医用注射器筒体注塑模具的设计
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DOI 10 1007 s00170 004 2287 0 ORIGINAL ARTICLE Int J Adv Manuf Technol 2006 27 1089 1096 K S Lee J C Lin Design of the runner and gating system parameters for a multi cavity injection mould using FEM and neural network Received 15 March 2004 Accepted 7 June 2004 Published online 2 March 2005 Springer Verlag London Limited 2005 Abstract The design of the runner and gating systems is of great importance to achieving a successful injection moulding process The subjects of this study are the finite element and abductive neural network methods applied to the analysis of a multi cavity injection mould In order to select the optimal runner system parameters to minimize the warp of an injection mould FEM Taguchi s method and an abductive network are used These methods are applied to train the abductive neural network Once the runner and gate system parameters are de veloped this network can be used to accurately predict the warp of the multi injection mould A simulated annealing SA opti mization algorithm with a performance index is then applied to the neural network in order to search the gate and runner system parameters This method obtains a satisfactory result as com pared with the corresponding finite element verification Keywords Abductive neural network Multi cavity Simulated annealing 1 Introduction Injection moulding is one of the most important industrial pro cesses in industry owing to a high manufacturing rate shorter product cycle low percentage of scrap excellent product sur face and easy moulding of complicated shapes In the production process molten polymer is injected under high velocity into the mould cavity The constant demand for higher quality leads to interest in the analysis of the product s physical properties K S Lee a117 Department of Mechanical Engineering Chien Kuo Institute of Technology Changhua Taiwan 500 R O C E mail kingsun ckit edu tw Tel 886 4 7111111 Fax 886 4 7111137 J C Lin Department of Mechanical Design Engineering National Huwei University of Science Normalizer RD4 4 00617 1 335391 Input parameter run ner diameter Normalizer GD5 4 00617 2 86155 Input parameter gating diameter Normalizer IV3 2 4037 0 120185 Input parameter injec tion volume Triple 8 0 678393 0 3333 Normalizer CN2 0 04411 Normalizer RD4 1 0659 Normalizer CN2 2 0 0804199 Normalizer RD4 2 0 0616056 Normalizer CN2 Normalizer RD4 0 0609406 Normalizer CN2 Normalizer RD4 Normalizer GD5 0 75 Normalizer CN2 3 Double 9 0 678393 0 274663 Normalizer CN2 0 0441131 Normalizer RD4 1 0659 Normalizer CN2 2 0 0804199 Normalizer RD4 2 0 0616 Normalizer CN2 Normalizer RD4 0 75 Normalizer CN2 3 Double 10 0 06793 0 608463 Normalizer IV3 0 0441131 Normalizer RD4 0 00987721 Normalizer IV3 2 0 0804199 Normalizer RD4 2 0 095574 Normalizer IV3 Normalizer RD4 Triple 7 0 804449 8 76191 Triple 8 8 9015 Double 9 0 74973 Double 10 211 981 Triple 8 2 215 076 Double 9 2 0 0274245 Double 10 2 426 355 Triple 8 Double 9 3 10301 Triple 8 Double 10 2 65269 Double 9 Double 10 0 115732 Triple 8 Double 9 Double 10 7 3526 Triple 8 3 6 733 Double 9 3 0 321305 Double 10 3 Warp output U 6 0 0 577826 0 312686 Triple 7 通过有限元分析和神经网络法对多型腔模的流道和浇口系统参数的设计通过有限元分析和神经网络法对多型腔模的流道和浇口系统参数的设计K.S. Lee Department of Mechanical Engineering, Chien Kuo Institute of Technology, Changhua, Taiwan 500, R.O.C.E-mail: kingsunckit.edu.twTel.: +886-4-7111111 Fax: +886-4-7111137摘 要:横浇道和浇口系统的设计是重视实现一个成功的注塑成型过程。