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模具设计与制造
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摘要：
模具是工业生产中的重要工艺装备，模具工业是国民经济各部门发展的重要基础之一。
塑料模具是指用于成型塑料制作的模具，它是型腔模的一种类型，其模具型腔由凹模和凸模所组成。
在塑料成型生产中，先进的模具设计、高质量的模具制造、优质的模具材料、合理的加工工艺和现代的成型设备等是成型优质塑件的重要条件。
关键词：
型腔模塑料成型模具设计加工工艺
一、设计任务书
轮毂的技术要求是：
1、未注公差按MT5级；
2、一模四件。
成品图如下图所示
二、塑件的结构工艺性分析
（一）、塑件原材料的成型特性分析
黑色ABS是聚苯乙烯的改性产品，是目前产量最大，应用最大的工程塑料。
黑色ABS是不透明非结晶性聚合物，无毒、无味，密度1.02—1.05g/cm3。
黑色ABS具有突出的力学性能，坚固、坚韧、坚硬；
具有一定的化学稳定性和良好的介电性能；
具有较好的尺寸稳定性，易于成型和机械加工。
成型塑件表面有较好的光泽，经过调色可配成任何颜色，表面可镀鉻。
其缺点是耐热性差，连续工作温度为70℃左右，热变形温度为93℃左右，但热变形温度比聚苯乙烯、聚氯乙烯尼龙等都高；
耐候性差，在紫外线作用下易变硬发脆。
黑色ABS可采用注射、挤出、压延、吹塑、真空成型、电镀、焊接及表面涂饰等多种成型加工方法。
黑色ABS的成型性能如下：
易吸水，成型加工前应进行干燥处理，表面光泽要求高的塑件应长时间预热干燥；
1、流动性中等，溢边值为0.04mm左右；
2、比热容低，塑化效率高，凝固也快，故成型周期短；
3、表面黏度对剪切速率的依赖性很强，因此模具设计中大都采用点浇口形式；
4、顶出力过大或机械加工时塑件表面会留下白色痕迹，脱模斜度宜取2°
以上；
5、易产生熔接痕，模具设计时应注意尽量减少浇注系统对料流的阻力；
6、宜采用高料温、高模温、高注射压力成型。
在要求塑件精度高时，模具温度可控制在50～60℃；
而在强调塑件光泽和耐热时，模具温度应控制在60～80℃。
（二）、塑件的结构工艺性分析
1、塑件的尺寸精度分析
图上均为未标注公差的自由尺寸，依据图中要求按MT5级查取公差，塑件主要尺寸的公差如下表所示
部位
尺寸
尺寸公差
外形尺寸
Ø
21
±
0.22
内形尺寸
4
0.12
20
6
3.5
16
0.19
1.6
0.10
14
0.16
0.8
12
2.5
10
0.14
0.5
8
2、塑件的表面质量分析
对该塑件表面没有特殊要求。
一般情况下，外表面要求光洁，表面粗糙度Ra可以取0.8μm；
没有特殊要求的塑件内部表面粗糙度可以取3.2μm。
3、塑件的结构工艺性分析
（1）从图纸上看该塑件外形为梯形圆台。
（2）塑件型腔较小，有尺寸不等的孔，如Ø
8，Ø
4，它们均符合最小孔径要求。
（3）内部有六个均布的加强肋，可增强塑件的强度，减小塑件的变形。
肋的侧设有1°
左右的斜度。
（4）为使塑件顺利脱模，可在塑件内部及加强肋处增设1～2°
的拔模斜度。
综上所述，该塑件可采用注射成型加工。
（三）、塑件的生产批量
该塑件采用一模四件，故可采用一模多腔、快速脱模以及成型周期不宜太长的模具，同时模具造价要适当控制。
（四）、初选注射机
1、计算塑件体积或重量
通过三维造型可获得该塑件的体积V=1489.0951mm3=1.489cm3
黑色ABS的密度为1.03g/cm3所以塑件的质量为w=1.03x1.489=1.53367g=1.53g
2、根据塑件本身的几何形状及生产批量确定型腔数目
