模具设计（下篇共上下2篇）456

第4章冲压模具设计实例4.1冲压件的工艺性4.2模具设计的内容及程序4.3实例分析小结

思考与练习题4.1.1冲裁件的工艺性

获得金属零件的方法有很多种，铸造、锻造、切削加工等等。要知道某个零件用什么样的工艺进行加工最合理、最经济，就必须分析该零件对各种加工工艺的工艺适应性。冲裁件工艺性分析，即是指冲裁件对冲裁工艺的适用性。一般情况下，对冲裁工艺性影响最大的是几何形状、尺寸和精度要求。良好的冲裁工艺性应能满足材料省、工序少、模具结构简单、加工容易、寿命较长、操作安全方便、产品质量稳定等要求。4.1冲压件的工艺性

1.冲裁件的结构工艺性

(1)几何形状：冲裁件形状尽可能设计成简单对称和符合材料合理排样。工件用条料两端裁切圆弧成形时，圆弧的半径应超过料宽的一半，即可用于少废料排样；若限定R＝B/2，则不能用于少废料排样，以免因送料偏移而产生台肩。如图4－1所示。图4－1圆弧与宽度的关系

(2)最小圆角半径：冲裁件的转角处应有一定的圆角，其最小圆角半径允许值见表4－1。如果是少无废料排样冲裁，或者采用镶拼模具时可不要求冲裁件有圆角。圆角大大地减小了应力集中，有效地消除了冲模开裂现象。

表4－1冲裁件最小圆角半径

(3)冲裁件上的悬臂和凹槽：如果冲裁件上有悬臂和凹槽，其尺寸如表4－2所示。

(4)冲裁件孔的最小尺寸：冲裁件上孔的尺寸受到凸模强度和刚度的限制，不能太小，冲孔的最小尺寸见表4－3。

(5)最小孔边距、孔间距：当冲孔边缘与工件外形的边缘平行时，其距离不应小于材料厚度的1.5倍；当冲孔边缘与工件外形的边缘不平行时，其距离不应小于材料厚度,如图42(a)所示。

(6)在弯曲件或拉深件上冲孔时，孔边与直壁之间应保持一定的间距，以免冲孔时凸模折断,如图4－2(b)所示。

表4－2悬臂和凹槽的最小宽度B表4－3冲孔的最小尺寸图4－2冲裁件的工艺性

2.冲裁件的精度和断面粗糙度

(1)精度：冲裁件的经济精度一般不高于IT11级，最高可达IT8~IT10级。冲孔比落料的精度约高一级。冲裁件的尺寸公差，孔中心距的公差分别见表4－4和表4－5。

(2)断面粗糙度：冲裁件的断面粗糙度Ra一般为12.5~50μm，最高可达6.3μm，具体数值见表4－6。表4－4冲裁件内形与外形尺寸公差表4－5冲裁件孔的中心距公差表4－6

一般`冲裁件断面的近似粗糙度4.1.2弯曲件的工艺性

弯曲件的工艺性是指弯曲件的结构形状、尺寸、精度、材料及技术要求等是否符合弯曲加工的工艺要求。具有良好工艺性的弯曲件，能简化弯曲工艺过程及模具结构，提高弯曲件的质量。

1.弯曲件的材料

弯曲件的材料，要求具有足够的塑性，屈弹比σs／E和屈强比σs／σb小。足够的塑性和较小的屈强比能保证弯曲时不开裂，较小的屈弹比能使弯曲件的形状和尺寸准确。最适宜于弯曲的材料有软钢、黄铜和铝等。脆性较大的材料，如磷青铜、铍青铜、弹簧钢等，要求弯曲时有较大的相对弯曲半径r／t，否则容易发生裂纹。

对于非金属材料，只有塑性较大的纸板、有机玻璃才能进行弯曲，而且在弯曲前坯料要进行预热，相对弯曲半径也应较大，一般要求r／t＞3～5。

2.弯曲件的结构

1)弯曲件的形状

弯曲件的形状应尽可能对称，弯曲半径左右一致，以防止弯曲变形时坯料受力不均匀而产生偏移。有些虽然形状对称，但变形区附近有缺口的弯曲件，若在坯料上先将缺口冲出，弯曲时会出现叉口现象，严重时难以成形，这时应在缺口处留连接带，弯曲后再将连接带切除，如图4－3(a)、(b)所示。

为了保证坯料在弯曲模内准确定位，或防止在弯曲过程中坯料的偏移，最好能在坯料上预先增添定位工艺孔，如图4－3(b)、(c)所示。图4－3增添连接带和定位工艺孔的弯曲件

2)弯曲件的相对弯曲半径

弯曲件的相对弯曲半径r／t应大于最小相对弯曲半径(见表2－6)，但也不宜过大。因为相对弯曲半径过大时，受到回弹的影响，弯曲件的精度不易保证。

3)弯曲件的弯边高度

弯曲件的弯边高度不宜过小，其值应为h＞r＋2t，如图4－4(a)所示。当h较小时，弯边在模具上支持的长度过小，不容易形成足够的弯矩，很难得到形状准确的零件。当零件要求h＜r＋2t时，则需预先在圆角内侧压槽，或增加弯边高度，弯曲后再切除，如图4－4(b)所示。如果所弯直边带有斜角，则在斜边高度小于r＋2t的区段不可能弯曲到要求的角度，而且此处也容易开裂(见图4－4(c))，因此必须改变零件的形状，加高弯边尺寸，如图4－4(d)所示。图4－4弯曲件的弯边高度

4)弯曲件的孔边距离

带孔的板料弯曲时，如果孔位于弯曲变形区内，则弯曲时孔的形状会发生变形，因此必须使孔位于变形区之外，如图4－5所示。一般孔边到弯曲半径r中心的距离要满足以下关系。

当t＜2mm时，L≥t；

当t≥2mm时，L≥2t。

如果上述关系不能满足，在结构许可的情况下，可在靠变形区一侧,预先冲出凸缘形缺口或月牙形槽(见图4－6(a)、(b))，也可在弯曲线上冲出工艺孔(见图4－6(c))，以改变变形范围，利用工艺变形来保证所需孔不产生变形。图4－5弯曲件的孔边距图4－6防止弯曲时孔变形的措施

5)避免弯边根部开裂

在局部弯曲坯料上的某一部分时，为避免弯边根部撕裂，应使不弯部分退出弯曲线之外，即保证b≥r(见图4－4(a))。如果条件b≥r不能满足，可在弯曲部分和不弯曲部分之间切槽(见图4－7(a))，槽深l应大于弯曲半径R)，或在弯曲前冲出工艺孔(见图4－7(b))。图4－7避免弯边根部开裂的措施

6)弯曲件的尺寸标注

弯曲件尺寸标注不同，会影响冲压工序的安排。例如，图4－8所示是弯曲件孔的位置尺寸的三种标注方法，其中采用图(a)所示的标注方法时，孔的位置精度不受坯料展开长度和回弹的影响，可先冲孔落料(复合工序)，然后再弯曲成形，工艺和模具设计较简单；图(b)、(c)所示的标注法，受弯曲回弹的影响，冲孔只能安排在弯曲之后进行，增加了工序，还会造成许多不便。

图4－8弯曲件的尺寸标注

3.弯曲件的精度

弯曲件的精度受坯料定位、偏移、回弹、翘曲等因素的影响，弯曲的工序数目越多，精度也越低。对弯曲件的精度要求应合理，一般弯曲件长度的尺寸公差等级在IT13级以下，角度公差大于15′。弯曲件长度未注公差的极限偏差见表4－7；弯曲件角度的自由公差见表4－8。

