某用品盖子注塑模具设计

前言1.1模具工业的重要性模具工业在国民经济中的地位与作用愈发的重要，模具产业的发展对国民经济的贡献是巨大的，首先，模具是制造业的重要基础工艺装备，工业产品大批量生产和新产品开发都离不开模具，用模具生产制件所达到的四高二低（高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低耗能、低耗材）使模具工业在制造业中的地位越来越重要,其次，生活中常见的工业产品有60％—90％的零件需要用模具成形，现代模具业已成为技术密集型和资金密集型的产业，它与高新技术已成为相互依托的关系，一方面模具直接为高新技术产业化服务的不可缺少的装备，另一方面模具本身又大量采用高新技术，因此模具制造已成为高新技术产业的重要组成部分。[1]1.2塑料注塑模具的现状及发展趋势1.2.1国内塑料模具发展现状塑料生产量高速增长，例如我国塑料模具，国内目前已能生产单套重量达60吨的大型模具、型腔精度达0.5μm的精密模具、一模7800腔的多腔模具及4m／min以上挤出速度的高速模具，模具寿命也有很大提高，己可以达到100万模次以上。[2]典型例子如表1-1大型模具汽车保险杠、整体仪表板、大屏幕彩色电视机、大容量洗衣机等塑料件的模具等精密模具光盘、导光板、手机、音像设备、小模数齿轮、车灯等塑料件模具等复杂模多色注塑、多层注塑、低压注塑、带件兰差、模内转印、蒸汽注塑、热流道及气体辅助注塑等塑料模具多腔模具塑料封装模具、塑料包装模具等高速模具塑料型材挤出模，包括双腔、双色、双材质等共挤模具1.2.2国外塑料模具发展现状国外塑料模具标准化程度很高，在材料、品种、规格、结构、精度及验收等方面，都实现了标准化，标准化率可达85%(德国、日本)，而且还建立了模具标准结构典型组合，国内的模具零件标准化率仅为20%，模具的标准化程度已成为制约国内模具制造周期的瓶颈之一，也影响了国内模具的竞争力，国外常用的塑料模具钢已形成较完整的系列，如美国塑料模具钢有7个钢号，形成完整的P系列，日本日立金属公司有15个钢号，日本大同特殊钢13个钢号，我国列入国家标准中的塑料模具钢仅为3Cr2Mo和3Cr2MnNiMo，塑料模具用钢的随意性较大，新材料使量不到10%，模具材料的微量元素控制技术、冶炼技术和热处理技均有待提高。[3]国内中大型塑料注射模具的精度能控制在0.03～0.05mm；挤出模具的型腔抛光精度为0.02～0.04mm，模芯经专用设备加工后精度可达0.04～0.05mm；挤出片模的模唇流面抛光精度可达0.015～0.02mm[3]；塑料模具零件加工精度在士1μm,位置公差2～3μm，分型面配模上下3μm[3]。而国外的型腔精度为0.005～0.01mm，粗糙度为Ra0.10～0.051.2.3未来模具制造发展趋势1.模具市场全球化，模具生产周期进一步缩短模具市场全球化是当今模具工业最主要的特征之一，模具的购买者和生产商遍布全世界，模具工业的全球化发展使生产工艺简单、精度低的模具加工企业向技术相对落后、生产率较低的国家迁移，发达国家的模具生产企业则定位在生产高水准的模具上，模具生产企业必须面对全球化的市场竞争，同时模具生产厂家不得不千方百计地加快生产进度，努力简化和废除不必要的生产工序，模具的生产周期将进一步缩短。[4]2.模具CAD/CAM向集成化、智能化和网络化发展软件的功能模块越来越齐全，同时各功能模块采用同一数据模型，实现信息的综合管理与共享，支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全过程[5]。3.模具技术向高速加工、硬铣削和复合加工方向发展随着模具向精密化和大型化方向发展，加工精度超过1μm的超精加工技术和集电、化学、超声波、激光等技术综合在一起的复合加工在今后的模具制造中将有广阔的前景[54.模具产品将向大型、精密、标准化方向发展一方面模具成型零件日渐大型化和为提高生产效率开发的“一模多腔”造成了模具日趋大型化，另一方面电子信息产业、医学的迅猛发展带来了零件微型化及精密化，国外发达国家模具标准件使用覆盖率一般为80％左右，随着我国模具工业的发展;模具标准化工作必将加强，模具标准化程度将进一步提高，模具标准件的应用和生产在“十二五”期间必将得到较大的发展。