塑料壳体注塑模具设计【B=90】
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摘 要本设计是塑料零件的注塑模具设计,在结合了传统的机械设计后把CAD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在模具上的应用,其中包括AUTOCAD。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、注塑模、工艺AbstractIt is to design the holder injection mould, references to the traditional mechanical design, focus on the CAD 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 application of mould in china nowadays. Including AUTOCAD. 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 systems design and so on.The structure designed in such way can ensure the reliable running of the mould.keywords: CAD、PLASTIC INJECTION MOULD目 录摘要1ABSTRACT2第1章 绪论61.1 我国模具行业发展概述71.1.1 有利因素71.1.2 不利因素81.2 21世纪模具发展趋势101.3 小结16第2章 塑件的分析172.1 塑件结构分析172.1.1 结构分析172.1.2 尺寸精度分析172.1.3 表面质量分析172.2 材料的选择182.3 注射成型工艺过程分析20第3章 注塑机的选择与校核223.1 注塑机的选择223.2 注塑机的校核233.2.1 型腔数目的确定及校核233.2.2 锁模力的校核243.2.3 开模行程的校核24第4章 分型面系统264.1 型腔的确定264.2 分型面的确定264.2.1 分型面的选择原则274.2.2 分型面的决定27第5章 浇注系统295.1 浇注系统的组成295.2 主流道的设计305.3 分流道的设计305.4 拉料杆与冷料穴的设计315.5 浇口的设计32第6章 成型零件设计346.1 型腔和型芯工作尺寸计算346.2 型腔侧壁厚度计算34第7章 顶出系统367.1 按模具中的推出零件367.2 脱模力的计算377.3 推杆的设计38第8章 温度系统.398.1 模温对塑件质量的影响398.2 冷却系统的设计408.2.1 冷却系统的设计原则408.2.2 冷却回路的确定40第9章 导向系统41第10章模架设计43总结与展望45致谢46参考文献47第1章 绪论作为工业生产基础工艺装备的模具,在国民经济中占有重要的地位,模具技术也已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一。 在第十一五规划中指出,模具是工业生产的基础工艺装备,国民经济的五大支柱产业机械、电子、汽车、石化、建筑都要求模具工业发展与之相适应。 模具因其生产效率高、产品质量好、材料消耗低、生产成本低而获得广泛应用,与其他加工制造业所无法比拟的。从工业产品生产行业看,模具是现代工业,特别是汽车、摩托车、航空、仪表、仪器、医疗器械、电子通讯、兵器、家用电器、五金工具、日用品等工业必不可少的工艺装备。据资料统计,利用模具制造的零件数量,在飞机、汽车、摩托车、拖拉机、电机、电器、仪器仪表等机电产品中占80%以上;在电脑、电视机、摄像机、照相机、录像机、传真机、电话及手机等电子产品中占85%以上;在电冰箱、洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、电风扇、自行车、手表等轻工业产品中占90%以上;在了弹、枪支等兵器产品中占95%以上。我国模具工业在政府十分重视及关怀下,并提出相应的优惠政策进行模具技术开发,在模具工业中大量采用先进技术和设备,努力提高模具设计和制造水平,取得显著的经济效益。另外,从资料获悉,目前,美国、日本、德国等发达国家的模具总产值都已超过机床总产值。模具技术的进步极大地促进了工业产品的生产发展,模具是“效益放大器”,用模具生产最终产品的价值将超过自身价格的几十倍乃至百倍及上千倍。据各国报导,模具工业在欧美等工业发达国家被称之“点铁成金”的“磁力工业”如今世界模具工业的发展速度超过了新兴的电子工业,已实现了模具专业化、标准化和商业化,因而深受赞誉。美国工业界认为“模具工业是美国工业的基石”,日本称模具工业为“进入富裕社会的原动力”,在德国,被冠之以“金属加工业中的帝王”之称号,而欧盟一些国家称“模具就是黄金”,新加坡政府则把模具工业作为“磁力工业”,中国模具权威经理称为“模具是印钞机”。可见模具工业在世界各国经济发展中具有重要的显著地位。模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一。1.1 我国模具行业发展概述近年来,我国模具行业一直保持着良好的发展势头,这种势头是否还会延续下去,这是业内人士十分关注的问题。