注塑锥齿轮三维分析及模具设计.docx
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注塑锥齿轮三维分析及模具设计
摘要
本文运用三维绘图软件Solidworks进行塑料锥齿轮的模具设计，实现计算机辅助设计（CAD）以及计算机辅助制造（CAM）。
运用Moldflow进行模拟分析（CAE），进行制品成型的流动分析和充型分析，以此为依据，分析可能的缺陷和改进措施。
首先，根据零件大小确定排样、模架类型，确定初步的成型工艺；然后运用Moldflow进行填充、保压、冷却、翘曲分析；根据分析结果，修订成型工艺，使用Solidworks中的imold插件来生成模具的型腔，并装配模架，实现由计算机来辅助设计模具。
这样的设计方法可以保证产品质量和性能，同时也验证模具制造时的注意和工艺，缩短了模具制造周期和成本。
关键词：
Solidworks，Moldflow，注塑，锥齿轮
Abstract
Inthispaper,three-dimensionaldrawingsoftware,Solidworks,wasusedintheplasticbevelwheelmolddesign,supportedbyputer-aideddesign（CAD）aswellasputer-aidedmanufacturing（CAM）.ThecastsimulatedanalysedbyMoldflow（CAE）,tomakeouttheabilityofflowandmolding,andthisanalysisisthebasisofthepossibledefects.
First,determinethelayoutmoldtype,basedonpartsize,andtheinitialmoldingprocess.ThenusingMoldflowtocarryoutfilling,packing,cooling,warpageanalysis.Basedontheresults,revisedmoldingprocess,andusetheimoldplug-insinSolidworkstogeneratethemoldcavity,thenassemblewiththecarriers.So,thedesignwasaidedbytheputer.
Inthiswaywecanimprovemeasurestoensureproductqualityandperformance,also,verifythepointandprocessesofthemold,toreducethetimeandcostofthemouldmanufacturing.
Keywords:
.Solidworks,Moldflow,plasticcast,bevelwheel
前言
随着人类社会的进步，材料的使用也发生着变化。
从石器时代开始，人类就在寻找更新、更好的材料，制作不同的器物和工具。
到目前为止，人类所使用的材料可以分为四大类：
木材、水泥、钢铁和塑料[1]。
塑料，作为高分子聚合物，它的性能和应用可以说是无穷无尽，同时，塑料的生产成本比金属要低，使得塑料制品在一些领域逐渐代替金属材料，在农业、包装、运输、电气、化工、建筑、航空航天、仪表以及日用品都离不开塑料。
塑料制品的获得方法有很多，与金属材料相比，塑料制品不仅可以通过机械加工获得，还可以通过成型加工直接获得，而不同的材料就需要用不同的成型工艺和加工方法。
部分塑料产品必须依靠模具来成型，例如手机、电脑的外壳，饮料瓶等等。
因此，模具的设计直接与塑料制品的复杂程度、美观程度、结构工艺性相关。
同时，制品的设计必须考虑模具设计的问题，从而避免制品出现缺陷。
本文所要分析的塑料锥齿轮就是塑料制品代替金属制品的一个例子。
第一章锥齿轮的设计
1.1注塑材料的选择
齿轮是机械传动中运用最为广泛的一种，其结构紧凑，传动比稳定。
塑料齿轮更具有金属齿轮所不具有的高耐磨性、质量更轻，而且对润滑的要求相对要低。
而塑料齿轮的成型方法也使得可以进行大批量生产，同时不必考虑齿轮结构的复杂程度。
另一方面，塑料齿轮有其不可避免的缺陷。
