塑料空心球柄的模具设计资料.docx
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塑料空心球柄的模具设计资料
第1章对塑料成型模具的认识
1.1模具在加工工业中的地位
模具是利用其特定形状去成型具有一定的形状和尺寸制品的工具。
在各种材料加工工业中广泛的使用着各种模具。
例如金属铸造成型使用的砂型或压铸模具、金属压力加工使用的锻压模具、冷压模具等各种模具。
对模具的全面要求是：
能生产出在尺寸精度、外观、物理性能等各方面都满足使用要求的公有制制品。
以模具使用的角度，要求高效率、自动化操作简便；从模具制造的角度，要求结构合理、制造容易、成本低廉。
模具影响着制品的质量。
首先，模具型腔的形状、尺寸、表面光洁度、分型面、进浇口和排气槽位置以及脱模方式等对制件的尺寸精度和形状精度以及制件的物理性能、机械性能、电性能、内应力大小、各向同性性、外观质量、表面光洁度、气泡、凹痕、烧焦、银纹等都有十分重要的影响。
其次，在加工过程中，模具结构对操作难以程度影响很大。
在大批量生产塑料制品时，应尽量减少开模、合模的过程和取制件过程中的手工劳动，为此，常采用自动开合模自动顶出机构，在全自动生产时还要保证制品能自动从模具中脱落。
另外模具对制品的成本也有影响。
当批量不大时，模具的费用在制件上的成本所占的比例将会很大，这时应尽可能的采用结构合理而简单的模具，以降低成本。
现代生产中，合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是必不可少是三项重要因素，尤其是模具对实现材料加工工艺要求、塑料制件的使用要求和造型设计起着重要的作用。
高效的全自动设备也只有装上能自动化生产的模具才有可能发挥其作用，产品的生产和更新都是以模具的制造和更新为前提的。
由于制件品种和产量需求很大，对模具也提出了越来越高的要求。
因此促进模具的不断向前发展。
1.2模具的发展趋势
近年来，模具增长十分迅速，高效率、自动化、大型、微型、精密、高寿命的模具在整个模具产量中所占的比重越来越大。
从模具设计和制造角度来看，模具的发展趋势可分为以下几个方面：
（1）提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计水平及比例。
这是由于塑料模成型的制品日渐大型化、复杂化和高精度要求以及因高生产率要求而发展的一模多腔所致。
（2）在塑料模设计制造中全面推广应用CAD/CAM/CAE技术。
CAD/CAM技术已发展成为一项比较成熟的共性技术，近年来模具CAD/CAM技术的硬件与软件价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度，为其进一步普及创造良好的条件；基于网络的CAD/CAM/CAE一体化系统结构初见端倪，其将解决传统混合型CAD/CAM系统无法满足实际生产过程分工协作要求的问题；CAD/CAM软件的智能化程度将逐步提高；塑料制件及模具的3D设计与成型过程的3D分析将在我国塑料模具工业中发挥越来越重要的作用。
（3）推广应用热流道技术、气辅注射成型技术和高压注射成型技术。
采用热流道技术的模具可提高制件的生产率和质量，并能大幅度节省塑料制件的原材料和节约能源，所以广泛应用这项技术是塑料模具的一大变革。
制订热流道元器件的国家标准，积极生产价廉高质量的元器件，是发展热流道模具的关键。
气体辅助注射成型可在保证产品质量的前提下，大幅度降低成本。
目前在汽车和家电行业中正逐步推广使用。
气体辅助注射成型比传统的普通注射工艺有更多的工艺参数需要确定和控制，而且常用于较复杂的大型制品，模具设计和控制的难度较大，因此，开发气体辅助成型流动分析软件，显得十分重要。
另一方面为了确保塑料件精度，继续研究开发高压注射成型工艺与模具也非常重要。
（4）开发新的成型工艺和快速经济模具。
以适应多品种、少批量的生产方式。
（5）提高塑料模标准化水平和标准件的使用率。
我国模具标准件水平和模具标准化程度仍较低，与国外差距甚大，在一定程度上制约着我国模具工业的发展，为提高模具质量和降低模具制造成本，模具标准件的应用要大力推广。
为此，首先要制订统一的国家标准，并严格按标准生产；其次要逐步形成规模生产，提高商品化程度、提高标准件质量、降低成本；再次是要进一步增加标准件的规格品种。
（6）应用优质材料和先进的表面处理技术对于提高模具寿命和质量显得十分必要。
（7）研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程。
采用三坐标测量仪或三坐标扫描仪实现逆向工程是塑料模CAD/CAM的关键技术之一。
研究和应用多样、调整、廉价的检测设备是实现逆向工程的必要前提.
