叶轮注塑成型工艺及模具设计说明书

毕业设计（论文）题目：叶轮注塑成型工艺及模具设计学生：指导教师：学院：专业：班级：学号：2020年5月II第1章绪论1.1引言注塑模具属于一种工具，主要用于生产塑胶制品，能够保证塑胶制品的尺寸精确性与结构完整性。注塑成型具有很多的优点：它适用范围广，能够整体生产带有嵌件的产品；对各种高分子聚合物的加工具有较强的适应性；塑件产品的质量稳定，尺寸精度高；产品成型率高，成本低；与当今科技相结合，易于实现自动化。在CAE/CAD/CAM一体化技术发展期间,注塑模具设计主要是在计算机上创建产品的3D模型,并在此基础上对模具结构进行优化设计,再将这些设计好的模具3D模型进行NC编程。这样就很好地建立起以3D数据为核心的模型设计、结构设计[5]。实现了各环节的数据共享,提高了设计效率,降低了设计成本。根据毕业设计课题任务书的要求，塑件的名称为“叶轮”。塑可分为内外两个部分。其中内部为圆形，外部有凸出部分，形成多处外凸，且有薄板与外凸相连接；薄板上有3个通孔，故应妥善选择脱模机构、设计排气系统等；塑件尺寸相对较小，所以为了将生产效率提升，故计划按照一副模具内四个腔室的结构来进行模具的设计。上述注塑成型技术可以为本次设计带来很大的便捷。塑料产品的生产制造需要综合各方面的技术，考虑众多的影响因素。本次的课题是对圆形塑件进行注塑工艺分析与产品的模具设计，其中所涉及的模具行业的知识能够形成一套完整的体系，通过模具设计的整个过程，我们可以清楚地了解到模具行业的发展与技术变革。1.2注塑模具发展趋势本篇论文的研究对象主要是注塑产品的工艺性以及注塑模具的设计。模具是制造业的重要基础工艺装备，主要用于高效大批量生产工业产品中的有关零部件和制件，是装备制造业的重要组成部分。模具制造水平已经成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，也是一个国家的工业产品保持国际竞争力的重要保证之一[1]。现阶段，注塑模具正在不断向高精度、高质量的方向发展，并将软件于硬件相结合，实现智能化[2]。CAD/CAE/CAM技术在模具设计、制造以及生产中的应用占有非常重要的地位，是模具产品立足市场竞争的本跟所在。也是在满足时间、质量、成本要求的前提下，最大限度提高生产效率，满足用户个性需求的重要技术保障[3]。借助UG实施建模,UG/Mold设计模具、UG/CAM进行仿真加工及后处理，之后将程序导入数控机床进行加工制造,不仅减少了模型数据传送所带来的数据丢失和麻烦，而且大大缩短了模具设计、制造周期,从而节省了成本[4]。随着全球工业创新技术能力的快速提升和计算网络环境的普及，模具CAD/CAE/CAM技术未来总体上将朝着集成化、网络化、标准化、智能化方面发展。我国塑料模工业从起步到现在,历经半个多世纪，有了很大发展，模具水平有了较大提高[5]。近年来，传统模具制造产业的生存空间在数控技术变革和智能制造兴起的双重夹击下，变得越来越小，具体表现在以下几个方面：中低端人才培养退出市场，中高端人才培养供给不足、产品类型过于单一，经营模式不够灵活、行业发展方式多元，企业竞争缺乏规范[6]。通过很多企业的实践证明,CAD/CAM/CAE是制造设计的创新发展方向。目前,我们国家大多数公司与企业都已经在用CAD\CAM工具进行制造与设计了,只有极少数企业已经应用CAE技术,应用CAPP工具的企业会更加少一些[7]。我国模具产业创新已从追赶转向追赶和并跑的新阶段，正在缩小差距，我国自主开发的塑料模CAE/CAM系统也有了很大发展，主要有北航华正软件工程研究所开发的CAXA系统、华中科技大学开发的注塑模HSC5.0系统及CAE软件等，这些软件具有适应国内模具的具体情况，能在微机上应用且价格较低，为进一步普及模具CAD、CAE、CAM技术创造了良好的条件[8]。现阶段，我国注塑模具集成技术也正趋于成熟，在不断的实践中达到了良好的效果。