由于塑料对温度比较敏感，成型时具有收缩性，因此塑料齿轮精度较差，对环境要求高，强度也不高，使用寿命短。
注塑齿轮被广泛运用于载荷不高，运转平稳的机构，如仪表、玩具、汽车、打印机等常见的地方。
塑料齿轮常用材料有两种聚甲醛Polyoxymethylene（POM）和聚酰胺Polyamide（PA）。
PA品种有很多，常见的有PA6，PA66，PA610，PA11，PA12。
PA具有良好的耐腐蚀性，对大多数酸碱盐都有抵抗力，还对芳香族化合物呈惰性，能抵御汽油、酒精、脂肪的侵蚀，但不耐强酸和氧化剂。
PA的缺点是易吸水，耐光性差[2]。
PA可用于制造各种轴承、齿轮、储油器，各种外壳、垫圈、，传动带、砂轮胶粘剂、电器线圈、电缆接头，各种螺钉、螺母、滑轮套、衬垫、轴承保持架、汽车和拖拉机上各种输油管、活塞、绳索、传动皮带，纺织机械工业设备零雾料，以及日用品和包装薄膜等[2]。
PA材料颗粒POM棒料
图1-1
POM是一种没有侧链，高密度，高结晶度的线性聚合物，具有良好的综合性能。
自润滑性能和耐磨性能比较优越，可在-40℃—100℃X围内长期使用，具有良好的耐油性和耐过氧化物的能力，但不耐酸，不耐强碱，不耐紫外光照射。
POM吸水性小，尺寸稳定，有光泽，是热塑性树脂中最坚韧的[2]。
其性能参数见表1。
表1POM各项参数
密度
g/cm3
1.39
吸水率
％
0.2
连续使用温度
℃
-50～-110
屈服抗拉强度
MPa
63
屈服拉应变
％
10
极限抗拉强度
MPa
极限拉应变
％
31
抗冲击韧度
Kj/㎡
缺口冲击韧度
Kj/㎡
6
洛氏硬度
MPa
135
邵氏硬度
MPa
85
抗弯强度
MPa
弹性模量
MPa
2600
软化温度
℃
150
热变形温度HDT
℃
155
热线膨胀系数
1.1
热导率
W/（m×K）
031
摩擦系数
0.35
本文选择POM作为注塑材料，根据POM的性能设计时应注意以下要求：
（1）模具设计方面[2]
①POM具有高弹性，浅的侧凹可以强行出模
②流道和浇口：
可以使用任何类型的浇口
③使用热流道
④必须设计流动阻力较小的浇注系统，避免流道内有死角
⑤设计合理的顶出脱模机构，以免因热膨胀而卡死
⑥POM高温下会分解出对模腔有腐蚀性的气体，模腔表面需进行耐腐蚀处理，并设计排气结构
（2）注塑工艺条件[2]
①干燥处理：
一般不干燥或进行短时间干燥（100℃，1～2h）
②加工温度：
均聚物材料为190～230℃，共聚物材料为190～210℃，温度高于240℃会分解出甲醛单体，影响产品质量以及腐蚀模腔
③模具温度：
80～100℃
④注射压力：
注射压力100MPa，背压0.5MPa
⑤注射速度：
宜采用中、高速
⑥POM收缩率很大（2%～2.5%），尽量延长保压时间来补缩
1.2锥齿轮的设计
图1-2锥齿轮3D模型
锥齿轮标准GB/T12369-1990，参数为：
模数：
m=0.5
齿数：
30
配对齿轮齿数：
15
齿宽：
3mm
压力角：
20°
内孔直径：
5mm
体积：
254.91立方毫米
表面积：
511.69平方毫米
第二章模流分析
Moldflow是一款专业性模流分析软件。
它可以在计算机上对整个注射成型过程进行模拟分析，包括最佳浇口位置、填充、保压、冷却、翘曲、六道平衡、最佳成型工艺、纤维取向、结构应力和收缩分析等[3]。
运用软件进行模流分析的目的是，再设计阶段预测成型产品可能出现的缺陷，提高一次试模的成功率，以达到降低生产成本，缩短设计周期。
参数设置：
材料：
DuraconM450-44:
Polyplatics（POM）
冷却系统：
水管直径10mm，水管与制品间距25mm
模具表面温度：
90℃
熔体温度：
200℃
开模时间：
5s
注射+保压+冷却时间：
80s
图2-1锥齿轮排样成型零件图
图2-2数据准备
2.1填充分析
填充时间（图2-2）能够直观表示个位置的填充先后次序和填充所用的时间，分析制件填充时流动是否均匀。
由图2-3可以得到注射嘴处的压力，在第5秒之后，压力达到一个较大值，这是因为型腔已经填充满，压力继续上升，达到最大值，从第6秒后，达到保压压力，保压时长10秒，然后撤去压力，进入冷却阶段。
