基于CATIA的塑料罩壳的注塑模具设计【注射模】
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塑料罩壳注塑模具设计 摘 要国内外经济快速发展的今天，对塑料模具设计、使用和研究都是很普遍的，本次设计我们在了解零件的性能和功用的前提下，对其工艺性能和尺寸需要保证的精度进行了分析。权衡了塑料罩壳的外形尺寸。本次的模具采用一模四腔，侧进料口，注射机的型号采用 HTF80XB，并且还要具有冷却系统。拥有了合理的加工步骤，利用二维 CAD 和三维 UG 绘制总的装配图和主要的零件图。在设计说明里面，我采用了比较简便的语言和示意图，对其进行了在分析，所以就得到了合理的注塑模具设计。关键词：塑料罩壳，一模四腔；侧进料口；注射机；冷却系统；注塑模具IAbstractThe domestic and foreign economic rapid development today, the plastic mold design, use and research are very common, this design based on understanding the properties of the parts and functions, to ensure the accuracy of the process performance and size are analyzed.The overall size of the plastic housing is weighed. This mold adopts the first mock exam four cavity, side feed inlet, the type of injection machine by HTF80XB, and also has a cooling system. With reasonable processing steps, 2D CAD and 3D UG are used to draw the total assembly drawings and the main part drawings.In the design description, I used a relatively simple language and schematic diagram, and carried on the analysis, so it has been a reasonable injection mold design.Keywords: plastic cover, the first mock exam four cavity; side inlet; injection machine; cooling system; injection moldII目录摘 要 ................................................................................................................................IAbstract.............................................................................................................................II1 模具工艺规程的编制 .......................................................................................................11.1 塑件的工艺性分析 ...............................................................................................21.1.1 塑件原材料的分析 .......................................................................................21.1.2 塑件的结构和尺寸几表面质量的分析 ..........................................................21.2 塑件体积和重量的计算 ........................................................................................31.3 塑件注射工艺参数的确定 ....................................................................................52.