CAD/CAE/CAM软件技术在塑料加工中的应用最为广泛,尤其是注塑成型过程中注塑模具的设计和制造、注塑成型过程的工艺优化和参数设置、原材料的筛选等方面均有实际的应用,用于指导实际的生产实践时相对于传统的人工技术都可以提高生产效率和产品合格率[9]。将CAD/CAE/CAM技术应用在模具上,能够使模具制品设计质量和塑料产品质量都得到大幅提高,模具生产周期大大缩短,同时还降低成本,因此CAD/CAE/CAM是塑料模具设计和制造发展的必然方向[10]。1.3课题研究背景本课题研究的是叶轮。所谓叶轮是指指装有动叶的轮盘，是冲动式汽轮机转子的组成部分，又可以指轮盘与安装其上的转动叶片的总称。这种塑料使用于各行各业，如：涡轮发电机组，就是靠蒸汽或是水流来冲击叶轮，使得叶轮旋转，叶轮旋转带动发电机转子旋转，从而产生电流；还有离心式空压机、汽车的涡轮增压系统等。就是靠电机带动叶轮高速旋转，流体接触叶片表面，然后随着叶轮的旋转顺着叶片表面流动，通常流体是从叶轮旋转的轴向进入，然后从径向出来，在叶轮旋转的离心力下流体被加速，从而实现机械能转换为动能的过程。故这种制品与我们生活息息相关。在对该制件进行结构分析与模具设计时，需要考虑到实际生活中的应用场合，把理论内容与实际应用充分结合也是制造行业的基本要求。1.4研究内容与意义现阶段,我国的注塑模具行业还发展的还不是很成熟,在引进先进的注塑模具技术的同时我们也应该学习一些相关的模式[11]。我国要认清客观形势,引进专业性人才,借鉴发达国家的标准化体系,通过多种方式宣传贯彻模具标准化常识,从思想意识到生产实施,切实落实标准化工作[12]。随着各种新技术的迅速发展,国外已出现了模具自动加工系统，这也是我国长远发展的目标[13]。在实现我国注塑模具行业高速发展的同时，也要注重塑料制品的外光设计，塑料制品的光泽度是客户快速、直接决定产品价值的一个重要因素。此外，依靠CAD技术我们可以对模具和制件进行全面的建模和设计[14-15]。这些均为我们的设计工作提供了很大的便捷。先进模具制造技术使模具行业能够不断促进信息技术和控制技术发展，将这些技术综合系统性地应用于模具生产各个步骤，使其适用于所有模具制造过程。进一步实现模具高品质灵活生产，使整个生产过程效率降低，为我国科技创新贡献出一份力量[16]。随着中国经济的高速发展，相信在不远的将来，中国注塑模具行业将会引领世界的潮流风向。本次设计不仅使我们能够将课堂所学习到的知识加以运用，还可以让我们在设计流程中通过查阅资料了解模具的发展与前景，为今后从事相关工作奠定基础，具有深远的影响和意义。塑件的工艺性分析2.1塑件的结构与使用性能根据任务书的内容，塑件的基本信息如下：（1）塑件名称：叶轮；（2）塑件原料：POM；（3）生产数量：一模四腔；（4）塑件的表面要求光顺，无毛刺；塑件二维图与三维图分别如图2-1，2-2所示。图2-1叶轮二维图图2-2叶轮三维图由图2-1可以看出，本塑件尺寸较小，产品中心为圆柱形通孔，外形沿中心通孔轴对称，因此该制件适于采用注塑成型。制件内部为圆形，外部有凸出部分且连接薄板，薄板有3个通孔，制件形状对称，故设计排气系统时需在通孔处设置排气针。2.2塑件的尺寸精度与表面质量2.2.1塑件的尺寸精度该叶轮的尺寸由于没有其他特别的要求，因此它们属于自由的尺寸，可按照一般尺寸精度，即MT3级精度查取相对应的尺寸的公差数值。2.1.2塑件的表面质量分析塑件的颜色、表面的粗糙程度和表面出现的缺陷都包含在表面质量之中。对于该制件，要求其形状对称，外表美观，无凹坑、斑点，熔接痕等缺陷。由于塑件外凸部分结构尺寸微小，模流分析结果显示在此处常会出现熔接痕，这种缺陷不可避免。表面的粗糙度大小在一个塑件中主要根据型腔成型的各内表面情况决定。使用不同的方法来成型和选择不同的材料，生产的塑件所能达到的表面粗糙度也会不同。POM在注塑成型时表面粗糙度通常以Ra1.6为准，对于该叶轮来说，它的外部表面没有较高的粗糙度要求。