玩具汽车外壳模具设计及其成型工艺.docx
《玩具汽车外壳模具设计及其成型工艺.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《玩具汽车外壳模具设计及其成型工艺.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
玩具汽车外壳模具设计及其成型工艺
玩具汽车外壳模具设计及其成型工艺
摘要
随着国内高速的发展，模具的使用越来越多。
这次采用了注塑成型工艺。
注塑成型能够用来制造一些结构复杂的，精度要求比较高的的塑件，它也是热塑性塑件成型的重要方法之一。
所以，研究注塑模具能够更加了解塑料制品的加工过程以及降低次品率有很重要意义。
本文详细的说明了玩具汽车外壳的模具设计过程。
先是使用设计软件进行产品的三维建模，选取产品的材料，考虑后采用一模两腔的设计方式。
然后进行产品的分模，根据模仁的大小，选取合适的模架，再设计浇注系统，顶出系统等。
分析产品的结构后，需要设计侧抽系统。
然后使用Moldflow软件进行了模流分析。
最后是使用CAD软件绘制一些零件图和模具的装配图。
关键词：
注塑模具；模架；成型系统；侧抽机构
Toycarshellmolddesignandmoldingprocess
ABSTRACT
Withthedevelopmentofdomestichighspeed,moldtheuseofmoreandmore.Weusetheinjectionmoldingprocess.Injectionmoldingcanbeusedtomakesomecomplexstructure,highaccuracyofplasticparts,itisalsooneoftheimportantmethodsofthermoplasticplasticmolding.So,theresearchinjectionmoldtoabetterunderstandingoftheprocessofplasticproductsandreducethedefectratehasveryimportantsignificance.
Thispaperillustratesthetoycarshellmolddesignprocess.Firstusethedesignsoftwareforproduct3dmodeling,selectionofmaterialsofproducts,withonemoduleandtwocavitiesafterconsideringthedesignoftheway.Andthenthepartingoftheproducts,accordingtothesizeofthecavities,choosetherightmoldframe,designofgatingsystem,ejectionsystemetc.Afteranalyzingthestructureoftheproduct,needtodesignsidepumpingsystem.ThenusingMoldflowsoftwareonmoldflowanalysis.ThelastistouseCADsoftwaretodrawsomedetaildrawingsandmoldassemblydrawing.
Keywords:
InjectionMold;Moldcavity,PrototypingSystem;Sidepumpingmechanism
1前言
1.1选题的目的和意义
通过这个课题，可以掌握设计模具的方法和步骤，也能更加深入的了解模具行业。
同时也将以前学习的机械制图等课程的知识串联了起来，并且能够提高自己使用绘图软件的能力；为自己以后的工作积累了许多经验。