[14]5.热流道气辅模具及适应高压注塑成型工艺将得到进一步发展6.快速经济模具前景十分广阔多品种小批量生产时代的到来，人们要求模具的生产周期越短越好，因此快速经济模具将有广阔的发展前景[15]。7.优质模具材料及先进表面处理技术受到重视因选材和用材不当，致使模具过早失效，大约占失效模具的45％以上，因此选用优质钢材和应用相应的表面处理技术来提高模具的寿命显得十分重要。

2设计任务书1.塑料制品名称：某用品盖子；2.成型方法与设备：在XS-Z-60型注射机上成型；3.塑料原料：PS；4.生产批量：10万；5.表面光亮、无凹痕；6.尺寸及表面要求见塑件图：如图1-1所示为制品的三维图样，图1-2所示为该制品的二维图样。图1-1制品的三维图样图1-2制品的二维图样3塑件成型工艺分析3.1塑料成型特性PS(聚苯乙烯系塑料)的成型性能如下表表1-2流动性较好（溢边值为0.03mm左右），可用于螺杆或柱塞式注射机成型。喷嘴用直通或自锁式，但应防止飞边[16]。高料温宜采用，注射压力需求低，模温需求高，降低内应力需要延长注射时间，防止缩孔，变形16]。可采用各种形式的浇口，浇口与塑件应为圆弧连接，防止去除浇口时损坏塑件。脱模斜度宜大，顶出应均匀，以防脱模不良而发成开裂变形[16]。塑件壁厚均匀，最好不带嵌件（如有嵌件应预热）。革面应为圆弧连接，不宜有缺口。3.2塑件的结构工艺性3.2.1塑件精度分析该塑件的尺寸精度基本无特殊要求，上表面轮廓有尺寸精度要求，其余尺寸为自由尺寸，有精度要求的尺寸按MT3查取公差，剩余主要尺寸可按MT5查取公差。其主要尺寸公差如表1-3所示表1-3塑件标注尺寸塑件尺寸公差）外形尺寸φ13.5φ13.50-0.54φ10φ100-0.383.53.50-0。441.51.50-0.4110-0.2R34R34R2R2R1.8R1.8内部φ6φ60+0.503.2.2塑件的表面分析该塑件的表面没有特殊要求，正常情况下外表面需要光洁，在表面粗糙度达到Ra=0.8μm,，没有特殊要求的塑件内部表面粗糙度可使用Ra=3.2μm标准。3.2.3塑件的结构工艺性分析从塑件的二维图分析，该塑件的外形对称，表面分布均匀分布6个R为2的半圆柱回旋花纹凸台，中间位置一个直径为6，深度为1的圆，整个塑件的圆倒角R为1.8，另外塑件底部与R为34的圆相交，交深为0.5，此处是脱模设计的重点且难点，整个塑件飞边去除容易，是一个对称塑件。结合现有情况来看，该塑件结构简单，无特殊的结构需求和精度要求。在预设的生产的过程中，正常的工艺参数无变化即可让塑件成型。3.2.4塑件的生产批量分析该塑件的生产批量是10万件，在模具设计的原则中，这个批量属于大批量生产，所以需要提高塑件的生产效率，倾向于采用多型腔，高寿命，并且能够自动卸料脱模的模具，以此来降低生产时的成本。3.2.4关于注射机参数用户提出用XS-Z-30/25型注射机上成型，该注塑机为柱塞式注射机，PS可以采用此类注射机成型，PS塑料所需的注塑压力为60MPa～116Mpa，据《注射模设计项目化实例教程》列出该注射机的主要技术参数，如表1-2表1-4XS-Z-30/25型注射机的主要技术参数[7]序号主要技术参数项目参数数值1额定注射量/cm3302锁模力/kN2503注射压力/MPa1164最大注射面积/cm2905动、定模模板最大安装尺寸/mm×mm235x2506最大模具厚度/mm1807最小模具厚度/mm608模板最大行程/mm1609喷嘴前端球面半径/mm1010喷嘴孔直径/mm411定位圈直径/mm5512推出力/kN123.2.5计算塑件参数塑件的体积参数计算：使用UG计算机辅助软件计算后得出塑件体积为V≈260.1mm3塑件的重量参数计算：查《塑料模具设计指导与资料汇编》，取塑料PS的密度为p=1.05g/cm3。