叶轮注塑成型工艺及模具设计519.docx

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叶轮注塑成型工艺及模具设计519

毕业设计（论文）

题目：

叶轮注塑成型工艺及模具设计

学生：

指导教师：

学院：

专业：

班级：

学号：

2020年5月

叶轮注塑成型工艺及模具设计

摘要

通过对叶轮进行结构及注塑成型工艺分析，设计出一套适合该产品的注射成型模具。

首先概述了注塑模具的发展趋势和本次课题研究的内容及意义，其次通过对叶轮的外形结构与POM塑料的使用性能进行分析，最后对模具结构所需的尺寸、结构进行计算与校正。

由于叶轮产品外形对称、尺寸较小、外表面结构简单，模具采用一模四腔结构，浇注系统采用侧浇口方式进浇，推出机构采用推杆推出机构完成制件的推出，成型零件选用整体式结构提高牢固性。

分型面的位置可利用UG软件分析其面斜率确定，模架需根据CAD软件绘制出叶轮二维图形并加以测量来确定。

通过模具结构的分析计算和相关说明以及注射机型号、注射压力和注射量等工艺参数计算校核，结果表明，此次设计模具结构合理。

此外，本文还利用Moldflow软件来对叶轮注射成型过程进行模拟分析，根据所得结果优化模具的结构设计。

关键词：

叶轮；注塑模具；分型面；脱模机构

InjectionMoldingTechnologyandMoldDesignofImpeller

Abstract

Throughtheanalysisofimpellerstructureandinjectionmoldingprocess,asetofinjectionmoldingmouldsuitablefortheproductwasdesigned.Firstly,thedevelopmenttrendofinjectionmoldandthecontentandsignificanceofthisresearchtopicaresummarized.Secondly,theprofilestructureofimpellerandtheperformanceofPOMplasticareanalyzed.Finally,thedimensionandstructurerequiredbythemoldstructurearecalculatedandcorrected.Duetothesymmetricalshape,smallsizeandsimpleexternalsurfacestructureoftheimpellerproducts,themoldadoptsaone-moldfour-chamberstructure,thecastingsystemadoptssidegatemethod,thepushingmechanismadoptspushrodpushingmechanismtocompletethelaunchingoftheparts,andtheformingpartsusetheintegralstructuretoimprovethefirmness.ThepositionofthepartingfacecanbedeterminedbyusingUGsoftwaretoanalyzeitsslope,andthedieframeneedstodrawatwo-dimensionalfigureoftheimpelleraccordingtotheCADsoftwareandmeasureit.Throughtheanalysisandcalculationofthemoldstructureandrelatedinstructions,aswellasthecalculationandverificationoftheinjectionmodelnumber,injectionpressure,injectionvolumeandotherprocessparameters,theresultsshowthatthedesignofthemoldstructureisreasonable.Inaddition,thesoftwareMoldflowwasusedtosimulateandanalyzetheinjectionmoldingprocessoftheimpeller,andthestructuraldesignofthemoldwasoptimizedaccordingtotheresults.

Keywords:

impeller;injectionmold;partingsurface;strippingmechanism

第1章绪论

1.1引言

注塑模具属于一种工具，主要用于生产塑胶制品，能够保证塑胶制品的尺寸精确性与结构完整性。

注塑成型具有很多的优点：

它适用范围广，能够整体生产带有嵌件的产品；对各种高分子聚合物的加工具有较强的适应性；塑件产品的质量稳定，尺寸精度高；产品成型率高，成本低；与当今科技相结合，易于实现自动化。

在CAE/CAD/CAM一体化技术发展期间,注塑模具设计主要是在计算机上创建产品的3D模型,并在此基础上对模具结构进行优化设计,再将这些设计好的模具3D模型进行NC编程。

这样就很好地建立起以3D数据为核心的模型设计、结构设计[5]。

实现了各环节的数据共享,提高了设计效率,降低了设计成本。

根据毕业设计课题任务书的要求，塑件的名称为“叶轮”。

塑可分为内外两个部分。

其中内部为圆形，外部有凸出部分，形成多处外凸，且有薄板与外凸相连接；薄板上有3个通孔，故应妥善选择脱模机构、设计排气系统等；塑件尺寸相对较小，所以为了将生产效率提升，故计划按照一副模具内四个腔室的结构来进行模具的设计。

上述注塑成型技术可以为本次设计带来很大的便捷。

塑料产品的生产制造需要综合各方面的技术，考虑众多的影响因素。

本次的课题是对圆形塑件进行注塑工艺分析与产品的模具设计，其中所涉及的模具行业的知识能够形成一套完整的体系，通过模具设计的整个过程，我们可以清楚地了解到模具行业的发展与技术变革。

