开关盒上盖注塑模具设计.docx
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开关盒上盖注塑模具设计
开关盒上盖注塑模具设计
2.11模具总装配图
3.总结
1绪论
塑料成型在工业生产中的重要性
一、塑料及塑料工业的发展
塑料是以树脂为主要成分的高分子有机化合物。
树脂可分为天然树脂和合成树脂两大类，塑料大多采用合成树脂。
各种合成树脂都是将低分子化合物的单体通过合成的方法生产出的高分子化合物，一般相对分子质量都大于１万，有的甚至可达百万级。
在一定温度和压力下，塑料具有可塑性，可以利用模具成型为具有一定几何形状和尺寸精度的塑料制件。
塑料工业是一门新兴的工业，是随着石油工业发展应运而生的。
塑料工业的发展大致分为以下几个阶段。
（1）初创阶段
（2）发展阶段。
20世纪30年代，低密度聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚酰胺等热塑性塑料相继工业化，奠定了塑料工业的基础，为其进一步发展开辟了道路。
（3）飞跃发展阶段20世纪50年代中期到20世纪60年代末，石油化工的高速发展为塑料工业提供了丰富而廉价的原料。
（4）稳定增长阶段
二、塑料成型在工业生产中的重要性
塑料成型是将各种形态的塑料原料（粉状、粒状、熔体或分散体）熔融塑化或加热达到要求的塑性状态，在一定压力下经过要求形状模具（如挤出口模）或充填到要求形状模具模腔内，待冷却定型后，获得要求形状、尺寸及性能塑料制件的生产过程。
模具：
是材料成型加工中的工艺装备，它是利用其特定形状去复制成型或复制加工具有一定形状和尺寸制件的工具。
塑料模具：
是成型塑料制件的工艺装备或工具
分类（根据成型工艺方法）：
注射模具、压缩模具、传递模具、挤出模具、中空吹塑模具。
在各行业的材料加工中广泛使用着各种模具，例如塑料、橡胶制品成型使用的塑料模具、橡胶模具；金属铸造成形使用的砂型或压铸模具；金属压力加工使用的锻压模具、冲压模具；玻璃、陶瓷制品加工使用的玻璃模具、陶瓷模具等。
利用模具加工成形的零件或制品具有生产效率高、质量好、节约原材料和能源、成批大量生产时成本低等优点，因此，模具已经成为现代工业生产中重要的工艺装备。
世界上工业发达国家无不把发展模具工业放在优先地位，他们认为：
“模具工业是现代工业的基石，是工业之母”，“模具是促进社会繁荣富裕的动力”。
据国际生产协会统计，近年来工业品零件粗加工的70%、精加工的50%由模具成形来完成。
在洗衣机、照相机、电视、电话等家用电器、仪器仪表、通信工具中，约有90%以上的零件需要用模具进行生产。
模具工业设计水平的高低、加工设备的好坏、技术力量的强弱、模具质量的优劣，直接影响着许多相关行业，如汽车、飞机、家用电器、电子信息、农业机械、工程机械、冶金、机床、兵器、仪器仪表、轻工、日用五金等行业新产品的开发和老产品的更新换代，影响着产品质量、经济效益的提高和创新发展。
模具工业作为国民经济的基础工业，具有重要的地位。
我国模具工业发展起步较晚，20世纪80年代前，模具工业基础差，技术设备落后，管理水平低。
随着我国改革开放的不断深入，经济建设的高速发展，1989年国务院颁布了《关于当前产业政策要点的决定》，模具被列为机械工业技术改造序列的首位，成为重点支持发展的产业；1997年以来，又相继把模具及其加工技术和设备列入《当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录》和《鼓励外商投资产业目录》，我国模具工业得到了迅速发展，逐渐成为技术密集、设备先进、管理科学的行业。
模具产品也不断向着复杂、精密、高效、长寿命方向发展。
２００１年，我国模具工业总产值达３２０亿元人民币，远远超过了机床制造行业的总产值。
展望未来，模具工业将具有广阔的发展前景。
