最新扫帚柄注射工艺与模具设计设计说明.docx
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最新扫帚柄注射工艺与模具设计设计说明
扫帚柄注射工艺与模具设计设计说明
常州机电职业技术学院
毕业设计（论文）
作者：
学号：
系部：
模具技术系
专业：
模具设计与制造（CAD\CAM）
题目：
扫帚柄注射工艺与模具设计
指导者：
评阅者：
1引言5
1.1.概述5
1.2.国外发展情况[1][2]6
1.3.国内发展情况6
2.制件结构和工艺性分析8
2.1ABS的使用性能9
2.1.1ABS的主要技术指标9
2.1.2ABS的使用性能：
9
2.2ABS的工艺特性10
2.2.1收缩率：
10
2.2.2流动性：
10
2.2.3吸湿性：
10
2.2.4应力敏感性：
10
2.3ABS成型特性10
2.4ABS注塑工艺性11
2.4.1ABS的干燥11
2.4.2注射温度11
2.4.3注射压力11
2.4.4注射速度12
2.4.5模具温度12
2.4.6料量控制12
2.5塑件的材料和几何形状12
2.5.1塑件的选材12
2.5.2塑件的几何形状12
2.6塑件的尺寸、精度和表面粗糙度14
2.6.1塑件的尺寸14
2.6.2塑件的尺寸精度14
2.6.3表面粗糙度14
2.6.4标志与花纹14
3.拟定模具结构形式14
4.1确定型腔数量和排列方式14
4.2推出机构的确定15
4.3模具结构形式的确定15
5.注射机型号的确定16
5.1最大注塑量[6]16
5.2锁模力计算16
6.分型面位置的确定[7]17
7.主流道设计[8]19
7.1主流道尺寸19
7.2主流道衬套的形式19
7.3主流道衬套的固定19
7.4分流道的形状及尺寸20
7.5分流道表面粗糙度20
图7-2模具的流道布置形式20
8.浇口的设计20
8.1浇口的选用[9]21
8.2浇口位置的选择[9]21
9．排气系统的设计22
9.1排气槽的作用[10]22
9.2排气方式22
9.3排气槽的设计要点22
9.4排气槽的位置和形式[11]23
10.成型零部件结构与设计24
10.1注塑模成型零部件结构24
10.1.1型腔的结构设计24
10.1.2型芯的结构设计24
10.2注塑模成型零件工作尺寸计算24
10.2.1型腔的尺寸计算25
10.2.2型芯尺寸计算25
11、侧向分型与侧抽芯机构的设计26
11.1侧向分型与侧抽芯机构的类型的选用26
11.2抽芯距与抽芯力的计算[13]26
11.2.1抽芯距的计算26
11.2.2抽芯力的计算27
11.3斜导柱的侧向分型与侧抽芯机构27
11.3.1斜导柱的侧向分型与侧抽芯机构的形式27
11.3.2斜导柱的侧向分型与侧抽芯机构的设计27
11.3.3滑块的设计28
图11-4滑块定位装置29
11.3.4楔紧块的设计29
12.推出、脱模、复位结构[13]30
12.1影响顶出力的因素30
12.2顶出机构的设计原则30
12.3顶出机构的基本形式31
12.4顶杆的组装精度31
12.5顶杆的结构形式和固定方式32
12.7复位机构设计33
13．合模导向定位结构33
13.1导柱设计33
图13-2导柱导套的固定形式34
14.模具冷却系统的设计35
14.1模具温度调节的重要性35
14.1.1模具温度及其调节系统对塑件质量的影响35
14.1.2模具温度及其调节系统对生产效率的影响35
14.2冷却系统的计算35
14.2.1塑料传给模具的热量35
14.2.2由冷却水带走的热量36
14.2.3热传导面积（冷却水道表壁的面积）36
14.2.4冷却水管总长度36
16有关参数校核37
16.1注射量的校核[13]37
16.2合模力的校核38
17.塑料模具钢的选用[13]38
17.1塑料模具用钢的必要条件38
17.2选择模具钢要考虑的条件38
17.2.1塑件的生产批量38
17.2.2塑件的尺寸精度39
16.2.3制件的复杂程度39
17.2.4制件的体积大小39
17.2.5制件的外观要求39
17.3模具钢的选定39
结束语40
\41
致谢41
参考文献42
1引言
1.1.概述
注射成型也称为注射模塑或注塑，是热塑性塑料的一种重要成型方法。
