塑料模具课程设计直角弯头.docx
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塑料模具课程设计直角弯头
塑料成型模具课程设计
（直角弯头注塑模）
学校：
安徽农业大学经济技术学院
专业：
10机制
（2）班
姓名：
姚鹏
学号：
完成日期：
2013年12月4号
第一章绪论
1.1目的
通过深入分析所给课题、查阅相关参考资料、完成设计任务、撰写设计说明书及其他相关工作，着重培养学生综合分析和解决问题的能力和独立工作能力。
是理工科学生在学完了本科阶段的全部课程的基础上，所进行的一次对所学专业知识的串联运用，属于理论与实践的结合，是工科学生在校学习的最后一个重要实践环节。
其目的在于培育学生综合运用专业知识和理论知识指导实践的能力，使其对专业知识的掌握、专业技能的把控方面有进一步的提高[1]。
在进行设计时，需查阅诸多设计资料、手册、期刊，对照相应国家标准，使所设计内容规范化，有助于树立良好的设计思想和工作作风。
通过设计实践环节能提高学生各方面综合素质，尤其是独立解决本专业一般工程技术问题的能力。
为以后从事专业技术工作打下基础。
1.2塑料模具概述
1.1.1塑料工业
塑料制品具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性好、生产效率高、耗能低等优点，在生产生活的各个方面得到广泛应用[2][3][4]。
在机械制造中的某些领域，塑料制品可取代金属，如塑料齿轮、塑料管件等；在微机、电子等部门，塑料早就是集成电路板必备材料；在物流包装方面，各种胶带、包装袋，塑料的存在随处可见，并起着不可替代的作用。
塑料原材料只有演变成塑料制品，才能实现原材料自身价值。
塑料制品的生产目的就是根据各种塑料性能，利用各种工艺方法，使塑料成为有一定形状又有使用意义的产品。
其成型方法种类多样，如注塑、吹塑、挤出等。
而注塑成型法，因能成型高尺寸精度、高复杂形状的塑件以及自身具备的高生产效率特点，在各种成型方法中尤为重要。
注塑成型的一般过程是，原材料从注塑机料斗进入加热筒进行塑化，随后由注塑机螺杆或柱塞推动塑化料，形成一定注塑压力，塑化材料在压力作用下依次通过喷嘴、流道、浇口，进入模具型腔，待注塑完全，进入保压冷却阶段，随后开模取出塑件。
据有关统计，注塑制品占所有模塑件总产量的1/3，注塑成型的价值日益凸显。
1.1.2塑料成型注塑模具
单分型面的塑料成型注塑模具主要由动模和定模部分组成，动模装在注射机移动模板，定模则装于固定模板。
分型面闭合时，动定模板组成浇注系统和型腔，注入塑料熔体，经保压冷却后，模具动定模板分离，取出塑件。
注塑模具主要由以下部分构成：
（1）成型部件指型芯、凹模，型芯成型内表面、凹模成型外表面，二者分工合作，保证零件顺利成型。
（2）浇注系统即主浇道、分流道、浇口和冷料穴，浇注系统控制进料方向，并分离前锋冷料，保证塑件的成型质量。
（3）导向部件导柱和导套等，保证模具合模精确。
（4）推出机构推杆、推出固定板、拉料杆等。
保证塑件冷却完后顺利脱离成型零部件。
（5）侧抽芯机构斜导柱和侧型芯等，控制零件侧孔成型。
（6）温控系统主要是水路设计，需控制模具温度为一定值。
1.1.3注塑模具发展趋势
现代制造业发展，已经发展到了信息化的地步。
各种数控加工设备的使用，已经很普遍了。
注塑模具本身是机械产品，其发展也主要受模具设计制造技术水平提高的制约。
质量、成本、工期，已成为工程设计与产品开发的核心因素。
现代企业都以高质量、低价格、短周期为宗旨来参与市场竞争。
模具企业必须在设计技术、制造工艺、生产模式等诸多方面加以调整以适应要求[5]。
模具的发展趋势主要集中体现在以下方面：
