本科毕业设计---塑料壳体的注射模具设计.doc

第1章 塑料成型工艺性分析1.1 塑件的分析（1）外形尺寸 如图1.1所示，该塑件壁厚为3mm4mm，塑件外形尺寸不大，塑料熔体流程不太长，塑件材料为热塑性塑料，流动性较好，适合于注射成型。（2）精度等级 任务书中塑件已表注公差，未注公差取MT5，可查参考书。（3）脱模斜度 POM的成型性能良好，成型时收缩大，易变形翘曲。由给出的技术要求中知脱模斜度为3010，这里取10（4）塑件尺寸如图1.1所示。 图1.1 塑件尺寸1.2 POM塑料的性能分析(1) 使用性能：综合力学性能突出，比强度、比刚度接近金属，可代替钢、铝、铸铁等制造多种结构零件及电子产品中的许多结构零件。(2) 成型性能：成型收缩率大，流动性中等，熔融凝固速度快，注射时速度要快。(3) 吸湿性：结晶性材料，不易吸收水分，原料一般不干燥或短时间干燥。（1000C,12h）性能指标：聚甲醛的收缩率很大，需尽量延长保压时间来补缩改善缩水现象。详细的聚甲醛性能指标见表1.1。表1.1 聚甲醛的性能指标密度 (kg/dm3)1.42拉伸强度/MPa69吸水率0.120.15拉伸弹性模量/MPa2.5*103收缩率S1.53.0抗弯强度/MPa104熔点/0C180200抗压强度/MPa631.3 POM的注射成型过程及工艺参数1）注射成型过程（1）成型前的准备 对聚甲醛的色泽、粒度和均匀度等进行检验，聚甲醛成型前须进行干燥，处理温度为80度到100度，干燥时间1-2小时。（2）注射过程 塑料在注射机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的浇注系统进入模具的型腔成型，其过程可分为冲模、压实、保压、倒流和冷却五个阶段。（3）塑件的后处理（退火）。退火处理的方法为红外线灯、烘箱，处理温度为70度，处理时间是2-4小时。2）注射工艺参数（1）注射机：螺杆式，螺杆转速为48r/min。（2）料筒温度(t/)：前段160-170；中段170-180；后段180-190。（3）模具温度(t/)：80-120。（4）注射压力（p/Mpa）：56-140。（5） 成型时间（/s）：注射时间20-60；高压时间0-3；冷却时间20-60；总周期40-120。第2章 拟定模具的结构形式和初选注射机2.1 分型面位置的确定通过对塑件结构形式的分析，分型面的选择如图所示2种方案 图2.1 方案1 图2.1 方案2分型面应选在利于开模取出塑件的平面如图2.1方案1。2.2 型腔数目和排位方式的确定（1）型腔数量的确定 由于该塑件的精度要求不高，塑件的尺寸较小，且为大批量生产，可采用一模多腔的结构形式。同时，考虑到塑件的尺寸、模具结构的尺寸的关系，以及制造费用和各种成本的费用等因素，初步定为一模两腔结构形式。（2）型腔排列的形式的确定由于该模具选择的是一模两腔，故流道采用对称直线排列，使型腔进料平衡，如图2.3所示。（3）模具结构形式的初步确定图2.3 型腔数量的排列布置由以上分析可知，本模具设计为一模两腔，对称直线对称排列，根据塑件结构形状，推出机构初选推件板推出或推杆推出方式。浇注系统设计时，流道采用对称平衡式，浇口采用侧浇口，且开设在分型面上。因此，定模部分不需要单独开设分型面取出凝料，动模部分需要添加型芯固定板、支撑板或者推件板。由上综合分析可确定采用大水口（或者带推件板）的单分型面注射模。2.3注射剂型号的确定1）注射量的计算通过Pro/E建模分析得塑件质量属性如图2.3所示。塑件体积：V塑34.34cm3塑件质量：m塑=V塑=1.42×34.34=48.76g式中，可取1.42g/cm32) 浇注系统凝料体积的初步计算 由于浇注系统的凝料在设计之前不能确定的数值，但是可以根据经验按照塑件提及的0.2倍1倍来估算。