设计；MPI软件；CAD软件AbstractThispaperexpoundsthecurrentmouldmanufacturingindustrypresentsituationandprospect.Plasticinjectionmoldingprocessofplateareanalyzed,andaccordingtothecharacteristicsoftheplasticmaterialsandproducts,determinethemoldstructureandinjectionmoldingmachine,preliminaryprocessconditionsweredetermined,gatingsystem,coolingsystemandformingpartsofthedesignonthedesignandetc.ThenuseofMPIsoftwareproductstosimulatetheformingprocessanalysis,todeterminethereasonableformingprocessconditions,gatingsystemandcoolingsystem,etc.AccordingtotheclassificationresultsofMPIsoftwareandthemouldstructure,using3dCADsoftwaretomoldthree-dimensionalstructuredesign.Keywords:Injectionmould;Plasticmoulddesign;MPIsoftware;CADsoftware目录摘要 ⅠAbstract Ⅱ目录 Ⅲ第一章绪论 11.1引言 11.2研究背景 11.3研究现状 11.4论文结构 2第二章塑料盖板模具设计过程分析 32.1塑件材料ABS的性能分析 32.2塑件的工艺分析 32.3注塑机的选择 32.4注射过程的校核 52.5锁模力的校核 62.6安装部分尺寸校核 62.7分型面及其选择 72.8浇注系统的分析与设计 82.9冷却系统的设计 92.10成型零件部件的设计 92.11推出机构的设计 132.12本章小结 13模具装配图 14第三章模流分析 153.1最佳浇口位置分析 153.2填充分析 163.3冷却-流动-翘曲分析3.4本章总结 19结论 211.论文工作总结 212.工作展望 21参考文献 22致谢 23第一章绪论1.1引言模具业是国民经济的重要支柱之一。汽车，飞机，电子，电器等工农业及民用产品中除金属零件外大量使用着各式的高分子材料零件，成型模具的水平决定着零件质量的好坏，高端的模具技术有利于产品更新换代的速度。因此，模具的设计和分析是生产模具的基本也是最重要的环节。1.2研究背景塑料制品目前在日常中应用广泛，模具制造技术水平的优劣决定着一个国家产品制造水准优劣。塑料工业的成长离不开塑料模具的成长。目前国内注塑模在质量上有了很快的发展。长三角、珠三角是塑料产业的主要集中地方，其塑料制品产业位于前矛[1]。如今，这3个省的不少企业正极力组织模具作品的开发制作，正是看到了塑模业的极大商机。模具设计开发不是一蹴而就的，首先要进行塑料制品和模具结构的设计，通过分析选择合理的成型工艺，再进行模具加工制造生产，CAE分析软件目前应用于模具分析，得到不少认同[2]。应用CAE分析软件，我们对模具成型过程进行分析，降低了研发成本。1.3研究现状这次的研究课题是塑料盖板模具的设计与MPI分析。