CPU风扇支架注塑料模具设计.docx

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CPU风扇支架注塑料模具设计

CPU风扇支架塑料模具设计说明书

第1章塑料制品分析

第1.1节明确制品设计要求

1.1.1、塑件的三维视图及三视图

（图1-1）

图（1-2）

图1-1CPU风扇的三维视图和图1-2是CPU风扇的二维工程图，本塑件为普通电器产品，其机械性能比较好。

该产品用于电脑CPU上，对CPU起冷却散热作用及保护作用。

1.1.2、塑件材料分析；

本塑件是一件电子电器产品，所以它的机械性能比较强，电气绝缘性能好，还要一定的耐磨性。

日常生活中，有较好的绝缘性及机械强度的材料有：

聚氯乙烯（PVC）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。

其中聚甲基丙稀酸甲酯俗称有机玻璃，有好的抗冲击、耐震性以及电绝缘、着色性能。

但其成本较聚苯乙稀高，并能够溶于有机溶剂，受无机酸的腐蚀，而且塑件作为CPU风扇的配件，决定了其成本不能太高，而聚氯乙烯（PVC）为白色粉末状，其成型温度在（170～190）0C，因此要加入增塑剂、稳定剂等材料，根据加入的量不同分为硬氯乙烯（

HPVC）和软聚氯乙烯（SPVC）两种塑料。

硬氯乙烯（HPVC）是（PVC）加入少量蹭塑剂、稳定剂等材料后造粒而成，它具有较高的机械性能和韧性，对水、酸、碱有极强的抗击力和稳定性，绝缘性能好。

主要缺点是热稳定性和耐冲击力差，最高使用温度不超过800C。

这类塑料主要用于制造板块、管、棒、各种型材等挤出件，及弯头、三通阀、电线槽板等注塑产品。

软氯乙烯（SPVC）一般含有较多的增塑剂，柔软而富有弹性，耐光性，耐寒性，耐化学腐蚀性能优异，但机械强度、电气绝缘性能、耐磨性不及哽聚氯乙烯，使用过程中容易出现增塑剂挥发，迁移、抽出等现象。

从价格上比有机玻璃实惠得多。

上面是从使用性能上的简单分析，下面从成型工艺上来分析，聚氯乙稀的流动性好，成型过程中宜用高料温、高模温、低的注塑压力成型。

而且聚氯乙稀为无定型料，吸湿性小，不易分解，可用各种形式的浇口进行注塑成型。

有机玻璃的流动性中等偏差，成型过程中宜用高的注塑压力成型，成型中不能混入影响透明度的异物，防止分解，且要控制料温和模温，对模具的要求也较高，模具浇注系统应光洁，对流料的阻力要小，脱模斜度要大，排气不好还会出现气泡、银丝、熔接痕等。