1.3设计在学习模具制造中的作用
通过对模具专业的学习，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。
课程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。
第2章原始材料分析及注射机的初步确定
2.1塑件的工艺性分析
2.1.1塑件
图1.1塑料空心球柄平面图
（1）塑料名称：
塑料空心球柄
（2）塑件材料：
HDPE（高密度聚乙烯）
（3）生产纲领：
50万件
（4）色调：
白色
2.1.2塑件的结构及成型工艺性分析
（1）结构分析如下：
该塑件的形状较复杂，孔的深度较深，在保证孔的形状是给模具的加工带了很大的难度。
空心球柄的注塑材料选用HDPE，该塑件壁厚不均匀，在注塑成型过程中因为壁厚的不均匀造成了收缩率的不一致，这样就只能通过有效的控制模具温度来调节收缩率。
它的内部结构就相应的给注塑带来了一定的难度。
势必会在注塑的时候到来很大的牛顿减力，造成塑件填充不满的缺陷，可以考虑采用双浇口，但对其进行模仿CAE的注塑之后，发现会给空心球柄的表面带来更多的熔接痕和气孔。
也可以利用模具的可靠的精度来定位，但是这样的话成模具设计本太高，而且易造成模具损坏。
因为考虑到凹凸模形状的复杂，用整体形式是不利于损坏后的维修，适当的使用嵌件就可以解决这些问题，但不能利用过多的嵌件，不然的话就会造成型腔的强度与刚度不够。
（2）成型工艺分析如下。
①精度等级。
采用高精度5级。
②脱模斜度。
该塑件壁厚约为2.3mm，其脱模斜度内表面为20′～45′，塑件外表面25′～45′。
③圆角分析。
为了避免应力集中，提高塑件的局部强度，改善熔体的流动情况且便于脱模，在塑件各内外表面的连接处，应采用过渡圆弧。
塑件件的圆角半径一般不小于0.5mm。
其设计原则：
一般外圆弧半径应是厚度的1.5倍，内圆弧半径应是厚度的0.5倍。
（3）塑件的表面质量
塑料制件的表面质量包括表面粗糙度和表观质量。
塑件表面粗糙度的高低，主要与模具型腔表面的粗糙度有关。
目前注射成型的塑件表面粗糙度通常为Ra0.01～1.25µm，模腔表避的表面粗糙度应为塑件的1/2，即Ra0.01～0.63µm。
综合各种因素，塑件的内表面粗糙度去Ra1.6，而外表面的粗糙度去Ra1.6。
塑料的表观质量指的是塑件成型后的表观缺陷状态，如常见的缺料、溢料、飞边、凹陷、气孔、熔接痕、银纹、翘曲等。
它是由塑件成型工艺条件、塑件成型原材料的选择，模具总体设计等多种因素造成的。
2.2原料（HDPE）的成型特性与工艺参数
HDPE（高密度聚乙烯）是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂。
它安全无毒、无味、无臭的白色颗粒，熔点约为130℃，相对密度为0.941~0.960，它具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，还具有较高的刚性和韧性，机械强度好。
介电性能，耐环境应力开裂性亦较好。
2.2.1HDPE塑料主要的性能指标
HDPE塑料主要的性能指标如表1-1
表1-1HDPE塑料主要的性能指标
性能项目
试验条件[状态]
测试数据
数据单位
基本性能
密度
0.961
g/cm3
流动速率
＠190℃/21.60kg
57
g/10min
熔体流动速率
＠190℃/2.16kg
0.80
g/10min
机械性能
2%割线弯曲模量
1296
MPa
断裂拉伸强度
24
MPa
硬度
66
ShoreD
