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锥齿轮注塑模设计

毕业设计

题目锥齿轮注塑模设计

学生姓名xxxxx

专业班级xxxxx

学号xxxxx

院（系）xxxxx

指导教师xxxxx

完成时间xxxxx

摘要

塑料齿轮广泛应用于玩具、钟表、仪器等各种场合，其注塑模具的传统设计方法主要依靠模具设计师的直觉和经验，模具通常经过反复的试模和修正才能投入生产，存在设计周期长、成本高等缺点。

我国的注塑模具设计与制造技术正朝着数字化方向发展，国内外一些通用或专用软件特别是模具成型零件方面的软件得到了普遍的应用。

利用Pro/E软件设计，通过仿真注塑零件的塑料填充过程，借助Pro/E塑料设计顾问使设计者能够以可制造性为导向进行设计，揭示问题并提出补救措施和建议，避免在模具制造之后才发现问题。

同时Pro/E的数据相关性使得更改设计变得容易实施，参数化功能使得对零件的每处变动，诸如模具设计、数据计算、制造信息和有限元分析等，都将自动更新，从而缩短产品的研发时间。

通过Pro/E来设计模具，具有速度快、实体感强、质量高等优点，采用分析命令计算出所需要的塑料，从而更好地控制成本。

齿轮是现代机械中应用最广泛的传动机构的主要零件之一，具有工作可靠、结构紧凑、效率高、寿命长等特点。

本文以锥齿轮为例介绍在Pro/e运行环境下的模具设计。

关键词:

注塑模具，模具设计，锥齿轮，Pro/E

Abstract

Plasticgearsarewidelyusedintoys,watches,instrumentsandotheroccasions,theinjectionmoldoftraditionaldesignmethodsrelymainlyonintuitionandexperienceofthemolddesigners,moldusuallyafterrepeatedtryoutandamendmentscanbeputintoproduction,thereisalongdesigncycle,costdisadvantages.Chinainjectionmolddesignandmanufacturingtechnologyismovinginthedigitaldirection,domesticandforeigngeneralorspecialsoftware,especiallysoftwaremoldingpartsuniversalapplication.

Pro/Esoftwaredesign,plasticinjection-moldedpartsfillingprocessthroughsimulation,withPro/Eplasticdesignconsultantsenablesdesignerstomanufacturabilityorienteddesign,revealingproblemsandsuggestremedialmeasuresandrecommendationstoavoidaftermoldmanufacturingonlytofindtheproblem.Pro/Edatamakesdesignchangesbecomeeasytoimplement,theparametricfunctionmakespartsatchanges,suchasmolddesign,data,manufacturinginformationandfiniteelementanalysisareupdatedautomatically,thusshorteningtheproductR&Dtime.Pro/Etodesignthemold,fast,strongsenseofentity,quality,etc,calculatetherequiredplasticanalysiscommand,inordertobettercontrolcosts.

Thegearismodernmachineryinthemostwidelyusedoneofthemainpartsofthetransmissionmechanism,reliable,compact,highefficiency,longlifeandothercharacteristics.Inthispaper,anexampletointroducethebevelgearmolddesigninPro/eruntimeenvironment.

Keywords:

injectionmold,molddesign,bevelgear,Pro/E

第一章绪论

1.1模具及注塑模具

模具是工业产品生产用的工艺设备，主要适用于制造业和加工业。

它是用来成型物品的工具，这种工具由各种零件构成，不同的模具有不同的零件构成。

它主要通过所成型材料物理状态的改变来实现物品外形的加工。

注塑模具是一种生产塑胶制品的工具，也是赋予塑胶制品完整结构和精确尺寸的工具。

现代产品生产中，模具由于其加工效率高，互换性好，节约原材料，所以得到和广泛的应用。

而现代工业产品的零件，广泛采用冲压、成形锻造、压铸成形、挤压成形、塑料注射或其他成形加工方法，和成形模具相配套，经单工序或多道成形工序，使材料或坯料成形加工成符合产品要求的零件，或成为精加工前的半成品件。