2.3POM塑料的性能分析聚甲醛(POM)是一种综合性能优异的高结晶性工程塑料，属五大通用工程塑料之一，具有强度高、模量大、自润滑、耐化学药品腐蚀等诸多特性[17]。表面光滑、有光泽的硬而致密的材料，淡黄或白色，成型收缩率在1.2-3.0％，密度为1.42g/cm3，成型温度170-200℃。具有耐疲劳、耐蠕变、耐磨、耐热、耐反复冲击、复原性优异等优良的性能，且摩擦系数校，自润滑性好。故本制件使用POM塑料较为合适。2.4POM塑料的注射成型工艺分析2.4.1注塑成型温度制品的质量取决于成型材料、零件几何形状、模具结构和工艺条件等因素[18]。塑件成型的注塑过程中，使用注塑机需要注意温度、压力和时间这几个因素，并加以控制。其中温度因素主要分为模具的温度、喷嘴处的温度和料筒加热的温度，而料筒温度则由三个部分组成：后段、中段和前段。POM的吸湿性较小，加工前树脂可不必干燥。POM塑料的常用温度数据如表2-1所示。表2-1POM常用温度数据料筒后段温度/℃料筒中段温度/℃料筒前段温度/℃喷嘴温度/℃模具温度/℃干燥温度/℃干燥时间/h热分解温度/℃170~190180~200170~190170~18090~10080~902~32802.4.2注塑成型压力注塑成型中的压力是至关重要是影响因素之一，其目的是推动料筒中的熔料向前移动，同时使熔料混合和塑化并在充模阶段，注射压力克服浇注系统和模腔对塑料的流动阻力，使熔料获得足够的充模速度及流动长度，使熔料在冷却前能充满模腔。注射成型中的压力主要是注射、塑化、保压压力。一般来说，注射压力在90MPa至100MPa之间，时长2s至5s；保压压力在30MPa至50MPa，时长20s至50s。2.4.3注塑成型时间冷却时间、保压时间、注射时间等是注塑成型周期的重要组成因素。所谓注塑成型周期即注塑机完成一个塑件所需的全部时间，它是影响注塑生产效率重要因素。上面已说明了POM塑料注塑时间及保压时间，其冷却时间范围为20~60s，总的成型周期范围为50~160s。第3章注塑成型设计方案的确定3.1分型面位置确定分型面是指分开模具取出塑件和浇注系统凝料的可分离的接触面。选择分型面时应遵循下列几项原则：1）分型面选在最大轮廓处；分型线不影响塑件外观；确保塑件留在动模一侧；合理安排浇注系统；使叶轮易于脱模；便于模具加工。综上所述，结合叶轮的结构特点类型，将分型面位置选在叶轮的最底部位置，以便生产出来不会影响外观质量，易于成型，如图3-1所示：图3-1分型面确定方案3.2型腔数目及排列方式3.2.1型腔数目的确定为了使模具与注射机的生产能力相匹配，提高生产效率和经济性，并保证塑件精度，模具设计时应确定型腔数目，常用的方法有两大类：一是按技术参数确定型腔数目，二是按经济性确定型腔数目[19]。本次设计制件外形结构较对称，尺寸较小，考虑到生产率及生产成本，故选用一模四腔的模具结构。3.2.2型腔排列方式的确定该制件采取一模四腔的结构注塑成型，应遵循多型腔排列的一般原则。从注塑工艺角度要考虑到流动长度、流道废料、浇口位置、进料平衡和型腔压力平衡等问题，从模具结构角度要考虑到排位时应保证流道、浇口套距定模型腔边缘有一定距离、满足模具结构、注意螺钉、推杆对冷却水孔的影响等。综上所述，并根据制件为一模四腔机构，采用H形排列型腔布局，综合考虑型腔布局如何图3-2所示。图3-3型腔排列方式3.2.3模具结构形式的确定为缩短浇口的冷却时间，从而达到缩短成型周期以及易于去除浇注系统的凝料而不影响外观等目的，本次设计选用侧浇口的形式进浇。POM塑料熔体具有优异的流动性能，为便于加工流道，将分流道截断面的形状设置为圆形。通过分析叶轮的结构，叶轮是壳类产品，内部为圆形通孔且空间较狭小，故可采用推杆推出叶轮。模具结构较为恰当，生产成本不高，且可以满足塑件一般成型的精度要求。故采用单个分型面的模具来注塑成型。3.3注射机型号的确定3.3.1注射量的计算由UG软件测得每个塑件的体积为0.798cm3，通常情况下POM塑料的密度为1.41~1.43g/cm3，取其密度为1.42g/cm3，根据公式计算出每个塑件质量为1.13g。