三隔板塑料饭盒盖注塑模具设计Word格式.docx
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三隔板塑料饭盒盖
机械电子信息工程学院
摘要
本文主要介绍模具产品设计人员从接到产品后是如何利用CAD/CAE等软件进行模具设计与分析的全过程。
该内容主要包括：
使用SOLISDWORKS软件进行产品造型设计以及模具模架的设计与选择；
MOLDFLOW软件对产品进行模流分析；
本设计毕业设计课题源于生活，应用广泛，但模具结构复杂，对模具设计人员是一个很好的考验。
通过这次设计能够加强设计人员对塑料模具成型原理以及模具设计有深刻的理解，同时也让设计人员发现自己知识的不足。
本次设计是以三隔板塑料饭盒盖子为设计主题，综合运用了塑料成型工艺分析，模具结构设计，最后到模具模架的选择，模具总装图等一系列模具设计的全过程。
在设计中把以往学的模具设计的基础知识都融汇到本次设计中。
在设计中特别使用了MOLDFLOW软件，对模具模流进行分析预测，更能准确的预测产品结构的不足以及浇口位置，大大提高了产品设计的一次成功率。
本次设计得到任祖平老师的指点，在此，我要特别感谢任老师能在百忙之中抽出宝贵的时间给予指点。
由于本人实际经验和理论知识水平有限，设计过程中难免有错误和不足之处，希望各位评审老师给予批评和指正。
关键词
CAD/CAE，塑料，注塑模，注塑机
1绪论：
1.1注塑成型的地位和发展：
塑料是以树脂为主要成分的高分子有机化合物，简称高聚物。
一般相对分子质量都大于1万，有的甚至可达到百万级别。
在一定的温度和压力下具有可塑性，可以利用模具成型为一定几何形状和尺寸的塑料制件。
塑料的其余成分包括有增塑剂，稳定剂，固化剂，填料剂及其他配合剂。
塑料工业是当今极具活力的一门产业。
塑料是现代主要的工业结构材料之一，广泛应用于汽车，宇航，电子通信，仪器仪表，文体用品，化工，纺织，医疗卫生，建筑五金，家用电器等各个领域。
塑料制件在工业中的普遍使用，主要是由于它具有一系列的优点所决定的。
塑料的密度小，质量轻，大多数塑料密度在0.90—0.91g/cm
之间，相当于钢材和铝材密度的0.5倍左右，即在同样的体积下，塑料制件要比金属制件轻的多，这就是“以塑代钢”的优点。
塑料的化学稳定性高，对酸，碱和许多化学药品都有良好的耐腐蚀能力，此外，塑料的减磨，耐磨及减震，隔音性能也较好。
塑料已从替代部分金属，木材，皮革及无机材料发展成为各个部门不可或缺的一种化学材料，并跻身于金属，纤维材料和硅酸盐三大传统材料之列，在国民经济中，塑料制件已成为各行各业不可或缺的重要材料之一。
至2004年，我国塑料制件的年产量已突破2500万吨。
展望21世纪，高分子合成材料将进入质的飞跃发展时期。
塑料工业的飞速发展推动模具工业的飞速发展，同时对模具设计水平的高低，加工设备的好坏，制造力量的强弱，模具质量的优劣有较高的要求，并直接影响着许多产品的开发和新陈换代，以及产品质量和经济效益的提高。
我国是发展中国家，模具行业起步晚，底子薄，与工业发达国家相比还有很大的差距。
但在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的支持和改革及开放方针的引导下，我国注塑模具得到迅速的发展，高效率，自动化，大型，微型，精密，无流道，气体辅助，高寿命模具在整个模具产量中所占的比重越来越大。
从模具设计和制造技术方面来看，注塑成型模具有以下几个方面的发展趋势。
（1）CAD/CAE/CAM技术在模具设计与制造中的广泛应用模具的软件化和数控化日趋成熟，并且发挥着越来越重要的作用。
特别是CAE技术的应用，更体现出软件化的重要。
CAE分析技术可以在模具加工前，在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充，保压，冷却情况等，以及塑件中的应力分布，分子和纤维取向分布，制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改制件和模具设计，而不是等到试模后再返回修模。
这是对传统模具设计和塑料模具设计的一次重大变革与突破。
CAE分析技术主要应用于塑料产品设计，模具设计和塑料成型。
在塑料产品设计方面，利用CAE分析技术分析熔融塑料能否全部充满模具型腔，确定制件的实体最小壁厚，分析浇口位置是否合适；
