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畢業(yè)論文（設計）
題目名稱： 游戲手柄外殼注塑模具設計
所在學院：
機械工程學院
專業(yè)（班級）：
機械設計制造及其自動化機英143
學生姓名：
指導教師：
評閱人：
院 長 ：
游戲手柄外殼注塑模具設計
總計：畢業(yè)論文：
表 格：
插 圖：
摘 要
塑料模具是塑料成型工業(yè)中的重要組成部分，在模具發(fā)展歷程中我國有了很好的進步，雖然一些注塑模具技術已和國際先進水平想持平，但是在質(zhì)量和數(shù)量方面仍然滿足不了現(xiàn)在國內(nèi)市場的需求。其實模具的設計和制造影響著注塑件的質(zhì)量的好壞，而且注塑件多種多樣，其結(jié)構(gòu)非常復雜，設計困難，所以設計注塑模具是一個非常復雜和知識需求非常高的產(chǎn)業(yè)。同時激烈的市場競爭帶來越來越快的產(chǎn)品更新?lián)Q代，對注塑模的設計和制造提出了更高的要求。因此在本次設計中充分考慮了模具設計標準化。
本設計以材料為尼龍1010的游戲機手柄外殼注塑模具設計為課題。該題目涉及了注塑模具模架的設計及校核、型腔數(shù)量的選擇、模具結(jié)構(gòu)設計、冷卻管道的設計和優(yōu)化、UG三維繪圖軟件學習和應用等方面知識。其中模架的選擇尤為關鍵，它的選擇關系到塑件成型質(zhì)量的好壞和效率的高與低，可以說是整套模具的骨架。其次，冷卻管道在整個模具中也中起著至關重要的作用，它能控制設計的模具整體溫度，可以將熔料冷卻過程中的大部分熱量全都帶走，起到快速成型的作用。
在本設計過程中充分利用了UG計算機軟件輔助設計，繪制出完整的二維設計圖紙和三維實體造型，使得整個模具設計的時間大大縮減，效率得到提高，從而簡化了設計的整個過程。
關鍵詞：游戲機手柄；注塑模具；結(jié)構(gòu)設計
I
ABSTRACT
Plastic mold is an important part of the plastic molding industry, in the mold development course in our country has made very good progress, while some injection mold technology has the international advanced level to flat, but now in terms of quality and quantity still can't satisfy the demand in the domestic market. Actually the mold design and manufacture of affecting the quality of injection molded parts, and plastic are diverse, its structure is very complex and design difficulty, so the design of injection mold is a very complex and the industry of knowledge demand is very high. Therefore, the design of injection mold is a very complex industry with very high knowledge demand. Meanwhile, the fierce market competition brings about faster and faster product upgrading, and higher requirements for the design and manufacture of injection mold are put forward. Therefore, the standardization of mold design is fully considered in this design.
This design is designed to be a project with a molded plastic mold designed to be made of nylon 1010. The subject involves the design of injection mold die set and check, the choice of cavity number, injection mold structural design, the optimization design of cooling pipe, UG 3D drawing software knowledge learning and application, etc. The choice of the model is particularly critical, and its selection has to do with the quality of the plastic and the quality of the shape and the efficiency of the high and low, which is basically the skeleton of the entire mold. Secondly, the cooling pipe also plays a crucial role in the whole mold. It can control the overall temperature of the mold design, and can remove most of the heat from the molten material cooling process.
In this design process, UG computer software aided design is fully utilized to draw a complete 2D design drawing and 3D solid modeling. The design time of the whole mold is greatly reduced, and the efficiency is improved, and the whole process of design is simplified.
Key Words：Gamepad; Injection mold; Structural design
VI
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 塑料模具目前發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2 研究注塑模具的意義 1
1.3 現(xiàn)代注塑模具設計方法 2
1.4 本次設計的主要內(nèi)容 2
2 注塑件的分析 3
2.1 明確塑件設計要求 3
2.2 塑件的原材料分析 3
2.3 計算塑件的體積和質(zhì)量 4
3 總體方案設計 5
3.1 模架的方案設計 5
3.2 型腔的方案設計 6
4注塑機的選擇 7
4.1 實際注塑量 7
4.2 注射壓力 7
4.3 鎖模力 7
4.4 塑件注塑工藝參數(shù)的確定 8
4.5 注塑機的選取及校核 9
5 注塑模具的結(jié)構(gòu)設計 11
5.1 分型面的選擇 11
5.2 確定型腔的數(shù)目及排列方式 12
5.3 澆注系統(tǒng)的設計 12
5.4 排氣系統(tǒng)的設計 15
5.5 成型零件的設計 16
5.6 抽芯機構(gòu)的設計 18
5.7 推出機構(gòu)的設計 20
5.8 溫控系統(tǒng)的設計 22
6 注塑機有關參數(shù)的校核 23
6.1 開模行程校核 23
6.2 最大注塑量校核 23
6.3 模具與注塑機安裝尺寸校核 23
6.4 模具閉和高度校核 23
7 繪制模具總裝圖及工作原理 24
7.1 二維模具總裝圖 24
7.2 三維模具總裝圖 26