注射的‌总‌量里面包‌含了全部塑‌件的体‌积与流‌道中留下的凝‌料的体积，由于浇注系‌统采‌‌取估‌‌算，所以注射总量可由下式计算得出：（3-1）式中m——在一次注‌射过程中所需‌塑‌料的总质‌量或总体‌积，g或cm3；n——型腔数目；m1——单个塑件的质量或体积，g或cm3m2——注塑过‌程中流‌道内凝‌料的质‌量或体‌积，g或cm3由于浇注系统还未完成全部设计，因此其注塑凝料的体积和质量此时未知因的，所以这里需要使用估计算法来确定总体的注射量。一般情况下注塑凝料的体积是0.6倍的塑件总体体积或总体质量，则注射总量为塑件总体积或总质量的1.6倍，因此可由下面的关系式来估算出注射总量：（3-2）=1.6×4×1.13=7.23g3.3.2锁模力的计算模‌具中的胀‌形力往‌往产生在型‌腔被塑料‌熔体充‌满的时候，为防止注‌塑时模具的分型‌面被撑‌开，注射模具需要比塑料熔体充填时胀开模具的压力更大的锁模力，其二者关系如下式所示:（3-3）式中Fm——注射模所需的锁模力，KNn——型腔数目；A1——在分型面上投影时，每个塑件的面积，mm2A2——在分型面方向上投影时，浇注系统凝料的面积，mm2pM——型腔内熔体压力，MPa同理，由于浇注系统凝料体积未知，所以这里需要采取估算来确定浇注系统的投影面积。经过对统计数据的分析，在一般情况下，浇注系统凝料的投影面积大概是塑件总投影面积的0.35倍。根据实验数据，POM塑料件的平均型腔压力取值35MPa，并且通过对所绘制的图形进行计算，得到在分型面上投影时，每个塑件的面积A1=1075mm2。因此可由下面的关系式得出锁模力的大小：（3-4）=1.35×4×1075×35=203.18KN3.3.3注射机的选择注射机的选取需要根据上面计算所得m和Fm的数据来确定。注射机在实际使用时的最大注射量要求满足以下条件：（3-5）式中Gmax——‌注‌射‌机‌实际‌的最‌大‌注‌射‌量，g或cm3m——注射模单次注射所需的实际注射量，g或cm3。注射机的额定锁模力需要达到以下要求，即：（3-6）式中F——‌注‌射‌机‌的‌额‌定‌锁‌模‌力，KN；Fm——注射模所需的锁模力，KN由于m和Fm都已经算出，所以根据以上两个该关系式可以得出，注射机的最大注‌射质量‌要大于或等于9.04g，即不能‌低于9cm3；计算注射机的锁模力时，为保证安全，取它的计算系数为1.3，则其额定锁模力不能低于264.1KN。综上所述，初择注射机的型号为XS-ZY-125。下表3-1所示为该型号注射机的部分主要参数。表3-1XS-ZY-125型号注射机的部分参数项目数值注塑机型号XS-ZY-125续表3-1项目数值最大注射量/cm3125注射压力/MPa150注射行程/mm160注射方式螺杆式注射时间/s1.8锁模力/KN900最大成型面积/cm2360最大开合模行程/mm300装模最大厚度/mm200装模最小厚度/mm70喷嘴圆弧半径/mmR12喷嘴孔直径/mmΦ4顶出形式两侧推出动、定模固定板尺寸/mm拉杆空间/mm260×360合模方式液压-机械3.3.4注射机相关参数校核初选的注射机要进行多方面的参数校核，以此来检验注射机是否符合注射成型的要求。其中，主要校核的参数由以下几个：最大注射量的校核所选注射机能够达到的最大注射量为125cm3，以上计算值为9.04cm3，小于其最大注射量，因此符合要求。（2）注射压力的校核塑件的形状大小和材料关系到成型过程所需的注射压力。该叶轮尺寸较小，壁厚较均匀，约为3mm，属于厚壁件，所用材料为POM塑料。一般情况下，在塑件较厚时，POM塑料注射时所需要的压力在90MPa至100MPa之间，此处取95MPa。注射成型的压力校核公式如下所示：（3-7）式中p——注‌射‌机‌额‌定‌注射‌压力，MPa；p0——塑‌件成‌型所‌需注‌射压‌力，MPa取系数为1.3，经核算：p=1.3×95=124MPa由于所选型号的注‌射机，其注射‌压力的‌额‌定‌值为150MPa，大于124MPa，因此校‌验结果‌符合注射压力的要求。