所以塑件的质量为W=PV=0.2601*1.05≈0.27g3.2.6确定型腔数目塑件的生产类型对注射模结构、注射模材料使用均有重要的影响，在大批量生产中，由于注射模价格在整个生产费用中所占比例较小，提高生产率和注射模寿命问题比较突出，可以考虑使用自动化程度较高、结构复杂、精度寿命高的模具。入伙是小批量生产，则应尽量采用结构见到，制造容易的注射模，以降低注射模成本。该塑件产量达到10万件，生产类型属于大批量生产，为尽量提高生产率，考虑采用一模多腔、快速脱模以及成型周期不易太长的模具，同时考虑到塑件成本较低，为控制模具的成本，不易采用太多型腔数目，所以考虑采用一模四腔，型腔平衡布置在型腔板两侧，以方便侧抽实现、浇口布置和模具的平衡。3.2.7确定注射成型的工艺参数根据选用塑件（PS）的特性和本设计中塑件的自身成型特点，查有关资料，确定注射成型工艺参数，如表1-3所示。表1-5塑件的注射成型工艺参数[12]工艺参数规格工艺参数规格预热和干燥60～75成型时间/s注射时间15～452h保压时间0～3料筒温度t/℃后段中段前段140～160170～190冷却时间15～60总周期40～120螺杆转速n/(r.min)—喷嘴温度t/℃260～280后处理方法温度t/℃时间r/h红外线灯702～4模具温度t/℃32～65注射压力p/MPa60～110以上参数在试模时可以做适当调整塑件体积不大，且该塑件数量为10万件，生产类型为大批量，另外PS塑料比热容大，冷却速度效率不高，所以成型时需要充分冷却。此外模具设计时必须要求有冷却系统，计划该模具应采用冷却水强制冷却。冷却要均匀，方便缩短成型周期，提高生产率。4分型面及浇注系统的设计4.1分型面的选择图1在《塑料成型工艺与模具设计》中分型面设在截面最大处的原则选在图1所示的截面处作为分型面。此外，分型面选择在塑件表面隐秘处，不影响塑件表面质量。另外，最终目的是提高自动化的程度和产品生产效率，减少PS的趋向变形，和为了保证塑件表面质量光滑，此次设计采用点浇口，模具采用了双分型面结构，一个分型面用于成型塑件，另一个分型面用于强制去除浇注系统凝料[12]。4.2浇注系统的参数设计4.2.1主流道尺寸设计图2主流道尺寸示意图根据《注射模设计项目化实例教程》查到XS-Z30/25型注射机喷嘴的有关参数尺寸为：喷嘴孔直径d=φ4mm，喷嘴前段球面半径SR=10mm。主流道进口端球面半径SR1=SR+（1～2）mm=10+（1～2）mm，取R=12mm；主流道进口端孔直径d1=d0+0.5mm=ф4mm+0.5mm得d1=4.5mmD1为D的80%～90%。D=7.5mm,D1=7mm需要凝料从主流道中拔出，设计将主流道设计成圆锥形样，斜度取4°,为了使熔料顺利进入分流道，在主流道出料端设计r=3mm的圆弧过渡。主流道衬套采用可拆卸更换的浇口套，浇口套的形状及尺寸设计采用标准尺寸的常用浇口套,浇口套与定模作伴的配合采用H7/m6，此次小型模具采用整体式浇口套。需要浇口套与注塑机的定位圈相配合，此次设计采用外加定位环的方式，这样减小了浇口套的总体尺寸的同时，还浇口套在使用中的磨损也减少了。凹坑深度3～5mm取H=4mm4.2.2分流道的设计该塑件的体积小，形状比较简单，且PS塑料的流动性好，可以采用单点进料的方式。为便于加工，采用最为常用的界面形状为U形的分流道。加工容易，便于脱模，流动阻力小，是最常用的一种分流道形状。查《塑料模具设计指导与资料汇编》表3-5-7分流道横截面及其尺寸的有关资料，取U形分流道界面半径R=2mm,则最大断面直径为2R=4mm,h=4mm。斜角α为10°分流道截面形状及尺寸，如图1-3所示图3分流道截面形状及尺寸4.2.3点浇口设计(1)点浇口位置确认使用MOLDFLOW模流分析软件对三维塑件进行流动阻力分析和最佳浇口分析后得出结果如下：图4为流动阻力分析结果图5为浇口位置匹配程度浇口位置和大小原则上不能影响塑件的外观质量，点浇口位置应位于塑件轴心也是塑件的轴心区域，其次轴心位置流动阻力低，成型所需注射压力较小。