磁带盒下盖注塑模具设计【点浇口】,点浇口,磁带,盒下盖,注塑,模具设计,浇口
1前言
随着中国当前的经济形势的日趋好转，在“实现中华民族的伟大复兴”口号的倡引下，中国的制造业也日趋蓬勃发展，而模具技术已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一，模具工业能促进工业产品生产的发展和质量提高，并能获得极大的经济效益，因而引起了各国的高度重视和赞赏[1]。在日本，模具被誉为“进入富裕的原动力”，德国则冠之为“金属加工业的帝王”，在罗马尼亚则更为直接“模具就是黄金”，可见模具工业在国民经济中重要地位。我国对模具工业的发展也十分重视，早在1989年3月颁布的《关于当前国家产业政策要点的决定》中，就把模具技术的发展作为机械行业的首要任务。
在现代生产中，模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，它以其特定的形状通过一定的方式使原材料成型。由于模具成型具有优质，高产，省料和低成本等特点，现已广泛应用于汽车，航空航天，仪器仪表，家电，机械制造，石化，轻工日用品等工业部门。美国是世界上超级经济大国，也是世界模具工业的领先国家，日本经济之所以能飞速发展，并在国际市场上占有一定优势，模具工业的迅猛发展是重要原因之一。一个国家的模具设计,制造水平反映了这个国家的机械制造水平。
塑料模具是现代塑料工业生产中最重要的工艺装备，塑模工业是国民经济的基础工业之一。用塑模成型零件的主要优点是制造简便，材料利用率高，产品的尺寸规格一致，特别是对大批量生产的机电产品，更能获得价廉物美的经济效果。
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2 磁带盒底座工艺及材料分析
2.1 磁带盒底座的工艺分析
在注塑模具设计中结构设计的合理与否离不开塑件工艺性分析。其中在工艺分析中最重要的就是塑料产品结构的分析。对磁带盒底座结构进行了简单的分析，该塑件为正方形类零件，长108mm，宽为68mm，高为17mm，壁厚为均匀，外表面结构简单，内部结构多处加强筋结构，塑件二维零件图如图所示
磁带盒底座零件图
2.2材料分析
2.1 材料的选择
塑料成型原料的选取应从加工性能、力学性能、热性能、物理性能等多方面因素考虑来选取合适的塑料进行生产，本次设计材料的选择是根据材料特性进行选择的。玩具塑料桶桶身
热塑性塑料还分为很多种，如聚乙稀、聚丙稀、聚氯乙烯、聚苯乙烯和PS等等，根据各材料的注塑性能及加工使用性能，综合市场价格，选择材料为PS,属于无定形树脂，没有明显的熔点，熔融温度范围比较宽，可以在120～180℃之间熔融成为熔体。
PS的热稳定性较好，分解温度在300℃以上。虽然PS在惰性气体中的热稳定性很好，但在受热状态下，热氧会引发其降解反应，因此需要加入抗氧剂，比如主抗氧剂1010和辅助抗氧剂168。
PS的热导率较高，加热和冷却速度都比较快。
PS熔体属于非牛顿流体，熔体黏度适中；黏度强烈依赖剪切速率的变化，但温度的影响也比较明显。PS的流动性十分好，是一种易于加工的塑料。
PS的吸水率比较低，在加工前一般不需要干燥；如果有特殊需要时（比如要求高的透明性）才干燥，具体干燥温度为70～80℃、1.5小时。
PS在加工中容易产生内应力，除了选择正确的工艺条件、改进制品设计与合理的模具结构外，还应对制品进行热处理。热处理的条件是：在65～85℃热风循环干燥箱或热水中处理1～3小时。
PS的分子链刚性较大，最好不要加入金属嵌件，防止出现应力开裂现象。
2.2 聚苯乙烯PS的性能
