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本科畢業(yè)設計(論文)
題目：固定器底座塑料模具設計
系 別： 機電信息系
專 業(yè)：機械設計制造及其自動化
班 級：
學 生：
學 號：
指導教師：
2013年05月
固定器底座塑料模具設計
摘要
本文講述了固定器底座塑料模具設計，主要內容包括制品材料的選擇及材料性能的分析、注射機的選用、模具結構選擇、澆注系統(tǒng)的設計、成型零件的設計、合模導向機構的設計、冷卻系統(tǒng)的設計、推出機構的設計以及部分零件的制造工藝分析和經(jīng)濟性分析及環(huán)保分析等。設計過程中運用到了Pro/Engineer、AutoCAD等一些常用的CAD技術,另外還涉及到Photoshop的應用。其與傳統(tǒng)的模具設計相比，在很多方面都具有相當大的優(yōu)越性。本設計旨在熟悉和鞏固模具設計過程。
塑料注射模具是成型塑料的一種重要工藝裝備，通過對固定器底座模具設計,能夠全面的了解塑料模具設計的基本原則、方法。并能較為熟練的使用Pro/Engineer、AutoCAD等軟件進行塑料模具設計,提高自己的繪圖能力,能為今后從事設計工作打下堅實的基礎。
關鍵詞：注塑模；工藝分析；澆注系統(tǒng)
Fixing device mold design
Abstract
This paper describes the fixing device mold design, the main contents include the selection of product material and its property analysis, the selection of injection machine, mold structure, design of gating system, the design of molding parts, mold closing mechanism design, cooling system design, introduced the design of institutions as well as parts of the manufacturing process analysis and the economic analysis and environmental analysis. The design process is applied to the Pro/Engineer, AutoCAD and some other commonly used CAD technology, moreover also relates to the application of Photoshop. With the traditional mold design, in many aspects has great superiority. In a mold design is the difficulty of design process hole. Is the use of the plastic parts of the design to replace the side core pulling, replace sb. This design is for the purpose of understanding and consolidate the mould design process.
Injection mould for plastic molding plastics is an important process equipment, based on the fixing device mold design, can fully understand the plastic mold design basic principle, method of. And more skilled use of Pro/Engineer, AutoCAD software for plastic mold design, to improve their drawing skills, to engage in design work and lay a solid foundation.
Key Words: plastic injection mould; Process analysis; gating system
目 錄
1 緒論 1
1.1 題目背景 1
1.2 國內外相關研究情況 1
1.3 中國與國外先進技術的差距 2
1.4 塑料模具發(fā)展走勢 2
2 塑件材料分析與方案論證 4
2.1 塑件的工藝分析 4
2.1.1 塑件的材料 4
2.1.2 ABS的成型工藝特性與性能 4
2.1.3 塑件的工藝性分析 4
2.1.4 苯乙烯-丁二烯-丙烯腈（ABS）的注射成型工藝參數(shù) 5
2.2 塑件的成型工藝 6
2.2.1 注射成型的原理 6
2.2.2 注射成型的工藝過程 7
2.3 注塑模的機構組成 8
2.4 方案論證 9
3 注射機的選擇 11
3.1 塑件收縮率與模具尺寸的關系 11
3.2 確定零件的體積 11
3.3 選擇注射機及注射機的主要參數(shù) 11
3.3.1 注射機的類型 11
3.3.2 注射機的主要技術參數(shù) 13
3.3.3 注射機的校核 13
4 模具結構的設計 15
4.1 澆注系統(tǒng) 15
4.1.1 澆注系統(tǒng)的作用 15
4.1.2 澆注系統(tǒng)布置 15
4.2 流道系統(tǒng)設計 15
4.2.1 澆口套的設計 15
4.2.2 冷料井設計 17
