活动圈注塑模具设计与典型零件加工工艺分析.docx
《活动圈注塑模具设计与典型零件加工工艺分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《活动圈注塑模具设计与典型零件加工工艺分析.docx（53页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
活动圈注塑模具设计与典型零件加工工艺分析
摘要
本次设计是关于活动圈注塑模具设计，首先，结合课题要求，对活动圈的注塑材料POM及其结构特点进行了分析，从而确定了采用哈夫模注塑成型方案。
其次，依次对模具的浇注系统、侧抽芯机构、成型零件、合模导向机构、模架的选择及温度调节系统等进行了设计。
浇注系统中采用一模两腔，浇口为侧浇口。
侧抽芯机构的形式为外置弹簧与滑块组合，导向依靠模架上自带的导柱，模架结构为三板无推板式的。
除此之外，对于典型成型零件的加工工艺进行了分析并且制作了工艺卡。
最后，本次设计还利用Pro-E软件进行了模流分析，对于塑件的成型质量进行了分析。
关键词：
活动圈，哈夫结构模，POM，侧抽芯
ABSTRACT
Activitycircleisthetopicofthisinjectionmoldingdesign.Firstofall,withtherequirementsofthesubject,thematerialofPOMandstructuralcharacteristicsofactivitycircleareanalyzed,therefore,theschemeofhalfinjectionmoldingisconfirmed.Secondly,thatthemouldgatingsystem,thesidecore-pullingmechanism,moldingparts,steeringmechanismandtemperaturecontrolsystemisalsodesignedrespectivelybyturn.Theonemodulewithtwocavitiesandthesidegateareappliedinthegatingsystem.Thesidecore-pullingmechanismconsistsoftheouterspringandslideblock.Theguidancedependingonguiding-postonthemold,themoldbasewiththreeplateandwithoutpushingplateischosen.Besides,themachiningprocessofthetypicalformingpartsisanalyzed,andtheprocesscardsaregiveninthepaper.Finally,themoldflowanalysisiscarriedoutbyusingPro/Esoftwareinthisdesign,andthemoldingqualityoftheplasticpartsisanalyzedaswell.
Keywords:
Activitycircle,Thehalfstructuremold,POM,Thesidecore-pull
第1章绪论
1.1我国注塑模具行业的现状及国外的发展趋势
1.1.1我国注塑模具工业概况
改革开放以来，我国模具工业发生了翻天覆地的变化。
在各大企业中，各种数字化设备，高速加工的先进技术及模具CAD/CAE/CAM技术逐渐增多。
在模具标准件的使用率与模具商品化率也也有了极大的提高,对于热流道技术的应用比例也在逐步增加[1]。
我国注塑模具在量和质方面也有较快的发展，单套重量达50吨的注塑模具，精度高达2微米注塑模具我国都能自己生产。
还有对于制件精度很高的小模数齿轮模具及达到高光学要求的车灯模具等也都能自己生产，多腔塑料模具已能生产一模7800腔的塑封模，高速模在CAD/CAM技术得到普及的同时，模具新结构、新品种、新工艺、新材料的创新成果也不断涌现，使得注塑模的发展十分迅速[2]。
除此之外，注塑模具应用更加广泛，在航空航天、汽车、机电、生物及日用品等领域得到了应用[3]，特别是在生物方面的应用，微型注塑成型机可以应用在医学上，而且其原料的成本低，目前寻找和研制适合微型塑料制件生产的塑料原料，以及开发相应的检测仪器设备，已经成为国内外的研究热点[4],但我国注塑模今后的最终发展都离不开向两个方向发展：
