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灭火器盖注塑模具设计说明书
基于CAD/CAM/CAPP的灭火器盖注塑模具设计与制造工艺
No.:
000000000000073169
摘要：
本文详细地阐述了灭火器外壳塑件注射模具的设计过程与制造工艺。
设计了注射模具中的各个系统，如浇注系统、导向与定位机构、侧向分型与抽芯机构，并对塑料材料性能进行了分析。
根据塑件的产品数量要求，以及结构要求，该模具采用一模一腔。
使用UG软件设计成型零件以及非标零件，即对模具进行分模、生成元件、装配、试模、开模等设计。
除此之外，还包括模具型腔CAD/CAM/CAPP部分，并利用先进软件将其加工部分直接生成NC文件。
本文强调利用现代计算机辅助设计制造技术，运用了NX8.5等国内外著名软件进行辅助设计。
既保证了产品的质量，又缩短了产品更新的周期。
同时可快捷的将三维图转化为二维工程图，直接指导生产。
关键词：
注射模；灭火器盖；CAD/CAM/CAPP
BasedonCAD/CAM/CAPPoffireextinguishercoverinjectionmolddesignandmanufacturingprocess
Abstract:
Thisarticleindetailelaboratesthefireextinguishertheshelloftheinjectionmoulddesignprocessandmanufacturingprocess.Designoftheindividualsystemoftheinjectionmould,suchaspouringsystem,guidingandpositioning,sidepartingandcore-pullingmechanism,andtheplasticmaterialperformanceisanalyzed.Accordingtotherequirementsoftheplasticproducts,aswellasstructuralrequirements,themouldwithonemoduleandonecavity.UsingUGsoftwaredesignofmoldingpartsandnon-standardparts,namelythemouldparting,generation,components,assembly,testmode,openmoulddesign.Inaddition,alsoincludingCAD/CAM/CAPPpartofthemoldcavity,andusetheadvancedsoftwaretoitsprocessingpartgenerateNCfilesdirectly.Thisarticleemphasizestheuseofmoderncomputeraideddesignandmanufacturingtechnology,usingthefamousathomeandabroadsuchasNX8.5aideddesignsoftware.Guaranteethequalityoftheproductsandshortenthecycleofproductupdates.Atthesametime,canquicklyconvertthree-dimensionalfigureintotwo-dimensionalengineeringgraphics,directproductiondirectly.
Keywords:
Injectionmould,Fireextinguishercover,CAD/CAM/CAPP
第1章绪论
1.1模具行业发展的现状