⒈一般性能：PS为无色透明的粒料，燃烧时发出浓烟并带有松节油气味，吹熄可拉长丝；制品硬似玻璃状，落地或者敲打会发出类似金属的声音，因此又被叫做“响胶”；能断裂但不能弯曲，断裂时断口处呈现蚌壳色银光。PS的吸水率为0.05%，稍大于PE，但对制品的强度和尺寸稳定性影响不大。
⒉光学性能：透明性好是PS的最大特点，其透光率可达88~92%，同PC和PMMA一样属于最优秀的透明塑料品种，统称为三大透明塑料。PS的折射率为1.59~1.60，但因苯环的存在，导致其双折射较大，不能用于高档光学仪器。
⒊力学性能：PS硬而脆、无延伸性、拉伸至屈服点附近即断裂。PS的拉伸强度和弯曲强度在通用塑料中最高，其拉伸强度可达60MPa；但冲击强度很小，难以用做工程塑料。PS的耐磨性差，耐蠕变性一般。PS的力学性能受温度的影响比较大。
⒋热学性能：PS的耐热性能不好，热变形温度仅为70~90℃，只可长期在60~80℃范围内使用。PS的耐低温性也不好，脆化温度为-30℃。PS的热导率低，一般为0.04~0.13W/(m.K)；线膨胀系数较大，一般为（6~8）×10-5 K-1，与金属相差悬殊，因此制品不利于带金属嵌件。
⒌电学性能：PS的电绝缘性优良，而且不受温度和湿度的影响；介电损耗角正切值小，可耐适当的电晕放电；耐电弧性好，适于做高频绝缘材料。
⒍环境性能：PS的化学稳定性较好，可耐一般酸、碱、盐、矿物油和低级醇等，可受许多烃类、酮类、高级脂肪酸等侵蚀，可溶于芳烃（如苯、甲苯、乙苯、苯乙烯等）、氯化烃（如四氯化碳、氯仿、二氯甲烷、氯苯等）及酯类等。PS的耐候性不好，其耐光、氧化性都差，不适合于长期户外使用；但PS的耐辐射性好。
2.2.2 PS材料注射成型工艺参数:
螺杆式注射机
喷嘴处的温度大小 185----195度
通用式的喷嘴
注塑压强大小 60——100MPa
模具的温度大小 50——70度
制品的注塑时长 2——5秒
料筒内三区 205——215
料筒内二区 185——195
料筒内一区 155——175
保压的时长 5——10秒
冷却的时长 5——15秒
周期时长 15——30秒
制品的后处理方法 红外线烘箱进行处理
温度大小 70摄氏度
时长 0.3——1min
3 型腔数目与分型面的设计
3.1型腔数目确定及排布
从所绘制磁带盒底座的三维图以及实物可以看出，磁带盒底座制品的外形体积相对比较大一些，而且产品结构比较复杂，因此，在确定型腔数目的时候决定将本次模具设计型腔数目定为一模两腔，型腔的排布设计为如图所示的一字型排布，这样就可以方便成型，效率还会较高。型腔排布如图所示
型腔排列
3.2分型面的选取
分型面的设计一般情况下比较灵活，但是不能随意选取。通常有平面，斜面甚至是多种类型的面的结合。分型面既可以设计在垂直于开闭模具的方向，也可以在开闭模具倾斜处的方向，但要注意，尽可能的不要设计在与于开闭模具平行的方向，因为这样会给加工以及模具的稳定性带来一定的困扰。在设计选择分型面时通常有如下原则：
1)分型面位置应该选择在塑料制品的外形最大轮廓处;
2)塑料制品的外形表面应尽可能的在凹模一侧成型，而内部结构应尽可能的在凸模一侧成型；
3)模具中气体的外排要方便；
4)塑件的精度要求要得到一定的保证，应尽量保证塑料产品外观的美观；
5)分型面数目选择应该尽可能少，否则将会给加工造成负担。
依据分型面的设计选择原则和磁带盒底座的外形结构，综合分析后决定将分型面选在塑料制品的下表面处，这样的选择方法不仅不会影响产品的外观质量，而且还与分型面最大轮廓原则相符合。相反，如果将分型面选在磁带盒底座的上表面处，注塑成型之后不仅会使零件表面有质量问题，而且会使得塑件制品脱模难度加大。因此，选择磁带盒底座的下表面作为本次模具设计的分型面。