笔者认为,我国模具行业尽管面临着在中低端产品领域国内企业竞争日趋剧烈以及在中高端产品领域国外或外资企业压力日益增大的局面,但经过近年来的持续发展,实力已大大增强,完全有能力变压力为动力,继续保持平稳发展。1.1.1 有利因素优惠政策为模具行业提供了良好的发展环境。在国家产业政策和有关配套政策导向之下,近年来已有不少地方相继出台了一些支持当地模具工业发展的优惠政策,有的见诸于文件,有的见诸于行动,都已收到很好的效果。同时,模具工业的快速发展也促进了当地经济的繁荣。随着各地之间交流活动的日益频繁,相信对模具工业发展有利的政策,及因此而带来的良好的发展环境将有进一步发展。 模具行业内部体制改革和机制转换加速,产业结构渐趋合理,并且加强了管理,提高了水平。为了适应形势,我国模具行业近几年来加快了体制改革和机制转换步伐,“三资”和民营企业已占行业主导地位,装备水平和产品水平有了较大的提升,管理有了很大进步。许多企业已应用了CAD/CAM/CAE一体化技术、三维设计技术、 ERP和IM3等信息管理技术以及高速加工、快速成型、虚拟仿真及网络技术等许多高新技术,不少企业已提出了“生产专业化、产品品牌化、企业现代化、市场国际化”等企业发展战略。通过各种质量体系认证的企业一年比一年多。 规模经济产生效益,模具集群生产发展迅速。在“小而精专”的专业化不断发展的同时,近年来,规模效应已被愈加重视。除了把企业做强做大,使规模经济产生效益之外,模具集群生产也不断显示其优越性,因而“模具城”、“模具园区”、“模具生产基地”等各种集群生产形式在全国迅速发展。据不少企业反映,集群生产与分散生产相比,至少有下列好处:市场更广阔了,协作更方便了,生产成本降低了,相互交流多了,优惠政策享受到了。目前全国年产1亿元以上模具的企业已有40多个,超过3000万元以上的企业已有200多个,具有一定规模的“模具城”已有近十个,正在建设或正在筹建的还有十多个。这些模具集聚生产基地的建设,对我国模具工业的发展起到了积极的促进作用。 许多企业开始认识到了“品牌”和“专利”的重要性,自主创新的资金投入力度和能力不断提高。长期以来模具一直处于“后方”和“被动”的地位,因此也很少有 “品牌”和“专利”。随着市场经济的发展,近年来企业越来越重视“品牌”和“专利”。有些企业已认识到了创新研发的重要性,投入力度提高很快。据中国模具工业协会了解到的情况,近年不少企业在创新研发方面的投入与销售收入的比例达到5%左右,个别企业甚至达到8%至10%。 模具技术含量不断提高,属于高新技术产品的模具越来越多。据了解,目前已被国家有关部门列入中国高新技术产品出口目录的已有四种模具。其实已经有不少模具的技术含量超过了这四种模具,例如汽车零部件级进模具、精密多工位级进模具、轿车大型复杂覆盖件冲压模具、自动化汽车内饰件浇注模具、高强度板热压成型模具等。随着高新技术的发展,越来越多的模具生产企业被各级政府有关部门认定为高新技术企业。据中国模协初步统计,目前模具行业国家级高新技术企业有7家,省、市级高新技术企业已有近百家。 国际模具资本向我国转移的趋势十分明显,模具出口前景很好。由于我国模具特别是中、低档模具在国际市场上存在着较大的价格优势,有的模具价格甚至只有国际市场的几分之一,再加上我国有较低廉的优质劳动力资源及较好的技术基础和基础配套设施,因此近年来外商在我国模具行业的投资额一年比一年大,到我国采购模具的跨国公司也越来越多。1.1.2 不利因素虽然我国模具行业已经驶入发展快车道,但由于在精度、寿命、制造周期及能力等方面,与国际水平和工业先进国家相比尚有较大差距,所以还不能满足我国制造业发展的需求。特别是在精密、大型、复杂、长寿命模具方面,仍旧供不应求。因此,每年尚需大量进口。 现阶段模具原材料价格和人员工资不断上涨,但模具价格却不涨反落,致使模具企业利润不断下降,部分企业出现亏损,亏损额增大。据中国模具工业协会对全国 270个主要模具生产企业调查,2005年产值利润率比上年下降了2.1个百分点,销售收入利润率比上年下降了3.1个百分点。全国规模以上企业全年亏损额2005年达2.6亿元,大幅增加【7】。这一趋势,还在延续。 对外资的依存逐年增大。我国加入世贸组织已过6年,外贸高速发展,我国经济对外贸的依存度从30%上升到70%。同时,近年来,正是外资大量进入我国的时期,随着对外开放政策的不断扩大和深化,外资在我国模具行业的投资也越来越多,致使对外资的依存度也逐年增大。例如广东省是我国模具第一大省,其产能约占全国的40%左右。该省的模具产能中,外资企业已占60%左右,合资企业约占10%左右。该省模具出口约占全国的50%左右,其中由外资、合资企业出口的也占其出口量的多数【7】。对外资和外贸依存度大,会对行业安全,乃至整个国家的经济安全产生重大影响。 人才紧缺日益突出。虽然近年来我国模具行业职工队伍发展迅速,估计目前已达近百万人,但仍然跟不上行业发展需求。一是总量不足,二是素质不够,适应不了行业发展的需求。根据有关资料,全国模具行业从业人员约缺口30万50万人,其中工程技术人员约占20%。目前尤其紧缺的是高素质和高水平的模具企业管理人员和中高层技术人员及高级技术工人。 市场竞争加剧。我国模具市场竞争在不断加剧,其表现是模具产品价格连年走低。中高档模具市场上主要是我国重点骨干企业与境外企业及境内“三资”企业的竞争,中低档模具市场上主要是民营企业之间的竞争。有的已经是进入无序状态,到了扰乱正常市场秩序的地步。由于过低价格所必然造成的低质量,已严重影响一些企业的生存,迫使某些企业加速调整其定位,少数企业面临被淘汰局面也是不足为奇的。 