迄今为止，除氟塑料外，几乎所有的热塑性塑料都可以采用此成型方法；它的特点是生产周期短、生产效率高、易自动化，因此广泛应用于塑料制品的生产。
目前，注射成型总的发展趋势是向精密、节能、自动化、薄壁化和微型化发展。
当今世界注射模具的基本格局是以日、美及欧洲各工业化国家作为世界模具技术的领头羊，占据了世界注射模具市场的半壁江山，他们拥有现代的设计方法和先进的模具制造设备，特别是近几年来这些国家把CAD/CAM/CAE系统作为模具工业发展的臂翼，其发展的趋势如日中天。
1.2.国外发展情况[1][2]
注塑模具设计，国外先进国家（日本、德国、美国等）从20世纪80年代中期已广泛使用计算机对塑料模进行辅助设计（CAD），辅助制造（CAM），并对模具设计的各个环节进行定量计算机和数值分析（CAE），已由经验数据逐步过渡到计算机设计，对模具浇注系统和型腔的熔料流动行为以及温度调节系统的热量分布都采用了微机辅助设计。
注塑制品已呈现自动化生产，对注塑成型机可以进行远距离操作或无人操作，成型机可以根据生产监测信号实时调整成型工艺条件，从而能从根本上保证塑料制品的成型质量不发生问题。
1.3.国内发展情况
80年代以来，在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的支持和引导下，我国模具工业发展迅速，年均增速均为13%，1999年我国模具工业产值为245亿，至2000年我国模具总产值预计为260-270亿元，其中塑料模约占30%左右。
在未来的模具市场中，塑料模在模具总量中的比例还将逐步提高。
我国塑料模工业从起步到现在，历经半个多世纪，有了很大发展，模具水平有了较大提高。
在大型模具方面已能生产48英寸大屏幕彩电塑壳注射模具、6.5kg大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具；精密塑料模具方面，已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。
如天津津荣天和机电有限公司和烟台北极星I.K模具有限公司制造的多腔VCD和DVD齿轮模具，所生产的这类齿轮塑件的尺寸精度、同轴度、跳动等要求都达到了国外同类产品的水平，而且还采用最新的齿轮设计软件，纠正了由于成型收缩造成的齿形误差，达到了标准渐开线齿形要求。
还能生产厚度仅为0.08mm的一模两腔的航空杯模具和难度较高的塑料门窗挤出模等等。
注塑模型腔制造精度可达0.02～0.05mm，表面粗糙度Ra0.2μm，模具质量、寿命明显提高了，非淬火钢模寿命可达10～30万次，淬火钢模达50～1000万次，交货期较以前缩短，但和国外相比仍有较大差距，具体资料见表一。
成型工艺方面，多材质塑料成型模、高效多色注射模、镶件互换结构和抽芯脱模机构的创新设计方面也取得较大进展。
气体辅助注射成型技术的使用更趋成熟，如青岛海信模具有限公司、天津通信广播公司模具厂等厂家成功地在29～34英寸电视机外壳以及一些厚壁零件的模具上运用气辅技术，一些厂家还使用了C-MOLD气辅软件，取得较好的效果。
如上海新普雷斯等公司就能为用户提供气辅成型设备及技术。
热流道模具开始推广，有的厂采用率达20%以上，一般采用内热式或外热式热流道装置，少数单位采用具有世界先进水平的高难度针阀式热流道装置，少数单位采用具有世界先进水平的高难度针阀式热流道模具。
但总体上热流道的采用率达不到10%，与国外的50～80%相比，差距较大。
在制造技术方面，CAD/CAM/CAE技术的应用水平上了一个新台阶，以生产家用电器的企业为代表，陆续引进了相当数量的CAD/CAM系统，如美国EDS的UGⅡ、美国ParametricTechnology公司的Pro/Engineer、美国CV公司的CADS5、英国Deltacam公司的DOCT5、日本HZS公司的CRADE、以色列公司的Cimatron、美国AC-Tech公司的C-Mold及澳大利亚Moldflow公司的MPA塑模分析软件等等。
这些系统和软件的引进，虽花费了大量资金，但在我国模具行业中，实现了CAD/CAM的集成，并能支持CAE技术对成型过程，如充模和冷却等进行计算机模拟，取得了一定的技术经济效益，促进和推动了我国模具CAD/CAM技术的发展。