分型面
4 注射机的选择
通过实验室测量知体积为13.7cm3，材料密度取1.05g/cm3，所以塑件质量：14.4g。
塑件体积： V=13.7cm3
塑件密度： =1.05g/cm3（PS密度：1.02~1.08 g/cm3,取平均值）
所以塑件的质量： m = 13.7×1.05=14.4g
浇注系统凝料体积的初步估计浇注系统的凝料在设计前是不能确定准确的数值的，但可以根据经验按照塑件体积的0.2～1来计算。由于本次浇注类型采用侧浇口，流道简较长，因此浇注系统的凝料按塑件的体积的0.2进行估算，估计一次注入模具型腔塑料的总体积（即浇注系统的凝料+塑件体积之和）：
V总=V*（1+0.2）2=32.9cm3
为了保证注射质量和充分发挥设备的能力,应根据注射模一次成型的塑料体积和质量来初步确定注射机的类型。根据理论和在实际生产中的经验得出塑件和浇注道之间材料的总和应该在注射机理论注射量的50%~80%之间。根据以上计算，可初选用海天注塑机HTF200J/TJ。具体参数如下[14]：
注射装置
INJECTION UNIT
A
B
C
螺杆直径
Screw Diameter
mm
45
50
55
螺杆长径比
Screw L/D Ratio
L/D
22.2
20
18.2
理论容量
Shot Size(Theoretical)
cm3
334
412
499
注射重量
Injection Weight(PS)
g
304
375
454
注射压力
Injection Pressure
Mpa
210
170
141
螺杆转速
Screw Speed
rpm
0～165
合模装置
CLAMPING UNIT
合模力
Clamp Tonnage
KN
2000
移模行程
Toggle Stroke
mm
470
拉杆内距
Space Between Tie Bars
mm
510x510
最大模厚
Max.Mold Height
mm
510
最小模厚
Min.Mold Height
mm
200
顶出行程
Ejector Stroke
mm
130
顶出力
Ejector Tonnage
KN
62
顶出杆根数
Ejector Number
Piece
9
其它
OTHERS
最大油泵压力
Max.Pump Pressure
MPa
17.5
油泵马达
Pump Motor Power
kw
18.5
电热功率
Heater Power
kw
14.25
外形尺寸
Machine Dimension(LxWxH)
m
5.3x1.6x2.1
重量
Machine Weight
t
6.8
料斗容积
Hopper Capacity
kg
50
油箱容积
Oil Tank Capacity
L
390
4.3 模架设计选择
由于注塑模具的基本结构有很多相同之处，因此模具已基本实现标准化。模具的尺寸结构设计需要向国家标准模具靠拢，以使模具拥有更加全面技术信息，提高加工效率，缩短加工时间与成本。但是，适当的创新设计的产生也能促进模具行业的前进和发展，平衡好这两者之间联系，以此设计出满足塑料产品质量和使用的性能的注塑模具。此次磁带盒底座注塑模具选用双分型面三板模细水口龙记FBI型模架，模架结构，如图所示
模架结构
模板的整体尺寸大小为：350×450 mm
模具中的排气缝隙尺寸大小为1mm
定模板（A板）的厚度大小为： A=80mm
动模板（B板）的厚度大小为: B=70 mm
模架的垫块（C板）厚尺寸为: C=100 mm
模具的整体厚度尺寸为：H模=356.0mm
由上述数据列表可得知，较为合适的模架可以选择龙记的FBI型号CI-3545A80B70C100.