现代科学技术和工业经济的高速发展，对大型、精密、复杂、美观、长寿命产品的需求日益增长，逐渐形成了以材料成形工艺分析、计算方法为基础，以模具技术研究、设计、制造、使用及维护为中心的学科（学术）交叉、复合体系，特别是计算机技术和信息控制技术在模具设计（CAD）、工艺分析（CAE）和模具制造（CAM）中的广泛推广应用，使得模具成形技术领域的新产品、新技术、新工艺、新知识不断涌现，促进了模具设计与制造水平的不断提高，从而使得模具成形技术的研究和发展成为制造业领域中最为活跃的方面。
在21世纪，为了进一步提高模具质量及生产效率，缩短设计与制造周期，降低生产成本，最大限度地提高模具制造行业的应变能力，满足用户需求，模具制造行业将向着高度集成化、智能化、柔性化、网络化和快速响应的方向发展。
塑料成型技术的发展趋势
（1）CAD/CAE/CAM技术在模具设计与制造中的广泛应用
（2）大力发展快速原型制造
（3）研究和应用模具的快速测量技术与逆向工程
（4）发展优质模具材料和采用先进的热处理和表面处理技术
（5）提高模具标准化水平和模具标准件的使用率
（6）模具的复杂化、精密化与大型化
（7）模具工业信息化
模具是利用其特定形状去成型具有一定形状和尺寸的工具。
对塑料模具的全面要求是：
能生产出在尺寸精度，外观，物理性能等方面均达到要求的优质制品。
以模具的使用角度，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。
塑料模具影响着塑料制品的质量。
首先，模具型腔的形状、尺寸、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、各向同向性、外观质表面光洁度、气泡、凹痕、烧焦、银纹等都有十分重要的影响。
其次，在塑料加工过程中，模具结构对操作难易程度影响很大。
在大批量生产塑料制品时，应尽量减少开模，合模和取制件过程中的手工劳动，为此常采用自动开合模和自动顶出机构。
在全自动生产时还要保证制件能自动从模具上脱落。
另外，模具对塑料制品的成本也有相当的影响。
除简易模具外，一般来说制模费是十分昂贵的。
一副优良的注射模具可生产制品百万件以上，压制模约能生产二十五万件。
当批量生产不大时，模具费用在制品成本中所占的比例将会很大，时应尽可能地采用结构合理简单的模具，以降低成本。
现代塑料制品生产中，合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是必不可少的三项重要因素，尤其是塑料模具对实现塑料加工工艺要求。
塑料制件使用要求和造型设计起着重要作用。
高效的全自动的设备也只有装上能自动化生产的模具才能发挥其效能，产品的生产和更新都是以模具的制造和更新为前提。
由于工业塑件和日用塑料制品的品种和产量要求量很大，对塑料模具也提出了越来越高的要求，因此促使塑料模具生产不断向前发展。
塑料模具近年来在我国有了很大的发展，大量新技术，新工艺，新材料得到推广应用国际先进技术的引进，尤其是计算机技术和数控加工的飞速发展和在传统制造业中的应用，更加快了模具行业的发展。
模具设计正从过去的传统经验，手工绘图，发展到今天通过人机对话，能迅速设计出模具的总图，运用模具CAE可以模拟在模具中的流动状态，确定浇口位置，克服塑料成型中可能出现的问题。
而模具CAE的广泛应用更使模具向大型，精密，复杂发展，模具制造周期也大大缩短。
跟国外相比，我国模具产品结构很不合理，我国模具产品结构中冲压模具约占50%，塑料模具约占34%，压铸模具约占6%，其他各类模具约占10%；发达国家对发展塑料模比较重视，塑料模所占比例一般为40%；大型、精密、长寿模具所占比例为50%以上，而我国仅为25%；我国主要模具生产能力集中在各主机厂的模具分厂内，所产模具商品化率很低，模具自产自销比列高达60%-70%，而国外70%以上是商品模具。