注射模结构设计 ...............................................................................................................62.1 分型面的选择 .........................................................................................................62.2 确定型腔的排列方式 .............................................................................................72.3 浇注系统的设计 ..................................................................................................82.3.1 主流道设计（如图 2.3.1） ..........................................................................92.3.2 浇口设计 ....................................................................................................102.3.3 分浇道和冷料井（如图 2.3.2） .................................................................103．模具设计的有关数据的计算 .........................................................................................133.1 型腔和型芯工作尺寸的计算（见表 3-1） .............................................................133.2 型腔侧壁及底板的厚度校核 .................................................................................144．模具加热和冷却系统的设计 .........................................................................................164.1 模具加热系统 ......................................................................................................164.2 模具冷却系统设计 ...............................................................................................165.模具有关参数的确定及校核 ...........................................................................................195.1 闭合高度的确定及校核 ........................................................................................195.2 注射机有关参数的校核 .......................................................................................205.2.1 注射机注射量的校核 ..................................................................................205.2.2 注射机压力的校核 ....................................................................................215.3 模具尺寸、开模行程和锁模力的校核 ..................................................................216 模具其它结构设计 .........................................................................................................236.1 脱模装置设计 .......................................................................................................236.1.1 推出力的计算 ............................................................................................236.1.2 推出机构设计 ............................................................................................246.2 导向与定位机构设计 ...........................................................................................266.3 排气及引气系统的设计 .......................................................................................277.