7.3 本模具的工作原理 28
8 結(jié) 論 29
參 考 文 獻 30
附錄1：外文翻譯 29
附錄2：外文原文 35
致 謝 39
游戲手柄外殼注塑模具設計
1 緒論
塑料模具是塑料成型工業(yè)中的重要組成部分，近年來隨著工業(yè)的快速發(fā)展，我國模具工業(yè)有了長足的進步，部分注塑模具已達到國際先進水平，從而導致對模具的需求不斷增加，而對模具的質(zhì)量也要求越來越高。但無論是數(shù)量還是質(zhì)量仍滿足不了國內(nèi)市場的需要。由于注塑件的質(zhì)量很大程度上取決于模具的設計和制造，而注塑件千變?nèi)f化，注塑模具結(jié)構(gòu)復雜多變，所以注塑模具設計是一項非常復雜和知識密集型產(chǎn)業(yè)，同時激烈的市場競爭帶來越來越快的產(chǎn)品更新?lián)Q代，對注塑模的設計和制造提出了更高的要求。
本設計是應用UG三維軟件來完成注塑模具的設計。該題目涉及注塑模具設計、UG繪圖軟件應用等方面知識。
1.1 塑料模具目前發(fā)展現(xiàn)狀
模具是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的重要工藝裝備，被稱為“工業(yè)之母”。而塑料模具又是在整個模具工業(yè)中的一枝獨秀，發(fā)展極為迅速[1]。模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎工藝裝備， 75%的粗加工工業(yè)產(chǎn)品零件、5%的精加工零件由模具成型，絕大部分塑料制品也由模具成型。作為國民經(jīng)濟的基礎工業(yè)，模具涉及機械、汽車、輕工、電子、化工、冶金、建材等各個行業(yè)，應用范圍十分廣泛。模具技術水平的高低，在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量，效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。我國模具行業(yè)近年來發(fā)展十分迅速，據(jù)不完全統(tǒng)計，2016年模具生產(chǎn)工廠店共有2萬多家，從業(yè)人員約50萬人，全年模具產(chǎn)值約360億元，總量供應不求，出口約2億美元，進口約10億美元。因此模具工業(yè)的發(fā)展水平標志著一個國家工業(yè)水平及產(chǎn)品開發(fā)能力。
1.2 研究注塑模具的意義
注塑模具是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的基礎，許多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都離不開模具行業(yè)的支持。其注塑成型是將熔化的塑料由高壓射入模具，經(jīng)冷卻凝固，得到塑料制品的一種加工形式。它具有成型率高、質(zhì)量穩(wěn)定、自動化程度高、成本低等優(yōu)點，在塑料生產(chǎn)中占十分重要的地位。注塑模具是注塑成型的一種重要工藝裝備，其在注塑成型中處于核心地位。據(jù)統(tǒng)計，注塑模具在整個塑料模具的總量中占 50%以上。
同時注塑模具也是塑料在注塑成型中的關鍵工藝裝備，在推動注塑成型技術向前發(fā)展的同時，自身也在不斷地發(fā)展完善，己成為現(xiàn)代制造業(yè)一個重要的組成部分。由于經(jīng)濟發(fā)展較快時期產(chǎn)品暢銷，自然對模具需求旺盛;而經(jīng)濟發(fā)展滯緩時期，產(chǎn)品銷售不暢，企業(yè)必然想辦法開發(fā)新產(chǎn)品，這同樣會給模具強勁的需求。因此模具工業(yè)被稱為“不衰亡的工業(yè)”，被稱為“金鑰匙”、“進入富有社會的原動力”，隨著制造業(yè)的發(fā)展不斷前行
模具是制造業(yè)的一種基本工藝裝備，它的作用是控制和限制材料的流動，使之形成所需要的形體。用模具制造零件及其效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，材料消耗低，生產(chǎn)成本低而廣泛應用于制造業(yè)中。模具工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎工業(yè)，是國際上公認的關鍵工業(yè)。模具生產(chǎn)技術水平的高低是衡量一個國家產(chǎn)品制造水平高低的重要標志，它在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量，效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。振興和發(fā)展我國的模具工業(yè)，正日益受到人們的關注。所以研究和發(fā)展模具技術，提高模具技術水平，對于促進國民經(jīng)濟的發(fā)展有著特別重要的意義。
1.3 現(xiàn)代注塑模具設計方法
隨著制造業(yè)的迅猛發(fā)展，塑料產(chǎn)品在汽車、電子通信、計算機、家用電器等眾多領域的應用越來越廣泛，使得對注塑模具的設計制造的要求也隨之提高。以往注塑模具設計主要依靠經(jīng)驗以及反復試模，來不斷的修改工藝參數(shù)，這樣使得模具設計制造的周期很長、生產(chǎn)成本也隨之提高。在這種情況下，CAD/CAE/CAM一體化的技術為現(xiàn)代注塑模具的設計制造提供了新的解決方法。論文以塑料機殼為實例，基于CAD/CAE/CAM一體化技術進行模具設計與制造的研究，具體內(nèi)容是：
(1)運用UG軟件對塑料機殼進行注塑模具的結(jié)構(gòu)設計，具體包括:分型面的選擇、成型零件的設計、澆注系統(tǒng)的設計、推出機構(gòu)的設計、側(cè)向抽芯機構(gòu)的設計、冷卻系統(tǒng)的設計及模架的選擇等。
(2)運用Moldflow軟件對塑料機殼進行了優(yōu)化分析，優(yōu)化內(nèi)容包含有最佳澆口、填充、流動、冷卻和翹曲等相關的分析，根據(jù)分析的結(jié)果對成型工藝的參數(shù)、模具的冷卻系統(tǒng)和模具的澆注系統(tǒng)進行相應的修正，反復多次在軟件內(nèi)進行模擬，最終獲得了最優(yōu)設計方案，確保獲得最優(yōu)成型質(zhì)量的塑料制品。
(3)運用UG軟件數(shù)控加工模塊對注塑模具的主要零件進行了數(shù)控仿真加工，依次完成了型芯板和型腔板的數(shù)控加工模擬仿真，明確了模板的加工方案，并最終生成NC程序[2]。
1.4 本次設計的主要內(nèi)容
本設計是游戲手柄外殼注塑模具，外殼的材料為尼龍1010，通過對塑料件的分析選擇注塑機，然后計算模具的工作尺寸，設計模具的結(jié)構(gòu)，選擇模架，最后對整體進行校核，得出完整的模具結(jié)構(gòu)。其中利用計算機軟件輔助設計，分析塑件，繪制出圖紙。
2 注塑件的分析
2.1 明確塑件設計要求
本論文所要介紹的是游戲手柄外殼注塑模具的設計。
游戲手柄外殼的零件圖如下圖所示，其材料為尼龍1010，根據(jù)設計要求該注塑件的外表面有一定的粗糙度的要求，而內(nèi)表面對粗糙度要求不高，因為該產(chǎn)品要和游戲機其他部件相配合，因此設計時有一定的配合要求。
圖2.1 游戲手柄外殼零件圖
2.2 塑件的原材料分析
尼龍1010熱塑性塑料，它具有吸水少、抗磨、抗寒、抗油和抗霉菌等優(yōu)良的使用性能。在考慮塑件成型的方面，我們應在塑件的壁厚和深度選擇上取大值，而塑件的壁厚還會影響成型時間的長短，如果壁厚厚我們最好取較長的成型時間，反之則取較短的成型時間。在注塑的過程中，熔料溫度不能讓它太高，因為溫度高的話則會增大熔料的收縮性，而且在塑件邊緣很容易產(chǎn)生飛邊現(xiàn)象，但是成型溫度低時，熔料凝固的速度快，很容易在塑件內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)應力，所以，依據(jù)經(jīng)驗判斷注塑件受熱時，最好不要超出30分鐘。有的時候，注塑件還會產(chǎn)生凹痕和波紋，這與注射壓力和模溫有關，一般成型條件我們最好取注射壓力高和模具溫度低 。為了能讓塑件更好更快脫離模具，我們?nèi)∮冒子妥雒撃?
