CPU风扇后盖的注塑模具设计
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毕 业 设 计 论 文 CPU 风扇后盖注塑模设计 THE DESIGN OF CPU FAN COVER INJECTION MOLD 学 生 姓 名 学 院 名 称 专 业 名 称 指 导 教 师 20 年 5 月 27 日 摘要 本设计是 CPU 风扇后盖的注塑模具设计 在结合了传统的机械设计后把 CAD CAM 技术应用在注塑模具的设计上 在 CAD 系统实行了模型和注塑模具的设计 本文介绍了我国当前模具技术的发展状况以及 CAD CAM 在模具上的应用 其中包 括 AUTOCAD PRO E 而主要的机械部分设计 其内容包括塑料注塑模具的工作原理 及应用 设计准则 塑料注塑模的设计计算 包括模具结构设计 注塑机的选用 浇注 系统的设计 动 定模 浇注系统 脱模机构 顶出机构 冷却系统等设计等方面 如 此设计出的结构可确保模具工作运行可靠 关键词 CAD 模具 注塑模具 Abstract It is to design the CPU electric fan back cover injection mould references to the traditional mechanical design focus on the CAD CAM application in the plastic mould design that is to say to apply the CAD system in model and plastic injection mould design This artic introduces the mould technology and the CAD CAM application of mould in china nowadays Including AUTOCAD PRO E While main mechanical designs content the principle and application of the plastic mould design standards The calculation of the plastic mould design concerns about the mould construction design choosing Injection Molding Machine injection system the move mould immobility mould the irrigating system the doffing mould organ the goring organ the cooling system s design and so on The structure designed in such way can ensure the reliable running of the mould keywords CAD model plastic injection mould 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 目 录 摘要 I Abstract II 1 绪论 1 1 1 塑料模具简介 1 1 2 我国塑料模具工业发展现状 1 1 3 我国塑料模具工业和技术今后的主要发展方向 2 1 3 1 提高大型 精密 复杂 长寿命模具的设计制造水平及比例 2 1 3 2 推广应用热流道技术 气辅注射成型技术和高压注射成型技术 2 1 4 塑料模设计的一般步骤 2 1 4 1 拟定制品成型工艺 2 1 4 2 拟定模具机构方案 3 2 拟定模具结构型式 5 2 1 塑件成型工艺性分析 5 2 2 塑件的工艺性分析 6 2 2 1 塑件材料的选择 6 2 2 2 塑件的壁厚 8 2 2 3 塑件的表面质量 8 2 2 4 塑件的精度等级 9 2 2 5 塑件的脱模斜度 9 2 3 ABS 塑件的注射工艺 10 2 4 确定成型方法 11 2 5 拟定制品成型工艺参数 11 3 拟定模具结构方案 12 3 1 初步确定注射机 12 3 1 1 计算塑件的体积和质量 12 3 1 2 塑件和流道凝料在分型面上的投影面上的投影面积及所需锁模力的计算 12 3 1 3 根据注射量和锁模力的值 选用 SZ 200 120 卧式注射机 12 3 1 4 注射机料筒塑化速率校核模具的型腔数 n 13 3 2 选择制品的分型面 13 3 3 型腔数目的确定 14 3 4 型腔排列形式的确定 15 4 成型零件的设计 16 4 1 凹模的结构设计 16 4 1 1 整体式凹模 16 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 I 4 1 2 组合式凹模 16 4 2 凸模的结构设计 16 4 3 成型零件钢材的选用 16 4 4 成型零件工作尺寸的计算 16 4 5 成型零件强度及支承板厚度计算 18 5 浇注系统的设计 20 5 1 主流道的设计 20 5 2 主流道衬套形式 20 5 3 分流道设计 21 5 3 1 分流道布置形式 23 5 3 2 分流道尺寸 23 5 3 3 分流道凝料体积 24 5 3 4 分流道剪切速率校核 24 5 3 5 分流道的表面粗糙度 24 5 4 浇口的设计 24 5 4 1 浇口形状 尺寸的确定 24 5 4 2 冷料穴的设计 25 6 导向机构的设计 26 6 1 导向机构的形式 26 6 1 1 导柱导向机构 26 6 1 2 精定位装置 26 7 脱模机构的设计 28 7 1 脱模机构的组成 28 7 2 脱模机构的分类 28 7 3 脱模机构的设计原则 29 7 4 脱模力的计算 30 8 模架的确定 31 9 注射模温度调节系统 32 9 1 温度调节对塑件质量的影响 32 9 2 冷却系统的设计原则 32 9 3 冷却时间的确定 33 9 4 冷却系统的结构形式 33 9 5 冷却系统的计算 33 10 排气系统的设计 35 11 模具材料的选用 36 