（1）模具大型化与微型化微型化是各类产品的重要发展方向，目前，已经存在重量为万分之一克的注射制品成型加工技术装备，也已经出现了直径为1mm的塑料管生产设备和3ml的中空吹塑机等。
更精细的塑料制件正在不断地开发中，如日本提出了开发重量为十万分之一克的注射成型加工装备，以生产用以替代人体血管的塑料管。
大型化的生产要求更加明显。
如地下管道超大直径塑料管的生产。
（2）节能化注塑模具生产过程中需要消耗很多能源。
如塑化过程。
保压过程，节能降耗符合可持续发展需求，业已成为注塑机及相应模具主要发展趋势，
（3）高效化塑料制件生产高效化要求模具结构向多型腔，自动装卸方向发展。
日本、德国已经普遍采用低压传递模、一模多腔的型腔数可有几十个甚至上千个。
未来还可能出现多层多腔模具、多工位多腔模具，以充分利用注塑机的注塑潜力。
（4）长寿命化塑料模具寿命直接影响着模具本身所带来的经济效益。
人们发现，注塑工艺的优劣，对注塑模具寿命本身有重大影响，因此，优化注塑工艺，以使塑件质量提高，增进模具寿命，已成为一个重要课题。
1.3相关设计软件
模具行业是高技术密集的行业，其产品与其他机械产品相比，技术含量高。
其设计制造过程，体现了CAD/CAM/CAE技术在行业中的综合的运用。
CAD/CAM/CAE技术就是计算机辅助设计、辅助制造与辅助工程的简称。
该技术的出现以新型的设计方法替代了传统设计方式、制造方式。
它尽可能利用计算机系统来完成重复性高、劳动量大的工作，简化了模具设计过程，帮助模具设计师节省设计时间，提高设计质量和设计效率。
从模具设计之初到最后模具成型，主要有以下软件起了重要作用。
（1）三维造型设计软件Pro/Engineer
Pro/Engineer软件不仅可以设计出各种各样外形的产品，还可以对相应复杂零件进行模腔的设计，往往其复杂程度远超产品本身[6]。
该软件带有定义几何图形以创建单型腔或多型腔模具和铸件，同时可以评估模具开模斜度、集成干涉检查、模拟开模仿真，以确定所设计方案的可行性。
同时，Pro/e可设计整个模具的三维结构，并通过定义相应约束和伺服电机，来实现模具开模动画制作，以发现模具设计过程中及模具开模合模可能存在的问题，使设计师尽早发现，以免造成更大损失[7]。
（2）模流分析软件Moldflow
Moldflow软件是美国Moldflow公司开发的流动分析软件，Moldflow可模拟注塑模具填充过程、保压过程、冷却过程，进行翘曲分析、充填分析，以帮助设计者在设计之初就发现模具工艺方案上可能存在的问题。
对冷却过程进行分析，可以计算出冷却时间及成型周期。
模流分析的最终目的是获得最佳浇注系统的设计方案，以及最佳工艺参数设定，保证产品质量。
在塑件均匀冷却前提下，优化冷却管道布局，缩短冷却时间及成型周期，提高生产效率[8][9]。
（3）MasterCAM软件
MasterCAM是美国CNC系统公司开发的主要用于机械产品加工模拟的运行在PC平台上的3D图形集成系统[11]。
能完成各种类型数控机床的自动编程，包括数控铣床（（2~5轴）、车床（可带C轴）、线切割机（（4轴）、激光切割机、加工中心等的编程加工。
模具设计中，采用MasterCAM主要进行型芯型腔加工刀路分析，确定加工方案和工艺可行性。
第二章注塑工艺分析
塑料制品是利用塑料成型方法生产的零件，为了实现高品质、低成本和高效率的生产，需要塑件本身具有良好的成型工艺性能。
2.1塑件图纸分析
弯头是管道安装中常用的一种连接用管件，连接两根公称通径相同或者不同的管子，使管路作一定角度转弯。
分析直角弯头塑件零件图可知，弯头整体为圆柱形，其重要尺寸为尺寸82mm，以及弯头与管路连接处φ75.4mm孔，该孔为配合孔，尺寸要求严格控制，在零件图纸上，其尺寸未予标注公差，根据（GB/T14486-93）查得其精度等级为MT5级。
中间有侧槽，弯头轴线为圆弧与直线组合，不好采用旋转抽芯，可设计弯头内部采用组合侧向型芯进行成型。