图2-3填充时间
图2-4注射位置处的压力
Moldflow会根据工艺得出一个螺杆速度，图2-4，这个推荐值为设置注塑机螺杆速度提供了参考，是设置注射剂螺杆速度的重要依据。
图2-5推荐螺杆速度
顶出时的体积收缩率（图2-5）和体积收缩率（图2-6）受填充时保压时间的影响，设计合理的保压时间和保压条件，避免出现欠保压和过保压，尽量降低由保压引起的收缩、翘曲等缺陷。
图2-6顶出时的体积收缩率
图2-7体积收缩率
气穴（图2-7）和熔接痕（图2-8）是由于填充时，型腔内的气体无法排尽而造成的一种常见缺陷。
解决这种缺陷的方法是延长保压时间，并设计排气槽；也可以改变浇口位置，使气穴和熔接痕转移到不重要的位置，以保证主要表面的质量。
图2-8气穴
图2-9熔接痕
2.2冷却分析
冷却分析的目的是通过模拟模具内部热传递的情况，优化冷却管道的设置，确定冷却时间，提高产品质量[3]。
图2-10达到顶出温度的时间
2.3翘曲分析
翘曲变形是指注塑制品形状偏离了型腔形状，从而影响了产品的尺寸精度和形状精度。
翘曲分析的目的是预测产品成型后的翘曲程度、分析翘曲产生的原因[3]。
本文所用的工艺，造成翘曲的主要是收缩和角效应引起的，延长保压时间可以降低翘曲变形。
图2-11翘曲变形，所有因素
第三章模具设计
注塑模具是所有塑料模具中结构最复杂，设计、制造精度最高，运用最为广泛的一种模具。
注塑模具必须安装在塑料注射机上，实现合模、注射、保压冷却、开模、推出制品的运作。
因此，注塑模具的设计必须要考虑注塑机的参数，所用塑料的特性，成型工艺等因素。
3.1模架与注塑机的选择
注塑模具整体结构包括：
成型零件即型腔，侧向分型机构与抽芯机构（视制件结构而定），排气系统，浇注系统，温度控制系统，脱模系统，定位导向零件，模架。
其中，模架是有特定规格的，已经标准化，常用的有二板模模架、三板模模架和简化三板模模架三种[2]。
根据Moldflow分析所获得的结论，选择二板模模架，顶杆脱模式注射模结构[4],选用东方系列注射剂机，DFL68B型，参数如下：
螺杆直径：
30mm
螺杆长径度L/O：
22
理论注射容量：
90mm3
注射重量:
82g
注射速度：
73g/s
注射压力：
188MPa
螺杆转速：
220rpm
锁模力：
680KN
移模行程：
280mm
拉杆间距：
310mm×310mm
最大模厚：
320mm
最小模厚：
100mm
顶出力：
80KN
顶出距离：
28mm
（其他参数见附录）
（1）型腔数量的确定和校核
模具型腔数选择为1。
根据注射机的最大注射量确定型腔数量n
式中mN－注射机允许的最大注射量（g或cm3）；
m1－单个塑件的质量或体积（g或cm3）；
m2－浇注系统所需塑料质量或体积（g或cm3）；
Ｋ－注射机最大注射量的利用系数，一般取0.8。
（KmN－m2）/m1=（0.8×82—2.18）/33.36
=1.90
1<1.90
所以选择型腔数为n=1合理。
（2）塑件在分型面上的投影面积与锁模力校核
设计注射模是必须满足下面关系：
式中Ａ--注射机允许使用的最大成型面积（cm2）；
Ａ1--单个塑件在模具分型面上的投影面积（cm2）；
A2--浇注系统在模具分型面上的投影面积（cm2）；
P--塑料熔体对型腔的成型压力（MPa）,一般取40~50MPa;
F--注射机的额定锁模力（KN）。
K--安全系数，一般取1.5
有:
A1=82.43cm2
A2=0cm2
A=500cm2
n=1
P=50MPa
F=680KN
则有:
nA1+A2=1×82.43+0.5
=82.93cm2
82.93<500
所以,塑件在分型面上的投影面积经校核合理。
0.1K（nA1+A2）P=0.1×1.5×82.93×50
=621.98KN
621.98<680
所以，锁模力经校核合理。
（3）模具厚度校核
模具厚度Ｈ（又称闭合高度）必须满足：
式中Hmin--注射机合模部件允许的最小模厚，即注射机动模与定模间的最小开距
Hmax――注射机允许的最大模厚
所选注射机Hmin=100mm
Hmax=320mm
模具厚度H=281mm
有:
100<288<320
所以,模具厚度经校核合理.
