角齿护套模具设计.docx
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角齿护套模具设计
HC130角齿护套模具设计及装配过程动画设计
摘要
随着现代模具工业的飞速发展，计算机辅助设计在模具工业中应用越来越多，其中Pro/ENGINEER软件为传统的模具设计带来了巨大的便利。
在本文中，概述了CAD技术在国内外的发展状况，介绍了CAD在模具工业中的使用和发展情况，介绍了在我国研究和发展模具CAD技术的必要性和迫切性；详细介绍了模具的设计过程及利用Pro/ENGINEER软件制作的模具。
同时重点学习Pro/ENGINEER软件的Part模块、Drawing模块及Assembly等模块，从中可以总结出该软件与AutoCAD2000软件的优缺点。
尽管这些软件在现代化的模具设计中已经占有非常重要的地位，但传统的模具设计中的一些经验及设计方法仍然非常重要，在理论的学习中应该掌握要点，并结合实际的模具设计进一步加深对重点的理解。
关键词 CAD；Pro/ENGINEER；模具
ThedesignofHC130InjectionMouldaboutassembleandanimation
Abstract
WiththequickdevelopmentofmodernInjectionMouldindustry,Computer.Aideddesign（CAD）isusedmoreandmore.ThereintoPro/ENGINEERsoftwareBringshugeadvantagefortraditionalInjectionMoulddesign.Inthispaper,theInternalandoverseasgeneralsituationissummarized.TheapplianceanddevelopmentofCADinInjectionMouldindustryisintroduced.EssentialityandanxietyofdevelopingandresearchinginternalCADinthefieldofInjectionMouldareintroduced;theprocessofInjectionMoulddesignandgot-upInjectionMouldbyPro/ENGINEERsoftwareareintroduceddetailed.AtthesametimebythestudythepartsofPart,Drawing,andAssemblywecansumupthevirtueandfaultamongthesoftwareofPro/ENGINEERandAutoCAD2000etc.Althoughthesesoftwarehasenteredonveryimportantstation,butsomeexperienceandwaysoftraditionalInjectionMoulddesigninmodernindustrystillareveryimportant.Inabstract,weshouldpaymoreattentiontoitandinpracticewewillknowtheimportancesfurtherly.
Keywords CAD；Pro/ENGINEER；InjectionMould
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摘要
Abstract
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第1章绪论
1.1课题背景
在现代机械制造业中，模具工业已经成为国民经济中的一个非常重要的行业。