表4－7弯曲件未注公差的长度尺寸的极限偏差

表4－8弯曲件角度的自由公差值

4.1.3拉深件的工艺性

1.拉深件的形状、尺寸

(1)拉深件应尽量简单、对称，并能一次拉深成形。

(2)拉深件壁厚公差或变薄量要求一般不应超出拉深工艺壁厚变化规律。根据统计，不变薄拉深工艺的筒壁最大增厚量约为(0.2～0.3)t，最大变薄量约为(0.1～0.18)t(t为板料厚度)。

(3)当零件一次拉深的变形程度过大时，为避免拉裂，需采用多次拉深，这时在保证必要的表面质量前提下，应允许内、外表面存在拉深过程中可能产生的痕迹。

(4)在保证装配要求的前提下，应允许拉深件侧壁有一定的斜度。

(5)拉深件的底部或凸缘上有孔时，孔边到侧壁的距离应满足a≥R＋0.5t(或r＋0.5t)，如图4－9(a)所示。

(6)拉深件的底与壁、凸缘与壁、矩形件的四角等处的圆角半径应满足：r≥t，R≥2t，rg≥3t，如图4－9(b)所示。否则，应增加整形工序。一次整形的，圆角半径可取r≥(0.1～0.3)t，R≥(0.1～0.3)t。

(7)拉深件的径向尺寸应只标注外形尺寸或内形尺寸，而不能同时标注内、外形尺寸。带台阶的拉深件，其高度方向的尺寸标注一般应以拉深件底部为基准，如图4－10(a)所示。若以上部为基准(见图4－10(b))，高度尺寸不易保证。图4－9拉深件的孔边距及圆角半径图4－10带台阶拉深件的尺寸标注

2.拉深件的精度

一般情况下，拉深件的尺寸精度应在IT13级以下，不宜高于IT11级。圆筒形拉深件的径向尺寸精度和带凸缘圆筒形拉深件的高度尺寸精度分别见表4－9和表4－10。

对于精度要求高的拉深件，应在拉深后增加整形工序，以提高其精度。由于材料各向异性的影响，拉深件的口部或凸缘外缘一般是不整齐的，出现“突耳”现象，需要增加切边工序。

表4－9圆筒形拉深件径向尺寸的偏差值

表4－10带凸缘圆筒形拉深件高度尺寸的偏差值

3.拉深件的材料

用于拉深件的材料，要求具有较好的塑性，屈强比σs/σb小、板厚方向性系数r大，板平面方向性系数Δr小。

屈强比σs/σb值越小，一次拉深允许的极限变形程度越大，拉深的性能越好。例如，低碳钢的屈强比σs/σb≈0.57，其一次拉深的最小拉深系数为m＝0.48~0.50；65Mn钢的σs/σb≈0.63，其一次拉深的最小拉深系数为m＝0.68~0.70。所以有关材料标准规定，作为拉深用的钢板，其屈强比不大于0.66。板厚方向性系数r和板平面方向性系数Δr反映了材料的各向异性性能。当r较大或Δr较小时，材料宽度的变形比厚度方向的变形容易，板平面方向性能差异较小，拉深过程中材料不易变薄或拉裂，因而有利于拉深成形。

4.2.1冷冲模工艺及模具设计的内容

在冲压生产中，模具设计必须在工艺方案确定的前提下进行。因此，当得到一个产品的零件图时，首先是进行工艺规程的制定，然后根据相应的工艺方案设计对应的模具。4.2模具设计的内容及程序为保证产品质量，同时考虑经济效益和操作的方便安全，应全面兼顾生产组织各方面的合理性与可行性。在制定冷冲压工艺规程时，必须制定包括原材料的准备，获得工件所需的基本冲压工序和其它辅助工序(退火、表面处理等)，制定冷冲压工艺规程就是针对具体的冲压件恰当地选择各工序的性质，正确确定坯料尺寸、工序数目、工序件尺寸，合理安排冲压工序的先后顺序和工序的组合形式等内容，最终确定最佳的冷冲压工艺方案。4.2.2制定冲压工艺的程序

1.收集制定冲压工艺的原始资料

冲压工艺规程的制定应在收集、调查研究并掌握有关设计的原始资料基础上进行，冲压工艺的原始资料主要包括以下内容：

(1)冲压件的产品图及技术要求。

(2)产品原材料的尺寸规格、性能及供应情况。

(3)产品的生产批量及定型程度。它是制定冲压工艺规程中必须考虑的重要内容。它直接影响到加工方法的确定和模具类型的选择。

(4)冲压设备条件。

(5)模具制造条件及技术水平。

2.制定冲压工艺过程的程序及方法

在清楚了解上述原始资料的基础上，制定冲压工艺过程的程序及方法如下：

1)冲压件的分析

它包括两方面：冲压件的经济性分析和冲压件的工艺性分析。

2)冲压工艺方案的确定

工艺方案的确定是在对冲压件的工艺性分析之后应进行的重要环节。确定工艺方案主要要确定以下几个方面：

(1)工序性质：即确定是哪一种工序来完成零件的加工的，如是冲裁还是拉深或是弯曲或其它工序。

(2)工序数量：即要确定用几道工序来完成零件的加工过程，往往要通过工艺计算才能确定，如拉深件的工艺计算。

(3)工序顺序：即确定工序的先后顺序如何，如是先弯曲后冲孔还是先冲孔后弯曲。

(4)工序的组合方式等：有几道工序时，如何组合，以达到最好的效果，如落料拉深组合、拉深整形组合等。

冲压工艺方案的确定要考虑多方面的因素，有时还要进行必要的工艺计算，因此实际中通常提出几种可能的方案，进行分析比较后确定最佳方案。

3)工艺计算

(1)排样与裁板方案的确定。根据冲压工艺方案，确定冲压件或坯料的排样方案，确定条料宽度和步距，选择板料规格，确定裁板方式，计算材料利用率。

(2)冲压工序件的形状和工序尺寸计算。

4)冲压设备的选择

计算变形力以及模具的闭合高度和轮廓尺寸等因素，合理选定冲压设备的类型规格。

5)编写冲压工艺文件

冲压工艺文件主要是冲压工艺卡(工艺规程卡)和冲压工序卡，它是指导工人进行生产的指导性技术文件，其格式参考表4－13。4.2.3模具设计的程序

1．模具结构类型的选择

工艺方案一般已确定了模具的类型，即单工序模或复合模或级进模，对每一种类型的模具，须进行结构的选择，包括工作零件结构、形状及固定方式，条料(毛坯)定位的零件选择，卸料方式，送料方向的选择，模架类型的选择等。对于复合模来说，在凸凹模壁厚足够的情况下，应优先采用倒装式复合模，当凸凹模壁厚较小时才考虑采用正装式。如果凸凹模壁厚更小，则要考虑采用级进模或单工序模。而级进模设计更多地应考虑条料的定位选择，一般来说，侧刃加导正销定位应用广泛。

2．模具零、部件的设计，选用及计算

模具零、部件的设计，选用及计算包括模具工作零件刃口尺寸的计算，凹模外形尺寸及压力中心的确定。当凹模外形尺寸确定以后，便可根据凹模外形尺寸结合所选模具结构类型选用合适的模架及相对应的各种标准零件。

3．绘制冷冲模装配图

冷冲模装配图用以表明冲模结构、工作原理、组成冲模的全部零件及其相互位置和装配关系。一般情况下，冷冲模装配图用主视图和俯视图表示，若还不能表达清楚，可再增加其它视图,一般按1∶1的比例绘制。冷冲模装配图上要标明必要的尺寸和技术要求。