国内外模具的质量水平不可同日而语，开发能力和经济效益仍有差距。
但我国加入WTO后，给塑料模具产业带来了巨大的挑战和机会。
促使更多外资来中国建厂，带来国外先进的模具技术和管理经验，对培养中国的专业模具人才起到了推动作用。
所以我国塑料模具生产企业更应该抓住机遇，重点发展那些技术含量高的大型、精密、复杂、长寿命模具，并大力开发国际市场，发展出口模具。
随着中国塑料工业，特别是工程塑料的高速发展，可以预见，中国塑料模具的发展速度仍将继续高于模具工业的整体发展速度，未来几年年增长率仍将保持
左右的水平。
“十一五”期间，在科学发展观指导下，国内模具企业将进一步深化改革，下功夫搞好科技进步与创新，坚持走新型工业化道路，将速度效益型的增长模式逐步转变到质量和水平效益型的轨道上来，模具工业必将得到又好又快的发展
计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简写为CAD），是指利用计算机的计算功能和高效的图形处理能力，对产品进行辅助设计分析、修改和优化。
它终合计算机知识和工程设计知识的成果，并随计算机软硬件的不断提高而逐渐完善。
本设计采用AUTOCAD进行图纸的设计，使用UG软件对产品进行建模。
计算机辅助工程（ComputerAidedEngineering，简写为CAE），是指利用计算机的数据分析功能对产品的生产进行辅助模拟，用以提前发现设计过程中的缺陷并及时加以优化，这使得设计者减少了设计失误，大大节约了时间和成本。
本设计采用Moldflow对制品进行模流分析。
2模具设计
2.1零件材料选择及性能
本注塑产品为开关盒上盖，形状及结构复杂程度一般，盒盖截面的顶部为半径400mm的圆弧，长为110mm，宽63mm，最高高度为18mm。
外表面粗糙度要求Ra为3.2，其余6.3。
其形状及尺寸如图1所示。
由于制品为大批量生产，本注塑模具采用一模两腔的形式。
图1零件图
本塑料制品使用ABS塑料成型，ABS是丙烯晴，丁二烯和苯乙烯三种单体的共聚物，ABS具有较高的强度、硬度、耐热性及耐化学性的优良性能，且价格便宜，原料易得。
ABS技术指标如下:
密度（g/cm3）:
1.5
比容（cm3/g）:
0.92
抗拉强度（Mpa）:
50
吸水率24h（%）:
0.3
熔点（℃）:
130-160
硬度（hb）:
9.7
拉伸弹性模量（Mpa）:
2.5x103
收缩率（%）:
0.3-0.7
弯曲强度（Mpa）:
80
体积电阻率（Ω/cm）:
6.9x1016
冲击强度kj/m2（无缺口）:
261（缺口）:
11
热变形温度（℃）:
（0.45mpa）90-108
2.2注射机型号的确定
（1）选择注射机
①注射压力计算
查表1.2-1，ABS采用螺杆式注塑机注射所需要的压力为70～100MPa，零件结构简单壁厚均匀，初选P0=90Mpa,要求Pmax≥K'P0
式中Pmax——注塑机的额定注射压力；
K'——安全系数，常取K’=1.25~1.4，此处取1.3；
P0——成型时所需要注射压力；
料温取160~220℃。
计算得到：
Pmax≧117Mpa。
②注射容量计算
首先进行注射量的初步估算，通过UG建模后测量，得到塑件的体积约为V塑≈22.41cm3，塑件的质量根据m塑=ρV，查相关资料得到ABS的密度ρ=（1.01～1.08g）/cm3现取ρ=1.07g/cm3。
浇注系统的凝料在模具结构没有确定之前是无法确定的，但是可以根据经验按塑件体积0.2～1倍来估算，取0.2倍计算。
一模两腔，因此，一次注入模具型腔塑料熔体的总体积为：
V总=2×V塑（1+0.2）=53.78cm3，根据经验公式：
V公=V总/0.8
（1）
式中：
V公——注射机公称注射量。
V总——模具型腔内熔体体积。
由此可得注射机公称注射量：