如汽车覆盖件，须采用多副模具，进行冲孔、拉深、翻边、弯曲、切边、修边整形等多道工序，成形加工为合格零件；电视机外壳、洗衣机内桶是采用塑料注射方法，经一次注射成型为合格零件的。

高精度、高效率长寿命的冲模塑料注射成型模具，可成形加工几十万件，甚至几千万件产品零件，如一副硬质合金模具，可冲压硅钢片零件（Ｅ型片、电机定转子片）上亿件，称这类模具为大批量生产用模具。

而适用于多品种、少批量，或产品试制的模具有：

组合冲模，快换冲模，叠层冲模或成型模具，低熔点合金成型模具等，在现代加工业中，具有重要的经济价值，称这类模具为通用、经济模具。

1.2注塑模具的分类

注塑模具由动模和定模两部分组成，动模安装在注射成型机的移动模班上，定模安装在注射成型机的固定模板上。

在注射成型时动模和定模闭合构成浇注系统和型腔，开模时动模和定模分离以便取出塑料制品。

注塑模具的分类方法有很多，按照塑料制件的成型方法不同可以划分出对应不同要求的塑料加工模具类型，主要有注射成型模具、挤出成型模具、吸塑成型模具、高发泡聚丙乙烯成型模具等。

（1）注射模具

它主要是热塑性塑料件产品生产中应用最为普遍的一种成型模具，塑料注射成型模具对应的加工设备是塑料注射成型机，塑料首先在注射机底加热料筒内受热熔融，然后在注射机的螺杆或柱塞推动下，经注射机喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔，塑料冷却硬化成型，脱模得到制品。

（2）压塑模具

它包括压缩成型和压注成型两种结构模具类型。

它们是主要用来成型热固性塑料的一类模具，其所对应的设备是压力成型机。

压缩成型方法是根据塑料特性，将模具加热至成型温度（一般在103℃〜180℃），然后将计量好的压塑粉放入模具型腔和加料室，闭合模具，塑料在高热、高压作用下呈软化粘流，经一定时间后固化定型，成为所需制品形状。

（3）挤出模具

它是用来成型生产连续形状的塑料产品的一类模具，又叫挤出成型机头，广泛用于管材、棒材、单丝、板材、薄膜、电线电缆包覆层、异型材等的加工。

与其对应的生产设备是塑料挤出机，其原理是固态塑料在加热和挤出机的螺杆旋转加压条件下熔融、塑化，通过特定形状的口模而制成截面与口模形状相同的连续塑料制品。

其制造材料主要有碳素结构钢、合金工具钢等，有些挤出模具在需要耐磨的部件上还会镶嵌金刚石等耐磨材料。

挤出加工工艺通常只适用于热塑性塑料品种制品的生产，其在结构上与注塑模具和压塑模具有明显区别。

（4）吹塑模具

它是用来成型塑料容器类中空制品（如饮料瓶、日化用品等各种包装容器）的一种模具，吹塑成型的形式按工艺原理主要有挤出吹塑中空成型、注射吹塑中空成型、注射延伸吹塑中空成型（俗称“注拉吹”）、多层吹塑中空成型、片材吹塑中空成型等。

（5）吸塑模具

它是以塑料板、片材为原料成型某些较简单塑料制品的一种模具，其原理是利用抽真空成型方法或压缩空气成型方法使固定在凹模或凸模上的塑料板、片，在加热软化的情况下变形而贴在模具的型腔上得到所需成型产品，主要用于一些日用品、食品、玩具类包装制品生产方面。