近年来，我国自主开发的塑料模CAD/CAM系统有了很大发展，主要有北航华正软件工程研究所开发的CAXA系统、华中理工大学开发的注塑模HSC5.0系统及CAE软件等，这些软件具有适应国内模具的具体情况、能在微机上应用且价格较低等特点，为进一步普及模具CAD/CAM技术创造了良好条件。
近年来，国内已较广泛地采用一些新的塑料模具钢，如：
P20、3Cr2Mo、PMS、SMⅠ、SMⅡ等，对模具的质量和使用寿命有着直接的重大的影响，但总体使用
量仍较少。
塑料模标准模架、标准推杆和弹簧等越来越广泛地得到应用，并且出现了一些国产的商品化的热流道系统组件。
但目前我国模具标准化程度和商品化程度一般在30%以下，和国外先进工业国家已达到70%-80%相比，仍有很大差距。
表一国内外塑料模具技术比较表
项目
国外
国内
注塑模型腔精度
0.005～0.01mm
0.02～0.05mm
型腔表面粗糙度
Ra0.01～0.05μm
Ra0.20μm
非淬火钢模具寿命
10～60万次
10～30万次
淬火钢模具寿命
160～300万次
50～100万次
热流道模具使用率
80%以上
总体不足10%
标准化程度
70～80%
小于30%
中型塑料模生产周期
一个月左右
2～4个月
在模具行业中的占有量
30～40%
25～30%
据有关方面预测，模具市场的总体趋热是平稳向上的，在未来的模具市场中，塑料模具的发展速度将高于其它模具，在模具行业中的比例将逐步提高。
随着塑料工业的不断发展，对塑料模具提出越来越高的要求是正常的，因此，精密、大型、复杂、长寿命塑料模具的发展将高于总量发展速度。
同时，由于近年来进口模具中，精密、大型、复杂、长寿命模具占多数，所以，从减少进口、提高国产化率角度出发，这类高档模具在市场上的份额也将逐步增大。
建筑业的快速发展，使各种异型材挤出模具、PVC塑料管材管接头模具成为模具市场新的经济增长点，高速公路的迅速发展，对汽车轮胎也提出了更高要求，因此子午线橡胶轮胎模具，特别是活络模的发展速度也将高于总平均水平；以塑代木，以塑代金属使塑料模具在汽车、摩托车工业中的需求量巨大；家用电器行业在“十五”期间将有较大发展，特别是电冰箱、空调器和微波炉等的零配件的塑料模需求很大；而电子及通讯产品方面，除了彩电等音像产品外，笔记本计算机和网机顶盒将有较大发展，这些都是塑料模具市场的增长点。
我国塑料模具工业和技术今后的主要发展方向将包括：
（1）提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计制造水平及比例。
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了良好的条件;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，而且其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，继续研究发展高压注射成型工艺与模具以及注射压缩成型工艺与模具也非常重要。
（4）开发新的塑料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规格品种。
（6）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。
2.制件结构和工艺性分析
A.所用塑料及其性能
本制件使用的原料为苯乙烯、丁二烯、丙烯腈的三元共聚物，简称ABS，英文名称是acrylonitrile-butadiene-styrene。
ABS树脂为一种用途极为广泛的一种热塑性工程塑料，ABS树脂兼有三种组分的共同性质，成为具有“坚韧、质硬、刚性”的材料。
丙烯腈能使聚合物耐化学腐蚀，且有一定的表面刚性，丁二烯使聚合物呈现橡胶状韧性，苯乙烯使聚合物显现热塑性塑料的加工特性，即较好的流动性。
主要的成型方法有注射成型、挤出成型、吹塑成型等（本设计采用注射成型）。
2.1ABS的使用性能
2.1.1ABS的主要技术指标（见表2-1）：
表2-1ABS的主要技术指标[3]
塑料性能
数值
屈服强度/MPa
50
拉伸强度/MPa
38
断裂伸长率（%）
35
拉伸弹性模量/GPa
1.8
弯曲强度/MPa
80
弯曲弹性模量/Gpa
1.4
表面电阻率/Ω
1.2×1013