通过对聚氯乙稀和有机玻璃在使用性能、成型工艺性能以及模具制造的难易程度等方面的分析、比较，选用聚氯乙稀是最合理的。

1.1.3、产品精度分析；

（1）尺寸精度；

一般而言，对电子电器的尺寸精度都不要求太高，而且产品零件图上未标公差，对于尺寸精度可按5级精度来制造模具。

（2）表面粗糙度；

该风扇支架的两个用途都要求零件有好的粗糙度和光泽。

模具的粗糙度等级一般就可以了。

模具成型部分的表面粗糙度不应小于Ra0.8,考虑到经济性，模具成型部分的表面粗糙度按Ra0.8来制造。

第1.2节、计算制品的体积和质量

该产品材料为聚氯乙烯（PVC）。

根据产品的材料性能分析，该产品应为硬氯乙烯（HPVC）。

查表得知其密度为1.35-1.45g.cm3，收缩率为0.5%-0.7%，计算出平均密度为1.4g.cm3，平均收缩率为0.6%。

使用UG或Pro/E软件画出三维实体图，软件能自动计算出所画出图形的体积，也可根据形状进行手动几何计算得到风扇支架的体积。

通过计算得到塑件的体积：

V塑=8.7cm3

塑件的质量：

M塑=ρxV塑=12.18g

其中ρ—塑件密度，g/cm3

浇注系统体积V浇=4.3cm3

浇注系统质量M=V浇ρ=4.3x1.4=6.02g

故V总=2V塑+V浇=2×8.7+4.3=21.7cm3

故M总=ρV总=1.4×21.7=30.38g

第2章注浇机的确度

第2.1节注塑机的参数

根据塑料制品的体积和质量，查有关手册《塑料模具设计》选定注塑机型号为JPH50A

注塑机的参数如下：

注塑机最大注塑量（理论注塑质量）：

67g

锁模力：

500KN

注塑压力：

154MPA

最小模厚：

150mm

模板行程：

380mm

最大开距：

530mm

顶出行程：

60mm

注塑机定位孔直径：

Φ100mm

喷嘴前端孔径：

Φ3mm

喷嘴球半径：

SR10mm

注塑机拉杆间距：

295mm×295mm

第2.2节理论注塑量

2.2.1理论注塑量

理论注塑量是指注塑机在对空注塑的条件下，注塑螺杆（或柱塞）作一次最大注塑行程时，注塑装置所能达到的最大注出量。

理论注塑量一般有两种表示方法：

一种规定以注塑聚氯乙烯（PVC）塑料（密度约为1g/cm³）的最大克数（g）为标准，称之为理论注塑质量；另一种规定以注塑塑料的最大容积（cm³）为标准，称之为理论注塑量。

2.2.1、实际注塑量（质量或容量）

根据实际情况，注塑机的实际注塑量是理论注塑量的80%左右。

即有

Ms=a×M1

Vs=a×v1

即Ms=a×M1=0.8×67=53.6

Vs=a×v1=0.8×73=58.4

式中：

M1——理论注塑量，g；

V1——理论注塑容量，cm³；

Ms——实际注塑质量，g；

Vs——实际注塑容量，cm³；

a——注塑系数，一般取值为0.8。

在注塑生产中，注塑机在每一个成型周期内向注入熔融塑料的容积或质量称为塑件的注塑量M，塑件的注塑量M必须小于或等于注塑机的实际注塑量。

当实际注塑量以实际注塑量容量Vs表示时，有：

（Ms）ˊ=ρˊVs

（Ms）ˊ=1.302×58.4=76.0368

式中：

（Ms）ˊ——注塑密度为ρ时塑料的实际注塑质量，g；

ρˊ——在塑化温度和压力下熔融塑料密度，g/cm³；

ρˊ=cρ

即ρˊ=0.93×1.4=1.302

式中：

ρ——注塑塑料在常温下的密度，g/cm³；

c——塑化温度和压力下塑料密度变化的校正系数；对结晶塑料，c=0.85，对非结晶型塑料c=0.93。

当实际注塑量以实际注塑质量Ms表示时，有：

（Ms）ˊ=Ms×（ρ/ρps）

即（Ms）ˊ=Ms×（ρ/ρps）=53.6×（1.4/1）

=75.04

式中：

ρps——聚苯乙烯在常温下的密度（约为1g/cm³）。

所以，塑件注塑量M应满足下式：

（Ms）ˊ≥M=n×Mz+Mj

即（Ms）ˊ=75.04

M=n*Mz+Mj=2×12.18+8.7=33.06

式中：

n——型腔个数；

Mz——每个塑件的质量，g；

Mj——浇注系统及飞边的质量，g。

c.塑化量与型腔数的关系

塑化量是注塑机每小时能塑化塑料的质量（g/h）。

根据注塑机的塑化量，确定多型腔模具的型腔数n，其计算公式如下

n≤（kWt/3600-Mj）/Mz

即n=2

（kWt/3600-Mj）/Mz=（0.85×2400×30/3600-8.7）/12.18

=13.99

式中：

W——注塑机的塑化量，g/h；

t——注塑最短成型周期，s；

k——塑化量的利用系数，取为0.85。

其余符号含义同前。

第3章模具设计的有关计算

第3.1节凸凹模的工作尺寸计算

由于CPU风扇外形尺寸为五级，圆为单工件加工，所以无配合要求，需要计算，凹凸模型腔尺寸则直接按尺寸确定。

3.1.1、凹模的工作尺寸计算：

对于塑件50mm尺寸的凹模外形尺寸

因为L模=[L塑（1+k）—（3/4）△]0+δ

式中L塑——塑件外型最大尺寸

k——塑件的平均收缩率

△——塑件的尺寸公差

δ——模具制造公差，取塑件尺寸公差的1/3-1/6

故L模=[50x（1+0.6）-（3/4）x0.54]0+（1/5）*0.45=75.80+0.11

对塑件10mm尺寸的尺寸的凹模深度尺寸

因为H模=[H塑（1+K）-（2/3）△]0+δ

式中H模——塑件高度方面的最大尺寸.