（3）锁模力的校核前面已经表示了注射机的额定锁模力与注射模所需锁模力之间的关系，其中取系数为1.3时所得最大注射模所需锁模力为264.1KN，选用的注射机所标称的锁模力为900KN，大于计算值，因此校验合格。（4）开模行程校核由于设计的分‌型面只有一处，因此注‌射机的开‌模行‌程可按下‌式校核：（3-8）式中Smax——注‌射‌机移‌动‌模板‌的最‌大行‌程，mmH1——塑件脱模需要的推出距离，H2——包‌含了注塑‌凝料的‌塑件总‌体高度，该型号注射机的开模行程最大可达到300mm。对于此次设计的模具，由CAD软件对图纸的测量得出H1=35mm，H2=100mm，预留距离取6mm，则模具打‌开能够达到的‌总距‌离为141mm，小于注‌射机的开‌模行（5）装模高度校核XS-ZY-125型号注‌射机，它要求的装‌模厚‌度在200mm至300mm之间，而模具的闭合高度要在注射机的最大与最小装模厚度范围之内，即：（3-9）式中Hm——模具闭合高度，mmHmin——注射机所要求的最小装模厚度，Hmax——注射机能达到的最大装模厚度，根据CAD软件测量得到模具的闭合高度为226mm，在条件范围之内。3.4模流分析该叶轮的成型制备，需要预先使用Moldflow等软件进行成型模拟与分析[20]。通过Moldflow软件对最佳浇口位置、充填时间、充填压力、流动前沿温度、注射压力以及锁模力等进行模流分析，以确保这样设计出的模具可以投入生产、提高生产效率、产品质量以及降低生产成本。浇口位置通过moldflow软件分析，得出最佳浇口位置，深蓝色最深的位置处即为最佳的浇口位置，如图3-4所示。图3-4浇口位置分析充填时间图3-5所示为塑件完成充填时间分析，充填时间为1.292s，合理的充填时间能够避免造成制品缺陷以及时间浪费。图3-5充填时间分析充填压力图3-6所示为塑件充填压力的分析，最大压力为23.71MPa，压力在模具型腔内的分布及传递效果影响着产品外观质量及尺寸控制，此次分析压力合理，满足成型的要求。图3-6充填压力分析流动前沿温度图3-7所示为塑件流动前沿温度分析，流动前沿温度为280.4℃，流动充填过程中温度均匀，叶轮外凸部分温度稍低，但仍满足成型要求。图3-7流动前沿温度分析注射压力图3-8所示为注射压力在整个成型周期中随时间变化的曲线，由图可知，注射压力最大约为30MPa。图3-8注射压力分析锁模力图3-9所示为锁模力在整个成型周期中随时间变化的曲线，由图可知，所需的锁模力为3.2ton。图3-9锁模力曲线翘曲变形图3-10所示为翘曲变形分析，由图可知最大翘曲变形处集中在在叶轮外凸小部件，靠近外部通孔的一侧较稳定，形变量较少。图3-10翘曲变形分析缩痕指数缩痕指数给出了制件上产生缩痕的相对可能性，其值越大，表明缩痕或缩孔出现的可能越大。图3-11所示为缩痕指数的分析，由图可知，在叶轮外凸部分发生程度较大的收缩，达到1.2%左右。其他大部分区域较稳定，无过大收缩。图3-11缩痕指数分析体积收缩率体积收缩率，显示制件在保压和冷却过程中收缩率的变化。图3-12所示为制件体积收缩率的分析，由图可知，叶轮总体积收缩率最高达到13.14%，大部分区域体积收缩率为4%左右。图3-12体积收缩率第4章塑件注射模结构设计4.1浇注系统的设计所谓注射模的浇注系统，是指从主流道的始端到型腔之间的熔体流动通道。其作用是使塑料熔体平稳而有序地充填到型腔中，以获得组织致密、外形轮廓清晰的塑件。为缩短浇口的冷却时间，从而达到缩短成型周期以及易于去除浇注系统的凝料而不影响外观等目的，本次设计选用侧浇口的形式进浇。4.1.1主流道的设计主流道是连接注射机喷嘴与分流道的一段通道，通常和注射机喷嘴在同一轴线上，横截面为圆形，带有一定的锥度，通常主流道锥度在2°~4°，本次设计中取α=3°。