体积电阻率/Ω·m
6.9×1014
耐电弧性/s
50～85
密度/（g·cm-3）
1.02～1.16
吸水率（%）
0.2～0.4
摩擦系数
0.45
熔点（或粘流温度）/℃
130～160
熔融指数/[g（10min）-1]
200℃负荷50N，喷嘴φ2.090.41～0.82
维卡针入度/℃
71～122
马丁耐热/℃
63
热变形温度/℃（45Mpa）
90～108
线膨胀系数/（10-5×℃-1）
7.0
计算收缩率（%）
0.4～0.7
比热容/（J·kg-1·K-1）
1470
热导率/（W·m-1·K-1）
0.263
燃烧性/（cm·min-1）
慢
2.1.2ABS的使用性能：
（1）性能：
综合性能较好，冲击韧性、机械强度较高，尺寸稳定，耐化学性、电性能良好；易于成型和机械加工，与372有机玻璃的熔接性良好，可作双色成型塑件，且表面可镀铬。
（2）用途：
应用在机械工业可作为结构材料使用，用来制造齿轮、电机外壳、仪表盘、冰箱外壳等；在汽车工业可制作手柄、挡泥板、加热器等；航空工业中可用来制造机舱装饰材料以及隔声材料等。
此外还可制造纺织器材、计算机零部件、管材以及日用品等。
2.2ABS的工艺特性
热塑性塑料的工艺特性包括收缩率、流动性、吸湿性、应力敏感性等。
2.2.1收缩率：
塑料制品从模具中取出发生尺寸收缩的特性，称为塑料的收缩率。
热塑性塑料制品的收缩率与塑料品种、浇口形式、尺寸及分布，以及成型条件有关，通常将塑料制品的收缩统称为成型收缩。
ABS的收缩率范围为0.3%～0.8%。
考虑综合因素，且根据收缩率范围较小的塑料品种按收缩率的范围取中间值原则，本设计塑件收缩率取值为0.5%。
2.2.2流动性：
在成型过程中，塑料熔体在一定温度与压力作用下，充填模腔的能力，称为塑料的流动性。
ABS的流动性一般，溢边料在0.04mm左右（流动性比聚苯乙烯，聚丙烯差，但比聚碳酸脂，聚氯乙烯好）。
2.2.3吸湿性：
吸湿性是指塑料对水的亲和性，凡是吸湿性强，或具有粘附水分倾向的塑料，在成型前，必须进行干燥处理，以去除其中水分。
ABS的吸湿性较强，含水量应小于0.3%,必须充分干燥，要求长时间预热干燥。
2.2.4应力敏感性：
应力敏感性是指塑料在成型时，易产生内应力，使塑件变脆，开裂。
ABS属于这类材料，对于这类的材料可采取以下措施以防止制品的开裂：
（1）在原料中加入增强填料，以提高抗裂性；
（2）应合理设计制品和模具结构，选择有利成型条件，以减少内应力。
2.3ABS成型特性
ABS注射成型的主要工艺参数（见表2-2）：
表2-2ABS注射成型的主要工艺参数[3]
项目
ABS
注射机类型
螺杆式
螺杆转速/（r/min）
30～60
喷嘴
形式
直通式
温度/℃
180～190
料筒温度/℃
前段
200～210
中断
210～230
后段
180～200
模具温度/℃
50～70
注射压力/MPa
70～90
保压力/MPa
50～70
注射时间/s
3～5
保压时间/s
15～30
冷却时间/s
15～30
成型周期/s
40～70
2.4ABS注塑工艺性
2.4.1ABS的干燥
ABS塑料的吸湿性和对水分的敏感性较大，在加工前进行充分的干燥和预热，不单能消除水汽造成的制件表面烟花状泡带、银丝，而且还有助于塑料的塑化，减少制件表面色斑和云纹。
ABS原料要控制水分在0.13%以下。
注塑前的干燥条件是：
干冬季节在75～80℃以下，干燥2～3h，夏季雨水天在80～90℃下，干燥4～8h，如制件要达到特别优良的光泽或制件本身复杂，干燥时间更长，达8～16h。
因微量水汽的存在导致制件表面雾斑是往往被忽略的一个问题。
最好将机台的料斗改装成热风料斗干燥器，以免干燥好的ABS在料斗中再度吸潮，但这类料斗要加强湿度监控，在生产偶然中断时，防止料的过热。
2.4.2注射温度
ABS塑料的温度与熔融粘度的关系有别于其他无定型塑料。
在熔化过程温度升高时，其熔融实际上降低很小，但一旦达到塑化温度（适宜加工的温度范围，如220～250℃），如果继续盲目升温，必将导致耐热性不太高的ABS的热降解反而使熔融粘度增大，注塑更困难，制件的机械性能也下降了。
所以，ABS的注射温度虽然比聚苯乙烯等塑料的更要高，但不能像后者那样有较宽松的升温范围。