本研究的受试者是有限元和施加到多腔注射模具的分析溯神经网络的方法。为了选择最佳的热流道系统参数,以减少注射模具的翘曲,有有限元法,田口的方法和溯网络的使用。这些方法应用到训练溯神经网络。一旦横浇道和浇口系统参数被开发,该网络可以被用来准确地预测多注射模具的翘曲。模拟退火(SA)和优化算法的性能指标,然后应用到神经网络以查询浇口和流道系统参数。这种方法获得一个满意的结果与相应的有限元验证比较。关键词:溯神经网络;多腔;模拟退火1 引言由于注塑成型的生产速度高,产品周期短,废钢比例低,以及优良的产品表面和复杂形状的成型加工容易,使其成为行业中最重要的加工工艺之一。在生产过程中,熔融的聚合物在高流速注入到模具腔中。对于更高质量的不断需求导致人们在在产品的物理性能的分析方面很感兴趣。浇道和浇口系统的主要功能是将熔融金属进入模具并通过模具型腔的所有部分。不好的浇口设计可以导致如气孔,缩孔缺陷,流线冷关上,和表面质量差。用适当的浇道和浇注系统的设计,可以控制灌装模式(例如焊接线的位置),防止过度包装,减少成型件故障的发生率,并提高生产效率。通过改进的浇道和浇口系统设计来优化模具的填充图案,这是非常重要的。在过去,通过试验和错误来典型地设计横浇道和注射模具的浇注系统与多空腔,直到多空腔被正确地填充无短射或其他缺陷为止。减少在设计阶段的成本和时间,来模拟包含残余应力的注塑部件的收缩率是非常重要的。在这项研究中,对浇注系统设计的收缩率进行预测的综合仿真程序和神经网络被作为注塑计算机辅助工程的一部分。1.1 文献综述最近,对浇注系统的研究包括了越来越多的优化算法的论文,重点是产生程序,以协助设计师在模具和零件设计的工作。Li1提出优化流道设计的自动优化理论与流动/热模拟程序整合的可行途径。Shamsuddin2利用网络和FORTRAN模拟流道和浇口系统有四个门。分支通向栅极和模具腔的角分别为4090。Hu 3 将数值模拟技术应用于流道优化浇注系统。由Lin 4 定义的最佳位置与质量功能,包括温差确定的最佳位置,过度包装和摩擦生热条款。Jong和Wang 5 介绍了一个基于流模拟浇注系统的优化设计。该溯神经网络分析方法以C语言程序的形式用于仿真技术。它已经表明,在溯网络的预测精度比传统网络 6 高多了。基于溯溯神经分析建模技术是能够代表注射分析结果和浇注系统的设计之间的复杂的、不确定的关系。它表明了经纱和转轮,以及浇注系统参数可以与基于开发的网络上合理的精确度来预测。1.2 研究设计和仿真步骤本研究的目的是利用CAD / CAE软件系统模拟注塑成型的设计过程,并推导出的浇口和流道系统参数的注射过程的最优解集。这个模拟开始使用CAD软件(如Pro / Engineer的)来创建一个注射部位的模型。接着,将有限元包(即模流/ MPI3.1版7系统)来分析注塑加工的多注塑模具的条件。本研究采用有限元和神经网络建立流道参数关系及浇注系统的参数,以找到关系方程。它提供了基于技术开发和应用模拟的理论基础。有限元仿真后,溯网络方程建立翘曲和浇口浇注系统参数模型之间的关系。通过使用溯建模技术,输入和输出变量之间的复杂的和不确定的关系,可以将其配制成一种有用的数学模型。为以后的推导,该模型将被视为一个黑盒子来表示注射成型的过程中,具有可调参数来操纵模型的整体性能。一旦网络模型,输入和输出的浇注参数变量之间的关系变得明显。建立了一种算法来优化寻找最佳的参数与性能指标的过程。在这个阶段,运用模拟退火算法 8 采用。模拟退火算法是类似于用于最小化的性能指标的材料的退火工艺。2 问题的配方2.1 注塑模具流动过程:主要模具流动方程被分成三个部分,如下所示:(A) 在充填阶段,模腔填充有在高压下熔融的塑性流体。因此,控制方程包括:(1) 连续性方程,塑性变形或形状变化在填充过程伴随着流动的,但质量守恒。(2) 动量方程,牛顿的塑性流动产生的第二定律推导一贯的激情(加速状态)或力平衡。(3)能量方程,这是节约的流动材料的系统和法律的能量守恒,如果是不可压缩的流体。(B) 保压分析。保压过程是,把压力保持后在模腔中填充以注入更多的塑料在冷却以补偿收缩。(C) 冷却和翘曲分析。冷却过程中的分析是讨论塑料的流动分布和热传导的关系。同质模具温度,填充序列遵循亚军系统和门控设计的优化,并会因产品的收缩。如果流路径是不平衡,或温度分布的分布不均匀,有对翘曲发生的倾向。2.2 仿真参数及田口方法经过有限元模型的制订,需要一个溯网络结构,利用Moldflow软件/ MPI系统的结果来确定。在这个阶段中,验证数据集被施加到辅助在网络的配置。这将确保网络正常训练,以避免过度训练或训练不足,因不良的拓扑数据集。为了提供一个合适的数据集来训练相关溯网络模型,田口的方法被使用。田口方法结合工程和统计数据,以提供改善成本和质量。它是一种众所周知的方法,以优化过程和产品的设计开发。不同于传统的质量控制,其目的是消除变化的原因,田口方法是基于一个更好的方法来提高质量是通过系统地减少阶乘模拟次数的概念。在这项研究中,参数是针对彼此平衡,以提供一个“最佳”,其中两个过程和产物发生在一个可接受的水平。本研究的目的是确定在哪个以减少翘曲的最佳浇口和流道系统的设置。被选中的几个参数进行模拟,如:(1)模腔中,(2)喷射部卷,(3)浇口直径,(4)转轮直径,浇口直径等于转轮直径如图1。一个L327正交入选仿真(表1,表2)。对于每个27试验中,生成的质量特性。2.3 溯网络综合评价神经网络,作为一类车型,而备受关注过程工程在过去十年中,由于其创建复杂流程的能力,以及其快速执行和再培训能力。在一个溯网络,一个复杂的系统可以被分解为分组为利用多项式函数节点几层较小,较简单的子系统。建议Ivakhnenko9多项式网络是数据处理(GMDH)技术的一组方法。这些节点评估输入的有限数目的多项式函数,并产生作为一个输入到下一层的后续节点的输出。在一个多项式函数节点的一般多项式函数可以表示如下: (1)其中xi,xJ,xK是输入,y0为输出,和B0,Bi,Bij的,Bijk是多项式功能节点的系数。在本文中,一些特定类型的多项式函数的节点被用于在不同种类的流道和浇口系统的预测翘曲。这些多项式函数的节点被称为归一化(N),整合,单倍(S),双倍(D)和三倍(T)节点。 图1:浇口系统设计参数(Sprue Dia 直浇口直径;Gate Dia浇口直径; Runner Dia 流道直径) 表1 三个层次的因素进行了正交设计选定 一级 二级 三级因素A模具型腔(N) B塑件体积(V)C流道直径(Rd) D浇口直径(Gd)表2 模流仿真浇口流道系统的设计数据 次 型腔 塑件 流道 浇口 数 数 体积 直径 直径它们的解释如下: (2)这些节点是最大的第三次多项式方程和双打和三倍具有交叉项(三节点),允许节点的输入变量之间的互动。其中i1,i2,i3的前一层的输入参数,O为节点的输出,以及u0,u1,u2,u3.联合国是单倍,双倍,三倍和白色节点的系数。一个单一的节点是仅具有一个输入参数和一个输出参数(i1= 0,i2 = i3= 0)的方程。一个双节点是具有两个输入参数和一个输出参数的方程(i1,i2= 0,i3= 0)。三重节点是具有三个输入参数和一个输出参数(i1,i2,i3= 0)的方程。白色节点是有许多输入参数和一个输出参数的方程(i1,i2,i3.=0)。建立一个完整的溯网络,第一个要求是训练数据库。通过输入和输出参数给出的信息必须是足够的。甲预测均方误差(PSE)标准,然后用于自动地确定一个最佳的结构10。的PSE标准的原则是选择最不复杂,但最准确的网络成为可能。该PSE是由两个方面,即: PSE=FSE+Kp (3)其中FSE是网络的拟合训练数据和Kp是网络的复杂补偿的平均平方误差。 