高速、精密、长寿命；短周期、低成本、高产出[5]。
整体来说，我国塑料模具无论是在数量上，还是质量、技术和能力等方面都有了很大进步，但与西方发达国家相比，差距仍很大。
国内对于在一些大型、精密、复杂的中高档塑料模具仍需依靠大量进口。
而对于一些低档的塑料模具却供过于求。
1.1.2我国注塑模具发展存在的问题
尽管目前国内模具行业十分流行，模具设计制造已形成一个行业。
但是我国模具行业缺乏技术人员，存在品种少、制造周期长、寿命短、品种少、供不应求的状况。
一些大型、精密、复杂的模具还不能自行制造，需要每年花几百万、上千万美元从国外进口，制约了工业的发展速度[6]。
为了提高模具企业的设计水平,我们目前正在向信息化转型，中国模具协会向全国模具行业推荐适合于模具企业用的CAD/CAM系统。
但国内优秀的CAD/CAM系统很少，只有少数适合模具行业应用。
而从国外购买具有强大的三维曲面造型能力，强大的计算机辅助制造能力，产品数据管理能力的软件等，价格昂贵，一般企业难以支持[7]。
除了许多高新技术及软件应用技术都要依靠进口，自主开发的CAD等辅助软件质量不高，人才缺乏外，有的是凭师傅经验进行设计和加工,因此模具结构比较落后[8]。
在制度管理方面，国内大多数模具企业都是一些中小型的企业，不具备一定的国际竞争能力，还沿用过去作坊式管理模式，真正实现现代化企业管理的还不多。
1.1.3国外塑料模具的发展趋势
目前，国外的注塑机发展主要表现在以下几个方面：
1、微型化与大型化
目前在塑料模具的微型化方面达到的成绩有：
万分之一克的注射制品成型加工技术装备与直径为 1mm 的塑料管生产设备；在医学方面，用于替代人体血管的直径小于 0.5mm 的塑料管生产设备，已为一些国家在研发中。
当然，大型化也是今后产品的发展方向之一。
目前，用于小轿车车身板生产用的 8000kN 合模力的注射机，2000mm 的塑料管以及宽 10m 的片材等大型塑料制品生产设备已有商品出现。
但是，工业用各种大型塑料制品的生产需求仍很明显，比方说洲际长途输液输气超大直径塑料管的生产。
2、个性化
随着模具的发展，塑料机械的机型、功能、规格划，已经不能完全满足市场的需求。
在实际生产中，塑料制品生产要求经常变化。
比如，有时要求注射机行程最大、注射量小的却要求大合模力大或者大合模力却是小注射量。
这不仅要求企业在技术人才、技术创新方面要具有过硬的实力，同时也要求企业能准确及时的把握客户的个性化需求[9]。
3、节能化 节能降耗已经成为注塑机主要的研发趋势，未来在全电动、两板式注塑机方面的开发成为国际主流。
1.2本设计的研究内容要求及目的
1.2.1本设计的研究内容
（1）活动圈塑件注射成型的工艺分析与参数设计；
（2）凸模、凹模等重要工作零件的设计；
（3）导向机构、脱模机构、抽芯机构和模具温度调节系统的设计计算；
（4）编制主要零件（凸模、凹模等）的加工工艺；
（5）绘制主要零件图及总装配图。
1.2.2本设计的研究要求
（1）达到塑件精度要求；
（2）要使注塑模结构简单合理；
（3）流道设计合理，可保证产品质量并且又节约生产原材料；
（4）了解POM的性能、特性和设计时的要求。
1.2.3本设计的研究目的
（1）检验本科专业理论知识掌握情况，将理论与实践结合。
（2）初步掌握进行模具设计的方法、过程，为将来走向工作岗位进行科技开发工作打好基础。
（3）培养个人的动手能力、思维创新能力和计算机及各种软件的运用能力。
第2章塑件结构分析及材料特性
2.1塑件的特点
2.1.1塑件平面图及三维产品图
图2.1塑件平面图及尺寸
图2.2塑件立体图
2.1.2塑件的成型工艺分析
该塑件为活动圈，外形结构较复杂，形状不太规则，壁厚不均匀，平均壁厚约在4mm左右，但塑件外形尺寸不大，熔体流程不长，综合考虑比较适合于注塑成型。
在精度要求方面，按要求取4级的高精度计算，一般材料注塑成型后会包裹在型芯上，所以为了能让塑件完整脱出，凸模与凹模上都必须有一定的脱模斜度，根据资料查询得，凹模斜度为1度，型芯斜度为0.5度[10]。
2.2材料POM的特点
2.2.1POM的性能分析
聚甲醛POM为热塑性结晶聚合物，被誉为“超钢”或“赛钢”。
均聚甲醛的熔融温度为180℃左右。
POM坚韧有弹性，在低温下仍有很好的抗蠕变性，几何稳定性和抗冲击性。
POM可分为：
均聚物和共聚物。
均聚物材料具有很好的延展强度，抗疲劳强度，但不易于加工。
共聚物材料有很好的热稳定性，化学稳定性并且易于加工，吸水性小。