由于本次设计采用流道简单并且较短，因此浇注系统的凝料按塑件体积0.3倍来估算，故一次注入模具型腔塑料熔体的总体积（即浇注系统的凝料和2个塑件体积之和）为 V总=1.3nV塑=1.3×2×34.34=89.284cm3图2.4 体积分析3) 选择注射机根据以上计算得出在一次过程中注入模具型腔的总体积为V总=89.284cm3，由参考文献1式(4-18)V公 =V总/0.8=89.284/0.8=111.6cm3。根据以上的计算，初步选择公称注射量125cm3，注射剂型号XS-ZY-125卧式注射机，其主要技术参数参见表2.1表2.1 注射机主要技术参数理论注射量/cm3 125拉杆间距/mm 260*360螺杆柱塞直径/mm 42模板最大行程/mm 300注射压力/MPa 150最大模具厚度/mm 300塑化能力/g/s 168最小模具厚度/mm 200螺杆转速/r/min 10140喷嘴球直径/mm 12合模力/KN 900喷嘴直径/mm 44）注射剂的相关参数的校核（1）注射压力校核 参考文献1表41可知，POM所需注射压力为100MPa120MPa，这里取p0=110Mpa，该注射机的公称注射压力p公=150MPa，注射压力安全系数k1 这里取1.251.4,这里取k1=1.3。 k1 p0=1.3×110=143Mpa<p公，所以，注射剂注射压力合格。（2）锁模力校核 塑件在分型面上的投影面积 A塑=70×90+2××72=5992.28mm2浇注系统在分型面上的投影面积A浇，即浇道凝料（包括浇口）在分型面上的投影面积A浇数值，可以按照多型腔模具的统计分析来确定。A浇是每个塑件在分型面上的投影面积A塑的0.20.5倍。由于本设计的流道简单，分流道相对简单，因此流道凝料投影面积可以适当取小些。这里取A浇=0.2A塑。塑件和浇注系统在分型面上总的投影面积，则 A总=n(A浇+ A塑)=2×1.2 A塑=14381.472mm2模具型腔内的胀型力F胀，则 F胀=A总×p模=14381.472×35=503.35kN式中，p模是型腔的凭平均计算压力值。p模是模具型腔内的压力，通常取注射压力的20%40%，大致范围为30MPa60MPa。对于黏度较大的精度较高的塑料制品应取较大值。POM属中等黏度的塑料且塑件有精度要求，故p模取35MPa。由表2.1可知该注射机的公称锁模力900kN锁模力安全系数为k2=1.11.2，这里取k2=1.2，则取k2F胀=1.2 F胀=1.2×503.38kN=604.02KN <F锁 =900KN 所以注射机锁模力满足要求。对于其他安装尺寸的校核要等到模架选定，结构尺寸确定后方可进行选择。25第3章 浇注系统的设计3.1 主流道的设计主流道通常位于建模中心塑料熔体的入口处，它将注射剂喷嘴注射出的熔体导入分流道或型腔中。主流道的形状为椭圆形。以便熔体的流动和开模时主流道凝料的顺利拔出。主流道的尺寸直接影响到熔体的流动速度和充模时间。另外，由于主流道与高温塑料熔体及注射机喷嘴反复接触，因此设计中常设计成可拆卸更换的浇口套。1）主流道的设计（1）主流道的长度。一般有模具结构确定，对于小型模具L应尽量小于60mm，本次设计中初取50mm进行计算。（2）主流道小端直径。d=注射机喷嘴尺寸+（0.51）mm=4.5mm。（3）主流道大端直径。D=d+L主tan=8mm，式中4°。（4）主流道球面半径。SR=注射机喷嘴球头半径+（12）mm=12+2=14mm。2）主流道的凝料体积 V主=L主（R主2+r主2+ R主r主）/3=50×(3.52+1.752+3.5×1.75) /3=787.7mm33）主流道当量半径 Rn= 4) 主流道浇口套的形式 主流道衬套为标准可选购。