1)主视图

主视图放在图样的上面偏左，按冲模正对操作者方向绘制，采取剖面画法，一般按模具闭合状态绘制，在上、下模间有一完成的冲压件，断面涂红或涂黑。

主视图是模具装配图的主体，应尽量在主视图上将结构表达清楚，力求将凸、凹模的形状画完整。

2)俯视图

通过俯视图可以了解冲模零件的平面布置、排样方法以及凹模的轮廓形状等。习惯将上模部分拿去，只反映模具的下模俯视可见部分；或将上模的左半部分去掉，只画下模，而右半部分保留上模画俯视图。

俯视图上，制件图和排样图的轮廓用双点划线表示。图上应标注必要的尺寸，如模具闭合高度、模架外形尺寸、模柄直径等，不标配合尺寸和形位公差。

3)制件图和排样图

制件图和排样图通常画在图样的右上角，要注明制件的材料、规格以及制件的尺寸、公差等。若图面位置不够可另立一页。

对于多工序成形的制件，除绘制本工序的模具装配图外，还应绘出排样图，排样图布置在制件图的左边。此外，对于有落料工序的模具装配图，还应绘出排样图，排样图布置在制件图的下方，并注明条料宽度及公差、步距和搭边值。

制件图和排样图应按比例绘出，若不一致，必须用箭头指明冲压方向。

4)标题栏与明细表

标题栏与明细表布置在图样的右下角，并按机械制图国家标准填写。零件明细表应包括件号、名称、数量、材料、热处理、标准零件代号及规格、备注等内容。模具图中的所有零件都应详细填写在明细表中。

5)技术要求

装配图和技术要求布置在图纸的下部的适当位置。其内容包括：凸、凹模间隙，模具闭合高度，该模具的特殊要求，其它按本行业国标或厂标执行。

4．冲模零件图

零件图的绘制和标注应符合机械制图国家标准的规定，要注明全部尺寸、公差配合、形位公差、表面粗糙度、材料、热处理要求及其它技术要求。冲模零件在图样上的方向应尽量按该零件在装配图中的方位画出，不要随意旋转或颠倒，以防画错，影响装配。

对凸、凹模配合加工，其配制尺寸可不标公差，仅在该标称尺寸右上角注上符号“*”，并在技术条件中说明：注“*”尺寸按凸(凹)模配作，保证间隙若干即可。4.3实例分析4.3.1冲裁模实例分析

1.手柄级进冲裁模实例如图4－11所示的冲裁件，材料为Q235钢,料厚t=1.2mm,大批量生产。试设计冲压工艺及冲压模具。图4－11手柄

1)冲压件的工艺性分析此工件只有落料和冲孔两个工序。材料为Q235钢，具有良好的冲压性能，适合冲裁。工件结构相对简单，有一个￠8mm的孔和5个￠5mm的孔；孔与孔、孔与边缘之间的距离也满足要求，最小壁厚为3.5mm(大端4个￠5mm的孔与￠8mm的孔、￠5mm的孔与R16mm外圆之间的壁厚)。工件的尺寸全部为自由公差，可看做IT14级，尺寸精度较低，普通冲裁完全能满足要求。

2)冲压工艺方案的确定该工件包括落料、冲孔两个基本工序，如果采用先落料后冲孔单工序模生产的工艺方案，则模具结构简单，但需两道工序、两副模具，成本高而生产效率低，难以满足大批量生产的要求。因此，考虑在同一副模具上同时完成落料和冲孔两道工序的级进模冲压方案，这样只需一副模具，生产效率高，操作方便。在模具结构的设计上,若能保证孔与外形和孔与孔之间的位置精度，则工件精度也能满足要求。

3)主要设计计算

(1)排样方式的确定及其计算。设计级进模，首先要设计条料排样图。手柄的形状具有一头大一头小的特点，直排时材料利用率低，应采用直对排(如图4－12所示)，直对排可显著地减少废料。冲压时将第一遍冲压以后的条料水平方向旋转180°，再冲第二遍，在第一次冲裁的间隔中冲裁出第二部分工件。该级进模分为两个工位，第一步冲孔，第二步落外形的料。搭边值取2.5mm和3.5mm，条料宽度为135mm，步距为53mm，一个步距的材料利用率为78%（计算见表4－11）。查板材标准，宜选950mm×1500mm的钢板，每张钢板可剪裁为7张条料（135mm×1500mm），每张条料可冲56个工件，故每张钢板的材料利用率为76%。图4－12排样图

(2)冲压力的计算。该模具采用级进模，拟选择弹性卸料、下出件。冲压力的相关计算见表4－11。根据计算结果，冲压设备初选JB23-25压力机。表4－11条料及冲压力的计算

(3）压力中心的确定及相关计算。计算压力中心时，先画出凹模刃口图，如图4－13所示。在图中将xOy坐标系建立在图示的对称中心线上，将冲裁轮廓线按几何图形分解成L1～L6共6组基本线段，用解析法求得该模具的压力中心C点的坐标（13.57，11.64）。有关计算如表4－12所示。由表4－12的计算结果可以看出，该工件冲裁力不大，压力中心偏移坐标原点O较小，为了便于模具的加工和装配，模具中心仍选在坐标原点O。若选用JB23-25压力机，C点仍在压力机模柄孔投影面积范围内，满足要求。图4－13手柄排样图表4－12压力中心数据

4)编写工艺卡片编写工艺卡片，见表4－13。

5)模具总体设计

(1）模具类型的选择。由冲压工艺分析可知，采用级进冲压，所以模具类型为级进模。

(2）定位方式的选择。因为该模具采用的是条料，所以控制条料的送进方向采用导料板，无侧压装置。控制条料的送进步距采用挡料销初定距，但由于冲压时有两个冲压工位，第一次冲孔后的料送到第二个工位时会因挡料销定距误差而导致冲出的孔与落料的外形偏移，因此，可设导正销精定距以保证孔与外形的位置精度。而第一件的冲压位置因为条料长度有一定余量，可以靠操作工目测来定。

(3）卸料、出件方式的选择。因为工件料厚为1.2mm，相对较薄，卸料力也比较小，故可采用弹压卸料。弹压卸料既可卸料，又能得到较为平直的工件。考虑到级进模生产的连续性，采用下出件便于操作，而且可提高生产效率。

(4）导向方式的选择。为了提高模具寿命和工件质量，方便安装调整，该级进模采用中间导柱的导向方式。

(5)根据以上分析，并参照冷冲模国家标准典型组合，绘制模具结构草图。表4－13手柄冲压工艺卡

6)主要零部件的设计

(1）工作零件的设计：包括工作零件的结构设计和工作零件的刃口尺寸计算。①工作零件的结构设计有以下三种类型。

·落料凸模。结合工件外形并考虑加工，将落料凸模设计成直通式，采用线切割机床加工，2个M8螺钉固定在垫板上，与凸模固定板的配合按H7/m6。其总长L可按式(3－30)计算：L=20+14+1.2+28.8=64mm图4－14手柄落料凸模

·冲孔凸模。因为所冲的孔均为圆形，而且都不属于需要特别保护的小凸模，所以冲孔凸模采用台阶式，一方面加工简单，另一方面又便于装配与更换。其中冲5个￠5mm的圆形凸模可选用标准的结构及固定形式(图3－29(a),尺寸为5.15mm×64mm）。冲￠8mm孔的凸模结构如图4－15所示。图4－15手柄冲孔凸模