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 II 11 1 模具材料选用原则 36 11 2 注塑模具常用材料 36 11 3 各种零件的选材 37 结论 39 致谢 40 参 考 文 献 41 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 0 1 绪论 1 1 塑料模具简介 模具行业是制造业重要的组成部分 也是国民经济的基础工业 受到政府和企业界 的高度重视 具有广阔的前景 塑料模具是当今工业生产中利用特定的形状 通过一定 的方式来成型塑料制品的工艺装备或工具 它属于型腔模的范畴 按制品所采用的原料 不同 成型方法不同 一般将模具分为塑料模具 金属冲压模具 金属压铸模具 橡胶 模具和玻璃模具等 因人们日常生活所用的制品和各种机械零件在成型中多数是通过模 具来制成品 所以模具制造业已成为一个大行业 在高分子材料加工领域中 用于塑料 制品成形的模具称之为塑料成形模具 简称塑料模 塑料模优化设计 是当代高分子材 料加工领域中的重大课题 通常情况下 塑料制品质量的优劣及生产效率的高低 其模 具的因素约占 80 然而模具的质量好坏又直接与模具的设计与制造有很大关系 随着 国民经济领域的各部门对塑件的品种和产量需求越来越大 产品更新愈来愈快 用户对 塑件的要求愈来愈高 因而对模具设计与制造的周期和质量提出了更高的要求 这就促 使塑料模具设计与制造技术不断向前发展 从而推动了塑料工业以及机械加工工业的高 速发展 模具的设计是模具制造过程中的关键部分 通过合理的设计制造出来的模具不仅能 顺利地成型高质量的塑件 还能简化模具加工过程和实施塑件的高效率生产 从而达到 降低生产成本和提高附加价值的目的 1 2 我国塑料模具工业发展现状 模具制造是国家经济建设中的一项重要产业 振兴和发展模具工业 日益受到世界 各国的重视和关注 80 年代以来 在国家产业政策与之配套的一系列国家经济政策的支 持和引导下 我国模具工业发展迅速 年均增速均为 13 1999 年我国模具工业产值为 245 亿 至 2000 年我国模具总产值预计为 260 270 亿元 其中塑料模在模具总量中的比 例还将逐步提高 模具工业是技术成果转化的基础 同时本身又是高新技术产业的重要领域 在欧美 等工业发达国家被称为 点铁成金 的 磁力工业 我国塑料模具工业起步到现在 历 经半个多世纪 有了很大的发展 模具水平有了较大的提高 在大型模具方面已能生产 48 英寸大屏幕彩电塑壳注射模具 6 5Kg 大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和 整体仪表板等塑料模具 精密塑料模具方面 已能生产照相机塑料件模具 多型腔小模 数齿轮模具及塑封模具 在模具方面 我国模具总量虽已位居世界第三 但设计制造水 平总体上比德 美 日 法 意等发达国家落后许多 模具商品化和标准化程度比国际 水平低许多 在模具价格方面 我国比发达国家低许多 约为发达国家的 1 3 1 5 工业 大纲级别 1 级 小 二号黑体 居中 125 倍行 段前 0 5 行 段后 0 大纲级别 2 级 小 三号黑体 1 25 倍 行距 段 前 0 5 行 段后 0 5 行 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 1 发达国家将模具向我国转移的趋势进一步明朗化 注塑模型腔制造精度可达 0 02 0 05mm 表面粗糙度 Ra0 2 模具质量 寿命明显提高了 非淬火钢模寿命可达 10 30 万 次 淬火钢模达 50 100 万次 交货期较以前缩短 成型工艺方面 多材质塑料成型模 高效多色注射模 镶件互换结构和抽芯脱模机构的创新设计方面也取得较大进展 气体 辅助注射成型技术的使用更趋成熟 1 3 我国塑料模具工业和技术今后的主要发展方向 1 3 1 提高大型 精密 复杂 长寿命模具的设计制造水平及比例 这是由于塑料模成型制品的日益大型化 复杂化和高精度要求以及因高生产率要求 而发展的一模多腔所决定 在塑料模设计制造中全面推广应用 CAD CAM CAE 技术 CAD CAM 技术已发展成为一项比较成熟的共性技术 近年来模具 CAD CAM 技术的硬件与软 件价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度 为其进一步普及创造了良好的条件 基 于网络的 CAD CAM CAE 一体化系统结构初见端倪 其将解决传统混合型 CAD CAM 系统无 法满足实际生产过程分工协作要求的问题 CAD CAM 软件的智能化程度将逐步提高 塑料 制件及模具的 3D 设计与成型过程的 3D 分析将在我国塑料模具工业中发挥越来越重要的 作用 1 3 2 推广应用热流道技术 气辅注射成型技术和高压注射成型技术 采用热流道技术的模具可提高制件的生产率和质量 并能大幅度节省塑料制件的原 材料和节约能源 所以广泛应用这项技术是塑料模具的一大变革 制订热流道元器件的 国家标准 积极生产价廉高质量的元器件 是发展热流道模具的关键 气体辅助注射成 型可在保证产品质量的前提下 大幅度降低成本 目前在汽车和家电行业中正逐步推广 使用 气体辅助注射成型比传统的普通注射工艺有更多的工艺参数需要确定和控制 而 且其常用于较复杂的大型制品 模具设计和控制的难度较大 因此 开发气体辅助成型 流动分析软件 显得十分重要 另一方面为了确保塑料件精度 继续研究发展高压注射 成型工艺与模具以及注射压缩成型工艺与模具也非常重要 1 3 3 提高塑料模标准化水平和标准件的使用率 我国模具标准件水平和模具标准化程度仍较低 与国外差距甚大 在一定程度上制 约着我国模具工业的发展 为提高模具质量和降低模具制造成本 模具标准件的应用要 大力推广 为此 首先要制订统一的国家标准 并严格按标准生产 其次要逐步形成规 模生产 提高商品化程度 提高标准件质量 降低成本 再次是要进一步增加标准件规 格品种 1 4 塑料模设计的一般步骤 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 2 为了设计出合理且精度较高的模具 应严格按照设计程序来进行 塑料模具设计的 