如下公式所示: 2p2K KP = CPM (4) N其中CPM是复杂补偿因子,K是该网络的一个系数,N是所使用的训练数据的数量和2p是模型误差方差的估计值。3 解决问题3.1 有限元分析有限元模拟进行了各种流道和浇口系统,包括不同的卷,龋齿,转轮直径,浇口直径和栅极长度为寻找最大翘曲。表3显示在模拟材料(ABS)的物理性质。图2是多型腔塑件的有限元网格。主要模具流动模拟被分成4部分,即有一个快速的填充过程中,保持压力的过程中,凉爽和经纱的过程。图3示出了有限元分析的翘曲的最终结果。同样,输入参数(腔容积,浇道和浇口系统的参数)和输出参数(经纱)之间的关系,当注射完成时被建立。表4在不同流道系统的模流仿真结果。根据一个最佳的流道和浇口系统模型,三层溯网络,由横浇道和浇口系统参数和喷射结果(经纱)的发展,已自动合成。溯因网络能够根据不同闸流道参数,注塑杆和模腔的体积预测产品的翘曲。在这个网络中使用的所有多项式方程列于附录(FSE=1.2710-3,PSE=1.2610-3)。表5比较了根据模拟测试情况通过溯模型仿真的结果。这些测试情况没有包括建立模型L327的设置。这组数据是用来检测以上溯模型测试的合理性。我们可以从表5看到,最大误差约为4%。结果表明溯模型仿真是适用的。 图2:多型腔塑件的有限元网格 图3:有限元建模变形结果表3 材料的性能、热性能(电导率0.149500 / m /、比热2213.000000 J /Kg/、密度949.100037kg/m3、压射111.900002、无流动温度145.300003)温度 剪切 粘度 温度 压力 具体的体 速率 MPa 积 3.2 模拟退火(SA)算法和选择最佳的浇口浇道参数Metropolis11提出的标准,以模拟的固体冷却到能量平衡的一个新的状态。使用的Metropolis基本标准是一个被称为“模拟退火”算法。该算法是由Kirkpatrick8在1983年开发的。如果所述新的目标函数变得更小,扰动过程参数被接受作为新的工艺参数和温度在规模下降一点。表示为: (5)这里i表示温度降低的指标,CT指温度降低率(CT 1)。然而,如果目标函数变大,则工艺参数的允收概率将表示为: (6) 其中kB为玻尔兹曼常数和obj是在目标函数中的差别。该过程反复进行,直到温度T接近零,这表明了能级下降到其最低状态。目标函数obj配制如下: obj = w* (最小偏差,用A表示) (7)其中w是加权函数。在多型腔模具的浇口和流道参数应匹配的模拟数据的方法。换句话说,优化的基本条件,应在一定范围内下降,如下所示:(1)从优化所确定的流道直径RD应比最小流道直径RD大,比最大转轮直径RD小。(2)浇口直径GD从优化确定应比最小的浇口直径GD大,比最大门直径GD小。(3)最优的模具型腔数N应该比最少模具数多,比最多型腔数少。(4)从优化所确定的喷射部分容积V应比最小喷射部分容积V大,比最大注射体积份的V小。不等式如下所示:最小流道直径Rd设计流道直径最大流道直径; (8)最小浇口直径Gd设计浇口直径最大浇口直径; (9)最小模具型腔数N设计模具型腔数最大模具型腔数; (10)最小注射件体积V设计注射件体积最大注射件体积。 (11)为了找到浇口和流道系统参数的最优值的搜索例行程序期间的上限的条件应保持在一个可接受的水平。 表4 在不同流道系统的模流仿真结果次数 型腔数 注射塑件 流道直径 浇口直径 最大翘曲 (N) 体积(V) (Rd) (Gd) (mm)4 讨论结果该仿真是用来说明优化的多型腔注射成型参数的过程。当重函数wn= 1,RD,GD和V是相等的进口和加权值= 1。固定腔(N)和体积(V)的模拟退火算法用于参数分别为:初始温度Ts=100C时,最终的温度Te=0.0001C时,衰减比CT =0.95,玻耳兹曼常数KS=0.00667。主要目的是从溯网络模型和gaterunner系统参数得到最小翘曲。在图5,当模腔是N= 2,以及注射部位的体积为18x18x18x1.0t毫米,浇口直径GD =1.82毫米是固定的,转轮直径的参数具有最小翘曲时的流道直径的尺寸(RD)为2.4mm,可以发现,该经纱是0.711(最低)。在图6,转轮直径RD=2.4mm,栅极直径的参数具有最小翘曲时的浇口直径(GD)的尺寸为1.82毫米,它可以被发现,经纱是0.711 (最低) 。表5 神经网络预测与有限元模拟之间的误差 (它不包括在任何原始27集数据)(Item 项目 set1,set2 第一、二组;Maximum error 最大误差;Simulation method模拟方法;Mould cavity(N)模腔体积;Volume of injection part注射件体积; Runner dimension流道直径;Gate dimension浇口直径;Warp变形值;Absolute value绝对值;FEM (mould flow) 有限元(模流);Neural network 神经网络) 图4:模拟退火研究流程图(set initial condition 设定初始条件 random(new conditon) 随机(新情况下) If x is Feasible 如果x是可行的)5 总结本文阐述了在多型腔模具中通过溯网络的方法来建模和优化流道和浇口系统参数。本文的结论如下:(1) 通过比较采用有限元方法和溯因网络预测误差的价值,我们取得了最好的热流道系统和伸缩参数模型。基于溯网络的最佳建模,浇道系统参数和经纱之间的复杂关系,可以得到。(2) 在有限元模拟模具流量误差和优化过程的预测值的模型之间进行比较。这一比较表明,该模型不仅适合有限元模拟模具流量,而且适合神经网路的预测。快速确定最佳的流道系统参数的注塑成型的效率,可以成功地提高了注塑模具设计过程的准确性。(3) 现代注塑机-尤其是在3C产业,需要更少的时间来制作精确的产品,如手机与数码相机,相机镜头和手机壳。注塑模具,但是,是由注射参数的限制,只能通过单或双腔来制造。为模塑制品具有多个空腔,调整每个空腔的喷射参数,以相同的水平是特别困难的。不合格产品的产生率是站不住脚的。的内收网络技术,将SA被用于搜索多个型腔模具的最佳条件。其目的是为了获得高的生产率,并达到精度满足要求的条件下的电平。图5:流道直径与最小翘曲之间的关系 (minimum warp 最低翘曲 Runner Diameter(mm) 流道直径图6:浇口直径和最小翘曲之间的关系 (Minimum War最小翘曲 Gate Diameter 浇口直径 )表6 优化选择的理论和有限元方法相比最大翘曲值 参考文献1 Li CS, Shen YK (1995) Optimum design runner system balancing ininjection moulding. Int Commun Heat Mass Transf 22(2):1791882 Sulaiman S, Keen TC (1997) Flow analysis along the runner and gatingsystem of a casting process. J Mater Process Technol 63:6906953 Hu BH, Tong KK, Niu XP, Pinwill I (2000) Design and optimization ofrunner and gating systems for the die casting of thin-wall magnesium telecommunication parts through numerical simulation. J Mater Process Technol 105:1281334 Lin JC (2001) Optimum gate design of free-form injection mould usingthe abductive