图2-1直角弯头零件图
从零件壁厚上看，塑件最小壁厚4.8mm，塑件壁厚较为均匀，壁厚大小适中，不会放大充模阻力，不易出现缺料现象，也避免了壁厚太厚所容易出现的气泡、凹陷等缺陷，有利于零件的成型。
该零件属于连接用排水管件，使用时无特殊受力要求，只需具备良好的冲击强度、尺寸稳定性、耐腐蚀性。
塑件选择的UPVC材料综合力学性能好，满足塑件机械性能要求。
综合分析，在良好控制注射成型工艺参数的条件下，零件的成型要求可以得到保证。
2.2塑件原材料性能分析
塑件的选材应满足塑件的力学、物理、化学性能，以满足塑件使用要求。
同时需考虑塑料的工艺性能、成型特性、塑料成本，以期获得最优效益。
2.4初选注射机型号和规格
注射机为塑料注射成型时所用主要设备，可分为立式、卧式、直角式。
注射成型时，模具定模板与注射机定模板相连，动模板则对应安装在注射机动模板上，由锁模装置合模锁紧，注入熔融塑料。
为提高直角弯头加工效率，结合该零件本身结构特性，采用多型腔模具，定型腔数为4。
根据制品的体积及质量来确定所需注射机的注射量。
塑件总体积=型腔数X每腔塑件体积
Vs=4·v公式（2-1）
Vs=4·v=4×162.62=650.48
以浇注系统凝料为塑件体积的20%估算，
V’=0.2V公式（2-2）
V’=0.2×650.48=130
V=Vs+V’=780.48
模具设计时，必须使得在一个注射成型周期内所需注射的塑料熔体容量在注射机额定注射量的80%以内，考虑浇注系统中塑料熔体的存在，
注射机的注射量>780.48/0.8=975.6
为使制件推出后能自动落下，同时便于操作加料，选用卧式注射机。
根据注射量，初选XS-ZY-1000型注射机，其主要技术参数如下表：
表2-2XS-ZY-1000注射机主要技术参数
螺杆（柱塞）直径/mm
φ85
注射容量/
1000
注射压力/
1210
锁模力/10kN
450
最大注射面积/
1800
喷嘴
球半径/mm
18
模板行程/mm
700
孔直径/mm
φ7.5
模具厚度/mm
300~700
推出
孔径/mm
φ20
定位孔直径/mm
孔距/mm
850
第三章注塑模具结构设计
注塑模具由动模和定模两大部分组成，分析直角弯头成型零件的特点，知道本次设计的模具应包括成型零件、浇注系统、导向机构、推出机构、侧抽芯机构、模温调节系统。
3.1选定分型面
分型面对塑件外观质量、尺寸、形位精度、脱模性能、锁模力、型芯型腔结构、排气、浇口和模具制造工艺性等都有直接影响。
分型面的合理选择，对提高成型塑件质量、简化模具结构复杂程度等均有很大利好。
注塑分型面的选择，要根据塑件的几何形状、塑件质量要求，结合浇注系统，脱模机构选择等综合考虑。
直角弯头零件结构具有特殊性，分析比较如下分型面方案：
图3-1分型面选择比较
该零件为直角弯头，由于有垂直孔的存在，必须有抽芯机构。
方案一的分型面选择，可使抽芯和分型同时进行，节省分型时间，但是型芯型腔结构复杂，加工成本较大。
方案二分型面选择在塑件最大截面处，加工容易，符合分型面选取一般原则，且型芯型腔加工较为容易。
综合分析，选择方案二的设计。
3.2确定型腔配置
型腔配置应有利于提高塑件成型效率，缩短成型周期。
综合考虑流道和分型面性能，确定零件在模具中排列如图3-2：
图3-2型腔排布图3-3主流道衬套
3.3确定浇注系统
注塑模浇注系统指注射机喷嘴到型腔之间的进料通道，包括主流道、分流道、浇口、冷料穴。
流道表面粗糙度Ra1.6~0.8μm。
3.3.1主流道设计
主流道轴线一般位于模具中心线，与注射机喷嘴轴线重合，型腔也以轴线为中心对称布置。
为便于凝料从直浇道中取出，主流道设计成圆锥型，ABS流动性中等，取主流道锥角α=3°，内壁表面粗糙度Ra=0.63μm。