主流道小端入口处与注射机喷嘴反复接触，易磨损，对材料的要求较严格，因而尽管小型注射模可以将主流道衬套与定位圈设计成一个整体，但考虑上述因素通常任然将其分开来设计，以便于拆卸更换。同时也便于选用优质钢材进行单独加工和热处理。本设计中浇口套采用45钢,热处理淬火表面硬度为28HRC32HRC。如图3.1所示。定位圈的结构由总装图来确定。3.2分流道的设计1）分流道的布置形式为了尽量减少在流道内的压力损失和尽可能避免熔体温度降低，同时还要考虑减少分流道的容积和压力平衡。因此采用平衡式分流道，如图3.2所示。2）分流道的长度根据两个型腔的结构设计，单边分流道长度取L分=35mm，如图3.2所示图3.1 主流道浇口套的结构形式图3.2 分流道布置形式3）分流道的当量直径该塑料的质量 m=V塑=34.34×1.42=48.76g<200g但该塑件壁厚在3mm4mm之间，按参考文献2图2-3的经验曲线查得D=5.6mm，再根据单向分流道长度35mm由参考文献2图2-5查得修正系数fL=1.03，则分流到执行经修正后为 D= DfL=5.6×1.03=5.768mm5.8mm4) 分流道的截面形状本设计采用梯形截面，其加工工艺性好，且塑料熔体的热量散失，流动阻力均不大。5) 分流道界面尺寸设梯形的上底宽度为B=6mm（为了便于选择道具），底面圆角的半径R=1mm，梯形高度取H=2B/3=4mm，设下底宽度为x，梯形面积应满足如下关系式。 再根据该面积与当量直径为5.8mm的圆面积相等。可得x=7.2mm。通过计算梯形斜度=8°，基本符合要求，如图3.3所示。6) 凝料体积（1） 分流道的长度为 L分=35×2=70mm（2） 分流道截面积 A分= ×4=26.4mm2（3） 凝料体积 V分=L分A分=70×26.4=1848mm3=1.8cm3考虑到圆弧的影响取V分=4.2cm37） 校核剪切速率（1）确定注射时间：参考文献2表2-3，可取t=1.6s。（2）计算单边分流道体积流量 q分= = =22.58cm3/s （3）参考文献2式（2-22）可得剪切速率 分= = =973 s-1该分流道的剪切速率处于浇口主流道与分流道德最佳剪切速率在5×102 s-1 5×103 s-1之间，所以，分流道内熔体的剪切速率合格。8）分流道的表面粗糙度和脱模斜度分流道的表面粗糙度要求不是很低，一般取Ra1.25m2.5m即可。此处取Ra1.6m。另外其脱模斜度一般在5°10°，通过上述计算脱模斜度为8°，脱模斜度足够。3.3浇口的设计该塑件要求不允许有裂纹和变形缺陷，表面质量要求较高，采用一模两腔注射，为便于调增冲模时间的剪切速率和封闭时间美因茨采用侧浇口。其界面形状简单，易于加工，便于试模后修正，且开设在分型面上，从型腔边缘进料。1）侧浇口尺寸的确定（1）计算侧浇口的深度。根据参考文献2表2-6，可得侧浇口的深度h计算公式为 h=nt=0.8×3=2.4mm式中：t为塑件壁厚，这里t=3mm；n为塑料成型系数，对于POM,其成型系数取n=0.8。为了便于今后试模时间发现问题进行修模处理，并根据参考文献1表4-9中推荐的POM侧浇口的厚度为1.2mm1.5mm，故此处浇口深度h取1.2mm。（2）计算侧浇口的宽度。根据参考文献2表2-6，可得侧浇口的宽度B的计算公式为 B= = =2.5cm 其中内表面积经计算A=8825mm2 式中：n为塑料成型系数，对于POM取0.8；A为凹模的内表面积（约等于塑件的外表面积）。（3）计算侧浇口的长度。根据参考文献2表2-6，可取侧浇口的长度L浇=0.5mm。2）侧浇口剪切速率的校核（1）确定注射时间：查参考文献2表2-3，可取t=1.6s；（2）计算浇口的体积流量 q浇= = =21.46cm3/s（3）计算交口的剪切速率：对于矩形浇口可得= 分= = 2.4×104 s-14×104 s-1 式中：Rn为矩形交口的当量半径，即Rn= = =0.934 该矩形侧浇口的剪切速率合格。