由于该塑件已给出了要求，要求一模四件，故采用一模四腔，型腔平衡布置在型腔板四侧，以方便浇口排列和模具的平衡。
3、确定注射成型的工艺参数
根据该塑件的结构特点和黑色ABS的成型性能，查有关资料初步确定塑件的注射成型工艺参数，见下表
塑件的注射成型工艺参数
工艺参数
内容
预热和干燥
温度80～90℃时间2h
成型时间/s
注射时间3～5
保压时间15～30
冷却时间15～30
总周期40～70
料筒温度/℃
后段180～200
中段210～230
前段200～210
螺杆转速/（r/min）
30～60
喷嘴温度/℃
180～190
后处理
方法红外线灯烘箱
模具温度/℃
60～80
温度/℃70
注射压力/MPa
70～90
时间/h2～4
（4）、确定模具温度及冷却方式
黑色ABS为非结晶型塑料，流动性中等，壁厚一般，因此在保证顺利脱模的前提下应尽可能降低模温，以缩短冷却时间，从而提高生产率。
所以模具应考虑采用适当的循环水冷却，成型模具温度控制在60～80℃。
（5）、确定成型设备
由于塑件采用注射成型加工，使用一模四腔分布，因此可计算出一次注射成型过程所用塑料量为W=4w+w废料=4x1.53+1.53x20%=6.426g
根据以上一次注射量的分析以及考虑到塑料品种、塑件结构、生产批量及注射工艺参数、注射模具尺寸大小等因素，参考设计手册，初选XS-ZY-125型螺杆式注射机。
记录下XS-ZY-125型螺杆式注射机的主要参数，见下表
序号
主要技术参数项目
参数数值
1
最大注射量/cm3
125
2
120
3
锁模力/KN
900
动、定模模板最大安装尺寸/（mmxmm）
428x458
5
最大模具厚度/mm
300
最小模具厚度/mm
200
7
最大开模行程/mm
喷嘴前端球面半径/mm
9
喷嘴孔直径/mm
定位圈直径/mm
100
三、分型面及浇注系统的设计
（一）、分型面的选择
为保证塑件能顺利分型，主分型面应考虑选择在塑件外形的最大轮廓处，故此塑件的分型面应选择在零件的上表面。
（二）、浇注系统的设计
浇注系统由主流道、分流道、浇口、冷料穴四个部分组成。
1、主流道和定位圈的设计
主流道与注射机的高温喷嘴反复接触碰撞，故应设计成独立可拆卸更换的浇口套，采用优质钢材制作，并经热处理提高硬度，定位圈与浇口套分开设计。
查资料得到XS-ZY-125型注射机与喷嘴的有关尺寸：
喷嘴前端球面半径SR0=12mm，喷嘴孔直径d0=4mm,定位圈直径100mm。
为保证模具主流道与喷嘴的紧密接触，避免溢料，主流道与喷嘴的关系为：
SR=SR0+（1～2），d=d0+0.5。
因此取主流道球面半径SR=14mm（取标准值），主流道小端直径d=4.5mm。
为了便于将凝料从主流道中拔出，应将主流道设计成圆锥形，其斜度为2°
～4°
，计算其大端直径约为10mm；
为避免模内的高压塑料产生过大的反压力，配合段直径D不宜过大，取D=25mm；
同时为了使熔料顺利进入分流道，在主流道出料端设计R2的圆弧过渡；
为补偿在注射机喷嘴冲击力作用下浇口套的变形，将浇口套的长度设计得比模板厚度短0.02mm；
浇口套外圆盘轴肩转角半径R宜大一些，取R=3mm，以免淬火开裂和应力集中。
定位圈是安装模具时做定位用的，查资料的XS-ZY-125型螺杆式注射机的定位圈直径为100mm，一般定位圈高出定模座板表面5～10mm。
2、分流道的设计
该塑件设计时采用U形断面分流道，在一块模板上，切削加工容易实现，且比表面积不大，热量损失和阻力损失不太大。
查有关经验表格得黑色ABS的分流道推荐直径为4.8～9.5mm,取Ø
8mm。
3、浇口的设计
根据塑件的要求及型腔分布情况，选用侧浇口，从塑件的大端边上进料。
4、冷料穴的设计
