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学习情境11

塑料仪表盖注射成型模具设计实例

拟定成型工艺方案、初选成型设备

塑料仪表盖的设计任务书，如图11-1所示。

一、任务导入

二、塑件的尺寸精度与结构分析

塑料制品的尺寸、精度和表面质量。

该塑件的三维图样，如图11-2所示。

该塑件尺寸精度无特殊要求，所有尺寸均为自由尺寸，可按MT5查取公差，其主要尺寸公差要求，见表11-1。

该塑件表面没有特殊要求，通常，一般情况下外表面要求光洁，表面粗糙度可以取到Ra=0.8μm，塑件内部表面粗糙度可取Ra=3.2μm。

2.塑件的结构工艺分析

（1）从图纸上看，该塑件外形为回转体，圆角过渡无尖角存在，壁厚均匀，且符合最小壁厚要求；

（2）塑件型腔较大，有尺寸不等的孔，如Φ6、Φ9，它们均符合最小孔径要求，可在型腔板上设计5个小型芯；

（3）为塑件顺利脱模，可在塑件内部及外部设计一定的脱模斜度，图11-1中已经注明脱模斜度为30′～10。

该塑件结构简单，无特殊的结构要求和精度要求。

三、拟定塑件成型工艺方案

1.塑件的生产批量

塑件的生产类型对注射模结构、注射模材料使用均有重要的影响，在大批量生产中，由于注射模价格在整个生产费用中所占比例较小，提高生产率和注射模寿命问题比较突出，可以考虑使用自动化程度较高、结构复杂、精度寿命高的模具。

如果是小批量生产，则应尽量采用结构简单，制造容易的注射模，以降低注射模的成本。

2.塑料原材料的成型特性分析

ABS是目前产量最大、应用最广的工程塑料。

ABS是不透明非结晶聚合物，无毒、无味，密度为1.02～1.05g/cm3。

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；具有较好尺寸稳定性，易于成型和机械加工，成型塑件表面有较好光泽，经过调色可配成任何颜色，表面可镀铬。

拟定成型工艺方案、初选成型设备

其缺点是耐热性不高，连续工作温度为700C左右，热变形温度约为930C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。

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。

ABS的成型特性:

（1）ABS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。

（2）流动性中等，溢边值0.04mm左右。

（3）壁厚、熔料温度对收缩率影响极小，塑件尺寸精度高。

（4）ABS比热容低，塑化效率高，凝固也快，故成型周期短。

（5）ABS的表观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。

（6）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。

（7）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。

（8）易采用高料温、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℃。

ABS的成型特性:

（1）ABS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。

（2）流动性中等，溢边值0.04mm左右。

（3）壁厚、熔料温度对收缩率影响极小，塑件尺寸精度高。

（4）ABS比热容低，塑化效率高，凝固也快，故成型周期短。

（5）ABS的表观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。

由设计任务书可知该塑件产量50万件，生产类型属中批量生产。

综上分析，该塑件可采用注射成型加工，考虑采用一模多腔、快速脱模以及成型周期不太长的模具，同时模具造价要适当控制。

在注射成型生产时，该塑件结构简单，无特殊的结构要求和精度要求，只要工艺参数控制得当，该塑件是比较容易成型的

四、初选塑件成型设备、记录参数

1.计算塑件体积和质量

通过三维造型可获得电器上罩壳的体积为V=62.07cm3

ABS的密度为ρ=1.03g/cm3，所以塑件的质量为

w=ρV=1.03×62.07=63.94g

2.根据塑件本身的几何形状及生产批量确定型腔数量

该塑件的顶面有五个小孔，生产批量为中批量生产，为提高生产率，拟采用一模两腔的模具结构，型腔平衡布置在型腔板两侧，这样有利于浇注系统的排列和模具的平衡。

3.定注射成型的工艺参数根据该塑件的结构特点和ABS的成型性能，查有关资料初步确定注射成型工艺参数，见表11-2。

4.确定模具温度及冷却方式

ABS为非结晶塑料，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，从而提高生产效率。

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60～800C。

5.确定成型设备

由于塑件采用注射成型加工，使用一模两腔分布，由此可计算出一次注射成型过程所用塑料量为

W=2w+w废料=2×63.94+2×63.94×40%=179.03g

一般，浇注系统凝料和废料按塑件注射量的20%～60%计算。

上式中，是按40%估算。

根据一次注射量分析，以及考虑塑料的品种、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SZ-300/160型塑料注射成型机，记录下SZ-300/160型注射成型机的主要技术参数，见表11-3。