1.2注塑模具发展趋势

本篇论文的研究对象主要是注塑产品的工艺性以及注塑模具的设计。

模具是制造业的重要基础工艺装备，主要用于高效大批量生产工业产品中的有关零部件和制件，是装备制造业的重要组成部分。

模具制造水平已经成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，也是一个国家的工业产品保持国际竞争力的重要保证之一[1]。

现阶段，注塑模具正在不断向高精度、高质量的方向发展，并将软件于硬件相结合，实现智能化[2]。

CAD/CAE/CAM技术在模具设计、制造以及生产中的应用占有非常重要的地位，是模具产品立足市场竞争的本跟所在。

也是在满足时间、质量、成本要求的前提下，最大限度提高生产效率，满足用户个性需求的重要技术保障[3]。

借助UG实施建模,UG/Mold设计模具、UG/CAM进行仿真加工及后处理，之后将程序导入数控机床进行加工制造,不仅减少了模型数据传送所带来的数据丢失和麻烦，而且大大缩短了模具设计、制造周期,从而节省了成本[4]。

随着全球工业创新技术能力的快速提升和计算网络环境的普及，模具CAD/CAE/CAM技术未来总体上将朝着集成化、网络化、标准化、智能化方面发展。

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[5]。

近年来，传统模具制造产业的生存空间在数控技术变革和智能制造兴起的双重夹击下，变得越来越小，具体表现在以下几个方面：

中低端人才培养退出市场，中高端人才培养供给不足、产品类型过于单一，经营模式不够灵活、行业发展方式多元，企业竞争缺乏规范[6]。

通过很多企业的实践证明,CAD/CAM/CAE是制造设计的创新发展方向。

目前,我们国家大多数公司与企业都已经在用CAD\CAM工具进行制造与设计了,只有极少数企业已经应用CAE技术,应用CAPP工具的企业会更加少一些[7]。

我国模具产业创新已从追赶转向追赶和并跑的新阶段，正在缩小差距，我国自主开发的塑料模CAE/CAM系统也有了很大发展，主要有北航华正软件工程研究所开发的CAXA系统、华中科技大学开发的注塑模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，为进一步普及模具CAD、CAE、CAM技术创造了良好的条件[8]。

现阶段，我国注塑模具集成技术也正趋于成熟，在不断的实践中达到了良好的效果。

CAD/CAE/CAM软件技术在塑料加工中的应用最为广泛,尤其是注塑成型过程中注塑模具的设计和制造、注塑成型过程的工艺优化和参数设置、原材料的筛选等方面均有实际的应用,用于指导实际的生产实践时相对于传统的人工技术都可以提高生产效率和产品合格率[9]。

将CAD/CAE/CAM技术应用在模具上,能够使模具制品设计质量和塑料产品质量都得到大幅提高,模具生产周期大大缩短,同时还降低成本,因此CAD/CAE/CAM是塑料模具设计和制造发展的必然方向[10]。

1.3课题研究背景

本课题研究的是叶轮。

所谓叶轮是指指装有动叶的轮盘，是冲动式汽轮机转子的组成部分，又可以指轮盘与安装其上的转动叶片的总称。

这种塑料使用于各行各业，如：

涡轮发电机组，就是靠蒸汽或是水流来冲击叶轮，使得叶轮旋转，叶轮旋转带动发电机转子旋转，从而产生电流；还有离心式空压机、汽车的涡轮增压系统等。

就是靠电机带动叶轮高速旋转，流体接触叶片表面，然后随着叶轮的旋转顺着叶片表面流动，通常流体是从叶轮旋转的轴向进入，然后从径向出来，在叶轮旋转的离心力下流体被加速，从而实现机械能转换为动能的过程。