在模具设计和制造方面，CAE分析技术可指出模具良好的充填形式，最佳的浇口位置与浇口数量，进行流道系统的优化设计和冷却系统的优化设计，减小返修成本；
在注塑成型方面，CAE技术可以可以给出更加稳定的加工“裕度”，减小塑件的应力和翘曲，节省原料，减少过量充模，采用最小的流道尺寸和回用料成本。
（2）大力发展快速原型制造对于具有形状复杂的曲面塑料制件，为了缩短研制周期，在现代制造模具技术中，可以不用直接加工出难以测量和加工的模具凹模和凸模，而是采用快速原型制造技术，先制造出与实物相同的样品，看该样品是否满足设计要求和工艺要求，然后再开发模具。
（3）研究和应用模具得快速测量技术与逆向工程逆向工程也称反求工程技术，这种技术是通过一定得三维数据采集方法，将这些实物原型转化为CAD模型，从而获得零件几何形状的数学模型，使之能利用CAD,CAM,RPM（快速原型制造技术）等先进技术进行处理或管理。
对于有复杂自由曲面零件的模具设计，可采用这种技术。
首先获取其表面几何点的数据，然后通过CAD系统对这些数据进行预处理，并考虑模具的成型工艺性再进行曲面的重构以获得模具的凹凸的型面，最后通过CAM系统进行数控编程，完成模具的加工。
（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模具材料的选用在模具设计和制造中是一个涉及到模具加工工艺性，模具使用寿命，塑料制件长兴质量和加工成本等重要问题。
模具热处理的发展方向是采用真空热处理，国内许多热处理中心和有些大型模具企业已经应用这项技术并且正在进一步推广。
模具表面的热处理除了常用的表面处理方法如渗碳，渗氮，渗硼，渗铬，渗钒外，还应发展设备昂贵，工艺先进的气相沉积，等离子喷涂等技术。
（5）提高模具标准化水平和模具标准件的使用率模具标准化水平在某种意义上也体现了某个国家模具工业发展的水平。
采用模具标准件和标准模架，可以满足大批量制造模具和缩短模具制造周期的需要。
目前我国塑料模具标准化标准有，GB/T12555—1990（大型注射模架的国家标准），GB/T12556—1990（中小型注射模架标准），GB/T4169.1—1984~~GB/T4169.12—2006（塑料模的12个技术条件的标准）。
（6）模具的复杂化，精密化与大型化为了满足塑料制件在各种工业产品中的使用要求，塑料成型技术正朝复杂化，精密化，大型化方向发展。
面对激烈的市场竞争，我国要从模具打过迈向模具强国，应调整产品的结构，增强大型，精密，复杂模具的主要开发能力，以提高产品的市场竞争能力。
（7）模具的工业信息化采用信息技术可以带动和提升模具工业的制造技术水平，推动模具工业技术的进步。
同时它也是一个复杂的工程。
1.2注塑成型基本原理及成型过程
注塑成型也称注射成型，它是目前塑料加工中最普遍采用的方法之一，可用来生产空间几何形状非常复杂的塑料件。
由于它具有应用面广，成型周期短，花色品种多，制件尺寸稳定，产品易更新换代，生产效率高，模具服役条件好，塑件尺寸精度高，生产操作容易实现机械制动化等诸多方面的优点，因此，在整个塑件生产行业中，注塑成型占有非常重要的地位。
注塑成型的原理是将颗粒状或粉状塑料从注射机的料斗送进加热的料筒中，经过加热溶化呈流动状态后，在柱塞或螺杆的推动下，熔融塑料被压缩并向前移动，进而通过料筒前端的喷嘴以很快的速度注入温度较低的闭合模腔中，充满型腔的熔料在受压的情况下，经冷却固化后可保持模具型腔所赋予的形状，然后开模分型获得成型塑件。
注塑成型过程一般包括：
加料，塑化，注射，冷却和脱模几个步骤。
1.加料由于注射是一个间歇过程，因而，需要定量加料，以保证操作的稳定，塑料塑化均匀，最终获得良好的塑件。
加料过多，受热的时间过长等容易引起无聊的热降解，同时注射机功率损耗增多；
加料过少，料筒内缺少传压介质，型腔中塑料熔体压力降低，难于补塑，容易引起塑料件出现收缩，凹陷，空洞等缺陷。
2.塑化加入的塑料在中进行加热，由固体颗粒转换成粘流并具有良好的可塑性的过程成为塑化。
对塑料的塑化的要求是：
塑料熔体在进入型腔之前要充分塑化，既要达到规定的成型温度，又要使塑化料各处的温度尽量均匀一致，还要使热分解物的含量达到最小值；
并能提供上述质量的足够的熔融塑料以保证生产连续并顺利进行，这些要求与注塑的特性，工艺条件的控制及注射机塑化装置的结构等密切相关。