喷嘴与主流道对接处需紧密对接，可防止主流道与喷嘴处溢料，因此主流道对接处制成凹坑，凹坑半径根据注射机喷嘴半径决定，并在其基础上加1~2，取19mm。
小端直径d2=d1+1=8.5mm，凹坑深度h=4mm。
主流道大端呈圆弧过渡，其圆角半径r=1mm，以减小料流转向过渡时的阻力。
主浇道的长度应视模板厚度、水道等具体情况而定。
考虑主流道与塑料熔体喷嘴反复碰撞，容易损坏，一般不将主浇道直接开设在模板上，而是将主流道制成可拆卸的主流道衬套，如图3-3所示。
这样可以使容易损坏的主浇道部分单独选用优质钢材，便于更换和节约成本并提高模具寿命。
主流道衬套结构如图3-3所示。
通常，主浇道衬套需淬火处理。
3.3.2冷料穴设计
冷料穴可储存因两次注射间隔而产生的冷料以及熔体流动的前锋冷料，避免冷料进入模具型腔。
冷料穴必不可少，本模具中采用较为常用的带Z形头拉料杆的冷料穴。
冷料穴长度取10mm
3.3.3分流道设计
本模具采用一模四腔结构，需有分流道存在。
由于塑料冷却会在流道管壁形成凝固层，为使熔体能在流道中部畅通，分流道要求塑料熔体能在相同的温度和压力条件下，从各个浇口尽可能同时地进入并充满模具型腔。
设计使分流道中心与浇口中心位于同一直线上，故采用圆形截面，其优点有：
比表面积最小，料流阻力小，压力损失小，流道中心冷凝慢，有利于保压。
但是加工难度稍大。
其分流道直径取D=6.5mm。
分流道布置如图所示。
图3-4分流道布局
3.3.4浇口设计
浇口连接分流道和模具型腔，具有两方面的作用：
首先，控制塑料熔体流入型腔；其次，保压过程结束后，注射压力撤销，浇口首先固化，以封锁型腔，避免腔中未冷却的塑料倒流。
根据型腔排布，和塑件成型工艺，采用侧浇口较为合理。
开设浇口在分型面上，选择矩形侧浇口，使加工容易，且便于试模时再进行修正。
矩形侧浇口的大小由其厚度、宽度和长度决定。
由于该浇口属于一般侧浇口，根据经验数据，浇口长度为2.5mm。
3.4成型零部件的结构设计
塑件的平均收缩率为：
Scp=0.5，采用劈块，凸模结构如下所示，
图3-5型腔三维图
根据塑件尺寸φ85查表取塑件尺寸精度等级MT5，模具制造公差等级IT11。
（1）塑件型芯径向尺寸：
公式（3-3）
----塑件内形尺寸；
----塑件公差值；
----型芯基本尺寸；
----型芯制造公差，取1/4×
x----系数，中小型塑件取3/4
弯头连接口型芯直径：
塑件内形基本尺寸φ75.4mm，公差0.46mm
==
弯头内径处型芯直径：
塑件内形基本尺寸φ64mm，公差0.4mm
==
（2）塑件型芯高度尺寸：
公式（3-4）
----塑件内形尺寸；
----塑件公差值；
----型芯基本尺寸；
----型芯制造公差，取1/3×
x----系数，中小型塑件取2/3
弯头连接口型芯高度：
塑件内形基本尺寸36mm，公差0.32mm
==
弯头内径处型芯高度：
塑件内形基本尺寸14mm，公差0.22mm
==
图3-6型腔成型部分尺寸图3-7定模板三维图
（3）塑件型腔径向尺寸：
公式（3-5）
----塑件外形尺寸；
----塑件公差值；
----型腔基本尺寸；
----型腔制造公差，取1/4×
x----系数，中小型塑件取3/4
弯头连接口型腔直径：
塑件外形基本尺寸φ85mm，公差1.3mm
==
弯头90°拐弯处
塑件外形基本尺寸φ72mm，公差1.06mm
==
（4）塑件型腔深度尺寸：
公式（3-6）
----塑件外形尺寸；
----塑件公差值；
----型腔基本尺寸；
----型腔制造公差，取1/3×
x----系数，中小型塑件取2/3
弯头连接口型腔深度：
塑件外形基本尺寸36mm，公差0.76mm
3.5成型型腔壁厚计算
（1）矩形型腔侧壁厚度计算：
该模具采用整体式矩形型腔，其长边侧壁厚度按下式计算：
公式（3-7）