五、制定塑件注射成型工艺卡

填写塑件成型工艺卡，见表11-4。

一、初拟模具结构方案

由于该塑件结构简单，精度要求不高，生产批量中等，为提高生产效率，生产该件的模具拟采用一模两腔的单分型面注射模具结构。

二、讨论、确定模具结构方案

不论塑件的结构如何，采用何种设计方法都必须首先确定分型面，模具结构很大程度上取决于分型面的选择。

为保证塑件能顺利分型，主分型面应首先考虑选择在塑件的外形的最大轮廓处。

该塑件为塑料仪表盖，外形表面质量要求较高。

在选择分型面时，根据分型面的选择原则，考虑不影响塑件的外观质量，便于清除毛刺及飞边，有利于排除模具型腔内的气体，分模后塑件留在动模一侧，便于取出塑件等因素，分型面应选择在塑件外形轮廓的最大处，

如果按图11-3（a）所示的分型面分型，则塑件分别是由两个模板成型，由于合模误差的存在，会使塑件产生一定的同轴度误差，且飞边不易清除；而按照图11-3（b）所示的分型面分型，则塑件整体由一个模板成型，消除了由于合模误差使塑件产生同轴度误差的可能。

因此，决定采用图11-3（b）所示的分型面。

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，尽可能使得模具型腔对称、均衡、取件方便。

由于该塑件的外形是圆形的，各方向尺寸一致；另外，塑件结构简单，不需要侧向分型，所以型腔的排列方式只有一种。

即左右对称分布在模板两侧，如图11-4所示。

浇注系统包括主流道、分流道、浇口、冷料穴等四个部分组成。

考虑到塑件的外观要求高，外表面不允许有成型斑点和熔接痕，以及一模两腔的布置，ABS对剪切速率较为敏感等情况，浇口采用方便加工修整、凝料去除容易且不会在塑件外壁留下痕迹的侧浇口，模具采用单分型面结构两板模，模具制造成本比较容易控制在合理的范围，浇注系统的设计，如图11-5所示。

（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，所以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，如图11－6所示。

查塑料模设计手册得到SZ-300/160型注射机与喷嘴有关的尺寸：

喷嘴球半径R0=20mm；喷嘴孔直径d0=Φ4mm；定位圈直径为Φ160mm。

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=R0+（1～2）mm，d=d0+0.5mm。

主流道球面半径取SR=22mm（取标准值）；主流道的小端直径d=ø4.5mm。

为了便于将凝料从主流道中拔出，将主流道设计出圆锥形，其斜度2°～4°，计算其大端径约为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变形，将浇口套的长度设计得比模板厚度短0.02；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。

定位圈的是用来安装模具时做定位用的，查资料得到SZ-300/160型注射机的定位圈直径为Φ160mm；一般定位圈高出定模座板表面5～10mm。

由于定位圈与浇口套均属于注射模具的通用件，设计者应尽量采用推荐尺寸的浇口套和定位圈。

浇口套与定位圈的详细设计见后面零件图。

（2）分流道

本案例采用U型断面分流道，只切削加工在一块模板上，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，ABS的分流道推荐直径为4.8～9.5mm，据此，该模具的分流道尺寸大小计算设计，如图11-7所示。

（3）浇口设计

根据塑件的外观要求及型腔分布情况，选用如图11-8所示的侧浇口，从塑件的底侧中部进料，去除凝料时不会在塑件的外壁留下浇口痕迹，不影响塑件的外观。

（4）冷料穴设计

采用带Z形头拉料杆的冷料穴，如图11-9所示，设置在主流道的末端，既起到冷料穴的作用，又兼有开模分型时将凝料从主流道中拉出留在动模一侧，稍作侧向移动凝料便可取出。

型腔内气体的来源，除了型腔内原有的空气外，还有因塑料受热或凝固而产生的低分子挥发气体，必须考虑把这些气体顺序排出。

一般来说，对于结构复杂的模具，事先较难估计发生气阻的准确位置。

所以，往往需要通过试模来确定其位置，然后再开排气槽。

排气槽一般开设在型腔最后被充满的地方。

排气的方式有利用模具零件配合间隙排气和开设排气槽排气。

排气是塑件成型的需要，而引气是塑件脱模的需要。

对于大型深腔壳体类塑件，注射成型后，型腔内气体被排除，塑件表面与型芯表面之间在脱模过程中形成真空，难于脱模。

若强制脱模，塑件会变形或损坏，因此，必须引入气体，即在塑件与型芯之间引入空气，使塑件顺利脱模。

本例中，排气与引气均利用模具零件配合间隙完成。

成型零件直接与高温高压的塑料接触，它的质量直接影响了制件的质量，因此要求成型零件有足够的强度、刚度、硬度、耐磨性，应选用优质模具钢制作，还应进行热处理使其具备50～55HRC的硬度。