虽然近几年模具出口增幅每年大于进口增幅,但所增加的绝对量仍是进口大于出口,致使模具外贸逆差一年比一年大。模具外贸逆差增大主要有两方面原因:一是国民经济持续高速发展,特别是汽车企业的高速发展带来了对模具旺盛需求,有些高档模具国内的确生产不了,只好进口,但也确实有一些国内可以生产的模具也在进口,这与我国现行的关税政策及项目审批制度有关。二是对模具出口鼓励不够。 当前全球制造业转移的规模不断加大,速度也不断加快,并正向深度和广度延伸,而我国的模具制造业正是承接转移的较为理想之地。加之“十一五”期间,国家将继续大力支持我国模具工业的发展,在多重有利条件下,我国内模具行业的未来将展现出一派美好景色。1.2 21世纪模具发展趋势加入WTO后的中国,全球制造业正以垂直整合的模式向亚太地区转移,我国正成为世界制造业的重要基地,据权威报告,中国已成为世界第一制造大国。目前,在参与世界产品市场的激烈竞争下,各行业产品的品种和数量不断增加,换型加快,对产品质量、样式和外观也不断提出新要求,使模具需求量增加,对模具质量要求也越来越高,模具技术直接影响制造业的发展、产品更新换代和产品竞争能力。因此,迅速提高模具技术水平已成为当务之急。例如:日本汽车、计算机、电视机、手机等产品的品种,数量,质量在国际市场占有优势地位,其重要原因之一就是日本模具技术居于世界领先水平。为了解决高精度、长寿命、高效的复杂型腔结构的现代模具,其发展趋势主要有如下三方面:1.模具材料及表面处理技术模具工业要上水平,材料应用是关键。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。 在模具材料方面,常用冷作模具钢有CrwMn、Cr12、Cr12MoV和W6Mo5 Cr4V2,新型冷作模具钢有65N6、012A1、CG-2、LD、GD、GM等;常用新型热作模具钢有美国H13、瑞典QRO 80M、QRO 90 SUPREME等;常用塑料模具钢有预硬钢(P20、SM1、B30)、时效硬化型钢(P21、PMS、SM2、日本NAKS5等)、热处理硬化型钢(MnCrWV、日本S-STAR、瑞典一胜百S-136等)、粉末模具钢(日本DEX40等)。多工位精密冲模硬质合金(YG20、YG25等)及钢结硬质合金(TLW50、GW50等)。 在模具表面处理方面,其主要趋势是:渗入单一元素向多元素共渗、复合渗(如TD法)发展;由一般扩散向CVD、PVD、PVCD、离子渗入、离子注入等方向发展;可采用的镀膜有:T:C、T:N、T:CN、T:AN、CrN、Cr7C3、W2C等,同时热处理手段由大气热处理向真空热处理发展。另外,目前对激光强化、辉光离子氮化技术也日益受到普遍重视【9】。2.模具设计与制造技术当代模具的设计与制造技术广泛采用计算机辅助设计与制造(CAD/CAM),设计过程程序化和自动化,使用程序、模拟成形过程、采用交互式设计方法,发挥人和计算机的各自特长。数据库和计算机网络技术使设计人员拥有大量资料和信息。设计与制造之间的直接传输便于设计中的反复修正改变。 先进设计和加工方法的日益普及,为高质量、短周期地开发模具并且保证模具有足够长的使用寿命,提供了技术保证,为模具工业发展奠定了坚实基础。模具设计与加工方法的发展主要有以下三方面: (1)模具软件功能集成化 模具软件功能的集成化要求软件的功能模块比较齐全,同时各功能模块采用同一数据模型,以实现信息的综合管理与共享,从而支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全过程,达到实现最佳效益的目的。如英国Delcem公司的系列化软件就包括了曲面/实体几何造型、复杂形体工程制图、塑料模设计专家系统、复杂形体CAM、艺术造型及雕刻自动编程系统、逆向工程系统等。集成化软件较高的软件还包括:UG、CATIA和PRO/E等。 (2)快速原型法和快速制模技术(RPM/RMT) 该技术被称为自数控技术以来的又一次革命,尤其对模具工业的发展起到了极大的推动作用。它是一项集激光、材料、信息及控制等技术于一体的先进制造技术,其突出特点就是能直接根据产品的CAD数据快捷地制造出具有一定结构和功能的原型甚至产品,而不需要任何工装夹具,面迭加形成三维实体。 RPM技术与RMT技术的结合,将是传统快速制模具技术进一步深入发展的方向。RPM技术与陶瓷型精密铸造相结合,为模具型腔精铸成型提供了新途径。应用RPM/RMT技术从模具的概念设计到制造完成,仅为传统加工方法所需时间的1/3和成本的1/4左右,因而具有广阔的发展前景。如美国DTM公司的Rapid Tool专利技术,它能在510天内制造生产用的注塑模,可注塑零件5万件以上,属于直接用于批量生产的模具。 (3)高速铣削技术 高速铣削是目前切削技术中应用最多的一种工艺技术,是一种以高主轴转速、快速进给 、较小的切削深度和间距为加工特征的高效、高精度数控加工方式。高速铣削具有工件温度低、切削力小、加工平稳、质量好、效率高(为普遍铣削加工的510倍)及可加工硬质材料(60HRC)等诸多优点,因而在模具加工中日益受到重视。高速铣削机床(HSM)一般主要用于大、中型模具加工,如汽车覆盖件模具、变速箱体压铸模、大型注塑模等曲面加工,其曲面加工精度可达0.01mm。国外高速加工机床主轴最高转速已超过100000R/min,快速进给速度可达120m/min,加速度可达12g,换刀时间可提高到12s【9】。3.