C----常数，与l/h有关，l/h=249/42.5=5.86，1.44
h----型腔深度，h=42.5mm；
p----型腔压力，根据p=K，取压力损耗系数K为0.4，则型腔压力p=K=0.4×121Mpa=48.4MPa；
E----模具钢材的弹性模量E=2.1×MPa；
----塑料制件所用材料的允许变形量，=0.04mm；
==30.2mm，取35mm
（2）矩形型腔底板厚度计算：
按刚度条件计算，其公式如下：
公式（3-8）
----常数，=0.03；
=88.4mm，取90mm。
3.6脱模方式和推出机构设计
为使推出机构简单，可靠，设计使开模时模具留在动模，由于塑件在动模板和定模板上为外圆环形，不会因塑件的收缩而包紧在模板上。
为简化模具结构设计，采用常用的推杆脱模机构，该机构主要由推杆固定板、推板、推杆、复位杆等组成，其尺寸选择根据GB/T4169.1.-2006~GB/T4169.18.-2006选取。
3.7侧向分型抽芯机构设计
模具结构常采用碳素工具钢，斜导柱要求耐磨，采用T8钢制造。
（1）抽芯距S
直角弯头抽芯采用斜导柱完成侧向分型抽芯，抽芯距等于侧孔深度加2~3mm余量。
（2）脱模力F
根据塑件壁厚4.8mm与平均直径80mm的比值t/d=0.06>0.05，确定该塑件为厚壁制件，且其截面为圆环型截面，采用如下公式计算脱模力
公式（3-10）
F----脱模力；
----无量纲系数，随λ和而定，λ=r/δ,r为型芯平均半径，δ为塑件平均壁厚，可查相关表；
----无量纲系数，随f和而定，可查表选取；
S----塑料平均成型收缩率，取0.005
E----塑料的弹性模量；查表得1800MPa；
L----塑件对型芯的包容长度，mm；
f----塑件与型芯之间的摩擦因素，查表得与钢的摩擦因素为0.21；
----模具型芯脱模斜度，查表取1°；
----塑料的泊松比，为0.39；
A----盲孔塑件型芯在垂直于脱模方向上的投影面积，mm²；
本零件的型芯为阶梯型芯对拼，每个型芯均有两部分被塑件包紧，其参数列于下表：
表3-1型芯成型部分尺寸
φ76.12型芯
φ64.62型芯
r
38.06mm
32.31mm
7.432
7.63
1.0035
1.0035
L
36mm
14mm
A
4550.8mm²
3279.6mm²
（3）斜销倾斜角度α
若斜销倾角过大，斜销受力状况差，倾角过小，又不利于开模，按实际生产经验，选取斜销倾角22°，则最小开模行程：
公式（3-11）
斜销工作长度L：
根据几何关系，斜销工作长度应大于
公式（3-12）
（4）斜销直径
抽芯时，斜销受有弯矩作用，其最大值为：
公式（3-13）
式中
----斜销受力
L----斜销有效工作长度。
由材料力学可知
圆形斜销弯曲应力为
公式（3-14）
式中
斜销抗弯截面系数，对于斜销，其截面系数，；
斜销材料弯曲许用应力。
对T8钢，取200MPa
由此，可得斜导柱直径取d=25mm。
3.8冷却系统设计
为控制模具温度稳定，冷却系统必不可少，通过控制水道出口和入口的温度，以及水路流速，可以控制单位时间内带走的热量，以达到稳定模温的目的。
根据单个塑件的质量170.75g，成型周期60s，可以算得，该注射模产量为
①求塑件固化时每小时释放的热量Q
查得塑料的单位热流量Q1=3.1×10²~4.0×10²kJ/kg
取3.6x10²kJ/kg计算，
②求冷却水的体积流量
忽略模具因空气对流、热辐射以及与注射机接触所散发的热量，则模具冷却时所需要的冷却介质体积流量按下式计算：
公式（3-15）
式中----冷却介质的体积流量，m³/min；
W----单位时间（每分钟）内注入模具中的塑料质量，kg/min；
----单位重量的塑件在凝固时所放出的热量，kJ/kg；
----冷却介质的密度，kg/m³；