模具工作原理 .................................................................................................................288．模具主要零件加工工艺规程的编制 ..............................................................................298.1 凹模加工工艺进行分析 ........................................................................................298.1.1 凹模形状（如图 8.1） ...............................................................................298.2 凸模加工工艺进行分析 ........................................................................................308.2.1 凸模形状（如图 8.2） ...............................................................................308.2.2 凸模的加工工艺分析（表 8.2.2） .............................................................31III9 相关零件和标准件的尺寸 ..............................................................................................3310 排气系统的设计 ...........................................................................................................34附录 1：模架装配图 ..........................................................................................................35附录 2：模架装配图 2.......................................................................................................36附录 3：模架透视图 ..........................................................................................................37参考文献： .......................................................................................................................3801 模具工艺规程的编制该塑件是一塑料罩壳，其零件图（图 1-1）所示，材料采用 ABS 工程塑料（丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物），生产类型为大批量（20 万件）。未标注公差精度图 1—1 塑料罩壳零件图11.1 塑件的工艺性分析1.1.1 塑件原材料的分析本塑件材料采用 ABS 工程塑料，属于热塑性塑料。密度为1.03~1.07g/㎝³，从使用性能上来看：ABS 具有良好的综合力学性能：它具有较高的抗冲击强度，和表面硬度，且在低温下也不迅速下降；有良好的耐化学腐蚀性和一定的耐磨性、耐寒性、耐油性，耐水性和电气性能.从成型性能上来看：该塑料属于无定形料，流动性较好，具有一定的尺寸稳定性，易于成型加工，易于着色；但吸湿性大,必须充分干燥,表面要求光泽的塑件须长时间预热干燥 80-90 度，3 小时。1.1.2 塑件的结构和尺寸几表面质量的分析（1）结构分析从零件图来分析，该零件总体形状为一矩形体。长 28mm、宽 15mm、高17mm，其中有三处镂空。整个塑件没有凹陷、凸缘等情况，无需抽芯机构，属于非常典型的简单结构塑件。（图 1-2 为使用 UG。NX6.0 软件建模后的塑件效果图）图 1-2（塑件效果图）2（2） 尺寸精度本塑件未标注尺寸精度之要求。未标注公差采用 MT5 级精度。可见，该塑件对于精度要求不是很高，对应模具的相关尺寸精度也就容易得到保证。从塑件的厚度来看，周边厚度均为 2，但是其中中间过度部分空间较窄，设计时需注意避免缺陷。（3） 表面质量分析本塑件为一塑料罩壳，点划线所示区域为制品使用时的可见部分。故要求表面比较光洁，避免异色、毛刺、冷疤、云纹等缺陷。