现如今，玩具行业的发展很迅猛，消费的水平也越来越高；因此，本次毕业设计的课题选择以玩具汽车外壳为产品，对其进行模具的设计，并且利用计算机辅助软件对其进行成型工艺的分析。
通过本次毕业设计，通过查阅大量的资料，丰富自己的知识；提高独自思考和解决问题的能力，为以后的工作多积累一些经验。
1.2国内外的发展现状
国外的模具工业起步比较早，发展的历史也比较久，技术水平相对来说也比较成熟。
许多高新技术在欧美模具企业中得到广泛的应用。
应用高新技术来设计和制造模具，已经成为快速制造好的模具的有力保证。
在欧美等发达国家，为了提高模具工业的水平，增加信息技术的使用，企业中计算机辅助软件得到了广泛地应用[1]。
国内的模具起步比较晚，发展时间短，但近些年来，发展还是比较快的。
已经可以满足国内对于一些中档和低档模具的需求量。
国内的模具工业虽然在这十几年中得到了很快的发展，但是和工业发达国家相比，仍然在很多方面还有很大的差距。
和国外相比，国内的模具标准化的程度较低；模具制造精度低、周期长；模具品种少、效率低；模具的寿命比较短、材料的利用率也比较低；技术力量落后、管理水平较差[2]。
1.3塑料模具的分类及特点
当在加工高分子材料时，用到的模具叫做塑料成形模具，一般叫做塑料模，用它来成形塑料的产品。
根据相关的统计数据，塑料模在所有模具的占到35%-40%，在所有模具的使用中，塑料成型模具的使用也是最多的。
随着国的发展，塑料制品使用的越来越多；所以，塑料成型工业十分重要。
通常，塑料模具是由几组零件构成的，其中就有成型模腔。
当注塑时，我们将模具装夹在注塑机上，将熔融状态下的塑料注入到成型模腔里面，让塑料在腔内冷却定型，然后将上下模分开，通过顶出系统将成型好的制品顶出模腔，从而获得制品。
按照成形方法的不同，可分为注射成形模具、挤出成形模具、吸塑成形模具、高发泡聚苯乙烯成形模具等[3]。
在实际的生产中，根据所选成型塑料的种类，产品的结构和尺寸精度，生产的数量，注射机的类型和注射工艺条件等许多因素，所以注射成形模具的结构形式特别多。
塑料成型模具大致分为注塑模，压缩模，压注模，挤出模等成型模具。
而本次设计选用的是塑料注射成型模具[4]。
1.4注射模的组成
注射模是由动模和定模两部分组成。
当两块模板合在一起时就构成了型腔和浇注系统，而在开模的时候可以取出塑件和浇注系统的凝料。
模架上有许多零件，它们的功能都不一样，注射模大致由以下的几个部分组成：
（1）成型零件它一般包括型芯，型腔和螺纹型芯，螺纹型环，镶件等部分。
它直接和产品进行接触，它在很大程度上影响产品的大小，形状，表面是否平整。
（2）浇注系统塑件原料通过浇注系统进入到型腔里，它一般包括主流道，分流道，浇口和冷料穴。
（3）导向机构在闭模的时候，为了保证前模和后模能够准确的配合好，我们设计了导向机构，它能以保证产品的结构和大小的精确度。
（4）顶出机构该机构是在开模的时候，把产品从模具中顶出来。
（5）冷却系统冷却在型腔里的液态塑料，使它凝固成型。
（6）排气系统排气系统是为了将型腔内的气体排出来，而在模仁的分型面上有目的性的开设一的些沟槽。
2玩具汽车外壳的设计和工艺分析
2.1造型设计
本次毕业设计对象为玩具汽车外壳，它所需要达到的要求为：
绝缘性要好，要能耐高温，韧性和刚性都要好，应该达到儿童使用安全标准，看着也应该美观。
设计产品如图2.1所示。
图2-1玩具小车外壳三维图
2.2塑件材料选择
此次设计的是玩具汽车，主要针对小孩子，材料必须是无毒无害的；从使用性能来说，需要具备一些综合的机械性能，有较好的机械强度，一定的弹性，耐磨，化学稳定性和电绝缘性能要好。
考虑到本次设计的产品在使用方面的要求，本玩具汽车所需要的材料应具有诸如热稳定性、表面光滑等性能。
综合上述这些要求，通过对材料的筛选，选择了ABS塑料。
考虑到ABS材料的成本相对较低，对于颜色的调配更加多样。