----冷却介质的比热容，KJ/（kg·℃）；
----冷却介质出口温度，℃；
----冷却介质入口温度，℃；
参考同类模具，选取25℃的水作为冷却介质，其出口温度为28℃，水呈湍流状态，根据表2-2，模具平均温度50℃，则，
③查表3-2，为使得冷却水处于湍流状态，取d=10mm。
表3-2冷却水的稳定湍流速度与流量
冷却水管直径d/（mm）
最低流速Vmin/（m/s）
流量
qv/（m³/min）
冷却水管直径d/（mm）
最低流速Vmin/（m/s）
流量
qv/（m³/min）
8
1.66
5.0×10-3
20
0.66
12.4×10-3
10
1.32
6.2×10-3
25
0.53
15.5×10-3
12
1.10
7.4×10-3
30
0.44
18.7×10-3
15
0.87
9.2×10-3
④求冷却水在管道内的流速v
其计算公式如下，
公式（3-16）
式中----冷却介质的流速，m/s；
----冷却介质的体积流量，m³/s；
d----冷却管道的直径，m。
⑤求冷却管道孔壁与冷却介质之间的传热膜系数h
冷却管道孔壁与冷却介质之间的传热膜系数h计算公式如下：
公式（3-17）
式中----与冷却介质温度有关的物理系数；
----冷却介质在一定温度下的密度，kg/m³；
v----冷却介质在圆管中的流速，m/s；
d----冷却管道的直径，m。
以平均水温25℃选择f值6.48
⑥求冷却管道总传热面积A
冷却管道总传热面积可按下式计算
公式（3-18）
式中h----冷却管道孔壁与冷却介质之间的传热膜系数，kJ/（m²·h·℃）；
----模温与冷却介质温度之间的平均温差，℃。
⑦求模具上应开设的冷却管道的孔数
开设孔数可按下式计算
公式（3-19）
式中L----冷却管道开设方向上模具长度或宽度；
第四章注射模具与注塑机的关系
注射模具是安装在注塑机上使用的，因此，模具的设计必须使其工作参数满足注射机的要求。
现就所设计的模具进行如下校核。
4.1注射量的校核
模具设计时，必须使得一个注射成型周期内所需要注射的塑料熔体的容量在注射机额定注射量的80%内。
在一个注射成型周期内，需注射入模具内的塑料熔体容量，应为制件和浇注系统两部分容量之和。
由于注射机选用时，以注射量进行选取，故此项达标。
4.2注射压力的校核
模具设计进行注射压力校核主要是校验注射机的最大注射压力是否能满足塑件成型要求。
需使得注射压力在注塑机额定注射压力内才能正常注塑，即注射机最大注射压力要大于塑件要求的注射压力。
材料要求注射压力80MPa，XS-ZY-1000型注射机能达到的最大注射压力为121MPa，满足要求。
4.3锁模力的校核
高压熔体充填型腔时，会产生沿着注射机轴向的很大推力T推，该推力需小于注射机额定锁模力T合，否则在注射机成型时会因锁模不紧而发生溢边、跑料等现象。
型腔内塑料熔体的推力T推其大小等于塑件和浇注系统在分型面上的投影之和乘以型腔内塑料熔体的平均压力，
公式（4-1）
式中A----塑料与浇注系统在分型面上的投影面积，mm²；
----型腔内塑料熔体平均压力，MPa；
P----型腔内塑料熔体的压力，MPa；
----注射压力，MPa；
k----压力损耗系数，随塑料品种，注射机形式，喷嘴阻力、流道阻力等因素变化，可在0.2~0.4的范围内选取。
查表选取型腔压力30MPa，
塑料与浇注系统在分型面上的投影面积由Pro/e分析得到,其结果如图所示，则
图4-1塑件与浇注系统在分型面上的投影面积
4.4安装部分尺寸校核
为了使注射模能顺利安装在注射机上并生产出合格的塑件，设计模具时必须校验注射机上与模具安装的有关尺寸，一般应校核模具最大和最小厚度、模具长度和
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