迷你吸尘器外壳注塑模具设计及型腔加工仿真毕业论文.docx

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迷你吸尘器外壳注塑模具设计及型腔加工仿真毕业论文

毕业论文

迷你吸尘器外壳注塑

模具设计及型腔加工仿真

完成日期：

2016年月日

摘要

塑料是从20世纪发展起来的一种新兴材料，由于其广泛的应用，已替代了部分自然材料，如金属、木材、皮革以及硅酸盐等，并且成为现代生活和工业中不可缺少的一种人造化学合成材料。

注塑模具是塑料成型的工艺装备，在成型加工中，塑料模具可以多次重复使用，适应大批量生产，因此，注塑模具在现代工业生产中发挥着重要的作用。

文章中首先分析了吸尘器外壳所用材料的工艺特性，阐述了ABS材料的工艺特点；其次，在模具的结构设计过程中，本文对塑件的不同成型方案从不同的角度进行了讨论和比较，最终决定采取了一模一腔的直接浇口式成型方案；此外，文中还针对模具的使用要求对模具的结构进行了分析并做了一些必要的计算；最后，文章简单的介绍了Mastercam软件，通过使用Mastercam9.1软件对模具的型腔进行了数控加工仿真。

应用Pro/E、AutoCAD和Mastercam进行设计和加工仿真，极大地提高了本模具设计的质量和效率。

本设计综合运用了模具设计和结构设计的知识，在进行结构设计的同时我们也要综合考虑模具的整体构成。

关键词塑料；注塑模具；软件；结构设计；模具设计

Abstract

Plasticistheemergingmaterialsdevelopedinthe20thcentury.Duetothewideapplication,ithasreplacedpartnaturalmaterialofthemetal,wood,leather,silicate,andsoon.Plastichasbecomeakindofessentialartificialsyntheticmaterialinmodernindustryandlife.Injectionmouldwastheprocessequipmentinplasticsprocessing.Theplasticmoldcangenerallybeusedmultipletimesandadapttomassproduction.Therefore,Itisimportantprocessequipmentinthemodernindustrialproduction.

Thisarticleanalyzedtheprocesscharacteristicsoftheplasticvacuum,cleanershell,andintroducedtheformingtechniquecharacteristicsofABSmaterial;Intheprocessofthemouldstructuredesign,itdiscusseddifferentformingschemesandcomparedwiththem.Eventually,ittooktheonecavitypermouldanddirectspruegateformingscheme;What’smore,thisarticleanalyzedthemouldstructureandcalculateindetail.Finally,thearticlealsointroducedthesoftwarenamedMastercamsimplyandperformedamachiningsimulationformouldcavitybyuseMastercam9.1.

ApplyingPro/E,AutoCADandMastercamgreatlyimprovedthedesignqualityandefficiency.Thisdesignisacombinationofstructuredesignandmolddesign.Atthestructuredesigntime,themold'scompositionoverallneedtobeconsidered.

KeywordsPlasticInjectionmoldingSoftwareStructuredesignMolddesign

目录

摘要1

一、绪论1

（一）注塑模具发展背景及CAD/CAM的意义1

（二）本课题研究的主要内容1

（三）研究技术路线2

二、塑料的工艺性与结构分析2

（一）零件材料的选择及性能2

（二）塑料成型工艺参数的确定3

（三）塑件的尺寸精度、表面粗糙度和斜度3

（四）壁厚 4

（五）圆角5

三、注射机的选择5

（一）型腔数量的确定和校核6

（二）注射机的选择6

1.注塑量校核 7

2.锁模力的校核 7

3.注射压力的校核8

4.开模行程的校核9

（三）分型面的设计9

四、浇注系统与排气系统的设计10

（一）流道的设计10

（二）浇口的设计11

（三）冷料井和拉料杆的设计12

（四）排气系统的设计13

五、成型零部件的设计与计算13

（一）型芯、型腔的结构设计13

（二）型芯、型腔尺寸计算13

（三）成型零件外形尺寸的确定15

六、推出机构的设计17

（一）脱模力的计算17

（二）简单推出机构18

七、合模导向机构的设计19

（一）导柱的设计19

（二）导套的设计20

八、冷却系统设计21

（一）水路设置的基本原则21

（二）冷却回路尺寸的确定21

1.冷却回路所需的总表面积21

2.冷却水路的总长度22

九、模架的设计23

十、模具型腔数控加工仿真23

（一）数控加工仿真的意义23

（二）迷你吸尘器外壳的型腔加工仿真24

1.导入零件24

2.毛坯工件设置26

3.粗加工刀具路径设置27

4.精加工刀具路径设置30

5.交线清角精加工33

6.运行加工仿真34

7.数控加工NC代码生成37

结论40

致谢41

参考文献42

一、绪论

（一）注塑模具发展背景及CAD/CAM的意义

塑料是从20世纪发展起来的一种新兴材料，由于其广泛的应用，已替代了部分自然材料，如金属、木材、皮革以及硅酸盐等，并且成为现代生活和工业中不可缺少的一种人造化学合成材料。