吸塑模具因成型时压力较低，所以模具材料多选用铸铝或非金属材料制造，结构较为简单。

（6）高发泡聚苯乙烯成型模具

它是应用可发性聚苯乙烯（由聚苯乙烯和发泡剂组成的珠状粒）原料来成型各种所需形状的泡沫塑料包装材料的一种模具。

其原理是可发聚苯乙烯在模具内通入蒸汽成型，包括简易手工操作模具和液压机直通式泡沫塑料模具两种类型，主要用来生产工业品方面的包装产品。

除上述介绍的几种常用的塑料成型模具外，还有泡沫塑料成型模、压注模、浇铸成型模、压延成型模等。

1.3注塑模具的基本结构组成

不论是二板模、三板模还是热流道模，注塑模具的基本结构是由动模和定模两大部分组成的。

定模部分安装在注塑机的固定模板上，动模部分安装在注塑机的移动模板上，在注塑成型过程中它随注塑机上的合模系统运动。

注塑成型时，动模部分与定模部分有导柱导向而闭合，塑料熔体从注塑机喷嘴经模具浇注系统进入型腔。

注塑成型冷却后开模，一般情况下塑件留在动模上与定模分离，然后利用模具推出机构将塑件推出模具。

根据模具中各个部件的不同作用，注塑模一般可分为八个主要组成部分。

（1）成型零件

成型零件是指动、定模部分有关组成型腔的零件。

如成型塑件内表面的凸模和成型塑件外表面的凹模以及各种成型杆、螺纹型芯、螺纹型环、镶件等。

（2）排气系统

在注射成型过程中，为了将型腔中的空气及注射成型中塑料本身挥发出来的气体排出模外，以避免它们在塑件熔体充型过程中造成气孔或充不满等缺陷，常常需要开设排气系统。

排气系统通常是在分型面上有目的地开设几条排气沟槽，许多模具的推杆或活动型芯与模板之间的配合间隙可有排气作用。

小型塑料制作的排气量不大，因此可直接利用分型面排气。

（3）脱模系统

在开模过程中将塑件及其浇注系统凝料推出或拉出的装置，又称推出系统。

脱模系统是注塑模具的重要组成部分，主要有推出零件、推出零件固定板和推板、推出机构的导向与复位部件等组成。

（4）侧向分型与抽芯机构

当塑件的侧向有凹凸形状的孔或凸台时，在开模推出塑件之前，必须先把成型塑件侧向凹凸形状的瓣合模块或侧向型芯从塑件上脱开或抽开，塑件方能顺利脱模。

侧向分型或抽芯机构就是为实现这一功能而设置的（本次设计没有用到侧向分型与抽芯机构）。

（5）浇注系统

浇注系统是熔融塑料从注塑机喷嘴进入模具型腔所流经的通道，其作用是将熔融的塑料由注射机射嘴引向闭合的模腔。

浇注系统的设计直接影响模具的劳动生产率和制品的成型质量，浇口的形式、位置和数量将决定模架的形式。

浇注系统包括普通浇注系统和热流道浇注系统，普通浇注系统包括主流道、分流道、浇口及冷料穴；热流道浇注系统包括热射嘴和热流道班。

（6）结构件

结构零件是指模架和用于安装、定位、导向以及成型时完成各种动作的零件。

包括模架板、支承柱限位件等。

结构件组装在一起，可以构成注塑模具的基本骨架。

（7）温度调节系统

温度调节系统亦称加热和冷却系统，它是为了满足注射成型工艺对模具温度的要求而设置的，其作用是保证塑料熔体的顺利充型。

注塑模具中是设置冷却水通道，加热系统则在模具内部或四周安装加热元件。

（8）导向定位系统

常用的合模导向机构有导柱和导套组成，有的结构简单的小型注塑模具没有导套而用孔代替了导套。

对于深腔薄壁塑件，除了采用导柱导套外，还常采用锥面导向、定位机构。

对多腔或较大型注塑模，推出机构也设置有导向零件，以免推板运动时发生偏移，造成推杆的弯曲和折断或顶坏塑件。

1.4Pro/E简介

Pro/E软件是目前国际上最成熟使用参数化特征造型技术的大型CAD/CAM/CAE集成软件之一。

该软件被广泛应用于机械、汽车、家电等各行各业中，具有零件设计、产品装配、模具开发、NC加工、造型设计等多种功能。

Pro/Moldesign是Pro/E的模具设计功能模块，该模块提供了模具设计常用功能，允许创建、修改和分析模具元件和模具组件，可根据设计模型中的变化对其快速更新。