3.注射注射的过程可分为充模，保压，倒流，浇口冻结后的冷却和脱模等几个阶段。
a）充模：
塑化好的熔体被柱塞或螺杆推挤至料筒的前端，经过喷嘴及模具浇注系统进入并填满型腔。
b）保压：
在模具中熔体冷却收缩时，继续保持施压状态的柱塞或螺杆迫使浇口附近的熔料不断补充模具中，使型腔中的塑料能成型出形状完整的致密塑件。
c）倒流：
保压结束后，柱塞或螺杆后退，型腔中的压力解除，这时型腔中的熔料压力将比浇口前方的高，如果浇口没有冻结，就会发生型腔中的熔料通过浇口流向浇注系统的倒流现象，使塑件产生收缩，变形及质地疏松等缺陷。
如果浇口已冻结，那就不存在倒流现象。
d）几口冻结后的冷却：
当浇口已冻结后，就可退回柱塞或螺杆，卸除料筒的压力，并加入新料，同时通入冷却水，对模具进行进一步的冷却。
e）脱模：
塑料件冷却到一定的温度后即可开模。
2注塑制件的有关资料及其材料的性能
该塑料制件图形如下：
制件的材料为：
PP
材料特性如下：
相对密度：
0.90~~~0.91g/cm
吸水性：
0.01%成型收缩率：
1~~~3.0%
拉伸强度：
29Mpa断裂伸长率大于200%弯曲强度50Mpa
压缩强度：
45Mpa罗氏硬度：
R80~~~110摩擦因数：
0.51
3产品设计过程
3.1Moldflow简介及分析结果
Moldflow软件是一款优秀的注塑CAE分析软件，它主要用来为用户提供设计分析解决方案和制造解决方案。
其中，设计分析解决方案应用最为广泛。
其产品包括：
MoldflowplasticsAdvisers（MPA）,MoldflowplasticsInsight（MPI）和CADConnectivityTools。
这里我只用到了MoldflowplasticsInsight（MPI）模块，故其他的就不在叙述。
MoldflowplasticsInsight（MPI）解决方案可以对塑料产品和模块进行深入的分析，它可以在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析和预测。
MoldflowplasticsInsight（MPI）可以实现以下的功能：
填充时间预测，保压时间和压力与预测，冷却时间和效果以便设计出合理的冷却方式，翘曲变形分析，纤维取向，结构应力，收缩，气穴位置分布，熔接痕以及气体辅助成性分析等，使模具设计人员在设计阶段就能够找出产品可能出现的缺陷，提高一次成型的成功率。
MoldflowplasticsInsight（MPI）主要包括以下几个模块：
Synergy模块,Flow模块,Cool模块,Warp模块,Fiber,optim模块,Stress模块,Shrink模块,Gas模块,Fusion模块,3D模块等。
以下所述是我从3D模型的导入直到产生产品模流分析结果及其解决方案的过程：
3.1.1用MoldflowplasticsInsight（MPI）分析确定最佳浇口位置的步骤：
1：
将solidworks中的3D模型用另存为的方式，保存为.stl的网格实体模型，以便Moldflow能够识别。
2：
打开MPI软件，导入，选中保存好的.STL网格文件，打开，网格类型选择Fusion格式，单位为毫米，确定。
3：
划分网格：
Globaledge为产品厚度的2.5~~~3倍左右，把其余的设置好后就可以生成网格了！
（应该插入生成的网格）
4：
检查和修改网格：
修改合格的标准是，最大纵横比控制在20以内，要尽量的取小值，因为其值越小，网格越密集，分析的结果越准确。
以下是修改好的网格：
5：
网格划分好以后，便是选择分析类型及顺序：
这里选择浇口位置GateLocation。
6：
选择产品所用的材料：
该产品用PP31S4A的材料。
7：
设置浇口位置：
点击SetInjectionLocation然后在产品上的任何位置上设置一浇口。
（有图）
8：
设置工艺参数：
模温，料温等取材料的默认值。
9：
分析结果：
浇口位置的选择方案1：
如图：
图中蓝色区域为最佳浇口位置的区域，考虑到添加浇口的方便性即合理性，故选在图上所示位置。
（该位置有填充动画，以下的填充动画在U盘里面）
上图所示，红色区域为填充性能较差的区域。
浇口位置选择的方案2：
下图是采用2个浇口进行分析后得到的最佳浇口位置：
从上图可以看出最佳位置还是在中间的区域，所以该设计采用方案1的一个浇口进行注塑。