塑料模具设计过程我们基本比较了解熟悉，而进行MPI软件分析仍然是比较新鲜的，以前没有接触过也不清楚怎么进行，因此需要花费一定的时间精力完成分析。1.4论文结构本文分为三章。其中第一章节叙述了塑料模具的研究背景以及本次模具设计分析的现状。第二章节是整个塑料盖板模具的成型过程，包括材料的性能分析、模具结构和注塑机的选择、工艺条件、浇注和冷却系统的确定等环节。第三章节则是在MPI软件下塑料盖板成型过程的模拟分析。第二章塑料盖板模具设计2.1ABS的性能分析ABS塑料是三元共聚物，各方面性能优异，首先具有韧性和高弹性，然后具有热塑性塑料的加工成型特性并改善电性能，并且耐高温、化学性质十分稳定，表面硬度比较高。ABS塑料熔于酮、醛、脂、氯代烃，不溶于大多数醇类及烃类溶剂,基本不受酸、碱、盐及水和无机化合物的影响。另外ABS塑料的耐侯性不好，紫外线作用下容易降解，从而会导致制件变脆变硬，热稳定性也不好，使用的温度范围为-40～100℃。所以ABS塑料是一种原料易获取、各方面性能好、用途广泛、物美价廉的材料。ABS塑料目前广泛地适用于制造业及化工业中，比如机械、纺织、飞机、汽车、轮船等。2.2塑料制品的工艺分析图2-1塑件外形尺寸塑料盖板的表面的形状比较复杂，其侧面有很多圆弧并不简单，制造型芯是有些难度的，加工时要配置合理的刀具路径，型芯采取型芯镶嵌的方法，使圆弧槽在型芯的边上，便于加工。另外要设计合理的脱模斜度，因为黏附作用而紧贴在型腔内，或者因为制品冷却后产生收缩时会紧包在凸模上，脱模时可能会对模具造成一定程度的损伤。本次设计塑件脱模斜度取0.5°2.3注塑机的选择根据塑件的造型及尺寸，算出其在分型面上的投影的面积和塑件以及浇注系统的重量，计算所需锁模力、总注射物料量，然后才能开始选择设备。由于制作品的外观由许多弧形槽构成，形状并不简单，首先要对制品的体积和在分型面上的投影的面积进行计算测量。利用PRE软件对塑件三维图的分析，计算得出结果如下：根据分析结果，该塑件采取直浇口方式，加上浇注系统及冷凝料的材料，总的注射量取。选择的注塑机为SZ-100/60其主要参数如表2-2：表2-2型号SZ-100/60为的注塑机参数项目参数注射方式螺杆式结构形式卧式螺杆直径(mm)35额定注射量(cm3)100螺杆转速(r/min)20~200注射压力/MP150锁模形式模具双曲肘喷嘴孔径(㎜)R10最大模具厚度(mm)300定位孔直径(㎜)4喷嘴球半径(㎜)125注塑速率（g/s）85S模板行程/mm300拉杆内间距(mm)320×320最小模具厚度(mm)170锁模力(KN)600液压泵电动机功率/KW112.4注射过程的校核我们要求的是注射量小于注射机的最大注射量。注射量具体来说是指注塑机在没有模具进行控制的情况下，它能够从喷嘴注射出的熔料的最大质量。在选择使用注塑机的时候，需要保证塑件的最小注射量高于注塑机注射量的20%而小于注塑机的最大注射量的（80～85）%，依据式子，k-----注射机最大注射量利用系数，通常取0.8。Mmax-----注塑机最大注射量/mm3；n-----型腔数目/个；m-----单个制件质量或体积/mm3；Mi-----浇注系统凝料的质量或体积/mm3；0.8×10026.51+15.91≈42.41g。所以：注射机注射量符合要求。注塑压力由许多因素决定，比如塑件形状、注塑机类型、喷嘴形式等。为了检验注射机的最大注射压力能否满足制品的成型需求，需要对注射压力进行校核。我们采用的塑料材料是ABS，这种材料的流动性能非常好，模具制件结构也比较好的，它的注射压力在（60～90）Mpa之间，其数值在我们选择的注射机的成型范围之内，所以能符合标准。