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8.1模具材料的选择·
8.2模具的加工制造·
9结论与致谢·
22
参考文献·
24
英文摘要·
25
钳柄注塑模具设计
摘要：
本文首先阐述了塑料模具的发展历史及前景。
其次分析了钳柄塑件的工艺性能、特点，包括所选材料的性能、塑件成型的特性与要求等，根据塑件的真实尺寸再把相关尺寸进行整理优化，利用CAD绘制出它的三维零件图，再根据模具设计中的具体情况挑选适合的注射机，并确定出它的分型面。
最终集中在脱模机构设计系统，排气系统和冷却系统进行了介绍。
模具装配图利用AutoCAD绘图软件进行绘制，塑件使用Pro-E进行设计。
结构表明；
在模腔和脱模部分的设计符合型芯的要求，塑件可顺利的打开。
关键词：
钳柄注塑模具设计CAD/CAM
引言
模具是最基本的工业生产技术和设备，这可能反映了生产的精密性，高度一致性，高复杂性，高效率和低能源消耗，低耗材等，有着一般加工无法比拟的优势。
现在，模具设计与制造技术已在各个行业引起人们的重视[1]。
模具生产的工艺水平及科技含量的高低，直接影响到工业产品的发展，它在很大程度上决定着产品的质量、企业的效益、新产品的开发能力，决定着一个国家制造业的国际竞争力，因此模具生产的工艺水平及科技含量的高低已经成为衡量一个国家工艺水平和产品制造水平的重要标志。
随着模具CAD/CAE/CAM技术的广泛使用，模具生产的工艺水平和科技含量将有质的飞跃。
1塑料模具简介
1.1塑料的基础知识
塑料是以高分子合成树脂为基本原料，加入一定量的添加剂（又称助剂），在一定温度和压力下可塑制成一定结构形状，并可以在常温下保持形状不变的材料。
塑料的主要成分是树脂，树脂的结构与塑料的性能密切相关，加入各种添加剂是为了改善塑料的性能和降低成本[1]。
塑料作为二十世纪发展起来的一大类新型材料，凭借着它低廉的成本、高度的可塑性以及优良的性能等特点，在机械制造工业、电子电器行业、日常生活用品行业、医疗器械以及包装行业等领域被广泛的应用[1]。
发展至今，塑料工业已经成为现代工业的重要组成部分。
通常情况下，塑料不是一种纯净物，它是由许多不同的材料按照一定的比例配制形成的，合成树脂是它的主要成分。
为了可以改善塑料的性能，添加不同的辅助材料在合成树脂中，通过改变其内部结构及性能，让塑料的使用能够符合生产要求[2]。
1.2塑料的成型工艺
塑料的成型工艺有很多种。
它指的是原料通过加工制造最终成为塑料产品的方法与技术条件。
在日常生产中塑料常用的成型工艺有以下几种：
压缩成型、压注成型、注塑成型、挤压成型、中空吹塑成型等。
与之对应的塑料模具分别称为压缩模、压注模、注塑模、挤压模以及中空吹塑模等。
1.3塑料模具的设计路线
塑料模具设计主要包括了材料性能及结构分析、型腔数的确定、注射机的选择、选择分型面、浇注系统的设计、排气系统的设计、模具成型零件的设计、冷却系统的设计、推出机构与复位机构的设计、合模导向机构的设计，只有综合以上因素才能设计出一套完整的模具系统。
1.4塑料模具的特点及发展趋势
注塑模具是模具制造过程中最常用的方法。
热塑性塑料和热固性塑料的所有部件在使用这种方法时有一个很好的优势。
因为生产注射模制的塑料零件，不是更多，并且可以使用各种不同的材料。
可以是分批或连续生产，因为有一个固定的大小，可以自动、高速的生产，它具有极高的经济效率[3]。
近现代工业技术和信息技术的发展突飞猛进，模具工业在资金、技术和管理上也有着新的机遇和挑战，它整体的发展趋势着重体现在以下几个方面：
●模具的标准化水平进一步提高
模具的标准化是指从模具的前期设计到后期的制造过程中，所必须要遵循的技术规范和标准。
具体来说，也就是将模具的结构以及形状相似的零件实行统一规范，并组织专业化、系列化的生产，像普通工具一样在市场上销售，以充分满足用户的选择要求。