模具行业是制造业中的一项基础产业，是技术成果转化的基础，同时本身又是高新技术产业的重要领域。
模具技术水平的高低，决定着产品的质量、效益和新产品开发能力，它已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志。
目前，塑料模具在整个模具行业中约占30%左右。
二十一世纪世界制造加工业的竞争更加激烈，对注塑产品与模具的设计制造提出了新的挑战，产品需求的多样性要求塑件设计的多品种、简单化，市场的快速变化要求发展产品及模具的快速设计制造技术，全球性的经济竞争要求尽可能地降低产品成本、提高产品质量，创新、精密、简单、高附加值已成为注塑产品的发展方向，必须寻求高效、可靠、敏捷、柔性的注塑产品与模具设计制造系统。
当前，国内塑料模具市场以注塑模具需求量最大，其中发展重点为工程塑料模具。
有关数据表明，目前仅汽车行业就需要各种塑料制品36万吨；电冰箱、洗衣机和空调的年产量均超过1000万台；彩电的年产量已超过3000万台；到2010年，在建材行业，塑料门窗的普及率为30％，塑料管的普及率将达到50％。
这些都会导致对模具的需求量大幅度增长。
近来我国模具工业发展迅速，目前已呈现出市场广阔、产销两旺的局面。
深圳周边及珠江三角洲地区是中国塑料模具工业最为发达、科技含量最高的区域，预计有可能在10年内发展成为世界模具生产中心。
其次，浙江东部的余姚、宁海、黄岩温州等地区的塑料模具工业发展也非常快。
相当多的发达国家塑料模具企业移师中国，是国内塑料模具工业迅速发展的重要原因之一。
中国技术人才水平的提高和平均劳动力成本低都是吸引外资的优势，这些是塑料模具市场迅速成长的重要因素所在，所以中国塑模市场的前景一片辉煌。
虽然近几年来，我国塑料模具无论是在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都有了很大发展，但总体上与工业发达的国家相比仍有较大的差距。
例如，在总量供不应求的同时，一些低档塑料模具已供过于求，市场竞争激烈；一些技术含量不太高的中档塑料模具也有一些趋向于供过于求，然而精密加工设备还很少，一些大型、精密、简单、长寿命的中高档塑料模具每年仍大量进口。
许多先进的技术如CAD/CAE/CAM技术的普及率还不高，我国塑料模具行业与其发展需要和国外先进水平相比，还存在很多方面的问题。
现在国外发达国家模具标准化程度为70％～80％，而我国只有30％左右。
如能广泛应用模具标准件，将会缩短模具设计制造周期25％～40％，并可减少由于使用者自制模具件而造成的工时浪费。
现在应用模具CAD／CAM技术设计模具已较为普遍，随着通用机械CAD/CAM技术的发展，塑料注射模CAD/CAM已经不断的深化。
从上世纪60年代基于线框模型的CAD系统开始，到70年代以曲面造型为核心的CAD/CAM系统，80年代实体造型技术的成功应用，90年代基于特徵的参数化实体/曲面造型技术的完善，为塑料注射模采用CAD/CAE/CAM技术提供了可靠的保证。
目前在国内外巿场已涌现出一批成功应用于塑料注射模的CAD/CAE/CAM系统。
而且通过推广使用模具标准件，实现了部分资源共享，这样就大大减少模具设计的工作量和工作时间，对于发展CAD／CAM技术、提高模具的精密度有重要意义。
因此，模具成为国家重点鼓励与支持发展的技术和产品。
现代模具是多学科知识集聚的高新技术产业的一部分，是国民经济的装备产业，其技术、资金与劳动相对密集。
1.2设计任务
通过对模具专业的学习，对整个模具设计流程有了初步了解，掌握了常用材料在各种成型过程中对模具的工艺要求，各种模具的结构特点及设计计算的方法，以达到能够独立设计一般模具的要求。
在模具制造方面，掌握一般机械加工的知识，金属材料的选择和热处理，了解模具结构的特点，根据不同情况选用模具加工新工艺。