3.4校核主流道的剪切速率上面分别求出了塑件的体积，主流道的体积，分流道的体积（浇口的体积大小可以忽略不计）以及主流道的当量半径，这样就可以校核主流道熔体的剪切速率。1）计算主流道德体积流量 q分= = =44.54cm3/s2） 计算主流道德剪切速率 分= = =2.586×103s-1主流道的剪切速率处于浇口与分流道的最佳剪切速率5×102s-15×103s-1之间，所以，主流道的剪切速率合格。3.5冷料穴的设计及计算冷料穴位于主流道正对面的模板上，其作用是储存熔体前锋的冷料，防止冷料模具型腔而影响制品的表面质量。本设计既有主流道冷料穴又有分流道冷料穴。由于该塑件表面要求没有印痕，初定采用脱模板推出塑件，故采用与球头形拉料杆匹配的冷料穴。开模时，利用凝料对球头的拉力使凝料从主流道衬套中脱出。第4章 成型零件的结构设计及计算4.1成型零件的结构设计（1）凹模的结构设计 凹模是成型制品的外表面的成型零件。按凹模结构的不同可将其分为整体式、整体嵌入式、组合式和镶拼式四种。根据对苏建德结构分析，本设计采用整体嵌入式凹模，如图4.1所示。 图4.1 凹模嵌件结构 图4.2 凸模结构（2）凸模的结构设计（型芯） 凸模是成型塑件内表面的成型零件，通常可以分为整体式和组合式两种类型。该塑件采用整体式型芯，如图4.2所示，因塑件的包紧力，所以设在动模部分。4.2成型零件钢材的选用根据对成型塑件的综合分析，该塑件的成型零件要有足够的刚度、强度、耐磨性及良好的抗疲劳性，同时考虑他的机械加工性能和抛光性能。又因为该塑件为大批量生产，所以构成型腔的嵌入式凹模钢材选用P20。对于成型零件内表面的型芯来说，由于脱模时与塑件的磨损严重，因此钢材选用P20钢。进行渗氮处理。4.3成型零件工作尺寸的计算采用参考文献1式（2-26）式（2-30）相应公式中的平均尺寸法计算成型零件尺寸，塑件尺寸公差按照塑件零件图中给定的公差计算。（1） 凹模径向尺寸的计算 塑件外部径向尺寸的转换： 相应的塑件制造公差1=0.03mm 相应的塑件制造公差2=0.3mm 式中：Scp为塑件的平均收缩率，查参考文献1表1-3可得POM的收缩率为1%1.5%，所以其平均收缩率 ，1、2为系数，查参考文献2表2-10可知1=0.8，2=0.7；1、2分别是塑件上相应尺寸的公差（下同）； 是塑件上相应尺寸制造公差，对于中小型塑件取（下同）。 （2） 凹模深度尺寸的计算 塑件高度方向尺寸的换算：塑件高度的最大尺寸 。塑件底部凸缘基本尺寸为4mm，未注公差，按MT5计算。HS2= = mm式中：1为系数，由参考文献2表2-10可知1=0.65，2=0.56（3） 型芯径向尺寸计算 塑件内部径向尺寸的转换： 相应的塑件制造公差s1=0.02mm 相应的塑件制造公差s2=0.02mm 相应的塑件制造公差s3=0.05mm = 式中1、2、3为系数，查参考文献2表2-10取1=0.8，2=0.8，3=0.8（4） 型芯高度尺寸计算 塑件内腔高度尺寸转换： 相应的塑件制造公差1=0.03mm 式中1为系数，查参考文献2表2-10取1=0.65（5） 型芯径向尺寸14的计算 相应的塑件制造公差3=0.32mm （6） 成型孔的高度 2×14的成型芯是与凹模碰穿，所以高度应取正公差，以利于修模。（7） 成型孔间距计算 塑料凹模嵌件及型芯的成型尺寸的标注见零件图所示。4.4成型零件尺寸及动模垫板厚度的计算（1）凹模侧壁厚度的计算主要考虑其强度，因此在此只做强度计算，凹模侧壁厚度与型腔内压强及凹模的深度有关，其厚度根据本节参考文献1表4-19中强度公式计算。 式中：p为型腔压力（MPa）在第2章已求得为35MPa；h=W，W为影响变形的最大尺寸，而h=30mm； ， ， 凹模嵌件初定单边厚选15mm。