（4）开模行程的校核对于单分型面注射模
H1--推出距离（脱模距离）（mm）；
H2--包括浇注系统凝料在内的塑件高度（mm）。
具有侧向抽芯时，当Ｈc>H1+H2时，可用Ｈc代替前述校核式中的H1+H2，其它各项保持不变。
Ｈc――完成抽芯动作的开模距离。
开模行程校核:
H1=28mm
H2=75.75mm
则有:
H1+H2=103.75mm
s=H1+H2+（5-10）mm=108.75-113.75mm
smax=280mm
s所以,开摸行程校核合理.
3.2成型零件设计
注塑模可以分为动模和定模两部分。
而模具中的零件按其作用又可以分为成型零件（模腔）与结构零件（模架），模架采用普通钢材，以降低成本；成型零件采用优质模具钢，以提高模具的刚度、强度和耐磨性[2]。
成型零件是整个模具的关键部位，是影响制品成型的主要因素。
成型零件的失效，是模具失效的主要原因。
因此，成型零件的材料和热处理工艺，必须能够保证制造精度高、使用寿命长、制造周期段、模具成本低[5]。
对于热塑性注塑模具，其主要的失效是塑性变形、断裂、磨损[5]。
（1）分型面
分型面是动、定模的分接口，即打开模具取出塑件或取出浇注系统凝胶的面分型面影响着成型零件的结构形状以及排气情况，分型面的选择与塑件几何形状及尺寸精度、脱模方法、后处理工序、模具类型、排气条件、镶件位置、浇口形式等有关。
分型面的总体选择原则是：
保证质量、便于制品脱模和简化模具结构。
具体包括以下几条：
①分型面位置应设在塑件截面尺寸最大的部位，便于加工型腔，这是首要原则。
②有利于保证塑件尺寸精度。
③有利于保证塑件的外观质量。
④考虑满足塑件的使用要求。
⑤考虑注塑机的技术规格，是模板间距大小合适。
⑥考虑锁模力，尽量减少塑件在分型面的投影面积。
⑦尽可能将塑件留在动模一侧，易于设置和制造简便易行的脱模机构。
⑧尽量方便浇注系统的布置。
⑨有利于排气。
当分型面作为主要的排气渠道时，应将分型面设计在熔体流料的末端。
⑩应使模具零件易于加工。
根据排样图的结构，可选择将分型面作为主要排气渠道。
图3-1成型腔
（2）模具材料
考虑注射材料为POM，模具选择使用耐腐蚀的9Cr18，其中主要成分含量见表2
表2
钢号
C
Si
Mn
Cr
9Cr18
0.90-1.10
0.50-0.90
≤0.80
17.00-19.00
热处理工艺：
850℃预热，1000-1050℃油冷，200℃回火，硬度达到58-62HRC。
9Cr18属于高碳高铬型马氏体不锈钢，经过热处理可具有很高的硬度、耐磨性和良好的耐腐蚀能力。
适用于制造在腐蚀性介质中工作要求高负荷，高耐磨的塑料模具[5]。
（3）尺寸计算
成型零件工作尺寸是指成型零件上直接用来构成塑件的尺寸，主要有型腔和型芯的径向尺寸（包括矩形和异形零件的长和宽），型腔的深度尺寸和型芯的高度尺寸，型芯和型芯之间的位置尺寸等。
规定：
塑件外形最大尺寸为基本尺寸，偏差为负值，与之相对应的模具型腔最小尺寸，偏差为正值；塑件内形最小尺寸为基本尺寸，偏差为正值，与之相对应的模具型芯最大尺寸为基本尺寸，偏差为负值；中心距偏差为双向对称分布。
①型腔和型芯的径向尺寸的计算
a、型腔径向尺寸
当塑料制件尺寸较小、精度级别较高时可用以下公式计算：