尼龍1010技術指標：密度為1.04 gcm3﹑比體積為0.96 cm3g﹑吸水率為0.2~0.4﹑收縮率為1.04%﹑熔點為205°C﹑熱變形溫度0.45MPa下是148°C，1.82MPa下是55°C。
在澆注時一定要把握好模具內(nèi)的溫度，而且要求注塑機平穩(wěn)緩慢澆注，冷卻系統(tǒng)要適當控制散熱速度，不能太快，這樣加工成型的塑件就不會出現(xiàn)縮孔、變形和凹痕等等的缺點。
2.3 計算塑件的體積和質(zhì)量
利用UG軟件進行塑料件的三維實體造型，如圖2.2，然后進行塑件分析，得出塑料件的體積為14.76cm3。
根據(jù)塑料模具設計參考資料可查到尼龍1010的密度ρ=1.04 g/cm3 [3]
塑料件的質(zhì)量:
M塑=ρV塑=1.04 g/cm3×14.76cm3=15.4g （2.1）
澆注系統(tǒng)質(zhì)量：
根據(jù)UG設計的模具總裝圖中得V澆=7.78cm3
M澆＝V澆ρ＝7.78 cm3×1.04 g/ cm3=8.1g （2.2）
V總＝2V塑＋V澆＝14.76 cm3×2＋7.78 cm3＝37.3 cm3 （2.3）
M總＝2M塑＋M澆＝15.4g×2＋8.1g＝38.9g （2.4）
圖2.2 塑料件UG實體造型
3 總體方案設計
3.1 模架的方案設計
本游戲手柄外殼模具設計中，選用美國DME公司模架類型，其模架包括二板式A型和二板式B型，三板式也分A型、B型、C型、D型，一共六種類型。
在UG三維軟件中，模架選擇DME類型，下圖是二板式A型模架簡圖，從圖中可以看出下半部分有一塊動模板，上半部分有兩塊定模板。如圖2.1所示：
圖3.1 二板式A型模架
上圖中TCP為定模座板，起固定和連接作用，使模具的定模部分固定在注射機的定模板上；AP為定模固定板，即可以鑲嵌凹?；虬哑淠０寮庸こ沙尚颓?；BP為動模固定板，即為了鑲嵌凸?；蛘咧苯蛹庸こ赏鼓５陌?；CP為墊板，作用是使推板能完成推頂動作而形成空間；BCP為動模座板，即固定、連接動模部分和安裝在注塑機上的板。
DME模架的三板式A型比二板式A型多了一個動模板和一個浮動板，如圖2.2所示：
圖3.2 三板式A型模架
圖3.2所示的DME的三板式模具中INP1為模具的浮動板，SPP為動模板。從圖中可以看出該三板式模具可以分成定模板、中間板和動模板這三種框架。
綜合考慮了兩個板式結(jié)構(gòu)，二板式結(jié)構(gòu)主要應用于比較簡單的模具中，注塑件可以實現(xiàn)一次頂出，且模具的制造成本低、結(jié)構(gòu)簡單；而在結(jié)構(gòu)復雜的注塑件生產(chǎn)中我們經(jīng)常采用三板式，三板式在較為常用的點澆口型式和型腔板上有斜滑塊的側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)應用較多。該游戲手柄外殼結(jié)構(gòu)簡單，一次頂出就可以實現(xiàn)制品的頂出，且三板式側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)較為復雜，成本較高，所以本設計選取二板式結(jié)構(gòu)。
3.2 型腔的方案設計
該注塑件的生產(chǎn)類型屬于中等批量，考慮到生產(chǎn)效率和成本，該模具應該采用多型腔，而且在注塑機最大注射量和鎖模力的選擇和校核中也影響著型腔數(shù)目的確定，同時按企業(yè)的生產(chǎn)效益來講，其注塑件的市場性、經(jīng)濟性還有制造精度也能影響型腔個數(shù)的選擇。
綜合考慮這么多因素的影響，我設計的注塑模具采用一模兩腔，其優(yōu)點有生產(chǎn)率高、經(jīng)濟性好還有成本低，最重要的是可以長時間批量生產(chǎn)。
4注塑機的選擇
4.1 實際注塑量
根據(jù)一些設計手冊得知注塑機的Vs是V1的80%。即
MS=αM1 （4.1）
VS=αV1 （4.2）
式中：M1——理論注塑質(zhì)量，g；
V1——理論注塑容量，cm3；
MS——實際注塑質(zhì)量，g；
VS——實際注塑容量，cm3；
α——注塑系數(shù)，一般取值為0.8。
本設計中V總=37.3 cm3，根據(jù)塑件總體積應大于實際注塑量，即：
V1 =VS0.8 >V總0.8=37.3 cm3/0.8=46.63cm 3 (4.3)
因此，注塑機的理論注塑量V1應大于47 cm3。
4.2 注射壓力
注塑壓力就是注塑機在注塑成型過程中對流道內(nèi)的塑料熔體施加的壓力，這種壓力主要來自注塑機螺桿在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的推壓[4]。
查手冊得聚酰胺1010的注射壓力為：
p成=70~100MPa （4.4）
在上式注射壓力情況下，注塑機可以加工制造較低粘度的塑料，而且形狀簡單和精度一般的注塑件都可以滿足加工。
4.3 鎖模力
其鎖模力滿足以下公式。即：
F鎖 > p腔 ×A/1000 （4.5）