由于塑料的兴起自然而然地推动了塑料制品的广泛应用，比如我们生活中常用到的生活用品、手机外壳、玩具用品、电子仪器外壳、通信工具外壳等。

由此，注塑模具的发展应运而生。

注塑模具是塑料成型的工艺装备，在成型加工中，模具可多次利用，适于对塑件进行大批量生产，因此，在现代工业生产中注塑模具发挥了越来越重要的作用。

随着塑料模具工业的发展，塑胶制品逐步应用到机械、电子、航空航天、船舶以及汽车等方面，这些行业对零件的要求比较高。

在这种形势下，CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）技术应运而生，结合CAD/CAM技术，模具的设计与制造及塑胶产品的开发制造得到了更进一步的发展。

数控加工仿真是应用计算机技术对实际数控加工过程进行模拟仿真的一门新兴技术。

该技术通过在计算机上以三维动态的形式使得数控加工逼真再现，它能让学生在从未接触过实际数控加工的情况下对数控加工建立感性认识。

而且，在模拟的环境下，学生可以反复进行加工操作而不消耗实际加工材料，从而有效解决了因数控设备昂贵和操作具有一定危险性，很难做到“一人一机”的问题。

数控加工仿真在培养数控加工技术技能人才方面发挥了显著的作用。

（二）本课题研究的主要内容

本课题设计的内容主要包括：

根据塑件实物使用Pre/E软件对塑件进行重构以及对整幅模具的3D设计；模具类型及结构的确定；型芯型腔，浇注系统，冷却系统，推出机构等设计；模架的选用；模具与注塑机关系的校核、模具关键零部件的计算；使用Mastercam软件对模具型腔进行数控加工仿真；运用AutoCAD完成模具的二维总装图及零部件设计。

本设计要解决的主要问题有：

（1）掌握ABS塑料的性能和实用价值，查询该材料相关参数。

（2）掌握常用家用塑料制品的基本设计及其参数优化，根据塑件实物进行测绘，重构塑件的三维模型。

（3）选择注射机的型号，校核锁模力。

（4）分型面的确定，滑块的设计，顶杆的分布。

（5）掌握基于Mastercam的数控加工仿真方法。

（6）模具导向系统、冷却系统、排气系统等设计。

（7）掌握常用模架和GB系列模架的选用原则和适用范围。

（8）模具与注塑机关系的相关校核，模具关键零件的计算，装配图及其零件图的绘制。

（三）研究技术路线

（1）查阅塑件及模具相关资料，确定产品的用材，分析材料的工艺特性。

（2）在Pre/E中构建塑料产品的3D模型，分析零件的体积，确定注射量。

（3）利用Pro/E模具模块和EMX8.0模具设计外挂进行模具结构设计（包括分型面设计、成型零部件设计、水路设计、排气系统设计、导向机构设计、脱模机构设计等）。

（4）校核模具的相关参数，如：

注射压力的校核、锁模力的校核、模具与注塑机安装部分相关尺寸的校核、开模行程等的校核。

（5）通过使用Mastercam对模具型腔进行计算机数控加工仿真。

二、塑料的工艺性与结构分析

（一）零件材料的选择及性能

本设计中塑件采用ABS材料，即丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物，它由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯共聚而成。

丙烯腈的表面硬度比较高，它的耐化学腐蚀性也比较好，丁二烯具有较好的坚韧性，而苯乙烯染色性和加工性较好，因此ABS具有较好的综合力学性能。

ABS的外观呈浅象牙色，不透明，为粉状或粒状，成型的塑料件具有较好的光泽，易于成型加工和着色。

其密度为1.08~1.2g/

，无毒、无味、易燃烧、无自熄性[2]。

ABS抗冲击强度和机械强度较好，即使在低温环境下其强度也不会迅速下降；ABS几乎不受水、无机化合物及酸、碱、盐的影响，对于大部分醇类及烃类溶剂也不相溶，但若与烃长期接触ABS仍然会被软化溶胀。

