脚踏玩具承载底座左盖塑件注射成型工艺与模具设计.docx
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脚踏玩具承载底座左盖塑件注射成型工艺与模具设计
Abstrac………………………………………………………………………………………………………………………………………….…………Ⅱ
3模具结构形式设计--------------------------------------------------------------------------------9
脚踏玩具承载底座左盖塑件注射成型工艺与模具设计
摘要
为了得到脚踏玩具承载底座左盖的合理成型工艺和模具结构，作者对脚踏玩具底座左盖塑件进行了模具设计。
首先，利用三维建模软件对塑件进行造型，并分析了它的成型参数和结构特点。
其次，在优化浇口位置的基础上，设定成型参数和模具结构。
对填充模腔过程进行了数值模拟，得到合理的模具设计方案。
再次，在对设计方案进行CAE分析的基础上，运用注射模具设计的基础理论，完成了脚踏玩具承载底座左盖塑件的模具结构设计。
结果表面，运用CAD/CAE方法，能够得到合理的设计方案，设计出符合实际要求的塑件。
关键词：
脚踏玩具左盖注塑成型模具设计工艺分析数值模拟
Theinjectionmoldingprocessanddesignofmoldforplastictoysleftshellwithfootprintpattern
Abstract
Aimingtofindingoutthereasonableinjectionmoldingprocessanddesigningofmoldfortheplastictoys’shellwithfootprintpattern,theauthordesignedthemoldoftheplastictoy’sleftshellwithfootprintpattern.First,withthehelpofthe3Dmodelingsoftware,theauthormadethemoldoftheplasticproductandanalysiseditsmoldingparameterandstructurecharacteristics.Second,basingontheoptimizationofthecastinggate,theauthorsetupthemoldingparameterandmoldingstructureandsimulatedtheprocessoffillingthecavitiesinordertogetthereasonabledesignscheme.Finnaly,intheuseofCAEanalysisandtheinjectionmoldingdesignknowledge,theauthorfinishedtheinjectionmoldingdesignoftheplastictoy’sshellwithfootprintpattern.TheresultshowsthatreasonabledesigncanbefoundoutbytheuseoftheCAD/CAEmethods.
Keywords:
leftshelloftheplastictoywithfootprintpatterntheinjectionmoldingdesignofmoldprocessanalysisdigitalsimulation
1选题背景
随着塑料材料研究的不断深入和塑料应用的日趋广泛，在现代工业和日用产品中所用到的一些传统金属件，也越来越多地采用塑料来制造。
小型塑料玩具是整个塑料玩具产业的重要组成部分，其在市场上的占有额也在逐年增加。
而在所有的小型塑料玩具中，脚踏型玩具尤为多见，是深受广大消费者亲睐的儿童玩具。
用于制造对应玩具的模具设计显得尤其重要。
由于小型塑料脚踏玩具使用者多为少年儿童，对其外观吸引性和使用安全性的考虑显得比较突出。