由于主流道的特殊性，要考虑的因素有很多，一方面是主流道的长度尺寸、小端孔径尺寸与大端孔径尺寸、球面半径和球面配合高度尺寸以及流体带来的高温与高压，一方面是需要兼顾后续分流道与其他系统设计分布的情况，本次各因素尺寸设计如下所示：（1）主流道的总体长度：根据对模具尺寸的大小进行估测，主流道的长度L初取为80mm来进行设计。（2）主流‌道小‌端的孔‌径：d1=喷嘴孔直径+(0.5~1)mm=5mm。（3）主流道大端的孔径：d2=d1+2Ltan(α/2)≈12mm。（4）主流‌道球‌面部分的半径：R=喷嘴球半径+(1~2)mm=14mm。（5）球面的配合高度：h=3mm。主流道浇口套与定位圈为标准零部件，可作为整体购买或设计。其类型如下图4-1所示。图4-1浇口套尺寸4.1.2分流道的设计（1）分流道形状分流道是主流道与浇口之间的通道，起到分流与转向的作用，通过优化设置分流道的横截面形状、尺寸大小及方向，可使塑料熔体平稳充模，从而保证最佳的成型效果。本次设计采用H形分流道布置，以保证排列紧凑、对称平衡等优点。分流道横截面形状及尺寸通常分流道的横截面形状由圆形、矩形、梯形、U形、正六边形以及半圆形，为提高流道效率达到最小的压力降和热损失，本次设计横截面采用圆形横截面。可以使用下面的公式来算出分流道的等效直径，然后根据面积关系计算截面的相关尺寸：（4-1）式中D——分流道当量直径，mm；m——制品的质量，g；L——分流道的长度，mm。经计算，D=4.8mm，通过查阅相关资料，根据POM塑料常用圆形横截面分流道尺寸推荐范围：3.5-10mm，本次设计一级分流道横截面尺寸取D=5mm，长度L=74mm，二级分流道横截面尺寸取D=4mm，长度L=22mm，如下图所示。图4-2分流道形状及尺寸分流道中的熔体剪切速率的校核分流道的横断面面积：A=πR2=19.6mm2；分流道的体积：V1=A×L=19.6×96=1.882cm3；塑件总体积：V2=0.798×4=3.192cm3；注射机的注射时间：根据模流分析结果，取时间t=1s；分流道体积流量：q=(V1+V2)/t=5.074cm3/s；分流道剪切速率：γ=3.3式中γ——分流道的剪切速率，通常取值在5×102~5×103s-1范围之内；qV——分流道的体积流量，cm3/sR——分流道横断面的等效半径，cm。本次设计的分流道的剪切速率由上式及相关数据得出为626.5s-1，在最佳取值之内，因此校核符合要求。4.1.3浇口的设计浇口是连接分流道于型腔之间的一段细短通道，其作用是使从分流道流过来的塑料熔体以较快的速度进入并充满型腔，带其充满后，浇口部分的熔体能迅速地凝固而封闭浇口，防止型腔内熔体倒流。为缩短浇口的冷却时间及成型周期，本次设计采用的是侧浇口。然后根据相关经验公式计算浇口深度h、浇口宽度b：（4-3）式中n——塑料成型系数；t——塑件壁厚，mm；A——型腔表面积，mm2。根据CAD、UG等软件测量，得出塑件的平均壁厚约为t=2mm，型腔表面积约为A=2193.3mm2，查阅相关资料得出POM塑料成型系数为0.8。由以上公式计算可得侧浇口深度h=1.6mm，测浇口宽度b=3.316mm，侧浇口长度l=2mm。4.1.4主流道剪切速率的校核上面已求出了塑件体积、主流道及分流道的相关数据（浇口尺寸太小，故忽略不计），可以对主流道熔体的剪切速率进行校核。（1）主流道体积：V=π3L(r2+R2+rR)=π3×80×(2.52+62+2.5×6)=4.79（2）主流道当量半径：Rn=4.25mm；（3）分流道体积：V1=1.882cm3；（4）塑件总体积：V2=3.192cm3；（5）注射时间：t=1s；（6）主流道的体积流量：q=(V+V1+V2)/t=9.864cm3/s（7）主流道的剪切速率：γ=3.3qπR主流‌道经设‌计，其剪‌切时的速‌率处于最佳剪‌切速‌率5×102~5×103s-1的取值之内，因此该设计的校‌核结果达‌到要求。4.1.5冷料穴的设计冷料穴又称冷料井，其作用是存放两次注射间隔而产生的冷料和料流前锋的“冷料”，防止“冷料”进入型腔而形成各种缺陷。