因此，本次考虑决定选择使用ABS塑料。
2.2.1ABS特性
ABS是由三种单体组合而成，这三种单体是：
丙烯、丁二烯、苯乙烯。
它有耐冲击、耐磨、耐腐蚀等优良性能；此外，ABS的尺寸稳定性、力学性能、染色性也较好。
ABS成型和机械的加工性能不错，同时他在较低温度下也可以正常使用。
ABS以其价格上低廉、产量较大且容易获得等因素成为目前许多塑料厂商的首选对象。
ABS在外表方面来看通常为不透明微黄状，且ABS无毒无味，密度1.02-1.05g/cm3。
2.2.2ABS成型特点
ABS是热塑性塑料，他的加工性能很好，用常用的加工方式进行加工就可以。
ABS塑料的尺寸稳定性、成型加工性、耐热性很好，产品的表面光滑粗糙度低，它可以电镀上许多颜色。
它在模具当中，需要的凝固时间少，模塑的周期也比较短，表面比较光滑。
ABS因为能吸水，所以在加工此塑料之要前进行一些干燥处理。
ABS制品在加工时容易产生内应力，需要对ABS进行退火处理，这是因为考虑到应该避免出现应力太大和制品对应力开裂等情况。
2.2.3ABS的注射工艺参数
ABS的模具温度一般应保持在在75℃-85℃。
定模温度通常为70℃-80℃，而动模温度常为50℃-60℃；两者温度相差比较大，能够防止沾黏在一起。
定模温度的高低影响其流动性，温度越高则其流动性就越好，更加有利于他的充型；温度低时，则能够缩短生产该物品的冷却时间，进而可以提升其生产效率。
对于一些形状比较小的，结构也比较简单的，厚度又比较大的物体可以选用较低一些的注射压力，一般在70-100MPa；对于复杂的、薄壁的、流程长的、浇口较小的制品，注射压力应达到100-140MPa之间。
2.2.4ABS主要用途
ABS的用途很广，在机械行业，冷藏库、轴承和泵业轮都得到使用；在诸如一些轿车、汽车上都能看到由ABS制作的零部件；此外，电器零件、玩具、家具和纺织器材等都用ABS来制造。
2.3塑件工艺分析
2.3.1对结构分析
制品的工程图如图2-3所示，该玩具汽车外壳的尺寸为80mm×60mm×35mm,整体的壁厚为2mm，脱模斜度为2°。
图2-2零件图（单位：
mm）
分析外壳得知，该制品有通孔和盲孔，考虑到模具制作的成本，需要设计镶件；而制品的侧面上有两个侧孔，需要设计出侧抽机构。
2.3.2对表面质量分析
该塑件的外表面会被直观看到，表面应该光滑，无毛刺，选用的表面粗糙度相对较高，取Ra=3.2um就行；而塑件内表面不会被直接地看到，所以，表面粗糙度的选择不需要太高[5]。
2.3.3加工的方法
该塑件为大批量的生产方式，可重复使用，所以，本次采用了普通热塑性塑料注塑成型加工方法。
由于外表可能会出现毛刺等问题，所以这次就选择了侧浇口的方式。
3模具设计
我们在设计模具时，需要考虑许多的因素，其中有模具尺寸的多少，型腔的个数型腔的布局；还有模具的浇注系统，浇口和顶出机构等。
3.1对分型面的设计
3.1.1分型面的选择原则
在模具上，用来使塑料制品和浇注系统凝料脱模以及安装嵌件，把模具型腔合理的分成两个或几个部分的可分开的接触表面被称为分型面。
分型面对于模具结构形式的确定起着重要的作用。
一般会根据模具的整体结构，设计的浇注系统，制造工艺等条件来设计分型面的类型、形状和位置。
选择分型面的时候，一般会根据以下的几个原则：
（1）塑件外形最大轮廓的地方；
（2）可以让塑件能够顺利的脱离模具；
（3）保证塑件的表面质量和尺寸的精度；
（4）有利于模具的加工；
（5）有利于排出气体；
（6）考虑模具的一些特殊设计。
3.1.2确定分型面
我们一般会根据分型线来确定分型面，通过在软件中的新建制造模具型腔命令进行产品的分模，来帮助我们选取正确的分型面。
图3-1分型面
3.2确定型腔布局和模仁尺寸的大小
3.2.1模具型腔布局的确定
该塑件的尺寸精度的要求不高，它整体的尺寸不大而且需要能够批量的生产；考虑了加工的时间和成本等因素，这次选择采用一模二腔的结构，型腔成对称布局[6]。