3.1.2用MoldflowplasticsInsight（MPI）分析得到的相关数据
Cool+Flow+Warp分析中采用的是以下参数设置（在进行分析的时候系统默认的的设置）：
注射成型周期Cycletime=35.0000s
最后保压时间Timeattheendofpacking=30.0172s
当填充到97.0000%时开始进入保压阶段。
填充制件的总体积：
Totalvolume=60.8133cm
成型表面积：
Totalprojectedarea=278.2330cm
注射时间：
Timeattheendoffilling=0.9605s
注射压力Maximuminjectionpressure（at0.858s）=32.47MPa
注射量（制件的重量）：
Totalweight=55.1852g
3.2成型窗口分析：
该分析结果如下：
由以上分析结果得到：
MaximumDesignClampForce（最大锁模力）：
7000.22tonne
MaximumDesignInjectionPressure（最大注射压力）：
180.00MPa
RecommendedMoldTemperature（推荐模温）：
60.00°
C
RecommendedMeltTemperature（推荐料温）：
210.53°
C
RecommendedInjectionTime（推荐注射时间）：
0.5886s
3.3Cool+Flow+Warp分析结果及其问题解决方法：
填充分析（filltime）：
填充时间为0.9599S，红色区域为最后填充区域，由于填充时间较短，故熔体基本上可以同时填满型腔。
填充压力（Pressure）分析：
蓝色为填充压力为0MPa时的效果，（借助盘里的动画来说明压力的分布）填充压力随着填充时间的增加而加大。
最大锁模力：
当填充到1.62秒时，最大锁模力为48.15吨。
注射压力曲线：
当填充到0.8578秒时，注射的最大压力为32.47MPa，并随着时间的增加而进入保压阶段（图上的直线部分就是保压阶段）。
的直线部分就是保压阶段）。
流动前沿温度：
从下图我们可以看出，温度最大最小差为：
6.9°
C小于20°
C，因此满足要求。
（如果温度差超过20°
C甚至更大时，说明流动的前沿温度下降过快，可能会出现滞流或短射现象。
因此，尽量使它温度均匀分布）
熔接痕：
该处显示不清晰。
熔接痕应避免出现在应力集中和结构较弱处，同时要考虑熔接痕形成时的温度，温度越高，熔接痕强度越大。
因此，分析熔接痕时应遵循以下原则：
（1）：
在高温下形成（要大于材料的转换温度）；
（2）：
在熔接痕两端可以设置逃气，
（3）：
避免出现在结构较弱或应力集中的地方；
（4）：
避免出现在制件面上无法逃气的地方；
（5）：
避免出现在温度低于转化温度处。
气穴：
从下图可以看出，气穴多数出现在制件的边缘处，开设排气槽容易将气体排出。
气穴形成的主要原因：
塑料未彻底干燥。
预料或注塑速度过快，气体来不及排出。
排气不良造成的。
产品肉厚变化过大造成。
浇口位置不当，熔胶包抄气体。
解决方案：
充分干燥塑料。
降低注塑速度。
加深排气槽深度，在填充末端与料流交汇处开设排气槽。
避免产品肉厚急剧变化或肉厚差异过大。
合理地布置浇口位置。
体积剪切速率：
翘曲变形：
不均匀收缩导致的Z轴方向的变形量（放大10倍后的效果图）
翘曲变形是影响产品的尺寸精度甚至产品的可装配性。
翘曲变形的主要成因：
1.成型品内部残留应力过多。
2.过早顶出，产品太热。
3.冷却不均匀或公，母模温差过大，产生热应力。
4.产品肉厚不均匀，产品结构不合理，加强肋集中于一面且相距较远。
5.熔胶温度不一致。
6.冲模速度过慢。
1.改善成型条件以避免过多的应力残留。
2.调整产品顶出时间。
3.平衡冷却，尽量使凸凹模温度一致。
4.改善产品肉厚与结构设计。
5.调整料温。
6.提高射速。
11：
产品表面的最高温度：
12：
冷却管道各处的冷却液温度：
冷却液进出口温度小于1°
C满足要求。
（进出口温度差值越小，说明冷却效果越好，该值应小于3°
C）。
13冷却管道温度：
冷却管道表面的温度小于2°
（当温度差值过大时，直接影响冷却的效果，因此该差值应尽量的小不能大于5°
14：
制件固化的时间：
4注射机的选择与校核
4.1注射机的选择：