4.2.3 分流道設計 17
4.3 澆口設計 18
4.3.1 澆口的類型 18
4.3.2 澆口的位置 18
5 成型零件設計 20
5.1 分型面的設計 20
5.2 成型零件應具備的性能 20
5.3 成型零件的結構設計 21
5.3.1 凹模（型腔）結構設計 21
5.3.2 型芯的結構設計 21
5.4 成型零件工作尺寸計算 22
5.4.1 影響塑件尺寸和精度的因素 22
5.4.2 成型零件工作尺寸的計算 23
5.4.3 模具型腔側壁和底板厚度的計算 25
6 導向機構的設計 27
6.1 導向機構的作用 27
6.2 導柱導向機構 27
6.2.1 導向機構的總體設計 27
6.2.2 導柱的設計 28
6.2.3 導套的設計 28
7 脫模機構的設計 29
7.1 脫模機構的結構組成 29
7.1.1 脫模機構的設計原則 29
7.1.2 脫模機構的結構 29
7.1.3 脫模機構的分類 29
7.2 脫模力的計算 30
7.3 簡單脫模機構 30
7.3.1 推件板脫模機構的設計要點 30
7.4 復位裝置 32
8 側向分型與抽芯機構設計 33
8.1 側向分型與抽芯機構的分類 33
8.2 斜滑塊側向分型與抽芯機構 33
8.2.1 斜滑塊側向分型與抽芯機構設計要點 33
8.2.2 斜滑塊側向分型與抽芯機構的工作原理及其類型 33
8.3 斜導柱的計算 34
8.3.1 拔模力的計算 34
8.3.2 抽芯距的計算 34
8.4 斜滑塊的設計 35
9 排氣系統(tǒng)的設計 36
10 溫度調節(jié)系統(tǒng)的設計 37
10.1 溫度調節(jié)系統(tǒng)的作用 37
10.1.1 溫度調節(jié)系統(tǒng)的要求 37
10.1.2 溫度調節(jié)系統(tǒng)對塑件質量的影響 37
10.2 冷卻系統(tǒng)的機構 38
10.2.1 模具冷卻系統(tǒng)的設計原則 38
10.2.2 模具冷卻系統(tǒng)的結構 38
11 塑料模具用鋼 40
11.1 注塑模材料應具備的要求 40
11.2 模具材料選用的一般原則 40
11.3 本模具所選鋼材及熱處理 40
12 模具工作過程 42
13 模具可行性分析 43
13.1 本模具的特點 43
13.2 市場效益及經(jīng)濟效益分析 43
14 總結 44
致謝 45
參考文獻 46
畢業(yè)設計（論文）知識產權聲明 48
畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 49
VI
畢業(yè)設計（論文）
1 緒論
1.1題目背景
塑料注射模具是成型塑料制件的一種重要工藝裝備，在塑料制品的生產中起著關鍵的作用。塑料模具工業(yè)從起步到現(xiàn)在，歷經(jīng)半個世紀，有了很大發(fā)展，模具水平有了較大提高。在成型工藝方面，多材質塑料成型模、高效多色注射模、鑲件互換結構和抽芯脫模機構的創(chuàng)新設計方面也取得較大進展。氣體輔助注射成型技術的使用更趨成熟，如青島海信模具有限公司、天津通信廣播公司模具廠家在29—34英寸電視機外殼以及一些厚壁零件的模具上運用氣輔技術，一些廠家還使用了C-MOLD氣輔軟件，取得較好的效果。如上海新普雷斯等公司就能為用戶提供氣輔成型設備及技術。在制造技術方面，CAD/CAM/CAE技術的應用水平上了一個新臺階，以生產家用電器的企業(yè)為代表，陸續(xù)引進了相當數(shù)量的CAD/CAM系統(tǒng)。如美國EDS的UGⅡ、美國Parametric Technology公司的Pro/Engineer、美國CV公司的CADS5、美國Delta cam公司的CADS5、美國Delta cam公司的Doct5、日本HZS公司的 CRADE、以色列公司的Cimatron、美國AC-Tech等[1]。
整體來看，中國塑料模具無論是在數(shù)量上，還是質量、技術和能力等方面都有了很大的進步，但與國民經(jīng)濟發(fā)展的需求、世界先進水平相比，差距任然很大。一些大型、精密、復雜、長壽命的中高檔塑料模具每年仍需大量進口。在總量供不應求的同時，一些低擋塑料模具卻供過于求，市場競爭激烈，還有一些技術含量不太高的中高檔塑料模具也有供過于求的趨勢[2]。
1.2題目國內外相關研究情況
加入WTO，給塑料模具產業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，同時帶來更多的機會，由于中國塑料模具以中低檔產品為主，產品價格優(yōu)勢明顯，有些甚至只有國外價格的1∕5——1∕3。加入WTO后，國外同類產品對國內沖擊不大，而中國中低檔模具的出口量則加大;在高精模具方面，加入WTO前本來就主要依靠進口，加入WTO后，不僅為高精尖產品的進口帶來了更多的便利，同時還促使更多外資來中國建廠，帶來國外先進的模具技術和管理經(jīng)驗，對培養(yǎng)中國的專業(yè)模具人才起到了推動作[3]。
雖然近幾年模具出口增幅大于進口增幅，但所增加絕對量仍是進口大于出口，至使模具外貿逆差逐年增大。這一狀況在2006年已得到改善，逆差略有減少。模具外貿逆差增大主要有兩方面原因：一是國民經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展，特別是汽車產業(yè)的高速發(fā)展帶來了對模具的旺盛需求，有些高檔模具國內實在生產不了，只好進口；但確實也有一些模具國內可以生產，也可以進口。這與中國現(xiàn)行的關稅政策及項目審批制度有關。二是對模具出口鼓勵不夠?，F(xiàn)在模具與其它機電產品一樣，出口退稅率只有13％，而未達17％[4]。