一般步骤如下 1 4 1 拟定制品成型工艺 1 塑料制品分析 消化制品图 通过了解其用途以及对制品的工艺性 尺寸精度等技术要求 对于 形状比较复杂和精度要求较高的制品 还必须了解该制品的外观及装配要求 根据制品 的结构 预计会有哪些缺陷 如熔接痕 缩孔 裂纹等 产生 是否要对制品图纸提出 修改意见 制品材料的选择 根据制品图的形状 大小及使用要求 计算制品的质量 体积及制品的正面投影面积 确定制品的成型方法 对热塑性塑料指定采用注射成型 拟定制品成型工艺参数 根据制品结构特点及选定的原材料种类 选定如下成型工艺参数 料筒温度 喷嘴 温度 模具温度 注射压力 注射时间 保压时间 冷却时间以及总的生产周期 1 4 2 拟定模具机构方案 选择分型面 分型面的形式和位置应有利于模具加工 排气 脱模 塑件的表面质量及工艺操作 型腔布置 根据塑件的形状大小 结构特点 尺寸精度 批量大小以及模具的制造的难易 成 本高低等确定型腔数目与排列方式 确定浇注系统 包括主流道 分流道 冷料穴 浇口的形状 大小和位置 同时 应注意浇注系统的平衡问题 溢料 排气系统的设计 根据制品的形状与浇注系统的特点 决定是否增设溢流 槽和排气槽及其位置 选择脱模方式 考虑开模 分 型的方法与顺序 确定推出机构 包括拉料杆 推杆 推管 推板 的形式以及合模导向与复位机构的设置 同时计算出脱模行程 脱 模力以及各推出机构的尺寸大小等 侧抽芯机构的设计 当塑件存在侧向凸 凹及侧孔时 需要考虑增设侧向抽芯机构 此时必须选择机构 类型 计算抽芯力和抽芯距离 同时还要确定各抽芯机构的数量和尺寸大小 模具主要零件的结构设计 考虑成型与安装的需要以及制造与装配的可能 根据所选的材料 通过理论计算确 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 3 定定模座板 定模板 动模座板 动模板 支承板 垫块 推板和推杆固定板等的外形 尺寸 并在此基础上选标准模架 同时还确定导柱 导套 滑块等的结构尺寸 用相应 的公式计算型腔与型芯的尺寸并确定其公差 此时还要确定各类零件的安装 固定 定 位的方法及相应尺寸 模具调温系统的设置 主要通过计算方法确定模具冷却系统管道的形状 位置 数量及尺寸 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 4 2 拟定模具结构型式 2 1 塑件成型工艺性分析 该塑件是一 CPU 风扇底座 如图 1 所示 根据制品的特点及经济方面的考虑 材料选 择为 ABS 图 1 1 零件三维立体图 化学名称 丙烯腈 丁二烯 苯乙烯共聚物 英文名称 Acrylonitrile Butadiene Styrene 比重 1 02 克 立方厘米 成型收缩率 0 4 0 7 成型温度 200 240 干燥条件 80 90 2 小时 熔点 130 160 热变形温度 90 108 0 46MPa 83 103 0 185MPa 抗拉屈服强度 50MPa 拉伸弹性模量 1 8 Map310 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 5 抗弯强度 80MPa 冲击强度 261 无缺口 11 缺口 2 KJm 2 KJm 硬度 9 7HB 体积电阻系数 16 90 c 击穿强度 15 7 19 7 V 特点 1 综合性能好 冲击强度高 化学稳定性和电性能良好 2 有高抗冲 高耐热 阻燃 增强 透明等级别 3 流动性比 HIPS 差一点 比 PMMA PC 等好 柔韧性好 成型特性 1 定形料 流动性中等 吸湿大 必须干燥 表面要求光泽的塑件须长时间预热干 燥 80 90 度 3 小时 2 宜取高料温 高模温 但料温过高易分解 分解温度为 270 度 对精度较高的塑 件 模具温度宜取 50 60 度 对高光泽 耐热塑件 模具温度宜取 60 80 度 3 要解决夹水纹 需提高材料的流动性 采取高料温 高模温 或者改变水位等方 法 4 如成形耐热级或阻燃级材料 生产 3 7 天后模具表面会残存塑料分解物 导致模 具表面发亮 需对模具及时进行清理 同时模具表面需增加排气位置 2 2 塑件的工艺性分析 2 2 1 塑件材料的选择 塑件的材料要在保证产品的使用性能 物理性能 力学性能 耐腐蚀性能和耐热性 能的前提下 尽量选用价廉且成型性能又好的塑料 该产品用于承载物品 要求有较好 的力学性能 有较大的强度和刚性 屈服强度高 弯曲疲劳寿命要高 有稳定的化学性 能 对接触物 水 洗化用品 有很好的耐腐蚀性 卫生程度较高 日常使用时无毒安 全 成型工艺性较好 所选的塑料流动性好 易于成型 有较高的表面光泽 市场价格 尽量低 产品有较大的利润空间和市场竞争力 几种常用塑料相关资料见表 2 1 ABS 常用作电器外壳 机械强度较高 但是耐热性差 洗浴时的较高温度会使该材料产生较 大变形 PA 化学稳定性较差 注射成型时熔融温度范围窄 热稳定性差 温度控制较复 杂 PC 价格昂贵 成本太高 化学稳定性差 不耐碱 酮 脂等 成型工艺较复杂 常用来制造光学零件 PP价格低廉 化学稳定性好 机械强度较高 成型工艺性较好 主要用来制造日用品 通过以上分析可以看出 PP 是制造塑料置物架的最佳材料 ABS 塑料的相关参数见表 2 2 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 6 表2 1 几种常用塑料相关资料 塑件品种 结构特点 使用温度 化学稳定性 性能特点 成型特点 主要用途 ABS 线型结构 非结晶型 小于 70 较好 机械强度较 好 有一定 的耐磨性 但耐热性较 差 吸水性 较差 成型性能好 成型前原料 要干燥 应用广泛 如电器外 壳 汽车 仪表盘 日用品等 聚酰胺 尼 龙 线型结构结 晶型 小于 70 尼龙6 较好 不耐 强酸和氧化 剂 能溶于 甲酚 苯酚 浓硫酸等 抗拉强度 印度 耐磨 性 自润滑 性突出 吸 水性强 熔点高 熔 融温度范围 较窄 成型 前原料要干 燥 熔体黏 度低 要防 止溢料 制 品易产生变 形等特点 耐磨零件及 传动件 如 齿轮 凸轮 等 电气零 件中的骨架 外壳 阀类 零件 单丝 薄膜 日用 品等 聚碳酸酯 pc 线型结构非 