某些温控不良的注塑机，当生产ABS制件到一定数量时，往往或多或少地在制件上发现嵌有黄色或褐色的焦化粒，而且很难利用加新料对空注射等办法将其清除排出。
究其原因，是ABS塑料含有丁二烯成分，当某塑料颗粒在较高的温度下牢牢地粘附在螺槽中一些不易冲刷的表面上，受到长时间的高温作用时，造成降解和碳化。
既然偏高温操作对ABS可能带来问题，故有必要对料筒各段炉温进行限制。
当然，不同类型和构成的ABS的适用炉温也不同。
如柱塞式机,炉温维持在180～230℃，螺杆机炉温维持在160～220℃。
特别值得提出的是，由于ABS的加工温度较高，对各种工艺因素的变化是敏感的。
所以料筒前端和喷嘴部分的温度控制十分重要。
实践证明，这两部分的任何微小变化都将在制件上反映出来。
温度变化越大，将会带来熔接缝、光泽不佳、飞边、粘模、变色等缺陷。
2.4.3注射压力
ABS熔融件的粘度比聚苯乙烯或改性聚苯乙烯高，所以在注射时采用较高的注射压力。
当然并非所有ABS制件都要施用高压，对小型、构造简单、厚度大的制件可以用较低的注射压力。
注制过程中，浇口封闭瞬间型腔内的压力大小往往决定了制件的表面质量及银丝状缺陷的程度。
压力过小，塑料收缩大，与型腔表面脱离接触的机会大，制件表面雾化。
压力过大，塑料与型腔表面摩擦作用强烈，容易造成粘模。
2.4.4注射速度
ABS料采用中等注射速度效果较好。
当注射速度过快时，塑料易烧焦或分解析出气化物，从而在制件上出现熔接缝、光泽差及浇口附近塑料发红等缺陷。
但在生产薄壁及复杂制件时，还是要保证有足够高的注射速度，否则难以充满。
2.4.5模具温度
ABS的成型温度相对较高，模具温度也相对较高。
一般调节模温为75～85℃，当生产具有较大投影面积制件时，定模温度要求70～80℃，动模温度要求50～60℃。
在注射较大的、构形复杂的、薄壁的制件时，应考虑专门对模具加热。
为了缩短生产周期,维持模具温度的相对稳定，在制件取出后，可采用冷水浴、热水浴或其他机械定型法来补偿原来在型腔内冷固定型的时间。
2.4.6料量控制
一般注塑机注ABS塑料时，其每次注射量仅达标准注射量的75%。
为了提高制件质量及尺寸稳定，表面光泽、色调的均匀，要求注射量为标定注射量的50%为宜。
B．塑件工艺性
塑件的质量好、成本低、生产率高，不仅与成型方法、成型设备、成型工艺及模具结构有密切的关系，同时也取决于塑件本身的工艺性，可见塑件工艺性是非常重要的。
如图2-1示，该塑料件为一壳体件，形状为类似于矩形壳体，该壳体件基本为规则几何体的组合，无明显的空间复杂曲面的组合，结构简单、尺寸精度不是太高。
2.5塑件的材料和几何形状
2.5.1塑件的选材
塑件的选材应从塑料的力学、物理、化学性能考虑，以满足塑件的使用要求，另外还要考虑塑料的工艺性能和成型性能，以保证塑件既符合使用要求，又易于成型，当然也需要考虑材料和成型的价格。
之前已经介绍过ABS的力学、物理、化学特性、使用性能、工艺性能及成型性能，因此，本设计采用的材料是ABS。
2.5.2塑件的几何形状
塑件的几何形状包括脱模斜度、壁厚、加强肋、圆角、孔、支撑面、标志及花纹等。
塑件的几何形状与成型方法、模具分型面的选择、塑件是否顺利成型与脱模有直接的关系。
图2-1
（1）脱模斜度：
由于塑件冷却后，产生收缩，会使塑件紧紧包住模具型芯或模具型腔中凸出的部分，为了使塑件易于从模具中脱出，并且避免脱模时拉伤或擦伤塑件，因此，在设计塑件时，必须考虑到塑件内外表面沿脱模方向均应有足够的脱模斜度。
查资料所得ABS的脱模斜度的范围在40‘～1○30‘之间，本设计取塑件脱模斜度为：
a=1○。
如图3-2所示：
图3-2塑件的脱模斜度
（2）壁厚：
塑件的壁厚与使用要求有关，如果壁厚过薄，塑件在使用上可能不具备足够的强度和刚度；在脱模时，难以承受脱模机构的冲击和振动；在运输中，会造成变形甚至损坏；在成型中，熔体塑料在模具行型腔中阻力加大，而使流动性变差，而且不便于塑件从模具中顶出。
如果塑件过厚，会因为用料过多，而使成本增加，并且会使成型时间加长，从而降低生产效率。
此外，壁厚过厚的塑件也易产生气泡、缩孔、凹痕、翘曲等缺陷。
由于塑件属于中小型制品，本设计取基本壁厚为t=2mm。
（3）圆角：
塑件所有转
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