·凹模。凹模采用整体凹模，各冲裁的凹模孔均采用线切割机床加工。安排凹模在模架上的位置时，要依据计算压力中心的数据，将压力中心与模柄中心重合。其轮廓尺寸可按式(3－35)、式(3－36)和式(3－37)计算：凹模厚度H=ks=0.22×119=26.2；凹模宽度B=s+(2.5~4.0)H=119+(2.5～4.0)×26.2=184.5～223.8；凹模长度L=s1+2s2=53+10+16+2×42=163。套GB2858.1-81后，取凹模轮廓尺寸为220mm×200mm×30mm，结构如图4－16所示。②工作零件的刃口尺寸计算。在确定工作零件的刃口尺寸计算方法之前，首先要考虑工作零件的加工方法及模具装配方法。结合该模具的特点，工作零件的形状相对较简单，适宜采用线切割机床分别加工落料凸模、凹模、凸模固定板以及卸料板。这种加工方法可以保证这些零件各个孔的同轴度，使装配工作简化。因此工作零件刃口尺寸计算就按分开加工的方法来计算，具体计算见表4－14。表4－14刃口尺寸计算图4－16手柄凹模

(2)定位零件的设计。落料凸模下部设置两个导正销，分别借用工件上￠5mm和￠8mm两个孔作导正孔。￠8mm导正孔的导正销采用国家标准A型结构。导正应在卸料板压紧板料之前完成。考虑料厚和装配后卸料板下平面超出凸模端面1mm，所以导正销直线部分的长度为1.8mm。导正销采用H7/r6安装在落料凸模端面，导正销导正部分与导正孔采用H7/h6配合。起粗定距的活动挡料销、弹簧和螺塞选用标准件，规格为8mm×16mm。导料板的内侧与条料接触，外侧与凹模齐平，导料板与条料之间的间隙查冲模手册取为Z=1mm,并在装配时保证。导料板的厚度根据制件料厚和挡料销的高度而定，现取5mm。导料板采用45钢制作，热处理硬度为40HRC～45HRC，用螺钉和销钉固定在凹模上。导料板的进料端安装有承料板,使工人操作时省力。

(3）卸料部件的设计:包括卸料橡胶的设计、卸料板的设计和卸料螺钉的选用。①卸料橡胶的设计。卸料橡胶的设计计算见表4－15。选用的四块橡胶板的厚度必须一致，不然会造成受力不均匀，运动产生歪斜，影响模具的正常工作。②卸料板的设计。卸料板的周界尺寸与凹模的周界尺寸相同，厚度为14mm。卸料板采用45钢制造，热处理硬度为40HRC～45HRC。③卸料螺钉的选用。卸料板上设置四个卸料螺钉，公称直径为12mm，螺纹部分为M10×10mm。卸料钉尾部应留有足够的行程空间。卸料螺钉拧紧后，应使卸料板超出凸模端面0.3mm~0.5mm。有误差时，可在螺钉与卸料板之间安装垫片进行调整。

(4）模架及其它零部件设计。该模具采用中间导柱模架，这种模架的导柱在模具中间位置，冲压时可防止由于偏心力矩而引起的模具歪斜。以凹模周界尺寸为依据，选择模架规格。导柱d×L分别为￠28mm×160mm，￠32mm×160mm；导套d×L×D分别为￠28mm×115mm×42mm，￠32mm×115mm×45mm。上模座厚度H上模取45mm，上模垫板厚度H垫取10mm，固定板厚度H固取20mm，下模座厚度H下模取50mm，那么，该模具的闭合高度为

H闭=H上模＋H垫＋L＋H＋H下模－h2=45＋10＋64＋30＋50－2=197mm式中:L——凸模长度，L=64mm；

H——凹模厚度，H=30mm；

h2——凸模冲裁后进入凹模的深度，h2=2mm。

可见该模具闭合高度小于所选压力机JB23-25的最大装模高度（220mm），可以使用。

(5）冲压设备的校核。根据标称压力选择开式双柱可倾压力机JB23-25的主要技术参数如下：标称压力：250kN；滑块行程：65mm；最大闭合高度：270mm；最大装模高度：220mm；工作台尺寸（前后×左右）：370mm×560mm；垫板尺寸（厚度×孔径）：50mm×200mm；模柄孔尺寸：￠40mm×60mm；最大倾斜角度：30°。该压力机的所有安装尺寸均与所设计模具的安装尺寸匹配，故所选压力机满足要求。7)绘制模具总装图图4－17手柄级进模装配图模具上模部分主要由上模板、垫板、凸模（7个）、凸模固定板及卸料板等组成。卸料方式采用弹性卸料，以橡胶为弹性元件。下模部分由下模座、凹模板、导料板等组成。冲孔废料和成品件均由漏料孔漏出。条料送进时采用弹性挡料销13作为粗定距，在落料凸模上安装两个导正销4，利用条料上￠5mm和￠

8mm孔作导正销孔进行导正，以此作为条料送进的精确定距。操作时完成第一步冲压后，把条料抬起向前移动，用落料孔套在弹性挡料销13上，并向前推紧，冲压时凸模上的导正销4再作精确定距。弹性挡料销位置的设定比理想的几何位置向前偏移0.2mm，冲压过程中粗定位完成以后，当用导正销作精确定位时，由导正销上圆锥形斜面再将条料向后拉回约0.2mm而完成精确定距。用这种方法定距，精度可达到0.02mm。

2.止动件复合模的设计如图4－18所示的冲裁件,材料为Q235钢,料厚t=2mm，大批量生产。试设计冲压工艺及冲压模具。

1)零件的冲裁工艺性分析

(1）材料：Q235钢板属于普通碳素钢，具有一定的塑性，适合冲裁。（2）工件结构形状：该冲件结构简单，转角处有R2的圆角，有利于工作零件的加工及使用寿命的延长。（3）尺寸精度：零件除孔心距尺寸120-0.11的公差为IT11级外，内、外形尺寸均未标注公差，属自由尺寸，可按IT14级确定工件尺寸的公差。结论：适合冲裁。图4－18止动件

2）零件冲压工艺方案的确定该零件包括落料、冲孔两个基本工序，可以采用以下三种工艺方案：

(1)先落料，再冲孔，采用单工序模生产。

(2)落料－冲孔复合冲压，采用复合模生产。

(3)冲孔－落料连续冲压，采用级进模生产。方案分析与确定：方案(1)模具结构简单，但需要两道工序、两套模具才能完成零件的加工，生产效率较低，难以满足零件大批量生产的需求。由于零件结构简单，为提高生产效率，主要应采用复合冲裁或级进冲裁方式。由于孔边距尺寸120-0.11mm有公差要求，为了更好地保证此尺寸精度，最后确定用倒装式复合模冲裁。

3）工艺计算（1）排样、裁板。零件外形近似矩形，轮廓尺寸为65mm×30mm，考虑到操作方便并为了保证零件精度，采用直排有废料排样。查表2－4得搭边的参考值为a=2.2，侧边按圆形取搭边值a1=2.5。下料误差查手册为Δ=0.6，则条料宽度送料进距为s=30+2.2=32.2mm画出排样图,如图4－19所示。查附表3选用板料规格为900mm×2000mm×2mm，采用横裁，条料尺寸为70mm×900mm，可计算得一块板料的材料利用率为图4－19排样图（2）计算工序冲压力，选用压力机。查附表1，得τ=450MPa，查表2－5，得KX=0.05，K

T=0.055。落料力：F落=KLtτ=1.3×215.96×2×450≈252.67kN冲孔力：F孔=KLtτ=1.3×2π×10×2×450≈73.48kN

卸料力：FX=KXF落=0.05×252.67=12.63kN推件力：FT=nKTF=nKTF孔=6×0.055×73.48≈24.25kN（取n=6）总冲压力:Fz=F落+F孔+FX+FT≈363.03kN根据计算总力，查附表5可初选JB23-63的压力机。当模具结构及尺寸确定之后，可对压力机的闭合高度、模具安装尺寸进行校核，从而最终确定压力机的规格。（3)确定压力中心。画出凹模刃口,用解析法或CAD法可求得压力中心的坐标为（32.5,13）,如图4－20所示。图4－20压力中心的计算