型腔布局应按照正确的的方式设置。
当产品与产品之间没有流道时可适当减小间隙，一般取不小于10mm[7],这次设计，确定了两个模具型腔的距离约为34mm。
图3-2型腔布局方式
3.2.2模仁尺寸的确定
模仁，又叫做镶块。
产品是在模仁中成型的，所以模仁是注塑模具最重要的部分。
由于制品是多种多样的，所以加工制品所使用的模仁结构的复杂程度也就不一样。
所以，在加工模具时，最主要的就是加工模仁。
一般根据塑料制品的大小和排位方式，来确定模仁尺寸的大小。
模仁在确保钢料具有较大强度的条件下越紧密越好。
一般来说，确定模仁的大小有两种方法：
（1）计算法：
此方法按经过一些相关的公式，计算校核出型腔的壁厚的数值大小，得出来模仁尺寸的数值。
塑料制品的形状并不都一样，有的有复杂的面，不容易计算；而大多数的公式都是针对标准的模型，所以计算并不一定准确。
对于水平较低的读者来说，不太容易掌握方法。
（2）估算法：
此方法是根据以前的设计经验或者制品的一些设计规定来确定型腔的壁厚的数值，得到模仁尺寸的大小。
这种方法简单实用，操作也很方便，所以很多模具厂都采用这种方法。
图3-3估算法
根据估算法得出，此次的模仁尺寸定为长240mm，宽110mm。
定模仁的高度设置为60mm，动模仁的高度去25mm。
在加工时，需要对定模板，动模板和模仁进行加工。
一般有两种方式做法：
避空角的形式和R角形式。
通常，当模仁的尺寸小于时，会考虑采用避空角形式；当模仁的尺寸大于时，更多的会采用R角形式。
R值的大小会根据模架的大小来选择，通常取8mm，13mm，16.5mm，20mm。
本次的模仁尺寸为240x110mm，可采用倒R角形式。
R的值取为8mm，如图3-4所示。
图3-4模仁尺寸（单位：
mm）
3.3模架的选取
模具的设计主要是对于塑件外形的动、定模零部件和脱模顶出机构的设计。
一般情况下，模具上的所有零部件都是选择一定尺寸的标准件，尤其是模架。
模架的内部结构如图所示。
图3-5模架
根据制品结构的不同，塑胶模具分为二板式模具和三板式模具，可简称为二板模具和三板式模具。
由于玩具汽车结构比较简单，并且表面没有做特别要求。
考虑到模具结构相对简单，经济效率优先等因素，这次采用二板模结构，总体结构类型为单分型面注塑模具。
模架选取参考数据如图3-6所示：
图3-6模架的制定
根据图3-5中的内容，模仁尺寸为240x110mm，两边做相应延伸后可得到模板的尺寸为340x210mm。
取A板尺寸为90mm。
B板可取厚度≥25+35mm，取整数60mm。
该塑件厚度方向为35mm，顶出行程H大于等于48mm即可。
C板高度=顶出行程+顶出板厚度（35~40mm）+垃圾钉厚度（5mm）。
此次设计C板设为90mm。
综上所述,这次设计选用龙记LKM系列CI类型大水口模架，CI2340A90-B60-C90型模架，其中A板厚度为90mm，B板厚为60mm，C板厚度为90mm。
根据各个数据在CAD的燕秀工具栏中导出标准模架。
如图3-7所示。
图3-7模架
3.4浇注系统的设计
浇注系统是指熔体态的塑料从注塑机喷嘴进入模具开始到为止所通过的通道。
它对于成型的难易程度和制品质量的好坏影响巨大，是注射模设计中的重要组成部分。
经过注射机喷嘴的熔融的塑料，在高温、高压、高速的状态下，通过浇注系统进入模具型腔[8]。
3.4.1浇注系统的设计原则
浇注系统设计是十分重要的，它直接影响到注射成型的效率和塑件的质量。
在进行浇注系统的设计时，一般应遵循以下基本原则[9]：
（1）必须了解塑料的工艺性能；
（2）能够排出多余的气体；
（3）不能出现型芯和塑件变形的情况；
（4）减少熔体流道的长度和塑料的损耗量；
（5）修整比较方便，并且可以保证塑件的外观质量；
（6）要求热量和压力损失要小。