從市場情況來看，塑料模具生產企業(yè)應重點發(fā)展那些技術含量高的大型、精密、復雜、壽命高的模具，并大力開發(fā)國際市場，發(fā)展出口模具。隨著中國塑料工業(yè)，特別是工程塑料的高速發(fā)展，可以預見，中國塑料模具的發(fā)展速度仍將繼續(xù)高于模具工業(yè)的整體發(fā)展速度，未來幾年年增長率仍將保持20％左右的水平。
近年來，港資、臺資、外資在中國大陸發(fā)展迅速，這些企業(yè)中大量自產自用塑料模具無確切的統(tǒng)計資料，因此未能進入上述統(tǒng)計之中。在科技發(fā)展中，人是第一要素，因此我們特別注意人才的培養(yǎng)，實現(xiàn)產、學、研相結合，培養(yǎng)更多的模具人才，搞好技術創(chuàng)新，，提高模具設計制造水平。在制造中積極采用多媒體與虛擬現(xiàn)實技術，逐步走向網(wǎng)絡化、智能化環(huán)境，實現(xiàn)模具企業(yè)的敏捷制造、動態(tài)聯(lián)盟與系統(tǒng)集成。我國模具工業(yè)一個完全信息化的、充滿著朝氣和希望而又實實在在的新時代即將到來[5]。
1.3中國與國外先進技術的差距
面對國外先進技術與高質量制品的挑戰(zhàn)，中國塑模企業(yè)不僅要加快產業(yè)集群化，發(fā)揮規(guī)模效應，還要注重模具產業(yè)鏈的前端研發(fā)、人才建設和產業(yè)鏈后端的檢測以及信息服務，盡快縮短技術、管理、工裝水平與國際水準的差距。這是塑料模具企業(yè)在發(fā)展中必須解決的重要問題。并且也要注意當前整個工業(yè)生產的發(fā)展特點（產品品種多、更新快、市場競爭激烈）。為了適應用戶對模具制造的短交貨期、高精度、低成本的迫切要求，我們必須學習國外先進技術，改善我們操作和管理方面的各種問題。
1.4塑料模具發(fā)展走勢
塑料新材料及多樣化成型方式今后必然會不斷發(fā)展，因此對模具的要求也越來越高。為了滿足市場需要，未來的塑料模具無論是品種、結構、性能還是加工都必將有較快發(fā)展，而且這種發(fā)展必須跟上時代步伐。展望未來，下列幾方面發(fā)展趨勢預計會在行業(yè)中得到較快應用和推廣。
（1）超大型、超精密、長壽命、高效模具將得到發(fā)展。
（2）多種材質、多種顏色、多層多腔、多種成型方法一體化的模具將得到發(fā)展。
（3為各種快速經(jīng)濟模具，特別是與快速成型技術相結合的RP/RT技術將得到快速發(fā)展。
（4）模具設計、加工及各種管理將向數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。
（5）更高速、更高精度、更加智慧化的各種模具加工設備將進一步得到發(fā)展和推廣應用。
（6）更高性能及滿足特殊用途的模具新材料將會不斷發(fā)展，隨之將產生一些特殊的和更為先進的加工方法。
（7）各種模具型腔表面處理技術，如涂覆、修補、研磨和拋光等新工藝也會不斷得到發(fā)展。
（8）逆向工程、并行工程、復合加工乃至虛擬技術將進一步得到發(fā)展。
（9）熱流道技術將會迅速發(fā)展，氣輔和其它注射成型工藝及模具也將會有所發(fā)展。
（10）模具標準化程度將不斷提高。
（11） 在可持續(xù)發(fā)展和綠色產品被日益重視的今天，“綠色模具”的概念已逐漸被提到議事日程上來。即，今后的模具，從結構設計、原材料選用、制造工藝及模具修復和報廢，以及模具的回收利用等方面，都將越來越考慮其節(jié)約資源、重復使用、利于環(huán)保，以及可持續(xù)發(fā)展這一趨向[6]。
3
畢業(yè)設計（論文）
2 塑件材料分析與方案論證
2.1塑件的工藝分析
2.1.1塑件的材料
此塑件的材料為ABS。
2.1.2 ABS的成型工藝特性與性能 ：
非結晶型塑料，品種牌號很多。各品種的機電性能和成型性能也各有差異，應按品種確定成型方法和成型射時間和冷卻時間最重要，它們對塑件的質量均有決定性影響。注射時間中的 充模時間和充模速度成正比，在生產中，充模時間一般為3s～5s。注射時間中的保壓時間就是對型腔的壓實時間，在整個注射時間內所占的比例較大，一般為20s～25s，（特厚塑件可高達5min～ 10min）。在熔料凍結澆口之前，保壓時間的多少，將對塑件密度和尺寸精度產生影響。保壓時間的長短不僅與塑件的結構尺寸有關，而且與料溫、模溫以及主流道和澆口的大小有關。如果主流道和澆口的尺寸合理、工藝條件正常，通常以塑件收縮率波動范圍最小的壓實時間為最佳值。
冷卻時間主要決定于塑件的厚度、塑件的熱性能和結晶性能以及模具溫度等。冷卻時間的長短應以脫模時塑件不引起變形為原則，冷卻時間一般在30s～120s之間。成型周期中的其他時間則與生產過程是否連續(xù)化和自動化，以及連續(xù)化和自動化的參與程度有關[7]。
2.1.3塑件的工藝性分析
塑件名稱：固定器底座；
精度：零件的精度等級為塑4級，表面粗糙度為Ra0.4；
零件尺寸：零件的尺寸見圖2.1所示，零件的三維圖如下圖2.2所示
圖2.1塑件二維圖
圖2.2 塑件三維圖
工藝條件： 吸濕性強，成型前需充分干燥，要求含水量不小于0.3%，對于表面光澤要求叫高的制品，需要長時間預熱干燥；
流動性一般，溢料間隙約0.4mm（流動性比PS和AS差，但比PC、RPVC好）；
成型難度較聚苯乙烯大，宜采用較高的料溫和模溫（對耐熱，高抗沖擊型和中抗擊型品種，應在允許范圍內，將其料溫去取最大值），料溫對制品物性影響較大，若料溫過高，很容易使熔體分解（分解溫度約250°C）。若制品精度要求過高，模溫宜取50°C～60°C，若制品表面要求具有光澤或對于耐熱型品種，模溫宜取600°C～80°C；
注射壓力應比成型聚苯乙烯時高，采用柱塞式注射機時，料溫可取180°C～330°C、注射壓力可取100Mpa～140Mpa，采用螺桿式注射機時，料溫可取160°C～220°C，注射壓力可取70Mpa～100Mpa；