为将主流道凝料钩住，开模时将凝料从主流道拉出，本次设计采用Z形冷料穴。4.2成型零件的结构设计及计算4.2.1成型零件的结构设计成型零件是指构成性强的零件，通常包括凸模、凹模、小型芯、螺纹型芯等。本次设计中，由于组合式型腔会在生产塑料制品时留下缝隙痕迹，影响塑料制品外观质量，并且叶轮零件外表面结构简单，所以放弃组合式结构而采用整体式型芯型腔以提高牢固性。4.2.2成型零件工作尺寸的计算本次设计按照平‌均尺‌寸的计算‌方法来设‌计主要成型零‌件的尺寸。塑件主‌要尺寸的公‌差在此‌处按‌照一般的精‌度MT3来查询，而POM塑料材料的收缩率Scp在此取为2.8%，尺寸系数x取为0.75凹模径向尺寸：LM=[凹模深度尺寸：HM=[1+S凸模径向尺寸：l凸模深度尺寸：hM=[1+S4.2.3成型零件钢材的选用根据对成型零件的综合分析，该塑件的成型零件需要足够的刚度、强度、耐磨性及良好的抗疲劳性能，同时需考虑塑件的机械加工性能和抛光性能，型腔及型芯选用P20工具钢。4.3模架的确定根据CAD软件对所绘制塑件图的测量，成型零件所占平面尺寸为165mm×165mm，考虑到壁厚因素和导向零件的布置等，CI-2730标准模架（W×L=270mm×300mm），模架结构为A1型，A板厚度取55mm，B板尺寸取60mm，C板尺寸取70mm。图4-3A1型模架结构4.4排气槽的设计排气槽应开设在型腔最后充填的部位以及型腔一侧，以至产生的飞边、凝料耶较容易脱模或去除，由于本次设计的模具不属于大型模具，且分型面位于熔体流动末端，可利用分型面间隙排气，故不另设排气槽等结构。4.5脱模推出机构的设计4.5.1推出方式的确定通常采用的塑件推出方式有推板、推杆以及推管顶出等，通过对叶轮的工艺及外形分析，首先叶轮是壳类产品，内部结构不复杂且有圆形通孔，其次内部空间较为狭窄，虽然可以使用推管推出，但考虑复杂程度及制造成本，故本次设计使用推杆推出叶轮。4.5.2脱模力的计算塑件横截面形状为圆形时，根据脱模力公式：（4-7）式中E——塑料的弹性模量，MPa；S——塑料成型的平均收缩率，％；L——被包型芯长度，mm；f——塑料与钢材间的摩擦系数；φ——脱模斜度，°；μ——塑料泊松比K1、K2——无因次数；A——塑件在与开模方向垂直平面的投影面积，mm2。经计算可得F=1254N。4.5.3推杆的布局推杆在成型产品结构的时候，同时也在一定程度上辅助顶出产品。且在合理的布置推杆，才能完美的推出叶轮，推杆布局的原则：(1)有深槽深孔部位周围；(2)加强筋位置；(3)局部壁厚部位；(4)有金属嵌件部位附近；(5)结构复杂位置。经过以上原则考虑，准备设置10根等直径为2的推杆推出分布，布局如图4-4所示。图4-4推杆的布局4.6冷却系统的设计在注射成型中，模具的温度直接影响到塑件的质量和生产效率，一般注射到模具内的塑料熔体的温度为200℃左右，为了使提高塑件质量以及生产效率，需要在模具内设置冷却系统，以保证迅速脱模和使塑料尽快地凝固成型。4.6.1冷却介质的选择冷却介质通常采用冷却水、压缩气体等。180~220℃是POM塑件的成型温度，而模具温度在80~120℃之间，此处取POM塑件温度为180℃，模具温度取90℃。由于水路冷却传热能力相比于其他冷却介质较好，且成本低廉，易于获得，因此使用冷却水作为注塑模具的冷却系统的冷却介质。4.6.2冷却系统的计算（1）单位时间内注入模具中的塑料熔体的总质量W经计算一次成型过程中注入塑料总质量m=0.032kg，根据塑件壁厚均值为2mm，可查冷却时间t1=9.3s,注射机的注塑成型时长t2=2s，脱模所用时长取t3=8s，则每小时注射次数为：N=3600/(9.3+2+8)=186次，单位时间内的注塑总质量：W=Nm=5.9kg/h。（2）塑件在凝固时的每单位质量的放热量Q查询相‌关资‌料可直‌接得出每‌单位POM塑料，它的热‌流量Q=420kJ/kg。