专业化生产及标准化专业化生产是现代化工业生产的重要特征之一,国外工业先进的国家模具专业化生产已达75%以上。美、日两国的模具厂,80%是10人以下的小工厂,90%是20人以下小而专的企业。一般一个模具专业厂只生产12种模具。这种专业化小模具厂易于管理,反应灵活,易于提高产品质量和经济效率,有较强的竞争力。 标准化是实现模具专业化生产的基本前提,能系统提高整个模具行业技术水平和经济效益,是机械制造业的深层次发展必由之路。国外企业都极为重视模具的标准化,我国的模具标准化程度不足30%,而且标准品种少、质量低、交货期长,严重阻碍模具的合理流向和效能发挥,需大力制订标准化规范。 总之,随着模具技术的迅速发展及机械各类产品的多样化、复杂化,模具应用的广度和深度将不断向纵深发展,模具需求增长速度将继续高于国民经济总体发展的速度,供小于求的被动状态将大有改变。因此,在模具设计与制造中,采用新技术、新工艺、新设备可持续发展模具工业,更将成为所有企业得以占据市场制高点的必由之路。CAD即计算机辅助设计的英文简称(Computer Aided Design)。计算机的应用,使得设计人员在设计过程中,能充分发挥计算机的强大算术逻辑运算功能、大容量信息存储与快速信息查找的能力,完成信息管理、数值计算、分析模拟、优化设计和绘图等项任务;而设计人员集中精力进行有效的创造性思维,从而更好地完成从设计方案的提出、评介、分析模拟与修改到具体设计实现的设计全过程.对于机械行业来讲,通用的CAD件是AutoCAD,但AutoCAD是一种通用的绘图软件,对机械行业针对性差,不过幸运的是,AutoCAD是个开放性软件,可以对它进行二次开发,如采用Autolisp,ADS,ARX甚至采用VB语言等,现今的高华CAD、天目CAD就是在该软件的基础上开发的机械专业CAD。由于二次开发的深入,加强了参数化设计、智能化设计等,这样充分发挥了计算机的强大的搜索功能和运算功能。世界上第一套塑料模具CAD软件是澳大利亚MOLDFLOW公司于1976年推出井以公司名字命名的MOLDFLOW。目前MOLDFLOW已经发展得比较完善,实现了对注塑过程的模拟、设计原理的应用和精确计算,并逐步优化模拟过程,使设计工程师在产品设计阶段可以在计算机上“制造”塑料产品,并能灵活地适应市场需求的变化。应用MOLDFLOW公司的技术已经在世界范围内成功地设计出了上万副模具。继MOLDFLOW之后美国康奈尔大学、德国的亚森(Aachen)技术大学、美国的C. V.公司、MCAP公司、日本的CAD-M公司等也相继开发了塑料模具CAD/CAM系统。第一套塑料模具CAD/CAM经过数年努力研制而成,于1982年推出,它就是后来称为GRAFTEK的系统。塑料模具CAD/CAM的应用带来了巨大的社会效益和经济效益。据报导,美国Protety pe & Plastic Mold公司采用了Computool公司的CAD/CAM系统后,一年内生产效率提高了一倍,节省了35%的准备时间,制造周期平均缩短了30 %,材料节省了10%,模具成本降低了10%30%。 国内部分科研单位、大专院校也在塑料行业开展了CAD技术的研制和开发工作。华中理工大学国家重点实验室叶显高、李德群、肖景容等研制成功了“实用化注塑模CAD/CAE/CAM微机系统HSC1. 1”;北京化工学院进行了注塑充模过程计算机仿真;其他部分企业科研单位也做了一些探讨工作,并且收到了一定的经济效益【10】。总的来讲我国塑料模具CAD仅仅处于开发使用初期,在模具设计中,模架及某些零件,如导柱、导套、推杆、支撑块、浇口套、定位圈等分别已形成厂标、行标或国标。对于这些标准的或本单位采用的模架及零件可在通用的二维工程图CAD系统中建立模架、零件库,以被设计时调用。对于浇注系统、温控系统、模架结构强度计算等内容,已有一些较成熟的计算方法或经验计算方法,可设置这些计算公式的模块,以便设计人员进行快速计算。另外对于一些设计中常用的数据库资料也可以设置在CAD系统中以便设计人员快速查询,根据各个工厂的不同要求和情况,还可以在系统中设置本单位所特有的内容。这样建立的CAD系统可大幅度减轻设计人员的工作强度、提高设计速度并可实现模具设计的规范化及标准化。对于某些在原成型制品的基础上作局部修改而需重新设计的模具来说,其效果就更加明显。总体来说,注塑模CAD的内容有以下几点:1.注塑制品的几何造型 采用几何造型系统,如线框造型、面造型和实体造型,在计算机中生成注塑制品的几何模型,这是注塑模结构的CAD的第一步。由于注塑制品大多数是薄壁件,且又有复杂的表面,因此,常用表面造型的方法来产生制品的几何模型。2.模腔面形状的生成 在注塑模具中,行腔用来生成制品的外表面,型芯用来生成制品的内表面,由于塑料的成型收缩率,模具磨损及加工精度的影响,制品的内外表面尺寸并不就是模具型芯面、型腔面的尺寸,两者之间需要比较复杂的换算。目前流行的商品化注塑模CAD软件并未能很好的解决这种换算,因此,制品的形状和型腔的形状要分别输入,工作量较大且比较繁琐,如何由制品形状方便、快捷的生成型腔和型芯表面形状仍是当前的研究课题。3.模具结构方面的设计 采用计算机软件来辅助计算最佳型腔的数目,引导模具设计者布置型腔,构思浇注系统、冷却系统和推出机构,为选择标准模架和设计动模部装图和定模部装图做准备。4.标准模架选择 采用计算机软件来设计模具的前提是尽可能多地实现模具标准化,包括模架标准化、模具零件标准化、结构标准化及工艺参数标准化等。