故:

H模=[10x（1+0.6）-（2/3）0.54]0+0.11=15.640+0.11

3.1.2、对凸模工作尺寸计算

对塑件50mm尺寸的凸模外形尺寸

因为L模=[L塑（1+k）-（2/3）△]0-δ

式中L模——塑件内径的最小尺寸

故L模=[50x（1+0.6）+（3/4）x0.54]-0.110=80.42-0.110

对塑件10mm尺寸的凸模高度尺寸

因为h模=[[h塑（1+k）+（2/3）△]-δ0

式中h塑——塑件内径的深度的最小尺寸

故h模=[10x（1+0.6）+（2/3）x0.54]-0.110=16.36-0.110mm

3.1.3型腔的侧壁厚的确定,此型腔为圆型，则

刚度计算公式为

S=r{[（E[δ]/rP-μ+1）/（E[δ]/rP-μ-1）]1/2-1}

={[（E[δ]+0.75rP）/（E[δ]-1.25rP）]1/2-1}

={[（2.1×105×0.07+0.75×30×154）/8925]1/2-1}

=41

强度计算公式为

S={[[б]/（[б]-2P）]1/2-1}

={[2.6×106/（2.6×106-2×154）]1/2-1}

=42

式中：

S——型腔侧壁厚度，mm；r——型腔半径，mm；

[б]——模具材料的许用应力，MPa；

P——型腔所受压力，MPa；

E——模具材料的弹性模量，MPa，碳钢为2.1X105MPa；

[δ]——刚度条件，即允许变形量，mm，由表6-7选取；

μ——模具材料的泊松比，碳钢为0.25。

型腔底板厚度计算，此型腔为圆形，则

刚度计算公式为

h=[Pr²/120EB[δ]（30ЛL³-45ЛLr²+64r³）]1/3

=[2.4×105/1.3×102（30Л×220³-45Л×220×30²+64×30³）1/3

=28mm

强度计算公式为

h=r[P（3ЛL-8r）/2B[δ]]1/2

=30[2.6×105（3Л×220-8×30）/2×500×1.6×106]1/2

=28mm

P——型腔所受压力，MPa；

E——模具材料的弹性模量，MPa，碳钢为2.1X10e5MPa；

[δ]——刚度条件，即允许变形量，mm，由表6-7选取；

μ——模具材料的泊松比，碳钢为0.25。

根据经验确定型腔壁厚及支承板厚度，具体尺寸见模具装配图。

第3.2节模具冷却系统的设计

对于大多数热塑性塑料，模具上不需设置加热装置。

为了缩短成型周期，需要对模具进行冷却，常用水对模具进行冷却。

即在注塑完成后通循环冷水到靠近型腔的零件上或型腔零件上的孔内，以便迅速使模具冷却。

冷却水孔的设计原则

（1）冷却水孔数量应尽可能的多，

（2）孔径尽可能的大。

冷却水孔中心线与型腔壁的距离应为冷却水道直径的1～2倍，通常12mm-15mm,

（3）冷却水道之间的中心距约为水孔直径的3～5倍。

水道直径一般在8mm以上。

（4）冷却水孔至型腔表面的距离应尽可能相等。

当塑件壁厚均匀时冷却水孔与型腔表面的距离应尽可能处处相等，当塑件壁厚不均匀时，应在厚壁处强化冷却。

（5）浇口处要加强冷却。

（6）却水孔道不应穿过镶块或其接缝部位，以防漏水。

（7）冷却水孔应避免设在塑件的熔接痕处。

（8）进出口水管接头的位置应尽可能设在模具的同一侧，通常应设在注塑机的背面。

在模具上开设冷却水道，通循环水对模具进行冷却，如下图。

第4章模具结构设计

第4.1节模板及模架结构

模具结构采用一模二腔二板式结构，侧浇口浇注系统结构，顶出机构直接采用型腔零件兼做顶杆。

如图所示。

根据模架结构示意图.《塑料模具设计》教材附录B所得的标准横架图例选选象架型号为2025-AI-30-30-70。

图4-12025-AI-30-30-70模架

第4.2节浇口套的选择；

4.2.1：

浇口套进料口直径

D=d+（0.5~1）mm

即D=4+1=5mm

式中：

d——注塑机喷嘴口直径，注塑机喷嘴口直径为Φ4mm。

4.2.2；球面凹坑半径SR

SR=r+（0.5~1）mm

SR=10+1=11mm

式中：

r——注塑机喷嘴球头半径，注塑机喷嘴球头半径为r=10mm。

4.2.3：

浇口套与定模板的配合

两者的配合可采用H7/m6。

根据附录，可选择进料口直径为φ5mm的浇口套，具体结构如图。

第4.3节分流道的设计

分流道是熔融状的塑料由主浇道流入型腔的过渡段,它能使塑料熔料平稳地转换流向注入型腔.其浇道长度取15㎜,因其塑件较小,且采用一模两腔,故分流道的布置形式采用对称式。