但是，模具的标准化设计与模具工业的各个环节它包括管理、理念、设计、制造、材料、销售和使用等方面，需要全行业不断磨合和协调[2]。
●模具性能的提高
随着工业的发展，不少塑料制品日益大型化、复杂化、多功能化、高精度化，这就要求相应的模具能满足着写要求。
●继续推动CAD/CAE/CAM技术
在模具设计中CAD/CAM技术已经成为一项成熟的计算机辅助设计技术，目前CAD/CAM技术在我国已经得到了极大的改进与提高。
●塑料模具制造所需钢材的完善
钢材的塑料模具的基础元素，其质量和加工直接影响到模具的质量和成本，由于模具工业的需要逐步提高，对应的钢材研究与生产单位也在逐步将塑料模具的专用钢材进行完善。
2塑件分析
2.1塑件的外形分析
图1钳柄
本设计产品为钳柄，属于日常生产用品，其产品结构尺寸通过测量得到（如图1）。
本产品结构上属于轴套类零件，为了便于在实际操作中的使用。
在钳柄上加入交叉螺纹，可以让操作人员更加舒服的使用。
因此为解决制品外周花纹脱模的问题，该模具采用斜滑块侧向分型机构来解决。
零件的壁厚基本均匀，大致在1.5mm。
制件的长度在112mm，在制件的槽口处有个与制件中心轴为1100倾角所形成的伸出部位。
塑件有圆角，有利于塑料的流动充模及塑件的顶出，塑件的外观好，有利于模具的强度及寿命。
产品外观一般有一定的装饰要求，为了避免产品外观呆板，在制件上增加交叉螺纹提高实际操作性。
为改变产品的美观性，可用不同颜色进行搭配提高视觉美感。
从总体上讲本产品外型上注重美观、大方，操作功能上强调实用、可靠。
2.2钳柄塑件材料的（PVC）性能
1使用材料：
PVC（聚氯乙烯）。
2.材料性能：
PVC材料在实际使用中经常加入稳定剂、润滑剂、辅助加工剂、色料、抗冲击剂及其它添加剂。
具有不易燃性、高强度、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性。
PVC对氧化剂、还原剂和强酸都有很强的抵抗力。
与其它种类的塑胶制品相比，PVC更有效的应用了生料，减少了油耗。
同时，PVC制造业对能量的消耗也很低。
在一般的生产中软聚氯乙烯可制作成压延薄膜、吹塑薄膜、电线电缆绝缘层。
3.成型性能：
（1）无定形料，吸湿性小，流动性差，为了提高流动性，防止发生气泡，宜事先干燥。
（2）极易分解，特别是在高温下与钢、铜接触更易分解（分解温度200℃）。
成型温度范围小，必须严格控制料温。
（3）使用螺杆式注射机及直通喷嘴时，孔径宜大，以防死角滞料。
（4）模具浇注系统应粗大，浇口截面宜大，模具应冷却，模具温度为30℃〜60℃，出料温度160℃-190℃。
表1PVC的注射成型工艺参数见表。
项目
数值
注塑机类型
螺杆式
喷嘴形式
通用式
料筒后段温度/℃
160—170
料筒中段温度/℃
165—175
料筒前段温度/℃
180—190
模具温度/℃
30—60
喷嘴温度/℃
165—180
注塑压力/MPa
60—100
注塑时间/s
20—90
高压时间/s
0—5
冷却时间/s
20—100
周期/s
50—220
后处理方法
红外线灯、烘箱
后处理温度/℃
70
后处理时间/s
2—4
2.3塑件的质量要求
本产品定位在中低档产品，经营策略是发挥成本的优势，了解塑料产品的质量要求是决定模具质量的主要因素之一。
从某种意义上讲它决定了模具的设计要求和制造方法，因此在模具设计时充分考虑塑料模具的质量要求或者在今后的工作中，必须向用户问清楚产品的质量要求。
该塑件尺寸较适中，一般精度等级，但因形状复杂，为了方便加工和热处理，型腔与型芯部分采用拼镶结构。
塑料的质量要求主要在外观要求和精度要求，本产品的质量要求如下[5]：
（1）产品的外观要求：
本产品外观总体上无特殊要求，外表面上无明显的缺陷即可。
（2）产品精度要求：