一般而言,用作标准模架选择的设计软件应具用两个功能,一是能引导模具设计者输入本企业的标准模架,以建立专用的标准模架库;二是能方便地从已建好的专用标准模架库中,选出本次设计中所需的模架类型及全部模具标准件的图形和数据。5.部装图及总装图的生成 根据已选定的标准模架及已完成型腔布置,模具设计软件以交互方式引导模具设计者生成部装图和总装图。模具设计者在完成总装图时,能利用光标在屏幕上拖动模具零件以搭积木的方式装配模具总图。6.模具零件图的生成 模具设计软件能引导用户根据模具部装图、总装图以及相应图形库完成模具零件的设计、绘图和标注尺寸。7.常规计算和校核 模具设计软件可将理论计算和行之有效的设计经验相结合,为模具设计师提供对模具零件全面的计算和校核,以验证模具结构等有关参数的正确性。注塑模CAD中的数据处理 注塑模结构CAD的重点在于注塑制品的造型、模具设计、绘图和数控加工的模拟,注塑模CAD的过程就是数据处理的过程。通常,由于注塑模结构CAD涉及面广,程序规模很大,结构相当复杂,一个高效率的注塑模CAD系统不仅涉及到程序的结构和算法,同时也涉及数据结构和管理方法。在应用程序的执行过程中,经常需要利用一些标准数据和其他程序的设计及结果,系统各部分是通过交换数据相互联系的。因此,数据的处理在注塑模结构CAD中又十分重要的作用。注塑模CAD系统中,数据类型十分广泛,除了数字型、字符型数据之外,图形/模型及其文本数据项也是注塑模CAD系统的数据。而图形/模型数据又是由基本图形元素、图形符号、模型部分及各级图形/模型数据组成。注塑模CAD系统中数据可分为组合数据和基本数据,可将组合数据逐层分解至基本数据为止。根据这种分解模式,可以对总体、部件、详细数据这三类数据分别进行处理。1.总体数据 它是一种模型数据,可以表达为如下格式:文件名:总装图;组成:各部件数据名+定位关系数据;组织:依次记录各部件名,定位数据。2.部件数据 它可定义为一种图形/模型数据,以标准模架为例说明其表达格式: 文件名:部件名;组成:基准件名+各组成零件名+定位关系+尺寸关系+零件图形关联性; 组织:依次记录个零件名、定位关系、主特征尺寸。1.3 小结塑料模具CAD技术是一种全新的设计技术,有助于提高产品及模具设计的质量和实现产品的最佳性能。塑料模具CAD的工作主要在于理解注塑过程模拟的分析结果,判读数据并做出合适的变更设计抉择,熟悉CAD技术并有效地应用于模具设计也有赖于设计人员的素质和经验。塑料模具CAD的难点在于建立丰富的材料性能数据库,以及模具零件的标准化。第2章 塑件的分析2.1 塑件结构分析2.1.1 结构分析见零件图,该零件总体形状较简单。尺寸如图。就此看来,模具设计时无须设置复杂机构,该零件属于中等复杂程度。2.1.2 尺寸精度分析技术要求中提出该塑件的尺寸公差IT3(SJ1372-78)。由以上分析可见,该零件的尺寸精度中等偏上,对应的模具相关零件的尺寸加工可以保证。2.1.3 表面质量分析该零件的表面要求没有缺陷、毛刺、无飞边及要有一定的光泽,没有特别高的表面质量要求,所以比较容易实现。综上分析可以看出,注射时在工艺参数控制得好的情况下,零件的成型要求可以得到保证。2.2 材料的选择灯罩在工作过程中,会有大量高压气体从喷嘴中喷出,这就要求喷嘴材料要有比较好的耐高冲击性能。并且灯罩的喷嘴还会经常经受高温和低温,因此对材料的热变形温度和脆化温度有一定要求。综合考虑使用性能、加工性能、经济条件和原料情况,选择材料ABS。ABS在国内有大批量的生产,具有良好的成型性、力学性能、表面光泽度和低成本等优点,其性能如下表:表1 ABS性能项目质量指标试验方法断裂伸长率,%500ASTMD638拉伸强度,MPa23ASTMD638洛氏硬度,85ASTMD785密度,kg/m3910ASTMD1505热变形温度,105ASTMD648熔体流动速率,g/10min1.2ASTMD1238维卡软化点,150ASTMD1525悬臂梁冲击强度,J/m50ASTMD2562.2.3 注塑成型工艺条件1.塑件的成型工艺分析 塑件如图所示, 产品名称:塑料壳体 产品材料:ABS 产品数量:大批量生产 塑件尺寸:如图所示 塑件质量: 塑件要求:1.塑件不允许有裂纹,变形;2.脱模斜度301;3.注圆角R1R2(1)塑件材料特征ABS一般为头尾结构,主链为饱和碳链,侧基为共轭苯环,使分子结构不规整,增大了分子的刚性,使ABS成为非结晶性的线型聚合物。由于苯环存在,ABS具有较高的Tg(80105),所以在室温下是透明而坚硬的,由于分子链的刚性,易引起应力开裂。聚苯乙烯无色透明,能自由着色,相对密度也仅次于PP、PE,具有优异的电性能,特别是高频特性好,次于F-4、PPO。另外,在光稳定性方面仅次于甲基丙烯酸树脂,但抗放射线能力是所有塑料中最强的。聚苯乙烯最重要的特点是熔融时的热稳定性和流动性非常好,所以易成型加工,特别是注射成型容易,适合大量生产。成型收缩率小,成型品尺寸稳定性也好。热性能:最高工作温度为6080。当加热至Tg以上,ABS转变为高弹态,且保持这种状态在较宽的范围内,这就使其热成型提供方便。ABS的热变形温度为7080,脆化温度为-30,ABS在高真空和330380下剧烈降解。聚苯乙烯(ABS)是一种热塑性树脂,由于其价格低廉且易加工成型,因此得以广泛应用。聚苯乙烯有均聚物(透明粒料)或增韧接枝共聚物或与弹性体的共混体(抗冲击聚苯乙烯IABS)形式。聚苯乙烯共聚物在物理性能和热性能上比均聚物有所提高。