network. Int J Adv Manuf Technol 17:2943045 Jong WR, Wang KK (1990) Automatic and optimal design of runnersystems in injection moulding based on the flow simulation. SPE Annual Technical Conference, pp 5545606 Montgomery GJ, Drake KC, Abductive reasoning network. Neurocomputing 2:971047 Mouldflow Corporation (2001) Moldflow course map, basic modeling,mesh editing and post processing, version 3.1. Mouldflow Corporation,USA8 Kirkpartick S, Gelatt CD, Vecchi MP (1983) Optimization by simulatedannealing. 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J Chem Phys 21:1087109214医用注射器筒体注塑模具的设计目 录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1 塑料模具的认识和发展11.2 塑料模具的组成21.3 我国和国外模具发展现状和趋势22 塑料模具的成型工艺分析42.1 塑料的简介与选择42.2 医用注射器筒体塑件的测绘52.2.1 医用注射器筒体塑件的二维视图52.2.2 医用注射器筒体塑件的三维视图62.3 医用注射器筒体塑件的结构分析62.4 医用注射器筒体塑件的镶件设计73 模仁及模架的设计93.1 模仁的尺寸确定93.2 模仁的固定103.3 模架的选择与设计114 医用注射器筒体塑件的型腔数量及布局134.1 医用注射器筒体塑件型腔数量的确定134.2 医用注射器筒体塑件型腔的布局135 医用注射器筒体塑件的浇注系统145.1 浇注系统的介绍及构成145.2 浇注系统各部分的详细介绍155.3 产品的浇注系统设计166 医用注射器筒体塑件的顶出系统186.1 顶出系统的作用186.2 顶出系统的常用结构186.3 产品顶出系统设计196.4 顶出行程的计算217 医用注射器筒体塑件的冷却系统227.1 冷却系统的介绍227.2 冷却系统的分类227.3 产品的冷却系统设计238 模具的工作原理26结束语28致 谢29参考文献30附 录31医用注射器筒体注塑模具的设计摘 要 模具生产技术水平的高低,已经成为衡量一个国家产品制造水平高低的一个标志,并且塑料工业是当今世界上增长最快的工业门类之一,而注塑模具是其中发展较快的种类,因此,研究注塑模具对了解塑料产品的生产过程和提高产品质量有很大意义。本文是关于医用注射器筒体注塑模具设计的说明,分别从七个章节介绍了注塑模具的设计,即对型腔、模仁、浇注系统、顶出系统、冷却系统等设计的详细阐述。通过本设计,可以对注塑模具有一个初步的认识,注意到设计中的某些细节问题,了解模具结构及工作原理;通过运用SolidWorks来进行设计过程,并运用CAD软件来进行绘制零件图和工程图,从而有效的提高工作效率。关键词:注射器筒体;注塑模具;模具设计MEDICAL SYRINGE BARREL INJECTION MOLED DESIGNABSTRACTThe level of mold manufacturing technology has become an indicator to measure the products manufacture standards of its country. With plastics industry being one of the worlds fastest growing industrial sectors, and injection mold coming as one of rapid development among its species, the study of injection mold thus is of great significance to the understanding of production process and quality improvment of plastic products. This article, mainly concerned with the design description of medical syringe barrel injection mold, elaborates on the design of mold cavity, mold insert, gating system, ejection system and cooling system in seven chapters.This design helps provide people with a basic understanding of the mold structure and operational principles of injection mold through some detail problems. At the same time, flexible usage of Solidworks and CAD software in part drawing and schedule drawing also effectively enhanced work efficiency.KEYWORDS :Syringe barrel;injection mold;mold designI1 绪论1.1 塑料模具的认识和发展 在日常生活和工作中,经常能够碰到很多塑料制品。在不同的环境中使用,能够满足人们的各种需求。除了生活日用品之外,塑料制品孩子农业生产、仪器仪表、医疗器械、食品工业、建筑器材、汽车工业、航空航天、国防工业等众多领域都得到了极为普通和广泛的应用。模具是利用它特定的形状去成型具有一定的形状和尺寸零件的工具。成型塑料制品的模具叫塑料模具。 对塑料模具的全面要求是:能生产出在尺寸精度、外观、物理性能,化学性能等方面都达到要求的优质产品。从模具的使用方面来看,要求效率高、自动化、操作简洁方便;从模具的制造方面来看,要求结构合理、制造方便简单、成本低廉。 塑料模具影响着材料制品的质量。首先,模具型腔的形状、尺寸大小、表面的光洁度、分型面、进浇口和注塑模具制品的冷却,以及脱模方式等对制件尺寸精度和形状精度,以及制件的物理性能、机械性能、电性能、内应力大小、各向同向性、外观质量、表面光洁度、等都会产生十分重要的影响。其次,在塑料加工过程中,模具结构对操作难易程度影响很大。在大批生产塑料制品时,应尽量改小开模,合模和取制件过程中的手工劳动,为此常采用自动开模,自动合模和自动顶出系统。在全自动生产时还要保证证件能自动从模具上脱落。此外,模具对塑料制品的成本也有相当的影响。除简易模具外,一般来说制模费是十分贵的。当生产批量不大时,模具费用在制品成本中所占的比例将会很大,此时应尽可能的采取结构简单合理的模具,从而降低成本。现代塑料制品生产中,合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是必不可少的三个很重要的因素,其中尤为重要的是塑料模具对实现塑料加工工艺要求。塑料制品使用要求和造型设计起着非常重要的作用。高效的全自动设备也只有装上能够自动化生产的模具才能发挥其效能,产品的生产和更新都是以模具的制造和更新为前提标准的。