此外，ABS的缺点还有热稳定性差，可使用的温度范围仅为-40~100℃，而且ABS在不同气候下其性能也会有所变化，它受紫外线的影响比较大，制件会因紫外线的作用而变硬变脆。

ABS因其良好的综合性能而被广泛应用于机械工业、汽车工业以及家电制造行业、文体用品制造等。

（二）塑料成型工艺参数的确定

表2-1ABS的注射工艺参数

（三）塑件的尺寸精度、表面粗糙度和斜度

塑件的尺寸精度是指最终得到的塑件尺寸与产品设计要求尺寸的符合程度。

塑件尺寸精度受多种因素影响，比如模具精度、有一定波动的塑料收缩率、模具不同程度的磨损、成型加工时工艺条件的变化以及塑件的飞边、塑件成型后的时效变化等。

因此，合理选定塑件的尺寸精度非常重要，在满足条件下，尽可能采用经济精度。

塑料的不同流动性也会影响塑件的尺寸，在压注成型和注射成型中，壁薄的制件对若采用流动性差的塑料或制件的壁厚比较薄，则塑件的尺寸不宜设计得过大，否则在成型时容易产生接缝痕迹或造成型腔填充不足的现象，进而影响制件的强度和外观。

所以，在设计塑件尺寸时需要对塑料进行流动距离比的校核。

另外，对于采用注射成型的塑件，其尺寸会受到注射机相关参数如锁模力、模板尺寸等的限制，而对于压注成型的塑件，在确定塑件尺寸时要考虑压力机的台面尺寸和压力范围。

由经验得出，对于尺寸大小不同的塑件，影响其尺寸精度的主要因素也有所不同，对于小尺寸的塑件，影响较大的主要是模具的制造精度，而对于较大尺寸的塑件，影响因素主要是收缩率波动。