（3）冷却水的体积流量q冷却流道的出入口水温相差不应过大，设进水时水口的温度θ2=25℃，出‌水时‌水‌口的温‌度θ1=27℃；水‌的密‌度‌ρ=1000kg/m3，水‌的比‌热‌容c=‌4.1‌8‌7kJ/(kg·℃)，则由‌下‌式算得‌体积流‌量：(4-8)（4）冷却水路直径的选取由以上计算结果可知，冷却水在管道内流动时，处于湍流状态的流速会太快，因此水路直径不必取值过大，此处选定冷却水路直径为d=8mm。4.6.3冷却回路所需的表面积与冷却水温度有关的物理系数Φ=7.5，冷却水的表面传热系数为：（4-9）（4-10）成型POM塑料时模具温度应在90℃~120℃，因此模具成型表面的平均温度按90℃计算。则冷却回路所需总表面积：4.6.4冷却水道的设计（1）计算冷却水通道的导热总面积：（4-11）（2）计算模具冷却水管的总长度：（4-12）（3）设冷却水路根数为，设每条水路的长度为=1000mm（4-13）由水道排列满足冷却系统的设计原则，水管中心距在孔径的3~5倍，距离型腔表面是孔径的1~2倍，并且考虑到水管的壁厚和各个零件是否干涉的情况，排列布形式布置如图4-5所示。图4-5冷却水道的排列4.7导向与定位机构的设计每套塑料模具都要设置导向机构，在模具工作时，导向机构可以维持动模与定模的正确合模，合模后保持型腔的正确形状，同时，导向机构可以引导动模按顺序合模，防止型芯在合模过程中损坏，并能承受一定的侧向力。本次设计选用直径为20mm的导柱，导柱连接了动定模，选用材料为T8A后期淬火处理，硬度为50~55HRC，长度L=130mm，直径D=20mm,导套材料也选用T8A后期经淬火处理，淬火时导套硬度低于导柱硬度，导套长度L=80mm，外径D=30mm，内径d=20mm。导柱导套装配如4-6所示。图4-6导柱导套装配图4.8模具总装图通过以上对模具总体布局的方案设计及一系列的相关计算，最终绘制出总装配图如下图4-7，4-8，4-9所示。图4-7模具‌装配主视图图4-8模具‌装配侧视图图4-9模具‌装配俯视图动模座板2-推板3-推杆固定杆4-垫块5-动模板6-型芯固定板型腔8-定模板9-定模座板10-导套11-导柱12-导柱定位圈14-螺钉15-螺钉16-限位钉17-拉料杆18-螺钉19-螺钉20-螺钉21-推杆22-螺钉23-弹簧24-复位杆工作原理：开模时，定模板5与动模板9从分型面分开，动模向后运动，拉料杆17带动浇注系统的冷凝料及塑料制品一起向后运动，当主流道中的凝料拉出一段距离后，在推杆21的作用下，浇注系统中的冷凝料和塑料制品从冷料穴与型芯中推出，塑件与凝料从模具总落下。合模时，推板2在带有弹簧23的复位杆24作用下，回到初始状态，动、定模完全闭合，完成一次注射成型。结论由三维软件对叶轮进行建模和分析，可以了解到该塑件是内有圆形通孔的壳类制品；通过本次对其注塑模具的设计，得出了一下结论：该塑件内有圆形通孔，推管脱模机构适用于圆环形、圆筒形等中心带孔的塑件，但根据生产成本经济性考虑且推杆脱模机构最为简单、制造简单等优点，本次脱模机构采用推杆脱模。由于制件较为简单，塑件与开模方向一致，故无需设置抽芯机构。叶轮模具设计采用的是一模四腔的结构，而多型腔成型的模具其成型塑件的质量难以稳定。该塑件的模具设计中采用H形分流道布置，以保证排列紧凑、对称平衡等优点。为缩短浇口的冷却时间，从而达到缩短成型周期以及易于去除浇注系统的凝料而不影响外观等目的，本次设计选用侧浇口的形式进浇。参考文献[1]周宝友.中国模具制造业现状及发展趋势[J].模具制造,2019,19(04):1-6.[2]陈刚.注塑模具的标准化与自动化设计[J].机械管理开发,2018,33(11):23-24.[3]陈隆波,李国辉.浅析CAD/CAE/CAM常用软件在注塑模具设计中的应用[J].黑龙江科技信息,2017(04):161.[4]贾娟娟.基于UG的注塑件与注塑模具设计及加工[J].时代农机,2018,45(06):171-172.[5]孙本龙,刘颖辉.模具国内外发展概括初探[J