屈服拉伸强度
32
MPa
断裂伸长率
1000
%
拉伸冲击强度
84
KJ/m2
屈服伸长率
7
%
热性能
脆化温度
<-105（<-76）
oF（℃）
热变形温度
＠66psi（0.45MPa）
76
℃
熔点
133
℃
维卡软化点
131
℃
结晶点
120
℃
其它性能
耐环境应力开裂性
122oF（50℃）,F50,100%lgepal
20
hrs
2.2.2HDPE的注射成型工艺参数
（1）温度
熔料温度 220～280℃
料筒恒温 220℃
喷嘴 220～300℃（240℃）
模具温度20～60℃，设定其温度
=40℃
（2）注射压力 具有很好的流动性能，避免采用过高的注射压力，一般为80～
140MPa；一些薄壁包装容器除外可达到180MPa 。
（3）保压压力 收缩程度较高，需要长时间对制品进行保压，尺寸精度是关
键因素，约为注射压力的30％～60％ 。
（4）背压 5～20MPa。
（5）注射速度 对薄壁包装容器需要高注射速度，中等注射速度往往比较适
用于其它类的塑料制品。
（6）螺杆转速 高螺杆转速（线速度为1.3m/s）是允许的，只要满足冷却时
间结束前就完成塑化过程就可以；螺杆的扭矩要求为低 。
（7）计量行程 0.5～4D（最小值～最大值）。
（8）回收率 可达到100％回收。
（9）收缩率 1.2～2.5％；容易扭曲；收缩程度高；24h后不会再收缩。
（10）料筒设备 标准螺杆，标准使用的三段式螺杆；对包装容器类制品，混
合段和切变段几何外形特殊（L：
D＝25：
1），直通喷嘴，止
逆阀。
2.3注射机型号的确定
2.3.1计算塑件的体积和质量
由体积计算公式（或者UG程序）可计算得塑件的近似体积得:
V塑=∑S*H=8.642cm3
HDPE平均密度约为:
由公式
代入数据可得塑件的质量为：
W塑=V塑×
塑=8.2g
2.3.2注射机型号确定
按预选型腔数来选择注射机
（1）模具所需塑料熔体注射量
m＝nml+m2
式中m——一副模具所需塑料的质量或体积（g或cm3）；
n——初步选定的型腔数量；
m1——单个塑件的质量或体积（g或cm3）；
m2——浇注系统的质量或体积（g或cm3）。
m2是个未知值，在学校做设计时以0.6nm，来估算，即
m＝1.6nml
得，m=52.48g
注射机最大注射量M=m/0.8=65.6g
（2）塑件和流道凝料（包括浇口）在分型面上的投影面积及所需锁模力
A＝nAl+A2
Fm＝（nAl+A2）p型
式中A——塑件及流道凝料在分型面上的投影面积（mm2）；
A1——单个塑件在分型面上的投影面积（mm2）；
A2——流道凝料（包括浇口）在分型面上的投影面积（mm2）；
Fm——模具所需的锁模力（N）；
p型——塑料熔体对型腔的平均压力（MPa）。
流道凝料（包括浇口）在分型面上的投影面积A2在模具设计前是未知值。
根据多型腔模的统计分析，大致是每个塑件在分型面上投影面积A1的0．2～0．5倍，因此可用0.35A1来估算。
成型时塑料熔体对型腔的平均压力，其大小一般是注射压力的30％-65％。
取，p型=25MPa
计算得A==3074.833mm2
Fm＝76870.825N
（3）选择注射机型号
由m和Fm值来选择XS—ZY—125型螺杆式注射机
满足
式中α——注射系数，无定型塑料取0.85，结晶型塑料取0.75。
F>Fm
XS—ZY—125型螺杆式注射机的主要技术参数：
表1-2注射机的主要技术参数表
序号
主要技术参数项目
参数数值
1
最大注射量/cm3
125
2
注射压力/MPa
120
3
锁模力/kN