采用带Z形头拉料杆的冷料穴，将其设置在主流道的末端，既起到冷料穴的作用，又兼起开模分型时将凝料从主流道中拉出留在动模一侧，稍作侧向移动便可取出凝料的作用。
四、模具设计方案论证
（一）、型腔布置
对于一模多件的模具型腔布置，在保证浇注系统分流道的流程短、模具结构紧凑、模具能正常工作的前提下，尽可能使模具型腔对称、均衡、取件方便。
本案例的模具采用一模四腔，型腔平衡布置在型腔板四周。
（二）、成型零件的结构确定
该塑件的材料为ABS工程塑料，对表面粗糙度和精度的要求较高，因此要求成型零件有足够的强度、刚度、硬度和耐磨性，应选用优质模具钢制作，还应进行热处理以使其具备50～55HRC的硬度。
1、型腔设计
采用整体嵌入式型腔，放在动模一侧，主要是从节省优质模具钢材料、方便热处理、方便日后的更换维修等方面考虑。
2、型芯设计
型芯结构设计也应采用组合式，可节省贵重模具钢、减少加工工作量。
成型塑件内孔Ø
8、Ø
4的大型芯装在动模上，成型Ø
16的部位的型芯装在定模上，方便型芯的制作、塑件的飞边去除以及塑件内部冷却水道的排布。
（三）、导向定位机构设计
由于塑件基本对称且无单向侧压力，所以采用直导柱导向便可满足合模导向及闭模后的定位。
（四）、推出机构设计
根据塑件的特点，其推出机构可采用推件板推出或推杆推出。
其中推件板推出机构可靠、顶出力均匀，不影响塑件的外观质量，但制造困难，成本高；
推杆推出结构简单，推出平稳可靠，虽然推出时会在塑件表面留下顶出痕迹，但对塑件的外观影响不大，所以采用推杆推出机构。
（五）、冷却系统设计
采用冷却水冷却，凹模冷却水道采用环绕型腔布置的两层式冷却回路，水道开设时注意避开安装在动模上的型芯；
大型芯采用隔板式管道冷却，在型芯上开设两个孔，孔内插上纵向隔板，与开在动模支撑板上的横向管路形成循环冷却回路。
五、主要零部件的设计计算
（一）、成型零件的成型尺寸
该塑件的成型零件尺寸均按平均值法计算，查有关手册得黑色ABS的收缩率为0.4%～0.7%，故平均收缩率Scp=（0.4+0.7）%/2=0.55%=0.0055，根据塑件尺寸公差要求，模具制造公差取δz=Δ/3，成型零件尺寸计算如下
1、基本型腔径向尺寸计算公式为Lm=[（1+Scp）Ls-0.75Δ]0+δz
基本型腔高度尺寸计算公式为Hm=[（1+Scp）Ls-0.67Δ]0+δz
210-0.44
20.7860+0.147
200-0.44
19.780+0.147
60-0.24
5.8720+0.08
2、基本型芯径向尺寸计算公式为lm=[（1+Scp）ls+0.75Δ]0-δz
基本型芯高度尺寸计算公式为hm=[（1+Scp）hs+0.67Δ]0+δz
80+0.28
8.2540-0.093
3.50+0.20
3.6530-0.067
40+0.24
4.2020-0.08
20+0.20
2.1450-0.067
3、其余尺寸的计算
16±
16.088±
0.063
14±
14.077±
0.053
12±
12.066±
10±
10.055±
0.047
4±
4.022±
1.6±
1.609±
0.033
0.8±
0.804±
0.5±
0.503±
（二）、推出机构的设计
采用推杆推出机构，由于该塑件的脱模力不是太大，推杆的布置空间足够，所以无需用繁琐的计算方法确定推杆的尺寸大小，可以根据经验选取d=1.5mm的国标推杆，注意保证推出距离略大于型芯的突出长度2～3mm，即推出距离大于6mm。
（三）、标准模架的确定
综合考虑本塑件采用一模四腔的平衡布置、侧浇口一次分型结构、塑件尺寸大小、冷却水道的布置等多项因素，估算型腔模板的概略尺寸，查《塑料模具设计指导与资料汇编》表8-1选取标准模板的尺寸为200mmX200mmX30mm，选用A2型标准模架。