这几类聚苯乙烯有多种品级,如标准IABS和标准透明品级、抗环境应力开裂品级(ESCR)、耐紫外线级。阻燃级、耐磨级、制轻质制件的高挠性品级、可发泡品级、超初级以及低残余挥发分品级等。聚苯乙烯树脂用于制造日常生活中的一次性餐具、汽车部件、包装材料、玩具、建筑材料、电器和家庭用品等。(2)塑件材料成型性能1.无定形料,吸湿小,不须充分干燥,不易分解,但热膨胀系数大,易产生内应力.流动性较好,可用螺杆或柱塞式注射机成型.2.宜用高料温,高模温,低注射压力,延长注射时间有利于降低内应力,防止缩孔.变形.3.可用各种形式浇口,浇口与塑件圆弧连接,以免去处浇口时损坏塑件.脱模斜度大,顶出均匀.塑件壁厚均匀,最好不带镶件,如有镶件应预热.注塑工艺参数密度(g/mm):1.041.06收缩率(%):0.40.72)料筒温度():后段140160;前段180200。3)喷嘴温度():160170。4)模具温度():2060。5)注射压力(MPa):60100。6)注射时间03s,冷却时间1530s,保压时间1540s。2.3 注射成型工艺过程分析根据塑件的结构、材料及质量,确定其成型工艺过程为:第一步:为使注射过程顺利和保证产品质量,应对所用的设备和塑料作好以下准备工作。(1)、成型前对原材料的预处理根据注射成型对物料的要求,检验物料的含水量,外观色泽,颗粒情况并测试其热稳定性,流动性和收缩率等指标,对原材料进行适当的预热干燥,ABS材料吸水率极低,成型前一般不必进行干燥处理。如有需要,可在70 80 下干燥24 h。(2)、料筒的清洗在初用某种塑料或某一注射机之前,或者在生产中需要改变产品、更换原料、调换颜色或发现塑料中有分解现象时,都需要对注射机(主要是料筒)进行清洗或拆换。柱塞式注射机料筒的清洗常比螺杆式注射机困难,因为柱塞式料筒内的存料量较大而不易对其转动,清洗时必须拆卸清洗或者采用专用料筒。对螺杆式通常是直接换料清洗,也可采用对空注射法清洗。 (3)、脱模剂的选用 脱模剂是使塑料制件容易从模具中脱出而敷在模具表面上的一种助剂。一般注射制件的脱模,主要依赖于合理的工艺条件与正确的模具设计。在和产上为了顺利脱模,常用的脱模剂有:硬脂酸锌,液体石蜡(白油),硅油,对ABS材料,可选用硬脂酸锌,因为此脱模剂除聚酰胺塑料外,一般塑料都可使用。第二步: 注射成型过程完整的注射过程表面上共包括加料、塑化、注射入模、稳压冷却和脱模几个步骤,但实际上是塑化成型与冷却两个过程。第三步:制件的后处理注射制件经脱模或机械加工后,常需要进行适当的后处理,目的是为了消除存在的内应力,以改善和提高制件的性能及尺寸稳定性。制件的后处理主要有退火和调湿处理。该塑料制件材料为ABS,就采用退火处理13小时。第3章 注塑机的选择与校核3.1 注塑机的选择设计模具时,应详细地了解注射机的技术规范,才能设计出合乎要求的模具,应了解的技术规范有:注射机的最大注射量、最大注射压力、最大锁模力、最大成型面积、模具最大厚度和最小厚度、最大开模行程以及机床模板安装模具的螺钉孔的位置和尺寸。公称注塑量;指在对空注射的情况下,注射螺杆或柱塞做一次最大注射行程时,注塑成型过程所需要的时间称为装置所能达到的最大注射量,反映了注塑机的加工能力。注射压力;为了克服熔料流经喷嘴,浇道和型腔时的流动阻力,螺杆(或柱塞)对熔料必须施加足够的压力,我们将这种压力称为注射压力。注射速率;为了使熔料及时充满型腔,除了必须有足够的注射压力外,熔料还必须有一定的流动速率,描述这一参数的为注射速率或注射时间或注射速度。常用的注射速率如表所示。表1注射速率注射量/CM125250500100020004000600010000注射速率/CM/S125200333570890133016002000注射时间/S11.251.51.752.2533.755塑化能力;单位时间内所能塑化的物料量.塑化能力应与注塑机的整个成型周期配合协调,若塑化能力高而机器的空循环时间长,则不能发挥塑化装置的能力,反之则会加长成型周期.锁模力;注塑机的合模机构对模具所能施加的最大夹紧力,在此力的作用下模具不应被熔融的塑料所顶开.合模装置的基本尺寸;包括模板尺寸,拉杆空间,模板间最大开距,动模板的行程,模具最大厚度与最小厚度等.这些参数规定了机器加工制件所使用的模具尺寸范围.开合模速度;为使模具闭合时平稳,以及开模,推出制件时不使塑料制件损坏,要求模板在整个行程中的速度要合理,即合模时从快到慢,开模时由慢到快在到停.空循环时间;在没有塑化,注射保压,冷却,取出制件等动作的情况下,完成一次循环所需的时间.选择螺杆式注塑机的型号为:XS-ZY-125,其主要技术参数如下:3.2 注塑机的校核3.2.1 型腔数目的确定及校核根据市场经济及生产效率的要求,本模具采用一模两腔型腔结构,即型腔数目。因型腔数量与注射机的塑化速率、最大注射量及锁模量等参数有关,因此有任何一个参数都可以校核型腔的数量。一般根据注射机料筒塑化速率确定型腔数量;式中注射机最大注射量的利用系数,一般取0.8;注射机最大注塑量,g;浇注系统所需塑料质量,;单个塑件的质量,。式中、也可以为注射机最在注射体积(cm3)、浇注系统凝料体积(cm3)、单个塑件的体积(cm3)。由此可求出:n2故取满足我们设计要求。3.2.2 锁模力的校核注射成型时,塑件在模具分型面上的投影面积是影响锁模力的主要因素,其数值越大,需要的锁模力也就越大。