5 浇注系统设计
浇注系统它一般是用来将注塑机喷嘴的塑料熔体均匀而平稳地输送到模具内部型腔的结构，可以将熔融状态的塑料填充并且凝固成型，得到想要的制品。浇注系统如何设计选择，以及系统的性能特征，这对塑件的最终成型效率和质量有着至关重要的影响。因此说浇注系统是一整套模具之中重要的部分之一。
在设计浇注系统时通常需要遵从如下几条原则:
① 在浇注系统设计选择之前首先需要对塑料选材的性能有一定的认知；
② 温度与压力的损失在浇注系统内部时尽可能的小；
③ 浇注系统的内部流道设计太长的话是不合适的，所以应该尽量避免各种打折出现，满足阻力最小要求；
④ 设计的浇注系统不应该对模具的自动化工作有任何影响或干扰。
5.1主流道的设计
从注射机的喷嘴口开始，一直到分流道的始端的这一段流道通路。熔融态塑料的流速以及塑料充满整个模具的时间与主流道直径的大小有着密不可分的联系，这边是主流道的作用。
主流道的形状并不是上下大小相同的，而是圆锥形状的，通常这样设计的目的在于将浇注系统内部注塑所剩下的料顺利拉出来。由于PS材料的物理流动性不是很大，因此将主流道的锥度设计为4度左右，主流道里面的粗糙度设计为0.8um左右即可。
通常主流道与注射机的喷嘴衔接处设计为半球形式的凹坑，半球尺寸计算为R = R0 + (1～2))mm,比较小的端口处的直径设计公式为d = d0 + (0.5～1)mm。注射机由前述已经选择好型号为HTF200J/TJ的卧式注塑机，此注射机的具体参数之前已经列出来，注射机的喷嘴处尺寸大小为10毫米，直径尺寸大小为3毫米，
R = R0 + (1～2)mm
d = d0 + (0.5～1)mm
这里我们将主流道的球形半径大小设置为：R=16毫米
将系统的主流道比较小的端口处直径尺寸大小设置为：d=5毫米
主流道并不是直接按照整体式来装配在模具座板之上，而是由于其与注射机的喷嘴处要对接，这样便会有接触和摩擦，因此要将其设计为可以随时拆卸的形式， 与定位环互相配合然后安装于在定模的座板上面，那么我们应该将固定盘高出定模上端面高度尺寸范围控制在5到10毫米之间。
5.2分流道
分流道可以使熔融态的塑料分别流向不同的型腔以及转变方向的作用，可以在主流道与浇口之间搭建起连接作用，这部分装置通常被称为分流道，在设计分流道的过程中，需要考虑型腔数目，塑料制品的外形，熔融态塑料的流动性以及塑件在外观内在质量上的要求等因素。
通常在设计时，由于各种塑料的不同和模具的结构功能不同，从而截面形状在选择上也会有所不同。一般情况下有圆形和梯形等多种互不相同的形式。因此我们设计人员在选择的时候，必须要将压力的损失加以注意，使其在最小的情况下，能够使充模的速度尽可能的快。从设计及其实际经验可知，分流道一般在周长越短的时候，熔融塑料阻力与散热越小，它能达到的效率也就自然会变高。圆形在截面积相等的前提下周长是最短的，因此流道效率也是最高的。下面图中展示的为分流道的各种形式的图示：
图5.5 分浇道示意图
三板式模具点浇口类型的分流道截面常常采用梯形截面。这样的截面只需在一侧加工，很容易加工。本模具设计分流道截面也选择梯形形状，所以本模具梯形截面上底宽度D＝8mm。
5.3浇口设计
浇口直接与塑件相连接，把塑料熔体引入型腔，是浇注系统的最末端，它的特点是细和短。浇口通常可以在短时间内冷却并且进行封闭，可以阻止型腔内还没有完全冷却的塑料发生倒流现象。
通常有如下几种浇口：
① 点浇口
② 直接式的浇口
③ 侧浇口
④ 耳形浇口
⑤ 潜伏式的浇口
按照老师要求，为了设计多样化本次设计采用点交口，点浇口位置如下图。
点浇口
5.4拉料杆设计
