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材料成型及控制工程本科毕业论文设计 1. 绪论 1.1 模具在加工工业中的地位 模具是利用其特定形状去成型具有一定的形状和尺寸制品的工具。在各种材料加工工业中广泛的使用着各种模具。例如金属铸造成型使用的砂型或压铸模具、金属压力加工使用的锻压模具、冷压模具等各种模具。 对模具的全面要求是：能生产出在尺寸精度、外观、物理性能等各方面都满足使用要求的公有制制品。以模具使用的角度，要求高效率、自动化操作简便；从模具制造的角度，要求结构合理、制造容易、成本低廉。 模具影响着制品的质量。首先，模具型腔的形状、尺寸、表面光洁度、分型面、进浇口和排气槽位置以及脱模方式等对制件的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、各向同性性、外观质量、表面光洁度、气泡、凹痕、烧焦、银纹等都有十分重要的影响。其次，在加工过程中，模具结构对操作难以程度影响很大。在大批量生产塑料制品时，应尽量减少开模、合模的过程和取制件过程中的手工劳动，为此，常采用自动开合模自动顶出机构，在全自动生产时还要保证制品能自动从模具中脱落。另外模具对制品的成本也有影响。当批量不大时，模具的费用在制件上的成本所占的比例将会很大，这时应尽可能的采用结构合理而简单的模具，以降低成本。 现代生产中，合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是必不可少是三项重要因素，尤其是模具对实现材料加工工艺要求、塑料制件的使用要求和造型设计起着重要的作用。高效的全自动设备也只有装上能自动化生产的模具才有可能发挥其作用，产品的生产和更新都是以模具的制造和更新为前提的。由于制件品种和产量需求很大，对模具也提出了越来越高的要求。因此促进模具的不断向前发展 1.2 模具的发展趋势 近年来，模具增长十分迅速，高效率、自动化、大型、微型、精密、高寿命的模具在整个模具产量中所占的比重越来越大。从模具设计和制造角度来看，模具的发展趋势可分为以下几个方面： （1）加深理论研究 在模具设计中，对工艺原理的研究越来越深入，模具设计已经有经验设计阶 段逐渐向理论技术设计各方面发展，使得产品的产量和质量都得到很大的提高。 （2）高效率、自动化 大量采用各种高效率、自动化的模具结构。高速自动化的成型机械配合以先进的模具，对提高产品质量，提高生产率，降低成本起了很大的作用。 （3）大型、超小型及高精度 由于产品应用的扩大，于是出现了各种大型、精密和高寿命的成型模具，为了满足这些要求，研制了各种高强度、高硬度、高耐磨性能且易加工、热处理变形小、导热性优异的制模材料。 （4）革新模具制造工艺 在模具制造工艺上，为缩短模具的制造周期，减少钳工的工作量，在模具加工工艺上作了很大的改进，特别是异形型腔的加工，采用了各种先进的机床，这不仅大大提高了机械加工的比重，而且提高了加工精度。 （5）标准化 开展标准化工作，不仅大大提高了生产模具的效率，而且改善了质量，降低了成本。 1.3 设计在学习模具制造中的作用 通过对模具专业的学习，掌握了常用材料在各种成型过程中对模具的工艺要求，各种模具的结构特点及设计计算的方法，以达到能够独立设计一般模具的要求。在模具制造方面，掌握一般机械加工的知识，金属材料的选择和热处理，了解模具结构的特点，根据不同情况选用模具加工新工艺。 毕业设计能够对以上各方面的要求加以灵活运用，综合检验大学期间所学的知识。 塑件零件图 塑件三维图 制件：沙发腿衬垫制件说明： 用途：装在沙发腿底部，防止金属腿和地板的直接接触 要求：制品要保持光滑，有良好外观 材料：聚氯乙烯（PVC） 收缩率: 计算收缩率0.8%1.0% 2. 设计前的准备 2.1 塑件成型工艺性分析 PVC料因为价廉，与生俱来具备防炎性质，而且强硬坚固，抗化学能力佳，收缩率为0.2-0.6%，产品在电器、机械、建筑、日用品、玩具、包装上应用日益广泛，针对PVC料的特性，分析产品注塑工艺如下： 2.1.1 PVC料的特性 PVC热安定性不良，成型温度与分解温度接近，流动性不佳，外观容易形成不良缺陷，PVC料耐热性不佳，最易烧焦、产生酸性气体进而腐蚀模具，加工时可加塑化剂增加其流动性，一般须加添加剂使用，其强度、电器绝缘性、耐药品性佳。 