而在设计制造对应模具时，玩具的成型工艺分析和相应的CAE分析以及浇注系统的设计是重点所在。
通过设计脚踏玩具承载底座左盖塑件的注射模具，并运用CAE方法对其进行分析，进而优化其设计方案，对于整个小型塑料玩具模具的设计具有重要的参考意义，其合理的制造方法值得我们去研究。
2塑料玩具外壳的注塑成型工艺分析
2.1塑件分析及设计要求
通过Pro/E来建立塑件3D模型，造型重点是保证塑件形状和尺寸精度，本次设计的塑料玩具外壳造型内部结构比较复杂，通孔、筋较多。
绘制立体图时主要通过拉伸和旋转的方式。
将3D图转换为二维工程图再用AutoCAD进行修改和尺寸标注。
图2-1和图2-2所示分别为玩具壳体的Pro/E三维图和CAD二维图。
图2-1塑料玩具壳体Pro/E三维示意图
图2-2塑料玩具壳体CAD示意图
如图2所示，考虑到塑件的使用者多为少年儿童，该塑件有以下特点：
在外缘轮廓采用圆弧圆角过渡；内腔为内凹结构，中部布有筋。
其外型尺寸为122mm×50mm×25mm，平均壁厚1.8mm，与另外一半结合部分有厚0.8mm的突起。
玩具使用环境不定，要求其具有一定的强度、刚度和耐腐蚀性，精度要求中等，塑件外表面为光滑,无熔接痕及推出痕迹，内表面为抛光面。
因此该塑件采用丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）注射而成。
2.2塑件材质分析
2.2.1丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）
1使用性能
综合性能好，冲击强度、力学强度较高，尺寸稳定，耐化学性，电气性能良好；易于成型和机械加工，其表面可镀铬，适合制作一般机械零件、减摩零件、传动零件和建构零件。
2成型性能
1）无定型塑料。
其品种很多，各品种的机械性能及成型特性也各有差异，应按品种来确定成型方法及成型条件。
2）吸湿性强。
含水量应小于0.3%（质量），必须充分干燥，要求表面光泽的塑件应要求长时间预热干燥。
3）流动性中等。
溢边料0.04mm左右。
4）模具设计时要注意浇注系统，选择好进料口位置、形式。
推出力过大或机械加工时塑件表面呈现白色痕迹。
2.2.2ABS的主要性能指标其性能指标如表2-1所示
密度/g·cm-3
1.02---1.08
屈服强度/MPa
50
比体积/cm3·g-1
0.86---0.98
拉伸强度/MPa
38
吸水率（%）
0.2---0.4
拉伸弹性模量/MPa
1400
熔点/C
130---160
抗弯强度/MPa
80
计算收缩率（%）
0.4---0.7
抗压强度/MPa
53
比热容/J（kgC）-1
1470
弯曲弹性模量/MPa
1400
表2-1ABS的性能指标
3各主要项精度
1）表面粗糙度
由塑件的表面粗糙度是决定塑件表面质量的主要因素。
塑件表面粗糙度主要与模具型腔表面的粗糙度有关，透明塑件要求型腔与型芯的表面粗糙度相同。
由塑件外观可知，塑件的内、外表面要求较高，因此其表面粗糙度取Ra0.4mm。
一般情况下，模具粗糙度数值要比塑件低1～2个等级，故取型腔、型芯表面粗糙度为Ra0.2um。
2）尺寸精度
按（GB/T14486--93）标准，塑件尺寸公差的代号为MT,公差等级分为7级，其中塑料件尺寸精度分为8级。
本塑件所用材料为ABS,由此查塑料模具设计手册可知，本塑件宜选用MT3级精度。
零件具体尺寸及其公差值可详见零件图。
塑件尺寸精度于模具的制造精度密切相关，尤以小型精密塑件为甚。
从模具制造精度对塑件精度的影响可知，模具制造允许误差和塑件尺寸公差之间具有对应的关系，由塑件零件图可得，模具精度等级为IT6。
3）脱模斜度
该塑件采用的塑料是ABS，而ABS的成型收缩率较小（0.5%~0.8%），而且塑件较复杂，对型芯的包紧面积也较大，所以应取较大的脱模斜度。
为保证壁厚的均匀一致，因此取塑料件的内外表面的脱模斜度一致。
再由零件设计图纸要求可知α＝1°。
4）壁厚
由图纸可知，该塑件有许多中不同的壁厚，壁厚不均匀，这就造成塑料熔体的充模速率和冷却收缩不均匀，并由此产生许多质量问题。