这样可以使分浇流道及其进料的长度、形状、断面尺寸均相等。

保证各型腔同时进料和充满型腔。

因该塑件为PVC料，查（模具制造设计手册）常用的塑料流道直径可取该分浇流道的直径取ф4mm,查（模具制造设计手册）分流道截面状取为圆形。

第4.4节导向与定位机构设计

注塑模具的导向机构主要有导柱导向和锥面定位两种类型。

导柱导向机构主要用于动、定模之间的开合模导向。

锥面定位机构用于动、定模之间的精密对中定位。

导向机构设计

4.4.1.导向机构的功用

（1）位作用

合模时保证动、定模正确的位置，以便合模后保持模具型腔的正确形状。

（2）向作用

合模时引导动模按序正确闭和，防止损坏凹、凸模。

（3）载作用

导柱在工作中承受一定的侧向压力。

4.4.2.导向机构结构及设计

模具设计通常购买标准模架，其中包括了导向机构。

如模架图。

定位机构设计

通常有导向机构就足够动、定模之间的正确定位了。

但由于导套和导柱之间存在间隙，所以对于薄壁、精密塑件的注塑模具，仅有导柱导向机构是不够的，还必须在动、定模之间增设锥面定位机构，以满足精密定位和同轴度的要求。

第4.5节.脱模机构设计

注塑成型每一循环中，塑件必须从模具中凹、凸模上脱出，完成脱出塑件的装置称为脱模机构，也称顶出机构。

4.5.1、设计原则

脱模机构设计时须遵循以下原则：

（1）因为塑料收缩时抱紧凸模，所以顶出力的作用点应尽量靠近凸模；

（2）顶出力应作用在塑件刚性和强度最大的部位，如加强条、凸缘、厚壁等，

（3）作用面积也尽可能大一些，以防止塑件变形和损坏；

（4）为保证良好的塑件外观，顶出位置应尽量设在塑件内部或对

塑件外观影响不大的部位；

（5）若顶出部位需设在塑件使用或装配的基面上时，为不影响塑

件尺寸和使用，一般顶杆与塑件接触处凹进塑件0.05∽0.1mm；

否则塑件会出现凸起，影响基面的平整。

4.5.2、脱模机构设计：

按模具结构脱模机构分为以下几类：

（1）简单脱模机构

在动模一边拖加一次顶出力，就可实现塑件脱模的机构称为简单脱模机构。

通常包括顶杆（或推杆）脱模机构等。

顶杆多用T8A或T10A材料，头部淬火硬度达50HRC以上，表面粗糙度取Ra值小于0.8μm，和顶杆孔呈H8/f8配合。

顶杆是模具表准件。

顶杆的固定一般采用如下形式：

顶杆顶出塑件后，必须回到顶出前的初始位置，才能进行下一次循环的工作。

因此，还必须设计复位杆来实现这一动作。

复位杆又称回程杆。

（2）复位（回程）杆回程。

复位杆端面与分型面平齐，合模时，定模板推动复位杆，通过顶杆固定板，顶板使顶杆恢复到顶出前的位置。

复位杆必须装在固定杆的同一固定板上。

第4.6节推件板厚度的设计

推件板受力可简化为圆环形平板周界集中载荷的力学模型。

根据脱模阻力Q=901N