4）编制工艺卡片本部分内容略。

5）确定模具结构并绘制模具结构草图（1）模具类型：根据已确定的工艺方案和工件尺寸的孔边距尺寸，查表可知凸凹模壁厚大于最小壁厚，为便于操作，复合模结构采用倒装式复合模，模架采用后置导柱标准模架。

(2）条料定位方式：可采用左右送料，由两个导料钉控制条料送进的方向，由一个挡料销控制送进的步距。（3）卸料方式：冲孔废料由凸凹模孔内向下推出，条料废料由弹性卸料装置完成，卡在凹模内的制件由刚性打料机构推出。据此，参照GB2873.2-81《冷冲模复合模典型组合矩形薄凹模典型组合》，画出模具的结构草图。

6）零件的设计及标准零件的选用（1）工作零件结构及刃口尺寸。冲孔凸模为圆形，可采用GB2863.1-81中的标准圆形凸模典型结构，并与固定板成H7/m6配合固定，装配后磨平端面。落料凹模外形为矩形，为便于加工，凹模板做成薄型形式并加空心垫板，用螺钉和销钉与固定板相连接。凸凹模刃口形状与工件完全一致，用螺钉和销钉与固定板相连接。工作零件的刃口尺寸计算方法及演算过程不再赘述，仅将计算结果列于表4－16中。表4－16刃口尺寸计算（2）确定各主要零件的结构尺寸，包括凹模外形尺寸的确定、凸凹模长度的确定、凸凹模内外刃壁厚校核和冲孔凸模长度的确定。①凹模外形尺寸的确定。查表3－14,得k=0.28;查表3－15，得s2=36。凹模厚度：H=ks=0.28×65=18.2mm凹模宽度：B=s+(2.5~4.0)H=65+(2.5~4.0)×18.2=110.5mm~137.8mm凹模长度：L=s1+2s2=30+2×36=102mm查标准JB/T6743.1-94，确定凹模板外形为125mm×125mm×18mm。将凹模板做成薄型形式并加空心垫板后实取为125mm×125mm×14mm。②凸凹模长度L1的确定。取卸料板厚h2=10，凸模固定板厚h1=16，凸模修磨量和弹簧预压后的高度h=24，则凸凹模长度L1=h1+h2+h=16+10+24=50mm③凸凹模内外刃壁厚校核。由于该冲裁件最小壁厚为7mm，查模具设计手册凸凹模最小壁厚要求可知，倒装式复合模的最小壁厚要求为4.9mm，因此凸凹模壁厚足够。④冲孔凸模长度L2的确定。取凸模固定板厚h1=14，空心垫板厚h2=12，凹模板厚h3=14，则冲孔凸模长度L2=h1+h2+h3=14+12+14=40mm（3)绘制工作零件图，如图4－21和图4－22所示。图4－21凸凹模(a)工程图；(b)3D图图4－22落料凹模板(a)工程图；(b)3D图（4）标准件的选择。按GB2873.2-81《冷冲模复合模典型组合矩形薄凹模典型组合》，选取所需的标准件，查清标准件代号及标记，写在总图明细表内(见表4－17)，并将各零件标出统一代号。表4－17模具零件列表7）画出部分非标零件图图4－23止动件模具装配图图4－24凸模固定板图4－25卸料板4.3.2弯曲模实例分析如图4－26所示弯曲件,材料为20钢，中批量生产。试设计弯曲工艺及弯曲模。图4－26拉板

1)拉板弯曲件的工艺性分析拉板弯曲件的材料为20钢，查附表1可知，其弯曲性能良好。零件为U形件，结构简单对称，内形60+0.740精度为IT14，是必须保证的尺寸，其余尺寸为自由尺寸，满足弯曲精度等级的要求。相对圆角半径r/t=4/2=2>rmin/t=0.5，满足弯曲变形程度的要求。

2)工艺方案的确定根据零件的要求及实际生产情况，可采用单工序冲压，具体工艺方案为：落料、冲孔、校正弯曲。每道工序各用一套模具。现将第三道工序的弯曲模的设计介绍如下。3)毛坯展开长度的确定毛坯展开长度按零件中性层计算。中性层位置：根据r/t=2，查表2－9，得x=0.38。中性层曲率半径：ρ=r+xt=4+0.38×2=4.76mm圆弧部分长度：垂直的直线：l直1=20-4-2=14mm底部直线：l直2=60-2×4=52mm故毛坯展开长度为Lz=2(l直1+l弯1)+l直2=2×(14+7.47)+52=94.94mm经过计算，展开长度初步确定为95mm，精确的只有试模后再进行修正。

4)弯曲力的计算查附表1，得σb=450MPa；查表2－11，得p=100MPa。

(1)校正弯曲力:F校=Ap=60×20×100=120kN(2)压力机标称压力：F压力机≥F校=120kN故可选用JB23-25开式双柱可倾压力机。

5)弯曲模工作部分尺寸的确定

(1)凸模圆角半径rT:当r/t＜5～8时，取rT=4mm。

(2）凹模圆角半径rA:生产中，凹模圆角半径rA通常根据材料厚度选取，rA=3t=3×2=6mm。

(3）凹模深度h0：对于弯边高度不大或要求两边平直的U形件，凹模深度应大于弯曲件的高度，其中h0值见表3－6,即h0=4mm。

(4）凸、凹模间隙：查表3－8，得c=0.05，查附表2取厚度公差为±0.15，则Z=tmax+ct=2.15+0.05×2=2.25mm

(5）U形件弯曲凸、凹模横向尺寸及公差:弯曲件标注内形尺寸60+0.740，故应先确定凸模刃口尺寸。凸模的制造精度按IT8，凹模的制造精度按IT9。弯曲凸模横向尺寸：弯曲凹模横向尺寸：6)模具结构模具结构如图2－22所示。7）主要零部件设计凸模和凹模零件图分别如图4－27和图4－28所示。图4－27凸模图4－28凹模4.3.3拉深件实例分析拉深如图4－29所示的带凸缘圆筒形零件，材料为08钢，厚度t=1mm，大批量生产。试确定拉深工艺，设计拉深模。图4－29凸缘零件

1．零件的工艺性分析该零件为带凸缘圆筒形零件，要求内形尺寸，料厚t=1mm，没有厚度不变的要求；零件的形状简单、对称，底部圆角半径r=2mm＞t，凸缘处的圆角半径R=2mm=2t，满足拉深工艺对形状和圆角半径的要求；尺寸￠20.1+0.20mm为IT12级，其余尺寸为自由公差，满足拉深工艺对精度等级的要求；零件所用材料08钢的拉深性能较好，易于拉深成形。综上所述，该零件的拉深工艺性较好，可用拉深工序加工。

2．工艺方案的确定为了确定零件的成形工艺方案，应先计算拉深次数及有关工序尺寸。该零件的拉深次数与工序尺寸计算见例2－2，其计算结果列于表4－18中。根据上述计算结果，本零件需要落料(制成￠79mm的坯料)、四次拉深和切边(达到零件要求的凸缘直径￠

55.4mm)共6道冲压工序。考虑该零件的首次拉深高度较小，且坯料直径(￠79)与首次拉深后的筒体直径(￠39.5)的差值较大，为了提高生产效率，可将坯料的落料与首次拉深复合。因此，该零件的冲压工艺方案为：落料与首次拉深复合→第二次拉深→第三次拉深→第四次拉深→切边。表4－18拉深次数与各次拉深工序件尺寸