2.5锁模力的校核注塑时塑料熔体满盈型腔的时候，留有比较大的压力，它会让模具发生涨模现象，锁模力要大于涨模力，才能顺利完成注射过程而不出现问题。为了保证注射成型过程当锁模力足够大，需要满足：所以：注射机锁模力符合标准。2.6安装部分尺寸校核(1)模具厚度校核注射机的模具的最小的模具厚为170mm，最大的模具厚为300m。本次使用的模具总厚度是265mm，该数值在目标注射机的最小模具厚度和最大模具厚度之间。因此，模具厚度是按照注塑机的合模要求设计的。(2)模具的长度和宽度校核为了在不增大模板行程的同时增加机器的加工范围，我们采用调整块（垫板）结构，注射机的装夹空间为：320×320mm，模架为180×200㎜，注射机器的装夹范围要比设计的模具尺寸大，符合条件。(3)浇口套球面尺寸校核进行模具设计的时候，浇口套内主流道的小端直径要比喷嘴直径稍大点点，并且注射机球面半径一定要比主流道始端的球面稍小点点。(4)模具开模行程的校核注射机的最大开模行程一定要大于脱模距离，不然塑件不能顺利开模成功，因为注射机的开模行程是被合模机构限制的。XS-ZY-125型注射机的合模形式为机械-液压式，它的模具厚度不会影响其最大开模行程。计算公式为：SH1+H2+(5～10)mm式中H2-----包括浇注系统在内的塑件高度/mm；H1-----推出距离/mm；S-----注射机最大开模行程/mm。即，开模行程设计为：S24+125+(4～10)mm=154～159mm实际合模行程为86mm，而注塑机最大开模行程达到300mm，因此注射机的最大开合模行程与模具所需求的开模间距相匹配。综上所述，本副模具与所选的注射机完全互相吻合，模具的最大锁模力、最大注射压力、最大注射量、开模行程以及模具安装尺寸都在所选的注射机技术规格之间。2.7分型面及其选择选择和设计模具分型面要考虑很多方面的原因，比如塑件的结构、排气方式、塑件精度要求，浇注系统的形式等，再做出整体考虑和合理的选择。塑件质量的好坏，模具结构都取决于分析面合理的选择与设计，它是影响模具结构形式的关键要素之一。所以，分型面的选择对注塑模具设计十分重要。一般分型面是与注塑机开模方面垂直的平面。它的作用是在开模时，由于注射时熔料冷却定型，将制品从模腔中顶出。我们采用直浇口成型塑料盖板，只需一个分型面。塑料盖板的该分型面在中间板和动模板之间的一个面上。因为塑料件侧面没有凸台和凹孔，因此没有侧向分型。2.8浇注系统的分析与设计注塑模具的浇注系统是将注塑机料筒中的塑料熔体从喷嘴高压喷出后，流畅稳定地进入并同时满盈型腔的各个空间的通道。浇注系统能够在充模及塑件固化过程中将注射压力平均的传送到型腔的各个部分，从而得到满盈、质量好、完整的塑件。根据塑料盖板的要求，模具采取直浇口形式，并且采取一模一件的形式。考量到模具安装的注塑机的推出机构在动模而且由于模具是外壳形状，型腔需要设计在定模，再则为了能顺利推出塑件，直浇口设计需要在塑件的外表面，直浇口痕迹较小，塑件的质量外形不受干扰。采取一模一件，并且是直浇口进料，浇注系统没有分流道和冷料穴。浇口就定好在塑件表面的中心位置。浇注系统是连接模具注塑机与型腔的进料通道。浇注系统由通常4个部分构成，由冷料井、主流道、分流道和浇口组成。一、主流道的设计主流道一般处于模具中心熔融塑料的进口处，其作用是把注塑机的喷嘴注射出的熔体引入分流道中。其充模时间和熔体流动速度由主流道尺寸直接决定，形状为锥形。在注射模中要把主流道部分制成可拆卸更换的浇口套，因为主流道要与注塑机喷嘴和高温熔体不断接触。