许多新产品的开发和生产，在很大程度上依赖于模具制造水平的高低，特别是汽车、轻工、电子、和航天等行业中尤显重要。
模具制造水平的高低，已成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志之一，直接影响着国民经济中许多部门的发展[1]。
现代工业的发展，对模具的要求越来越高，综观现代模具技术，正向如下的方向发展。
1.高精度
现代模具的精度要求比传统的模具法精度至少要高一个数量。
2.寿命
现代模具的寿命比传统的寿命要高出5～10倍。
如现代模具一般均可达到500万次以上，最高可达到5亿次之多[2]。
3.生产率
由于采用多工位的级进模，多能模，多腔注射模和层叠注射模等先进模具可极大地提高生产率，从而带来显著的经济效益。
如用四工位的注射模生产塑料汽水瓶，每小时可以生产8000件以上[3]。
随着社会需求的多样化和个性化以及许多新材料，新工艺广泛应用，对现代模具的结构形式和型腔要求也日益复杂。
若采用传统的模具制造方法，不仅成本高，生产效率低，而且很难保证模具的质量要求。
传统的模具设计制造技术，根本不能满足市场对模具的要求。
因此研制和开发新的模具设计、制造技术势在必行。
模具CAD、RT（RapidTooling）技术正是在这种形式下被开发出来的，并在现代模具的生产中发挥了重要的作用[4]。
1.1.1注塑成型模具及其在塑料成型加工工业中地位
1.注塑成型模具
模具是利用其特定形状去成型具有一定形状和尺寸的制品的工具，注塑成型是一种注射兼模塑的方法。
通用注射方法是将聚合物粒料放入注射机的料筒内，经过加热、压缩、剪切、混合和输送作用，使物料进行均化和熔融，这一过程有称塑化，然后再用柱塞或螺杆向熔化好的聚合物施加压力，则高温熔化的塑料通过料筒前面的喷嘴和模具的浇注系统射入预先闭合的低温模腔中，再经冷却定型可开启模具，顶出制品得到一定几何形状和精度的塑件。
2.注塑成型模具的地位
注塑方法是塑料成型加工最普遍也是最早的成型方法，早在工业革命时期，塑料才开始面世，而最初成型方法就是注塑成型方法。
目前，四成工程塑料制品的速度增长率为每年10%，然而在工程塑料中70%—80%以上的制品是采用注塑成型加工。
80年代以来，我国塑料工业得到了迅速发展，注塑工艺水平和机器设计与制造水平有明显的提高，从民用塑料开发转向工程塑料是这个时期的重要特征之一。
现在塑料在实现“以塑代钢”方面起着不可忽视的作用，它正以其物美价廉的特征渗透到国民经济的各个领域[5]。
1.1.2注塑成型理论研究
注塑时，首先遇到的注塑的可能性和成型的难易问题，即所谓的成型性，并希望在满足质量要求下，以最短注塑周期进行高效率的生成，为此许多人们进行了不懈的努力。
Rossi-Peakes首先做了螺旋模的流动实验，用标准条件测出塑料流量和流动长度来反映工艺特征[6]。
Gilmore和Spenor用聚乙烯在柱塞浇注注塑机上，研究过热塑性塑料对可模塑条件的影响，发现注射压力，保压压力，切换时间，熔体温度，模具温度，对模型制品的收缩率有很大影响。
Staub研究了不同宽度和厚度的矩形型腔中，充模压力、浇口尺寸对充模压力的影响。
Pualson研究了注塑系统由各部分的压力损失，区分了充模期间的压力宿舍和发生压实，保压，凝固阶段的静压损失。
Barre对聚丙烯进行了充模实验，并指出注射速率与模腔压力之间的函数关系。
Booh用聚乙烯，聚苯乙烯研究了各种模塑条件下充模流体力学。
Legualer研究了一种高密度乙烯分子量分布对螺旋模流动长度的影响。
Kalyon证明：
高聚物的相对密度，流动性和热性能的不同注塑时充模时间和封口时间和制品重量也不同[7]。
1.1.3注塑成型设备发展
注塑机是注塑成型的主要设备，注塑机的技术参数和性能与塑料性质和注塑成型工艺有密切关系。
随着塑料和成型工艺的发展，注塑机无论从产量还是品种上都有了很大增长。