凹模（型腔）设计:

型腔采用整体式型腔，整体式型腔是直接加工在型腔板上的，有较高的强度和刚度，使用中不易发生变形。

该塑件尺寸较小，形状为圆形，型腔加工容易实现，可以采用整体式结构。

凸模（型芯）设计:

型芯结构设计亦应采用组合式型芯，可以节省贵重模具钢，减少加工工作量。

成型塑件内壁的大型芯装在动模板上，成型4×6、9孔的小型芯装在定模板上，方便型芯的制作安装、塑件的飞边去除，以及塑件内部冷却水道的排布。

（1）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ABS的收缩率为0.4%～0.7%，故平均收缩率为Scp=（0.4%+0.7%）=0.55%。

根据塑件尺寸公差要求，模具制造公差取δZ=Δ/3。

成型零件尺寸的计算见表11-5。

（2）模具型腔壁厚的确定

图11－10所示为整体式圆形型腔的结构图。

塑料模具型腔在成型过程中受到熔体的高压作用，应有足够的强度和刚度，本模具的凹模采用的是整体式圆形型腔，因此可采用整体式圆形型腔壁厚计算公式来确定型腔侧壁S和底板厚度h，也可由表格查取经验数据确定型腔侧壁S。

圆形型腔壁厚的经验数据，见表11-6。

初拟模具结构方案

塑件精度要求不算高，塑件形状简单、型腔分布对称，无明显单边注射侧向力，可采用最为常见的导柱导向定位机构，在动模板、推件板、定模板间使用4对导柱，导柱的长度要确保推件板推出塑件后不脱落。

注意，导柱要比主型芯高出至少6～8mm。

根据塑料仪表盖的形状特点，其推出机构可采用推件板推出或推杆推出，其中，推件板推出结构可靠、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内部型腔上留下顶出痕迹，但不影响塑件外观。

本例中，由于在型芯中要装冷却水道，故采用推板推出机构。

该塑件为中批量生产，应尽量缩短成型周期，提高生产率，加之ABS塑料为结晶型塑料，成型时需要充分冷却，冷却要均匀分布。

因此，该模具的凹模冷却是在定模板上开出冷却水道，采用冷却水进行循环冷却型腔；而型芯的冷却则采用内部加装铜管喷流冷却的方式，其进出水孔开在支承板上，冷却水道的分布，如图11-11所示。

三、确定模架、选用标准件

综合考虑本塑件采用一模两腔平衡布置、侧浇口一次分型结构、型腔的壁厚要求、塑件尺寸大小、侧向抽芯机构、冷却水道的布置等多项因素，估算型腔模板的概略尺寸，查表选取标准模板的尺寸为200×355×80，选用D型标准模架（GB/T12555-2006）。

四、校核成型设备参数

注射时螺杆施于熔融塑料单位面积上的压力称为注射压力。

设计模具时，成型塑件所需的实际压力应小于注塑机所标定的最大注射压力。

中P公——注射机的最大注射压力（MPa）；

P注——成型塑件所需实际注射压力（MPa），生产实践中实际注射压力值一般为70～150MPa。

本例中，注射机的最大注射压力P公=150MPa，满足上述公式要求，注射压力足够。

在一个注射成型周期内，注塑模内所需的塑料熔体总量与模具浇注系统的容积和型腔容积有关，其值用下式计算mi=Nms+mj

式中N———型腔的数量;

ms———单个制品的质量或体积，g或cm3;mj———浇注系统和飞边所需的塑料质量或体积，g或cm3;

已知，N=2，ms=62.07cm3，经估算mj≈40cm3，则mi≈164cm3。

=SZ-300/160注射成型机的额定注射量为mⅠ=300cm3

为了使注射成型过程稳定可靠，应有mi=（0.1～0.8）mⅠ=32～256cm3因此，该注射成型机的注射量满足模具的要求。

锁模力是指注射成型机的合模机构对模具所能施加的最大夹紧力。

注射成型机锁模力的校核关系式为F≥kpA式中

F———注射成型机锁模力，N，查表得SZ-300/160型注射成型机的锁模力为1600kN;