由于工业塑件和日用塑料制品的品种和产量都要求非常大,并且对塑料模具也提出了越来越高的要求,因此促使塑料模具生产不断向前发展。 1.2 塑料模具的组成通常情况下,对于塑料模具来说,可以分为两类:一类叫二模板(或者叫大水口),另一类叫三模板(或者叫细水口)。他们一般由以下几个部分构成:(1) 塑料模具的标准模架。(2) 塑料模具的核心部分模仁。(3) 塑料模具的常用辅助零件:浇口套、定位环、顶针、拉料杆、顶针、顶出板、导柱、垃圾钉等等。(4) 塑料模具的辅助系统:一般分为浇注系统、顶出系统、冷却系统。(5) 塑料模具的辅助结构:如吊环孔、KO孔等。(6) 当塑料模具产品有死角的时候,模具还会有一个或者多个处理死角的结构:如滑块、油压缸、斜顶等。1.3 我国和国外模具发展现状和趋势模具生产技术水平的高低,已经成为衡量一个国家产品制造水平高低的一个标志,因为模具在很大程度上反映和决定着产品的质量、效益和新产品的的开发能力。随着我国加入WTO,我国模具工作的发展将面临一个新的机遇和挑战。我国的模具工业发展,日益受到人们的重视和关注。“模具是工业生产的基础工艺装备”也已经取得了共识。在电子、电机、电器、仪表、汽车、家电和通信等产品中,60%80%的零部件都要依靠模具成型。用模具生产的制件所具有的高精度、高效率、高复杂度、高一致性、高生产率和低消耗,是其他加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”,用模具生产的最终产品的价值,往往是模具自身价值几十倍,甚至是上百倍。目前全世界模具年产值约为600亿美元,日、美等工业发达国家的模具工业产值已超过机床工业。目前我国模具工业的发展步伐日益加快,但在整个模具设计制造水平和标准化程度上,与美国、德国、日本的发达国家相比较还存在着相当大的差距。在经济全球化的新形势下,随着技术、资本和劳动力市场的重新整合,我国的装备制造业将成为世界装备制造业的基地。而在现代制造业中,无论哪一个行业的工程装备,都越来越多的采用由模具工业提供产品。为了满足用户对模具制造的高精度、低成本、短交货期的迫切要求,模具工业应广泛应用于现代先进制造技术中来加速模具工业的技术进步,适应各行各业对模具的迫切需求,以实现我国模具工业的跨越式发展。与国内相比,欧美模具企业的管理经验是很值得借鉴和学习的。他们采取的方式是:(1) 人员精简,“瘦”型管理。欧美企业各类人员的配置很精简,都是一专多能,一人多职。(2) 采用专业化,产品定位准。欧美模具企业都有自己明确的产品和市场定位。大多数模具企业都有一批长期合作的用户,从而达到互惠、互利、共赢、共存。(3) 采用先进的管理信息系统,实现集成化管理。从生产计划、工艺制定,到质量检查、库存量、统计等,都普遍使用了计算机,公司内部各部门之间可以通过计算机网络达到资源共享。(4) 工艺管理先进,标准化程度高。欧美的模具生产厂家生产的每副模具都有详细的设计图,包括每个零件的详细设计,并且都制定了详细的加工工艺。欧美模具企业的先进技术和先进管理,使他的生产的精密、大型、复杂模具,对促进汽车、电子、家电等各个产业的发展起到极其重要的作用,也给模具企业带来了良好的经济效益。欧美模具带来的经济效益与国内模具相比,即使扣除价格因素的影响,他们的生产效率仍比我国高许多倍。要缩短与先进工业国家的距离,必须加快技术提高,提高CAD/CAE/CAM的应用程度,增加数控加工的比重,用信息化技术进一步提高模具的设计制造水平。同时,要通过借鉴学习外国的先进管理经验,从而进一步的深化企业改革。目前,国内有些模具厂冲模、塑料模都生产,大中小型的模具也生产,这样很难于做好,所以必须走小而专、小而精、小而特的道路。同时,要增强参与与国际化竞争的意识,加强国际经济技术的交流学习与合作,在提高模具国产化的程度的同时,进一步的扩大出口,走向世界。2 塑料模具的成型工艺分析2.1 塑料的简介与选择塑料是指以树脂作为主要成分,以增塑剂、着色剂、润滑剂、填充剂等添加剂为辅助成分,在加工过程中能流动成型的材料,其中树脂是主体,添加剂为辅助成分。树脂通常是指受热后有软化或者熔融范围,在软化的时候,有外力的情况下有流动倾向,常温下是固态、半固态,有时也会是液态的有机聚合物。树脂分为两类:天然树脂和合成树脂。添加剂是指分散在塑料分子结构中,不会影响塑料的分子结构,却能改善它的性质或降低成本的化学物质。塑料的主要性能特点:质量轻;优良的化学稳定性;优异的电绝缘性能;热得不良导体,具有消声、减振的作用;机械强度分布广和较高的强度化。塑料的分类:一般分为热塑性材料和热固性材料。本次设计选择的是热塑性材料,聚丙烯(PP)。聚丙烯的优良特性:(1) 相对密度小,仅为0.890.91,是材料中最轻的品种之一。(2) 良好的力学性能,除耐冲击性以外,其他力学性能均比聚乙烯好,成型加工性能好。(3) 具有较高的耐热性,连续使用温度可达110120C。(4) 化学性能好,几乎不吸水,与绝大数化学药品不反应。(5) 质地纯净,无毒性。(6) 电绝缘性好。(7) 聚丙烯制品的透明性比高密度聚乙烯制品的透明性好。聚丙烯的有很多优点,同时也存在一些缺点:(1) 制品耐寒性差,低温冲击强度低。(2) 制品在使用中容易受光、热和氧的作用而老化。(3) 着色性不好。(4) 易燃烧。(5) 韧性不好,静电度高,染色性、印刷性和粘合性差1。但是这些缺点对于注射器筒体的设计没有影响,所以,于是根据以上优点决定选取聚丙烯(透明),性能参数如表2-1所示。表2-1 聚丙烯PP(透明)的性能参数名称取值名称取值密度(g/cm3)0.890.91注射压力(bar)1800吸水率(%)1.82.5刚性较好收缩率(%)1.02.5强度较高熔点()220275成型加工性好热变形温度()80100化学稳定性好成型温度()160220毒性无毒2.2 医用注射器筒体塑件的测绘2.2.1 医用注射器筒体塑件的二维视图本次的设计的制品是医用注射器筒体,该制品的材料选择的是聚丙烯PP(透明)。任何一个设计都要有零件的二维视图,这样才可以使零件的形状尺寸充分展现出来,让读者一目了然。注射器筒体尺寸介绍: 注射器筒体筒长:95mm;筒体总长:107mm; 筒内腔直径:16mm;筒内腔不拔模; 筒外壁最大处直径:20mm;壁厚:2mm;拔模:0.5; 手柄厚:2mm; 顶部安装针头处长:10mm; 安装针头处外壁最大外直径:4.5mm;拔模:2; 安装针头处内壁直径:2mm;不拔模; 针筒主体顶部中心高:1mm。本次设计的注射器筒体零件二维平面视图如图2-1所示。图2-1 医用注射器筒体零件图平面视图(单位:mm)2.2.2 医用注射器筒体塑件的三维图三维视图可以直观的看出成品的形态,因此同样绘制了三维视图,如图2-2所示。 图2-2 医用注射器筒体三维视图2.3 医用注射器筒体塑件的结构分析结构分析:注射器筒体是长薄壁件,外壁拔模斜度,内壁不拔模。 成型分析:该筒体塑件是圆柱形,结构对称,内部结构简单,采用镶件结构,整体成型。 医用注射器筒体塑件的分型面选择:以注射器手柄上表面为分型面,手柄位于动模仁内,筒体位于顶模仁内。2.4 医用注射器筒体塑件的镶件设计由于本制品是一个中间为空腔的圆柱形筒体,为了使加工方便,便于成型和脱模,以及从降低材料和成本的方面考虑,所以本设计选用镶件这一设计思路。在镶件的设计过程中,本设计设计了两个方案,分别为方案一的整体式镶件,即如图2-4所示,将整个镶件都固定在动模仁上;和方案二的拆分式镶件,即将镶件分为两个部分,一部分是注射器安装针头处的镶件,将其固定在定模仁上,另一部分是注射器筒体的镶件,将其固定在动模仁上。在筒体的镶件上有盲孔,与安装针头处的镶件这两部分是互相咬合的,如图2-5所示。图2-4 整体式镶件 图2-5 拆分式镶件 经过分析发现,整体式镶件属于悬臂梁支承,易受到径向力的影响,又因为注射器筒体头部是细小结构,设计成拆分式镶件有利于保证精度,并且注射器筒体内壁要和注射器活塞配合,所以要有很高的光洁要求,而且动模仁上镶件的盲孔与定模仁镶件头部的配合是咬合的过度配合,这样可以保证紧密连接,减少泄漏,提高零件光洁度。