主要技术指标： 密度 g/cm3 : 1.351.45 比容 cm3/g : 0.690.74 吸水率 (24h) % : 0.070.4 收缩点 % : 0.61.0 熔点0C : 160212 抗拉屈服强度 MPa : 3550 拉伸弹性模量 MPa : 2.44.2 弯曲强度 MPa ：90 冲击强度 kJ/m2 ：58 硬度 HB ：16.2 体积电阻率：6.71 击穿电压 Kv/mm ：26.5 2.1.2 PVC成型工艺 PVC是热敏性塑料，过热或剪切过度会引致分解，并迅速蔓延，因为其中一种分解物（例如酸或HCI）会产生催化作用，引致流程进一步分解，酸性物质更 会侵蚀金属，使之变成凹陷，又会使金属的保护层剥落，引致生锈，对于人体更加有害。 常见的螺杆长径比为1824：1，三段比为3：5：2，压缩比为1.82,进料段螺槽深度推荐如下: 螺杆直径(mm) 35 50 60 75 100 螺槽深度(mm) 2 3 4 5 6 螺杆的尖端应有2530度的内角，螺杆射出到位时，其尖端与射咀之间的距离应有0.71.8mm，螺杆必须用不绣钢制造或进行镀铬理。 1）螺杆垫料：螺杆垫料在23mm之间，大型机会更大一些。 2）注射量：实际筒滞留时间就不能超过3分钟。 3）机筒温度设置： 所提供的温度只可作为参考，根据机器、原料的实际情况作适当的调整，也有可能超出所推荐的范围。 模具前段射咀中间进料段位置 温度（0C）30-60 使用的注射量是该机理论注射量的2085%，实际使用的注射量越小，物料的滞留时间越长，受热后降质的危险性也越大。 4）机筒滞留时间： 在2000C的温控下（胶料）机筒滞留时间最多大能超过5分钟 5）注射速度： 注射速度要慢，否则过份剪切会使物料降解，利用UPVC生产极度光滑的厚壁制品时，应采用多级注射速度，如果有浅褐色条纹从浇口放射出来，即表示射料速度太快。 6）背压：常用的表面值是5bar，增加背压有利于混色和排气，但背压应越低越好。 7）停机：由于PVC的过热稳定性低，故停机部骤十分重要，要把机筒清洁干净，不留半点PVC，可用其它过热稳定性高而又不抗拒PVC的热塑性塑料，（例如PMMA、PP、LDPE，或GPPS），切忌于同一机筒内混合POMT UPVC，否则会引致过强的化学反应，对机器造成严重的损坏。 8）混料比例：水口料的最多混料比例为20%，否则会影响制品品质。 9）典型制品：UPVC的主要用途是制造排水管道，或者是电脑及电视机的外壳、滤水压槽、影印机外壳、电表及煤气外壳、印刷机的透明罩、通风格及各种电子零件等。 10）.成型工艺其他参数（硬聚氯乙烯）： 注射机类型喷嘴形式保压时间 /s 冷却时间 /s 成型周期 /s 螺杆式直通式1540 1540 4090 注射时间/s 螺杆转速（r/min）注射压力/MPa 保压压力/MPa 25 2030 80130 4060 2.2 塑件设计的原则和要求： 塑料制件主要是根据使用要求进行设计，由于塑件有特殊的机械性能，因此设计塑件时必须充分发挥其性能上的优点，补偿其缺点，在满足使用要求的前提下，塑件的形状尽可能地做到简化模具结构，符合成型工艺特点，在设计时必须考虑： （1）塑件的物理机械性能，如强度、刚性、韧性、弹性、吸水性等； （2）塑料的成型工艺性，如流动性； （3）塑料形状应有利于充模流动、排气、补缩，同时能适应高效冷却硬化（塑性塑料）或快速受热固化（热固性塑料）； （4）塑件在成型后收缩情况及各向收缩率差异； （5）模具总体结构，特别是抽芯与脱出塑件的复杂程度； （6）模具零件的形状及制造工艺。 除此之外，还应考虑塑件设计原则： （1）在满足性能和使用条件下，尽可能使结构简单、壁厚均匀、连接可靠、安装使用方便。 （2）结构合理，用简单的加工方法就能完成模具的制作。 （3）减小成型加工后的辅助加工。 3. 模具结构的设计 3.1分型面的选择： 因为零件很小，为了节省能源，采用一模六腔的结构。 分型面为定模与动模的分界面，合理的选择分型面是使塑件能完好成型的先决件。