設計模具時需注意：澆注系統(tǒng)的流動阻力應可能小，澆口形式及其位置應合理并能防止產生熔接痕或減少熔接痕數(shù)量，另外， 脫模斜度宜取2°以上，頂出力不宜過大，否則，成型時或成型后對制品進行機械加工時，制品表面容易“發(fā)白”變渾，對于有發(fā)白現(xiàn)象的制品，需要在熱水中加熱，以消除發(fā)白現(xiàn)象。
2.1.4苯乙烯-丁二烯-丙烯腈（ABS）的注射成型工藝參數(shù)
ABS材料性能指數(shù)如表2.1所示
表2.1 ABS材料性能
名稱
單位
數(shù)值
密度
(g/cm3)
1.04~1.06
熔 點
℃
130~160
熱變形溫度
45N/cm
65~98
彎曲強度
Mpa
80
拉伸強度
MPa
35~49
拉伸彈性模量
GPa
1.8
硬度
HR
R62~86
收縮率
%
0.4~0.8
缺口沖擊強度
kJ/m2
11~20
彎曲彈性模量
Gpa
1.4
壓縮強度
HR
R62~86
體積電阻系數(shù)
Ωcm
1013
擊穿電壓
Kv.mm-1
15
介電常數(shù)
60Hz
3.7
2.2 塑件的成型工藝
塑料的種類很多，其成型的方法也很多，有注射成型、壓縮成型、壓注成型、擠出成型、氣動與液壓成型、泡沫塑料的成型等。其中前四種方法最為常用。本塑件的成型采用注射成型。
注射成型又稱為注射模塑，是熱塑性塑料制件的一種主要成型方法，除個別熱塑性塑料外，幾乎所有熱塑性塑料都可用此方法成型。近年來，注射成型已成功的用來成型某些熱固性塑件。
注射成型可成型各種形狀的塑料制件。它的特點是成型周期短，能一次成型外觀復雜、尺寸精密、帶有嵌件的塑料制件，且生產率高，易于實現(xiàn)自動化生產，所有廣泛用于塑料制件的生產中，但注射成型的設備及模具的制造費用較高，不適合單件及批量較小的塑料制件生產。
注射成型所用的設備是注塑機。目前注塑機的種類很多，但普遍采用的是柱塞式注塑機和螺桿式注塑機[8]。
2.2.1注射成型的原理
注射成型是原理是將顆粒狀態(tài)或粉狀塑料從注塑機的料斗送進加熱的料筒中，經(jīng)過加熱熔融塑化成為粘流態(tài)熔體，在注射劑柱塞或螺桿的高壓推動下，以很大的流速通過噴嘴注模具型腔，經(jīng)一定時間的保壓冷卻定型后可保持模具型腔所賦予的形狀，然后開模分型獲得成型塑件，這樣就完成了一次工作循環(huán)。
2.2.2注射成型的工藝過程
注射成型工業(yè)過程包括：成型前的準備、注射成型過程以及塑件的后處理三個階段。
a. 成型前的準備
為確保注射過程順利進行和保證質量，應對所用設備和塑料進行一下準備工作：
(1) 成型前對原料的預處理 根據(jù)各種塑料的特性及供料狀況，一般在成型前對原料進行外觀（指色澤、粒度大小及均勻性等）和工藝性能（熔融指數(shù)、流動性、收縮率等）檢驗。如果來料為粉料，則有時還需進行捏合、塑煉、造料等操作。此外對所用料粒有時還需要進行干燥。
(2) 料筒的清洗 在注射成型前，如果料筒內殘余塑料與將要使用的塑料不一致以及需要調換顏色或發(fā)現(xiàn)塑料中有分解現(xiàn)象時，都需要對料筒進行清洗或更換。
柱塞式注射機料筒內的存料量較多且料筒中間有分流梭，因此清洗較困難必須拆卸清洗或者采用專用料筒。
(3) 螺桿式注射機通常是直接換料清洗 為節(jié)省時間和原料，換料清洗應根據(jù)塑料的熱穩(wěn)定性成型溫度范圍及各種塑料之間的相容性的因素采用正確的清洗步驟。當新料的成型溫度高預料筒內存料的成型溫度時，先將料筒溫度升至新料的最低成型溫度，然后加入新料，并連續(xù)“對空注射”，直至全部存料清洗完畢，在調整料筒溫度進行正常生產。當新料成型溫度比存料成型溫度低，則先將料筒溫度升高到存料最好的流動溫度后切斷電源，用新料在降溫下進行清洗。當新料與存料成型溫度相近時，則不必變更溫度，直接清洗即可。
(4) 脫模劑的使用 脫模劑是使塑件容易從模具中脫出而敷在模具表面上的一種助劑。常用的脫模劑有硬脂酸鋅液體石蠟和硅油等。除了硬脂酸鋅不能用于聚酰胺之外，上述三種脫模劑對于一般塑料均可使用，其中尤以硅油脫模效果最好，只要對模具施用一次，即可長效脫模，但價格很貴。硬脂酸鋅多用于高溫模具，而液體石蠟多用于中低溫模具。
使用脫模劑時，要求涂層適量和均勻，否則會影響塑料的外觀及性能。
b. 注射成型過程
注射過程是塑料轉變?yōu)樗芗闹饕A段。它包括加料、塑化、加壓、注射、保壓、冷卻定型和脫模等步驟。
(1) 加料 由注射劑料斗落入一定量的塑料，以保證操作穩(wěn)定、塑料塑化均勻，最終獲得良好的塑件。通常其加料量由注射機裝置來控制。
(2) 塑化 塑化是指塑料在料筒內經(jīng)加熱達到熔融流動狀態(tài)，并具有良好的塑性的全過程。就生產的工藝而論，對這一過程的總要求是：在規(guī)定時間內提供足夠數(shù)量的熔融塑料，塑料熔體在進入型腔之前要充分塑化，既要達到規(guī)定的成型溫度，又要使塑化料各處的溫度盡量均勻一致，還要使熱分解物的含量達最小值。這些要求與塑料的特性、工藝條件的控制及注射機塑化裝置的結構等密切相關。
(3) 加壓注射 注射機用柱塞或螺桿推動具有流動性和溫度均勻的塑料熔體，從料筒中經(jīng)過噴嘴、澆注系統(tǒng)直至注入模腔。
(4) 保壓 保壓是自注射結束到柱塞或螺桿開始后移的這段過程，即壓實工序。保壓的目的一方面是防止注射壓力解除后，如果澆口尚未凍結，發(fā)生型腔中熔料通過澆口流向澆注系統(tǒng)，導致熔體倒流；另一方面則是當型腔內熔體冷卻收縮時，繼續(xù)保持施壓狀態(tài)的柱塞或螺桿可迫使?jié)部诟浇娜哿喜粩嘌a充進模具中，使型腔中塑料能成型出形狀完整而致密的塑件。