3．拉深力与压料力的计算

(1)拉深力。查机械设计手册得08钢的强度极限σb=400MPa，由m4=0.844查表2－21得K2=0.70，则F=K2πd4tσb=0.70×3.14×20.1×1×400=17672N(2)压料力。查表2－20，取p=2.5MPa，则

(3)压力机标称压力。总冲压力FΣ=F+FY，取Fg≥1.8FΣ，则Fg≥1.8×(17672+338)=32418N=32.4kN

4．模具工作部分尺寸的计算

(1)凸、凹模间隙。凸、凹模的单边间隙为Z=(1~1.05)t，则Z=1.05t=1.05×1=1.05mm。

(2)凸、凹模圆角半径。因是最后一次拉深，故凸、凹模圆角半径应与拉深件相应圆角半径一致，故凸模圆角半径rT=2mm，凹模圆角半径rA=2mm。

(3)凸、凹模工作尺寸及公差。由于工件要求内形尺寸，故凸、凹模工作尺寸及公差分别按式(3－26)、式(3－27)计算。取δT=0.02，δA=0.04，则

(4)凸模通气孔。根据凸模直径大小，取通气孔直径为￠5mm。

5．模具的总体设计拉深模总装图如图4－30所示。因为压料力不大(FY=338N)，故在单动压力机上拉深。本模具采用倒装式结构，凹模11固定在模柄7上，凸模13通过固定板15固定在下模座3上。由上道工序拉深的工序件套在压料圈14上定位。拉深结束后，由推件块12将卡在凹模内的工件推出。图4－30拉深模总装图

6．压力机的选择根据标称压力Fg≥32.4kN，滑块行程S≥2h工件=2×32=64mm及模具闭合高度H=188mm，查附表5，确定选择型号为JB23-40型开式双柱可倾式压力机。

7．模具主要零件设计

根据模具总装图结构、拉深工作要求及前述模具工作部分的计算，设计出的拉深凸模、拉深凹模及压料圈分别见图4－31、图4－32和图4－33。图4－31拉深凸模图4－32拉深凹模图4－33压料圈

小结本章主要介绍了冲压的工艺性及冲压工艺方案的制定、模具设计的步骤,并通过典型实例对冲压工艺及模具设计的过程做了详细分析和说明，以供设计时参考。 思考与练习题制定如图4－34～图4－38所示零件的冲压工艺方案，并设计模具。图4－34垫圈图4－35接线片图4－36弹簧片图4－37空心铆钉图4－38盒第5章塑料成型基本知识5.1塑料成型概述5.2塑料制品的设计5.3注射模用注射机的选用小结

思考与练习题5.1.1塑料的基本知识及塑料制品工业的发展动向

塑料工业从1909年发展至今只有不长的历史，但其发展却相当惊人。1909年工业化生产制成电话机、钮扣、派克自来水笔等。20世纪20～30年代人工合成树脂氨基塑料。20世纪50～70年代，塑料的产量几乎是每4～5年就翻一番。目前，塑料的总体产量超过了金属材料的总和。5.1塑料成型概述

由于塑料质量轻、比强度高、耐腐蚀、电绝缘性好、易着色、加工性好，而且具有生产率高、价格低廉等特点，因此应用极为广泛，已深入到国民经济的各个部门。塑料工业已成为当今全世界增长最快的工业门类，年增长居四大工业材料(钢铁、水泥、木材及塑料)之首。

我国塑料制品工业发展于20世纪50年代后期，主要用于日常用品(如塑料鞋、日用塑料膜)。进入20世纪70年代以来，塑料的应用已涉及国民经济和人民生活中的各个方面，如办公用品、照相器材、食品容器、汽车仪器仪表、机械、航空、交通、轻工、建材、医药卫生，及家用电器行业中的零件塑料化的趋势不断加强。

塑料模具制造行业，为缩短模具制造周期，正朝着模具零部件标准化与商品化的方向发展。在模具加工中，尽量减少手工操作的比重，提高机械化与自动化程度，大力发展成型新工艺。为缩短模具设计与制造周期，常采用计算机辅助设计与制造CAD/CAM。5.1.2塑料的分类及成型工艺性能

1．塑料的分类

(1)按塑料在受热以后的表现，塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。

热塑性塑料：随温度的升高而熔化，随温度的降低而凝固，可由不断升温、降温改变其形态。随分子结构排列不同，热塑性塑料可分为结晶型和非结晶型，如PC、PE、PVC、PS、PMMA等。

热固性塑料：分子呈长链状排列，而长链间存在共价键，交织而形成类似网状结构。加温加压使其固化后，分子之间会产生“交联反应”，使得塑料结合紧密且坚硬，即使加温也无法熔融或是回复到原来的样子，如PF、UF、UP等。

(2)按塑料的性能及用途，塑料可分为通用塑料、工程塑料和特殊功能塑料。

通用塑料：指产量大、用途广且价廉的塑料，如PVC、PP。

工程塑料：在工程技术中常作为结构材料来使用，如ABS、PA。

特殊功能塑料：具有特殊性能的塑料(用于医药、光敏及液晶方面的氟塑料)。

2．塑料的工艺性能

1)塑料的可加工性

塑料之所以可以加工，主要是它在一定条件下(温度与压力)可以发生变形。塑料受热时，有三种物理状态，即玻璃态、高弹态和可塑性加工态。

图5－1中曲线所表示的是在恒定压力下热塑性塑料的温度－变形曲线(与热固性塑料在硬化前阶段的温度－变形曲线相同)。

图5－1热塑性塑料的状态与加工曲线

2)流动性

在成型过程中，塑料熔体在一定的温度与压力作用下充填型腔的能力称为塑料的流动性。塑料的流动性差时，在注射成型过程中，就不易充满型腔而缺料。相反，若熔体流动性太好，则成型时容易产生流延而在分型面、活动成型零件、推杆等处造成溢料飞边和毛刺。

热塑性塑料的流动性可分为以下三类：

流动性好的：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、醋酸纤维等。

流动性中等的：改性聚苯乙烯、ABS、AS、有机玻璃、聚甲醛、氯化聚醚等。

流动性差的：聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、氟塑料等。

3)收缩性

塑料从热模具中取出冷却到室温后，其尺寸发生变化的特性称为收缩性。造成成型收缩的原因有热胀冷缩、因弹性回复造成的收缩、结晶收缩和定向收缩。

影响收缩率变化的因素包括以下几点：

(1)塑料品种：不同的塑料或同一种塑料填料不同，其收缩率是不同的。

(2)塑件特征：制品形状、大小、壁厚、有无嵌件等对收缩率影响都很大。

(3)模具结构：正确的浇口形式和浇口的位置、较大的浇口截面尺寸，其收缩率小，收缩均匀。

(4)成型工艺参数：成型时有预热且成型温度不高、成型压力较大、保压时间较长的塑料收缩率较小。

收缩率的计算公式如下：

(5－1)

式中：

s——塑料成型收缩率(%)，其值可查表；

a——模具在成型温度时的尺寸(mm)；

b——塑件在常温下的尺寸(mm)。

4)结晶性

热塑性塑料按其冷却时是否出现结晶现象可将其分为结晶型与非结晶型(或称无定型)。

结晶型塑料是不透明的或半透明的，而非结晶型塑料是透明的(少数例外)。通常结晶度大的塑料密度大，强度、硬度高，刚度、耐磨性好，耐化学性和电性能好；结晶度小的塑料柔软性、透明性较好，伸长率和冲击韧度较大。通常可以通过提高成型温度降低冷却速度来提高结晶度。

5)热敏性及吸湿性

热敏性：某些塑料对热较为敏感，在高温下受热时间长或浇口截面小，剪切作用大而摩擦生热时易发生变色、分解的倾向，如硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、氯乙烯和醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚甲醛、聚三氟氯乙烯等。