3.4.2主流道设计
主流道，是熔融原料进入模具型腔时最先过的地方，通常主流道处在模具的中心。
排气不良[10]会造成进料加难；若在进入主流道时形成旋涡及冷却太小，则塑料在流动时热量损失增加过程中冷却，阻力增大，容易造成塑料的流动性降低，注射困难。
如图3-8所示。
图3-8浇口套（内含主流道）（单位：
mm）
图3-9浇口套主流道参数（单位：
mm）
3.4.3分流道的设计
分流道是熔体从主流道的末端到浇口所经过的地方，此次设计的分流道的界面取圆形，直径取6mm，长度为28mm[11]。
如图3-10所示。
图3-10分流道（单位：
mm）
3.4.4浇口的设计
浇口是熔料进入到型腔的最后一道流程。
浇口直径的大小影响融料进入模腔速度的大小。
在产品成型之后，首先凝料的是浇口位置，这样就可能够避免熔料发生倒流。
在选择浇口位置时，要考虑很多因素，尽量选在分型面上，有利于模具的加工；选择壁厚的地方，能够减缓冷却速度，对于塑件的成型有利；浇口数量要尽量少，避免产生多个熔接痕。
本次设计中对于塑件外表面质量要求比较高，所以这次采用了侧浇口[12]，浇口的直径为2mm，长度为3mm，如图3-11所示。
图3-11浇口（单位：
mm）
3.4.5冷料井的设计
冷料穴，位于在主流道和分流道的末端。
它就是用来存放填充过程中最先进入流道的冷料。
它能避免在填充的时候冷料进入模腔因温度差别而影响产品的最终质量，而在开模的时候又能将主流道中的凝料拉出来。
冷料穴一般都会开在动模板上[13]，本次采用“Z”形头拉料钩针，直径取为8mm，其它尺寸如图3-12所示。
图3-12冷料穴（单位：
mm）
3.5侧向抽芯结构的设计
在本次的模具设计中，观察塑件结构可以发现，塑件在和开合模方向不同的内侧有通孔。
从图3-13中可以看出，塑件不能直接由推杆推出来脱离模具。
其需要设计侧抽系统。
图3-13塑件结构图
这次采用的是侧型芯滑块抽芯方向与开合模方向垂直的方式。
所以斜导柱的倾斜角α最好取15°。
为了锁紧，导柱顶端的斜面角度θ的取值一般比α大2°-3°，取值为18°。
计算抽芯力的大小。
通过公式计算，带入数据计算出，Ft=10.8kN。
确定抽芯的距离：
一般来说，侧向抽芯的距离一般都要比塑件上的侧凹，侧孔的深度或者凸台的高度大2-3mm。
可以利用公式：
mm，s´的取值为2mm,所以s的值为5mm。
为了计算斜导柱的工作长度，根据公式：
，带入数据，得出L=101mm。
图3-14侧向抽芯（单位：
mm）
3.6推出机构设计
推出机构，又叫脱模机构，因为当塑件冷却成型后，它并不会自动脱落。
所以需要用推出机构来把塑件从动模上顶出来，从而获得塑件。
通常都会用安装在注射机上的顶杆或液压缸来完成推出机构的动作。
本次设计塑件推出采用适当位置的顶针和拉料杆等元件相组合的方式来实现产品的脱模顶出。
顶针的形式简单的分有直杆式和阶梯式。
截面分为有圆形截面、方形截面和异形截面三种。
本次设计采用圆顶针对称布置，顶针直径为6mm。
顶针要布置在产品难以脱模的部位，且要均匀布置，使产品受力均匀，避免产品在顶出时发生变形；避免分布在品的薄面上，避免顶破，变白，变形。
顶针的布局如图3-15所示。
图3-15顶针的布局（单位：
mm）
3.6.1顶出行程的计算
顶出行程指的是产品在开模后被顶出的距离。
实际设计时为安全起见，顶出行程应该稍微取大点，按如下公式来算：
H为顶出行程，L为产品的高度，这个产品高度是产品在开模方向上测得的最高点到最低点的距离。
本次选择的模架顶出行程H是50mm，产品的高度为35mm，安全余量大于等于13mm。
由公式算出顶出行程满足要求。
3.6.2复位机构
设置复位机构是为了满足连续的生产，顶出板在顶出后需要复位来进行循环生产。
本设计的采用回针来完成复位，回针固定在顶出板上，当顶出时，回针随着顶针板运动，当顶出结束时，复位时前模板的挤压迫使回针复位，从而使顶出板复位。