注塑机主要有以下几种类型：
热固性塑料注塑机、结构发泡注塑机、反应注塑成型设备、排气注塑机，随着轻工业和化工工业的发展，近来又出现了多数模回转注塑机，多模连续注塑机，多喷嘴注塑机，多料缸注塑机，动力熔化注塑机，多喷嘴注塑机，以及注吹组和注抗吹机组等多种注塑成型设备[8]。
第2章现代模具技术综述
2.1模具CAD
模具CAD是在传统的模具设计和模具生产时间中发展起来的，他是计算机技术在模具生产中综合应用的一个飞跃。
使用单独的CAD技术生产模具，就其整个生产过程来看，与传统模具设计生产过程没有质的变化，仍然是一个环节-----设计，但二者之间有着明显的界限，图纸是它们之间传递信息的最重要的手段[9]。
模具CAD与传统的模具设计最本质的区别是它实现了设计的一体化，其方便性不言而喻。
其实质是设计的计算机化。
并作为整个设计，计算，分析过程中最原始的数据，其结果可用运算数据库和网络技术将其存储和直接送到生产制造环节的分界线，也不在是制造过程的唯一依据，在系统传递的是整个设计。
计算，分析后获得的大量信息。
那么，在这里我们有必要了解一下模具CAD/CAM技术。
模具CAD/CAM技术所以能很快得到发展和广泛应用，主要是它有如下特点：
1．知识，技术密集，综合性强。
模具CAD/CAM技术是有很多先进制造技术和计算机技术的综合。
其知识，技术高度密集，设计学科领域多知识面广，技术性强，这就要求从业人员不仅要有较高的专业知识和技术，而且要有多学科的综合知识技术。
（1）生产效率高，经济效益显著。
模具CAD/CAM技术可以极大的提高生产率和经济效益，根据有关资料统计分析，用传统的方法制造模具，从设计到制成产品交货年，大约需要几个月的时间，而采用CAD/CAM技术则可缩短为十几天的时间，这就为企业在激烈的市场竞争中赢得了时间，以创造良好的经济效益。
（2）利于提高模具的标准化程度，极大的发挥了人的创造性。
标准化可有效地促进
模具CAD/CAM技术的发展，而模具CAD/CAM则要求模具设计过程的标准化，模具结构的标准化，模具制造的标准化和工艺条件的标准化。
（3）新速度快，初始投资大。
模具CAD/CAM技术的更新速度快，能适应市场的变化，为企业带来很高的效益，但初始投资却很巨大的，这也是制约模具CAD/CAM推广的重要因素。
（4）适应性广，这是模具CAD/CAM技术的又一个特点。
它不仅能适应于大型企业，而且也用于中、小型企业。
模具CAD/CAM技术仍然是在不断发展中的技术，其发展的最高阶段是计算机集成制造系统（CIMS），其目标是模具制造的全盘自动化，这就是要求有较长时间的研究开发和巨额的资金投入，人们相信，随着CAD/CAM技术的不断发展和完善，必将机械制造行业中发挥巨大的作用，为社会带来不可估量的经济效益。
2.2快速模具制造RT
由于本设计不涉及到这方面的东西，在这里只作一个简单的介绍，要想详细地了解，请查阅有关的资料。
快速模具制造是80年代才发展起来的高新制造技术，是快速原型RP在模具制造行业中的成功应用。
快速模具RT主要应用于注塑模、冲压模、铸模等方面，其制造工艺方法主要有RP间接制模和在RP系统上直接制模两种，有三种典型的工艺路线，其一是单件小批量的产品制造，它利用RP快速原型技术和真空注塑技术，直接制造树脂模具；其二是中等批量的零件制造，其工艺方案是利用RP快速原型，采用快速喷涂技术制造金属冷喷模具（即在模具表面涂一层金属薄膜，机体仍是塑料），这种模具是可用于3000件以下的注塑件生产；其三是大批量的生产类型，工艺路线是先利用RP制造石墨电极，再通过电火花加工钢模，它适用于万件以上的大批量生产。
第3章模具CAD的发展趋势
3.1发展趋势