注射机选择卧式注射机型号为XS—ZY—250（XS—塑料成型，Z—注塑机，Y---螺杆式，125---注射机的最大注射量）。
注射机的技术规格：
额定注射量：
250/cm
螺杆直径：
50/mm注射压力：
130Mpa注射行程：
160mm
2.0S注射方式：
螺杆式合模力：
1800/KN最大成型面积：
500/cm
模具最大厚度：
350mm最小厚度：
200mm电机功率：
18.5/KW机器外形：
4700
1000
1815
4.2注塑成型工艺参数：
注塑机类型：
螺杆式
预热干燥温度;
80~~100°
预热时间：
1~~2小时
料筒温度：
后段温度：
160~180°
中段温度：
180~200°
前段温度：
200~220°
模具温度：
60°
注射压力：
180Mpa
成型时间：
20~60S
高压时间：
0~3S
冷却时间：
20~90s
总周期：
50~160s
4.3注射机的校核：
1.根据注塑容量校核；
塑件的体积包括浇注系统在内应小于注射机的注射容量：
V
V
--塑件与浇注系统的体积总和cm
；
--注塑机的注塑容量cm
即：
2
=113.5704cm
cm
所以：
注射机的选择在注塑容量上满足要求；
锁模力的校核：
模具所需的最大锁模力应小于或等于注塑机的额定锁模力，其校核如下：
P
--模具型腔压力，一般取40~~50Mpa；
--注塑机的额定锁模力；
F—塑件与浇注系统在分型面上的投影面积总和；
45
278.2330cm
=2
12520N=25.04KN
1800KN
所以，也满足要求。
2.注射压力校核：
塑件成型所需的注射压力应小于或等于注射机的额定注射压力，其校核如下：
--塑件成型时所需的注塑压力；
（一般为70~~100MPa）
--所选注射机的额定注射压力；
（一般为200MPa）
32.47MPa=64.94MPa
130MPa
所以满足要求。
3.开模行程校核：
H1+H2+a+（5~~10）
S
5注射模设计
5.1型腔数量及排列方式的设计
模具设计的第一步是确定型腔数目。
型腔数量与注射机的塑化速率，最大注射量及锁模力等参数有关，此外，还受塑件的精度和生产的经济性等因素的影响。
下面是型腔数目的确定方法：
K—注射机最大注射量的利用系数，取0.8；
Mn—注射机允许的最大注射量；
M2—浇注系统所需塑料质量或体积；
M1—单个塑件的质量或体积；
所以，本设计采用一模两腔的注射成型方式。
如下图：
5.2分型面设计
分型面是决定模具结构形式的重要因素，它与模具的整体结构和模具的制造工艺有密切关系，并且直接影响着塑料熔体的流动充模特性及塑件的脱模，因此，分型面的选择是模具设计中的一个关键。
分型面的选择原则：
a）分型面应选在塑件外形最大轮廓处；
b）确定有利的留模方式，便于塑件顺利脱模；
c）保证塑件的精度要求；
d）满足塑件的外观质量要求选择分型面时应尽量避免对塑件外观质量产生不利的影响，同时需要考虑分型面处产生飞边是否容易清除，当然应尽量避免飞边；
e）便于模具加工制造，为了便于模具加工制造，应尽量选择平直分型面或易于加工的分型面；
f）选择分型面时尽量减少塑件合模分型面上的投影面积，投影面积大，锁模可靠性差；
反之，可靠性好；
g）有利于提高排气效果；
h）对侧向抽芯的影响当塑件需要侧向抽芯时，为了保证侧向抽芯的放置容易及抽芯机构的动作顺利，选分型面时，应以浅的侧向凹孔或短的侧向凸台作为抽芯方向，较深的凹孔或较高的凸台放置在合模方向，并尽量把侧向抽芯机构放置在动模一侧。
有以上的原则而得到分型面如下图：
：
致谢
感谢学校给我这次机会发挥自己的特色，对专业知识的深刻认识，感谢指导老师的专心指导。
参考文献
序号
文献类型
格式示例
1
①②③④⑤⑥⑦⑧
学术期刊
序号作者．题名．刊名，出版年份，卷号（期号）：
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1高景德，王祥珩．交流电机的多回路理论[J]．清华大学学报，1987，27
（1）：
1-8（完整的）
2高景德，王祥珩．交流电机的多回路理论[J]．清华大学学报，1987
（1）：
1-8（缺卷的）
3ChenS，BillingSA，CowanCF，etal
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