壁厚满足要求。根据型腔的布置，初步计算模板平面尺寸选用200mm×400mm,它比型腔的尺寸大得多，所以完全满足强度和刚度要求。（2）动模垫板厚度的计算根据本节参考文献1表4-19中强度公式计算 式中： p为型腔压力（MPa）为35MPa；b为型腔宽度。 增加2根支撑住 动模垫板可按照标准厚度取25mm，显然符合要求。第5章 脱模推出机构的计算 本塑件结构简单，可采用推件板推出、推杆推出、或推件板加推杆的综合推出方式。根据脱模力计算来决定。5.1脱模力的计算（1）主型脱模力 型芯视为矩形来算。因为 ，所以此处视为薄壁圆筒塑件，根据本节参考文献1式4-26脱模力为 其中， （2）2-14小型芯脱模力 因为 ，所以是厚壁圆筒的受力状态，根据本节参考文献1式4-26脱模力为 =12350N 其中， 式中 E 塑料的拉伸弹性模量（MPa）取2.5×103MPa； S 塑料成型的平均收缩率（%）为1.25%； t 塑件的壁厚（mm）为3mm； L 被包型芯长度（mm）为84mm； 塑料的泊松比为0.35； 脱模斜度（°）为1°； f 塑料与钢材之间的摩擦因数取0.3； A 塑件在与开模方向垂直的平面的投影面积（mm2）； 由和决定的无因次数 ； 由f 和决定的无因次数 ；（3） 总脱模力 F=F1+F2=49029+12350=61379N5.2推出方式的确定1）采用推出杆推出（1）推出面积 设8mm的圆杆设置2根，那么推出面积为 （2） 推杆推出应力 根据表2-12取许用应力= 63MPa 通过上述计算，应力偏大，推出时有顶白或顶破的可能（在生产实践中，这类简 单非透明塑件，一般还是采用推杆推出），为安全起见，在此不采用推杆推出。 2）采用推件板推出（1） 推件板推出时的面积 （2） 推件板推出应力 通过计算，应力满足要求，采用推板推出进行脱模，以保证塑件质量。 推件板推出时为了减少推件板与型芯的摩擦，设计时在推件板与型芯之间留出0.2mm的间隙并采用锥面配合。 第6章 模架的确定 根据模具型腔布局的中心距和凹模嵌件的尺寸可以算出凹模嵌件所占的平面尺寸为120mm×270mm，型腔所占平面尺寸为90mm×240mm，利用经验公式（7-1）进行计算，即W3=W+10=90+10=100mm，查参考文献2表7-4得W=200mm，因此需采用200mm×355mm的模架。同时又考虑到导柱、导套、水路的布置等因素，根据参考文献2表7-1可确定选用带推件板的直浇口B型模架，查参考文献2表7-4得W×L=200mm×400mm及各板的厚度尺寸。6.1各模板尺寸的确定（1） A板尺寸 A板是定模板型腔板，塑件高度为30mm，考虑到模板上还要开设冷却水道，还需留出足够的距离，故A板厚度取50mm。（2） B板尺寸 B板是型芯固定板，取25mm。（3） C板尺寸垫块=推出行程+推板厚度+推杆固定板厚度+（510）mm=（30+20+16+510）mm=71mm76mm,初步选定C为80mm经上述尺寸计算，模架尺寸已经确定，标记：C3030-50×4025×80GB/T 12555-2006。其他尺寸按标准标注，如图6.1所示。 图6.1 B型模架结构6.2模架各尺寸的校核根据所选注射机来校核模具设计的尺寸。（1） 模具平面尺寸200mm×400mm260mm×360mm(拉杆间距)，模架的安装可以从侧边和压力机上方用龙门吊安装，这里模架从一侧吊入，校核合格。（2） 模具高度尺寸255mm，200mm255mm300mm(模具的最大厚度和最小厚度)，校核合格。（3）模具的开模行程S=H1+H2+(510)=35+70+(510)=105110mm<300mm(开模行程),校验合格。