(5) 冷卻定型 當澆注系統(tǒng)的塑料已經(jīng)冷卻凝固，繼續(xù)保壓已不再需要，此時可退回柱塞或螺桿，同時通入冷卻水或空氣等冷卻介質，對模具進一步冷卻，這一階段稱冷卻定型。實際上冷卻定型過程從塑料注入型腔起就開始，它包括從注射完成、保壓到脫模前這一段時間。
(6) 脫模 塑件冷卻到一定溫度即可開模，在推出機構的作用下將塑件推出模外。
c. 塑料的后處理
塑件經(jīng)注射成型后，除去澆口凝料，修飾澆口處余料及飛邊毛刺外，常需要進行適當?shù)暮筇幚?，借以改善和提高塑件的性能，塑件的后處理主要指退火和調濕處理。
(1) 退火處理 退火處理是使塑件在定溫的加熱液體介質（如熱水甘油和液體石蠟）或熱空氣循環(huán)烘箱中靜置一段時間，然后緩慢冷卻的過程。其目的在于減少由于塑件在料筒塑化不均勻或在型腔內冷卻速度不一致，而形成內應力，這在生產厚壁或帶有金屬鑲件得塑件時尤為重要。一般退火溫度控制在塑件使用溫度以上10-15℃，或低于塑料的熱變形溫度10-20℃。退火處理的時間取決于塑件品種、加熱介質、溫度、塑件的形狀和成型條件。退火時間到達后，塑件緩慢冷卻至室溫，冷卻太快，有可能重新產生內應力。
(2) 調濕處理 將剛脫模的塑件放在熱水中進行處理，以隔絕空氣，防止塑件氧化而變色，同時，加快達到吸濕平衡的一種處理方法。通過處理，使塑件的顏色性能和尺寸達到穩(wěn)定。通常聚酰胺類塑件需進行調濕處理，處理的時間隨塑料的品種形狀厚度及結晶度大小而異[10]。
2.3注塑模的機構組成
注射模具主要包括動模和定模兩部分，動模安裝在注射機的移動模板上，定模安裝在注射機的固定模板上。注射時動模與定模閉合，構成型腔和澆注系統(tǒng)，開模時動模與定模分離，以便取出塑料制品[11]。
2.4方案論證
方案一：采用強制脫模，其澆口套和澆口設在定模固定板上。
方案二：采用彈簧抽芯，型芯將由大小不同的三對鑲塊組成，由鑲塊組成的型芯結構內部是空心的，空心部分加一頂桿。在鎖模力解除后，頂桿抽出，在彈簧力的作用下，型芯鑲塊向里運動，從而實現(xiàn)脫模。
方案三：采用一模四腔結構，其澆口設置在定模板上，用推桿實現(xiàn)脫模，且效率高。
方案一采用強制脫模，雖然模具設計結構比較，但是塑件容易產生變形或者破壞。方案二采用彈簧抽芯機構，由于彈簧存在一定的擰緊力，使鑲塊中間的頂桿運動受阻。方案三采用一模四腔結構，效率高。采用側澆口。
經(jīng)過以上三種方案比較及塑件本身特點，決定采用側澆口。其模具的二維裝配圖草圖如下圖2.3所示。
(a） 模具裝配主視圖
（b）模具裝配左視圖
1. 定模座板 2.螺釘 3.推板 4.推桿 5.推桿固定板 6.墊塊 7.支撐板
8. 導柱 9.快速接頭 10.動模板 11. 12.導套 13.定模版 14.型腔 15.定模座板 16.水道膠圈 17.銅塞 18.斜導柱 19.限位擋塊 20.限位彈簧 21. 限位螺釘 22.螺釘23.推板導套24.推板導柱25.拉料桿 26.螺釘 27.螺釘 28.定位圈 29.澆口套 30.螺釘 31.型芯32.螺釘 33.彈簧 34.回程桿
圖2.3 模具二維草圖
10
畢業(yè)設計（論文）
3 注塑機的選擇
3.1塑件收縮率與模具尺寸的關系
注塑件脫模后的尺寸要比模具零件的相應尺寸小。這是由于注塑成型過程中熔融塑料產生收縮造成的。成型塑件的收縮率是一個與多種因素有關的量。通常，塑料的收縮率是有生產廠家按照某一實驗標準給定的成型工藝，經(jīng)過實驗后給出一個取值范圍。實際過程中的成型工藝不可能完全與實驗條件相同，因此，對具體的塑件，要根據(jù)其成型工藝選擇收縮率范圍內適當?shù)闹担话闶侨∷芗湛s率的平均值[12]。
在選擇塑件收縮率值時要注意，厚壁塑件（壁厚在3mm以上）按給定收縮率范圍的上限取值，而薄壁塑件（壁厚在1mm以下）按給定收縮綠范圍的下限取值。成型收縮率與模具和塑件尺寸有下述關系式
（3.1）
0
式中，k為成型收縮率；為模具尺寸（mm）；為塑件尺寸（mm）
3.2 確定零件的體積
a. 零件的基本參數(shù) 一模四腔, =92mm ，=32mm， =48.5mm
b. 零件的體積 由Pro/e軟件計算出塑件體積：=4.96 cm3
c. 損失的體積 考慮飛邊及流道損失，選取澆口及流道損失=3cm3
V= =+=4.96+3=7.96cm3
d. 塑件的總體積 因塑料的體積與壓縮率有關，故所需體積為：
=V=4×7.96=31.84cm3。在加工過程中考慮到塑料的利用率, 取利用系數(shù) K=0.8。故注射成型機最大注射量V0應大于或等于/ K及V0≥/ K=31.84/0.8=39.8cm3
3.3 選擇注射機及注射機的主要參數(shù)
3.3.1 注射機的類型
不同的注射成型方法，對注射機的要求及裝配位置是不同的。用于注射成型的設備有：通用注射機、熱固性塑料注射機、特種注射成型工藝用注射機等類別。
通用注射機主要用于熱塑性塑料注射成型，是一類應用很廣泛是的注塑機。在這種注塑機上加上特定的輔助設施，可以用于熱流道注射成型、氣體輔助注射成型、多級注射成型等。
熱固性塑料注射機用于熱固性塑料注射成型，在其上面添加流道的溫度調節(jié)與控制系統(tǒng)，或在鎖模機構上加上二次合模系統(tǒng)，可用于熱固性塑料冷流道注射成型或熱固性塑料壓鑄成型。
特種注射機有很多，如動力熔融注射機、排氣注射機、結構發(fā)泡注射機、BMC注射機、液態(tài)注射機、反應注射機等，它們主要用于不同的特種注射成型工藝[13]。
就本課題而言，主要用的是通用注射機。通用注射機按分類方式不同，有多種形式：
a. 按注射機的注射方向和模具的開合方向，可分為三類。
(1) 臥式注射機 這種注射機成型物料的注射方向與合模機構開合方向均沿水平方向。其特點是重心低、穩(wěn)定，加熱、操作及維修均很方便，塑件推出后可自行脫落，便于實現(xiàn)自動化生產。其缺點是模具安裝較麻煩，嵌件放入模具有傾斜和脫落的可能，機床占地面積較大。目前，大、中型注射機一般采用這種形式。