如凹陷、真空包、翘曲、甚至开裂。
为防止此类现象出现，这就要求防止出现突变与截面厚薄悬殊的设计，故在壁厚不同处采取过渡设计，例如：
采用圆弧过渡等措施。
2.3ABS的注塑成型过程及工艺参数
2.3.1注射成型过程
1）成型前的准备。
对ABS的色泽、粒度和均匀度等进行检验，由于ABS吸水性较大，成型前应进行充分的干燥。
2）注射过程。
塑件在注射机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的浇注系统进入模具型腔成型，其过程可分为充模、压实、倒流和冷却五个阶段。
3）塑件的后处理。
处理的介质为空气和水，处理温度为60—75C，处理时间为16---20S。
2.3.2注射工艺参数
1）注射机：
螺杆式，螺杆转数为30r/min。
2）料筒温度（C）：
后段150----170；
中段165----180；
前段180----200。
3）喷嘴温度（C）：
170----180。
4）模具温度（C）：
50----80。
5）注射压力（MPa）：
60----100。
6）成型时间（S）：
30（注射时间取1.6s，冷却时间20.4s，辅助时间8s）。
2.3.3Moldflow模拟分析
首先，在Pro/E中先将塑件三维模型转换为stl格式文件，再将该stl文件导入Moldflow软件中，选择网格划分类型（Fusion）和产品设计尺寸单位（Millimeters）。
根据Moldflow软件对有限元网格的要求，对塑件进网格划分和网格修补，最终得到较为完善的有限元网格参数[9]。
然后，对有限元网格修改过后较长为完善的制件，选择材料外，并采用系统缺省的成型条件进行最佳浇口位置分析。
最佳浇口位置分析结果以图象的形式给出最佳浇口位置所在的区域，结果显示中，蓝色的区域为最佳浇口位置区域，浇口设在该区域可保证注塑过程的熔体流动的平衡性。
如图2-2所示，最佳浇口位置区域有好几处，根据塑件的结构，同时考虑塑件在模具中的排布形式，将浇口设置在塑件突起端偏下部，进行模拟分析。
作为产品的初步成型分析，其目的是根据最佳浇口位置的分析结果设定浇口位置，分析产品注塑过程中可能出现的问题和质量缺陷。
通过上面浇口位置的分析及选择，手动创建浇注系统，然后使用系统缺省的成型条件，对制件进行充填分析，如图2-4所示，制件在1.181s的时间内完成熔体的充填。
通过充填分析，也可以得到制件上的熔接痕位置，如图2-4所示，图中黑色线条代表熔接痕。
从图中可以看出，该制件的熔接痕数目较少，主要分布在塑件的内表面，对塑件外观无影响。
一般情况下，熔接痕部位强度较差，通常可以通过局部加热的方法提高制品发生熔接痕部位的温度，从而保证塑件的整体强度。
为了减少熔接痕的数量，在模具设计时可以考虑开设冷料穴，防止低温熔体注入；或开设排气糟，提高排气效果，减少熔体分解[9]。
图2-3最佳浇口位置图2-4充填时间
2.4预选注塑机
2.4.1体积和质量的计算
塑件体积和质量可以通过手动计算或是采用一些辅助软件。
本塑通过使用Pro/E软件自动计算出所画图形的体积和质量，质量属性如图2-6所示。
塑件的体积：
V塑=3.06×104mm3=30.6cm3；
平均密度：
ρ=1.02kg/cm3＝1.02×10-3g/cm3；
塑件的质量：
M件=1.02×30.6=31.21g；
取V凝料=0.5V塑
则V总=V塑（1+0.5）×8=30.6×1.5×8=367.2cm3；
浇注系统的体积：
V浇＝7.88×103mm3
故总的注射体积：
V总＝1.773×105mm3+7.88×103mm3＝185.18×103mm3
总的注射质量：
M总＝185.18×1.45g＝268.511g
图2-5质量属性
2.4.2初选注射机
ABS材料流动性较好，会发生流延和倒流现象，为了避免这种现象的发生，应选用自锁式喷嘴。
根据：
V≥（n×V1+V2）/K＝367.2/0.8cm3＝459cm3
式中：
n——型腔数目；
V1——单个塑件的体积，cm3；