因此,方案二比方案一更合理,更适合本设计,故选择拆分式镶件。拆分式镶件的设计:两部分镶件整体长:194mm;上镶件总长:35mm;上镶件座:21mm;底座:7mm;下镶件总长:163mm;塑件外长度:66mm;底座:7mm;镶件直径:16;下镶件拔模角度:2;上镶件不拔模。镶件固定都为单边切除。拆分式镶件尺寸及设计如图2-6所示。图2-6 拆分式镶件尺寸及设计(单位:mm)3 模仁及模架的设计3.1 模仁的尺寸确定 模仁尺寸的大小取决于塑件的尺寸大小及排位。为了保证钢的强度,模仁需安排的紧凑些。模仁尺寸确定的方法有两种,分别是计算法和估算法。一般选用的都是估算法,因为计算法太复杂且实用性差,对于实际工程中的模具,都是根据个人经验以及公司要求来估算设计的。估算法的要求:(1) 产品最外边到模仁侧面的距离不小于15mm,通常取30mm。产品与产品的距离,若没有流道,则常取10mm以上;若没有流道,则常取30mm以上2。 (2)产品顶端至定模仁底面距离大于10mm,常取25mm以上2。 (3)产品底端到动模仁底面距离大于15mm,常取30mm以上2。 根据这些尺寸可以计算出模仁的长、宽、高,并且这些值要取整数,要相对于模具中心线对称。本设计中模仁的尺寸正式按照以上三点设计的,如图3-1所示。模仁的长、宽、高分别为246mm、180mm、174mm。图3-1 模仁的三维视图(单位:mm)3.2 模仁的固定 模仁需要安装到模架里,对于如何安装,通常是将模架的动模板和定模板上都开出凹槽,然后将模仁安装在凹槽里即可。模仁的固定方法有两种,一种为采用避空角或R角形式固定在模板上,另一种是通过螺钉固定在模板上。采用第一种方式时,模仁尺寸小的话,用避空角形式,模仁尺寸大时,用R角形式。采用螺钉固定时,要根据模仁的尺寸来选择螺钉的型号,最好选用四个螺钉均匀的布置在模仁周围。本设计采取的是避空角的形式。设计中的模仁的尺寸略大,并且避空角的形式,容易加工与设计。同时还分别各用了四个M12螺钉来固定动模仁和定模仁,如图3-2所示和图3-3所示。以垂直主浇道孔的直线为中心线,在主浇道中心建立直角坐标系,中心线所在位置为y轴,次浇道中心所在位置为x轴。图中螺钉A的位置坐标为(-88,60),螺钉B的位置坐标为(-88,-60),其余两个螺钉和螺钉A、B是以y轴为中心线的轴对称布局,因此,位置可想而知无需表达。定模仁上的固定螺钉的位置与动模仁位置完全相同。螺钉的选择及尺寸如表3-1所示。图3-2 动模仁的固定图3-3 模仁的固定 表3-1 螺钉参数固定零件名称螺钉代号长度L定模仁M1285mm动模仁M1240mm3.3 模架的选择与设计标准模架的规格是根据模仁的几何尺寸确定的。通常,模架单边长度需比模仁的外轮廓长50mm。医用注射器筒体模仁的长宽高分别是246mm、180mm、174mm,其中长246mm,宽180mm。因此,模架的长边至少为246+502=346mm;模架的短边至少为180+502=280mm。因此需调用长为346mm宽为280mm的模架。但因为标准模架在生产制造时不可能出现非整数的尺寸,所以可以选用数值与计算数值相近的模架,如2836、3036等。选用的标准模架是否符合产品制造要求,还需通过检查才能确定。检查是有以下三个原则:(1) 模架上顶出板的宽度须大于或等于模仁的宽度;(2) 模架设置的顶出距离需至少比产品高度多5mm;(3) 复位针的弹簧顶边距离内膜仁需保证在10mm以上。根据这三个原则,以及计算出的结果,认为选取3036模架比较合适。但是根据标准模架最后选择为DI4040模架。确定模架型号之后,需确定A、B板的厚度。根据之前计算的结果,选择A板厚度为217mm,B板厚度为82mm,垫板即顶板厚度为20mm,C板厚度为200mm,上、下顶出板厚度分别为25mm和30mm,上、下底边厚度都为30mm,如图3-4所示。图3-4 模架选择及尺寸(单位:mm)4 医用注射器筒体塑件的型腔数量及布局 型腔是指模具中成型塑件的空腔,而这个空腔就是所设计塑件的负形,它除了具体的尺寸比所设计塑件大些,和应该凹凸的地方恰恰相反而已以外,其它的都和塑件完全相同。4.1 医用注射器筒体塑件型腔数量的确定 塑件型腔数量的确定由以下几点来决定:(1) 塑件的尺寸精度:当型腔数越来越多,精度也随之降低。(2) 塑件模具的制造成本:单腔模的制造成本低于多腔膜,不是倍数比。但是,从制造塑件的成本的角度看,其所占的模具费的比例,单腔模比多腔模高。(3) 塑件注塑成型的生产效益:从表面上看,多腔模的经济效益比单腔模高,但是注射机大的话,每一注射循环期长,维持费用较高,而多腔模使用的注塑机就是大注塑机。(4) 塑件型腔的制造难度:单腔模的制造难度比多腔模小,对于多腔模来说,当其中任意一个型腔损坏时,整个注塑机都要停止运作来进行维护,从而影响正常的生产3。4.2 医用注射器筒体塑件型腔的布局 对于多型腔模具的设计,浇注系统的布置方式是其重要问题之一。由于塑件型腔的布局与浇注系统安放之间的密切关系,因此,塑件型腔的布局在多型腔模具的设计中应该加以综合考虑。在型腔的排布的设计中,应该使每一个型腔都通过浇注系统从总压力中心中均分得到所需的压力,从而保证塑料熔体能够同时并且均匀的充满各个型腔,以使每个型腔中的塑件的内在质量都是一样的稳定且均一。这就要求型腔与主流道之间的距离尽可能达到最短,同时采用平衡的分流道和合理的浇口设计,以及均匀的冷却系统等等。合理的型腔布局可以避免塑件的尺寸差异、应力形成,以及脱模困难的问题等。流道有两种布置方式:平衡式和非平衡式。设计时,首选是平衡式进胶方案,只有当平衡式不行时,才考虑非平衡式。平衡式型腔布局的特点是从浇注系统的主流道到各个型腔浇口的分流道的长度、尺寸、截面形状都是对应相同的,从而可以达到均衡进料和同时充满型腔的目的;非平衡式型腔布局的特点是从浇注系统的主流道到各个型腔的的分流道的长度不等,所以对均衡进胶不利,但是却可以缩短流道的总长度,为了达到同时充满型腔的目的,所以各浇口的截面形状及尺寸制作的不一样4。但是要注意的是,多型腔模具要成型同一尺寸和精度要求的塑件,在原则上,不同的塑件不能够用同一副多型腔模具来生产。本设计中的注射器筒体的塑件是各要求均相同的制品,并且壁厚相同,因此采用平衡式型腔布局,本设计根据医用注射器筒体塑件的结构特点,考虑型腔的布局方式,采用的是一模六腔的模具结构,这样相较于一模一腔模具的生产效率高很多,与此同时,结构也更为合理。型腔的具体设计如图4-1所示。图4-1 型腔布局平面图(单位:mm)5 医用注射器筒体塑件的浇注系统5.1 浇注系统的介绍及构成浇注系统也称进胶系统,是指熔体从注射机的喷嘴开始流动到模具的型腔为止所经过的一个通道。这个通道在模具当中充当一个桥梁的作用,它把模具型腔与外部的注塑机连在一起,是的流动的塑胶熔体能够对模具进行填充5。浇注系统在模具结构中的作用:引导熔体平稳的进入型腔,使之按要求填充型腔的各个角落;使型腔内的气体能够顺利的排出;在熔体填充型腔凝固的过程中,能充分的把压力传到型腔各部位,以获得外形清晰、尺寸稳定的塑料制品。浇注系统有四部分构成:主流道、分流道、冷料井、浇口。 5.2 浇注系统各部分的详细介绍(1)主流道的设计 主流道是浇注系统的主干,是塑胶熔体进入模具型腔必须通过的流道,也是第一流道。它是一个锥形通道位于浇口套内部。一般的浇口套都是标准件,所以设计主流道就是确定浇口套的规格和尺寸。另外要注意的是定位环,它一般都是和浇口套是组合使用的。常用的浇口套直径是12、16、20;定位环的直径为60、100、1206。(2) 分流道的设计 分流道的截面分为圆形流道、梯形流道、U形流道,和半圆形流道等,这四种是较为常用的。如图5-1所示形状。有的产品在设计中,由于型腔布置很多会出现次分流道,次分流道的流道尺寸要略小于分流道。 