900
4
动、定模模板最大安装尺寸/（mm×mm）
420×450
5
最大模具厚度/mm
300
6
最小模具厚度/mm
200
7
最大开模行程/mm
300
8
喷嘴前端球面半径/mm
12
9
喷嘴孔直径/mm
4
10
定位圈直径/mm
120
第3章拟定模具结构形式
3.1分型面位置的确定
在塑件设计阶段，就应考虑成型时分型面的形状和位置，否则无法用模具成型。
在模具设计阶段，应首先确定分型面的位置，然后才选择模具的结构。
分型面设计是否合理，对塑件质量、工艺操作难易程度和模具的设计制造都有很大影响。
因此，分型面的选择是注射模设计中的一个关键因素。
分型面的选择原则
（1）分型面的选择有利于脱模：
分型面应取在塑件尺寸的最大处。
而且应使塑件流在动模部分，由于推出机构通常设置在动模的一侧，将型芯设置在动模部分，塑件冷却收缩后包紧型芯，使塑件留在动模，这样有利脱模。
如果塑件的壁厚较大，内孔较小或者有嵌件时，为了使塑件留在动模，一般应将凹模也设在动模一侧。
（2）分型面应选择在塑件的最大截面处,否则给脱模和加工带来困难。
（3）在安排制件在型腔中方位时,尽量避免侧向分型或抽芯以利于简化模具结构。
结合以上原则还要综合考虑塑件的尺寸精度、外观质量、使用要求及是否有利于浇注系统特别是浇口的合理安排,是否有利于排气。
所设计的模具的塑件的分型面如图3.1：
图3.1分型面
3.2型腔数量的确定
注射模可设计成一模一腔也可设计成一模多腔。
其数目的确定要从以下几个方面考虑：
（1）注塑产品的尺寸及结构的复杂性。
（2）塑件的尺寸精度—型腔越多，精度也相对降低。
这不仅由于型腔加工精度产差，也由于熔体在模具内流动不均所致。
（3）制造难度—多腔模比单腔模的难度大。
（4）制造成本—多腔模高于单腔模，但不是简单的倍数关系。
从塑单件成本中所占的费用比例来看比单腔模低。
（5）注塑成型的生产效益。
从表面上看，多腔模比单腔模高的多，单多腔模所使用的注射极大，每一注射循环期长而维持费用高。
一般来说，大中型塑件和精度要求高的小型塑件优先采用一模一腔的结构，但对精度要求不高的小型塑件（没有配合精度要求），形状简单，又是大批量生产时，若采用多型腔模具可供独特的优越条件，使生产效率大为提高。
故由此初步拟定采用一模四腔。
3.3型腔排列方式、模具结构形式的确定
在设计时应遵循以下原则：
（1）尽可能采用平衡式排列，确保制品质量的均一和稳定。
（2）型腔布置与浇口开高部位应力求对称，以便停止模具承受偏载而产生溢料现象。
（3）尽量使型腔排列得紧凑，以便减小模具的外形尺寸。
采用对称平衡的排布,如图3.2：
图3.2型腔的布局
第4章浇注系统的设计
4.1主流道的设计
主流道通常位于模具中心塑料熔体的入口处，它将注射机喷嘴射出的熔体导入分流道或型腔中。
主流道的形状为圆锥形，以便于熔体的流动和开模时主流道凝料的顺利拔出。
（1）主流道尺寸
主流道小端直径D：
注射机喷嘴直径+（0.5～1）＝4+（0.5～1），取D＝4．5mm。
主流道球面半径SR0＝注射机喷嘴球头半径+（1～2）＝12+（1～2），取SR0＝13mm。
球面配合高度：
h＝3mm～5mm，取h＝3mm。
主流道长度尽量小于60mm，由标准模架结合该模具的结构，取L＝25+20＝45mm
主流道大端直径D`＝D+2Ltanα≈8mm（半锥角α为1.5度），取D`=8mm。
浇口套总长L0＝4+16+50＝70mm
（2）主流道衬套的形式如图4.1
图4.1主流道衬套