EME（ExpertMoldbaseExtension）是Pro/E程序中的一个扩展模块。

该模块提供创建标准模架零件及滑块、斜销、推杆等附件的数据库软件，可以模拟模具的开模过程进行动态仿真和干涉检查，可将仿真结果输出成视频文件等。

Pro/E软件技术优势主要体现在下面几个方面

（1）全面的并行性

Pro/E软件开发环境在支持并行工程方面是独一无二的。

通过一系列完全相关的模块，它们能够表达产品的外形、装配及其功能，Pro/E能够把多个部门同时致力于同一产品模型中。

这包括在工业设计和机械设计方面的多项功能，包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。

Pro/E还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。

（2）真正的全相关性

过去的二维设计中设计人员把大量时间都花在了图形绘制和错误修改上，产品数据的更改常常是顾此失彼。

Pro/E可由三维模型自动生成二维工程样图，这样就把设计人员从繁琐的、冗长的手工绘图中解放出来，以便将精力集中于产品设计的方案构思、结构优化等创造性的工作上。

目前，虽然有很多CAD软件也能够做到这一点，但Pro/E所采用的是统一的数据库，所有的解决方案完全相互关联。

在设计阶段的任何时候进行的数据更改，都会扩展到整个制造过程中，自动更新所有的工程文件，将设计中的错误减少到最小。

（3）完全的硬件独立性

Pro/E可以在所有主要的UNIX，WindowsNT以及WindowsXP平台上运行，并且在每一个平台上保持同样的外观，使用起来的感觉也一样；用户根据需要选择最经济的硬件配置，也可以选择异型结构的多品种平台。

由于Pro/E独特的数据结构模式，产品信息可以毫无困难的在不同平台间流动。

PRO/E用户界面简洁，概念清晰，符合工程技术人员的设计思想与习惯。

整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。

Pro/E建立在工作站上，系统独立于硬件，便于移植。

（4）新颖的参数化特征造型

基于参数化的特征造型Pro/E问世之前，CAD软件所流行的是采用自由化设计的实体造型技术。

产品模型一旦建立，修改起来很不方便。

Pro/E首先成功地实现了参数化设计，设计人员通过尺寸驱动就可以得到满意的结果。

特征造型使产品模型不但具有几何拓朴信息，同时还具有与材料、精度、装配、加工等相关的工程语义信息。

看到Po/E的成功后，其他CAD软件公司也纷纷采用基于参数化的特征造型设计方案。

如UGII软件就是在原有UG的基础之上进行改写而成，这也是为什么安装UGII所需要的硬盘空间如此庞大的一个主要原因。

I-DEAS则完全摒弃了早期的版本而重新开发。

（5）工程数据库再利用

工程数据库再利用就是将工程数据格式化（按一定的表格格式或数据库格式设定）进行数据库开发，方便相关部门采用。

其目的是为了大幅度地提高生产力、降低成本，而以标准、公认的设计作为新产品设计的基础，它能够快速生成整个产品系列。

我国的注塑模具设计与制造技术正朝着数字化方向发展，国内外一些通用或专用软件特别是模具成型零件方面的软件都得到了比较普遍的应用。

通过运用Pro/E来设计模具，速度快，实体感强，质量高。

我们可以用分析命令计算出我们所需要的塑料，从而更好地控制成本。

在实际生产用的多腔模的设计步骤和两腔模的设计步骤基本一致，所以，我们在学习Pro/E时要综合运用其功能，为设计带来更多的方便。

Pro/E软件是一个完整集成了从设计构思到制成零件功能的CAD解决方案，它使设计模具、分析模具和制造模具这一过程只需要用一个软件包就能实现。

利用该解决方案体现出来的灵活性，借助管接头注塑模具的设计过程，显示了Pro/E在塑料注射模具设计中的便捷、高效，为企业节约了模具开发时间、成本，提高了企业的竞争力，为其带来了巨大的经济效益。