式中：F鎖--鎖合模力kN；
p腔--型腔壓力MPa；
A--注塑件和流道系統(tǒng)在分型面上的投影面積mm2。
塑料的種類、注塑件結(jié)構(gòu)的復雜程度以及產(chǎn)品的精度都會使型腔壓力不同，可由下圖查型腔壓力得。
表4.1 不同條件型腔壓力
條 件
易成型的塑料
普通塑料
高粘度塑料
高精度塑料
特高粘度塑料高精度塑件
壓力(MPa)
25
30
35
40
舉 例
PE、PS等厚壁均勻的日用品
薄壁容器
ABS等機器零件、高精度塑件
高精度機器零件
本設計選取塑件的型腔壓力為：35MPa。
A=A1+A2=A1+0.5A1=6588.24 ×1+0.5=9882.36mm2 （4.6）
F鎖 = p腔 ×A/1000=35×9882.36/1000 KN=345.88kN （4.7）
公式中A為注塑件在分型面上的投影面積，其中流道系統(tǒng)面積也計算在內(nèi)； A2為流道系統(tǒng)在分型面上的投影面積；由模具技術手冊得知，A2取A1的0.2~0.5倍，因此選用A2=0.5A1。
4.4 塑件注塑工藝參數(shù)的確定
尼龍1010的成型工藝參數(shù)[6]：
注塑溫度：包括料筒溫度和噴嘴溫度。
料筒溫度：后段溫度t1：選用 190~210°C；
中段溫度t2：選用 200~220°C；
前段溫度t3：選用 210~230°C；
噴嘴溫度t4：選用 200~210°C；
注塑壓力： 選用 40~100Mpa；
注塑時間： 選用 20~90s；
保壓壓力： 選用 65Mpa；
高壓時間： 選用 0~5s；
冷卻時間： 選用 20~120s；
總周期： 選用 45~220s；
后處理方法：采用油﹑水﹑鹽水；
后處理溫度：90~100t°C；
后處理時間：4h。
4.5 注塑機的選取及校核
4.5.1 注塑機的選取
綜上所計算的數(shù)值，查模具技術選取的注塑機的型號為：XS-Z-60臥式注射機。
表4.2 XS-Z-60注塑機主要技術參數(shù)
注射容量/cm
60
鎖模力/kN
500
螺桿（柱塞）直徑/mm
38
最大注射面積/mm2
130
注射壓力/MPa
122
最小模具厚度/mm
70
模板行程/mm
180
最大模具厚度/mm
200
噴嘴口孔直徑/mm
4
噴嘴球半徑/mm
12
模具定位孔直徑/mm
?55
頂出中心孔徑/mm
?50
4.5.2 注塑機的相關參數(shù)的校核
（1）注射量的校核
塑件成型所需的注射總量應小于或等于所選注射機的注塑容量。則：
V件≤0.8V注 （4.8）
式中：V件----塑料與澆注系統(tǒng)的體積（cm3）；
V注----注射機注射容量（cm3）；
0.8----最大注射容量利用系數(shù)。
由式2.3和表4.2得：37.3cm3≤0.8×60cm3=48cm3，由計算得注射量合格。
（2）注射壓力的校核
注射壓力小于或等于額定注射壓力，公式如下：
p成≤P注 （4.9）
式中：p成--塑件成型注射壓力（MPa）；
P注--注塑機額定注射壓力（MPa）。
當p成取最大值時，由式4.4和表4.2得 p成=100MPa≤P注=122MPa，滿足不等式，所以，注射壓力合格。
（3）鎖模力的校核
鎖模力滿足的條件如公式所示：
p腔A≤F鎖 （4.10）
式中：p腔--模具型腔壓力（MPa）；
A--注塑件和流道系統(tǒng)在分型面上的投影面積（mm2）；
F鎖--注塑機額定鎖模力（N）。
由式4.7和表4.2得： p腔A=345.88kN≤F鎖=500kN，所以，注塑機鎖模力合格。
5 注塑模具的結(jié)構(gòu)設計
5.1 分型面的選擇
分型面的選擇直接關系到整副模具的結(jié)構(gòu)布局，是正確模具設計的關鍵，通常選在塑件輪廓的最大截面處。首先利用UG Moldwizard 模塊模具工具修補孔，同時編輯搜索分型線，創(chuàng)建分型面[7]。
根據(jù)設計要求，優(yōu)選分型面，該塑件表面無特殊的要求，其分型面選擇如下圖所示：
圖5.1 第一種分型方式
如圖所示分型面的選取方式，其特點是抽芯在動摸，而且簡單方便，重要的是不影響塑件外型質(zhì)量。
圖5.2 第二種分型方式
如圖所示選取A-A為分型面，相對于上圖分型面的選取方式其抽芯在定模，且抽芯較復雜，最好不要設計定模抽芯。
綜合考慮，選擇動摸抽芯的方法，也就是方案一，其優(yōu)點有利于抽芯及模具成型。
5.2 確定型腔的數(shù)目及排列方式
5.2.1 型腔數(shù)量的確定
該注塑件的生產(chǎn)類型屬于中等批量，考慮到生產(chǎn)效率和成本，該模具應該采用多型腔，而且注塑機的注射量和鎖模力的選擇和校核也影響著型腔數(shù)目的確定；同時按企業(yè)的生產(chǎn)效益來講，其型腔的個數(shù)也被注塑件的市場性和經(jīng)濟性所制約著。
根據(jù)鎖模力確定型腔數(shù)目n：
n=F鎖p腔-A2/A1 （5.1）
式中：F鎖----注塑機鎖模力（kN）；