分型面的位置必须开设在制件断面轮廓最大的地方，才能使制件顺利地从型腔中脱出。选择分型面时，应从以下几个方面考虑： 1）塑件在开模后留在动模上。 2）分型面上的痕迹不影响塑件的外观。 3）浇注系统，特别是浇口能合理的安排。 4）使推杆痕迹不留在塑件外观表面上。 5）使塑件易于脱模。 3.2 排气槽的设计： 当塑料熔体注入型腔时，如果型腔内原有气体，使蒸汽不能顺利地排出，将在制品上形成气孔,接缝，表面轮廓不清，不能完全充满型腔，同时还会因气体被压缩而产生的高温灼伤制件，使之产生痕迹，而且型腔内气体被压缩产生的反压力会降低充模速度，影响注塑周期和产品质量（特别在高速注射时），因此设计型腔时必须考虑排气问题。此模具成型的制件较小，采用分型面排气及推杆的运动间隙来排气可满足要求。 3.3 浇注系统的设计： 对浇注系统的要求： 普通浇注系统由主流道、分流道、浇口和冷料井组成。在设计浇注系统之前必须确定塑件成型位置，可以才用一模两腔，浇注系统的设计是注塑模具设计的一个重要的环节，它对注塑成型周期和塑件质量（如外观，物理性能，尺寸精度）都有直接的影响，设计时必须按如下原则： （1）型腔布置和浇口开设部位力求对称，防止模具承受偏载而造成溢料现象。 （2）型腔和浇口的排列要尽可能地减少模具外形尺寸。 （3）系统流道应尽可能短，断面尺寸适当（太小则压力及热量损失大，太大则塑料耗费大）：尽量减少弯折，表面粗糙度要低，以使热量及压力损失尽可能小。 （4）对多型腔应尽可能使塑料熔体在同一时间内进入各个型腔的深处及角落，及分流道尽可能平衡布置。 （5）满足型腔充满的前提下，浇注系统容积尽量小，以减少塑料的耗量。 （6）浇口位置要适当，尽量避免冲击嵌件和细小型芯，防止型芯变形浇口的残痕不应影响塑件的外观。 3.4 主流道设计 主流道是塑料熔体进入模具型腔是最先经过的部位，它将注塑机喷嘴注出的塑料熔体导入分流道或型腔，其形状为圆锥形，便于熔体顺利的向前流动，开模时主流道凝料又能顺利拉出来，主流道的尺寸直接影响到塑料熔体的流动速度和充模时间，由于主流道要与高温塑料和注塑机喷嘴反复接触和碰撞，通常不直接开在定模上，而是将它单独设计成主流道套镶入定模板内。主流道套通常又高碳工具钢制造并热处理淬硬。塑件外表面不许有浇口痕，又考虑取料顺利，对塑件与浇注系统联接处能自动减断。采用带直流道与分流道的潜伏式点浇口，为了方便于拉出流道中的凝料，将主流道设计成锥形，锥度为3，内表面的粗糙度为Ra=0.8微米,孔径为0.5毫米。 （1）主流道呈圆锥形，一般在2°4°的锥角，此设计取=4°，主流道带锥度是为了使凝料从主流道中拔出。 （2）径向尺寸：主流道径向尺寸的小端直径应大于喷嘴口径0.5 1.0mm,所以主流道小端的径向尺寸取5.0mm，这样，当主流道与喷嘴同轴度有偏差时，可以防止主流道凝料不易从定模一侧拉出。 （3）凹模球面半径R应比喷嘴半径R大112mm，可保证在注射过程中，喷嘴与模具紧密接触，防止两球面间产生间隙使熔体充入间隙中而妨碍主流道凝料顺利从定模拉出，此设计取凹模球面半径15mm。 (4)流道内壁有Ra=1.6以上的光洁度。 (5)主流道应专门设在主流道衬套中，其结构如图所示。 图1 ：浇口套 3.5 分流道设计： （1）塑料沿分流道流动时，要求通过它尽快的充满型腔，流动中温度降低尽可能小，阻力尽可能低，同时，应能将塑料熔体均衡的分配到各个型腔。 （2）分流道的长度取决于模具型腔的总体布置方案和浇口位置，从减少浇注系统的回料量、压力损失和热量的要求出发，应力求短，但不能过粗，过粗的分流道冷却缓慢，还会增长模塑周期。 （3）分流道的断面面积应尽可能保证型腔充满并补充因型腔内塑料收缩所需的熔体后方可冷却凝固，因此，分流道断面直径或厚度应大于塑件壁厚。 （4）断面形状，实际设计中所采用的分流道断面形状有圆形、半圆形、矩形、梯形和U形等，从使用观点来看，常用梯形分流道和U型分流道，此设计选用U形分流道。取U形最大直径d=14mm, 3.6 浇口的设计： 浇口是浇注系统的关键部分，浇口的形状和尺寸对塑件质量影响很大，浇口在多数情况下，系整个流道中断面尺寸最小的部分，浇口的断面积与分流道断面积之比约为0.030.09，选用侧浇口。 