第二章塑件分析

2.1塑件结构分析

（1）塑料制品名称：

锥齿轮（用于玩具中的某些结构）。

（2）塑件结构：

该塑件结构比较简单，外形为旋转体，应具有一定的强度，并且保证它的形状精度和尺寸精度。

由于该塑件为塑料齿轮，所以对表面粗糙度有一定的要求。

（3）图2-1为该制品的三维图样。

图2-1

（4）塑件原始尺寸

所要设计的塑件为齿轮，属于正常齿制，以节圆锥角C=20度，模数M=1.25，齿数Z=20，齿宽W=10，压力角A=20，齿顶高系数为1，齿底隙系数为0.2，变位系数为0为例，讲述锥齿轮的注塑模具设计。

（5）塑件生产批量

该塑件的生产类型是大批量生产，因此在模具设计中要提高塑件的生产率，倾向于采用多型腔、高寿命、自动脱模模具，以便降低生产成本。

2.2塑料齿轮材料分析

塑料成型原料的选取应该综合考虑多方面因素，首先要了解塑件的用途、使用环境，在满足以上要求后，并考虑使用塑料的成本、成型加工的难易程度等要求。

可选择以下材料见表2-1。

表2-1注塑塑料对比表

塑料

名称

聚乙烯PE

ABS

PA6

POM

材料

特性

结晶部分多时，塑料硬度高、韧性大、抗拉强度高，但整体尺寸变小，耐冲击强度及断裂强度底

较大的机械强度和良好的综合性能

结晶度高，机械强度高，耐腐蚀，冲击强度随温度湿度增加而显著增加

坚韧有弹性，即使在低温下仍有很好的抗蠕变性，化学稳定性，抗冲击特性

成型工艺特点

聚乙烯制件最显著的特点是收缩率大，这与材料的可结晶性和模具温度有关，定型后塑件在强的收缩牵引作用下

ABS的吸湿性和对水分子的敏感性较大，在加工前必须进行充分的干燥和预热，原料控制水分在0.3%以下

PA收缩率波动变化大，尺寸稳定性差，模温控制应灵敏可靠

流动性差，易分解，浇注系统需设计流动阻力小的浇注系统

注射

温度

聚乙烯的注射温度一般在160〜240℃之间，温度超过300℃时，收缩率会明显增大

ABS塑料的温度与熔融粘度的关系比较独特，在达到塑化温度后在继续盲目升温，必将ABS的热降解

过高的料温易使塑件出现色变质脆及银丝，一般温度控制在220〜280℃

均聚物材料190〜230℃，共聚物材料190〜210℃注意料温不要太高，240℃以上会分解出甲醛单体

注射速度及压力

低密度聚乙烯的注射压力一般选择在68.6〜137.2Mpa之间。

注射速度不易过快，以保证结晶度高

ABS采用中等注射速度效果较好，注射时需要采用较高的注射压力，其溢边料为0.04mm左右，并需要调配好保压压力和保压时间

尼龙熔点高，只有高速注射才能顺利冲模，故需要高速注射

正常采用较高的压力，100MPa，流动性中等，注射速度宜用中高速

模具

温度

由于模具温度对收缩率影响很大，因此要经常保持模具相对恒定的温度，一般在35～65℃之间

ABS的模具温度相对较高，一般调节在75～85℃，为缩短生产周期，应维持模具温度的相对稳定，制件在取出后可采用冷水浴等方法来补偿冷固定型时间

一般控制在30〜90℃

80〜100℃，为了减小成型后收缩率可选用高一些的模具温度

经以上四种备选材料的性能对比，并考虑到制件的使用环境，本设计采用POM材料。

2.3塑料齿轮的结构工艺性

（1）塑件的尺寸精度分析

塑件的尺寸精度是指所获得的塑件尺寸与产品图中尺寸的符合程度，即所获塑件尺寸的准确度。