p腔----型腔內(nèi)熔體的平均壓力（MPa）；
A2----澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積（mm2）；
A1----塑件在分型面上的投影面積（mm2）。
由公式4.6和4.7得：n≈2（個）
由計算得知，注塑模具采用一模兩腔的設計，其優(yōu)點有生產(chǎn)率高、經(jīng)濟性好還有成本低，最重要的是可以長時間批量生產(chǎn)。
5.2.2 型腔的排列方式
如下圖所示，型腔的排列方式如下：
圖5.3 型腔的排列方式
5.3 澆注系統(tǒng)的設計
澆注系統(tǒng)是從熔料被注塑機從噴嘴注入處算起，到熔料最終的目的地型腔內(nèi)，熔料所經(jīng)過的地方。在注塑模具中澆注系統(tǒng)起著至關重要的作用，澆注成功與否直接影響注塑件成型的質(zhì)量。
5.3.1 主流道設計
由注塑機噴嘴射出的熔料，先經(jīng)過主流道的運輸才能到達型腔，所以，主流道的大小可以直接影響熔料的流速，還有注塑件的成型時間。
主流道如下圖所示：
圖5.4 澆注系統(tǒng)的組成
(2)主流道尺寸
由表4.2 XS-Z-60型注塑機噴嘴的有關尺寸得知：
噴嘴前端孔直徑： d0=?4mm
噴嘴前端球面半徑： R0=12mm
根據(jù)模具主流道與噴嘴的關系:
尺寸較小的模具中主流道長度L主應小于60mm，依據(jù)UG總裝圖的設計，取主流道長度為53mm。
主流道前端小孔直徑：
d=d0+0.5~1mm=4+1mm=5mm （5.2）
主流道后端大孔直徑：
D=d+2L主tanα=5+2×53×tan3°≈10.56mm （5.3）
上式中α=2°~4°，取中間值得：α=3°。
主流道前端球面半徑：
R=R0+1~2mm=12+2mm=14mm （5.4）
5.3.2 分流道設計
分流道是引導熔料流入型腔的裝置，在其中起著橋梁的作用。熔料根據(jù)分流道的設計，隨通道方向平穩(wěn)的注入型腔內(nèi)。
（1）分流道直徑
D分=0.2654m塑4L分 (5.5)
上式中：D分----分流道直徑；
m塑----注塑件質(zhì)量；
L分----分流道的長度。
因為分流道長度是根據(jù)兩注塑件在型腔內(nèi)之間的距離確定，所以根據(jù)注塑模具設計取L分=48mm。
D分=0.2654m塑4L分=0.2654×15.4×2×448mm≈4mm
（2）分流道截面形狀
分流通道的橫截面形狀應盡可能小，這樣可以使比表面積變小，熱損失量也會減小，同時摩擦阻力也會根據(jù)截面尺寸減少而變小，所以圓形橫截面是理想的，因此分流通道采用圓形截面通道。如下圖所示：
圖5.5 截面形狀
（3）凝料體積
分流道截面積： A分=πr分2=3.14×22=12.56mm2，
凝料體積： V分=L分A分=48×12.56mm3=602.88mm3≈0.6cm3。
5.3.3澆口設計
澆口是熔料進入型腔的最后一個裝置，它連接著分流通道和型腔的通道。其中澆口有兩個功能:第一，對將要進入型腔的熔料起著控制方向的作用；第二，當注射壓力消失時，澆口內(nèi)的熔料可以密封腔體，防止腔體中未冷卻的熔料從腔體中倒流出。
在諸多模具設計中，截面形狀大多為矩形。澆口長度的選取應從最小值開始，因為在試模過程中可以根據(jù)需求修改澆口尺寸。
本設計選擇側(cè)澆口類型，它適用于中小型塑件，而且多型腔模具也適用。圖中l(wèi)=0.7~2.0mm；b=1.5~5.0mm；t=0.5~2.0mm。如下圖所示：
圖5.6 側(cè)澆口
5.4 排氣系統(tǒng)的設計
當熔料注入型腔時，型腔內(nèi)的空氣和高溫的塑料而產(chǎn)生的氣體必須依次排出。氣體排出不成功，型腔內(nèi)的注塑件會因為有氣體存在導致塑件填充不足，更嚴重的會產(chǎn)生有氣泡、裂縫或塑件表面不平整的廢注塑件；甚至會因為局部有氣體的塑件，因壓強增大，氣體溫度會隨之增大，使塑料產(chǎn)生焦化現(xiàn)象。
模具設計中排氣的方法有最簡單的方法是間隙配合排氣；復雜點的方法是在分型面上設計排氣槽排氣，排氣塞也可用于排氣；還有強制排氣，一般企業(yè)生產(chǎn)中很少采用，不推薦使用。
查模具技術手冊得尼龍1010與其它塑料相比間隙較小，而且該塑件具有良好的流動性。另外，本設計注塑件采用鑲塊拼接模具，可以利用拼接間隙和分型面間隙進行排氣，不需要麻煩地在模具上設計排氣槽，對于流動性好的塑料，最好不要通過排氣槽排氣。
5.5 成型零件的設計
注塑模具成型零件間接影響著塑件的形狀和外形尺寸，對注塑件的質(zhì)量起著很重要的作用。成型零件包括凹模和型芯。
5.5.1 注塑模具凹模的結(jié)構(gòu)設計
凹模也稱為型腔，決定著注塑件外表面質(zhì)量的好壞。本凹模設計選用整體式，其材料是由整塊金屬加工而成，材料選用45鋼，該材料的優(yōu)點在于強度高、牢固可靠、拼接時無縫隙痕跡，適用于小型的簡單模具。如下圖所示：
圖5.7 整體式凹模簡圖