图6轴心位置为最佳点浇口位置(2)点浇口尺寸确定图7点浇口示意图分流道直径D=3mm,l1=2mm,d=2,α=4°c=0.3,D1=4mm，l1=0.5mm4.2.4冷料穴设计由于生产批量大，所需要自动化程度较高，此次设计使用带球头形拉料杆的冷料井，定模底板的分流道尽头钻小斜孔，一次分型时斜孔内凝料使点浇口与塑件分离，同时球头拉料杆将主流道的凝料拔出，而二次分型时凝料定模刮掉落，实现浇注系统与塑件的自动分离与脱出。尺寸确定：d=80%～90%的D，d=7mm,D=7.5mm图8带球形头部拉料杆的冷料穴5模具设计的参数方案5.1型腔的布局塑件外形对称，每个方向尺寸一致；另外，塑件结构简单，所以此次设计使用如下排列方式，成X状分布，如图8图9型腔排列方式型腔，分为整体式凹模和组合式凹模两种类型。整体式凹模加工难度高，成本大，维修方面困难，由于所做塑件型腔为一模四腔，使用整体式凹模一旦有一个腔出现问题，则整个凹模都需要更换，造成极大的浪费，所以更倾向于用镶嵌式型腔的型腔。其中整体嵌入式凹模形状、尺寸一致性好，加工，更换方便，所以型腔选择整体嵌入式型腔。[6]5.2型芯的选择型芯也称凸模，以通过对塑件的结构分析可获得，该塑件需要一个成型零件内表面的大型心，因塑件抱紧力较大，所以设在动模部分，同时有利于模具结构简单化。整体镶嵌式型芯可节省贵重模具材料，便于机加工和热处理，修理更换方便。所以此次设计型芯选择整体镶嵌式。5.3推出机构的确定根据塑件的形状特点，倾向于使用推杆推出机构，使用双分型面注射模（三板式），其次由于自动化程度高，需要冷凝料自动脱落，在推杆推出之后需要四根复位杆保证复位。图10推杆尺寸图推杆截面形状有圆形、方形、矩形等等。其中圆形推杆应用最广泛，它制造简单，更换方便，设置位置的自由度大，并且属于标准件。因此采取圆形推杆。圆形推杆的直径由欧拉公式简化为：d=k（）在公式中：d——设计推杆直径n——设计推杆的数量，n取1L=85E——推杆材料的弹性模量，取E=2.1×105MP；k——安全系数，取k=1.5；F——总体的脱模力脱膜力F可以粗略的用以下公式计算：F脱=FZ+FQFZ——塑料收缩产生对型芯的包紧力造成的抽芯阻力，N；FQ——真空负压造成的抽芯阻力，N；FZ=pA(µ·cosα-sinα）FQ=0.1A1µ——塑料与钢的摩擦系数，PC/POM取0.1～0.2，其余取0.2～0.3；p——塑料对型芯单位面积上的包紧力。一模内冷却的塑件，p=（0.8～1.2）×107Pa；A——塑件包容型芯的面积，mm2；α——脱模斜度，零件图已给出α=1°；A1——垂直于抽芯方向的投影面积，mm2经计算，F脱=279.9Nd=3.2mm参考GBT4169.12006其中关于推杆的标准，经圆整，取d=4mm，为了安全起见，对其进行强度校核，强度校核公式为：d≥4F脱[σ压]—推杆材料的许用压应力,[σ压]=150Mpa。D=4mm＞2.6mm，符合强度要求。最终选择为：直径为4mm的圆形推杆1根。因为该塑件为一模4腔，则需要使用对应4根圆形推杆以及四根复位杆。图11推杆位置以及推杆与垫块配合示意图5.4合模导向机构设计方案该塑件精度无特别要求，塑件形状，型腔分布位置对称。塑件为回转体，无明显单边注射侧向力。可采用最为常见的导柱导向定位机构，在动模板和定模板间使用4对导柱带导套，导柱的长度要确保推杆推出塑件后不脱落。在定模座板与定模板间采用4对限距拉杆，不仅起到限制第一次分型距的作用（所限距离要确保能取出凝料），同时还起到导向定位定模座板与定模板的作用。通用的台阶式与导柱配合5.5冷却系统的设计论证该塑件为大批量生产，应尽量缩短成型周期，提高生产率；加上PS塑料成型时需要充分冷却，冷却要均匀分布。因此，该模具的凹模冷却是在动定模板上开出圆周式冷却水道，采用冷却水进行循环冷却型腔，冷却水嘴按照d=6.6mm为实际尺寸从标准选取：d1=3mm,d2=5mm,d3=5.5mm,D=8mm。