图5-1 分流道的截面(3) 浇口的设计 浇口的形式有直接式浇口、侧浇口、潜伏式浇口、针点式浇口、环形式浇口、轮辐式浇口、扇形浇口、爪形浇口、矩形浇口等等。(4)冷料井的设计 冷料井也被叫做冷料穴,它位于主流道和分流道的末端,用以储存冷料、拉出凝料,防止冷料充入型腔而影响制品质量。冷料井由于位置的不同,又分为主流道冷料井和分流道冷料井。主流道冷料井的底部形状由拉料杆头部构成,拉料杆通常是由顶针加工而成,所以冷料井结构会根据拉料杆头部形状的不同而不同。5.3 产品的浇注系统设计 本设计采用的是平衡式进胶方案,主浇道选择的是B型浇口套,分流道和次分流道选择的是半圆形流道,浇口选择是侧浇口浇注,拉料杆为Z型头拉料杆。由于定位环和浇口套都为标准件,因此不做过多介绍,尺寸如图5-2所示。 图5-2 注射器筒体塑件的主浇道和定位环(单位:mm)分流道的尺寸为R4,长度为36mm;次分流道的尺寸为R3,长度为15mm。如图5-3所示。浇口的设计尺寸为:浇口高为1mm;流道距产品边沿的距离为2mm;角度为27,如图5-4所示。图5-3 分流道的设计及尺寸(单位:mm)图5-4 浇口的设计及尺寸(单位:mm) 6 医用注射器筒体塑件的顶出系统6.1 顶出系统的作用塑件成型后,就要考虑如何将其从型腔中取出,而此时顶出系统就扮演了这一重要角色,来将塑件从模具中安全、无损伤的取出。顶出质量的好坏直接影响着塑件的质量。因此,塑件制品的顶出是不容忽视的重要。顶出的过程包括三个环节,依次是合模状态,开模状态,顶出状态。顶出机构的形式和顶出的方式都与塑件制品的形状,结构和塑料性能都相关。6.2 顶出系统的常用结构顶出系统有很多种形式,可以归纳为机械顶出、液压顶出、气动顶出这三大类。一般主要使用的是机械顶出,下面介绍一下机械顶出。机械顶出有很多类,包括推杆顶出、推板顶出、司筒顶出、推块顶出,以及复合顶出。 (1)顶杆顶出顶杆顶出又称作顶针顶出、顶杆顶出、顶出销顶出等,顶针的形式可以分为直杆式和阶梯式,截面包括圆形、方形和异形,即分为圆顶针、阶梯型圆顶针、扁顶针和异形顶针。 顶杆顶出机构在设计时要注意的几点要求:要设置在脱模阻力较大的地方;要设置在塑件承受力较大的位置;确保能够顶出塑件制品的前提下,顶杆设计的不要过长过细,数量不要过多或过少;顶杆所摆放的位置不要与其他结构形成干涉7。 (2)顶板顶出顶板顶出也称作推板顶出和脱料板顶出,它是一整块板长宽都与模板一致,它位于分型面处沿着塑件的周边将塑料制品顶出,也是一种很常见的顶出方式。顶板顶出的特点:推出力很大,并且力很均匀的施加在塑件周边,运动平稳,塑件不易产生变形,不会损害塑件外形,而且几乎不会留下顶出的痕迹,不需要设置顶出机构的复位装置,合模时顶板通过合模力的作用带动顶出机构复位。 顶板顶出机构在设计时要注意的几点要求:推动顶板的顶杆要以顶出力为中心,均匀的分布,从而使顶板能够受力平衡,平行移动。有时,顶杆在顶出顶板的同时,也起到顶板的导向作用。但是,一般情况下导向都是由导柱来完成的,顶板要始终挂在导柱上的,因此,导柱要是足够长,但是也不可过长,浪费材料;顶板的顶出距离不能超过导柱的有效导向长度;顶板与动模镶件是锥面配合,配合的锥度可设置为35,配合时的长度不得少于10mm,其它的地方做成避空角就可以了;顶板的配合部分要做淬硬处理,常用做成镶件结构8。 (3)司筒顶出 司筒顶出又称作顶管顶出和推管顶出。司筒顶出时顶出力较大,并且各部分受力均匀,当塑件制品上有圆形的通孔或盲孔,或者有环形轴套等结构时,且胶位又必须设置顶出时,通常采用司筒顶出机构。顶出时,它是周边接触塑件,动作稳定可靠,塑件制品顶出均匀,不易变形,并且没有明显的顶出痕迹,但是其精度要求较高,加工较难,最好采用标准件。 (4)顶块顶出顶块顶出它的顶块结构会受到塑件制品形状的影响,因此,设计时要考虑和分析塑件的形状结构等对顶块系统的影响。顶块顶出结构适用在平面度要求相对比较高的平板状塑件上,以及表面不允许有明显顶出痕迹的塑件上。它的应用效果在一般情况下比顶针和司筒好些,但是由于结构原因,顶块顶出不如顶针和司筒运用广泛9。顶块顶出的特点:由于是顶块,所以塑件受力均匀,顶出面积大;塑件不易变形损坏,不易留下顶出痕迹。6.3 产品顶出系统设计由于本设计中,医用注射器筒体的手柄是厚度为2mm平面,若使用顶针顶出机构或者司筒顶出机构的话,由于顶出力过大,会导致手柄被顶变形甚至顶破,因此,本设计选择的是顶板顶出配合顶针来设计顶出系统,如图6-1所示。 图6-1 顶板与顶针配合的顶出系统顶针的选择的是普通顶针,尺寸设计为直径为6,长度为251mm,选择了10个顶针均匀排布,如图6-2所示。以垂直主浇道孔的直线为中心线,在主浇道中心建立直角坐标系,中心线所在位置为y轴,次浇道中心所在位置为x轴。图中A顶针的位置坐标为(0,70),B顶针的位置坐标为(-103,70),C顶针的位置坐标为(-103,20),D顶针的位置坐标为(-103,-20),E顶针的位置坐标为(-102,-70),F顶针的位置坐标为(0,-70),其余的顶针与顶针B,C,D,E是关于中心线的轴对称图形,因此位置可想而知,具体布局如图6-3所示。图6-2 顶针的选择与尺寸(单位:mm)图6-3 顶针的排布(单位:mm)6.4 顶出行程的计算产品在开模后被顶出的距离,即塑件需要顶出多少,才能够实现脱模,这个距离就称作顶出行程。注塑机都是躺着摆放的,因此模具在注塑机里也是横倒着放置的,所以只要塑件被顶出一定的距离,有因为自身的重力影响,塑件就可以自己脱落,离开注塑机。顶出行程的长度决定着C板的长度,因此模架的选择也受其影响。顶出行程的计算公式如下所示:H = L + 安全余量H:顶出行程;L:产品高度,就是在开模方向上,产品的最低点到最高点的距离。在实际设计当中,要根据实际来考虑,为了安全起见,顶出行程一般要取得略大一些,即安全余量,安全余量的取值范围为510mm。本设计的产品高度为107mm,安全余量选择为7mm,因此本设计的顶出行程为114mm。7 医用注射器筒体塑件的冷却系统7.1 冷却系统的介绍冷却系统的设计是一项比较复杂的工作。在设计时要注意很多问题,例如,冷却的效果,冷却的均匀性,还要注意避开其他机构,不要与顶出系统等形成干涉,以及是否对模具的整体结构产生影响等进行考虑。7.2 冷却系统的分类冷却系统有很多种,在设计中最常见运用最多的是水冷却的冷却方式。水冷却就是将冷水利用流道将其流入模具的模仁中,靠近塑件的位置,并循环流动来降低温度,从而使塑料熔料快速冷却成型。水冷却也分很多种形式,根据不同的水路布局,可以分为直通式水路、阶梯式水路、水井式水路、盘旋式水路、喷泉式水路等。(1) 直通式水路直通式水路,即水道直接贯穿模板,一端为进水口,另一端为出水口。直通式水路又可以分为平行直通式水路和非平行直通式水路。平行直通式水路,就是水路既要直接贯穿模板同时还是是相互平行的。平行直通式水道要是穿过模仁的话,要注意采取防漏水措施。一般可以通过加长水嘴的方法,和在模仁侧面添加防水胶圈的方法来防止漏水的现象,但是要注意的是前者中水嘴的螺纹必须固定在模仁上。非平行直通式水路,即直通式水路在同一平面内相互交接,构成一个循环系统,在不需要出水的地方设置堵头将其堵住。该水路的冷却效果比平行直通式水路效果好10。(2) 阶梯式水路阶梯式水路的形式是水道先从模板一端进入模具中,再进入模仁,在模仁中绕一圈,再从模仁中出来进入模板,最后从模具的另一端流出,水嘴安装在模板上。阶梯式水路一般挡水圈和堵头来做密封和隔水。挡水圈一般设置在模仁侧面。(3) 水井式水路水井式水路,即在模仁中钻一个水井,再在模板两处分别开出流道作为进水口和出水口。水井的直径一般取16,20,25等。它又分为两种形式为:隔板式水路和喷泉式水路。隔板式水路它的形式是在模仁中挖一个比较宽大的井,再在水井中安放一个铜薄片或铝薄片将水井分成两部分,这两部分分别连接一个小水道,一个为进水口,另一个为出水口。