目前，工程塑料所用的模塑塑件的尺寸公差已有国家标准（GB/T14486—1993）。

代号为MT，一共分为7级公差等级，每一级又包括A、B两个部分。

A部分尺寸公差不受模具活动部分的影响，B部分则反之。

该标准仅规定了标准公差值，至于上、下偏差则可由设计者根据要求来分配。

塑件尺寸公差等级的选用与塑料材料的品种有关，本设计的塑件尺寸未注公差选用MT5，对于孔类尺寸的公差取数值冠以“＋”号，对于轴类尺寸的公差取数值冠以“－”号。

一般情况下，塑件的公差值和精度等级的选用根据塑料制件的公差数值标准SJ1372-78来确定。

塑件的表面粗糙度Ra值一般为1.6～0.2之间。

塑件在模具型腔中冷却后会发生收缩现象，收缩后塑件会紧紧包裹住型芯。

为了便于塑件的顺利脱模，在模具设计时必须要设计脱模斜度。

设计脱模斜度时要考虑材料的收缩率，塑件的结构、壁厚及成型条件等。

查文献《塑料成型工艺与模具设计》表3.4可知，ABS材料的脱模斜度，型腔为35ˊ～1°30ˊ，型芯为30ˊ～40ˊ。

通常，塑件外表面斜度的取值可以稍微小些。

（四）壁厚 

塑件壁厚过小时熔体的填充阻力将会过大，尤其对于大型、复杂制件，壁厚如果太小，塑件将会难以成型。

设计塑件时，其最小壁厚应符合以下要求：

（1）具有足够的刚度和强度；

（2）塑件在脱模时要能够经受脱模机构的冲击力；

（3）塑件在装配时要能够承受一定的紧固力。

查文献《注塑模具设计实用手册》表2-11各种塑料的成型条件与壁厚可知，ABS塑料制件的常用壁厚范围为1.5mm~4.5mm。

设计塑件时，要尽量使塑件壁厚均匀。

均匀的壁厚可以使充模和冷却收缩均匀，成型效果好，可以得到较高的尺寸精度。

如果由于某些特殊要求，塑件厚度一定要不同时，则厚薄壁之间要通过斜面进行过渡。

另外，厚薄之比必须严格控制如下比值。

热固性塑料：

压制1：

3，挤塑1：

5。

热塑性塑件：

注塑1：

（1.5~2）。

本塑件的壁厚大多部分为2mm，为了减少材料浪费，对于塑件内部对强度要求不高且注塑深度较浅的地方设计为1mm。

（五）圆角

尖角的设计会使塑件在成型加工时产生局部应力集中现象，这些部位在受到外力或冲击下有可能会发生开裂现象。

为此，我们在设计时，除了必须要求外，其他相交平面之间要尽可能采用圆角过渡。

采用圆角过渡可以分散载荷，增强塑件的机械强度，改善注射时塑熔体的流动性，而且圆角的设计还便于模具的机械加工，改善模具的热处理效果，从而提高模具的使用寿命。

一般情况下，塑件圆角的取值也有一定的要求，内圆角的半径取壁厚的一半，外圆角的半径取壁厚的1.5倍，圆角半径的最小值应大于或等于0.5mm。

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十、模具型腔数控加工仿真

（一）数控加工仿真的意义

计算机的应用在现代已经渗透到了各行各业，计算机在制造业中的应用产生了令人震惊的效益和活力，由于计算机的应用，制造业进入了一个持续高速发展的阶段。

数控加工仿真是应用计算机技术对实际数控加工过程进行模拟仿真的一门新兴技术。

该技术通过在计算机上以三维动态的形式使得数控加工逼真再现，它能让学生在从未接触过实际数控加工的情况下对数控加工建立感性认识。

而且，在模拟的环境下，学生可以反复进行加工操作而不消耗实际加工材料，从而有效解决了因数控设备昂贵和操作具有一定危险性，很难做到“一人一机”的问题。

数控加工仿真在培养数控加工技术技能人才方面发挥了显著的作用。

在企业生产中，实际加工前先通过数控加工仿真软件模拟加工过程，可在不损失生产材料不浪费工人生产时间的情况下预先发现设计或加工中存在的问题，减少了材料的浪费，节约了生产成本。

此外，数控加工仿真软件还可自动生成加工代码，解决了曲面加工中数控编程序难的问题。

（二）迷你吸尘器外壳的型腔加工仿真

本设计中的模具型腔加工仿真采用的软件为MasterCAM9.1。

MasterCAM软件是目前国内外制造业企业中广泛采用的CAD/CAM集成软件，它最早是由美国美国CNCSoftware公司顺应工业届的发展形势而开发出的，随后经过不断完善，越来越受到使用者的好评。

Mastercam软件以PC为平台，在windows视窗环境下使用。

使用者利用这个软件可以辅助完成产品的“设计——工艺规划——制造”全过程中的核心问题。

此外，通过借助Mastercam软件来设计产品更轻松、高效、精确、直观。

在世界CAD/CAM领域，Mastercam是应用最广泛的CAM软件，尤其是在模具制造业中。

MasterCAM系统是一套CAD/CAM集成软件，它包含以下主要功能：

三维设计系统（design），铣削加工系统（mill），车、铣复合加工系统（lathe）和线切割、激光加工系统（wire）。

其中，三维设计系统属于CAD模块，其它的均为CAM模块。

本设计中的型腔加工仿真所应用的是铣削加工系统（mill）功能，以下所讲述的内容也均是针对mill功能而言的。

CAM模块包括二维加工和三维加工，二维加工包括了外形铣削、挖槽、钻孔和面铣削四种加工方式，而本设计的型腔加工主要是关于三维方面的加工。

三维加工指工件不但在XY平面内不断移动位置，同时，Z方向也相对刀具发生变化，这样才能加工出球面等形状的零件。

三维曲面（实体表面包含在内）加工分粗加工和精加工两大类，共设计了10多种加工方式，此外，还设计了其它一些特殊情况下的加工方式，并可以对生成的刀具路径进行编辑修改等，所有命令全部都在Toolpaths菜单下。

本设计中的型腔为较复杂的曲面结构，故采用三维曲面加工。

1.导入零件

由于该型腔零件在三维造型中被保存成了.stp格式，故要先将其转换成MC9格式。

打开mill9.0，按File\Converters\STEP\Readfile路径，单击Readfile弹出读取对话框，选择设计时已保存的.stp格式型腔零件，单击打开，弹出如图10-1所示读取参数设置框。

按图示勾选，然后单击OK按钮打开文件，得到零件线框图。

图10-1读取参数

单击工具栏上的着色按钮，勾选Shading，OK，得到已着色零件，调整方位如图10-2所示。

单击MAINMENU，回到主菜单。

图10-2零件三维图

单击菜单栏中的File\Save，弹出保存对话框，确定名称后，单击Save，文件即可被保存成.MC9格式。

若再次调入该文件，则单击主菜单下的File\Get，选择.MC9文件Open即可。

2.毛坯工件设置

毛坯工件设置在刀具路径（Toolpaths）下的工作设置（Jobsetup）中，点击Jobsetup命令打开工作设置对话框，设置毛坯工件参数如图10-3所示。

单击OK得到的毛坯工件如图10-4所示。

图10-3工作设置

图10-4毛坯工件

3.粗加工刀具路径设置

三维刀具路径用于加工曲面和实体表面，命令位置如图10-5所示。

图10-5曲面加工命令位置及参数解释

曲面粗加工共设置了八种加工方式，如图10-6。

图10-6曲面粗加工方式

这里，我们选择Parallel——平行铣削加工，接着出现零件形状选项，选择Cavity，然后选Solids，在绘图区选好要加工的曲面后点击Done，即出现刀具路径对话框，如图10-7。