毕业设计能够对以上各方面的要求加以灵活运用，综合检验大学期间所学的知识。
因此在本次毕业设计中，我们最终需要完成的成果如下：
毕业设计论文一份；
模具非标件的三维数字化模型；
模具非标件的二维零件图；
模具装配图；
模具非标零件的工艺规程和工序卡片；
模具非标零件的数控加工代码；
模具非标零件的数控加工仿真文件与视频。
第2章塑件的工艺分析
2.1塑料材料分析
2.1.1塑料材料的基本特性
常用的注塑塑料有PP（聚丙烯）、PE（聚乙烯）、ABS（丙烯、丁二烯、苯乙烯单体共聚而成）等，本次材料选用PP，PP塑料是继尼龙之后发展的又一优良树脂品种，它是一种高密度、无侧链、高结晶的线性聚合物，具有优良的综合性能，未着色时呈白色半透明，蜡状；比聚乙烯轻。
PP材料化学和物理特性是一种半结晶性材料。
它比PE要更坚硬并且有更高的熔点。
由于均聚物型的PP温度高于0°C以上时非常脆，因此许多商业的PP材料是加入1～4%乙烯的无规则共聚物或更高比率乙烯含量的钳段式共聚物。
共聚物型的PP材料有较低的热扭曲温度（100°C）、低透明度、低光泽度、低刚性，但是有有更强的抗冲击强度。
PP的强度随着乙烯含量的增加而增大。
PP的维卡软化温度为150°C。
由于结晶度较高，这种材料的表面刚度和抗划痕特性很好。
PP不存在环境应力开裂问题。
PP的流动率MFR范围在1～40。
低MFR的PP材料抗冲击特性较好但延展强度较低。
由于结晶，PP的收缩率较高，一般为1.8～2.5%。
并且收缩率的方向均匀性比PE-HD等材料要好得多。
加入30%的玻璃添加剂可以使收缩率降到0.7%。
均聚物型和共聚物型的PP材料都具有优良的抗吸湿性、抗酸碱腐蚀性、抗溶解性。
然而，它对芳香烃（如苯）溶剂、氯化烃（四氯化碳）溶剂等没有抵抗力。
采用PP在升温时粘度增高，所以成型压力较高，故塑件上的脱模斜度宜稍大；PP易吸水，成型加工前应进行干燥处理；PP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；在正常的成型条件下，壁厚、熔料温度对收缩率影响极小。
在要求塑件精度高时，模具温度可以控制在50～60°C，而在强调塑件光泽和耐热时，模具温度应控制在60～80°C。
PP材料具有超强的易加工性。
2.1.2塑件材料主要用途
塑料材料在机械工业上用来制造塑料盖壳、泵业轮、轴承、把手、管道、管连接件、蓄电池槽、冷藏库和冰箱衬里等。
还可用来制造水表壳，纺织器材，电器零件、玩具、电子琴及收录机壳体、食品包装容器，农药喷雾器及家具等。
在模具设计之前需要对塑件的工艺性如形状结构、尺寸大小、精度等级和表面质量要进行仔细研究和分析，只有这样才能恰当确定塑件制品所需的模具结构和模具精度。
2.1.3成型工艺性分析
由于塑件冷却后产生收缩，会紧紧地包住模具型芯、型腔中凸出的部分，使塑件脱出困难，强行取出会导致塑件表面擦伤、拉毛。
为了方便脱模，塑件设计时必须考虑与脱模（及轴芯）方向平行的内、外表面，设计足够的脱模斜度。
只有塑件高度不大、没有特殊狭窄细小部位时，才可以不设计斜度。
最小脱模斜度与塑料性能、收缩率、塑件的几何形状等因素有关。
塑件外表面的脱模斜度为：
40’～1º20’，塑件内表面的脱模斜度：
1º～2º。
考虑到本塑件的结构以及模具的侧抽芯结构，可以使开模后塑件留在动模侧，所以在考虑脱模斜度时，动、定模的型芯脱模斜度单边0.5º。
注射速度：
通常，使用高速注塑可以使内部压力减小到最小。
如果制品表面出现了缺陷，那么应使用较高温度下的低速注塑。
流道和浇口：
对于冷流道，典型的流道直径范围是4～7mm。
建议使用通体为圆形的注入口和流道。
所有类型的浇口都可以使用。
典型的浇口直径范围是1～1.5mm，但也可以使用小到0.7mm的浇口。