故这种制品与我们生活息息相关。

在对该制件进行结构分析与模具设计时，需要考虑到实际生活中的应用场合，把理论内容与实际应用充分结合也是制造行业的基本要求。

1.4研究内容与意义

现阶段,我国的注塑模具行业还发展的还不是很成熟,在引进先进的注塑模具技术的同时我们也应该学习一些相关的模式[11]。

我国要认清客观形势,引进专业性人才,借鉴发达国家的标准化体系,通过多种方式宣传贯彻模具标准化常识,从思想意识到生产实施,切实落实标准化工作[12]。

随着各种新技术的迅速发展,国外已出现了模具自动加工系统，这也是我国长远发展的目标[13]。

在实现我国注塑模具行业高速发展的同时，也要注重塑料制品的外光设计，塑料制品的光泽度是客户快速、直接决定产品价值的一个重要因素。

此外，依靠CAD技术我们可以对模具和制件进行全面的建模和设计[14-15]。

这些均为我们的设计工作提供了很大的便捷。

先进模具制造技术使模具行业能够不断促进信息技术和控制技术发展，将这些技术综合系统性地应用于模具生产各个步骤，使其适用于所有模具制造过程。

进一步实现模具高品质灵活生产，使整个生产过程效率降低，为我国科技创新贡献出一份力量[16]。

随着中国经济的高速发展，相信在不远的将来，中国注塑模具行业将会引领世界的潮流风向。

本次设计不仅使我们能够将课堂所学习到的知识加以运用，还可以让我们在设计流程中通过查阅资料了解模具的发展与前景，为今后从事相关工作奠定基础，具有深远的影响和意义。

第2章塑件的工艺性分析

2.1塑件的结构与使用性能

根据任务书的内容，塑件的基本信息如下：

（1）塑件名称：

叶轮；

（2）塑件原料：

POM；

（3）生产数量：

一模四腔；

（4）塑件的表面要求光顺，无毛刺；

塑件二维图与三维图分别如图2-1，2-2所示。

图2-1叶轮二维图

图2-2叶轮三维图

由图2-1可以看出，本塑件尺寸较小，产品中心为圆柱形通孔，外形沿中心通孔轴对称，因此该制件适于采用注塑成型。

制件内部为圆形，外部有凸出部分且连接薄板，薄板有3个通孔，制件形状对称，故设计排气系统时需在通孔处设置排气针。

2.2塑件的尺寸精度与表面质量

2.2.1塑件的尺寸精度

该叶轮的尺寸由于没有其他特别的要求，因此它们属于自由的尺寸，可按照一般尺寸精度，即MT3级精度查取相对应的尺寸的公差数值。

2.1.2塑件的表面质量分析

塑件的颜色、表面的粗糙程度和表面出现的缺陷都包含在表面质量之中。

对于该制件，要求其形状对称，外表美观，无凹坑、斑点，熔接痕等缺陷。

由于塑件外凸部分结构尺寸微小，模流分析结果显示在此处常会出现熔接痕，这种缺陷不可避免。

表面的粗糙度大小在一个塑件中主要根据型腔成型的各内表面情况决定。

使用不同的方法来成型和选择不同的材料，生产的塑件所能达到的表面粗糙度也会不同。

POM在注塑成型时表面粗糙度通常以Ra1.6为准，对于该叶轮来说，它的外部表面没有较高的粗糙度要求。

2.3POM塑料的性能分析

聚甲醛（POM）是一种综合性能优异的高结晶性工程塑料，属五大通用工程塑料之一，具有强度高、模量大、自润滑、耐化学药品腐蚀等诸多特性[17]。

表面光滑、有光泽的硬而致密的材料，淡黄或白色，成型收缩率在1.2-3.0％，密度为1.42g/cm3，成型温度170-200℃。

具有耐疲劳、耐蠕变、耐磨、耐热、耐反复冲击、复原性优异等优良的性能，且摩擦系数校，自润滑性好。

故本制件使用POM塑料较为合适。

2.4POM塑料的注射成型工艺分析

2.4.1注塑成型温度

制品的质量取决于成型材料、零件几何形状、模具结构和工艺条件等因素[18]。

塑件成型的注塑过程中，使用注塑机需要注意温度、压力和时间这几个因素，并加以控制。

其中温度因素主要分为模具的温度、喷嘴处的温度和料筒加热的温度，而料筒温度则由三个部分组成：

后段、中段和前段。

POM的吸湿性较小，加工前树脂可不必干燥。

POM塑料的常用温度数据如表2-1所示。

表2-1POM常用温度数据

料筒后段温度/℃

料筒中段温度/℃

料筒前段温度/℃

喷嘴温度/℃

模具温度/℃

干燥温度/℃

干燥时间/h

热分解温度/℃

170~190

180~200

170~190

170~180

90~100

80~90

2~3

280

2.4.2注塑成型压力

注塑成型中的压力是至关重要是影响因素之一，其目的是推动料筒中的熔料向前移动，同时使熔料混合和塑化并在充模阶段，注射压力克服浇注系统和模腔对塑料的流动阻力，使熔料获得足够的充模速度及流动长度，使熔料在冷却前能充满模腔。