V2——浇注系统凝料的体积，cm3；
V——注射机最大注射量，cm3；
K——注射机最大注射量的利用系数，可取0.7~0.9；此处取0.8。
根据塑件和浇注系统体积或质量的总和，初选注射机型号为SZ-500/200，其参数如表2-2所示：
理论注射量/cm³
500
螺杆直径/mm
55
注射压力/MPa
150
注射速度/g·s-1
173
塑化能力/kg·h-1
110
锁模力/kN
2000
最大成型面积/cm2
500
模板最大行程/mm
500
模具厚度/mm
280-500
定位孔直径/mm
160
喷嘴球半径SR/mm
Φ30
定位孔深度/mm
25
顶出行程/mm
90
顶出力/kN
53
锁模方式
液压、机械
注射机类型
螺杆式
机器质量/t
8
外形尺寸/m
5.6x1.9x2.0
表2-2SZ-500/200注射机的参数[1]
3模具结构形式设计
3.1分型面位置的确定
如何确定分型面，需要考虑的因素比较复杂。
由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件的结构工艺性及精度、嵌件位置形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种因素的影响，因此在选择分型面时应综合分析比较，从几种方案中优选出较为合理的方案。
选择分型面时，为保证塑件能顺利地从型腔中脱出且便于模具加工，需考虑分型面的先择原则[12]。
分型面的选择原则
1）符合塑件脱模的基本要求，分型面位置应设在塑件脱模方向最大的投影边缘部位，即能使塑件从模具内取出；
2）分型线不影响塑件外观，即分型面应尽量不破坏塑件光滑的外表面；
3）确保塑件留在动模一侧，利于推出且推杆痕迹不显露于外表面；
4）确保塑件质量不受分型面选择的影响；
5）应尽量避免形成侧孔、侧凹，若需要滑块成型，力求滑块结构简单，尽量避免定模滑块；
6）满足模具的锁紧要求，将塑件投影面积大的方向放在定、动模的合模方向上，而将投影面积小的方向作为侧向分型面，分型面是曲面时，应加斜面锁紧；
7）合理安排浇注系统，特别是浇口位置；
8）有利于模具加工。
遵循以上选择原则，结合设计实际，可以得到以下两种分型面方案：
图3-1方案一
图3-2方案二
方案一：
将分型面设置在如图3-1方案一所画出的位置，即制件的最大投影面上，有利于浇口位置的设定，且可以简化流道的设计，方便充填。
同时，模具设计制造时，单方向占用体积适宜，制造方便，节省成本。
注塑成型时有利于保护塑件外观，确保塑件质量。
在设计安排浇注系统时比较方便。
另外，此方案抽芯机构简单。
排气效果较好，方便成型，模具结构较简单，制造较容易。
方案二：
将分型面设置在如图3-2方案二所画出的位置，不在塑件的最大投影面积处，此方案浇口位置选择比较多，浇口类型也有不同选择，但不利于塑件顺利脱模，不能确定塑件在开模时是否留在动模一侧。
另外，此方案在成型各类孔时需要设置侧抽芯，设计制造都比较麻烦。
塑件质量及外观也不易保证。
综合考虑以上两种方案的利弊，结合制件结构的具体分析，为简化模具结构，降低生产成本，确定分型面在制件投影面积最大的部位，即选择方案一所示的分型面位置。
3.2形腔数目及排布方式的确定
为了使模具与注射机的生产能力生产能力相匹配，提高生产效率和经济性，并保证塑件精度，模具设计时应确定型腔数目。
常用的方法有两大类：
一是按技术参数确定型腔数目；二是按经济性确定型腔数目。
因为此产品为大批量生产，单腔模不能满足生产需要，故需选择多腔模。
由于3,4级的精密等级就可以满足生产需要。
所以要从最经济的条件上考虑一模8腔的排布方式。
3.2.1注射机相关参数校核
1）注射压力校核。
查表4-1[1]可知，ABS所需注射压力为80—110MPa，这里取P0=100Mpa，该注射机的公称压力P公=150Mpa，注射压力安全系数K1=1.3，则
K1P1=1.3×100=130Mpa所以，注射机注射压力合格。
2）锁模力校核
1塑件在分型面上的投影面积
A塑=75×50=3750mm2