总体上讲，该塑件对于表面质量的要求并不太高，表面粗糙度在 Ra12.5 即可满足要求。综上所述，只要注射时能控制好工艺参数，零件的成型要求是比较容易保证的。1.2 塑件体积和重量的计算（计算塑件的重量是为了合理选用注射机）（1） 计算塑件的体积 （参考 UG 得）V=2812.3(mm³)（2） 计算塑件重量查表，得 ABS 塑料的密度为：ρ=1.05g/cm³。故而塑件的质量为：W =ρ×V=1.05×2.1123=2.95g由于此模具较小，考虑到经济性等因素，此模采用一模四腔的结构。根据外型尺寸、注射时所需压力和工厂的现有设备等情况，试选用 HTF80XB型。以下为该型号注射机参数：型号参数 单位 80×A 80×B 80×C3螺杆直径 mm 34 36 40理论注射容量 cm3 111 124 153注射重量 PS g 101 113 139注射压力 Mpa 206 183 149注射行程 mm 122螺杆转速 r/min 0~220料筒加热功率 KW 5.7锁模力 KN 800拉杆内间距(水平×垂直) mm 365×365允许最大模具厚度 mm 360允许最小模具厚度 mm 150移模行程 mm 310移模开距(最大) mm 670液压顶出行程 mm 100液压顶出力 KN 33液压顶出杆数量 PC 5油泵电动机功率 KW 11油箱容积 l 200机器尺寸(长×宽×高) m 4.3×1.25×1.8机器重量 t 3.22最小模具尺寸(长×宽) mm 240×240表 1.2.1（注射机参数）（3） 计算塑件投影面积1.3D 测量在 UG 软件中，使用软件自动测量即可得出塑件的单个投影面积注射成型时塑件的模具分型面上的投影面积是影响锁模力的主要因素。如果这一数值超过了注射机所允许的最大成型面积，则成型过程中会出现涨模溢料现象，必须满足以下关系。An21式中 n --型腔数目4--单个塑件在模具分型面上的投影面积1A--浇注系统在模具分型面上的投影面积2n=4 =476 =382 12m2=4x476+382=228621An2m1.3 塑件注射工艺参数的确定查表和参考实际情况，ABS 的注射参数选择如下（试模时可根据实际情况作适当调整）。时间/h 2~3 时间/s 55预热温度/℃ 80~85注射压力/MPa 80前段 150~170 时间 5中段 165~180保压压力 60料筒温度/℃ 末段 180~200 冷却时间 70喷嘴温度/℃ 170~180 总周期 130模具温度/℃ 50~80 螺杆转速/(r/min) 3052.注射模结构设计注射模结构设计主要包括：分型面选择、模具型腔数目的确定及性腔排列方式、冷却水道布局、浇口位置设置、模具工作零件的结构设计、侧向分型与抽芯机构的设计、推出机构设计等内容。2.1 分型面的选择将模具适当地分成两个或几个可以分离的主要部分，它们的接触表面分开时能够取出塑件及浇注系统凝料，当成型时又必须接触封闭，这样的接触表面称为分型面，它是决定模具结构的重要因素，每个塑件的分型面可能只有一种选择，也可能有几种选择。合理地选择分型面是使塑件能完好的成型的先决条件。选择分型面时，应从以下几个方面考虑：1）分型面应选在塑件外形最大轮廓处；2）使塑件在开模后留在动模上；3）分型面的痕迹不影响塑件的外观；4）浇注系统，特别是浇口能合理的安排；5）使推杆痕迹不露在塑件外观表面上；6）使塑件易于脱模。综合考虑各种因素，并根据本模具制件的外观特点，受用平面分型面，并选择在塑件的最大平面处，开模后塑件留在动模一侧。模具设计中，分型面的选择很关键，它决定了模具结构应根据分型面选择原则和塑件要求来选择分型面。本塑件为一塑料罩壳,从零件图上看，本塑件无须抽芯等特殊机构，只需一个分型面。但点划线所示部分为零件使用时可见部分，故而需保证此表面的质量分型面设置在 A—A 面（如图）。6图 2.1.1（分型面）图 2.1.2（分型面）2.2 确定型腔的排列方式7图 2.2.1（型腔排列)此模采用一模四腔的结构，故而设主流道、一次分流道、二次分流道，型腔置于四个端点2.3 浇注系统的设计普通流道浇注系统的组成一般包括以下几个部分：1－主浇道 2－第一分浇道 3－第二分浇道 4－第三分浇道5－浇口 6－型腔 7－冷料穴在设计浇注系统时应考虑下列有关因素：a)、塑料成型特性：设计浇注系统应适应所用塑料的成型特性的要求，以保证塑件质量。b)、模具成型塑件的型腔数：设置浇注系统还应考虑到模具是一模单腔或一模多腔，浇注系统需按型腔布局设计。c)、塑件大小及形状：根据塑件大小，形状壁厚，技术要求等因素，结合选择分型面同时考虑设置浇注系统的形式、进料口数量及位置，保证正常成型，还应注意防止流料直接冲击嵌件及细弱型芯受力不均以及应充8分估计可能产生的质量弊病和部位等问题，从而采取相应的措施或留有修整的余地。d)、塑件外观：设置浇注系统时应考虑到去除、修整进料口方便，同时不影响塑件的外表美观。e)、冷料：在注射间隔时间，喷嘴端部的冷料必须去除，防止注入型腔影响塑件质量，故设计浇注系统时应考虑储存冷料的措施[6]。2.3.1 主流道设计（如图 2.3.1）（1）定位圈尺寸： 定位圈直径 Ф100mm安装方式：采用浇口套固定在模板内，定位圈压住浇口套的方式。用2 个 M6 的内六角螺钉固定在模板上。