模具设计是一个多环节的复杂过程，从初始化到最后的装配检测，实质上是将产品的设计信息在生产环节间进行不间断传送与处理并反馈的过程，正确的模具设计方法应该是并行工程的方法，是实现模具CAD等各个模具间信息的提取、交换和处理的集成化，必须建立模具集成化的产品信息模型。
采用基于特征变量化设计，工程数据库管理系统等技术已成为目前研究的热门。
运用计算机辅助设计技术进行实物零件到实物的整个复杂过程称为反演化工程，采用反演化技术，可迅速将事物CAD模型化，再利用已有的模具CAD系统进行模具设计，具有速度快等优点，同时它使模具设计的流程由传统的开环结构向闭环结构转变：
制件----模具设计----模具设计----制件同原件进行比较调整，从而建立模具质量保证体系。
利用和集成各种计算机技术，以网络为通讯手段，协调企业的各种行为以获得好的经济效益为目标来设计产品，模具作为一种特殊的行业无疑要向计算机化方向发展，这是未来模具设计总的发展趋势。
3.2新一代模具设计软件技术
新一代模具软件是建立在模具设计实践中归纳总结出来的大量知识上。
具有智能化意义。
在智能化软件的支持下，CAD不在是对传统设计与计算方法的模仿，而是在先进设计理论的指导下，充分运用本领域专家的丰富知识和成功经验，其设计结果必然具有合理性和先进性。
新一代模具软件以立体的思想，直观的感觉来设计模具结构，所以生成的三维结构信息能方便地用于模具可制造性评价和数控加工，在三维参数化特征造型、成型过程模拟、数据加工过程仿真以及信息流的组织与管理方面已达到相当完善的程度并具有较高的集成化水平。
新一代模具软件还具有模具可制造性评价功能，既可对多方案进行筛选，又可以对模具设计过程中的合理性和经济性进行评估，并为模具设计者提供修改依据。
模具可制造性评价主要包括模具设计与制造费用的估算；模具可装配性评价；模具零件制造工艺性评价；模具结构及成型转化的评价等。
新一代软件已能具有面向装配的功能，因为模具的功能还有通过装配结果才能体现出来，而新一代模具软件可为模具设计人员提供多种途径来建立模具的装配模型。
采用南向装配的设计方法后，模具装配不在是X个零件的简单拼装，起数据结构既能描述模具的功能，又可定义模具零部件间相互关系的装配特征，实现零部件的关联，因而能有效地保证模具的质量，目前，车内模具企业中已有相当多的厂家引进了较高档次的CAD/CAM/CAE系统，X等诸多软件在中车模具工业中应用。
还有，模具使用寿命与国外仍存在着较大的差距。
究其原因，很大程度上在于模具材料和热处理。
表面处理技术上使用进口模具材料，虽然对提高模具寿命有利，但价格昂贵，增加了模具的成本，因此，必须努力提高国产模具材料的质量，增加国产的信任度，替代进口模具材料。
研究和推广先进的热处理技术，充分发挥模具材料的潜力是值得重视的课题。
第4章塑料制件综述
塑料制件设计视塑料成型方法和塑料品种性能不同而有所差异。
本节主要讨论塑料制件品中产量最大的注射成型模具的设计。
常用的热塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛等。
本设计材料采用低压聚乙烯，其成型特性如下：
结晶形塑料，吸湿性小。
流动性极好，溢边值为0.02mm左右，流动性对压力变化敏感。
加热时间长则易发生分解。
加热时间长则易发生分解。
冷却速度快，必须充分冷却，设计模具时要设计冷料穴和冷却系统。
收缩率大，方向性明显，易变形、翘曲，结晶度对收缩率影响大。
易用高压注射，料温要均匀，填充速度要快，保压要充分。
不易采用直接浇口注射，否则回增加内应力，使收缩率不均匀和方向性更明显。
应注意选择浇口位置。
各种热塑性塑料有不同的比热容，热导率，热变形温度等性能。
比热容高的塑料在塑化时需要热量大，应选用塑化能力大的注射机。
热变形温度高的塑料冷却时间短，脱模早，但脱模后要防止冷却变形。
热导率低的塑料冷却速度慢，必须充分冷却，要加强模具冷却效果。
各种热塑性塑料按其品种特性及塑料形状，要保持适当的冷却速度。