V公=53.78÷0.8=67.23cm3。
公称注射量大于67.23cm3。
由步骤①、②，查表2.9.3[1]，初选注射机型号为SZ-100/630。
其主要技术要求参数见表1.1：
表1.1注射机主要参数
理论注射容量/cm3
105
最大模具厚度/mm
300
螺杆直径/mm
35
最小模具厚度/mm
150
注射压力/Mpa
150
移模行程/mm
270
锁模力/KN
630
喷嘴口孔径/mm
Φ3.5
结构形式
卧式
喷嘴球半径/mm
15
2.3分型面及型腔布置
1.型腔分型面设计
分型面的方向尽量采用与注射成型机开模方向垂直的方向。
合理选择分型面，有利于制品的质量提高，工艺操作和模具的制造。
因此，在模具设计过程中是一个不容忽视的问题，选择分型面
一般根据以下的原则:
A.分型面的位置要不影响制品的精度和外观;
B.尽量简单，避免采用复杂形状，使模具制造增加困难;
C.要尽量有利于塑料制品的脱模和抽芯;
D．有利于浇注系统的合理设计;
E.尽可能与料流末端重合，以利于系统的排气。
该盒盖的表面质量要求一般，根据零件的结构特点，便于消除毛刺飞边，采用型腔完全在定模一侧的模具结构形式，这种结构形式便于塑件的脱模，采用分型面的类型为单分型面。
如图2-1所示。
图2-1分型面
2.型腔数量及排列方式的确定
（1）型腔数量的确定该塑件为大批量生产，可采取一模多腔的结构形式。
同时，考虑到塑件的尺寸、模具结构尺寸的大小关系，以及模具制造费用和成本等因素，初步选定一模两腔的结构形式。
（2）型腔排列形式的确定多型腔模具最好采用平衡式分布，且要求紧凑，并且与浇口开设的部位对称。
由于该设计选择的是一模两腔，则可以采用直线对称排列的方式，
如图2-2所示。
图2-2型腔布置
2.4浇注系统设计
2.4.1浇注位置分析
。
a位置如图2-3:
图2-3浇口位置a
a浇注位置模拟结果中的气穴、熔接痕可以知道，a位置浇注产生较多气穴在浇口远离端，并且靠近浇口位置有明显的熔接痕。
a位置浇注，型腔充填压力随远离浇口而变小，层次明显，会使得近端和远端的成型质量不一致。
b位置的模拟结果如图2-4：
图2-4浇口位置b
b位置浇注成型的制品气穴极少，且位于分型面位置易被排除，缩痕细小且狭小。
型腔各位置填充压力基本均匀，成型质量也好于a。
所以，浇口位置选择b种形式。
2.4.2浇注系统的尺寸计算
主流道尺寸：
大端直径D、小端直径d与主流道长度L之间的关系式：
D=d+2L*tanα
（2）
其中α——主流道锥度，一般为2°~4°，现取α=3°；
D——主流道大端直径；
d——主流道小端直径；
L——主流道长度。
根据制品体积及表2.2-1[1]，可得熔体体积流量q=60/1=60cm3W/s；取主流道中熔体剪切速率γs=5×103s-1，由图2.2-15γs-q-Rn曲线关系可得Rn=5mm，故主流道大端直径D=2Rn=10mm。
小端直径根据注射剂喷嘴口直径d0=3.5mm，d=d0+（0.5~1），取d=4mm。
由式可知，L≈64mm。
主流道各尺寸如表1.2：
表1.2主流道尺寸
L（/mm）
D（/mm）
d（/mm）
α（°）
64
10
4
3
分流道的设计：
分流道设计应该尽量减少熔体在流道上的压力损失和尽量避免熔体温度降低，同时还要考虑减少分流道的容积和压力平衡。
因此，根据模具结构以及型腔的分布，采用平衡式分流道布置。
分流道长度分流道长度由两腔之间的距离所决定，考虑到结构强度和刚度，取分流道长度为20mm。
分流道截面形状及尺寸各分流道的体积流量qR=60/2=30cm3/s，取分流道中熔体剪切速率γR=5.1×102s-1,由图2.2-15得Rn=4.8mm。
为使分流道易于加工和凝料便于推出，采用设在模具定模一侧，截面为半圆形的分流道，取底边圆弧半径R=3mm。
因此，分流道截面积为：
（3）