5.5.2 注塑模具型芯的結(jié)構(gòu)設計
型芯的結(jié)構(gòu)設計影響著注塑件成型快慢和表面質(zhì)量好壞，同時也被用來塑件重要表面的成型，同時也被人稱之為凸模。本模具設計采用的是整體式型芯。整體式優(yōu)點在于適用于塑件內(nèi)部形狀較為簡單以及結(jié)構(gòu)牢固，使得塑件成型質(zhì)量好。如下圖所示。
圖5.8 整體式型芯簡圖
5.5.3 成型零件的工作尺寸計算
表5.1 成型零件的工作尺寸計算
尺寸類別
塑件尺寸
計算方法
結(jié)果
徑向尺寸
凹模的徑向尺寸LMδZ0
LMδZ0=1+SLS-x?δZ0
式中：S--塑料的平均收縮率；
LS--最大外形尺寸（mm）；
x系數(shù)，尺寸大和精度低的塑件x=0.5；尺寸小和精度高的塑件x=0.75；
?--塑件尺寸公差（mm）。
?116.05+0.10
型芯徑向尺寸
LM0-δZ
LM0-δZ=1+SlS+x?0-δZ
式中：lS最小內(nèi)形尺寸（mm），其余各符號的意義同上。
深度及高度尺寸
凹模的深度尺寸
HMδZ0
160-0.16
HMδZ0=1+SHS-x?δZ0
式中：Hs為最大塑件高度尺寸（mm）；x=12~13。其余各符號的意義同上。
16.1+0.030
型芯的高度尺寸hM0-δZ
10+0.10
hM0-δZ=1+ShS+12~13?0-δZ
式中：hS為塑件的內(nèi)形深度最小尺寸（mm），其余各符號的意義同上。
10.30-0.02
中心距尺寸CM±δZ2
CM±δZ2=1+SCS±δZ2
式中：CS為塑件孔中心距尺寸（mm），其余各符號的意義同上。
?36.43+0.360
5.6 抽芯機構(gòu)的設計
5.6.1 導柱
（1）導柱的類型：
下列兩幅圖是導柱的兩種類型，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖5.9 導柱的類型
（2）導柱的配合
從圖5.9中導柱結(jié)構(gòu)分析得出，本設計中導柱與導向孔的配合選取間隙配合，其配合公差選取為H8/f8，其次與連接板配合選取過渡配合，配合公差為H7/k6。
（3）導柱的材料及熱處理
導柱在注塑模具的開模和合模過程中，起著非常重要的作用，所以對其要求也較高，其中起到導向作用，要求堅硬而且抗磨損，開模和合模的時候有一定的晃動，所以要具備較好的韌性，從鋼制材料中選取20鋼作為導柱材料，其熱處理硬度為HRC56～60。
從圖中可以看出，帶頭導柱結(jié)構(gòu)簡單，起著一定的導向作用，它適合批量生產(chǎn)小又簡單的模具，而帶肩導柱結(jié)構(gòu)設計較好，相比帶頭導柱起著很好的導向作用，而且本設計中等批量生產(chǎn)完全適合該設計，最重要的是帶肩導柱使得模具在開模和合模過程中各模板之間不能發(fā)生錯位，保證在同一方向上。所以，本模具選用b型帶肩導柱。
5.6.2 導套
（1）導套的類型:
帶頭導套的結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖5.10 導套的類型
（2）導套的結(jié)構(gòu)設計有以下幾個特點[10]：
a、形狀
為了使導柱能順利的進入導套中，在導套的前端應有圓角R，導柱孔不論是在模板直接開的，還是鑲?cè)雽椎?，均應作為通孔，以免使導柱插入孔時空氣無法排出。當導柱孔作為盲孔時，需在盲孔的側(cè)面增加一通孔或在導柱表面上以及導套內(nèi)表面開一縱向小槽，以利排氣。
b、材料
導套的材料為T8A淬硬到HRC50～55，或采用20鋼滲碳0.5～0.8mm厚，淬硬到HRC56～60。
c、導套的精度
導套與模板的配合通常為I型，采用H7/r6（s6）過盈配合，II型采用H7/m6過渡配合。
d、粗糙度
導套內(nèi)孔的粗糙度為0.01以上。
該模具設計中的導套和導柱如下圖所示：
圖5.11 導套和導柱
5.7 推出機構(gòu)的設計
5.7.1 推出方式的確定
圖5.12 頂桿頂出方式
如上圖所示，當熔料冷卻后，想要取出注塑件，需進行開模，然后由頂桿把注塑件頂出，在頂出的過程中，動模包裹太緊的話，不利于脫模，所以適當設計脫模斜度，而且頂桿數(shù)量較多，不會將注塑件頂變形。從結(jié)構(gòu)這一方面，可以看出此頂出方式結(jié)構(gòu)簡單而且方便。
圖5.13 頂桿和推管一起頂出方式
如上圖所示，能看出在頂桿的基礎上增加了推管，所以頂出的過程比只有頂桿更穩(wěn)定，塑件更不會發(fā)生變形，但多出的推管與動模相配合處，在裝配和制造方面增加了許多難度。綜上所述，以上兩種方式相比較，圖5.12頂桿頂出方式比圖5.13頂桿和推管聯(lián)合頂出方式更經(jīng)濟，制造起來簡單而且方便。
5.7.2 脫模力的計算
其計算公式如下：
Ft=Apμcosα-sinα （5.6）
式中：Ft----脫模力（N）；
α----型芯的脫模斜度；
μ----摩擦系數(shù)，一般取0.1~0.3；
A----塑件包容型芯的面積（mm2）；