注射成型中的压力主要是注射、塑化、保压压力。

一般来说，注射压力在90MPa至100MPa之间，时长2s至5s；保压压力在30MPa至50MPa，时长20s至50s。

2.4.3注塑成型时间

冷却时间、保压时间、注射时间等是注塑成型周期的重要组成因素。

所谓注塑成型周期即注塑机完成一个塑件所需的全部时间，它是影响注塑生产效率重要因素。

上面已说明了POM塑料注塑时间及保压时间，其冷却时间范围为20~60s，总的成型周期范围为50~160s。

第3章注塑成型设计方案的确定

3.1分型面位置确定

分型面是指分开模具取出塑件和浇注系统凝料的可分离的接触面。

选择分型面时应遵循下列几项原则：

1）分型面选在最大轮廓处；

2）分型线不影响塑件外观；

3）确保塑件留在动模一侧；

4）合理安排浇注系统；

5）使叶轮易于脱模；

6）便于模具加工。

综上所述，结合叶轮的结构特点类型，将分型面位置选在叶轮的最底部位置，以便生产出来不会影响外观质量，易于成型，如图3-1所示：

图3-1分型面确定方案

3.2型腔数目及排列方式

3.2.1型腔数目的确定

为了使模具与注射机的生产能力相匹配，提高生产效率和经济性，并保证塑件精度，模具设计时应确定型腔数目，常用的方法有两大类：

一是按技术参数确定型腔数目，二是按经济性确定型腔数目[19]。

本次设计制件外形结构较对称，尺寸较小，考虑到生产率及生产成本，故选用一模四腔的模具结构。

3.2.2型腔排列方式的确定

该制件采取一模四腔的结构注塑成型，应遵循多型腔排列的一般原则。

从注塑工艺角度要考虑到流动长度、流道废料、浇口位置、进料平衡和型腔压力平衡等问题，从模具结构角度要考虑到排位时应保证流道、浇口套距定模型腔边缘有一定距离、满足模具结构、注意螺钉、推杆对冷却水孔的影响等。

综上所述，并根据制件为一模四腔机构，采用H形排列型腔布局，综合考虑型腔布局如何图3-2所示。

图3-3型腔排列方式

3.2.3模具结构形式的确定

为缩短浇口的冷却时间，从而达到缩短成型周期以及易于去除浇注系统的凝料而不影响外观等目的，本次设计选用侧浇口的形式进浇。

POM塑料熔体具有优异的流动性能，为便于加工流道，将分流道截断面的形状设置为圆形。

通过分析叶轮的结构，叶轮是壳类产品，内部为圆形通孔且空间较狭小，故可采用推杆推出叶轮。

模具结构较为恰当，生产成本不高，且可以满足塑件一般成型的精度要求。

故采用单个分型面的模具来注塑成型。

3.3注射机型号的确定

3.3.1注射量的计算

由UG软件测得每个塑件的体积为0.798cm3，通常情况下POM塑料的密度为1.41~1.43g/cm3，取其密度为1.42g/cm3，根据公式计算出每个塑件质量为1.13g。

注射的‌总‌量里面包‌含了全部塑‌件的体‌积与流‌道中留下的凝‌料的体积，由于浇注系‌统采‌‌取估‌‌算，所以注射总量可由下式计算得出：

（3-1）

式中

——在一次注‌射过程中所需‌塑‌料的总质‌量或总体‌积，g或cm3；

——型腔数目；

——单个塑件的质量或体积，g或cm3；

——注塑过‌程中流‌道内凝‌料的质‌量或体‌积，g或cm3。

由于浇注系统还未完成全部设计，因此其注塑凝料的体积和质量此时未知因的，所以这里需要使用估计算法来确定总体的注射量。

一般情况下注塑凝料的体积是0.6倍的塑件总体体积或总体质量，则注射总量为塑件总体积或总质量的1.6倍，因此可由下面的关系式来估算出注射总量：

（3-2）

=1.6×4×1.13

=7.23g

3.3.2锁模力的计算

模‌具中的胀‌形力往‌往产生在型‌腔被塑料‌熔体充‌满的时候，为防止注‌塑时模具的分型‌面被撑‌开，注射模具需要比塑料熔体充填时胀开模具的压力更大的锁模力，其二者关系如下式所示:

（3-3）

式中

——注射模所需的锁模力，KN；

——型腔数目；

——在分型面上投影时，每个塑件的面积，mm2；

——在分型面方向上投影时，浇注系统凝料的面积，mm2；

——型腔内熔体压力，MPa。

同理，由于浇注系统凝料体积未知，所以这里需要采取估算来确定浇注系统的投影面积。

经过对统计数据的分析，在一般情况下，浇注系统凝料的投影面积大概是塑件总投影面积的0.35倍。

根据实验数据，POM塑料件的平均型腔压力取值35MPa，并且通过对所绘制的图形进行计算，得到在分型面上投影时，每个塑件的面积A1=1075mm2。

因此可由下面的关系式得出锁模力的大小：

（3-4）

=1.35×4×1075×35

=203.18KN

3.3.3注射机的选择

注射机的选取需要根据上面计算所得m和Fm的数据来确定。

注射机在实际使用时的最大注射量要求满足以下条件：

（3-5）

式中

——‌注‌射‌机‌实际‌的最‌大‌注‌射‌量，g或cm3；

——注射模单次注射所需的实际注射量，g或cm3。

注射机的额定锁模力需要达到以下要求，即：

（3-6）

式中

——‌注‌射‌机‌的‌额‌定‌锁‌模‌力，KN；

——注射模所需的锁模力，KN。

由于m和Fm都已经算出，所以根据以上两个该关系式可以得出，注射机的最大注‌射质量‌要大于或等于9.04g，即不能‌低于9cm3；计算注射机的锁模力时，为保证安全，取它的计算系数为1.3，则其额定锁模力不能低于264.1KN。

综上所述，初择注射机的型号为XS-ZY-125。

下表3-1所示为该型号注射机的部分主要参数。

表3-1XS-ZY-125型号注射机的部分参数

项目

数值

注塑机型号

XS-ZY-125

续表3-1

项目

数值

最大注射量/cm3

125

注射压力/MPa

150

注射行程/mm

160

注射方式

螺杆式

注射时间/s

1.8

锁模力/KN

900

最大成型面积/cm2

360

最大开合模行程/mm

300

装模最大厚度/mm

200

装模最小厚度/mm

70

喷嘴圆弧半径/mm

R12

喷嘴孔直径/mm

Φ4

顶出形式

两侧推出

动、定模固定板尺寸/mm

拉杆空间/mm

260×360

合模方式

液压-机械

3.3.4注射机相关参数校核

初选的注射机要进行多方面的参数校核，以此来检验注射机是否符合注射成型的要求。

其中，主要校核的参数由以下几个：

（1）最大注射量的校核

所选注射机能够达到的最大注射量为125cm3，以上计算值为9.04cm3，小于其最大注射量，因此符合要求。

（2）注射压力的校核

塑件的形状大小和材料关系到成型过程所需的注射压力。

该叶轮尺寸较小，壁厚较均匀，约为3mm，属于厚壁件，所用材料为POM塑料。

一般情况下，在塑件较厚时，POM塑料注射时所需要的压力在90MPa至100MPa之间，此处取95MPa。

注射成型的压力校核公式如下所示：

（3-7）

式中

——注‌射‌机‌额‌定‌注射‌压力，MPa；

——塑‌件成‌型所‌需注‌射压‌力，MPa。

取系数为1.3，经核算：

p=1.3×95=124MPa

由于所选型号的注‌射机，其注射‌压力的‌额‌定‌值为150MPa，大于124MPa，因此校‌验结果‌符合注射压力的要求。

（3）锁模力的校核

前面已经表示了注射机的额定锁模力与注射模所需锁模力之间的关系，其中取系数为1.3时所得最大注射模所需锁模力为264.1KN，选用的注射机所标称的锁模力为900KN，大于计算值，因此校验合格。

（4）开模行程校核

由于设计的分‌型面只有一处，因此注‌射机的开‌模行‌程可按下‌式校核：

（3-8）

式中

——注‌射‌机移‌动‌模板‌的最‌大行‌程，mm；

——塑件脱模需要的推出距离，mm；

——包‌含了注塑‌凝料的‌塑件总‌体高度，mm。

该型号注射机的开模行程最大可达到300mm。

对于此次设计的模具，由CAD软件对图纸的测量得出

=35mm，

=100mm，预留距离取6mm，则模具打‌开能够达到的‌总距‌离为141mm，小于注‌射机的开‌模行‌程，符合开模要求。

（5）装模高度校核

XS-ZY-125型号注‌射机，它要求的装‌模厚‌度在

mm至300mm之间，而模具的闭合高度要在注射机的最大与最小装模厚度范围之内，即：

（3-9）

式中

——模具闭合高度，mm；

——注射机所要求的最小装模厚度，mm；

——注射机能达到的最大装模厚度，mm。

根据CAD软件测量得到模具的闭合高度为226mm，在条件范围之内。

3.4模流分析

该叶轮的