因此模具设计时必须按成型要求设置加热和冷却系统。
塑料制件主要是根据使用要求进行设计，由于塑料有其特殊的物理机械性能，因此设计塑料件是必须充分发挥其性能上的优点，避免或补偿其缺点，在满足使用要求的前提下，塑料件形状应进可能地作到简化模具结构，符合成型工艺特点，在设计塑料件是必须考虑以下几个方面的因素：
1.塑料的物理性能，如强度、刚性、韧性、弹性、吸水性及对应力的敏感性。
2.塑料的成型工艺性，如流动性。
3.塑料形状应有利于冲模流动、排气、补偿，同时能适应高效冷却硬化（热塑性塑料制品）或快速受热热固化（热固性塑料制品）。
4.模具的整体结构，特别是抽芯与脱出塑料件的复杂程度。
5.模具零件的形状及其制造工艺
以上前三主要是塑料性能的特点，后两条主要是考虑模具结构特点，塑料设计的主要内容包括塑料件的材料、形状、尺寸、壁厚、精度、表面光洁度、圆角等[10]。
本文设计的制件如下：
图4-1HC130角齿护套
材料：
PE（低压聚乙烯）
制件尺寸：
R=17mmH=71mm
r=1.5mm
制件形状：
圆筒状
材料体积：
V=13.069cm
≈13.0cm
壁厚：
1mm
圆角：
r=1/4S=1/4×2=1.5mm
注塑材料要求及模具条件：
融化温度：
225～275℃[2]
模具温度：
对于未增强型材料为40～60℃。
要很好地设计模具的冷却回路以减小塑件的弯曲变形。
冷却过程一定要快而均匀。
建议模具冷却回路的直径为8mm。
注射压力：
大小中等（最大为150Mpa）。
注射速度：
应使用进可能快的注射速度（PBT的凝固速度很快）。
第5章注射模具与注射机的关系
每副模具都只能安装在与其相适应的注射机上进行生产，因此模具设计与所用的注射机关系十分密切。
在设计模具时，应详细了解注射机的技术规范。
才能设计出合乎要求的模具。
从模具设计角度出发，首先应了解的技术规范有：
注塑机的最大注射量、最大注射应力、最大锁模力、最大成型面积、模具的最大和最小厚度、最大开模行程，以及机床模板安装模具的螺钉孔（或T形槽）的位置和尺寸。
5.1注射机有关工艺参数的校核
1．最大注射量的校核
以体积计算时有：
0.8V注≥V件
0.8×60=48cm
>13.0cm
（5-1）
2．注射压力的校核
注射压力校核是校验注射机最大注射压力能否满足该制品成型的需要，制品成型所需的压力是由注射机类型、喷嘴形式、塑料流动性、浇注系统和型腔的流动阻力等因素决定的。
P注≥P成即满足一般注射压力常在700～1500kg/cm
。
3．锁模力的校核
选用注射机的锁模力必须大于型腔压力产生的开模力，不然模具分型面分开而产生溢料。
注射是产生的型腔压力对柱塞式注射机而言，因注射压力损失较大，所以型腔压力约为注射压力的40～70%，而有预塑料装置的螺杆式注射机损失较小，所以型腔压力大，一般熔料经喷嘴是其注射压力达600～750kg/cm
。
锁模力和成型面积如下：
P锁≥P腔×A/1000
50>0.75×5652/1000=4.329
故合格
5.2注射机的形式和模具的关系
选择的注射机行程距离必须大于模具的开模距离，且便于安装模具[11]。
根据以上条件，选用螺杆卧式注射机SZ-160/80特性如下：
国际通用规格
250/80
国内型号
SZ-160/80
技术参数
单位
理论注射容积
cm
125，63
实际注射量
g
110，45
螺杆直径
mm
35，40
塑化能力
g/s
11，13
注射速率
g/s
100，130
注射压力
MPa
205，157
螺杆转速
r/min
10-220
螺杆行程
mm
130
锁模力
kN
800
拉杆有效间距
mm
330×310
模板行程
mm
260
模具最小厚度
mm
170
模具最大厚度
mm
320
最大开距
mm
580
模板尺寸
mm
550×520
顶出行程
mm
55
液压顶出力