精度等级一般，要求为MT5。
3注塑机的选择
3.1估算塑件体积
图2塑件的体积
根据图2可得到：
塑料制品的体积V1=96.94cm3；
（1）查有关手册，得到PVC材料的密度为1.16~1.35g/cm3，在这里取ρ=1.16g/cm3，则塑料制件的质量M1=112.45g；
（2）浇注系统凝料体积的初步估算
根据塑料部件的体积为两腔模具的使用计算，压铸模具材料体系凝结体积为：
V2=2V1×
0.6＝2×
96.94×
0.6=116.33cm3
（3）该模具一次注射所需要的聚氯乙烯
体积V0=2V1+V2=213.268cm3；
质量M0=ρ·
V0=247.39g。
3.2注塑机型号的选择
从实际的注射量在额定注射量的20%~80%之间考虑，根据以上分析，采用一模2腔的模具结构。
考虑塑件的结构、塑件的材料、塑件的注射成型工艺等。
初选额定注射量在416cm3以上的卧式注射机SZ-350/1600注射机。
该设备的技术规范见表2。
表2SZ-350/1600注射机技术规范
注
射
装
置
理论注射容量/cm3
416
螺杆直径/mm
48
注射压力/MPa
141
注射速率/g·
s-1
160
塑化能力/g·
22.2
螺杆转速/r·
min-1
10～200
锁
模
锁模力/KN
1600
拉杆内间距/mm
410×
410
移模行程/mm
360
模具最大厚度/mm
550
模具小厚度/mm
150
模具定位孔直径/mm
Φ160
喷嘴球半径/mm
SR18
喷嘴口孔径/mm
3.3型腔数量以及注射机有关工艺参数的校核
3.3.1型腔数量校核
为了使模具与注射机相匹配以提高生产率和经济性，并保证塑件精度，模具设计前应合理的确定型腔数目。
通过所选注射机的最大注射量去校核模具的型腔数量
其中
—代表注射机最大注射量，
；
—代表浇注系统凝料量，
—代表单个塑件的容积，
由上可知单个塑件的容积是96.94
浇道凝料的体积是116.33
.
所以从上式可得出n=2﹤2.23。
所以滿足塑件设计使用要求。
3.2.2注射机最大注射量的校核
由0.8Vg=332.8>
nVn+Vj=310.21;
所以满足使用要求。
4分型面的确定与浇注系统的设计
4.1分型面位置的确定
在塑件设计阶段，就应考虑成型时分型面的形状和位置，否则无法模具成型。
分型面的确定及设计是否合理，会对塑件在质量、模具的设计、制造等造成极大的影响。
因此，离别注塑模具设计的选择是一个关键因素，并且为了成功地剥离，选择离别塑料件部分应列出最大位置，同时也应考虑以下因素有关[2]：
1）分型面选择应便于塑料制件脱模和简化模具结构。
●选择分型面应尽可能使塑料制件开模时留在动模，主要有利于顶出机构设计考虑；
●分型面的设计应在塑件的最大横截面尺寸，主要是从处理和释放区域；
●是否能避免侧向抽芯以达到简化模具的设计；
●尽可能满足制品的使用要求；
●必须设计侧向抽芯机构时，合理的分型面设计可降低模具制造难度或使模具的机构更紧凑、合理等；
2）分型面应选择在不影响塑件外观质量的部位，使其产生的飞边易于清理和休整。
3）分型面的应有利于侧向抽芯。
4）分型面选择应有利于零件的加工。
综合以上各种因素，所以选择该制品的分型面如图3所示：
图3分型面A-A
4.2浇注系统的设计
浇注系统的作用是将熔体顺利的充满到行腔各处，以便获得外形轮廓清晰。
内在质量优良的塑件。
因此要求充模速度快而有序，压力损失小，热量散失少，排气条件好，浇注系统凝料易于与塑料分离或切除，且在塑件上留下浇口痕迹小。
浇注系统一般由主流道、分流道、浇口、冷料穴四部分组成[9]。
浇注系统设计时要遵循如下原则：
1保证制品的外观质量和内部质量。
2阻力最小，满足尺寸精度标准，截面宜小不宜大。
3不影响自动化生产。
4防止塑件翘曲变形和表面形成冷疤．冷斑等缺陷。
应减轻浇口附近应力集中。