A———塑件及浇注系统在分型面上的投影面积之和（浇注系统在分型面上的投影面积按塑件在分型面上投影面积0.2～0.5倍计算），m2，估算得本模具的A=9.4×10-3m2;p———型腔内熔体的压力，

MPa，查表得本塑件的p=30MPa;k———压力损耗系数，一般取1.1～1.2。

计算得kpA=1.2×30×106×9.4×10-3=338.4×103N

。

本模具采用的是D型标准模架（GB/T12555-2006），模具的外形尺寸为200mm×355mm。

组成模具闭合高度的模板及其他零件的尺寸有:

定模座板为H1=25mm;定模板为H2=80mm;推件板为H3=20mm;动模板为H4=32mm;支承板为H5=32mm;垫铁为H6=80mm;动模座板为H7=25mm。

则该模具闭合高度为

H=H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7=25+80+20+32+32+80+25=294mm

查资料得SZ-300/160型注射成型机动、定模模板最大安装尺寸为450mm×450mm，允许模具的最小厚度为Hmin=250mm，最大厚度Hmax=450mm，即模具得外形尺寸不超过注射成型机动、定模模板最大安装尺寸，模具闭合高度满足Hmin≤H≤Hmax的安装条件，故该模具满足SZ-300/160型注射成型机的安装要求。

各种型号注射机的推出装置的设置情况及推出距离等各不相同，设计模具时，必须了解注射机推出杆的直径，推出形式（是中心推杆还是两侧双杆推出），最大推出距离及双推中心杆距等，以确保模具推出机构与注射机的推出机构相适应。

SZ-300/160型注射机的推出形式为有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SZ-300/160型注射机上采用中心Φ50顶杆推出，在动模座板预留与之匹配的Φ60顶出孔；塑件实际推出距离为55，满足推出距离要求。

注射机的开模行程是有限的，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，SZ-300/160型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）mm