图12圆周式冷却水道及冷却水嘴尺寸示意图图13冷却水道示意图5.6主要零部件的参数计算5.6.1成型零件的成型零件参数计算该塑件的材料为PS，成型尺寸均按平均值法计算，查资料可得PS的收缩率为0.2～1.0%，故平均收缩率为Scp=（0.2+1.0）%/2=0.006根据塑件尺寸公差的要求，模具的制造公差取δz=△/3尺寸类别塑件尺寸计算公式工作尺寸径向尺寸φ13.50-0.54Φ13.180+0.18φ100-0.38Φ9.7760+0.13R20-0.22R1.850+0.073R340+0..56R34.620-0.19中心距φ60+0.50LM=[(1+Scp)Ls]±δz/2φ5.785±0.08轴向尺寸3.50-0。443.230+0.141.50-0.41.240+0.1310-0.20.740+0.0670.50+0.220.520-0.073表1-55.6.2模具型腔壁厚的确定采用经验数据法，直接查阅设计手册中的有关表格，得到该组合式型腔的型腔推荐壁厚型腔S=7mm，故模套的前后大小为长15mm宽15mm深7mm的型芯与型腔。6模具型腔模板总体尺寸的参数综合以上壁厚数据，确定定模型腔厚为20mm,型腔模板总体尺寸为BxLxH,其中B尺寸=150mm,L尺寸=15mm,H尺寸=20mm.综合塑件所采用点浇口注射成型，根据模具结构形式，型腔数目，塑件尺寸，冷却水道的分布等因素，查《塑料模具设计知道与资料汇编》，选择“GB/T12555-2006标准”点浇口DA型模具-代号1518系模架数据。6.1模具闭合高度的参数组成模具闭合高度的模板及其他零件的尺寸有：定模座板为H0=20mm推料板为H1=15mm型腔板为H2=20mm型芯板为H3=20mm支撑板为H4=30mm垫铁为H5=50mm动模座板H6=20mmH=H0+H1+H2+H3+H4+H5+H6=20+20+20+30+50+20+15=180mm6.2模具闭合高度的校核XS-Z30/25D型注射机模具最小厚度为Hmin=60mm模具最大厚度为Hmax=180mm,计算得设计模具闭合高度H=180mm模具闭合高度满足Hmin≤H≤Hmax=60mm≤180mm≤180mm的安装要求。6.3模具安装部分的校核该模具的外形最大部分尺寸为200mmx150mm。XS-Z30/25注射机模板最大安装尺寸为235mmx250mm因此能满足模具安装要求。6.4模具开模行程的校核开模行程也叫做合模行程，在开合过程里动模座板的移动距离用符号S表示。XS-Z30/25型注射机的最大开模行程为Smax=160mm。目的使塑件成型后能够顺利脱模，并结合该模具的双分型面特点，确定该模具的开模行程S应满足下式要求：Smax＞H1＋H2＋a＋(5～10)mm=20+20+20＋5=65（mm）式中H1—塑件所用的推出脱模距离；H2—塑件预留高度；a—取出浇注系统凝料必须的长度。因Smax=160mm＞65mm，故该注射机的开模行程满足要求。6.5注射量的校核在一个注射成型周期内，注塑模内所需的塑料熔体总量与模具浇注系统的容积和型腔容积有关，其值用下式计算：mi=Nms+mj式中N——型腔的数量；ms——单个制品的质量或体积（g或cm3）；mj——浇注系统和飞边所需的塑料质量或体积（g或cm3）[20]；已知，N=4、ms=0.26.01cm3，利用UG建模计算后得出mj≈3cm3，则mi=4x0.2601+5≈4cm3。XS-Z30/25注射机的额定注射量为mⅠ=30cm3，为了使注射成型过程稳定可靠，应有mi=（0.1～0.8）mⅠ=3～24cm3所以，XS-Z30/25注射机的注射量满足模具的要求。6.6注射压力的校核注射压力校核的目的是检验注射机的最大注射压力是否满足塑料制品成型的要求,为此，注射机的最大注射压力应稍大于塑料制品成型所需的注射压力[17]。Pj≥Pz式中，Pj为注射机的最大注射压力，根据所选注射机Pj=116Mpa；PZ塑料制品成型时所需的注射压力，一般取Pz=80～160Mpa[17]。Pj值位于Pz值之间，且相差不大，故最大注射压力满足要求.6.7锁模力的校核锁模力又称合模力,当熔体充满型腔时，注射压力在型腔内所产生的作用力是试图使模具沿分型面分开，为此注射