5合理选择冷料穴。
4.2.1主流道的设计
指的是紧接在前的栅极流道注射机喷嘴，直到在第一熔体进入模通过浇道尺寸石头的紧密堆积的直径，塑料流率和滞留时间的锥形流路。
一般设计如上图4-2所示。
为了便于凝料从主流道中拔出，主流道设计成圆锥形。
其锥角α=2～4°
内壁必须光滑。
表面粗糙度取Rа=0.4μm。
其小端直径D=d+（0.5～1㎜），常取4～8㎜，视塑件重量及补料需要而定。
主流道大端处应呈圆角，其半径常取1～3㎜,以减料流转向过度时的阻力。
主流道的一端常设计成带凸台的圆盘，其高度为5～10㎜，并与注射机固定模板的定位孔间隙配合。
衬套的球形凹坑深度常取3～5㎜，R=r+（1～2㎜）。
注射机的喷嘴头部与主流道衬套的凹下的球面半径R相接触，二者必须匹配，无漏料。
一般要求主衬套球面半径比喷嘴球面半径大1~2mm.主流道进口直径D比注射机喷嘴出口直径d应大0.5～1mm。
其作用：
一是补偿喷嘴与主流道的对中误差；
二是避免注射机注射时在喷嘴与主流道做成圆锥形。
为减少压力损失和回收料量，主流道长度尽的短些，常取≤60mm。
图4卧式注射机注射模的主流道设计
锥度α＝2°
～4°
，取4°
小径D=d+（0.5～1.0）mm
则D=d+1=4+1=5mm
浇口套球半径R＝r+（1～2）mm
则R＝18+1＝19mm
d喷嘴直径，因注射量较大所以取d=4mm
r-喷嘴球半径，见热塑性塑料注塑机规格r=18mm
4.2.2分流道设计
分流道为主流道和浇口之间的流动通道。
一般开设在分型面上，起分流和转向作用，分流道的长度取决于模具型腔的总体布置和浇口位置，分流道的设计应尽可能短，以减少压力损失，热量损失和流道凝料。
设计分流道必须考虑的因素：
1塑件材料的流动性和塑料制品的形状，塑料分流流动性差应该是短角球圆弧过渡越好。
2型腔，它决定了分流，持续时间和大小的方向
3在分流道上的转向次数尽量少。
4壁厚及内在外观质量要求。
5注射机的压力及注射速度。
图5常用流道截面形状
4.2.3浇口的位置、数量的确定
由通道和空腔之间的精短导流明渠连接装饰，是浇注系统的最后一部分，它的作用是使塑料以更快的速度进入型腔和灌装。
浇口的截面形状和尺寸对熔体的流动、充模、制品的密实性以及制品的尺寸精度等有较大影响，截面过小，熔体流动阻力大，熔体充模也困难；
如果截面过大，充模好，但是排气难，熔体冷却慢，成型周期受影响[12]。
有许多类型的浇口，直接浇口，侧浇口，扇形浇口，点浇口，浇口，延迟等一般常见的形式，根据不同的使用功能，其不同的场合。
在确定浇口的位置，我们应该遵循以下原则：
1浇口的位置尽量选择在分型面上。
2浇口的位置应对着型腔宽敞，壁厚的部位。
3在满足注塑条件下，浇口数量越少越好。
4浇口的位置应有利于排气。
5一般浇口的截面积为分流道的3%～9%，浇口长度为0.5～2.0mm。
由于侧浇口单分型面注射模具中常见的浇口类型。
侧栅极一般分为分体式腔模被从塑料熔体的外侧填充。
侧浇口截面形状是一个简单，易于加工，主要用于中小型多腔模具塑料件，适应性强，塑胶成型，以满足这种设计。
浇口的的断面形状为近似矩形，长度为2mm,宽为3mm，浇口深度为1.5mm。
5注塑模具设计
5.1模架的确定
注塑模模架国家标准有两个，即GB/T12556——1990《塑料注射模中小型模架及其技术条件》和GB/T12555——1990《塑料注射模大型模架》。
前者适用于模板尺寸为B×
L≤560mm×
900mm；
后者的模板尺寸B×
L为（630mm×
630mm）～（1250mm×
2000mm）。
近年来，塑料模具的快速发展，在全国一些地区已经开始形成自己的标准，本设计采用标准的模具。
单元的大小，可以根据上述的分析测定，并计算所述腔模结构的大小和位置，可以使用查找表：
由于模板的厚度：
A=50mm
动模板厚度：
B=50mm
垫块厚：