注塑机的喷嘴球面直径是4mm，而主流道小端直径比注塑机喷嘴直径d略大一点，所以主流道浇口套的小端直径设计为，为了使得熔料能在主流道顺利流动，D=1.5+d=1.5+4=5.5㎜主流道进口处的注塑机喷嘴球头半径R1应该小于凹坑球面半径R2，通常为R2=（1～2）㎜+R1=1.5+10=11.5㎜端面凹球面的深度通常为2～4mm，本次设计中L=4mm主流道的半锥角通常为。太大太小都不合适，太小时容易产生脱模困难，太大则容易卷入空气。因为塑件材料的流动性能良好，不过主流道比较长，所以我们取=3。在抛光主流道的内壁时，我们沿着轴向进行操作，它的表面粗糙度应该在Ra0.8以下。通常，模板的厚度决定了主流道的长度L。为了大幅度地缩短主流道，以降低熔体在充模的时候的物料的损耗以及压力的消耗，主流道长度通常保持在60㎜左右。按照模板的厚度，主流道仅仅有40㎜，主流道的大端半径为D=5+tg40=7.79取D=8mm二、浇口的设计浇口是连结型腔和流道的一个短细通道。通常这段很短的通道截面小，由于浇口的截面积很小，当熔融的塑料在高压下流过浇口时，会使塑料流速变快，因为摩擦的原因，让塑料的温度上升，黏度下降，促进了塑料的流动性，有利于满盈型腔[5]。因为浇口是浇注系统的关键部分，因此，塑件质量、注射效率、注射效果由浇口的形状和位置、尺寸的设计的准确是否直接决定着。通常来说，浇口设计不合理一般会造成注塑塑件出现缺陷，如缩孔、融接痕、翘曲变形等。除了直浇口以外，它们的作用有下面几点：（1）熔体流经狭小的浇口时会引起摩擦热，让熔体温度变高，有利于充模。（2）熔融塑料充模后会先在浇口处凝固，在注射机螺杆抽回的时候可预防熔体回流入流道。（3）方便将浇口的尾料切除掉。该模具采取直浇口进料，浇口的基本尺寸根据经验，浇口直径为d=0.5～1.5mm，浇口长度范围为l=0.5～2mm，浇口斜度范围为=6～15。该模具的浇口长度设计为1.2mm，直径为1mm，浇口斜度为10。2.9冷却系统的设计模具冷却介质一般为油、水或压缩空气等。因为水的使用方便、成本低廉并且比热容大、传热系数大、冷却效果好等优点[6]。在本次的模具设计中，我们都用水冷却。在型腔打两直通的孔，经过管接头与水路连结，塑料盖板模具的冷却管道放在型腔上，以完成对塑件的制冷，因为塑件小。2.10成型零件部件的设计型腔是模具上成型塑料制件的部位，塑料制件的形状与尺寸由模具型腔的形状的与尺寸决定，构成模具型腔的所有零件都称为成型零件[13]。成型零部件的结构设计塑件几何尺寸和几何形状是由成型零件是影响的。凸模、凹模及成型杆、镶件和成型环等组成了成型零部件。凸模成型塑件内表面的零件，也叫型芯；凹模是成型塑件外表面的部件，也叫型腔；成型其他小孔的型芯称为成型杆或小型芯。凸凹模有组合式和整体式两种。塑料盖板的外表面比较规则，塑料件的模具形状简单，结构也小。因此我们用整体式构造凹模；但是塑料盖板的内表面并不简单，成型困难，加工十分不方便，因此我们用组合式构造凸模，凸模和动模板采取H7/m6过渡配合压入模板中。这种结构好确保形状和尺寸的精度，使用方便，易于加工。二、成型零部件尺寸计算塑料原料的、塑件成型工艺和结构、模具结构、模具制造和装置、模具使用中的磨损的原因等影响着塑件的尺寸精度。塑料尺寸精度主要是受材料的收缩率波动影响，还有就是成型零部件发生摩擦损坏，制造模具时公差没有弄好，都会很大影响塑件的尺寸精度。型芯尺寸的计算ABS塑料的收缩率为0.4%～0.8%，这种塑料的平均收缩率为=（0.4%+0.8%）/2=0.6%计算主型芯尺寸计算中心距的尺寸得公式为：-----塑件中心距尺寸；-----模具中心距的成型尺寸。计算高度尺寸：-----模具高度成型尺寸；-----塑件高度尺寸。