主流道小端入口处与注射机喷嘴反复接触，属易损件，对材料要求较严，因而模具主流道部分常设计成可拆卸更换的主流道衬套形式即浇口套，以便有效地选用优质钢材单独进行加工和热处理，常采用碳素工具钢，如T8A、T10A等，热处理硬度为50HRC-55HRC，如图4所示。
由于该模具主流道较长，定位圈和衬套设计成分体式较宜，其定位圈结构尺寸如图4.2所示。
图4.2定位圈
4.2分流道设计
（1）分流道尺寸
考虑到减少散热应选择比表面小的圆形分流道，直径一般取5～10mm。
当小于5mm时则料温降低而易于产生压力降，但对于小件也可使用3～4mm。
这里取d1=4mm。
长度L1=45mm。
（2）分流道的布置形式
分流道在分型面上的布置与前面所述型腔排列密切相关，有多种不同的布置形式，但应遵循两方面原则：
一方面排列紧凑、缩小模具板面尺寸；另一方面流程尽量短、锁模力力求平衡。
该模具的流道布置形式采用平衡式，定模部分与瓣合模上均开有分流道。
为了减少在流道内地的压力损失和尽可能避免熔体温度降低以及极少分流道的容积和压力平衡，采用平衡式分流道,如图4.3
图4.3分流道的布置
（3）分流道的表面粗糙度
由于分流道中与模具接触的外层塑料迅速冷却，只有中心部位的塑料熔体的流动状态较理想，因此分流道的内表面粗糙度及。
并不要求很低一般取0.63—1.6，这样表面稍不光滑，有助于增大塑料熔体的外层流动阻力。
避免熔流表面滑移，使中心层具有较高的剪切速率。
此处Ra＝0.8。
4.3浇口的设计
4.3.1浇口选用
本塑件属于小型塑件，用一模多腔，其表面要求较高，而点浇口截面积小，对于纤维增强的塑料，浇口断开时不会损伤塑件表面，故而确定采用侧浇口。
浇口尺寸形状图如图4.4：
图4.4侧交口尺寸形状图
4.3.2浇口尺寸的计算
α=3°α
=2°
b=1.6h=1
l=0.75r=2
4.3.3浇口类型及位置的确定
该模具是中小型塑件的多型腔模具，同时从所提供塑件图样中可看出，在中部直径为15的圆周上设置侧浇口比较合适。
侧浇口开设在垂直分型面上，从型腔（塑件）外侧面进料，侧浇口是典型的矩形截面浇口，能很方便地调整充模时的剪切速率和浇口封闭时间，因而又称为标准浇口。
这类浇口加工容易，修整方便，并且可以根据塑件的形状特征灵活地选择进料位置，因此它是广泛使用的一种浇口形式，普遍使用于中小型塑件的多型腔模具。
4.3.4冷料穴的设计
冷料穴一般位于主流道对面的动模板上，其作用就是存放料流前峰的“冷料”,防止“冷料”进入型腔而形成冷接缝；此外，在开模时又能将主流道凝料从定模板中拉出。
冷料井应设在熔料流动方向的转折位置，并迎着上游的熔流，其长度为交到直径的1.5-2倍。
第5章成型零件的设计
5.1凹模的的结构设计
凹模又称阴模，是成型塑件外轮廓的零件。
凹模有整体结构式和组合式。
亦可以分为：
整体式凹模、整体嵌入式凹模、局部镶嵌式凹模、大面积镶嵌式凹模、四壁拼合式凹模。
本塑件的外形简单，采用整体式凹模。
其适用于形状简单且凸模高度较小的塑件，整体式凹模为非穿通式模体，强度好，不易变形。
凸模，即型芯，是成型塑件内表面的成型零件，通常可分为整体式和组合式。
由于空心球柄复杂而且尺寸小，所以采用整体式，用电火花加工。
5.2成型零件工作尺寸计算
本产品为HDPE制品，属于大批量生产的小型塑件，预定的收缩率的最大值和最小值分别为1.5％和2.5％。
平均收缩率为2.0％。
采用高精度，查表选择5级精度。
通过查表，得到
成型零件基本尺寸/mm塑件尺寸公差△修正系数x模具尺寸公差m/mm
型腔径向A300.320.650.052
型腔径向D150.240.70.042
型芯径向C250.320.650.052