式中LM----模具型腔的基本尺寸
δZ----模具的制造公差
----塑料的平均收缩率
Ls----塑件的基本尺寸
Δ----塑件规定的公差值
b、型芯径向尺寸的计算
式中lM----模具型芯的基本尺寸
δZ----模具的制造公差
----塑料的平均收缩率
Ls----塑件孔的径向基本尺寸
Δ----塑件规定的公差值
为了塑件脱模方便，型腔或型芯的侧壁都应设计有脱模斜度，当脱模斜度值不包括在塑件公差X围内时，塑件外形的尺寸只保证大端，塑件内腔的尺寸只保证小端。
这时计算型腔尺寸以大端尺寸为基准，另一端按脱模斜度相应减小；计算型芯尺寸以小端尺寸以小端尺寸为准，另一端按脱模斜度相应增大，这样便于修模时有余量。
②型腔深度尺寸和型芯高度尺寸的计算
在型腔深度尺寸和型芯高度尺寸的计算中，由于型腔的底面或型芯的端面磨损很小，所以可不考虑磨损，由此可用以下公式计算：
式中HM----模具型腔深度尺寸
hM----模具型芯高度尺寸
δZ----模具的制造公差
----塑料的平均收缩率
Hs----塑件凸起高度尺寸
hS----塑件凹进深度尺寸
③中心距尺寸的计算
由于模具上中心距尺寸和塑件中心距公差都是双向等值公差，同时磨损
的结果不会使中心距尺寸发生变化，在计算中心距尺寸时不必考虑磨损
量。
因此，塑件中心距的基本尺寸CS和模具上成型零件中心距的基本尺
寸CM均为平均尺寸，于是：
式中 CM----模具上成型零件中心距的基本尺寸
CS----塑件中心距的基本尺寸
----塑料的平均收缩率
δZ----模具的制造公差
本次设计中的成型部分零件尺寸利用PRO/E软件计算。
塑件的原料为PC塑料，其收缩率为0.5%。
在Pro/E软件中设置好收缩率后则会自动将产品三维图尺寸放大1.005倍，所得尺寸即为模具型腔的尺寸。
然后采用拷贝面切割实体的方式在模胚上分出型腔（3D分模），由此得到的模具尺寸即为模具的加工尺寸。
图3-2型腔三维模型
3.3浇注系统设计
浇注系统是指塑料熔体从注塑机喷嘴射出后到达型腔之前在模具内流经的通道，分为普通浇注系统和无流道浇注系统两大类。
普通浇注系统由主流道、分流道、浇口和冷料穴等部分组成。
浇注系统与塑件一起在分型面上，尽量缩短流程，以降低压力损失，缩短充型时间，浇口位置的选择，应避免产生湍流和涡流，以及喷嘴和蛇形，并有利于排气和补缩，浇注系统应达到所需精度和粗糙度，其中浇口必须有IT8以上的精度。
（1）主流道与浇口套的设计
主流道是指由注射机喷嘴出口起到分流道入口的一段流道,它是塑料熔体首先经过的信道,且在注射机喷嘴在同一轴线。
在卧式或立式注射机用的模具中，主流道一般垂直于分型面，其设计要点如下：
为便于将凝料从主流道中拉出，主流道通常设计成圆锥形，其锥角a＝2°～4°。
内壁表面粗糙度一般为Ra<=0.8μm。
为防止主流道与喷嘴处溢料及便于将主流道凝料拉出，主流道与喷嘴应紧密对接，主流道进口处应制成球面凹坑。
因主流道与塑料熔体反复接触，进口处与喷嘴反复碰撞，因此，常将主流道设计成可拆卸的主流道衬套，用较好的钢材制造并进行热处理，一般选用T8、T10制造，热处理硬度为HRC52-56。
主流道的主要参数计算如下：
d=喷嘴孔径+（0.5-1）mm
R=喷嘴球面半径+（2-3）mm