计算径向尺寸的公式为：-----塑件的公差；-----模具径向成型尺寸；-----塑件径向的基本尺寸；-----塑料的平均收缩率；-----模具的制造公差，通常取塑件公差的。计算中心距的尺寸得公式为：-----模具中心距的成型尺寸；-----塑件中心距尺寸。计算径向尺寸的公式为：计算高度的公式为：计算径向尺寸的公式为：计算高度尺寸的公式为：-----模具高度成型尺寸；-----塑件高度尺寸。2.11推出机构的设计为了能够取出模腔内的制品，在所有合模装置上都需要设置顶出装置。制品的质量与产量好坏与否与顶出装置设计是否完善是离不开的。所以，注射模设计中，设计的重要一步就是设计推出机构。设计推出机构时要遵守以下几点原则：一、不损坏塑件的外观质量；二、尽可能让塑件保持在动模的那侧；三、推出机构动作可靠；四、在推出塑件的时候要尽量避免出现损坏形变；五、推出机构能复位正确在合模时。一、推出力的计算按照塑件尺寸需要采用适当的脱模斜度，脱模斜度的通常为0.2～0.5塑件在模具中冷却定型时，由于热收缩，体积和尺寸逐渐缩小，对型芯生成紧包力。脱模时就需要克服该紧包力产生的摩擦力。脱模力用下式计算式中-----塑件高度尺寸---塑件包络型芯的面积；μ----热状态下塑件的摩擦系数，通常取μ=0.15～0.20;p——塑件对型芯单位面积的紧包力。-----塑件高度尺寸α---脱模斜度（或塑件的斜度）；Ft----脱模力。插座安装垫的有关参数为，将其代入上式得；大气的压力、钢与塑料制件之间的粘附力、推出机构在运动时产生的摩擦力等都变化都会影响脱模力高低。所以，脱模力的计算只是一个大概的参考。二、推出机构的选择脱模机构种类很多，其中典型结构之一便是用推杆推出。推杆截面形状是圆形，并且推杆的活动空间可调整性大，维修和制作起来都十分方便，易于达到推杆与模板或型芯上的配合精度，推杆在安装时也十分方便，并且脱模效果好，需要维修的时候也十分容易，所以，这种机构在现实生产中使用广泛，是推出机构中最常见的结构形式。我们依据塑件的形状进行选择，应选用推杆推出机构，推杆为直通式推杆，共设置5根，3根，1根的，1根的。其推杆规格为×120GB/T4169、1-1984。修正后长度为116㎜。推杆工作部分与模板或型芯上推杆孔采用基孔制，装配后不动的选择H7/k6配合。推杆的位置应设置在脱模阻力最大的地方。如果塑件上出现多个推杆，我们要根据脱模阻力合理分布推杆的位置，以保证塑件推出时受力均匀，不会发生形变。推杆位置不宜设在塑件最薄处，我们要尽量把推杆安装在凸缘或者壁厚的地方，特殊情况下，我们需要通过增大推杆的面积来改善塑件受力状况,以免塑件变形或损坏。因为这个塑件四周和对型芯大，脱模阻力大，因此在四周附近设置3根大的推杆，在其附近设置了两根小的推杆。如装配图所示，共设置了5根推杆。2.12本章小结本章详细介绍了塑料盖板注塑模具的成型过程，包含注塑工艺、注塑机的选择、各方面的校核、浇注和冷却系统的设计等方面。图2-3模具装配图第三章塑料盖板成型过程模拟分析3.1MPI软件MPI即MoldflowPlasticInsight(MPI)，分析的功能很强大、还拥有项目管理工具以及可视化功能，它是一个提供深入制作和模具设计分析的软件包。应用这些工具，技术人员能够对设计过程进行很好地的分析和优化，并且可以对材料的选择、模具设计和制品的几何形状等等进行优化，从而使得制品的质量有大幅度地提升。这次的成型过程模拟分析正是使用该软件。3.2最佳浇口位置分析最佳浇口位置的分析结果如下图3-1。显然塑料的中部是浇口最好位置。图3-1最佳浇口位置依据最佳浇口位置的分析。