(2) 立式注射機 成型物料的注射方向與合模機構開合方向均垂直于地面。其主要有點是占地面積小，安裝和拆卸模具方便，安裝嵌件較容易。缺點是重心高、不穩(wěn)定，加料較困難，推出的塑件要人工取出，不易實現(xiàn)自動化生產。這種機型一般為小型的，最大注射量在60g以下。
(3) 角式注射機 成型物料的注射方向與合模機構開合方向相互垂直，又成為直角式注射機。目前國內使用最多的角式注射機采用沿水平方向開合模，沿垂直方向注射。其主要優(yōu)點是結構簡單，便于自制。主要缺點是不能準確可靠地控制注射壓力、保壓壓力和鎖模力，模具受沖擊和震動較大。
b. 按注射裝置分類，可分為三類。
(1) 螺桿式 以同一螺桿來實現(xiàn)成型物料的塑化和注射。它能使成型物料的混煉塑化均勻，無材料滯留，結構簡單，但壓力損失較大，是當前使用較廣泛的機 型。
(2) 柱塞式 以加熱料筒、分流梳和柱塞來實現(xiàn)成型物料的塑化和注射。它構造簡單，適合于小型塑件的成型，但材料滯留嚴重，壓力損失大。
(3) 螺桿預塑化型 這是雙料筒形式，螺桿、料筒進行塑化，柱塞、料筒進行注射。它能使塑化均勻，計量準確，適合與精密成型。但其結構復雜，材料滯留大。
c. 按鎖模裝置分類，可分為兩類
(1) 直壓式 以液壓缸直接鎖模。這種形式調整、保壓都較容易，但能量消耗大。
(2) 肘拐式 以連桿機構實現(xiàn)鎖模，常與液壓缸一起組合使用。它可以實現(xiàn)高速合模，鎖?？煽?，產品不易實現(xiàn)飛邊，但調整復雜，需要經(jīng)常保養(yǎng)[14]。
綜上所述，根據(jù)注射容積、注射壓力、鎖模力初選注射機型號為XS-ZY-125。
3.3.2 注射機的主要技術參數(shù)
注塑機的主要技術參數(shù)如表3.1所示
表3.1注塑機的主要技術參數(shù)
工程注射量/
125
螺桿直徑 /
42
注射壓力/Mpa
119
鎖模力/kN
900
最大成型面積/
320
模板最大行程/
300
模具最大厚度/
300
模具最小厚度/
200
模板尺寸a×b/
260×290
拉桿空間a或a×b/
205
定位圈尺寸/
16
頂出形式/
兩側頂出中心距70
生產廠家
上海塑機廠
噴嘴圓弧半徑/
12
噴嘴孔徑/
4
3.3.3注塑機的校核
a. 最大注射量校核 最大注射量是指注射機一次注射塑料的最大容量，設計時應保證成型塑件所需的注射量小于所選注射機的最大注射量。
SZ-250/160型注射出成型機理論注射量125g20.8g，因此滿足要求。
b. 鎖模力校核 當高壓的塑料熔體充滿模具型腔時，會產生一個沿注射機抽向的很大的推力，此推力的大小等于塑件加上澆注系統(tǒng)在分型面上的垂直投影面積之和（即注射面積）乘以型腔內的塑料壓力。此力可使模具沿分型面漲開。為了保持動、定模閉合緊密，保密塑件的尺寸精度并盡量減小溢邊厚度，同時也為了保障操作人員的人身安全，需要機床提供足夠大的鎖模力。因此，欲使模具從分型面漲開的力必須小于注射機規(guī)定的鎖模力。即
（3.2）
式中 ——注射機的額定鎖模力，KN；
——塑件與澆注系統(tǒng)在分型面上的總投影面積，cm2；
P——熔融塑料在模腔內的壓力，kg/cm2；
——損耗系數(shù)，通常取～。
P·K·A=0.5402.10=42KN
T=900KN>42KN即該注塑機的鎖模力符合要求。
c. 模具厚度校核 模具厚度必須滿足下式：
（3.3）
式中 ——模具閉合厚度，mm；
——注塑機所允許的最小模具厚度，200mm；
——注塑機所允許的最大模具厚度，300mm；
根據(jù)結構草圖可知，初選的模具厚度為290mm,滿足要求。
d. 開模行程校核 開模取出塑件所需的開模距離必須小于注塑機的最大開模行程。對于雙分形面的注塑模具，其開模行程按下式效核
SH+H+L+（5～10）(mm) =200.5mm （3.4）
式中 S——注塑機的最大行程，mm；
H——脫模距離，此模具中為22mm；
H——塑件加澆注系統(tǒng)總高，此模具中為120mm；
L——型腔板移動的距離，此模具中為48.5mm；
所以上式成立（300>200.5），即該注塑機的開模行程符合要求。
由以上對各參數(shù)的效核可知該XS-ZY-125型注塑機符合要求。
14
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4 模具結構的設計
4.1澆注系統(tǒng)
澆注系統(tǒng)是熔融塑料從注射機噴嘴到型腔的必經(jīng)通道，它直接關系到成型的難易和塑件的質量，是注射模設計中的重要組成部分。
4.1.1澆注系統(tǒng)的作用
澆注系統(tǒng)的作用是使熔融塑料平穩(wěn)、有序地填充到型腔中去，且把壓力充分地傳遞到型腔的各個部位，以獲得組織致密、外形清晰、美觀的塑件。
對澆注系統(tǒng)設計的具體要求是：
a. 對模腔的填充迅速有序；
b. 可同時充滿各個型腔；
c. 對熱量和壓力損失較??；
d. 盡可能消耗較少的塑料；
e. 能夠使型腔順利排氣；
f. 澆注道凝料容易與塑料分離或切除；
g. 不會使冷料進入型腔；
澆口痕跡對塑料外觀影響很小。
4.1.2澆注系統(tǒng)布置
在多模腔中，分流道的布置有平衡式和非平衡式兩種類型，一般以平衡式為宜。
澆注系統(tǒng)無論是平衡或非平衡布置，型腔均應與模板中心對稱。使型腔和流道的投影中心與注射機鎖模力中心重合，避免注射時產生附加的傾側力矩。
4.2澆注系統(tǒng)設計
流道系統(tǒng)包括主流道、分流道和冷料井以及結構設計。
4.2.1澆口套的設計：
澆口套與定模部分裝配后，必須與分模面有一定的間隙，其間隙大約為