C=60mm
模具厚度：
H模=40+A+B+C+25+25=251mm
图6标准模架
5.2脱模机构的设计
脱模机构的设计有遵循以下原则：
1.易于拆卸的塑料成型零部件供应剥离装置来完成的动作，简单的指模具结构。
2.避免塑性变形和损坏，有针对性地选择合适的释放装置，所以重心可以与剥离阻力线重合。
3.塑料件，以确保最大的美观，选择塑料件的位置，以避免产生更大的影响榜首位置的出现。
5.2.1脱模力的计算
由参考文献[5]得：
脱模力Qe=（Qc+Qb）N
式中:
Qc——制品对型芯包紧的脱模阻力（N）；
Qb——使封闭壳体脱模需克服的真空吸力（N），Qb=0.1Ab这里0.1的单位为MPa,Ab为型芯的横截面积。
N——型腔数目，N=2；
Qb=0.1Ab=0.1×
6750=675N
脱模斜度系数K=（fccosβ-sinβ）/fc（1+fcsinβcosβ）
式中：
β——脱模斜度，β=13°
fc——脱模系数，取0.45。
算得K=0.43
Qc=10KfcαE（Tf-Tj）th
α——塑料的线膨胀系数（1/℃）;
取α=7×
105℃-1。
E——在脱模温度下塑件的抗拉弹性模量（MPa）,取E=3×
103MPa
Tf——软化温度，取Tf=90℃-1
Tj——制品温度，取Tj=50℃-1
h——型芯脱模力方向高度，取h=75mm。
代入得Qc=2448.7N
则：
Qe=6247.3N
多片45推钢，表面硬化，少表面粗糙度Ra1.6um。
推件板厚度的确定：
根据脱模力的大小，由经验可取推件板厚度为55mm。
5.3斜导柱的设计
﹙1﹚抽芯距的计算
抽芯意味着没有剥离塑料件偏见的核心侧的位置。
拉远或孔的深度基本上等于所述成型塑料零件的为2〜3mm的安全系数的突起的高度。
从文献[5]可知：
S——抽芯距（mm）；
——塑件侧孔深度或侧凸台高度（mm）,h=12mm。
S=h+（2~3）=12+2.5=14.5mm
（2）斜导柱倾角的计算。
斜导柱倾角a时确定斜导柱抽芯机构工作效果的一个重要参数，它决定了开模长度和斜导柱的长度，而且对于导柱的受力情况有重要的影响，一般取10~20°
，这里取20°
。
图7斜销的位置图关系图
（3）斜销直径的计算取d=18mm。
（4）斜销长度的计算
查参考文献[4]中的式9-10可知：
L总=
=116mm
L―锥体部分的长度，一般取（10~15）mm；
―斜导柱台肩直径（mm）；
―斜导柱工作部分的直径（mm）；
―-角销的固定板的厚度（mm），这取决于所选择的模式的帧=44mm;
―斜导柱的倾斜角（
）。
6成型零部件设计
成型零部件的设计应在保证塑件质量要求的前提下，从便于加工、装配、使用、维修等角度加以考虑。
其中最重要的是凹模和凸模尺寸的设计。
成型零部件工作尺寸是指成型零部件上直接决定塑件形状的有关尺寸，主要包括型腔和型芯的径向尺寸及高度尺寸，及孔中心距等。
本设计中采用平均值法计算，其中：
塑件的尺寸精度取IT5级精度。
包括一个固定铁心形状和主模板，以及两个斜铁心动态模板，它们一起形成一个腔体和下腔体，确定该塑料部件的形状和大小。
PVC材料收缩0.3％-0.8％，精密塑料零部件的大小取IT5级精度。
6.1型腔工作部位尺寸的确定
查表6-4PVC塑料的收缩率是0.3%-0.8%。
平均收缩率：
S=（0.3%+0.8%）/2=0.6%
型腔工作部位尺寸：
型腔径向尺寸：
L
m+δ0=〔（1+S）×
Ls-X△〕+δ0
型腔深度尺寸：
H
Hs-X△〕+δ0
型芯径向尺寸：
lm-δ0=〔（1+S）×
ls-X△〕-δ0
型芯高度尺寸：
hm-δ0=〔（1+S）×
hs-X△〕-δ0
中心距尺寸：
Cm±
δz/2=（1+S）Cs±
δz/2
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