结晶型 小于 130 耐寒性好 脆化温度 100 有一定的化 学稳定性 不耐碱 酮 酯等 透光率较高 介电性能好 吸水性小 力学性能好 抗冲击 抗 蠕变性能突 出 但耐磨 性较差 熔融温度高 熔体粘度大 成型前原料 需干燥 粘 度对温度敏 感 制品要 进行后处理 在机械上用 作齿轮 凸 轮 蜗轮 滑 轮等 电机 电子产品零 件 光学零 件等 聚丙烯 pp 线型结构结 晶型 10 120 较好 耐寒性差 光养作用下 易降解老化 力学性能比 聚乙烯好 成型时收缩 率大 成型 性能较好 易产生变形 等缺陷 板 片 透明 薄膜 绳 绝 缘零件 汽 车零件 阀 门配件 日 用品等 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 7 表 2 2 ABS 塑料相关参数 性能项目 试验条件 测试标准 测试数据 数据单位 熔体流动速率 23 2 16kg ASTM D 1238 30 g 10min基本性能 密度 ASTM D 1505 0 9 g cm3 拉伸屈服强度 50mm min ASTM D 638 270 Kg cm2 弯曲模量 ASTM D 790 6000 Mpa 洛氏硬度 ASTM D 785 100 R 标尺 机械性能 弯曲强度 GB 9341 50 Mpa 维卡软化点 1kgf ASTM D 1525 152 热性能 热变形温度 4 6kg cm2 ASTM D 648 105 2 2 2 塑件的壁厚 塑件的壁厚对其质量有很大的影响 壁厚过小不能满足使用强度和刚度的要求 而 本产品对强度和刚度的要求较高 壁厚太大则浪费原材料 在大批量生产时造成生产成 本提高 利润空间降低 注射成型时则易造成塑件内部产生气穴 外部产生凹陷 冷却 时需要更长的冷却时间 增加了冷却系统设计和加工的难度 从以上诸方面考虑 应在 满足使用的前提下对塑件进行最大限度的薄壁化 同一塑件的壁厚应当尽可能一致 塑 件壁厚不同将导致收缩不同 最终导致变形或开裂 PP 塑料最小壁厚及推荐壁厚见表 2 5 表 2 5 PP 塑料最小壁厚及推荐壁厚 塑件材料 最小壁厚 小型零件推荐壁厚 中型零件推荐壁厚 大型零件推荐壁厚 PP 0 85 1 45 1 75 2 40 3 20 本产品属于中型塑件 推荐壁厚为 1 75mm 但是考虑到塑件的力学要求 应使用较 大壁厚 这里取壁厚为 2mm 2 2 3 塑件的表面质量 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 8 塑件的表面粗糙度和外观质量决定了塑件的表面质量 使用注射成型时几种常用材 料所能达到的塑件表面粗糙度见表 2 3 一般来说 原材料的质量 成型工艺和模具表 面粗糙度都会影响到塑件的表面粗糙度 尤其是以型腔壁的表面粗糙度影响最大 因此 模具的型腔壁表面粗糙度是塑件表面粗糙度的决定性因素 产品的外观面应有很好的光 泽度且非常光滑 对表面粗糙度要求较高 应不大于 1 60 产品的内表面与使用无关且 不影响外观 对表面粗糙度无太高要求 为了降低模具制造成本 凸模成型表面的粗糙 度设计为 3 20 PP 材料通过注射成型所能达到的表面粗糙度范围是0 10 1 60 满足 CPU风扇后盖的表面粗糙度要求 2 2 4 塑件的精度等级 影响塑件精度的因素很多 如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等 在一般生产过程中 为了降低模具的加工难度和模具的 生产成本 在满足塑料使用要求的前提下将尽可能地把塑件尺寸精度设计得低一些 目 前我国颁布了工程塑料模塑塑料件尺寸公差的国家标准 GB T14486 1993 该标准将塑件 分成 7 个精度等级 MT1 的精度要求最高 一般不采用 PP 材料模塑件公差等级见表 2 4 表 2 4 根据此表和塑件的设计使用要求 塑件的精度选用 MT3 公差等级 标注公差尺寸材料代号 模具塑料 高精度 一般精度 未注公差尺寸 MT3 MT4 MT6 MT2 MT3 MT6PP 聚丙烯 MT2 MT3 MT5 2 2 5 塑件的脱模斜度 塑件冷却后产生收缩时会紧紧包在凸模上 或由于粘附作用紧贴在型腔内 为了便 于脱模 防止塑件表面在脱模时出现顶白 顶伤 划伤等 在塑件设计时应使其表面有 合理的脱模斜度 脱模斜度的选择要遵循以下原则 1 塑件精度要求高时 应采用较小的脱模斜度 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 9 2 较高较大的塑件尺寸 应选用较小的脱模斜度 3 形状复杂的 不易脱模的 应选用较大的脱模斜度 4 塑件的收缩率大的应选用较大的脱模斜度值 5 塑件壁较厚时 会使成型收缩增大 脱模斜度应采用较大数值 常用塑料的脱模斜度见表 2 6 由于 PP 塑料的收缩率很大 所以应选择较大的脱 模斜度 选择脱模斜度为3 表 2 6 常用塑件的脱模斜度 脱模斜度塑料名称 型腔 型芯 PE PP PA 25 45 20 45 HPVC 35 40 30 50 PS ABS POM 35 1 30 30 40 热固性塑件 25 40 20 50 2 3 ABS 塑件的注射工艺 ABS塑件的注塑工艺参数如下表2 7 表2 7 ABS塑件的注塑工艺参数 预烘干 不需要 如贮藏条件不好 在80 下烘干1小时 喂料区温度 30 50 后段 160 180 中段 1800 2000料筒 前段 200 230 喷嘴 220 300 熔料 220 280 温度 模具 40 80 注射 Mpa 70 120 压力 保压 Mpa 50 60 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 10 背压 Mpa 5 20 注射 s 1 5 保压 s 20 50 冷却 s 20 50 时间 成型周期 s 40 120 螺杆转速 30 60 2 4 确定成型方法 ABS 属于热塑性塑料 对热塑性塑料指定采用注射成型 塑料注射成型工艺的最大特点是复制 能够复制出所需的任意数量的直接使用或稍 作处理即可使用的制品 是一种适宜大批量生产的工艺 2 5 拟定制品成型工艺参数 注射机类型 螺杆式 预热与干燥 温度 80 