吸湿性：是指塑料对水分的亲疏程度。吸湿性的大小取决于聚合物组成及分子结构。例如聚酰胺、聚碳酸酯、ABS、聚苯醚、聚砜等，在其分子链中由于含有极性基因，对水有吸附能力，故属于吸湿倾向大的塑料。

6)聚合物降解与定向

聚合物降解(也称裂解)：是指聚合物分子在受到热、应力、微量水、酸、碱等杂质以及空气中的氧作用时，导致聚合物链断裂、分子变小、相对分子质量降低的现象。轻度降解会使聚合物变色；进一步降解会使聚合物分解出低分子物质，使制品出现气泡和流纹弊病，削弱制品各项物理、力学性能；严重的降解会使聚合物焦化变黑并产生大量的分解物质。

聚合物定向(或称取向)：是指塑料在成型加工过程中分子发生不同程度的定向排列。

影响聚合物定向的因素主要有以下几点：

(1)随着模具温度、成型温度及塑件型腔深度的增加，分子定向程度也随之增加。

(2)浇口的开设位置和形状对分子定向影响很大，为了减少分子定向程度，通常可将浇口开设在型腔深度较大的部位。

(3)增加浇口长度、充模压力及充模时间，分子定向程度也随之增加。

7)压缩比与比容

压缩比：指塑料粉与塑件两者体积之比。

比容(比体积)：指单位质量塑料所占的体积。

压缩比和比容都表示了各种热固性塑料的松散程度。它们都作为计算模具加料室高度的依据。

8)固化特性

热固性塑料在成型过程中，树脂发生交联反应，分子结构由线型变为体型，最后逐渐固化的特性称为固化特性。5.1.3塑料制品成型的基本方法

1．压缩成型

压缩成型是应用得最早也是最广泛的模塑成型方法。它是将一定量的塑料放入具有一定温度(塑料的成型温度)的塑料模具中，然后合模并施加压力而使塑料在模具中成型并固化的工艺过程，如图5－2所示。这种方法通常用于成型热固性塑料，也有在压制较大面积的塑料制品时用来成型热塑性塑料。压缩成型所使用的设备为液压机。

压缩成型的特点是：可以压制较大平面的塑料制品或利用多型腔一次压制多个制品，但不能压制形状复杂、薄壁或壁厚有显著变化的制件，也不宜采用精细或易折的嵌件，制件的尺寸精度不高，生产周期较长。图5－2压缩成型示意

2．注射成型

注射成型是塑料制品成型的主要方法。它与压缩成型的不同之处在于：塑料是在注射机料筒加热，由柱塞或螺杆以一定的温度和压力通过喷嘴注射到模具的浇注系统，然后由浇注系统注入到模具的型腔之中固化成为制件，如图5－3所示。

这种成型方法的特点是：生产周期短、生产效率高，易于实现自动化生产，可以成型形状复杂的制件且制件精度容易得到保证，但设备投资较大，模具价格较高。

注射成型主要用于生产热塑性塑料，但近年来热固性塑料也越来越多地用注射方法成型。图5－3注射成型示意

3．传递成型

传递成型是利用注射成型原理来模塑热固性塑料的方法。它是把预热的塑料送至加料室中加热，而后加压通过一个(或多个)浇口，进入闭合的已加热的型腔之中固化成型，如图5－4所示。

这种成型方法的特点是：生产周期较压缩成型的短，模具损耗小，制件尺寸一致性好，能成型薄壁或精细的塑件，但生产成本较压缩成型的高，塑件的机械强度稍差。

图5－4传递成型原理

4．挤出成型

挤出成型是生产连续型材的一种成型方法。塑料在挤出成型机料筒加热，由柱塞或螺杆以一定的温度和压力通过一定断面形状的挤出机头挤出，然后由输送及索引装置运走，逐渐冷却成型，如图5－5所示。图5－5挤出成型原理

5．其它成型方法

除了上述几种主要塑料成型方法外，还有中空制品的吹塑成型、真空或压缩空气成型、压延成型、发泡成型等方法。本书限于篇幅，仅介绍注射成型模具的典型结构，其它可参考相关资料。

5.2.1塑料制品的尺寸、精度及表面质量

塑件尺寸的大小取决于塑料的流动性和成型设备。

塑件的精度与模具制造精度及其使用后的磨损程度、塑料收缩率的波动、成型工艺条件的变化、塑料制品的形状、脱模斜度及成型后制品的尺寸变化等因素有关。

一般尽可能地把制品尺寸精度设计得低一些。不同的塑料其成型精度的推荐值如表5－1所示。表中只列出了公差等级，具体的上、下偏差可根据塑件的配合性质来确定。5.2塑料制品的设计表5－1常用塑料公差等级的选用(GB/T14486－1993)续续

塑件的表面质量包括表面粗糙度和外观质量。这与塑料品种、成型工艺条件、模具成型零件表面的粗糙度及其磨损情况有关。其中成型零件表面的粗糙度是主要因素。

一般模具表面粗糙度要比制品的要求高1~2级。不同成型方法及不同塑料材料所能达到的表面粗糙度见表5－2。表5－2不同加工方法和不同材料所能达到的表面粗糙度(GB/T14234－1993)表5－2不同加工方法和不同材料所能达到的表面粗糙度(GB/T14234－1993)5.2.2塑料制品的结构

1．塑料制品的几何形状

塑件的几何形状应尽可能保证有利于成型的原则，即在开模取出塑件时，尽可能不采用复杂的瓣合与侧面抽芯。为此，塑件的内外表面应尽量避免有侧凸凹部分。因此，在模具设计时要深入了解塑件结构的使用要求，对不利于成型的结构应作适当的修改，以简化模具结构、缩短制造周期，提高制件质量。

塑料制品的几何形状设计实例如图5－6所示。

图5－6塑料制品的几何形状

2．脱模斜度

为了使成型件易于脱模，必须具有脱模斜度。制品上的脱模斜度大小与制品的性质、收缩率大小、摩擦系数大小、制品壁厚和几何形状有关。硬质塑料比软质塑料斜度大；形状愈复杂或成型孔较多时取较大的脱模斜度；制品高度愈高、孔愈深，则取较小的脱模斜度；内孔包住型芯，应取较大的脱模斜度。

一般情况下，脱模斜度不包括在塑件公差范围内，否则应在图样上注明。在制品图上标注时，内孔以小端为基准，斜度由扩大方向取得；外形以大端为基准，斜度由缩小方向取得，如图5－7所示。一般情况下，脱模斜度为30′～1°30′。图5－7脱模斜度

3．壁厚

制品的壁厚对其质量有很大的影响，壁厚过小难以满足使用强度和刚度的要求，对于大型复杂件难以充满型腔；壁厚太大，制品内部易产生气泡，外部易产生凹陷等缺陷，同时还会增加生产成本。

同一制品的壁厚应尽可能均匀一致，以避免造成收缩不一致而导致变形或翘曲。制品壁厚一般在1~6mm范围内，大型塑件的壁厚可达8mm。

塑料制品壁厚设计实例如图5－8所示。图5－8塑料制品的壁厚

4．防止变形的结构设计

(1)塑料制品设置圆角，能使其成型时流动性能好，成型顺利进行。因为当制品带有尖角时，往往会在尖角处产生应力集中，在受力或受冲击振动时发生破裂。圆角半径r＝(0.5～1.5)t，t为壁厚。