三板点浇口模具的冷料穴不同于两板模模具，冷料穴通常设置于分流道的微端，用于存储生产中出现固化的冷料。三板模模具拉料杆不同于两板模模具Z形拉料杆，三板模模具采用的拉料杆是球形拉料杆，球形拉料杆安装在定模板、定模座板和脱料板之间，球形拉料杆结构如图所示。
拉料杆
6 成型零件设计计算
模具之内的用于制品成型的零部件直接决定了塑料制品成型后的结构，外形尺寸，质量等，其设计与制造尤为重要。由于熔融状态的塑料原料进到模具的型腔里面时，会释放大量的热，而且还有一定的冲击，因此模具内部成型零部件自身强度与刚度也应该有保证，选择合理的材料和制造工艺，这样设计出来的模具才具有可用性，才能够保证正常加工[21]。
6.1成型零件结构的设计
模具里面重要的用于成型的零部件有型芯、型腔和镶件。型芯、型腔分别用于成型磁带盒底座的内表面和外表面，分别也称凸模和凹模。结构分整体式和组合式两种。整体式在制造过程中将型芯和模板加工到一块，结构简单而却牢固，同时刚度强度也较大，在加工制造塑料件的时候一般不会产生不必要的缝隙痕迹以免对塑件外观质量造成影响，有一点就是不方便制造加工；组合式通常主要适用于某些小型芯或者复杂的型芯，在维修以及节省材料等方面有着一定的优势。综上所述，此次磁带盒底座内外部结构并不复杂，所以模具型芯和型腔在设计选用上都采取整体式。
6.2模具成型零件尺寸设计计算
6.2.1 型腔的尺寸设计计算
6.1.2型腔高度计算
6.2.3型芯计算
6.2.4型芯高度计算
7 脱模机构设计
磁带盒底座在完成前面的注射成型等一系列动作之后，等到熔融状态的塑料原料在型腔之内冷却后，模具就要打开，然后将制品取出来，而这个打开的动作通常需要模具系统来自主操作，而不是人工将其取出，这样既耗时耗力，而且不安全。这个过程需要交给脱模机构来完成，脱膜机构的工作质量直接决定最后塑件的外形质量。所以，在设计脱模机构的时候应该注意以下几点：制品应该于顶出机构在同一个模具方向之上；在制品脱模时应该确保其不收损坏，所以机构不应该有干扰；设计的脱模机构应该具有一定的强度，同时机构不应该特别复杂；脱模机构完成动作之后，需要进行合模以便进行下一次成型，因此要有良好而准确的复位。
7.1机构选择
一般情况下，顶出机构会有几种选择，比如推板，圆推杆，或者推块等等，每一种推出机构都有其特点。在模具的设计制造中，根据经验显示，一般盒盖类产品通常情况下都喜欢采用圆形推杆作为脱模机构，是因为这种推出结构比较简单，而且制造成本不高，制作方法规范，不容易出错，更换也比较方便，所以本次设计选择圆形推杆作为脱模机构，推杆分布如图所示
脱模机构
8.2脱模力设计计算
脱模力计算公式要考虑制品的外形，当外形是盒状的时候通常使用如下的设计公式来进行设计计算：
其中 --制品在型腔中被包裹住的深度尺寸大小（cm）;
--型芯被塑件内部包裹住的截面周长长度尺寸（cm）;
--一般摩擦系数范围在0.1到0.2之间选取；
--塑件成型冷却后会收缩，当其收缩后会有一部分压力产生，一般在的范围之内。
--脱模斜度的大小；
8.3 推杆直径及强度校核
(1)推杆的直径：
d=(64∙φ2∙l2n∙π3∙E)14d
=(64∙φ2∙l2n∙π3∙E)14
式中：
d——推杆的直径；㎝
l——推杆的长度；163.5mm
n——推杆数量；
φ——推杆长度系数，0.7
E——推杆材料的弹性模量；2.1×107N/cm×107N/cm
算得:d=5.7mm，在设计中，d取6mm，满足要求。
(2)推杆的强度校核
σmax=4×Qn×π×d2<[σ]σmax=4×Qn×π×d2<[σ]
式中：
n——推杆数量；
σmax——推杆所承受的最大正应力；
Q ——总脱模力；N
d——推杆的直径；
推杆的正应力小于许用应力，所以满足要求。
9.模具调温系统设计