2浇注系统在分型面上的投影面积A浇，即流道凝料（包括浇口）在分型面上的投影面积，可以根据多型腔模的统计分析确定。
A浇是每个塑件在分型面上的投影面积A塑的0.2—0.5倍，结合本次设计实际，取A浇=0.3A塑件。
3塑件和浇注系统在分型面上总的投影面积A总为
A总=n（A塑+A浇）=n（A塑+0.3A塑）=8×1.3A塑=3900mm2
4模具型腔内的胀型力F胀为
F胀=A总P模=3900×35N=1365KN
其中P模是模具型腔内的压力，通常取注射压力的20%--40%，大致范围为25—40Mpa。
对于粘度大的精度较高的塑料制品应取较大值。
ABS属于中等粘度塑料及有精度要求的塑件，故取P模=35Mpa。
查《实用注塑模具结构图册》表4-2和表4-3得到该注射机的公称锁模力F锁=2000KN，
因为F胀所以，注射机锁模力合格。
3.1浇注系统设计
注射模具的浇注系统通常由主流道、分流道、浇口、冷料穴和排气槽或溢流槽等部分组成。
在注射模具设计中对浇注系统进行合理布局和形式的选择是一个重要的环节。
因为它的设计正确与否直接影响着注塑过程中的成型效果和塑件的质量。
浇注系统的设计应注意以下原则：
（1）浇注系统与塑件一起在分型面上，应有压降、流量和温度分布的均衡布置；
（2）尽量缩短流程，以降低压力损失，缩短充模时间；
（3）浇口位置的选择，应避免产生湍流和涡流，及喷射和蛇行流动，并有利于排气和补缩；
（4）避免高压熔体对型芯和嵌件产生冲击，防止变形和位移。
（5）浇注系统凝料脱出方便可靠，易与塑件分离或切除整修容易，且外观无损伤；
（6）熔合缝位置必须合理安排，必要时配置冷料井或溢料槽；尽量减少浇注系统的用料量；
（7）浇注系统应达到所需精度和粗糙度，其中浇口必须有IT8以上精度；
（8）排气良好。
注射模浇注系统是将注射机料筒中的熔融塑料从喷嘴中高压喷出后，稳定而顺畅地充入并充满型腔的各个部位的通道。
它在充模及塑料固化过程中还将注射压力平衡的传递到型腔的各个部位，以获得殷实、完整、质量优良的塑件。
注射模的浇注系统通常是有主流道、分流道、浇口、冷料穴、排气槽等部分组成。
3.1.1主流道的设计
主流道是一端与注射机喷嘴相接触，另一端与分流道相连的一段带有锥度的流动通道。
通常位于模具中心塑料熔体的入口处，它将注射机喷嘴注射出的熔体导入分流道或型腔中。
主流道的形状为圆锥形，以便熔体的流动和开模时主流道凝料的顺利拔出。
主流道的尺寸直接影响到熔体的流动速度和充模时间。
另外，由于其与高温塑料熔体及注射机喷嘴反复接触，因此设计中常设计成可拆卸更换的浇口套。
为了有效地传递保压压力，浇注系统主流道及其附近的塑料熔体应该最后固化。
为了便于主流道凝料的顺利拔出和塑料熔体的顺利流入，将主流道设置垂直于分型面，且具有2~6度锥角的圆锥形，表面粗糙度Ra≤0.8μm。
主流道衬套内壁抛光应沿轴向，若沿圆周进行抛光，产生侧向凹凸面，主流道凝料便难以拔出[1]。
（1）主流道的尺寸
大端直径应比分流道深度大1.5mm以上，其锥度α＝20~60（取α=30）壁粗糙度Ra≤0.8μm（取Ra=0.4μm）；小端直径d一般取3~6mm（取d=Φ4.5mm），且大于注射机喷嘴直径d约0.5~1mm；主流道出口端应有圆角，圆角半径取0.3~3mm（取r=1mm）；主流道的长度由定模座板和定模板厚度确定，一般L不超过60mm。
已知所选的注塑机其喷嘴球半径为SR30。
为了使主流道与喷嘴能够严密地配合，避免高压塑料熔体溢出，主流道与喷嘴接触处的凹坑的球半径应比喷嘴球半径大1~2mm。
如果主流道与喷嘴接触处的凹坑的球半径比喷嘴球半径大得太多则密封作用不好，太小则主流道凝料无法脱出。
故取凹坑球半径为31mm，此处大于喷嘴球半径1mm，符合要求[1]。
1）主流道衬套的形式
主流道衬套的形式如图3-4所示。
图3-4主流道衬套形式
2）主流道衬套的固定
通过两个螺钉固定在定模板上，浇口套固定段与动模板之间采用过渡配合H7/k6。
3）定位圈的选择
定位圈是标准件，外径为Φ100mm，内径Φ70mm。
采用内六角螺钉固定形式.