对于边缘浇口，最小的浇口深度应为壁厚的一半；最小的浇口宽度应至少为壁厚的两倍。
2.2塑件的结构
2.2.1灭火器盖塑件
设计任务要求用模具制作的产品塑件为灭火器盖塑件，本塑件材料采用PP（聚丙烯），为大批量生产，其二维图及三维图，如图2-1和图2-2所示：
图2-1灭火器盖塑件二维图
图2-2灭火器盖塑件三维图
2.2.2结构特点分析
该塑件结构较简单，其主体是圆柱形，有3个圆孔，侧面有4个侧抽芯孔，壁厚为5mm，采用PP塑料。
塑件的壁厚是模具设计最重要的结构依据，对于注射成型生产具有极为重要的影响，它与注射充模时的熔体流动、固化定型时的冷却速度和时间、塑件的成型质量、塑件的原材料以及生产效率和生产成本密切相关。
2.2.3塑件尺寸精度及表面质量分析
根据我国目前的成型水平，塑件尺寸公差参照文献塑件的尺寸与公差（GB/T14486-2008）的塑料制件公差数值标准来确定。
根据任务书和图纸要求，本次产品尺寸除内腔尺寸外，其余均为自由尺寸，无特殊要求。
该塑件表面没有提出特殊要求，通常，一般情况下外表面要求光洁，表面粗糙度可以取到Ra=0.8um，无飞边，毛刺，缩孔等工艺缺陷。
第3章塑件成型工艺与设备
3.1注塑成型工艺因素
3.1.1温度因素
注塑成型过程中需要控制的温度有料筒温度，喷嘴温度和模具温度等。
喷嘴温度通常略微低于料筒的最高温度，以防止熔料在直通式喷嘴口发生“流涎现象”；模具温度一般通过冷却系统来控制；为了保证制件形状和尺寸，应避免制件脱模后发生较大的翘曲变形，模具温度必须低于塑料的热变形温度。
PP塑料与温度的经验数据查参考资料如图3-1所示。
图3-1温度的经验数据
3.1.2压力因素
注射成型过程中的压力包括注射压力，保压力和背压力。
注射压力用以克服熔体从料筒向型腔流动的阻力，提供充模速度及对熔料进行压实等。
保压力的大小取决于模具对熔体的静水压力，与制件的形状，壁厚及材料有关。
对于像PP流动性一般的塑料，保压力应该小些，以避免产生飞边，保压力可取略低于注射压力。
背压力是指注塑机螺杆顶部的熔体在螺杆转动后退时所受到的压力，背压力除了可驱除物料中的空气，提高熔体密实程度之外，还可以使熔体内压力增大，螺杆后退速度减小，塑化时的剪切作用增强，摩擦热量增大，塑化效果提高，根据生产经验，背压的使用范围约为100～130MPa。
3.1.3时间因素
完成一次注塑成型过程所需要的时间称为成型周期。
包括注射时间，保压时间，冷却时间，其他时间（开模，脱模，涂脱磨剂，安放嵌件和闭模等），在保证塑件质量的前提下尽量减小成型周期的各段时间，以提高生产率，其中，最重要的是注射时间和冷却时间，在实际生产中注射时间一般为3～5秒，保压时间一般为20～120秒，冷却时间一般为30～120秒（这三个时间都是根据塑件的质量来决定的，质量越大则相应的时间越长）。
确定成型周期的经验数值如表3-1所示。
表3-1成型周期与壁厚关系
制件壁厚/mm
成型周期/s
制件壁厚/mm
成型周期/s
0.5
10
3.0
45
1.0
15
3.5
65
1.5
22
4.0
85
2.0
28
4.5
108
2.5
35
5.0
132
经过上面的经验数据和推荐值，可以初步确定成型工艺参数，因为各个推荐值有差别，而且有的与实际注塑成型时的参数设置也不一致，结合两者的合理因素，初定制品成型工艺参数如表3-2所示。
表3-2制品成型工艺参数初步确定
内容
特性
内容
特性
注塑机类型
螺杆式
螺杆转速（r/min）
50
喷嘴温度（℃）
175
模具温度（℃）
50
中段温度（℃）
210～230
后段温度（℃）
180～210
注射压力（MPa）
80
前段温度（℃）
200～210
注射时间（s）
4
保压力（MPa）
60
冷却时间（s）
60
保压时间（s）
68
成型周期（s）
132