影响塑件精度（公差）的因素主要有：

a、模具制造误差及磨损，尤其是成型零件的制造和装配误差以及使用中的磨损；

b、塑料收缩率的波动；

c、成型工艺条件的变化；

d、塑件的形状、飞边厚度波动；

e、脱模斜度和成型后塑件尺寸变化等。

一般塑件的尺寸精度是根据使用要求确定的，还必需充分考虑塑料的性能及成型工艺特点,过高的精度要求是不恰当的。

该塑件的尺寸精度无特殊要求，所有尺寸均为自由尺寸，可按MT7级精度查取公差。

（2）塑件表面质量分析

塑件表面质量包括有无斑点、条纹、凹痕、起泡、变色等缺陷，还有表面光泽性和表面粗糙度。

表面缺陷必须避免；表面光泽性和表面粗糙度应根据塑件使用要求而定。

该塑件表面要求一般。

一般情况下，外表面要求光洁，表面粗糙度Ra可以取0.8μm；没有特殊要求的塑件内部表面粗糙度Ra可取1.6μm。

（3）塑件的表面粗糙度分析

塑件的表面粗糙度，除了在成型时从工艺上尽可能避免冷疤，波纹等疵点外，主要由模具成型零件的表面粗糙度决定。

一般模具的表面粗糙度比塑件的表面粗糙度高一级。

对于透明的塑件要求型腔和型芯的表面粗糙度相同，而不透明的塑件，则根据使用情况可以不同。

该零件要求表面粗糙度为Ra0.8μm，所以能满足其精度要求，该塑件要求外形美观色泽鲜艳外表没有斑点及熔接痕。

2.4塑料制品的几何形状

（1）脱模斜度

为了便于塑料制品脱模，以防脱模时擦伤制品表面，与脱模方向平行的制品

表面一般应具有合理的脱模斜度。

其大小主要取决于塑料的收缩率、塑料制品的形状和壁厚以及制品的部位。

在一般情况下，脱模斜度为30′〜1°30′，但应根据具体情况而定。

当制品有特殊要求或精度要求较高时，应该用较小的斜度，外表面斜度可小至5′，内表面斜度小至10′〜20′，高度不大的，还可以不要脱模斜度；较高、较大的尺寸选用小的斜度；塑料制品形状复杂的，不易脱模的，应取较大的脱模斜度；若制品上有凸起或加强筋，单边应有4〜5°的斜度；若侧壁带皮革花纹时应具有4〜6°的斜度；塑料制品壁厚大的应选用较大的斜度；在开模时，为了让制品留在型芯上，内表面斜度比外表面斜度小，相反，为了让制品留在型腔一边，则外表面斜度比内表面斜度小。

为了使塑件在开模时留在动模上及顺利脱模，齿轮的轴套孔应有一定的脱模斜度。

由于齿为工作部分，其强度要求高，所以不能有脱模斜度，以免影响齿轮的工作性能。

齿轮的尺寸虽然很小，但精度要求也较高，所以脱模斜度要选择小些。

齿轮的周边不存在对脱模产生影响的结构，所以脱模斜度选为：

外壁0′，内表面5′。

（2）塑料制品的圆角

塑料制品上所有转角应尽可能采用圆弧过渡。

采用圆弧过渡的好处在于避免应力集中提高强度，改变熔体在型腔中的流动状况，有利于充满型腔，便于脱模。

在制品结构上无特殊要求时，制品的各连接处的圆角半径不小于0.5〜1mm。

对于使用上要求必须以尖角过渡或分型面处和型芯与型腔配合不变制成圆角时，则仍以尖角过渡。

2.5有关计算分析

计算塑件体积和质量

塑件的体积计算：

在Pro/e中测量塑件体积为V=5.3396709e+03mm3，

取V=5.34cm3，

如图2-2所示：

图2-2

塑件的质量计算：

查有关手册，取POM的密度为ρ=1.41g/cm3，所以塑件的质量为：

M=5.34×1.41g≈7.53g。

第三章注射机的型号选择

3.1注射机概要

注射