85 时间 2 3h 料筒温度 后段 150 170 中段 165 180 前段 180 200 喷嘴温度 170 180 模具温度 50 80 注射压力 60 100MPa 成型时间 注射时间 20 90s 高压时间 0 5s 冷却时间 20 120s 总周期 50 220s 螺杆转速 30 后处理 方法 红外线灯 烘箱 温度 70 时间 2 4h 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 11 3 拟定模具结构方案 理想的模具结构应能发挥成型设备的能力 最大限度的满足塑件的工艺技术要求 如几何形状 尺寸精度 表面粗糙度等 和生产经济要求 成本低 效率高 使用寿 命长 节省劳动力等 3 1 初步确定注射机 3 1 1 计算塑件的体积和质量 通过PRO E建模分析 塑件质量m 1为15 53g 根据设计手册查得ABS的密度为 1 10g cm 3 故单个塑件体积为 15 53 1 10 14 12 1Vm3cm 流道凝料质量 还是未知数 可按塑件质量的0 6倍来计算 因为是一模四腔 故2 注射质量 m 1 6n 1 6 4 15 53 99 39g1 注射体积 m 99 39 1 10 90 36V3cm 3 1 2 塑件和流道凝料在分型面上的投影面上的投影面积及所需锁模力的计 算 根据多型腔模统计分析 大致是每个塑件在分型面上的投影面积 的0 2倍 0 5倍 1A 可用0 4n 来估算 1A A n n 0 4 n 1 4n 1 4 4 5026 55 28148 6721A11A2m 其中 12r 224056 m 锁模力 F AP 28148 67 35 985203 45N 985 20KN 式中 型腔压力P取35MPa 3 1 3 根据注射量和锁模力的值 选用 SZ 200 120 卧式注射机 其主要技术参数为 理论注射体积 200 cm 3 螺杆直径 40 mm 注射压力 150 MPa 注射速率 120 g s 塑化能力 19 44 g s 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 12 螺杆转速 0 220 r min 锁模力 1200 kN 拉杆内间距 355 385 mm 移模行程 350 mm 最大模具厚度 400 mm 最小模具厚度 230 mm 模具定位孔直径 125 mm 喷嘴球半径 15 mm 喷嘴口直径 5 mm 3 1 4 注射机料筒塑化速率校核模具的型腔数 n n 4 合格21 30 8194360 0 6415 327 6415 kMtm 式中 k 注射机最大注射量的利用系数 一般取0 8 M 注射机的额定塑化量 19 44 g s t 成型周期 取 30s 其他安装尺寸的校核要待模架选定 结构尺寸确定后才可进行 3 2 选择制品的分型面 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表面 一副模具根据需 要可能有一个或两个以上的分型面 分型面可以是垂直与合模方向 也可以与合模方向 平行或倾斜 以分型面为界 模具被分为两大部分 即动模和定模部分 而其他的面则 被称作分离面或分模面 注射模只有一个分型面 分型面的选择是一个比较复杂的问题 因为分型面的选择与塑件几何尺寸精度 脱模方法 后处理工序 模具类型 排气条件 嵌件位置 浇口形式等有关 分型面选择的一般原则 1 便于塑件脱模 2 分型面的选择应利于侧面分型和抽芯 3 分型面的选择应保证塑料制品的质量 4 分型面的选择应有利于避免溢料的产生 5 分型面的选择应有利于成型时排气 6 分型面的选择应尽量便于模具加工 CPU 风扇后盖塑件是薄壁底座零件 成型后紧紧包住型芯 故将型芯设在动模边 型腔设在定模边 开模后塑件留于动模 有利于塑件脱模 故分型面选在 CPU 风扇后盖 的下底面 如图 3 1 所示 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 13 图 3 1 分型面选择示意图 3 3 型腔数目的确定 型腔的布置 根据塑件的几何结构特点 尺寸精度要求 批量的大小 模具制造的 难易度 模具成本等确定型腔数量及排列方式 确定型腔数目一般有以下四种方法 1 根据经济性确定型腔数目 根据总成型加工费用最小的原则 并忽略准备时间和试生产原料费用 仅考虑模具的 加工费用和塑件成型加工费用 模具费用为 10MQnC 注塑成型费用 6SatN 总成型加工费用 S 为使总的成型加工费用最小 即令 则有0dxn 式 3 1 21 6atC 所以 式10Ntn 3 2 2 根据注射机的额定锁模力确定型腔数目 当成型大型平板制件时 常用这种方法 设注射机的额定锁模力为F N 型腔内塑料 熔体的平均压力为 MPa 单个制品在分型面上的投影面积为 浇注系统在分mp 21 Am 型面上的投影面积为 则 2 A 式21 mnApF 3 3 即 式 3 4 21mFp 3 根据注射机的最大注射量确定型腔数目 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 14 设注射机的最大注射量为 单个制品的质量为 浇注系统的质量为 Qg1Wg2 Wg 则型腔的数目 为 n 式 3 5 210 8Gn 若将质量用 除以密度 体积表示 上述公式也可用 4 根据制品精度确定型腔数目 根据经验 在模具型腔中每增加一个型腔 制品的精度要降低4 设模具中的型腔 数目为 制品的基本尺寸为 塑件的尺寸公差为 单型腔模具注塑生产时可nL m 能产生的尺寸误差为 聚甲醛为 0 2 尼龙66为 0 3 聚碳酸酯 聚氯乙 s 烯 ABS等非结晶型塑料为 0 05 则有塑件尺寸精度的表达式为 式 3 6 1 ssN 简化后可得型腔数目为 式 3 7 2504snL 对于高精度制品 由于多型腔模具难以使各型腔的成型条件一致 故通常推荐型腔 数目不超过4个 鉴于所设计的制件的精度要求 又是大批量的生产 可以采用一模多腔的形式 考 虑到模具制造费用低一点 设备运转费用小一点 初定为一模四腔的模具形式 3 4 型腔排列形式的确定 确定了型腔数目以后 接下来要考虑型腔的排列形式 多型腔在模板上排列形式通 