使用铜片和铝片是因为薄片长时间在水中,为了防止其生锈,薄片的厚度不宜过厚,一般可取3mm。喷泉式水路,即在水井中按装一个喷水管,喷水管将冷水喷在水井内壁上,从而实现冷却。 (4)盘旋式水路盘旋式水路一般运用于空圆柱状,和有深腔,以及需要使用镶件的塑件制品。其形式是将镶件内部做成螺旋状,中间位置做一个水孔与螺旋上顶部连通,螺旋底部和水孔底部都分别连接水道,一个为进水口,一个为出水口。在使用盘旋式水路时,要注意镶件需固定,不能转动,镶件还需使用防水胶圈来做密封处理11。7.3 产品的冷却系统设计本设计的塑件由于是圆柱状筒体,并且需要镶件。本设计中镶件直径为16足够设计成水井式水路冷却,于是本设计选取得是喷泉式水井水路,如图7-1所示。该水路冷却效果好,使塑件内壁冷却均匀。 图7-1 喷泉式冷却水路(单位:mm)喷泉式水路中的尺寸:水井中入水管外直径6,内径3.5,出水管直径为10。顶板内水道直径为10.5。动模板中的入水管直径为6,出水管直径为8。出水管高度为153mm,进水管高度为162mm。该冷却系统与镶件内壁距离为3mm。喷泉式水路俯视图,及尺寸标注,如图7-2所示。对于喷泉式冷却系统而言,进水管的固定是很关键的。本设计采取的固定方法是在进水管上设置上两个小圆环,它们和出水管是间隙配合,如图7-3所示。它们可以加强喷水管的固定。对于喷泉冷却系统,为了防止漏水,本设计采用的是在动模仁外侧加防水胶圈的措施。图7-2 喷泉式水路的俯视图及尺寸标注(单位:mm) 图7-3 喷水管的固定方法冷却系统,遵循水管尽量多管道尽量大的原则,来达到更均匀更好的冷却效果。因此,在镶件内部设计喷泉式冷却水路的同时,本设计还在型腔与型腔之间交错的布置了一系列直通式水路来进行冷却,如图7-4所示。其中横向的水路在垂直地面方向上布置了3道水路,它的水道直径为8。该水路距离定模板底面也为30mm,水路之间距离也为30mm,如图6-5所示。纵向的水路在垂直地面方向上布置了4道水路,它们的水道直径为8。该水路距离定模板底部为15mm,水路间距为30mm,如图6-6所示。横向和纵向水路它们是相互交错的,在垂直定模板底面的方向上,两种水路的中心距为15mm,如图7-5所示。本设计中的防漏水措施是将水嘴的螺纹延长至模仁内,并锁紧在模仁上。图7-4 直通式水路的布局图7-5 横向直通式水路设计(单位:mm)图7-6 纵向直通式水路设计8 模具的工作原理塑料模用于塑料件成型,将颗粒塑料原料加热后,有注射设备将熔融喷射入模具型腔成型,待产品冷却后再开模,由顶出设备将产品顶出12。首先在液压缸或机械力的作用下,注塑机螺杆推动聚丙烯熔体通过喷嘴注入模具中。熔融塑料充满模腔后,会冷却收缩,为弥补收缩,使得制品密度提高,螺杆还需要对熔体继续推动保持压力,使其完全充入模腔内,此时浇注熔料完毕。接着开始冷却,将冷水从各个入水口水嘴注入,开始冷却。冷却时间占整个成型周期的78%80%。冷却定型后,注塑机的合模装置带动模具动模部分与定模部分分离,如图8-1所示。开模完成,此时注塑机的顶出机构推动上下顶出板带动顶针和顶板将塑件顶出,再通过人力或机械手取出塑件和浇注系统冷凝料。这种设计不需要设置顶出机构的复位装置,合模时顶板通过合模力的作用带动顶出机构复位,如图8-2所示。最后,模具动模部分在注塑机开合模系统作用下,向前移动与定模部分合拢,如图8-3所示。一次完整的注塑过程就结束了。图8-1 开模状态图8-2 顶出状态图8-3 合模状态 结束语本设计分析了注射器筒体塑件的成型特点,设计了一副一模六腔、单分型面的,带有侧浇口的注射模具。该模具的关键是解决分型面的选择、浇口位置确定、冷却系统的布局、塑件浇注系统布局等问题,以及在实现这些功能的情况下,如何使模具有效而可靠的运动。该课题从产品结构工艺性,具体模具结构出发,对模具的浇注系统、模具成型部分的结构、顶出系统、冷却系统都有详细的设计。通过整个设计过程表明该模具能够达到此注射器塑件所提出的要求。但是本设计也存在一些不足,由于塑件的原因,导致模架的A板、导柱和顶出行程都过长,这些都使合模,开模,顶出的时间过长,影响生产效率。通过本次设计,在各个方面都有了很大的提高,特别是在理论与实践相结合方面,使大学期间所学的理论知识和专业知识都得到了很好的运用,为以后踏入社会奠定了坚实的基础。 28致 谢 经过几个月的艰辛历程,今天终于完成了本科的毕业设计,心中有一种莫名的自信和成就感。作为本科阶段最后的一项任务,细细回想,完成地很辛苦,看着自己的设计成果,这些汗水也变得很值得。从一开始的选件,构思,查看文献,到最后的设计,计算,画图,每一项都可谓劳神苦思。有时候感慨自己的基础不够扎实,便认真地从头开始了解,询问老师和同学,从无知到精通,需要的不仅仅是毅力,还有坚持。每个人都不可能无师自通,这次的设计,很多老师和同学帮助了很多,使得我的毕业设计能够按质按量按时地完成。特别是我的导师王鑫老师,给予了很多的指导,在此我要对他表示由衷的感谢。此外,感谢这些年所有教过我的老师们,还有一起相处同学们,没有你们的帮助,就没有现在的成果,谢谢!29参考文献1 王静, 王鑫. 注塑模具设计基础M. 北京: 电子工业出版社, 2013. 1: 40-43.2 姜彬, UG塑料注射模具设计方法及应用案例M. 北京: 电子工业出版社, 2009. 8: 23-45.3 李力, 崔江红, 肖庆和. 塑料成型模具设计与制造M. 北京: 国防工业出版社, 2007. 5: 36-43.4 梅伶. 模具课程设计指导M. 北京: 机械工业出版社, 2011. 1: 67-83.5 铭卓设计. UGNX6模具设计实例详解M. 北京: 清华大学出版社, 2009. 1: 57-87.6 齐晓杰. 塑料成型工艺与模具设计M. 北京: 机械工业出版社, 2010. 1: 94-125.7 王树勋. UGNX注塑模具设计M. 北京: 中国电力出版社, 2009. 4: 79-87.8 杨黎明, 杨志勤. 机械设计简明手册M. 北京: 国防工业出版社, 2008. 1: 112-134.9 杨占尧. 注塑模具典型结构图例M. 北京: 化学工业出版社, 2005. 5: 79-90.10 张云杰. UG模具设计实例教程M. 北京: 清华大学出版社, 2008. 6: 48-60.11 中国模协技术委员会, 孙锡红. 我国塑料模具发展现状及发展建议A. 电加工与模具, 2010, 增刊: 31-33.12 李跃文. 塑料注塑成型技术新进展J. 塑料工业. 2011. 4: 79-98.13 刘国良. 基于Moldex3D的电器壳体注射模设计J. 模具制造. 2011. 8: 60-90.14 李海梅, 申长雨主编. 注塑成型及模具设计实用技术M. 北京: 化学工业出版社, 2002. 7: 59-69.15 孙大涌主编. 先进制造技术M. 北京: 机械工业出版社, 2000. 9: 132-148.16 Menges G, Mohren P.How to make injection molds : Second editionM. Munich:Hanser Publishers, 1993. 8: 113-132.17 Osswald T A, Menges G. Materials Science of Polymers for Engineers: 2nd.Munich J: Hanser Publishers, 2003. 5: 47-68.18 PaulKennethWright. 21stCenturyManufacturingM. Prentice-Hall,Inc.2001.3:35-54.附 录附录1:医用注射器筒体注塑模具装配图附录2:医用注射器筒体注塑模具前模仁零件图 附录3:医用注射器筒体注塑模具后模板零件图 34
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