(2)设置加强筋。设置加强筋不仅能增加强度，而且可以改善熔料流动性，防止制件变形。增加加强筋的数目比增加其高度更有效。

(3)加厚与改变形状。

防止变形的结构设计实例如图5－9和图5－10所示。图5－9容器边缘及底部的设计容器底或盖设计成图5－9(a)、(b)所示的球形或拱形曲面可以大大增加其刚度，在容器的边缘设计成如图5－9(c)所示的形状有利于减少变形。

如图5－10所示的结构，虽然壁厚各处较均匀，但为了保证装配时能承受一定的紧固力，壁厚不宜太薄。若采用如图5－10(b)所示的加强筋的结构，则能使壁厚减薄，并能保证足够的强度与刚度。图5－10加强筋图5－11支承面

5．支承面

以塑件的整个底面作支承面是不合理的。因为塑件稍有变形就会使底面不平，通常采用的是边框支承或底脚支承，如图5－11所示。

6．孔

塑料制品上的孔有通孔、不通孔、形状复杂的孔、螺纹孔等。原则上讲，这些孔均能用一定的型芯成型，但当孔设置不当时，会削弱制品强度，孔与孔之间、孔与壁之间应该留有足够的距离。

设计塑件上的孔时应注意以下几点：

(1)孔间距应在孔径的两倍以上，如图5－12(a)所示。

(2)孔的周边应增加壁厚，如图5－12(b)所示。

(3)孔与制件边缘之间的距离最好为孔径的3倍以上，如图5－12(c)所示。

(4)用型芯对接成型的孔，为防上、下孔偏心，可将任一侧的孔取稍大一些，如图5－12(d)所示。图5－12孔的设计实例图5－13凸凹纹的设计图5－14标记、文字与符号的设计

7．凸凹纹、标记及文字

为了工艺上的要求及模具制造的简便，设计凸凹纹时应注意凸凹纹与脱模方向一致，如图5－13所示。

标记、文字与符号一般凹坑凸字，如图5－14所示。采用这种形式，以便加工与维修。

8．螺纹与齿轮

1)螺纹

塑件上的螺纹可以在模塑时直接成型，也可以在模塑以后机械加工而成。模塑的螺纹，其外螺纹直径不宜小于4mm，内螺纹直径不宜小于2mm，精度不高于IT8级。如果模具的螺纹螺距未考虑收缩，则塑料螺纹与金属螺纹的配合长度不能超过螺纹直径的1.5~2倍。

为了防止塑件上的螺纹的最外圈不致崩裂或变形，应使螺纹起始端留有一定距离的光面，如图5－15所示。图5－15内外螺纹的设计

2)齿轮

为使塑料齿轮适应注射成型工艺要求，对齿轮作如下规定：

在设计齿轮时应注意，为减少齿尖处的应力集中及齿轮成型时模塑应力的影响，应尽量避免截面的突然变化，尽可能加大圆角处及过渡圆弧的半径；为了避免装配时产生应力，轴与孔应尽可能不采用过盈配合，而采用过渡配合，如图5－16所示。其中图5－16(a)表示轴与孔成半月形配合，图5－16(b)表示轴与齿轮用两个定位销固定。前者较为常用。图5－16塑料齿轮与轴的固定

9．嵌件

塑件中增加嵌件是为了增加塑件局部强度、硬度、导电性或增加塑件尺寸和形状的稳定性等要求。嵌件的材料可用各种有色金属或黑色金属，也可以是玻璃、木材或已成型的塑件等。

嵌件设计应注意两个问题：

图5－17嵌件在塑件中的固定

(1)嵌件在塑件中的固定。为了使嵌件牢固地与塑件连接，防止嵌件受力时塑件内转动或脱出，嵌件表面应加制滚花或切口、打孔、折弯、压扁等，如图5－17所示。

同时，由于金属嵌件与塑料的收缩率不同，会使嵌件周围产生很大的内应力而造成塑件开裂，因此，嵌件周围的塑料应有一定的厚度，同时嵌件本身结构不应带有尖角，以减小应力集中。

(2)嵌件在模具中的定位。在模塑成型时，为了防止嵌件受到塑料料流动压力作用而产生位移或变形，嵌件应牢固地固定在模具内。如图5－18所示，图(a)、(b)、(c)的圆形嵌件插入模具相应孔中，并以H9/f9的配合防止融熔塑料挤入螺纹线中。图5－18嵌件在模具中的定位

1．公称注射量的校核

公称注射量有注射容量和注射质量两种表示法。

公称注射容量是指注射机对空注射时，螺杆一次最大行程所射出的塑料体积，以cm3表示。5.3注射模用注射机的选用

注射机对空注射时，螺杆作一次最大注射行程所能射出的聚苯乙烯塑料质量是以克(g)表示的。由于各种塑料的密度及压缩比不同，在使用其它塑料时，实际最大注射量与聚苯乙烯塑料的公称注射量可进行如下换算：

(5－2)

式中：Gmax——实际用塑料时的最大注射量(g)；

G公——以聚苯乙烯为标准的注射机的公称注射量(g)；

ρ1——实际用塑料在常温下的密度(g/cm3)；

ρ2——聚苯乙烯在常温下的密度(g/cm3)；

f1——实际用塑料的体积压缩比，由实验测定；

f2——聚苯乙烯的压缩比，通常可取2.0。

选用注射机时，通常是以某塑件(或模具)实际需要的注射量初选某一公称注射量的注射机型号，然后依次对该机型的公称注射压力、公称锁模力、模板行程以及模具安装部分的尺寸一一进行校核。

为了保证正常的注射成型，模具每次需要的实际注射量应该小于某注射机的公称注射量，即

V实<V公或V实≤0.8V公

(5－3)

式中：V实为实际塑件(包括浇注系统凝料)的总体积(cm3)。

由于刚加入注射机料筒的塑料是疏松颗粒状，故成型时所需要的塑料体积为

V料≥K压V实

(5－4)

那么，所选注射机的额定(或公称)容量应为

(5－5)

式中：V料——每次注射需要的实际塑料体积(cm3)；

K压——塑料的压缩比，可查手册。

当注射机的公称容量以克来表示时，也可按下式计算：

G实≤0.8G公

(5－6)

而G实＝ρ′·V，又ρ′＝ρ·C，所以

(5－7)

式中：ρ′——塑料在料筒温度下的密度(g/cm3)；

ρ——塑料在常温下的密度(g/cm3)，可查手册；

C——塑料密度变化系数。

当计算出模具每次实际需要的塑料体积V实之后，即可按照式(5－5)或式(5－7)获得注射机的公称容量(V公)，并以此初步选定一种规格的机型。那么该规格的注射机是否合适，还要对该机型的其它技术参数进行校核。

2．锁模力的校核

锁模力是指注射机的锁模机构对模具所施加的最大夹紧力。当高压的塑料熔体充填模腔时，会沿锁模方向产生一个很大的胀形力。为此，注射机的额定锁模力必须大于该胀形力，即

F锁≥F胀＝A分·P型

(5－8)

式中：F锁——注射机的额定锁模力(N)；

P型——模具型腔内塑料熔体平均压力(MPa)，一般为注射压力的0.3～0.65倍，通常为20～40MPa，也可查手册；

A分——塑件和浇注系统在分型面上的投影面积之和(mm2)。

3．注射压力的校核

塑件成型时所需要的压力一般由塑料流动性、塑件结构和壁厚以及浇注系统类型等因素决定，其值一般为70～150MPa，通常要求：

P公≥P0 (5－9)

式中：

P公——注射机公称注射压力；

P0——塑件成型时所需要的注射压力。

4．模具与注射机安装模具部分尺寸的校核

模具与注射机安装部分的相关尺寸主要有喷嘴尺寸、定位圈尺寸、拉杆间距、最大模具厚度与最小模具厚度以及模具与注射机的安装关系等。