上式中H1是塑件脱模所需的推出距离，H2是包括浇注系统的塑件的高度第7章 排气槽和冷却系统的设计7.1 排气槽的设计该塑件由于采用侧浇口进料熔体经塑件下方的台阶上向上充满型腔，每个型芯上有1根推杆，其配合间隙可作为气体排出方式，不会在顶部产生憋气现象。同时，底面的气体会沿着分型面，型芯和推板件之间的间隙向外排出。7.2冷却系统的设计 冷却系统的设计很麻烦，在此只进行简单的计算。设计时忽略模具因空气对流，辐射以及与注射机接触所散发的热量，按单位时间内塑料熔体凝固时所散发的热量应等于冷却水所带走的热量。 POM属流动性中等的材料，其成型温度及模具温度分别为190和80120，所以模具的温度初步选定为100，用常温水对模具进行冷却。冷却系统的简单计算1）单位时间内注入模具中的塑料熔体的总质量W（1）塑料制品的体积 （2）塑料制品的质量 （3）塑件壁厚为t=3mm，查参考文献1表4-34得 。取注射时间，脱模时间 ，则注射周期 。由此得每小时注射次数N=120次。（4）单位时间内注入模具中的塑料熔体的总质量： 。2）确定单位质量的塑件在凝固时所放出的热量 查参考文献1表4-35直接可知POM的单位热流量的值 。3）计算冷却水的体积流量 设冷却水道入水口的水温为 ，出水口的水温为 ，取水的密度 ，水的比热容 ，则根据公式可得： 4）确定冷却水路的直径d当 ，查参考文献1表4-30可知，为了使冷却水处于湍流状态，取模具冷却水孔的直径d=10mm。5）冷却水在管内的流速 6）求冷却管壁与水交界面的膜转热系数因为平均水温为23.5，查参考文献1表4-31可得 ，则有 7） 计算冷却水通道的导热总面积 8）计算模具冷却水管的总长度 9）冷却水路的根数 设每条水路的长度 ，则冷却水路的根数为 由上述计算可以看出，一条冷却水道对于模具来说显然已经足够了，为了使效果更好本设计中采用定模两条冷却水道对型芯和凹模嵌件进行冷却，成型零件的冷却水道开设见零件图。第8章 导向与定位结构的设计注射模的导向机构用于动定模之间的开合模导向和脱模机构的运动导向。按作用分为模外定位和模内定位。模外定位是通过定位圈与注射机配合，使模具的浇口套能与注射机喷嘴精确定位；而模内定位机构则通过导柱导套进行合模定位。锥面定位则用于动定模之间的精密定位。本模具所成型的塑件比较简单，模具定位精度要求不是很高，因此采用模架本身所带的定位机构。 课程设计总结我本次课程设计的课题是塑料壳体的注射模具设计，通过这次课程设计，是对我本学期所学的塑料成型工艺及模具设计的一次巩固。在课程设计的过程中也发现了很多的问题，比如模架的选取、分型面的选取、分流道布局、等等，其中最重要的还是成型零件工作尺寸的计算，尺寸转换、查表、查图花费了较多的时间，不过还是很值得的。另外遇到的一些问题，在老师和同学的帮助下，得到了解决。另外本次的课程设计要求用AutoCAD作图，由于以前的课程设计都是手工作图，所以刚开始很多的基础知识都不记得了，复习了下cad后，基本问题都能够解决了，为了毕业设计的作图能顺利进行，后面还要更用心学才行，用word做电子档时不熟练，还远远达不到毕业设计的要求。通过这次课程设计，熟悉了塑料模设计的过程，为我的塑料注塑模的设计打下了很好的基础，同时也提早的暴露出来了很多的问题，比如其中的计算、选数值、word、AutoCAD，在后面的时间里，我都会去弥补这不足的地方，有不懂得地方，向老师、同学多请教，提早为毕业设计做准备。参考文献1 叶久新，王群塑料成型工艺及模具设计北京：机械工业出版社。2007。2 伍先明，王群塑料模具设计指导北京：国防工业出版社。2007。4 李冰辉，邓志久模具工程技术基础北京：北京理工大学出版社。2009。10 冯炳尧模具设计与制造简明手册上海：上海科学技术出版社。1985。11 李学锋塑料模具设计与制造北京：机械工业出版社。2002。12 何忠保典型零件模具图册北京：机械工业出版社。2000。