六、成型设备的校核计算
（一）、注射机注射压力校核
经校核得知注射机的额定注射压力大于成型时所需的注射压力，故可选用此注射机。
（二）、注射量的校核
设计模具时，应保证成型塑件所需的总注射量小于所选注射机的最大注射量，即nm+m1≤Kmp
式中，mp—注射机允许的最大注射量，g或cm3。
计算得
4x1.53+6.426=12.546g≤0.8X125X1.03=103g
所以此注射机可以用。
（三）、锁模力的校核
注射机锁模力的校核关系式为
F≥kpA
式中F—注射机锁模力，查《塑料模设计手册》附录表8得XS-ZY-125型螺杆式注射机的锁模力为900KN。
k—压力损耗系数，一般取1.1—1.2；
p—型腔内熔体的压力，本塑件为90×
30%=30MPa；
A—塑件及浇注系统在分型面上的投影面积之和，本模具
A=4×
3.14×
（21/2）×
（21/2）=1384.74mm2=1.38X10-2m2。
kpA=1.2×
30×
106×
1.38X10-2×
10-3=49.68KN<
F=900KN。
故注射机的锁模力足够，满足锁模要求。
（四）、安装尺寸的校核
本模具的外形尺寸为200mm×
250mm，模具闭合高度为H=100+A+B+C=100+40+30+60=230mm,查资料得XS-ZY-125型注射机动、定模模板最大安装尺寸为428mm×
458mm，允许模具的最小厚度Hmin=200mm，最大厚度Hmax=300mm，即模具的外形尺寸不超过注射机动、定模模板最大安装尺寸，模具闭合高度满足Hmin<
H<
Hmax的安装要求，故该模具满足XS-ZY-125型螺杆式注射机的安装要求。
（五）、推出机构的校核
XS-ZY-125型螺杆式注射机的推出形式为中心及上、下两侧设有推杆（机械推出）。
由于该模具推力不太大，在XS-ZY-125型螺杆式注射机上采用中心Ø
50mm顶杆推出，在动模座板预留与之匹配的Ø
52mm顶出孔；
塑件实际推出距离为20mm＞（6+10）mm，满足推出距离要求。
（六）、开模行程的校核
取出制品所需的开模距离必须小于注射机的最大开模距离，本模具为单分型面注射模具，XS-ZY-125型螺杆式注射机的最大开模行程与模厚无关，校核关系式为
S>
H1+H2+（5~10）
式中S—注射机的最大开模行程，XS-ZY-125型螺杆式注射机的最大开模行程S=300mm；
H1—塑件脱模所需的推出距离，该塑件的脱模推出距离为20mm；
H2—塑件的高度（不包括浇注系统高度），该塑件的高度为6mm。
H1+H2+（5～10）=20+6+10=36mmS=300mm
以上分析证明，XS-ZY-125型螺杆式注射机能满足要求，故可以采用。
七、绘制模具装配图
1、13、15、20—螺钉2—浇口套3—定位圈4—定模座板5—导套6—定模板7—动模板8—动模支承板9—复位杆10—推杆固定板11—垫块12—动模座板14—推板16—拉料杆17—推杆18—型芯219—型芯1
结束语：
通过此次槽形轮的模具设计，使我更进一步的了解了塑料制品的特性以及塑料模具设计过程，也更深刻的体会到了“设计”这个词的含义，认识到了以前自己在设计中所犯的一些错误，明白了应该如何准确的改正那些错误。
另外，我也懂得了塑件形状简单或复杂并不能够影响你对设计的态度，都必须认真对待，严格遵循设计的特点，根据具体情况，结合生产实际条件，综合运用设计基本原理和正确的计算方法，来设计出出经济性好、结构合理的模具。
参考文献：
史铁梁：
屈华昌：
阎亚林：
孙凤勤、阎亚林：
《冲压与塑压成型设备》，高等教育出版社，2003年12月；
何冰强、高汉华：
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