注射成型时,模具所需的锁模力与塑件在水平分型面上的投影面积有关,为了可靠地锁模,不使成型过程中出现溢料现象,应使塑料熔体对型腔的成型压力与塑件和浇注系统在分型面上的投影面积之和的乘积小于注射机额定锁模离,即:(式中符号同前)式中为单个塑件在分型面上的投影面积,mm2;为浇注系统在分型面上的投影与型腔不重叠部分的面积,mm2;P为塑料熔体在型腔中的成型压力,Mpa;为注塑机的额定销模力,N。3.2.3 开模行程的校核注射机开模行程是有限的,开模行程应该满足分开模具取出塑件的需要。因此,塑料注射成型机的最大开模距离必须大于取出塑件所需的开幕距离。为了保证开模后既能取出塑件又能取出流道内的凝料,对于双分型面注射模具,需要满足下式:(4-3)式中模具开模行程;推出距离塑件高度;定模板与中间板之间的分开距离。则=291mm500mm小于注射机最大开合模行程,故满足要求。第4章 分型面系统4.1 型腔的确定与单型腔模具相比较,单型腔模具具有塑料制件的形状和尺寸一致性好、成型的工艺条件容易控制、模具结构简单紧凑、模具制造成本低、制造周期短等特点。但是,在大批量生产的情况下,多型腔应收更为合适的形式,它可以提高生产效率,降低塑件的整体成本。模具的型腔数可根据塑料制品的产量、精度高低、模具的制造成本以及所选用注射机的最大注射量和锁模力大小等因素确定的。型腔数目的确定,应根据塑件的几何形状及尺寸、质量、批量大小、交货长短、注射能力、模具成本等要求来综合考虑。由于型腔的排布与浇注系统密切相关的,所以在模具设计时应综合加以考虑。型腔的排布应使每个型腔都能通过浇注系统从总压力中均等地分得所需的足够压力,以保证塑料熔体能同时均匀地充填每个型腔,从而使各个型腔的塑件内在质量均一稳定。根据注射机的额定锁模力F的要求来确定型腔数目n ,即n(4-1)式中:F注射机额定锁模力(N)P型腔内塑料熔体的平均压力(MPa)A1、A2分别为浇注系统和单个塑件在模具分型面上的投影面积(mm)4.2 分型面的确定模具上用以取出塑件和浇注系统凝料的可分离的接触表面称为分型面,也叫合模面。4.2.1 分型面的选择原则1)符合塑件脱模:为使塑件能从模具内取出,分型面的位置应设在塑件断面最大尺寸的部位。2)分型面的数目和形状:通常只采用一个与开模运动方向相垂直的分型面。确定分形面应以模具制造及脱模方便为原则。3) 型腔的选择:尽量防止形成侧孔和侧凹,以避免采用较复杂的模具结构。4)确保表面质量:分型面尽量不要选择塑件光滑的外表面,避免影响塑件的外观质量;将塑件要求同轴度的部分放在分型面的同一侧。以确保塑件的同轴度;要考虑减小造成塑件大、小端的尺寸差异要求等。5)有利于塑件脱模:由于模具的脱模机构通常设置在动模一侧,故尽可能使开模后塑件留在动模一侧。6)考虑侧向轴拔距:一般机械式分型 抽芯机构的侧向轴拔距都较小,因此选择分型面的时应将抽芯或分型距离长的方向置于动、定模的开合模方向上,即将短轴拔距作为侧向分型或抽芯。并注意将侧抽芯放在动模边,避免定模抽芯。7)锁紧模具的要求:侧向合模锁紧力较小,故对于投影面积较大的大型塑件,应将投影面积大的方向放在动、定模的合模方向上,而将投影面积小较小的方向作为侧向分型面。8)有利于排气:当分型面作为主要排气渠道时,应将分型面设计在塑料的流动末端,以利于排气。9)模具零件易于加工。4.2.2 分型面的决定模具设计中,分型面的选择很关键,它决定了模具的结构。分型面与模具的整体结构、浇注系统的设计、塑件的脱模和模具的制造工艺等有关,因此分型面的选择是注射模设计中的一个关键步骤。将模具适当地分成两个或几个可以分离的主要部分,它们的接触表面分开时能够取出塑件及浇注系统凝料,当成型时又必须接触封闭,这样的接触表面称为分型面,它是决定模具结构的重要因素,每个塑件的分型面可能只有一种选择,也可能有几种选择。合理地选择分型面是使塑件能完好的成型的先决条件。应根据分型面选择原则和塑件的成型要求来选择分型面。该塑件表面质量无特殊要求,结构也比较间单,固选平直分型面。如图3如何确定分型面,需要考虑的因素比较复杂。由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件的结构工艺性及精度、嵌件位置形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种因素的影响,因此在选择分型面时应综合分析比较,从几种方案中优选出较为合理的方案。综上所述如下图所示:第5章 浇注系统5.1 浇注系统的组成浇注系统是指注射模中从主流道始端到型腔之间的熔体进料通道,浇注系统可分为普通流道浇注系统和无流道凝料浇注系统两类,本设计中采用普通流产浇注系统。正确设计浇注系统对获得优质的塑料制品极为重要。普通流道浇注系统的组成一般包括以下几个部分,如图(4)所示。1主浇道2第一分浇道3第二分浇道4第三分浇道5浇口 6型腔7冷料穴图(4)普通流道浇注系统在设计浇注系统时应考虑下列有关因素:a)、塑料成型特性:设计浇注系统应适应所用塑料的成型特性的要求,以保证塑件质量。b)、模具成型塑件的型腔数:设置浇注系统还应考虑到模具是一模一腔或一模多腔,浇注系统需按型腔布局设计。c)、塑件大小及形状:根据塑件大小,形状壁厚,技术要求等因素,结合选择分型面同时考虑设置浇注系统的形式、进料口数量及位置,保证正常成型,还应注意防止流料直接冲击嵌件及细弱型芯受力不均以及应充分估计可能产生的质量弊病和部位等问题,从而采取相应的措施或留有修整的余地。d)、塑件外观:设置浇注系统时应考虑到去除、修整进料口方便,同时不影响塑件的外表美观。