常有圆形 H形 直线形及复合形等 在设计时应注意以下几点 1 尽可能采用平衡式排列 确保制品质量的均一和稳定 2 型腔布置与浇口开设部位应力求对称 以便防止模具承受偏载而产生溢料的现象 3 尽量使型腔排列得紧凑 以便减小模具的外形尺寸 本设计型腔的排列方式为H形 四个塑件与X轴对称 如图3 2所示 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 15 图 3 2 型腔排列形式 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 16 4 成型零件的设计 塑料在成型加工过程中 用来充填塑料熔体以成型制品的空间被称为型腔 而构成 这个型腔的零件叫做成型零件 通常包括凹模 凸模和型芯等 成型零件工作时 直接 与塑料接触 承受塑料熔体的高压 料流的冲刷 脱模时与塑件间还要发生摩擦 因此 成型零件要求有正确的几何形状 较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度 此外 成型零 件还要求结构合理 有较高的强度 刚度及较好的耐磨性能 4 1 凹模的结构设计 凹模是成型塑件外轮廓的零件 凹模按其结构不同分为整体式和组合式两大类 4 1 1 整体式凹模 整体式凹模由整块材料加工而成 其特点是牢固 使用中不易发生变形 不会使制品 产生拼接线痕迹 但由于加工困难 热处理不方便 因此整体式凹模常用于形状简单的 中 小型模具上 4 1 2 组合式凹模 指凹模由两个或两个以上零件组合而成 按其组合结构 可分为整体嵌入式 局部 镶嵌式 底部镶拼式 侧壁镶拼式和四壁拼合式 采用何种形式总的原则就是要简化凹 模的加工工艺 减少热处理变形 便于模具的维修和节约贵重的模具钢材 本次设计的塑件结构较简单 从设计的经济性和结构的合理性等因素综合考虑 将 凹模的结构设计成镶嵌式结构 4 2 凸模的结构设计 凸模 即型芯 是成型塑件内表面的成型零件 通常可分为整体式和组合式两种类 型 整体式凸模是将成型的凸模与动模板做成一体 不仅结构牢固 还可省去动模垫板 但是由于不便于加工 故只适用于形状简单的单型腔模具 本设计选用镶件组合式凸模 4 3 成型零件钢材的选用 CPU 风扇底座为大批量生产 成型零件选用钢材耐磨性和抗疲劳性能应良好 机械加 工性能和抛光性能应良好 故镶嵌式凹模钢材选用 SM1 定模板成型时有料流冲刷 但无脱模时塑件的摩擦 可采用 55 钢调质 型芯是大批量生产 磨损严重 可采用硬度较高的模具钢 Gr12M0V 淬火后表面硬度 58 62HRC 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 17 4 4 成型零件工作尺寸的计算 成型零件的工作尺寸是指凹模和凸模直接构成塑件的尺寸 它通常包括凹模和凸模 的径向尺寸 包括矩形和异形零件的长和宽 凹模的深度尺寸和型芯的高度尺寸 型芯 和型芯之间的位置尺寸等 成型零件工作尺寸的计算方法一般有两种 一种是平均值法 即按平均收缩率 平 均制造公差和平均磨损量进行计算 另一种是按极限收缩率 极限制造公差和磨损量进 行计算 前一种计算方法简便 但不适用于精密塑件的模具设计 后一种计算方法能保 证所成型的塑件在规定的公差范围内 但计算比较复杂 本设计采用的是前一种方法 1 模具型腔尺寸 单位 mm 03 4ZMSLs 式 4 1 0 2960 29681 614873 式中 s 塑件的平均收缩率为 式 maxins0 570 62 4 2 塑件外径尺寸 80mm SL 塑件公差值 查塑件公差表 取 1 48 制造公差 Z 50 296Z 2 型腔高度尺寸 单位 mm 式 0314ZMSHh 0 920 9231 4173 4 3 式中 h 塑件高度最大尺寸 13mm 塑件公差值 查塑件公差表 取 0 46 制造公差 Z 50 92Z 3 型芯径向尺寸 单位 mm 0314ZMSls 式 4 4 00 256 25676 71874 式中 塑件内径尺寸 76mm Sl 塑件公差值 查塑件公差表 取 1 28 制造公差 Z 0 Z 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 18 4 型芯高度尺寸 0314ZmhHS 式 4 5 00 92 92 614 4 5 成型零件强度及支承板厚度计算 模具型腔侧壁在成型过程中受到塑料熔体的高压作用 应具有足够的强度和刚度 如果型腔侧壁和底板厚度过薄 可能因强度不够而产生塑性变形甚至破坏 也可能因刚 度不足而产生扰曲变形 导致溢料飞边 降低塑件尺寸精度并影响顺利脱模 因此 应 通过强度和刚度计算来确定型腔壁厚和底板厚度 模具型腔壁厚的计算 应以最大压力为准 理论分析和生产实践证明 大尺寸的模 具型腔 刚度不足是主要矛盾 设计型腔壁厚应以满足刚度条件为准 而对于小尺寸的 模具型腔 强度不足是主要矛盾 设计型腔壁厚应满足强度条件为准 以强度计算所需 要的壁厚和以刚度计算所需要的壁厚相等时型腔内尺寸 即为强度计算和刚度计算的分 界值 在分界值不知道的情况下 应分别按强度条件和刚度条件计算出壁厚 取其中较 大值作为模具型腔的壁厚 由于型腔的形状 结构形式是多种多样的 同时在成型过程中模具受力状态也很复 杂 一些参数难以确定 因此传统的计算方法对型腔壁厚作精确的力学计算几乎是不可 能的 只能从实用观点出发 对具体情况做具体分析 建立近近似的力学模型 确定较 为接近实际的计算参数 采用工程上常用的近似计算方法 以满足设计上的需要 采用 现代计算机分析软件可对型腔进行精确分析和计算 对于不规则的行腔 可简化为规则 型腔进行近似计算 鉴于本设计的模具属于中小型模具 且所设计的型腔为组合式的 故设计时型腔壁 厚应满足强度条件为准 1 型腔壁厚计算 式 1 14 43 35 5 252 0 phs mE 4 6 式中 p 型腔压力 取 35MPa E 材料弹性模量 取 2 1 105 MPa 刚度条件 取 0 05mm 2 支承板厚度 支承板厚度和所选模架两垫块间跨度有关 根据前面的型腔布局 模架应选在 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 