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（除直接浇口外），它是浇注系统的关键部分。其主要作用是： （1）型腔充满后，熔体在浇口处首先凝结，防止其倒流。 （2）易于在浇口切除浇注系统的凝料。浇口截面积约为分流道截面积的0.030.09，浇口的长度约为0.5mm2mm，浇口具体尺寸一般根据经验确定，取其下限值，然后在试模是逐步纠正。 当塑料熔体通过浇口时，剪切速率增高，同时熔体的内磨檫加剧，使料流的温度升高，粘度降低，提高了流动性能，有利于充型。但浇口尺寸过小会使压力损失增大，凝料加快，补缩困难，甚至形成喷射现象，影响塑件质量。 浇口位置的选择： （1）浇口位置应使填充型腔的流程最短。这样的结构使压力损失最小，易保证料流充满整个型腔，同时流动比的允许值随塑料熔体的性质，温度，注塑压力等的不同而变化，所以我们在考虑塑件的质量都要注意到这些适当值。 （2）浇口设置应有利于排气和补塑。 （3）浇口位置的选择要避免塑件变形。采侧浇口在进料时顶部形成闭气腔，在塑件顶部常留下明显的熔接痕，而采用点浇口，有利于排气，整件质量较好，但是塑件壁厚相差较大，浇口开在薄壁处不合理；而设在厚壁处，有利于补缩，可避免缩孔、凹痕产生。 （4）浇口位置的设置应减少或避免生成熔接痕。熔接痕是充型时前端较冷的料流在型腔中的对接部位，它的存在会降低塑件的强度，所以设置浇口时应考虑料流的方向，浇口数量多，产生熔接痕的机会很多。流程不长时应尽量采用一个浇口，以减少熔接痕的数量。对于大多数框形塑件，浇口位置使料流的流程过长，熔接处料温过低，熔接痕处强度低，会形成明显的接缝，如果浇口位置使料流的流程短，熔接处强度高。为了提高熔接痕处强度，可在熔接处增设溢溜槽，是冷料进入溢溜槽。筒形塑件采用环行浇口无熔接痕，而轮辐式浇口会使熔接痕产生。 （5）浇口位置应避免侧面冲击细长型心或镶件。 因点口在脱开时会伤塑件的内表面在这里是可以的，考虑到侧浇口有利浇注系统的废料和塑件的脱离，所以选取用侧绕口。 3.7 冷料井的设计： 冷料井在主流道或分流道正对面的动模上，直径宜稍大于主流道大端直径，以利于冷料流入，冷料井底部常做成曲折的钩形或下陷的凹槽，使冷料井兼有分 模时将主流道凝料从流道中拉出附在动模边的作用。由于本产品不是很大，而且浇道不是很长，产品的要求不是很高，所以在模具中不设计冷料井。 3.8脱模机构的设计： 对脱模机构的要求有：塑件留于动模；塑件不变形损坏；良好的塑件外观；结构可靠。 本模具采用推杆脱模结构，因为采用推杆脱模结构。所以应使塑件留于动模，这样可以利用模具的开模运动来实现脱模。且使塑件不变形损坏且有良好的外观。另外机构应机构可靠。 3.9 冷却装置的设计： 注射模不仅是塑料熔体的成型设备，而且是热交换器，为了获得良好的塑件质量，应使模具在工作时维持适当而均匀的温度，所以模具温度调节系统是至关重要的。 3.9.1冷却系统对模具温度调节系统的影响： 1.对塑件质量的影响：质量优良的塑料制件应满足以下六个方面的要求，即收缩率小、变形小、尺寸稳定、冲压强度高、耐应力开裂性好和表面光洁。采用较低的模温可以减小塑料制件的成型收缩率。 模温均匀，冷却时间短，注射速度快可以减小塑件的变形，其中均匀一致的模温尤为重要，但是由于塑件形状复杂，壁厚不一致，充模先后顺序不同，常出现冷却不均匀的情况，为了改善这一状况可将冷却水先通入模温最高的地方，甚至在冷得快的地方通温水，冷得慢的地方通冷水，使得模温均匀，塑件各部位能同时凝固，这不仅提高了制品质量也缩短了成型周期。 2. 对生产效率的影响：冷却时间在整个注塑周期中占50%80%的时间。在保证塑件质量的前提下，限制和缩短冷却时间是提高生产效率的关键。要求冷却水能带走70%95%的热量. 对模具调节系统的要求： （1）根据塑料的品种，确定温度调节系统是采用加热方式还是冷却方式； （2）希望模温均一，塑件各部同时冷却，以提高生产率和提高塑件质量； （3）采用低的模温，快速、大流量通水冷却一般效果比较好； （4）温度调节系统要尽量做到结构简单、加工容易、成本低廉。 3.9.2.模具冷却系统设计原则：