分析结果：最大注射压力(23.73MPa)；熔体的前沿温度(235.7℃)；填充时间（0.7623s）。3.2填充分析填充分析是属于模流分析的一环，具体来用来计算从注射开始，直至塑料熔体充满整个模腔的过程中的流动前沿位置。根据填充分析得到的结果，我们可以明确的看出填充的平衡与否，并且了解到填充的时候熔体的流动行为，进而判断该行为是否符合要求。我们依据选择的浇口，对制品进行填充分析，结果如图3-2，3-3所示。图3-2充填时间图3-3填充末端压力从图3-2-1，3-2-2可以看出，填充时间为0.8370s，符合要求。其最大注射压力为18.99MPa，符合条件。3.3冷却-流动-翘曲分析为了分析模具补偿损失热传递、预测热塑性材料在模腔内的流动情况以及对塑件成型后可能产生的形变以及形状尺寸发生改变进行分析，我们需要对制品进行全面的冷却-流动-翘曲分析。通过这些分析，我们能够确定模具及塑件的冷却设置参数，保压定型的参数设置以及成型过程参数设置。本次设计的冷却水道的分析工艺条件如图3-4。通常，冷却水的出口温度与进口温度的温度相差不大于2℃。会使模具的温度分布不均，随着物料的流动，料温逐渐变低，要是温差太大的话。在进行冷却分析之后，发现采取此方法，冷却水的出口温度同进口温度的差值仅仅只有0.20℃，符合设计要求，冷却管道的温差仅有0.2℃，冷却效果显著。在冷却完，设定的塑件顶出温度必须要高于塑件最高温度。顶出温度设置为100℃，然而其最高温度仅为45.79℃，从采取该办法的分析结果来看，并且范围只有8℃，全部满足条件。塑件的翘曲形变通常是由冷却不均、收缩。经过翘曲分析可知，由冷却引起的翘曲其最大值只有0.0686mm，发生翘曲耳朵主要原因不是这个；因收缩引起的翘曲其最大值为0.2546mm，然而，翘曲的最大值为0.2657mm。所以，发生翘曲形变的主要原因是收缩。满足要求。通过上面的各种分析，最终可以确定成型方案：1.浇口类型为单直浇口；2.冷却水路有两条，凹模凸模各自装配一条，水路的直径为10mm,中心距离腔表15mm；3.冷却过程的雷诺数为100004.冷却水温度为35℃，流速为1.36L/min；5.开模时间5s、注射保压冷却时间一共为30s，恒定压力为注射压力的90％，之后在10s内线性减小为0，保压控制为填充压力与时间关系。6.熔体温度为235℃、模温为45℃。图3-4推荐工艺图3-5总翘曲结果图3-6回路流动速率3.4本章总结本章详细阐述了模流分析的整个过程，包括浇口分析、充模分析以及冷却系统的分析等。将实际制造中经过试模所得的方案与Moldflow分析结果相比较，我们采用得成型工艺参数设置差不多，说明在模具生产过程中，Moldflow是具有很高的实用性的。使用好Moldflow，模具设计制造过程可以得到很大的优化改进，有助于模具产业的提升。结论论文工作总结历经半年多的时间，本次毕业设计就要结束了，一路走来，经历了很多，有快乐欢喜也有忧愁伤心。从开始写开题报告到现在的论文终稿，期间的外文翻译以及模具设计和分析，我花费了很多的时间与经历。开题报告的好坏决定着后面设计的道路，我从开始的不会写到后面能够合格，也离不开文劲松老师的耐心指导和帮助，接下来的外文翻译让我积累了知识，学会了很多专业外文术语。而然后的模具设计正是我脱胎换骨的起端，其实对于模具设计我一直以来都是懵懵懂懂的，之前做的课程模具设计也是在同学的帮助下完成的。这次的毕业模具设计我基本是自己独立完成，从模具结构设计到零件的选择设计，从浇注冷却系统设计再到推出机构等设计，我摸清楚了模具设计的思路也学会了如何去设计模具。我慢慢地对/