由于主流道与注塑机的高温喷嘴反复接触和碰撞，所以设计成独立的主流道衬套，选用优质钢材制作并经热处理提高硬度。
主流道与喷嘴接触处做成半球形的凹坑，二者应严密地配合，避免高压塑料熔体溢出，故浇口套材料选用T10A，硬度为50～55HRC。
3.1.2分流道的设计
分流道的作用是把从主流道流入的熔料平稳地送到各个模腔内。
它是主流道与浇口的中间连接部分，起分流和转向的作用，因此要求分流道的压力损失小、热量损失小等。
1）分流道的形状和大小
分流道的截面形状通常有圆形、梯形、半圆形和矩形。
为了减少流道内的压力损失和热量损失，一般要求分流道的通导截面积最大，而散热的内表面积最小。
其中圆形的效率最高，适用于ABS材料，故选择分流道的截面积形状为圆形。
按推荐值取分流道直径为d=8mm，分流道的长度一般在8~12mm之间，本次取L=14mm[1]。
2）分流道的表面粗糙度
为了增加分流道与模具接触的外层塑料的流道阻力，以使外层塑料较好地形成绝热层，分流道内表面粗糙度Ra并不要求很低，一般取1.6µm。
分流道与浇口的连接处应加工成斜面，并用圆弧过渡，以利于塑料熔体的流动和填充，本次取Ra=0.8µm。
3.1.3浇口的设计
浇口是主流道、分流道与型腔的连接部分，即浇注系统的终端。
一般这段很短的通道截面积很小，当熔融塑料流在高压下通过浇口时，因为浇口的截面积很小，使料流加速，而由于摩擦作用，又使料流的温度升高，黏度下降，提高了料流的流动性，有利于充满型腔，因此它是浇注系统设计的关键。
常用几种浇口的比较：
1）直浇口：
直浇口的位置一般设计在制件表面或背面，其特点是塑料从主流道进入模腔，物料流程较短，压力损失小，但由于流道尺寸大，冷却冻结慢，需要较长的保压补缩时间，还容易在进料处产生较大的残余应力，并由此导致制品翘曲变形，同时，浇口凝料留在塑件上，需要进行修正。
直浇口适用于单腔模具和大型塑件以及一些高粘度塑料[10]。
2）点浇口：
浇口可自行切段，利于自动化操作，浇口残留痕迹小，但压力损失大，需采用三板模。
适用于成型进表观黏度随剪切速率增大而明显降低和延黏度较低的塑料熔体、薄壁塑件。
3）潜伏式浇口：
一般设在产品内表面或侧面隐蔽处，凝料可自动脱落，不影响塑件外观，对于强韧性塑料（如PA）或脆性塑料（如PS），潜伏式浇口是不合适的。
4）侧浇口：
能方便地调整充模时的剪切速率和浇口封闭时间，充型速度快，除去浇口方便，浇口痕迹小，缺点是塑件容易形成熔接痕、缩孔、凹陷等缺陷，注射压力损失
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