a=2-4º
r=D/8
H=（1/3-1/5）R
D=（4V/3.14K）1/2
式中V--流经主流道的熔体体，cm3
K--因熔体材料而异的常数
PS类取K=2.5，PA类取K=5，PC类取K=1，POM类取K=2.1，CA取K=2.25
根据公式，得到如图浇口套
图3-3浇口套
（2）浇口设计
浇口是指分流道末端与模腔入口之间狭窄且短小的一段信道。
它的功用是使塑料熔体加快进入模腔内，并有序地添满型腔，且对补缩具有控制作用。
设计原则如下：
①尽量缩短流动距离
②浇口应开设在塑件壁最厚处
③必须尽量减少或避免熔接痕
④应有利于型腔中气体的排除
⑤考虑分子定向的影响
⑥避免产生喷射和蠕动
⑦不在承受弯曲或冲击载荷的部位设置浇口
⑧浇口位置的选择应注意塑件外观质量
3.4顶杆设计
顶出机构的设计原则：
①顶出的运动要准确、可靠、灵活，无卡死现象，机构本身要有足够的刚度和强度，足以克服脱模阻力；
②保证在顶出过程中塑件不变形，这是对顶出机构的最基本的要求；
③顶出力的分布应尽量靠近型芯，且顶出面积应尽可能大，以防止塑件变形；
④顶出力应作用在不易使塑件变形的部位。
应尽量避免使顶出力作用在塑件的平面位上；
⑤如果顶出部位需设在塑件使用或装配的基准面上时，为了不影响塑件的尺寸和使用，一般使顶杆与塑件接触部位凹进塑件0.1mm左右，而顶出杆端面则应高于基准面，否则塑件面会出现凸起，影响基准面的外观和平整；
⑥尽可能使塑件留在动模，使脱模机构易于实现。
图3-4顶出杆
3.5冷却系统设计
冷却系统设计原则：
①冷却水管布置应以均匀为前提。
②要优先考虑冷却管道的位置，而后综合处理脱模机构零件的分布和镶块结构。
③要保证实现管道冷却水湍流状态的流速和流量，还要保证足够的水压。
④只要不妨碍模具的总体结构，冷却水孔数量尽量多、孔径尽量大；水管接头孔径应与管道孔径一致。
进水和出水尽量在模具的一侧，并置于不妨碍注塑操作的方向。
⑤管道直径经湍流计算确定，一般取6～25mm。
⑥冷却水孔至型腔表面距离相等；冷却水孔至型腔表面的距离应适当，一般可为12～15mm。
冷却水孔间距离不宜太大或太小，一般在（1.7～3）d之间，d为冷却水孔直径。
⑦浇注系统，如主流道的末端等处需要加强冷却，可利用较冷的进水。
⑧塑料制品局部的厚壁以及转角等处，需要减小冷却水孔至型腔表面的距离以及冷却水孔间距离。
⑨在塑料件熔流的末端，特别是熔合缝的汇合处，冷却孔道应远离。
⑩密封可靠。
（1）热平衡计算
进行注射过程热平衡计算,就是计算单位时间内熔体固化放出的热量等于冷却水带走的热量：
式中Qin――塑料熔体每小时冷却固化放出的热量，KJ/h
Δi――每千克塑料熔体凝固时放出的热焓量（KJ/Kg）
n――每小时的注塑次数
mg――每小时注塑用量，Kg
mp――每小时注射的塑料量，Kg
式中Qout――冷却水每小时带走的热量，Kg/h
mw――冷却水每小时用量,Kg
Cw――冷却水比热容，4.187KJ/（Kg·℃）
tout――模具的出水温度，℃
tin――进入模具的冷却水温度，℃
由热平衡条件:
可得：
（2）湍流计算
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