浇口设计初步判断本零件适合采用的浇口方式有几种：
1、点浇口；2、侧浇口；3潜伏式浇口。
而点浇口和潜伏式浇口的模具不如侧浇口结构简单，本塑件采用侧浇口即可满足要求。
再根据型腔的分布排列形式以及模具结构特点，本设计采用矩形侧浇口。
侧浇口尺寸的确定侧浇口深度h和宽度W经验公式如下：
h=nt（4）
（5）
式中：
h——中小制品常用h=0.5~2mm，约为制品最大壁厚的1/3~2/3；
t——制品壁厚（mm）；
n——塑料材料系数，由表2.2-2查，n=0.8；
A——型腔表面积（mm2）。
计算得W≈2.2mm,h=1.6mm。
而侧浇口长度L在结构强度允许的情况下以短为好，一般选用L=0.5~0.75，此处取L=0.6mm。
对计算所得的侧浇口截面尺寸进行校核：
γ=6q/（Wh2）=1.4×104≧104S-1，符合要求。
所以侧浇口的各尺寸如表1.3：
表1.3侧浇口尺寸
W（/mm）
h（/mm）
L（/mm）
2.2
1.6
0.6
冷料井的设计此浇注系统中的冷料穴位于主流道正对面的动模板上，以收集熔体前锋的冷料，防止冷料进入模具型腔而影响制品质量。
同时为了方便同时能去除每次注塑完成后的浇注系统凝料，在圆管形的冷料穴底部装有一根Z形头的拉料杆。
冷料井的总高度为13.4mm，Z形部分的角度为20°，其长度为8mm。
主流道，分流道，浇口及冷料井的形状尺寸如图2-5：
图2-5浇注系统尺寸
2.5锁模力校核
（1）型腔压力估算
型腔压力估算公式：
pC=p-（△pP+△pQ_）（6）
式中pC——型腔压力；
P——注射压力；
△pP——熔体流经注射机喷嘴的压力降；
△pQ——熔体流经浇注系统的压力降。
其中：
△pP=△pE+△pN；△pQ=△pS+△pR+△pG。
螺杆头与喷嘴入口区间熔体发生剪切流动所引起的压力降公式为：
（7）
由选定注射机注射装置的数据可知，RS=1.75cm，RN=0.2cm，查表得熔体流动特性数据n=0.85，K’=1.85×104，代入得：
△pE=15.23Mpa。
熔体流经注射机嘴所产生的压力降公式为：
（8）
其中RN=0.2cm，熔体流经注射机喷嘴孔时流动特性数据查表2.2-5得n=0.38，K’=3.79×104，代入得△pN=6.83Mpa。
熔体流经主流道及其分支与转向所产生的压力降：
（9）
查图2.2-48[1]可知，R1=0.36cm，R2=0.28cm，L=5cm，所以LS=de=（0.36+0.28）/2=0.32cm，熔体流动特性数据取n=0.38，K'=3.19×104，代入得△pS=19.2Mpa。
由于分流道无分支，所以熔体流经第一分流道及改向的压力降△pR=0。
熔体经流浇口的压力降公式为：
（10）
式中：
RG=0.016cm，LG=0.06cm，熔体流动特性数据查表2.2-6c得n=0.38,K'=5.1×104,代入得：
△pG=7.26Mpa。
将上述结构代入到式中得pC=150-（15.23+6.83+19.2+7.26）=101.48Mpa。
（2）锁模力计算
由锁模力的校核公式：
F锁≥KA总pC（11）
式中F锁——注塑机的额定锁模力；
K——安全系数，通常取1.1~1.2。
此处取K=1.1；
pC——型腔的平均计算压力；
A总——塑件和浇注系统在分型面的总投影面积。
其中，KA总pC=1.1×（110×63）×101.48≈773KN，而注射机的额定锁模力为F锁=630KN。
因此，若采用注射机最大注射压力成型制品，则不能满足要求。
但按ABS塑料的加工特性，并结合该制品轮廓复杂程度一般，而且为侧浇口进料，可将型腔压力调低到40~50Mpa即可，于是，注射机的注射压力可调低至95Mpa。
此时，型腔压力为pC=[95-（△pP+△pQ_）]=46.48Mpa。
此时KA总pC=354.3<630KN。