其他时间（s）
预热干燥温度（℃）
80～95
成型收缩（%）
1.5
预热干燥时间（h）
4～5
3.2注射机型号的确定
注射模具是安装在注射机上使用的。
在设计模具时，除了应掌握注射成型工艺过程外，还应对所选用的注射机有关技术参数有全面了解，才能生产出合格的塑料制件。
注射机为塑料注射成型所用的主要设备，按其外形可分为立式、卧式、直角式三种。
注射成型时注射模具安装在注射机的动模板和定模板上，由锁模装置合模并锁紧，塑料在料筒内加热呈熔融状态，由注射装置将塑料熔体注入型腔内，塑料制品固化冷却后由锁模装置开模，并由推出装置将制件推出。
3.2.1由公称注射量选择注射机
图3-2UG塑件体模型及参数
利用UG测量工具（见图3-2）可以测得塑件体的体积为：
V=185
。
取其密度为0.902g/
，M=ρV。
那么质量M=166.87g。
查参考文献
流道凝量的体积一般取塑件体积0.2倍；由于该模具采用一模一腔，所以：
实际注射量为:
V实=1.2V=1.2×185=222cm
；
实际注射质量为：
M实=1.2M=1.2×166.87=200.244g；
模具设计时，塑件成型所需的塑料熔体的总容量或质量需在注射机额定注射80%内。
由此可得注射机所需体积最小为：
222×80%=160.2cm
3.2.2由锁模力选择注射机
图3-3注塑体周长及面积
塑料制件在分型面上的投影面积为A1=7854mm2。
流道凝料（包括浇口）在分型面上的上的投影面积A2，
A2=80×6=480mm2；
A分=A1+A2=7854+480=8334mm2
查参考文献
F锁
F胀=A分·P型（3-1）
=8334mm2×30MPa
=8334mm2×30×10
Pa
=250（kN）
注：
式中F锁注射机的公称锁模力（N）；A分塑件和浇注系统在分型面上的投影面积之和；P型为型腔内熔体压力，查参考文献
，取P型=30MPa。
结合上面两项的计算，查参考文献
，初步确定注塑机为XS-ZY-300型注射机。
该注射机的主要技术参数如下表3-3所示：
表3-3注射机XS-ZY-300技术参数表
特性
内容
特性
内容
结构类型
卧式
拉杆内间距/mm
448×370
理论注射容积/cm
300
模板最大行程/mm
500
螺杆直径/mm
50
最大模具厚度/mm
350
注射压/MPa
130
最小模具厚度/mm
200
续表3-3注射机XS-ZY-300技术参数表
注射速率/g/s
200
锁模形式/mm
液压
注射行程/mm
160
模具定位孔直径/mm
Φ125+0.060
螺杆转速/r/min
25～89
喷嘴球半径/mm
18
塑化能力/g/s
喷嘴孔直径/mm
4
锁模力/KN
350
模板尺寸（mm）
598×520
第4章注射模具设计
4.1分型面的设计
將模具适当地分成两个或几个可以分离的主要部分，它们的接触表面分开时能够取出塑件及浇注系统凝料，当成型时又必须接触封闭，这样的接触表面称为分型面，它是决定模具结构的重要因素，每个塑件的分型面可能只有一种选择，也可能有几种选择。
合理地选择分型面是使塑件能完好的成型的先决条件。
选择分型面时，应从以下几个方面考虑：
（1）分型面应选在塑件外形最大轮廓处；
（2）使塑件在开模后留在型腔内；
（3）分型面的痕迹不影响塑件的外观；
（4）浇注系统，特别是浇口能合理的安排；
（5）使推杆痕迹不露在塑件外观表面上；
（6）使塑件易于脱模。
综合考虑各种因素，根据本模具制件的外观特点，采用平面分型面，并选择在塑件的最大平面处，开模后塑件留在型腔一侧，两侧出滑块。
分型面的选择如图4-2所示
分型面
图4-2分型面
4.2模架的选用
4.2.1模具的基本类型
注射模具的分类方式很多，按注射模具典型结构分类如下：