kN
28
表5-1SZ-160/80注射机特性
第6章模具材料的选择及模具加工工艺
6.1模具材料
现代注塑成型技术必须能以低廉的成本满足对质量的要求，日益提高产品的生产要求。
为此，必须控制成型工艺，合理选择注射材料，并根据产品要求控制模具成型尺寸精度及表面质量。
由于塑料尺寸精度的高低，要求模具必须按相应的精度或更高的精度进行制造。
模具在制造过程中，必须能承受巨大的注射压力进而可靠地完成重复动作，同时使模具的工作寿命尽可能的高，以补偿一次性的巨额投资。
模具的可靠性及使用寿命除与内部结构设计，使用过程中的保养关系外，主要取决于模具所选用的材料、热处理方法及制造的加工方法。
几乎所有的注射模具都是金属材料（主要是刚材料）制造，其原因是该材料价格低廉，易于购买。
而镶嵌钢或型腔嵌件有时也用其他的材料。
注射模具通常有几个部分组装而成，这些部件在模具内有自己的独特功能，这些部件在选材和热处理方面有各自的要求，我们主要讨论选材方面。
6.1.1材料的选择及要求
1.型腔、型芯材料的选择
主要性能要求：
除了要求有较强的耐磨性以外，还要有较高的强度，在加工某些材料时，还要求有较好的热应性或耐蚀性。
此外，由于制件的形状、大小、精度和批量各不相同，因此模具中同类的零件也应该根据具体情况选材。
综合本设计要求，选材为：
9Mn2V其热处理方法为淬火加低温回火且HRC≥55。
2.导柱、导套材料的选择
主要性能要求：
较高的硬度和耐磨性。
中心有一定的韧性。
导柱材料：
20Mn2B热处理方法：
渗碳HRC≥55
导套材料：
20Mn2B热处理方法：
渗碳HRC大于导柱。
3.浇口套的材料选择
主要性能要求：
表面耐磨，有时还需要耐腐蚀性和热硬性。
浇口套材料：
T8A热处理方法：
淬火加低温回火HRC≥55
4.顶出杆、拉料杆的材料及要求
主要性能要求：
一定的强度及耐磨性
顶出杆材料：
刚45热处理方法：
端部淬火HRC≥55
5.各种模板、顶出板、固定板、模脚等材料的选择及要求
主要性能要求：
一定的强度。
材料：
45Mn2
热处理方法：
调质处理。
HB≥200
6.螺栓、螺钉、定位环等材料的选择及要求
主要性能要求：
一般强度材料：
钢45
6.2模具加工工艺
模具是生产塑料制品必需的设备，模具质量的优劣，直接影响到产品的质量，因此，正确设计和制造模具，是保证产品质量的关键之一。
模具由许多零件组成。
从制造的来看，这些零件可以分为三类：
标准件、通用件和专用件。
6.2.1型腔的加工方法
1.用通用机床加工由于通用机床不适宜加工成型表面，因此主要依靠技工的技术用手工的方法慢慢的加工，生产率很低，成本很高，质量也不易保证。
2.用专用切削机床加工主要是仿型铣床。
由于此类机床价格很高，结构也较复杂，难以普遍采用。
3.采用型腔加工新工艺由于型腔加工的重要性和他的困难性，因菜很久以来人们就想了各种方法解决，至今已有了很多较为适用的型腔加工新工艺。
它们的出现，使型腔加工的周期大为缩短，成本也相应下降。
现在我国各专业模具都已采用新工艺作为制造模具的重要手段。
目前比较重要的型腔加工新工艺有冷挤压加工、电火花加工、精密铸造和低压铸造等。
这些方法都具有其优点和一定的适用范围，也都在不断的改进和发展。
因此，应该根据模具本身的特点和各自的情况来考虑那种新工艺，不以强求一律。
6.2.2冷挤压
型腔冷挤压成型，使在室温条件下，利用装在压力机上的冲头—凸模，以很大的压力（挤压钢时可达200kg/mm
以上）挤入模胚，使模胚产生塑料变形，从而形成和冲头的形状及大小一致的凹穴，在经过适当的切削力修整，使成为所需的型腔，该工艺有如下优点：
1.生产率高，尤其是多腔情况。
2.精度和光洁度高（精度可达3级或
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