故当注射压力调到95Mpa时，该制品成形满足锁模要求。
其他安装尺寸的校核要等到模架选定之后才可以进行。
2.6成型零件设计
2.6.1成型零件的材料选择
本塑件是ABS材料，且为大批量生产，所以对于型腔表面要求高硬度和耐磨损，适宜采用P20作为凹模板和型芯的材料。
2.6.2成型零件的结构设计
（1）凹模的结构设计凹模成型塑件外表面，而塑件的外表面成型质量相对内表面要高，根据对塑件的结构分析，其外形比较简单，可采用整体式凹模。
（2）凸模型芯的结构设计型芯结构也比较简单，但是，由于型芯对材料的要求更高，所以为了节约成本，采用镶嵌式型芯。
2.6.3成型零件钢材的选用
成型零件要有足够的刚度、强度、耐磨性以及良好的抗疲劳性能，同时也要考虑到机械加工性能和抛光性能。
本设计中的塑件为大批量生产，型芯和型腔以及推板采用P20，模具制造中不必热处理，保证加工后获得较高的形状和尺寸精度。
而且抛光性好，适用于ABS注塑件中小型注射模成型零件的生产。
2.6.4成形零件工作尺寸的计算
制品尺寸能否达到图纸尺寸的要求，与型腔、型芯的工作尺寸的计算有很大关系。
成型零件工件尺寸的计算内容包括:
型腔和型芯的径向尺寸（含矩形的长和宽）、高度尺寸及中心距尺寸等。
成型零件工作尺寸的计算方法很多，现以塑料的平均收缩率为基准计算。
注塑模具型腔板的设计
（1）凹模的形式
整体式型腔由整块材料加工而成的型腔。
它的优点是：
强度和刚度都相对较高，且不易变形，塑件上不会产生拼模缝痕迹，适用于形状较为简单的中、小型模具。
（2）型芯型腔尺寸计算
型芯型腔的制造公差等级为IT7。
型芯径向名义尺寸计算式：
（12）
型腔径向名义尺寸计算式：
（13）
型芯高度计算式：
（14）
型腔深度计算式：
（15）
式中：
Scp——塑料成形收缩率；
D——制品的名义尺寸；
Δ——制品公差；
Δm——模具制造公差，取
；
x——修正系数，此处取x=2/3；
所以，型芯的主要尺寸：
，
，
，
，
。
如图2-6所示：
图2-6型芯尺寸
型腔的主要尺寸：
，
，
，
，
，
。
如图2-7所示：
图2-7型腔尺寸
2.7凹模及垫板的强度和刚度计算
在成型零件中，凹模和动模垫板是构成型腔的主要受力构件，所以必须对其进行强度和刚度的校核。
（1）底板厚度计算
刚度条件计算式：
（16）
式中
；
强度条件计算式：
（17）
（2）整体式矩形凹模侧壁厚度计算
刚度条件计算式：
（18）
式中
，Φ1=0.6；
强度条件计算式：
由于
<0.41，凹模侧壁厚度的刚度条件计算式为
（19）
以上各式中，通用的数据有：
δp——注塑模刚度计算的许用变形量。
查表2.4-12，δp=25i2，i2=0.46W1/5+0.001W，此处W=
。
p——型腔最大压力，p=46MPa；
——型腔长边，
=110mm；
b——型腔短边，b=63mm；
h——型腔深度，h=18mm；
E——弹性模量，此处E=2.07×105MPa。
将数值代入到各式中，得到：
底板厚度：
满足刚度条件的底板厚度为T1=5.8mm；达到强度条件的底板厚度为T2=26.9mm；所以凹模底板厚度T＞27mm。
凹模侧壁厚度：
满足刚度条件的凹模侧壁厚度为S1=1.3mm；达到强度条件的凹模侧壁厚度为S2=18.8mm。
所以凹模侧壁厚度S＞19mm。
2.8模架的选择
标注模架的选择首先考虑模具结构形式，从以上的分析，此模具设计为一模两腔，对称直线排列，根据塑件的结构，推出机构可以采用型腔板推出塑件。
浇注系统则为平衡对称式，浇口采用侧浇口。
浇注系统布置如上图所示。
其次，根据计算得到的型腔板周边尺寸和满足刚度和强度条件的底板和侧壁的最小尺寸，查表1.5-25[1]，确定模架型号为A2-250355-35-Z1GB/T1
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