单分型面注射模、双分型面注射模、带有活动成型零件的模、侧向分型抽芯注射模、定模带有推出机构的注射模、自动卸螺纹的注射模、热流道注射模。
4.2.2装配草图及模架的选择
根据对塑件的分析，确定该模具是单分型面，由GB/T12556.1-12556.2-1990《塑料注射模中小型模架》可选择FCI型的模架，其基本结构如下图4-8所示：
图4-8模架
FCI型模具定模采用顶板、脱料板、定模板，动模采用动模板、模脚，底板，上下顶针板，又叫三板模，细水口模架，适合点浇口，滑块抽芯系统或油缸侧抽芯的注射成形模具。
由分型面的选择而选择模具的导柱导套的安装方式，经过考虑分析，导柱导套选择选正装。
根据所选择的模架的基本型可以选出对应的模板的厚度以及模具的外轮廓尺寸。
该模具是一模一腔的模具，测得定模座板厚度44mm,定模板34mm,凸模58mm,凹模160mm，垫块100mm，动模座板30mm经过计算可得模架的高度约为420mm，模架的宽度约为400mm。
综上所述所选择的模架的型号为：
LKMFCI-2530-A90-B70-C90。
4.3模具主要参数
4.3.1型腔数量
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。
按注射机的最大注射量校核型腔数量
n≤
其中：
—注射机最大注射量，
；
—浇注系统凝料量，
；
—单个塑件的容积，
。
由上文计算可知单个塑件的质量为166.87g；浇道凝料的质量
=
-M。
200.244-166.87=33.374g.而凝料的容量和最小注射量应不小于注射机额定最大注射量的20%，故可得，n=1.43，所以型腔的数目取：
n=1。
4.3.2最大注射量
为确保塑件质量，注塑模一次成型的塑件质量（包括流道凝料质量）应在公称注塑量的35%～75%范围内，最大可达80%，最小不小于10%。
为了保证塑件质量，充分发挥设备的能力，选择范围通常在50%～80%。
V实=222cm
V公=300cm
V实/V公×100%=222/300×100%=74%
可见注射量满足要求。
4.3.3锁模力
当高压的塑料熔体充满型腔时，会产生一个沿注射机轴向方向的很大推力，其大小等于制品与浇注系统在分型面上的垂直投影面积之和乘以型腔内塑料熔体的平均压力。
该推力应小于注射机的额定锁模力T合，否则在注射成型时会因锁模不紧而发生溢边跑料现象。
在确定了型腔压力和分型面面积之后，可以按参考文献
中的下式校核注塑机的额定锁模力：
F＞A分·P型（4-2）
式中F—注塑机额定锁模力，F=1800kN；
P型—为型腔内熔体压力（MPa），由3.2.1可知，P型=30MPa；
A分·P型=8334mm2·30MPa
=244.9（kN）<350（kN）（详见表3-3）
故，可见锁模力满足要求。
4.3.4注射压力
注射压力的校核是检验注射机的最大注射压力能否满足制品成型的需要。
PP的成型注射压力在78.4MPa至150MPa的范围内，考虑本塑件平均厚度仅为5mm，所以注射压力P可取为100Mpa，而注射机的Pmax为130MPa，故
Pmax>P
因此，可见注射压力满足要求。
4.3.5安装尺寸
为了使注塑模能够顺利地安装在注射机上并生产出合格的产品，在设计模具时必须校核注射机与模具安装有关的尺寸，因为不同型号和规格的注射机，其安装模具部分的形状和尺寸各不相同。
一般情况下设计模具时应校核的部分包括喷嘴尺寸、定位圈尺寸、最大模厚、最小模厚、模板上的螺孔尺寸等，这里先对喷嘴尺寸进行校核，其他的校核需要在模具结构设计进行完以后进行。
注射机喷嘴前端的球面半径r和孔径d与模具浇口套始端的球面半径R及小孔径D应吻合，以避免高压塑料熔体从缝隙处溢出。
它们一般应满足下列关系：
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