求推板的厚度：

取L=200mm

B=400mm

Y=Δb/10=0.32

h=0.45L0（Q/EBY）1/2

=9.8

在实际生产过程中，还要在上面安装导套，成型型心等，

所以应取h=100.10

第4.7节分型面的选择

为开模取出塑件安全方便，动作可靠，在分型时不至于顶杆力过大，使制品发生翘曲变形或其他缺陷，又必须设计成双分型面结构，又由于要求使用潜伏式浇口，进一步增大了分型的难度，当采用双分型面分型时，脱模速度有所降低，制品不会因为受力不均匀而发生表面缺陷，同时采用双分型结构对模具成型零件的加工更为方便。

打开模具取出塑件或浇注系统的凝料的面，称之为分型面。

分型面的设计它受到塑件的形状、壁厚、和外观、尺寸精度、及模具型腔的数目等诸多因素的影响。

型腔数目的确定及布置。

根据塑件的精度确定型腔的数目：

根据经验每增加一个型腔，塑件的精度就要下降4%左右，该塑件它要求它的精度比较高，根据《塑料模具技术手册》，得到经验公式：

n=（x-δL/100）÷[（δL/100）x（4/100）]

=2500x/δL-24

=（2500x0.013）/（0.05x25）-24

=26-24

=2

所以确定模具的型腔为2。

其中x是塑件尺寸的公差，δ%是料的收缩率，ABS料取0.05%，L是塑件的基本尺寸。

型腔的布局：

由于型腔的排布与浇注系统布置密切相关，因而型腔的排布在设计中加以综合考虑。

型腔的排布应使每个型腔都通过浇注系统从压力中等分所得的足够压力，以保证塑件熔体同时均匀地充满每个型腔。

该模具采用的平衡式，其结构装配图所示。

分型面设计：

该模具采用的是单分型面的模具，其分型分面的设计原则就满足以下几项原则：

（1）塑件的脱模；

（2）保证的塑件的质量。

该模具采用在最大圆周上，保证了塑件的外观；

（3）便于模具加工，该模具采用在圆周上分型，模具的型腔容易在电火花上加上，型芯也易于加工；

（4）对成型面积的影响；

（5）对排气效果的影响；

该模具的成型面的设计可以见装配图，它基本符合上述要求。

第5章模具材料的选用

选择模具零件的材料应按其用途而定，对成型零件和用料应考虑如下因至素：

（1）要承受在高温高压下长期工作，因此应有足够的机械强度、耐疲劳性能及耐热性。

（2）用于成批大量生产的模具应具有足够的耐磨性，并应有良好的热处理性能，对形状复杂的零件及易变形的零件则还应要求材料在热处理时变形小。

（3）对于成型零件尺寸精度要求较高，应考虑使用尺寸稳定性好的材料。

（4）模具钢材的选料要便于加工，易抛光。

因调质钢属于中碳钢或中碳合金钢，其热处理为调质，即淬火后进行高温回火，也可在调质后进行表面淬火，以获得不但具有高强度及高韧性的心部组织，而且有较高的硬高和耐磨性的表面组织，比较适用于制造精度要求不高的中小型模具。