其中：

S——注射机的最大开模行程（mm）；经查资料注射机SZ-300/160型的最大开模行程S=380mm

H1——塑件脱模所需的推出距离（mm）；该塑件的脱模推出距为55mm

H2——塑件的高度（包括浇注系统高度，mm）；该塑件的高度为130mm

◆计算得：

H1+H2+（5～10）＝55＋130＋10＝195mm

以上分析证明,SZ-300型注射机能满足要求,故可以采用,根据校核结论,将SZ-300/160填入塑件的成型工艺卡中。

一、绘制模具装配图

（1）尽量采用1：

1，并选择幅面大小合适的图纸绘制装配图。

（2）一般采用主视和俯视两个视图，主视图采用剖视法，俯视图画拆去定模部分后的实际投影。

如两个视图还无法表达清楚，则可增加其他视图。

（3）塑件图布置在图纸的右上角，并注明塑件名称、塑料牌号等要素，标全塑件尺寸。

塑件图尺寸较大或形状较为复杂时，可单独画在零件图纸上，并装订在整套模具图纸中。

（4）装配图上需标出模具的总体尺寸、必要的配合尺寸和安装尺寸，其余尺寸一般不标注。

（5）零件序号标注要求是不漏标、不重复标，引线间不交叉，序号编制一般按顺时针方向排列，字体严格使用仿宋体，字间布置均匀，对齐等。

标题栏内容应按统一要求填写。

特别是设计者必须在相应位置签名。

编制明细表必须包括序号、代号、零件名称、图号（或页次）、数量、材料及热处理要求等。

其中零件序号应自下往上进行排列。

选材时应注明牌号并尽量减少材料种类。

标准件应按规定进行标记，零件名称栏中文字应首尾两字对齐，字间距应均匀、字体大小一致等。

在绘制模具装配图的过程中，模具各结构之间的尺寸确定、各动作的协调、部件间是否干涉等问题都会得到解决。

为了进一步地提高设计的效率，减少设计的失误，有条件的情况下可以应用三维造型软件进行辅助设计与校核，不仅绘制出模具二维工作图，还有模具三维工作图。

最后标注装配图总长、总宽、总高及一些关键部位配合要求，写出装配图技术要求，填写完成装配图明细表。

塑料仪表盖装配图，如图11-12所示。

二、绘制模具零件图

视图选择可参照下列建议：

1）轴类零件通常仅需一个视图，按加工位置布置较好。

2）板类零件通常需主视和俯视两个视图，一般而言按装配位置布置较好。

3）镶拼组合成型零件，常画部件图，这样便于尺寸及偏差的标注。

视图可按装配位置布置。

零件图比例尺大都采用1：

1。

小尺寸零件或尺寸较多的零件则需放大比例绘制。

标注尺寸是零件设计中一项极为重要的内容，尺寸标注要做到既不少标、漏标，又不多标、重复标，同时又使整套模具零件图上的尺寸布置清晰、美观。

1）正确选择基准面

尽量使设计基准、加工基准、测量基准一致，避免加工时反复换算。

成型部分的尺寸标注基准应与塑件图中标注一致。

2）尺寸布置合理

大部分尺寸最好集中标注在最能反映零件特征的视图上。

如对于板类零件而言，主视图上应集中标注厚向尺寸，而平面内各尺寸则应集中标注在俯视图上。

另外，同一视图上，尺寸应尽量归类布置。

如可将某一模板俯视图上的大部分尺寸归类成4类，第1类是孔径尺寸，可考虑集中标注在视图的左方；第2类是纵向间距尺寸，可考虑集中标注在视图轮廓外右方；第3类是横向间距尺寸，可考虑集中布置在视图轮廓外下方；第4类则是型孔大小尺寸，可考虑集中标注在型孔周围空白处。

并尽量做到全套图纸一致。

本章的零件设计示例图大都按照归类布置法绘制，请观察其表达效果。

3）脱模斜度的标注

脱模斜度有3种标注方法：

其一是大、小端尺寸均标出，其二是标出一端尺寸，再标注角度，其三是在技术要求中注明。

4）有精度的位置尺寸

需与轴类零件相配合的通孔中心距，多腔模具的型腔间距等有精度的位置尺寸，均需标注公差。

5）螺纹尺寸及齿轮尺寸

对于螺纹成型尺寸和齿轮成型件，还需在零件图上列出主要几何参数及其公差。

1）各面的粗糙度均应注明。

对于多个相同粗糙度要求的表面，可集中在图纸的右上角统一标注。

2）有形位公差要求的结构形状则需加注形位公差。

零件图上技术要求标注位置位于标题栏的上方，线条注明除尺寸、公差、粗糙度以外的加工要求。

标题栏按统一规格填写。

设计者必须在各零件图的标题栏相应位置上签名。

零件图如图11-13～图11-27所示。

图11-13定模座板零件图

图11-14定模板零件图

图11-15动模座板零件图

图11-16动模板零件图

图11-17型芯零件图

图11-18拉料杆零件图

图11-19复位杆零件图

图11-20定位圈零件图

图11-21浇口套零件图

图11-22动模支撑板零件图

图11-23喷水管零件图

图11-24推杆固定板零件图

图11-25推板零件图

图11-26垫块零件图

图11-27小型芯零件图

设计计算说明书以计算内容为主。

对于塑料模设计来说，说明书所包括的内容大致如下:

（1）目录（标题及页码）;

（2）设计任务书;

（3）塑件的尺寸精度与结构分析;（4）拟订塑件成型工艺方案;（5）初选塑件成型设备、记录参数;

（6）初拟模具结构方案;

（7）讨论、确定模具结构方案;（8）确定模架，选用标准件;

（9）校核成型设备参数;

（10）绘制模具装配图、模具零件图;

（11）设计体会;

（12）参考资料。

一般说明书中还可包括一些技术说明，如在装配和拆卸过程中的注意事项等。

三、编写说明书的基本要求

1.编写的规范化

设计计算说明书必须用钢笔书写在符合规定格式的用纸上，并装订成册和填写封面。

封面格式如图11-28所示，书写格式如图11-29所示。

2.计算的正确性

对所有的设计计算要求正确无误，为此应注意以下几点：

1）计算的已知条件和力学模型必须正确；

2）计算公式及重要数据的来源必须可靠；

3）计算的过程必须条理清楚，具体的演算过程可以略去，但数据运算必须准确，数据处理（如标准化；取精确值、圆整等）应符合要求；

4）应附有与计算有关的必要插图；

5）对计算结果应有简短的结论。

3、内容的完整性

编写完后，应检查设计计算说明书中所包括的内容是否完整。

此外，对设计计算说明书的编写，应行文精练、书写公整。

设计小结

本学习情境主要是引导学生学习塑料仪表盖注射模的设计。

在设计的全过程中都以塑料仪表盖零件为载体，结合工作实际，以设计任务书的要求为依据，首先拟定成型工艺方案、初选成型设备，然后确定模具结构方案、确