9.1冷却系统
制品在型腔之中成型结束后需要冷却到一定温度才可以从模具中取出，如果不经过这个过程，那么制品的成型质量必定会受到影响，冷却的时间和温度都要控制得当，这就需要一个可以降温的系统，这个系统就是模具的冷却系统。模具的冷却系统不仅仅可以保证制品的冷却成型，还可以对整套模具起恒温作用，使得模具的温度保持平衡，不会因为长时间的工作运动而发热，导致装置的零部件遭受损坏，模具的使用寿命自然也会变短，如此一来，将会使得制造的成本变得很大，因此合理地设置冷却系统对模具来说至关重要。
9.2 冷却系统设计计算
（1）冷却液体的流量大小计算qv
首先得知冷却管道水流出入口的温度分别为25.0度，22.0度。水的密度和比热容可知，所以代入公式中可以算得：
Q===3.8х10-5
（2）冷却液体的水路尺寸大小设计d
在已经算得冷却液体流量体积大小的前提下，可以取冷却水管径尺寸大小为 d=mm。
（3）水管内部液体的流速大小计算
V===1.50m/s
（4）膜传热系数 h 有如下公式可以得出：
===28500KJ/m
（5）由上述计算可以得知管道导热的总面积为 A
A===0.0038
（6）因此，磁带盒底座注整套注塑模具的冷却水管道的长度为 L，L的计算为：
L===0.20168m
9.3型腔和型芯冷却水道的布置
在完成数据计算之后，冷却水道结构的设计是个难点，参考注塑模具设计手册中最常用的冷却水道结构，非常适合本次模具设计。
按照设计手册上的结构，完成本次设计的冷却水道其分布如图所示：
冷却水路
20
10 注塑机的相关参数校核
10.1注射量的校核
根据《模具设计与制造简明手册》可知：塑件的体积应小于注射机的注射容量，由于注射机选型之前是在满足注射量的基础上进行注射机选型的，所以此处不再做校核。
10.2锁模力的校核
注射成型时，塑件在模具分型面上的投影面积是影响锁模力的主要因素，其数值越大，需要的锁模力也就越大。如果这一数值超过了注射机允许使用的最大成型面积，则成型过程中将会出现涨模溢料现象。因此，设计注射模时必须满足下面关系：
式中 ——注射机允许使用的最大成型面积()；
——单个塑件在模具分型面上的投影面积（）；
——浇注系统在模具分型面上的投影面积（）；
因本次设计采取一模二件，浇注系统在分型面上的投影面积
所以：
因此此投影面积满足要求。
注射成型时，模具所需的锁模力与塑件在水平分型面上的投影面积有关，为了可靠地锁模，不使成型过程中出现溢料现象，应使塑料熔体对型腔的成型压力与塑件和浇注系统在分型面上的投影面积之和的乘积小于注射机额定锁模离，即：
由于本注射机的额定锁模力为，根据经验还是可以满足要求。
10.3模具闭合高度的校核
安装模具的高度应满足： Hmin＜H＜Hmax
设计模具高度为H总=356mm
HTF200J/TJ型，模架高度尺寸范围为200毫米至500毫米之间。H总在这个尺寸范围以内，所以注塑机参数合格
10.4模具开模行程校核
开模取出塑件所需的开模距离必须小于注塑机的最大开模行程。对于双分形面的注塑模具，其开模行程按式(3.3)效核。
S = H1 + H2 + a + (5~10) (mm)
式中：S——注塑机的最大行程，mm；
H1——塑件的脱模距离，mm；
H2——流道高度，mm；
a——定模板与浇口板的分离距离，mm；
将数据代入式(3.3)得：
S = 25+128+ 8 + 10 =171 mm
因为270mm >142mm，所以该注塑机的开模行程符合要求。
经过以上多项参数的校核，注塑机型号满足要求。
可见Sm
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