19 315 400 这个范围内 垫块间跨度约为 199 根据型腔布局及型芯对支承板的压力 可 计算的到支承板厚度 式1 32 53184 0 54 0 549 58 2 0plTLE m 4 7 式中 支承板刚度计算许用变形量 取 0 04 p 支承板长度 取 400mm1 两垫块间距离 199mm L 4 个型芯投影到支承板上的面积12l 单件型芯所受压力的面积 14536 Arm 4 个型腔所受压力的面积 21218 l 此支承板厚度计算尺寸为 58 58 可利用两根推板导柱来对支承板进行支撑 这样支 承板厚度可近似为 式 4433158 2 1nTm 4 7 故支承板厚度可取标准厚度 25mm 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 20 5 浇注系统的设计 普通浇注系统一般由主流道 分流道 浇口和冷料穴四部分组成 5 1 主流道的设计 主流道是连接注射机喷嘴和分流道的一段通道 通常和注射机喷嘴在同一轴线上 熔 料在主流道中并不改变方向 其形状 大小直接影响塑料的流动速度和填充时间 设计要点 1 为便于凝料从主流道中拉出 主流道设计成锥角 其圆锥角 2 4 对流动 性差的塑料可取3 6 过大会造成流速减慢 易成涡流 内壁粗糙度为 Ra 0 63 尽量不采用分段组合形式 本设计材料为ABS 选 较合适 m 4 2 主流道大端一般呈圆角 以减小料流转向过渡时的阻力 圆角半径一般取 1 3r 本设计中取r 2mm 3 在保证塑件成型良好和模具结构允许的前提下 主流道应尽可能短 一般小于60 否则将会使主流道凝料增多 塑料耗量大 且增加压力损失 使塑料降温过多而影 响注射成型 4 为了使熔料从喷嘴完全进入主流道而不溢出 应使主流道和注射机的喷嘴紧密对 接 主流道对接处设计成半球凹坑 其半径 1 2 其小端直径 21R 0 5 1 凹坑深度取3 5 为注射机喷嘴半径 为喷嘴口直径 12d 1 2d 根据所选注塑机 则主流道小端尺寸d 1为4mm 主流道球面半径SR 喷嘴球面半径 1 2 15 2 17mm 5 2 主流道衬套形式 本设计为中小型模具 但为了便于加工和缩短主流道长度 同时保证拆卸更换方便 所以将主流道衬套和定位圈设计成两个零件 然后配合固定在模板上 主流道长度取 160 约等于定模板的厚度 主流道衬套如图 5 1 所示 材料采用 T8 钢 热处理淬火后 表面硬度为 52 56HRC 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 21 图 5 1 主流道衬套 主流道凝料体积为 式q主 4 2ndL246 0184 3m1 083c 5 1 式中 主流道断面当量半径 mm n 主流道长度 Lm 3 主流道剪切速率校核 由经验公式 式 3 nqR 47 691s 5301s 5 2 式中 式qq 分 塑主 1 082 45 160 5 3 浇注系统断面当量半径 式 46 5 2 30 6nRmc 5 4 主流道剪切速率尺寸偏小 主要是喷嘴尺寸偏大 使主流道尺寸偏大所致 生产实 践证明当注射模主流道和分流道的剪切速率 浇口的剪切速率 23151 s 时 所成型的塑料质量好 由此 对一般热塑性塑料 按推荐的值作为依4510 s 据 5 3 分流道设计 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 22 分流道是指主流道末端与浇口之间这一段塑料熔体流动的通道 一般开设在分型面 上 起分流和转向的作用 用于一模多腔或单型腔多浇口的场合 在分流道的设计时 应考虑尽量减小在流道内的压力损失和尽可能避免熔体温度的降低 同时还要考虑减小 流道的容积 分流道的设计应遵循的原则是 1 比表面积 流道表面积与其体积之比 为最小 2 流道长度应尽量短 截面尽量小 通常可选用的分流道截面形状有矩形 半圆形 U 形 梯形 正方形 圆形等 分流道的形状及尺寸见表 表 5 1 分流道的形状及尺寸 分流道的形状 说明 圆 形 截 面 优点 截面积小 冷度慢 热机磨擦 损失小 缺点 浇道的机械加工困难 梯 形 断 面 优点 易于机械加工具热量损失 阻 力损失场较小 故其常用的形式其断 面尺寸比例为 h 2 3W X 3 4W 斜边 与分模线的垂线呈 5 10 度的斜角 U 形 断 面 优缺点与梯形断面分流道基本相同 为减小流道内在的压力损失和传热损失 希望流道的截面积大 表面积小 以圆形 截面效率最高 生产中常采用梯形或 U 形截面的分流道 本设计采用梯形截面的分流道 如图 5 2 所示 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 23 图 5 2 分流道截面形状 5 3 1 分流道布置形式 分流道的布置取决于型腔的布局 两者相互影响 分流道的布置形式分平衡式布置 和非平衡式布置两种 平衡式布置要求从主流道至各个型腔的分流道 其长度 形状 断面尺寸等都必须对应相等 达到各个型腔的热平衡和塑料流动平衡 因此 各个型腔 的浇口尺寸可以相同 达到各个型腔同时均衡地进料 均衡进料可保证各型腔成型出的 塑件在强度 性能 质量上的一致性 非平衡式布置的主要特点是主流道至各个型腔的分流道长度各不相同 或型腔大小 不同 为了使各个型腔同时均衡进料 各个型腔的浇口尺寸必定不相同 非平衡式布置 主要采用 H 形和一字形布置 当型腔数目相同时 采用 H 形或一字形布置 可使模板尺 寸减小 分流道应能满足良好的压力传递和保持理想的填充状态 使塑料熔体尽快地经分流 道均衡的分配到各个型腔 对于本设计而言采用平衡单排分流道 如图 5 3 所示 图 5 3 分流道布局形式 5 3 2 分流道尺寸 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 24 因各种塑料流动性差异 故可根据制品的品质来估计分流道直径 对壁厚小于等于 3mm 质量在 200g 以下的塑件 可用经验公式确定截面尺寸 式 4410 2650 265 3210 67DmLm 5 5 其中 第一级分流道 L1 100mm 第二级分流道 L2 7 5mm 根据部分塑料常用分流道断面尺寸推荐范围表 