型芯径向E110.220.70.042
型腔深度150.240.60.042
型芯高度45..50.400.560.062
型腔径向尺寸
型芯径向尺寸
型腔深度
型芯高度
5.3型腔侧壁和底板厚度的计算
如果是利用计算公式的话比较烦琐，且不能保证在生产中的精确性，我们可以根据书中的经验值来取的。
成型零件材料选择。
为实现高性能的目的；选用模具材料应具有高耐磨性，高耐蚀睡，良好的稳定性和良好的导热性。
必须具有一定的强度，表面需要耐磨，淬火变型要小，但不需要耐腐蚀性，因为HDPE没有腐蚀性。
可以采用Cr12，经过调质，淬火加低温回火，正火。
HRC≥55。
取型腔壁厚为33。
第6章脱模推出机构的设计
6.1塑件推出的基本方式
（1）推杆推出：
推杆推出是一种基本的、也是一种常用的塑件推出方式。
常用的推杆形式有圆形、矩形、阶梯形。
（2）推件板推出：
对于轮廓封闭且周长较长的塑件，采用推件板推出结构。
推件板推出部分的形状根据塑件形状而定。
（3）气压推出：
对于大型深型腔塑件，经常采用或辅助采用气压推出方式。
本套模具的推出机构形式较为复杂，全部采用推杆推出。
其中瓣合模由4根圆形推杆推出，每个塑件由6根阶梯形推杆推出。
第一次分型时，在弹簧顶销的作用下，塑件和动模部分一起脱出定模部分的型芯；第二次分型时，瓣合模推杆在推出瓣合模块以完成侧向抽芯与分型的同时，塑件推杆也推出塑件使塑件脱离型芯。
6.2塑件的推出机构
该模具采用推板分型推管脱模机构如图8：
图6.1塑件的推出机构
第7章模架的确定和标准件的选用
7.1模架的确定
由前面型腔的布局以及相互的位置尺寸，再根据成型零件尺寸结合标准模架，选用结构形式为A2型、模架尺寸为315mmX315mm的标准模架，可符合要求。
模架如图7.1
图7.1模架
7.2模具的装配顺序
装配模具是模具制造过程中的最后阶段，装配精度直接影响到模具的质量、寿命和各部分的功能。
模具装配过程是按照模具技术要求和相互间的关系，将合格的零件连接固定为组件、部件直至装配为合格的模具。
在模具装配过程中，对模具的装配精度应控制在合理的范围内，模具的装配精度包括相关零件的位置精度，相关的运动精度，配合精度及接触只有当各精度要求得到保证，才能使模具的整体要求得到保证。
塑料模的装配基准分为两种情况，一是以塑料模中和主要零件台定模，动模的型腔，型芯为装配基准。
这种情况，定模各动模的导柱和导套孔先不加工，先将型腔和型芯镶块加工好，然后装入定模和动模内，将型腔和型芯之间垫片法或工艺定位器法保证壁厚，动模和定模合模后用平行夹板夹紧，镗投影导柱和导套孔，最后安装动模和定模上的其它零件，另一种是已有导柱导套塑料模架的。
浇口套与定模部分装配后，必须与分模面有一定的间隙，其间隙为0.05——0.15毫米，因为该处受喷嘴压力的影响，在注射时会发生变形，有时在试模中经常发现在分模面上浇口套周围出现塑料飞边，就是由于没有间隙的原因。
为了有效的防止飞边，可以接近塑件的有相对位移的面上锉一个三角形的槽，由于空气的压力的缘故可以更好的防止飞边。
（1）确定装配基准；
（2）装配前要对零件进行测量，合格零件必须去磁并将零件擦拭干净；
（3）调整各零件组合后的累积尺寸误差，如各模板的平行度要校验修磨，以保证模板组装密合，分型面吻合面积不得小于80%，间隙不得小于溢料最小值，防止产生飞边。
（4）在装配过程中尽量保持原加工尺寸的基准面，以便总装合模调整时检查；
（5）组装导向系统并保证开模合模动作灵
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