0.005～0.15mm，因為該處受噴嘴壓力的影響，在注射時會產生變形。
主澆道的設計：主澆道與注射機噴嘴在同一軸心線上。在立式或臥式注射機用模具中，主流道垂直與分型面。
其設計要點如下：
a. 主流道一般設計成圓錐形，其錐角一般為，流動性差的可取，內壁表面粗糙度，以便于澆注系統(tǒng)凝料從其中順利的拔出。
b. 為使塑料熔體完全進入主流道而不溢出，主流道與注射機噴嘴的對接處應做成球面凹坑。凹坑深度取。
c. 由于主流道要與高溫塑料和噴嘴反復接觸和碰撞，所以主流道部分常 （a） （b） （c）
1—主流道襯套 2—定模板 3—定位圈
圖4.1 主流道襯套的結構形式
設計成可拆卸的主流道襯套，襯套一般選用碳素工具鋼，如T8A、T10A 等，熱處理要求。主流道襯套的結構如下圖4.1所示，其中圖（a）結構是將定位圈與主流道襯套做成一體，常用于小型模具；圖（b）用螺釘把定位圈與定模板連接，將主流道襯套壓住，防止主流道襯套因受熔體的反壓力而脫出；圖（c）結構是在定位圈的下端面做出一凸臺，利用注射機的固定板把定位圈和主流道襯套壓住。主流道襯套與定模板的配合可采用。
d. 為減少塑料熔體充模時的壓力損失和塑料損耗，應盡量縮短主流道的長度，一般主流道的控制在60mm以內。為減少料流轉向時的阻力，主流道的出口應做成圓角，圓角半徑r=。主流道的出口端面應與定模分型面齊平，以免出現(xiàn)溢料[16]。
本次設計的澆口套的二維圖和三維圖如下圖4.2和圖4.3所示：
圖4.2 澆口套二維圖
圖4.3澆口套三維圖
主流道直徑的經(jīng)驗公式為
（4.1）
式中 ——主流道大頭直徑，mm；
——流經(jīng)主流道的熔體體積（包括各個型腔、各級分流道、主流道以及冷料穴的容積），mm；
——因熔體材料而異的常數(shù)，查手冊得PC的K=1.5。
則
D=
取D=8mm。
噴嘴孔徑為4mm，噴嘴球面半徑為12mm
則，d=5mm，R=14mm，r=2mm，H=6mm。
4.2.2冷料井設計
冷料井的位置在正對主澆道的動模上，一般處于分流道的末端，它的作用是將物料前端的“冷料”收集起來，防止“冷料”進入型腔而影響塑件的質量。開模時冷料井能起到將主流道的冷凝料拉出的作用，冷料井的直徑比應比主流道的大端直徑稍微大一些。冷料井的形式有帶Z形拉料勾的冷料井；帶球頭形拉料的冷料井；倒錐形冷料井等。[17]
本方案采用的是帶Z形拉料桿。
4.2.3分流道的設計
分流道是指主流道與澆口之間的通道。其作用是使熔融材料過渡和轉向。在単型腔模具中可不設置分流道，在多型腔模具中均設置分流道，且常由一級分流道和二級分流道共同完成。要求滿足熔融料流壓力損失小，容積最小。
分流道截面形狀有圓形、梯形、U形、半圓形及巨型等。為減小分流道內的壓力損失，希望分流道截面面積要大，為減少散熱，又希望分流道表面積要小。流道長度宜短，因為長的流道不但會造成壓力損失，不利于生產，同時也浪費材料；但過短，產品的殘余應力增大，并且容易產生飛邊。澆道的截面積越大，壓力的損失越??；澆道的表面積越小，熱量的損失越小。用澆道的截面積和表面積的比值來表示澆道的效率，效率越高，澆道的設計越合理[17]。
對于壁厚小于mm，重量在200g以下的塑件，可用下述經(jīng)驗公式確定分流道的直徑（此時算出的分流道直徑僅限于3.2～9.5mm）：
(4.2)
式中 D為-分流道的直徑，mm；
W為-塑件的質量，g（此零件為5.21g）；
L為-分流道的長度，mm（約為51）；
所以D≈4mm。
4.3澆口設計
4.3.1澆口的類型
a. 直接澆口 熔融塑料直接從主流道進入模具型腔；
b. 側澆口 開設在型腔的側面，與型腔和分流到相連，其橫截面形狀一般為矩形；
c. 搭接式澆口
d. 扇形澆口
e. 帶有調整片的澆口
f. 盤壯澆口
g. 環(huán)壯澆口
h. 膜片澆口
i. 點澆口
j. 潛伏式澆
綜合考慮塑件的形狀及材料表面的切料點，并且可以通過一次分型得出塑件，決定該模具的分流道設在動模型板上，采用半圓形流道，且澆口采用側澆口。
本模具采用的側澆口，其優(yōu)點是澆口形狀簡單，尺寸容易準確控制，通常用于除聚碳酸脂外的所有塑膠材料。
側澆口的缺點是產品表面有澆口瑕疵，須切斷澆道。
4.3.2澆口的位置
澆口的位置對塑件的質量有極大的影響，澆口的位置選擇時應遵循如下原則：
a. 澆口應開設在塑件較厚的部位，以利于熔體流動，型腔的排氣和塑料的補塑，避免塑件產生縮孔或表面凹陷；
b. 澆口的設置應避免塑件表面產生熔接痕，影響塑件的外觀；
c. 澆口應設置在能使型腔的各個角落同時充滿的位置；
d. 澆口應設置在有利于排出型腔中的氣體的位置；
e. 澆口應設計在能避免塑件表面產生熔接痕的部位；
f. 模具的型芯細小時，澆口設計應注意不能使熔融塑料直接沖擊型芯，以免型芯被沖擊變形。
g. 澆口不要設置在塑件使用中的承受彎曲載荷和沖擊載荷的部位[18]。
19
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5 成型零件設計
注射模具閉合時，成型零件構成了成型塑料制品的型腔，成型零件主要包括凹模、凸模、型芯、鑲拼件，各種成型桿與成型環(huán)。成型零件承受高溫高壓塑料熔體的沖擊和摩擦。在冷卻固化中形成了塑件的形體、尺寸、和表面。在開模和脫模時需克服與塑件的粘著力。在上萬次、甚至幾十萬次的注射周期，成型零件的形狀和尺寸精度、表面質量及其穩(wěn)定性，決定了塑料制品的相對質量。成型零件在充模保壓階段承受很高的型腔壓力，作為高雅容器，它的強度和剛度必須在容許值之內。成型零件的結構，材料和熱處理的選擇及加工工藝性，是影響模具工作壽命的主要因素。
5.1分型面的設計