ABS 的 D 为 4 8 9 5 可取 D 5mm 最佳为 h D 0 84 0 92 x D 0 7 0 83 取 h D 0 86 x D 0 75 则 h 4 3mm x 3 75 从理论上 L2 分流道可比 L1 截面小 10 但为了刀具的统一和加工方便 在分型面 上的分流道采用一样的截面 5 3 3 分流道凝料体积 分流道长度 L 100 7 5 4 130mm 分流道截面积 25 3 7A 418 2m 凝料体积 330 56 45q c 分 5 3 4 分流道剪切速率校核 采用经验公式 2540 00s 1 式 3 nR 3 18 025 5 6 在 5 102 5 103s 1 之间 合理 式中 q 式 vt14 231 8 8 3cm 5 7 0 235cm 式nR 23Ac 5 8 t 注射时间 取 1 8s A 梯形面积 0 188cm2 c 梯形周长 1 739cm 分流道剪切速率尺寸偏小 主要是分流道尺寸偏大所致 5 3 5 分流道的表面粗糙度 分流道的表面粗糙度 Ra 并不要求很低 一般取 0 8 m 1 6 m 即可 在此取 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 25 1 5 m 5 4 浇口的设计 浇口是连接分流道与型腔的一段细短的通道 它是浇注系统的关键部分 浇口的 形状 数量 尺寸和位置对塑件的质量影响很大 浇口的主要作用有两个 一是塑料熔 体流经的通道 二是浇口的适时凝固可控制保压时间 常用的浇口形式有 点浇口 潜伏式浇口 侧浇口 重叠式浇口 扇形浇口 薄片式浇口 盘形浇口 环形浇口 轮辐式浇口 护耳式浇口和直浇口 5 4 1 浇口形状 尺寸的确定 根据塑件的成型要求及型腔的布置方式 本次设计选用侧浇口较为理想 如图 5 4 所示 浇口断面形状采用矩形 根据侧浇口的推荐值 可取深度 h 1 5mm 宽度 b 2 4mm 浇口长度 l 1 0mm 浇口位置应选能同时充满型腔位置 应利于排气 避免产 生熔接痕 及应开设在不影响塑件外观的部位 图 5 4 侧浇口的形式及尺寸 5 4 2 冷料穴的设计 冷料穴一般位于主流道对面的动模板上 或处于分流道的末端 其作用就是存放料流 前端的 冷料 防止 冷料 进入型腔而形成冷接缝 开模时又能将主流道中的凝料拉 出 冷料穴的尺寸宜稍大于主流道大端的直径 长度约为主流道大端直径 本设计采用与推杆匹配的冷料穴 如图 5 5 所示 bBrl30 hH 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 26 图 5 5 冷料穴 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 27 6 导向机构的设计 为了保证注射模具准确合模和开模 在注射模中必须设置导向机构 导向机构的作 用是导向 定位以及承受一定的侧向压力 6 1 导向机构的形式 导向机构的形式主要有导柱导向和锥面定位两种 6 1 1 导柱导向机构 模具导柱导向机构适用于精度要求高生产批量大的模具 当对于小批生产的简单模 具 可不采用导套 直接与模体配合 导柱导套设计的原则 导柱应合理地均布在模具分型面的四周 导柱中心至模具外缘应有足够的距离 以保证模具的强度 导柱的长度应比型芯端面的高度高出 以免型芯进入凹模时与凹模相碰68m 而损坏 导柱导套应有足够的耐磨度和强度 常采用 20 低碳钢经渗碳 淬0 58m 火 也可采用 碳素工具钢 经淬火处理 485HRC 8TA 为了使导柱能顺利进入导套 导柱端部应做成锥形或半球形 导套的前端也应倒 角 一般导柱滑动部分的配合形式为 H8 f8 导柱和导套固定部分配合按 H7 k6 导 套外径的配合按 H7 k6 除了动模 定模之间设导柱 导套外 一般还在动模座板与推板之间设置导柱和 导套 以保证推出机构的正常运动 导柱的直径应根据模具的大小而定 可参考标准模具数据选取 6 1 2 精定位装置 锥面精定位 根据实际需要 合理开设锥面 斜面精定位 对于矩形型腔可采用斜面定位 在型腔四周利用几条凸起来的斜边块定位 导正卧销精定位 以动模 定模合模面为中心镗出圆孔 再配装导正销 本次设计 我们选用导柱 导套导向 导柱导向机构 包括导柱和导套两个主要零件 分别安装在动 定模两边 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 28 导柱的基本机构形式有两种 一种是除安装部分的凸肩外 长度的其余部分直径相 同 称带头导柱 见 GB4169 4 84 另一种是除安装部分的凸肩外 使安装的配合部分直 径比外伸的工作部分直径大 称有肩导柱 GB4169 5 84 带头导柱用于生产批量不大的 模具 可以不用导套 有肩导柱用于采用导套的大批量生产并高精度导向的模具 装在 模具另一边的导套安装孔 可以和导柱安装孔以同一尺寸一次加工而成 保证了同轴度 导柱前端均须有锥形引导部分 并可割有储油槽 导柱直径尺寸随模具模板外形尺寸而 定 模板尺寸愈大 导柱间的中心距应愈大 所选导柱直径也应愈大 无论带导套或不带导套的导向孔 都应设计为通孔 或专门设计排气槽 以避免模 具闭合时的空气阻力 我在定模板开了一个凹槽 用以排气 导套常用的结构形式也有 两种 一种是直导套 见 GB4169 2 84 直导套常用于厚模板的导向 需与模板上导向空 有较紧配合 防止被导柱拖出 应该有紧定螺钉固定 另一种是带头导套 带头导套安 装需要复以垫板 这种导套长度取决于模板厚度 这两种导套中 孔的工作部分长度一 般是孔径的 1 1 5 倍 导柱和导套的结构如图 6 1 图6 1 导柱导套结构示意 32 0 5 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 29 7 脱模机构的设计 7 1 脱模机构的组成 在塑料成型模具中 完成将塑件从模具型腔或型芯上完整地取出装置称为顶出机构 或脱模机构 脱模机构一般由顶出 复位 和顶出导向等三大零部件组成 顶出部件 顶出部件是指顶出机构中推出塑件的部件 主要有顶杆
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