e)、冷料:在注射间隔时间,喷嘴端部的冷料必须去除,防止注入型腔影响塑件质量,故设计浇注系统时应考虑储存冷料的措施6。5.2 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,断面为圆形,带有一定锥度,其设计要点为: 1:主流道圆锥角为a=2060,对流动性差的可取3060,内壁粗糙度为Ra0.63m 2:主流道大端成圆角,半径r=13mm,以减小料转向过度时的阻力 3:在模具结构允许的情况下,主流道尽可能短,一般小于60mm,过长则会影响流体的顺利充型 4:对于小型模具可将主流道衬套与定位圈设计成整体式,但在大多数情况下将主流道衬套与定位圈设计成两个零件,主流道衬套与定模板采用H7/m6过度配合与定位圈的配合采用H9/f9间隙配合 5:主流道衬套一般选用T8 T10制造,热处理强度为5256HRC根据“常用塑料直浇口尺寸”表,选主流道始端尺寸d=2.5mm,大端尺寸D=4mm,浇口套始端半径R=机床喷嘴小经d +(0.51)=10+(0.51)=11mm,半锥角a=2。其长度尺寸取L=40mm,其余尺寸见图。主流道内壁粗造度Ra=0.63,抛光时要沿轴向进行。根据主流道尺寸,可求出主流道体积:V主=1/3L(R+Rr+r)=1/3x3.14x40(1.252+1.25x2+4)= 0.334cm5.3 分流道的设计分流道分流道是指主流道与模具型腔浇口之间的一段流道,用于一模多腔和一腔多浇口的情况,将从主流道流来的熔体分配到各个型腔或同一型腔的各处,起着对熔体的分流和转向作用。单型腔模具采用单浇口时,常常没有分流道,这时的浇口称之为直接浇口。表5-1由上述分析可知,截面为圆形和正方形的分流道效率最大,应用效果应是最好。但圆形和正方形分流道工艺性都较差。圆形分流道要求开设在分型面两侧,对称分布加工难度大。正方形分流道脱出分流道凝料的阻力大,若取斜度,实际上就变为梯形分流道。从实用观点看,梯形分流道和U形分流道是最佳选择。综上所述,本设计分流道设计成U形。分流道截面尺寸设计6。长度依靠模具型腔的总体布置方案和浇口位置设计,不过从减少输送熔体时压力损失和热量损失的要求出发,应力求缩短长度。5.4 拉料杆与冷料穴的设计冷料穴是为储存因熔体与低温模具接触而在料流前锋产生得冷料而设置的,这些冷料如果进入型腔将减慢熔体填充速度,最终影像制品的成型质量。冷料穴一般设置在主流道的末端,分流道较长时,分流道的末端也应设冷料穴。一般情况下,主流道冷料穴圆柱体的直径为56mm,深度为56mm。对于大型制品,冷料穴的尺寸可适当加大。对于分流道冷料穴,其长度为11.5倍的流道直径。冷料穴的分类:底部带推杆的冷料穴,由于加工方便,故常使用。推板推出的冷料穴,这种拉聊赶专用于制品以推板或推块脱模得模具中。无拉料杆的冷料穴,对于具有垂直分型面的注塑模(两边抽芯的哈夫模),冷料穴至于左右两半模的接触面上,开模时分型面左右分开,制品与前锋冷料一起拔出,冷料穴不必设置拉料杆。分流道冷料穴一般采用以形式:图3.8 分流道冷料穴5.5 浇口的设计浇口又称进料口,是连接分流道与型腔之间的一段细短流道,浇口是连接分流道与型腔的通道,它是浇注系统最关键的部分,它的形状、尺寸、位置对塑件的质量有着很大的影响。它的作用主要有以下两个:一是作为塑料熔体的通道,二是浇口的适时凝固可控制保压时间。常用的浇口形式有直接浇口、侧浇口、点浇口、轮辐浇口、潜伏浇口等。由于不同的浇口形式对塑料熔体的充型特性、成型质量及塑件的性能会产生不同的影响。而各种塑料因其性能的差异对于不同的浇口形式也会有不同的适应性。在模具设计时,浇口位置及尺寸要求比较严格,它一般根据下述几项原则来参考:尽量缩短流动距离;浇口应开设在塑件壁最厚处;必须尽量减少或避免熔接痕;应有利于型腔中气体的排除;考虑分子定向的影响;避免产生喷射和蠕动;不在承受弯曲或冲击载荷的部位设置浇口;浇口位置的选择应注意塑件外观质量。如下图所示: 第6章 成型零件设计本成型零件工作尺寸计算时均采用平均尺寸、平均收缩率、平均制造公差和平均磨损量来进行计算。查表得PC收缩率为Q=0.30.8%,故平均收缩率为Qcp=(0.3+0.8)%/2=0.55%,考虑到工厂模具制造的现有条件,模具制造公差取z=/3。6.1 型腔和型芯工作尺寸计算(1)型腔径向尺寸 已知在规定条件下的平均收缩率S,塑件的基本尺寸Ls是最大的尺寸,其公差为负偏差,因此塑件平均尺寸为Ls-,模具型腔的基本尺寸Lm是最小尺寸,公差为正偏差,型腔的平均尺寸为Lm+z/2。型腔的平均磨损量为c/2,如以Lm +Z表示型腔尺寸, ABS平均收缩率S=0.55%.Lm +z/2+c/2=(Ls-/2)+(Ls-/2)S经整理最终公式为:Lm0+z=(1+S)Ls-(0.50.75)0+z类别名称塑件尺寸计算公式工作尺寸型腔计算型腔的尺寸80 Lm=(1+Scp)Ls-0.75 0+z800 -0.087474.110 -0.08型芯的尺寸 12Lm=(1+ Scp)Ls-0.67 0+z120 -0.086060-0 -0.084545.250 -0.086.2 型腔侧壁厚度计算 (1)凹模型腔侧壁厚度计算凹模型腔为组合式型腔,按强度条件计算公式SR-r=r(/-2p)1/2-1进行计算。式中各参数分别为:p=50Mpa(选定值);=0.05mm;=160MPar=28mmSR-r=r(/-2p)1/2-1
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