模具上用以取出塑件和凝料的可分離的接觸表面成為分型面。分型面的設計在注射模的設計中占有相當重要的位置，分型面的設計合理與否直接影響到塑件的質量；模具的整體機構；工藝操作的困難程度及模具的制造成本。常見的取出區(qū)間的主分型面，與開模方向垂直。也有采用與開模方向一致的側向主分型面。分型面大都是平面，也有曲面或臺階面。
分型面的選擇原則：
a. 分型面應選擇在塑件外形的最大輪廓處，只有這樣才能使塑件從模具中順利地脫模，這是最根本的一條原則。
b. 分型面的選擇應考慮有利于塑件的脫模，一般模具的脫模機構通常設置在動模一側，模具開模后塑件應停留在動模一邊，以便塑件順利脫模。
c. 分型面的選擇要保證塑件的進度要求，塑件光畫的表面不應設計分型面，以避免影響外觀質量；塑件中要求同軸度的部分要放在分型面的同一側，以保證塑件同軸度的要求。
d. 分型面的選擇還應考慮模具的側向抽拔距，由于模具側向分型是由機械分型機構來完成的，所以抽拔距都比較小，選擇分型面時應將抽芯和分型距離長的方向置于開模的方向，將小抽拔距作為側向分型或抽芯。
e. 分型面作為主要的排氣渠道，應將分型面設計在熔融塑料的流動末端，以便于模具型腔內氣體的排出。
f. 選擇分型面時應使模具零件易于加工，減小機加工的難度，要使模具加工工藝最簡單。
鑒于以上要求，本模具的分型面設在動定模的結合面處，此處為塑件截面尺寸最大的部位，是該塑件分型面的一個好的選擇[19]。
5.2成型零件應具備的性能
由于成型零件的質量直接影響到塑件的質量，且與高溫高壓的塑料熔體接觸，所以必須具備一下性能：
a. 具有足夠的強度和剛度，以承受塑料熔體的高溫和高壓。
b. 具有足夠的硬度和耐磨性，以承受流料的摩擦和磨損。
c. 具有良好的拋光性能和耐腐蝕性能。
d. 零件的加工性能好，可淬性良好，熱處理變形小。
e. 成型部位須有足夠的位置精度和尺寸精度。
5.3成型零件的結構設計
5.3.1凹模（型腔）結構設計
凹模也稱為型腔，是成型塑件表面形狀的模具零部件。按結構不同可分為五種：
a. 整體式凹模 它是由整塊材料加工制成。整體式凹模的強度高，成型的塑表面光滑無痕跡，但模具加工困難，熱處理變形大，材料浪費嚴重，適用于中小型簡單模具。
b. 整體嵌入式凹模 經(jīng)常應用于多型腔模具，凹模常加工成帶臺階的鑲塊，從凹模固定板下部嵌入，或者凹模與凸模固定板采用過盈配合，用螺釘連接在固定板上，凹模如果是回轉體，還需要銷釘或平鍵定位止轉。整體嵌入式凹模加工和安裝容易，熱處理變形小，便于凹模損壞時的更換和維修，成型后的塑件如有毛刺扥缺陷時，有利于脫模和后處理。
c. 鑲嵌式凹模 有的模具采用局部鑲嵌式凹模，對于大型模具或形狀復雜的模具，為了便于機械加工或熱處理，而采用大面積鑲嵌式凹模。局部鑲嵌的凹模一般都是凹模的易損部分或難于加工成型的部分，凹模鑲嵌的配合表面要磨平、拋光，以減少塑件成型時的表面毛刺，保證塑件表面質量。
d. 四壁拼合式凹模 弱國矩形凹模巨大且復雜，可將底部和四壁分別加工，經(jīng)研磨后嵌入模套，側壁之間采用扣鎖連接，以保證連接的準確性。
e. 拼塊式凹模 對于有側凹的圓形塑件要采用側向分型機構，以便塑件順利從凹模取出，凹模可有兩塊或多塊拼合而成[20]。
本模具為外形復雜且型腔較多的中小型塑件，故采用嵌入式凹模。
5.3.2型芯的結構設計
型芯是成型塑件內表面的模具零件，根據(jù)成型情況不同，型芯可分為一下結構形式：
a. 整體型芯 整體型芯是在型芯固定板或型腔上直接加工出型芯，這種型芯結構牢固，成型的塑件質量好，但模具的加工難度大，適用于內形簡單、深度不大的型芯設計。
b. 鑲嵌式型芯 在多型腔模具中常常將型芯加工成帶臺階的型芯，鑲嵌到型芯固定板上，如型芯為回轉體且有不對稱凹槽或凸起，需要加銷釘定位止轉。
當型芯細小時，可采用過盈配合，鉚接或樹脂粘結的方法將型芯與固定板連接起來。
c. 組合式型芯 對于形狀較為復雜的型芯通常用兩個或多個型芯共同組合而成，這種方法可以講復雜型芯簡單化，使加工難度降低，也有利于型芯的拋光。它需求各型芯配合面要平整，與型芯固定板的配合要緊密，不要是用銷釘或螺釘固定連接[21]。
型芯結構同型腔結構類似，亦采用嵌入式凸模。
5.4成型零件工作尺寸計算
注塑模成型零件工作尺寸，是指成型零件上直接成型塑件的型腔尺寸。由于塑件在高壓和熔融溫度下充模成型，并在模具溫度下冷卻固化，最終在室溫下進行尺寸檢測和使用。因此，塑料制品的形狀和尺寸精度的獲得，必須考慮物料的成型收縮率等眾多因素的影響。成型零件的工作尺寸主要有型腔和型芯的徑向尺寸（包括矩形和異形的長度和寬度尺寸）、型腔的深度和型芯的高度尺寸、型腔（型芯）與型腔（型芯）的位置尺寸等。在模具設計中，應根據(jù)塑件的尺寸、精度來確定模具成型零件的工作尺寸和精度。
5.4.1影響塑件尺寸和精度的因素
a. 成型收縮率 塑料成型后的收縮率與塑料的材料、塑件的結構、模具的結構以及成型的工藝條件等因素有關，因此，在實際工作中，成型收縮率的波動很大，從而引起塑料尺寸的誤差很大，塑件尺寸的變化值為：
（5.1）
式中 ——塑料收縮波動而引起的塑件尺寸誤差，mm；
——塑料的最大收縮率，%；
——塑料的最小收縮率，%；
——塑件尺寸，mm。
一般情況，由成型收縮率波動而引起的塑件尺寸誤差要求控制在塑件尺寸公差的1/3以內。
b. 模具成型零件的制造誤差 模具成型零件的制造精度是影響塑件尺寸精度的重要因素之一，模具成型零件的制造誤差越小，塑件的尺寸精度越高，但是模具零件的加工困難，制造成本和加工周期也會加大加長。實踐證明，如果模具成型零件的制造誤差在IT7～IT8級之間，成型零件的制造公差占塑件尺寸公差的1/3。
c. 模具成型零件的磨損 模具在使用過程中，由于塑料熔體流動的沖刷、脫模時與塑件的摩擦、成型過程中可能產生的腐蝕性氣體的銹蝕以及由于上述原因造成的模具成型零件表面粗糙度提高而要求重新拋光等，均可造成模具成型零件尺寸的變化，凹模或型腔尺寸變大，凸模或型芯尺寸變小。這種由于磨損造成的模具成型零件尺寸的變化值與塑件的產