材料： 45 号钢（2）主浇道和浇口套尺寸：根据前一章表 1.2.1 所列数据，得 HTF80XB 型注塑机的喷嘴尺寸为： 喷嘴前端孔径：d=Ф4mm喷嘴球半径： R=Ф18mm根据模具主浇道与喷嘴的关系：R= R+(1～2)mm d=d+(0.5～1)mm所以取主浇道的球面半径 R=19mm， 主浇道小端直径 d=4.5mm为了便于将凝料从主浇道中拔出，主浇道应该设计为圆锥型，锥角 ą 为 2°～ 6°（此处锥角取 2°）。经过换算，主浇道大端的直径为d=7.2mm。为了保证凝料可以顺利进入一级分流道，可在主流道末端设置半径r=5mm 的圆弧过度。9+0.0210取主流道外径为 7.2±0.010mm，与之配合的模板浇口的极限偏差为7.2 mm，主流道长度 82mm。材料： 浇口套采用预硬化钢 3Cr2Mo,硬度 HR36～38，表面经真空熔炼可抛成镜面，粗糙度低。图 2.3.1（主流道）2.3.2 浇口设计根据型腔的排列，本模采用侧浇口。设计时考虑设置在塑件平整的一侧的分型面上，有利于型芯设置和排气。根据经验公式计算，浇口宽度 b=3mm；浇口深度 t=1mm；浇口长度 l=1.5mm。2.3.3 分浇道和冷料井（如图 2.3.2）本塑件采用 ABS 塑料，流动性一般，但考虑设有两级分流道，故需设置冷料井。其中主流道上设置了拉料杆，配合拉料杆的多余凝料可作为一级分流道10的冷料井。分流道1.此模为一模四腔，型腔采用平衡式排列设置，故需采用两级分流道。本塑件考虑采用圆型分流道，完全置与型腔内。其直径查表 d=3mm（如上图）分流道长度和走向的设置完全根据型腔的排列。所以根据计算：一级分流道长 46mm，二级分流道长 24mm。11常用的分流道剖面形状有圆形，梯形和 U 形。（圆形流道须开在分型面两侧，梯形与 U 形流道只需开在分型面一侧）一般分流道直径在3~10mm，高粘度塑料可达 12~16mm。圆形流道 梯形流道 U 形流道分流道的截面尺寸可根据塑件的材料、重量、壁厚以及分流道长度确定1）分流道修正直径 D=D’X fL 修正系数(由下图查得) 2）对于塑件制品厚小于 3mm，重量在 200g 以下的，也可用以下经验公式计算分流道直径：（注:此公式计算的流道直径仅限于 3.2~9.5mm 范围内取值）D-分流道直径G-制品重量L-分流道长度3）对于高粘度塑料，如硬质 PVC 和丙烯酸塑料，在使用以上公式时，可将分流道直径扩大 20%~25%。123．模具设计的有关数据的计算普通意义上的模具强度包括模具的强度、刚度。模具的各种成型零部件和结构零部件均有强度、刚度的要求，足够的强度才可以保证模具能正常工作。由于模具形式较多，计算也不尽相同且较复杂，实际生产中，采用经验设计和强度校核相结合的方法，通过强度校核来调整设计，保证模具能正常工作。模具强度计算较为复杂，一般采用简化的计算方法,计算时采取保守的做法，原则是：选取最不利的受力结构形式，选用较大的安全系数，然后再优化模具结构，充分提高模具强度。为保证模具能正常工作，不仅要校核模具的整体性强度，也要校核模具局部结构的强度。整体性强度主要针对型腔侧壁厚度，型腔底板厚度，合模面所能承受的压力等几个方面，实际选用尺寸应大于计算尺寸并取整。校核时应从强度与弯曲两个方面分别计算，选取较大的尺寸。在计算本模具的成型零件的工作尺寸时，均采用平均尺寸，平均收缩率，平均公差（不记磨损量）来计算。查表得，ABS 的收缩率约为 S=0.5~0.7%，故平均收缩率 Scp=（0.5+0.7）/2=0.6%。由于本零件精度级别要求低，所以 δZ与 δC 忽略不记，直接取 x=0.5。考虑到工厂模具制造的现有条件，模具制造公差 Z= Δ/4。3.1 型腔和型芯工作尺寸的计算（见表 3-1）13表 3-1（型腔型芯工作尺寸）3.2 型腔侧壁及底板的厚度校核 ——凹模外半径 ； ——凹模内半径 ； ——模具钢材的弹性模量a ； ——模具型腔内最大的压力a ； ——模具钢材的泊松比0.25 ；δ ——模具强度计算的许用变形量 ； p ——模具强度计算许用应力(Mpa)；类别序号尺寸备注 塑件尺寸 计算公式 工作尺寸1 型腔长度 28 02.Lm=（LsQsp-0.5Δ） 28.218 05.2 型腔宽度 17 02.Lm=（LsQsp-0.5Δ） 17.152 05.型腔3 型腔高度 15±0.2 Hm=（ HsQsp-0.5Δ） 15.04 1.04 大块型芯长度 24±0.2 lm=（ls Qsp-0.5Δ） 24.104 01.5中间小块型芯直径 4±0.2dm=（dsQsp-0.5Δ） 3.974 01.6 型芯宽度 同型腔 同型腔 同型腔7 大块型芯高度 11 5.0hm=（hsQsp-0.5Δ） 10.691 0125.8 小块型芯高度 13.1 01hm=（hsQsp-0.5Δ） 13.679 025.9中间圆柱到两边的中心距 12±0.3 Cm=CsQsp±δz/212.072 0.5+δz0+δz0+δz00-δz0-δz0-δz 0-δz14组合式，低粘度和 4 级精度的条件，查长手册[1]得：δ ＝25=25(0.35r1/5+0.001r) ＝25(0.35(81.63)1/5+0.001×81.63)＝23m ＝0.023mm=52mm ＝2.2×105a=40a ＝p 0.25p ＝300a1).凹模侧壁刚度条件计算公式： R=r[δ ( δ ) ]1/2将数据代入公式得: R=52(0.023×2.2×105+0.75×52×40/0.023×2.2×105-1.25×52×40)=85mm2). 