图10-7刀具参数

在起初，上面的刀具区域是空白的，这时，我们可以在空白区右击，从刀库中选择一把直径10mm的平铣刀，相关参数设置如图10-8，图10-9。

图10-8曲面参数

图10-9粗加工平行铣削参数

三个选项卡全部设置好后单击“确定”退出对话框，然后在菜单中点击Done，开始生成刀具路径，结果如图10-10所示。

图10-10粗加工刀具路径

4.精加工刀具路径设置

有粗加工就意味着有精加工（如图10-11），粗加工的主要目的是尽快去除材料，使工件接近成品的尺寸和形状，并不着力于较高的精度；而精加工则是为了全面达到零件的各项技术要求包含尺寸精度要求、形状和位置精度要求、表面粗糙度要求、经过了粗加工后，精加工阶段的材料去除量是很小的了。

图10-11曲面精加工方法

这里我选择Scallop——环绕等距加工方法。

按照粗加工刀具路径设置方法，在选好加工曲面后，设置刀具与加工相关参数如图10-12~图10-14所示。

图10-12刀具参数

图10-13曲面参数

图10-14精加工环绕等距加工参数

参数设置好后单击“确定”退出对话框，点击菜单中的Done，生成刀具路径如图10-15所示。

（上一步的粗加工刀具路径已隐藏）

图10-15精加工环绕等距加工刀具路径

由于刀具直径选的相对较大，还有局部非常小的尺寸结构在本次精加工中未能加工到，所以我们要再选取一把更小的刀具对局部进行精加工。

刀具选择直径为2mm的球头铣刀，采用平铣的方式局部精加工，得到刀具路径如图10-16。

图10-16精加工局部平行铣削刀具路径

5.交线清角精加工

交线清角精加工用于清除曲面间交角部分的残余材料，应与其他加工方法配合使用。

它的刀具路径设置方法与前面几种加工刀具路径的设置方法大同小异。

不过有一点不同的是，我们选择整个实体，设置好各个参数后，系统会自动算出哪些地方需要清角，然后进行加工。

这部分加工选择的刀具是直径为2mm的平铣刀。

刀具路径如图10-17所示。

图10-17交线清角精加工刀具路径

6.运行加工仿真

显示所有刀具路径查看效果，如图10-18所示。

图10-18所有加工刀具路径

为了更直观地看到加工过程，我们要对其在软件环境中进行模拟加工，运行数控加工仿真。

操作步骤如下：

点击主菜单下的Toolpaths，然后选择Operations，弹出如图10-19所示的对话框。

图10-19操作管理

点击“SelectAll”——选择全部，然后单击“Verify”进入仿真界面。

如图10-20所示。

单击按钮

，开始进行加工仿真。

图10-20加工仿真界面

加工仿真完成后的结果如图10-21所示。

图10-21加工仿真完成

单击按钮

，退出仿真界面，回到操作管理对话框。

7.数控加工NC代码生成

点击Toolpaths\Operations，弹出操作管理对话框，单击“SelectAll”——选择所有，然后单击Post，弹出如图10-22所示的后处理对话框。

图10-22后处理

按图示设置，然后单击“OK”退出后处理对话框，接下来弹出NC代码保存对话框。

根据自己需要，确定好文件名、保存类型以及保存路径后，单击“保存”，退出对话框，完成NC代码的生成和保存。

生成的NC代码部分展示如下：

%

O0000

（PROGRAMNAME-CAVITY）

（DATE=DD-MM-YY-25-05-15TIME=HH:

MM-11:

47）

N100G21

N102G0G17G40G49G80G90

（10.FLATENDMILLTOOL-1DIA.OFF.-1LEN.-1DIA.-10.）

N104T1M6

N106G0G90G54X-167.5Y-110.A0.S1527M3

N108G43H1Z50.

N110Z10.125

N112G1Z.3F3.6

N114X51.123F305.4

N116X51.335Z.212

N118X51.371Z.125

N120X63.55

N122X63.5