3.6.3垃圾钉
在模具工作过程中，如果在下顶出板和动模底板之间存在垃圾，则很有可能使顶出板不能回到正确指定的位置，当再次顶出时顶出板可能会出现不平稳状态，严重情况下可能会使顶针发生扭曲或折断。
所以，垃圾钉的使用，就是为了避免上面的情况发生。
图3-16垃圾钉（单位：
mm）
3.7冷却系统设计
模具当中的温度的变化会影响到塑料产品成型的质量。
不同的塑料对于模具的温度要求也不一样。
模具最常用的冷却剂是水。
当水在模具中循环流动的时候会带走塑料熔融体的热量，能够以维持塑件成型所需的温度，而水的比热容是最大的，成本又低，所以，水是模具生产行业最为普遍的冷却剂。
一般情况下，水路都设计在动模和定模内[14]，本次采用普通的循环式水冷方式，本次选取水孔直径为6mm，位置分布如图3-17，3-18所示。
图3-17动模冷却水路（单位：
mm）
图3-18定模的冷却水路（单位：
mm）
一般的冷却水路布置要求是冷却水道数量要多，孔直径大，交口处加强冷却，需要避开易产生熔接痕的地方。
考虑到本次设计有侧抽系统，所以本次设计采用的是回字路线的分布，循环式降温。
定模水路距离定模底面为11mm，动模水路距离动模底面为11mm，两个水路距离为63mm，其它数据如图3-19所示。
图3-19水路的分布位置（单位：
mm）
4成型工艺分析
4.1模流分析概述
模流分析是模具设计中不能缺少的部分。
通过模流分析的最佳浇口位置、塑件的充填、流动过程中的流动及翘曲等结果，判断产品需要改进的地方[15]。
塑胶模具常用软件有Moldflow、Moldex3D等本次模拟即采用Moldflow进行操作。
通过模流分析可以帮助确定改进设计最佳的浇口位置，模拟塑件的充填、流动过程中的流动及翘曲等结果等。
这样就避免因盲目设计而导致后期反复试模，缩短了塑件成型周期，提高生产效率，节省了大量材料。
在模具行业中，模流分析已经得到了普遍的使用，很多企业也因此获得更多收益。
4.2对塑件进行网格划分
塑件的网格有以下三种方法：
主要包括中性面网格；双层面网格；实体网格三种。
因为本设计采用一模两腔，为了使后面的分析能顺利的进行。
本次选用了双层面网格，修改了不合理的网格后生成的网格个数为11428个，最终分析得出相关数据都符合分析要求。
图4-1网格划分
4.3成型窗口分析
定义成型条件的界线，在此界线内可以生成出合格的零件，又称为工艺窗口。
如果成型条件位于该区域内，则可以制造出优质零件。
MOLDFLOW软件成型窗口结果显示了对于给定的材料进行分析，能够得出生产合格零件所需的最佳模具温度、熔体温度和注射时间。
可以根据数据来确定填充+保压分析的输入的数据。
通过“成型窗口”分析，系统会给出模型的最佳的成型工艺参数，通过“分析日志”看“成型窗口”分析的最终结果。
如图4-2所示，推荐的模具温度为80；推荐的熔体温度为280；推荐的注射时间为0.4204s。
分析结束后可以根据所得的数据对设计进行优化。
图4-2推荐工艺参数
4.4充填分析
在成型窗口推荐的工艺条件下，对塑件进行充填分析，查看塑件能否充填完整。
分析结果如图所示。
从图中可看出，塑件充填时间为2.088s，塑件全部充填完全，并没有欠注的现象，说明模具设计和工艺参数设置正确，能够充填完整。
通过本次模拟分析，对前面设计参数再进行校核、修改和完善。
最终使设计参数符合工艺的规程，提高了本次设计的准确性。
图4-3充填分析
5总结
这次的毕业设计，首先了解了模具的发展，重点查阅了塑料模具的相关资料。
知道了塑料模具的分类，以及模具的组成部分和作用。
此次设计我选用了注塑模具成型的方法。
先是选定了合适的玩具汽车模型，对其进行了尺寸的测量，绘制出了玩具汽车的三维模型。
然后就是对模型进行分模。
确定模腔数，布局方式，浇注系统，顶
升级会员 