凹模侧壁强度条件计算公式： R=r[(p/ p-2P)1/2 -1] (p>2P)p=133MpaP=25Mpa将数据代入公式得： R＝64.4mm 综合 1)、2)得：R＝85mm3).凹模垫板的刚度计算公式： t=0.91r(Pr/Eδ)将数据代入公式得：t＝34mm4).凹模垫板的强度计算公式： t=1.1r(P/p)½将数据代入公式得：t= 21mm15综合 3)、4)得： t=34mm 164．模具加热和冷却系统的设计4.1 模具加热系统本塑件是 ABS 塑料制件，模具温度要求不高，无需另行设置加热系统，预热后注意保温即可。4.2 模具冷却系统设计在注射模中，模具的温度直接影响到塑件的质量和生产效率。由于各种塑料的性能和成型工艺要求不同，对模具温度的要求也不相同。一般注射到模具内的塑料粉体的温度为 左右，熔体固化成为塑件后，C20从 左右的模具中脱模、温度的降低是依靠在模具内通入冷却水，将热C60量带走。对于要求较低模温（一般小于 ）的塑料，如本设计中的8POM，仅需要设置冷系统即可，因为可以通过调节水的流量就可以调节模具的温度。模具的冷却主要采用循环水冷却方式，模具的加热有通入热水、蒸汽，热油和电阻丝加热等。温度调节对塑件质量的影响注射模的温度对于塑料熔体的充模流动、固化成型、生产效率以及制品的形状和尺寸精度都有影响，对于任一个塑料制品，模具温度波动过大都是不利的。过高的模温会使塑件在脱模后发生变形，若延长冷却时间又会使生产率下降。过低的模温会降低塑料的流动性，使其难于充模，增加制品的内应力和明显的熔接痕等缺陷。设计冷却系统的目的在于维持模具适当而有效率的冷却。冷却孔道应使用标准尺寸，以方便加工与组装。设计冷却系统时，模具设计者必须根据塑件的壁厚与体积决定下列设计参数： 冷却孔道的位置与尺寸、孔道的长度、孔道的种类、孔道的配置与连接、以及冷却剂的流动速率与热传性质。冷却管路的位置与尺寸17塑件壁厚应该尽可能维持均匀。冷却孔道最好设置是在型芯块与型腔块内，设在模块以外的冷却孔道比较不易精确地冷却模具。通常，钢模的冷却孔道与模具表面、模穴或模心的距离应维持为冷却孔道直径的 1~2 倍，冷却孔道之间的间距应维持 3~5 倍直径。冷却孔道直径通常为 6~12 mm（7/16~9/16 英吋），在此取 8mm。 模具是否需要冷却系统可做如下设计计算：根据热平衡计算：在单位时间内熔体凝固时放出等热量等于冷却水所带走的热量，故有公式： qv＝WQ1/c1 （1-2 ） qv——冷却水的体积流量（m³/Min）；W——单位时间（每分钟）内注入模具中的塑料重量（Kg/Min）；Q1——单位的重量的塑料制品在凝固时所放出的热量（KJ/kg）； ——冷却水密度；c1 冷却水的比热容； 冷却水出口温度； 冷却水入口温度；1).求塑料制品在固化时每小时释放的热量 Q设注射时间为 2s，冷却时间为 20s，保压时间为 15s，开模取件时间为 3s.，得注射成型周期为 40S。设用 20℃的水作为冷却介质，其出口温度为 28℃，水呈湍流状态，一个小时成型次数 n＝3600/40＝90W＝M×n＝66.64×90＝5997g/h=6Kg/h查手册[1]得 PP 单位重量放出的热量 Q1＝5.9×10²KJ/h 故 Q=WQ1＝6×5.9×10²KJ/h＝3.54×10³KJ/h2).水的体积流量由公式 qv＝WQ1/c1 （1-2 ）＝(3540/60)/（10³×4.187×(28-20)）m/Min＝1.8×10-³m³/Min183).求冷却水道直径 d根据水的体积流量查手册[1]得 d=8mm模具冷却系统195.模具有关参数的确定及校核5.1 闭合高度的确定及校核本模采用标准模架（如图 5.1），根据校核的壁厚及底部厚度数值得到的数值与固定零件的设计经验，确定：模板为 250X250 见方，定模座板厚度 H1=25mm、定模板 H2=80mm,，动模板 H3=70mm，动模座板 H5=25mm，根据推出行程和结构确定垫块厚度为 H5=80mm。因而模具闭合高度：H=H1+H2+H3+H4+H5+ =280mm由上述计算模具模具闭合高度 H=280mm，HTF80XB 型卧式注射机所允许的模具最小厚度 Hmin=90mm, 最大厚度 Hmax=240mm,即模具满足Hmin≤H≤Hmax 的安装条件。如（图 5.1）20图 5.1（标准模架）5.2 注射机有关参数的校核5.2.1 注射机注射量的校核为了保证注射机能够满足注射要求，故而对注射机的注射量进行校核。由公式 K 利 V 公≥V 件+V 废 ，得：V 件+V 废=2.8 cm³X4+7.02 cm³=18.22 cm³K 利 V 公=80%X70 cm³=56 cm³由此可见，注射机注射量完全满足要求。215.2.2 注射机压力的校核为了保证注射机能够保证要求，故对注射机的注射压力进行校核。此模具为 ABS 塑件，所需注射压力 P 注=80Mpa，而注射机注射压力 P 公可达 160Mpa。所以完全能够满足要求。5.3 模具尺寸、开模行程和锁模力的校核（1）、模具长宽尺寸模具长宽尺度必须小于注塑机拉杆间距,本设计选用机台拉杆间距为360×360,模具长宽为 300x250，经核算机台选用合适。（2）、模具厚度（闭合高度）模具闭合高度必须满足以下公式 maxminH式中 --注射机允许的最大模厚in--注射机允许的最小模厚max本设计中模具厚度为 280mm 160
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