因此成型零件的材料选用T8.具体的加工工艺过程见工艺卡。

第6章浇塑机参数的校核

第6.1节浇塑量及锁模力校核

6.1.1、最大浇塑量校核

浇塑机的最大浇塑量应大于制品的质量式体积（包括流道及浇口凝料和飞边）；通常浇塑机的实际浇塑量最好是浇塑机的最大浇塑量的80%。

所以，选用浇塑机最大浇塑量应满足：

0.8V机≥V塑+V浇

式中V机——浇塑机的最大浇塑量

V塑——塑件的体积，该产品V塑=8.7cm3

V浇——浇注系统体积；该产品V浇=4.3cm3

故V机≥（V塑+V浇）/0.8=13/0.8=16.25cm3

而选定的浇塑量为73cm3，所以满足要求。

6.1.2、锁模力校核

F锁〉PA

式中P——熔融型料在型腔内的压力

该只产品P=20—40MPa

A——塑件和浇注系统在分腔面上投影面积之和，经计算，A=1143.42mm2

故F锁〉PA=40x1143.42kN=45.736kN

选定的注塑机为5000kN满足要求。

第6.2节模具与注塑机安装部分相关尺寸校核

6.2.1.模具闭合高度长度尺寸要与注塑机模板尺寸和拉杆间距相适合：

模具长X宽〈拉杆面积

模具的长X宽为150X200〈注塑机拉杆间距220X300故满足要求。

6.2.2.模具闭合高度校核

模具实际高度H模=225mm

注塑机最小闭合厚度Hmin=163mm

即H模≯Hmin,故满足要求。

6.2.3.开模行程校核

注塑机的最大行程与模具厚度有关（如全液压合模机构的注塑机），故注塑机的开模行程满足如下：

S机-（H模-Hmin）>H1+H2+（5—10）

式中H1——顶处距离（mm）;

H2——包括浇注系统在内外的塑件高度（mm）;

S机——注塑机最大开模行程（mm）;

因为，S机-（H模-Hmin）=250-（225-163）=1880mm

H1+H2+（5—10）=10+95+10=115mm

故满足要求。

七．注塑机与模具

第7.1节胀模力与模具

注塑时，螺杆作用于塑料熔体的压力，在熔料流经机筒、喷嘴、模具的浇注系统后，在型腔中余下的压力即为模腔压力p（一般为20MPa-40MPa）,该压力在型腔中产生一个使模具沿分型面胀开的胀模力Fz，该力的大小为：

Fz=pa=p（nAx+Aj）

式中：

A——塑件和浇注系统在分型面上的投影面之和；

Ax——塑件型腔在模具分型面上的投影面积；

Aj——塑件浇注系统在模具分型面上的投影面积。

在注塑过程中，为使模具不被胀模力Fz胀开，注塑机的合模装置必须对模具施以足够的夹紧力，即合模力Fs。

合模力的大小必须满足下式：

Fs≥Fz=p（nAx+Aj）

第7.2节.注塑机模座行程及间距和模具闭和高度

注塑机模座间距是指注塑机动模座之间的间距，Sk是注塑机动模座与定模座之间的最大模座间距；注塑机模座行程S是指动模座在开闭穆中实际移动的距离，模具闭合高度Hm是指模具合拢时的高度。

对液压式合模装置，注塑机模座最大间距Sk是个固定值，注塑机最大模座行程Smax在ΔH范围可调；对液压机械式合模装置，注塑机最大模座行程Smax是个定植，模座最大间距Sk在ΔH范围内可调。

实际模座行程S可分为好几种。

看具体要求而定。

第7.3节.注塑机模座尺寸及拉杆间距和模具尺寸

如下图可知，注塑机模座外形尺寸和拉杆位置，注塑机模座尺寸为H*V，拉

杆间距为H0*V0，它们是表示模具安装面积的主要参数。

注塑模具的最长边应小于min{H，V}，最短边应小于min{H0，V0}，如下图所示。

第7.4节注塑机顶出装置和注塑模具顶出机构

注塑机顶出装置的主要形式有机械顶出、液压顶出和气压吹出。

常用的是机械、液压顶出两种。

对机械顶出装置，注塑机顶杆可放在动模座的中心，也可放在动模座的两侧；对液压顶出装置，顶杆放在动模座的中心部位，对液压机械式的顶出装置，一般机械顶杆放在动模座的两侧，液压顶杆放在动模座的中心。

气压吹出需要增设气源和气路，故少用。

注塑机动模座顶杆大小、位置与模具顶出装置相适应，注塑机顶出装置的顶出距离D应大于或等于顶出距离H1。

第7.5节模具在注塑机上的安装与调试

模具在注塑机上的安装与调试包括预检、吊装紧固、顶出距离调整和合模松紧程度的调整及加热线路、冷却水管等配套部分的安装、试模。

7.5.1、预检

模具安装前，应根据模具装配图对其进行检验，了解模具的基本结构、工作原理及注意事项。

7.5.2、吊装与紧固

首先将注塑机全部功能置于调整手动控制状态，根据模具图上标示出的吊装位置及方向，并按一定的吊装方式吊起模具（尽量将模具整体吊起）。

（1）模具吊