p-單位面積上塑件對動摸的包緊力， p約取8~12MPa。
得：Ft=44×12×10×（0.2×cos1°-sin1°）=963.69N
5.7.3 圓形推桿的直徑
可由歐拉公式得：
d=kL2F脫nE14 （5.7）
式中：F脫----脫模力（N）；
L----推桿長度（mm）；
n----推桿數(shù)目；
E-模具鋼的彈性模量，一般取2.1×105MPa。
得： d=1.5×1252×963.691×2.1×10514=4.36mm
5.8 溫控系統(tǒng)的設計
5.8.1 冷卻系統(tǒng)對塑件成型的影響
冷卻系統(tǒng)就是管道內(nèi)的介質(zhì)將模具內(nèi)的多余熱量帶出模具外，這樣模具不會因為高溫而降低塑件的生產(chǎn)效率，但是當介質(zhì)帶走模具中的熱量過多時，模具溫度過低，將會影響注塑件的成型質(zhì)量，所以，應在注塑過程中保持所需要的溫度。
5.8.2 冷卻系統(tǒng)的計算
在本設計中采用常溫水作為冷卻介質(zhì)，其水溫為23°，出口溫度為26°。
（1）總質(zhì)量W的計算
① 注塑件的體積：
V=V主+V分+nV塑=2.63+0.3+2×14.76cm3=32.45cm （5.8）
② 注塑件的質(zhì)量：
m=Vρ=32.45×1.04=33.748g=0.0337kg （5.9）
③ 本注塑件壁厚為3mm,可查表得冷卻時間t冷=23.4s，注射時間 t注=1.6s，脫模時間 t脫=8s。則注射時間為:
t=t冷+t注+t脫=23.4+1.6+8s=33s （5.10）
由此得每小時注射次數(shù)為：
N=360033次=109次 （5.11）
④ 單位時間內(nèi)注入模具中塑料熔體的總質(zhì)量：
W=Nm=109×0.0337kgh=3.67kgh （5.12）
（2）查表得知尼龍1010的單位熱流量QS=390kJ/kg。
（3）冷卻介質(zhì)的體積流量：
qv=WQS60ρcq1-q2 （5.13）
qv=3.67×39060×1000×4.187×26-23m3min=1.9×10-3m3min
（4）查手冊得，為了保證模具內(nèi)所需溫度穩(wěn)定，取冷卻水道的直徑d=0.008m 。
表5.2 冷卻水的穩(wěn)定湍流速度與流量
冷卻水道直徑
d/（mm）
最低流量
v/（m/s）
流量
qv/（m/min）
8
1.66
5.0×10
6 注塑機有關參數(shù)的校核
6.1 開模行程校核
由表4.2得知XS-Z-60型注塑機的最大開模行程S =180mm，校核公式如下：
S≥H1+H2+5~10 (6.1)
S≥H1+H2+5~10=35+81+5~10=126mm
式中：H1----注塑件推出距離，一般等于模具型芯高度（mm）；
由UG設計的模具三維圖得： H1=35mm
H2----注塑件的高度，包括澆注系統(tǒng)凝料的高度（mm）。
由UG設計的模具三維圖得: H2=81mm
6.2 最大注塑量校核
選用的注塑機最大注塑量應滿足公式如下：
0.8×V機≥V塑＋V澆
其中：V塑＝14.76 cm3；V澆＝7.78cm3
故：V機≥V塑＋V澆0.8＝（2×14.76 cm3＋7.78cm3）0.8＝46.63cm3
注塑機最大注塑量為60cm3>46.63cm3，所以滿足要求。
6.3 模具與注塑機安裝尺寸校核
本模具的外形尺寸為296mm×296mm×200mm, XS-Z-60型注塑機模板最大安裝尺寸是330mm×440mm。
得：296mm×296mm < 330mm×440mm，故滿足要求。
6.4 模具閉和高度校核
由UG三維軟件中設計的模架可以確定：定模座板厚度H1=26mm，定模固定板厚度為H2=36mm，動模固定板厚度為H3=36mm，墊板厚度為H4=66mm，定模座板厚度為H5=26mm。
模具閉合高度：
H=H1+H2+H3+H4+H5=26+36+36+66+26=190mm （6.2）
XS-Z-60型注塑機的最小模具厚度為70mm，最大模具厚度為200mm。
即H模=190mm＞H最小=70mm，故滿足要求。
7 繪制模具總裝圖及工作原理
7.1 二維模具總裝圖
圖7.1 合?？傃b圖
圖7.2 開?？傃b圖
7.2 三維模具總裝圖
圖7.3 三維合?？傃b圖
圖7.4 三維開?？傃b圖
圖7.5 注塑件頂出三維圖
7.3 本模具的工作原理
首先，需要把模架和成型零件組裝起來，準備好完整的注塑模具。然后，把組裝好的模具安裝在注塑機上面，動摸座板安裝在注塑機的動模板上，還有所必需的定模安裝在模具的定模固定板上，定模座板安裝在注塑機的定模板上，頂桿的推動板也需要固定在注塑機上，一切準備安裝完畢。準備合模，合模后注塑機上噴嘴把熔料噴出，經(jīng)主流道，然后依次流向分流道、澆口和型腔。在注入熔料的同時，打開冷卻系統(tǒng)，隨時準備給模具降溫，但是需要控制好冷卻系統(tǒng)，保持模具所需的溫度。待型腔注滿后，等待注塑件的冷卻，保持模具內(nèi)的壓強，注塑完成形成注塑件。接下來進行開模，開模時在導柱導向的作用下，動摸隨動模板一起平穩(wěn)的離開，慢慢的分型面被打開，當打開到一定距離時，動摸和動模板停止運動，完成開模過程，再接下來，在注塑機的作用下，推動推板運動頂桿將成型的注塑件頂出，取出注塑件。最后，在導柱導向的作用下進行合模，再次進行模具的準備。以上就是注塑模具的全過程。
8 結(jié) 論
注塑模具是批量生產(chǎn)某些形狀難以加工的零件，即減小生產(chǎn)成本，又提高生產(chǎn)效率，在現(xiàn)代的工業(yè)領域中占據(jù)著相當重要的地位。注塑原理就是注塑機將熔料注入到型腔中，經(jīng)冷卻管道的降溫，然后保壓，最終得到成型注塑件。從總體的注塑原理可以看出，模具的設計是一項非常復雜而又充滿挑戰(zhàn)的工藝，在設計的過程中我們會學到很多很難能在書本上學到的知識和技術經(jīng)驗，并且模具的設計更需要創(chuàng)新，因為只有好的創(chuàng)新才會帶來更好的經(jīng)濟效益，才能使模具事業(yè)帶到更高的高度，所以我們只有不斷的學習，不斷的創(chuàng)新，才能立足于當今的模具設計發(fā)展的道路中。
其次，在這次模具的設計中，運用了UG進行了模具三維的設計，其中我選取DME類型的標準模架，并采用一模兩腔的模具進行注塑件中等批量的生產(chǎn)，模架的標準化能更好的提高注塑件的成型質(zhì)量，縮短注塑模具整個生產(chǎn)周期，最重要的是為企業(yè)降低了生產(chǎn)成本，節(jié)約了注塑材料。另外，在本次設計中，我也遇到了一些困難，例如，分型面的選擇問題，當時設計時一直猶豫是選擇注塑件的上表面作為分型面，還是下表面作為分型面，剛開始我認為都可以，但是經(jīng)過仔細的思考和尋求一些幫助后，終于確定了分型面的選取，如果選擇下表面作為分型面，那么抽芯會在定模，且結(jié)構(gòu)設計較為復雜，而且根據(jù)設計經(jīng)驗，抽芯最好不要在定模，所以最終找到了答案。
最后，隨著科學技術的發(fā)展，模具制造的工藝方面越來越簡單化，結(jié)構(gòu)肯定會越來越復雜化，在產(chǎn)品的加工精度和材料選擇越來越經(jīng)濟性。
參 考 文 獻
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附錄1：外文翻譯
降低注塑成型模具報廢率的新設計特征
Mehdi Moayyediana,* Kazem Abharya，Romeo Mariana
a南澳大學工程學院，莫森湖校區(qū)
第二屆國際材料，工業(yè)和制造工程會議，MIMEC2015，2015年2月4 - 6日，巴厘島印度尼西亞
摘 要
本文提出了注塑成型流道系統(tǒng)的新的橫截面形狀。新的幾何形狀的目的是減少廢料和循環(huán)時間，也使模具工具更容易排出澆道系統(tǒng)。SolidWorks Plastic分析了注塑成型過程中塑料零件的短缺缺陷，以驗證新建議的幾何結(jié)構(gòu)。針對兩個厚度為1mm的圓形平板，提出了不同比例的橢圓截面流道系統(tǒng)。SolidWorks Plastic采用有限元法（FEM）對注塑件進行模擬。選擇填充時間，熔體溫度，模具溫度，保壓時間和純冷卻時間作為注塑機的輸入。這項研究的貢獻是設計新的冷流道系統(tǒng)的幾何形狀，以減少廢料和循環(huán)時間，也使注射成型時澆注系統(tǒng)更容易。這項研究結(jié)果顯示新幾何沒有短缺缺陷。另外，顯示了陡度和冷卻時間的顯著減少。與圓形橫截面相比，廢鋼和冷卻時間分別減少了25％和2.5％。流道系統(tǒng)與模具壁的接觸面的減少改善了流道系統(tǒng)更容易從模腔排出。
關鍵詞：注塑工藝，模具設計，轉(zhuǎn)輪幾何形狀，短缺缺陷
1.引言
過去的一個世紀里，塑料的迅速增長及其擴散到所有市場。根據(jù)世界原料重量的消耗，由于其性質(zhì)和較低的生產(chǎn)成本，塑料是其他老材料，如鋁，鋼，橡膠，銅和鋅相比最高[1,2]。注射成型是制造塑料制品最重要的工藝之一，大約三分之一的塑料通過注塑工藝轉(zhuǎn)化為零件[3]。 注塑成型工藝在包裝，航空航天，建筑工程，汽車零部件，家居用品等諸多行業(yè)的應用越來越廣泛[1，3，4]。 注射成型注塑件的最終質(zhì)量取決于材料特性，模具設計和工藝條件[4-6]。 注塑有三個基本操作。首先，塑料顆粒將被轉(zhuǎn)化成熔體。然后，將熔融的塑料通過澆口，流道和澆口系統(tǒng)注入模腔或模腔內(nèi)，最后打開模具將模腔從模腔中排出[1，7，8]。
Runner系統(tǒng)是評估注射部件質(zhì)量的參數(shù)之一。流道系統(tǒng)是澆口和澆口之間的連接線。 轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的主要目的是將熔融塑料從澆口轉(zhuǎn)移到澆口。在冷流道系