POM的高结晶程度导致它有相当高的收缩率，可高达到2%~3.5%，对于各种不同的增强型材料有不同的收缩率。
POM聚甲醛的性能：
表面光滑，有光泽，表面硬度大，吸水率低，刚性好，韧性好，弯曲强度，耐疲劳性强度高，良好的滑动性，耐磨性非常优异，电性能优良，尺寸稳定性好，产品的尺寸精度高，可在-40°C到100°C温度范围内长期使用，良好的耐油，耐过氧化物性能。
不耐酸耐强碱和不耐月光紫外线的辐射[10]。
表2.1POM的性能指标
密度/g/cm³
1.41
屈服强度/MPa
69
比体积/cm³/g
0.71
拉伸强度/MPa
60
吸水率（%）
0.12～0.15
拉伸弹性模量/MPa
2.5×10³
熔点/°c
180～200
抗弯强度/MPa
104
计算收缩率（%）
1.5～3.0
抗压强度/MPa
69
比热容/J/（kg.°c）
1470
弯曲弹性模量/MPa
1.8×10³
2.2.2POM的注射成型过程及工艺参数
（1）注射过程
1）注塑成型前期的准备
检验POM的色泽、粒度和均匀度等特性。
聚甲醛是一种结晶性塑料，原料一般不干燥或短时间干燥（
1~2h）。
2）注射成型过程分析
塑料由料斗进入到注射机料筒内，经过加热、熔化后达到流动状态，再经过注塑机螺杆传输到注塑机喷嘴口出，最后经模具的浇注系统进入模具型腔后成型，其过程可分为充模、加压、保压、倒流和冷却五个阶段。
3）塑件的后处理
处理介质为水与空气，处理温度为60～75℃，处理时间25s左右。
注射工艺参数如表2.2。
表2.2注射工艺参数
螺杆式注塑机
转速为40～50r/min
喷嘴温度（℃）
190～215
模具温度（℃）
80～110
注射压力（MP）
100
料筒温度（℃）
前195～215中180～205后150～180；
成型时间（s）
40
第3章注射机型号的选择
3.1注射量的计算
注射量包括了塑件的体积，浇注系统凝料体积量。
对于塑件的体积可以通过相关三维软件分析计算，或者对于规则的塑件可直接计算，而浇注系统的凝料体积则只能凭借经验估算。
1）通过三维软件建模设计分析得：
塑件体积：
V=23.371cm³
塑件质量：
M=V×ρ=23.371×1.41=32.95g
图3.1塑件体积分析
2）浇注系统凝料体积
由于还没有设计到浇道，尚不能够确定其体积，但是可以根据经验公式即可按照塑件体积的0.2～1倍来估算浇注系统的体积，此处取0.5。
3）注射机的确定
根据以往的经验公式，对于注塑机的注入模具型腔中的塑料总质量可以按以下公式估算。
根据以上的计算，初步选定公称注射量为100cm³，SZ-100/80型注射机。
3.2注塑机的相关参数及其校核
3.2.1注塑机的相关参数
选定注塑机后，每一型号注塑机的主要技术参数都可在参考资料中找到，对于本次选定的SZ-160/100型号，其技术参数如表3.1。
表3.1SZ-160/100型注射机的主要技术参数
序号
主要技术参数项目
参数数值
1
理论注塑容量/cm³
100
2
注射压力/MPa
170
3
锁模力/kN
800
4
螺杆转速/（r/min）
0～200
5
最大模具厚度/mm
300
6
最小模具厚度/mm
170
7
模板行程/mm
305
8
喷嘴前端球面半径/mm
12
9
喷嘴孔直径/mm
3
10
锁模形式
双曲肘
11
模具定位孔直径/mm
100
12
拉杆内间距/mm
320×320
3.2.2注射机的相关参数的校核
1）注射压力校核
材料POM注射压力为85～100MP，这里取90MP，注射压力安全系数
=1.25～1.4，此处取
=1.3，
×90=117<170MP=
。
所以，注射机注射压力合格。
2）锁模力的校核
设塑件与浇注系统在分型面上的投影面积分别为
通过三维软件的分析计算可以得到
=2234.37mm2
=0.2×
=446.874mm2
所以，总的投影面积
=n（
+
）=2×1.2
=5362.488mm2
3）模具型腔内的胀型力F
F=
=5362.488×50=268.124KN
由表3.1可得,注塑机的公称锁模力为1000kN，锁模力的安全系数为1.1~1.2之间，这里取1.2。
1.2×F=1.2×268.124=321.75kN<800kN,所以注塑机锁模力合格。
第4章型腔结构及浇注系统的设计
4.1分型面的选择
分析该塑件可知，活动圈为一圆筒形塑件，对于塑件分型面的选择有两种方式，如图4.1。
图4.1塑件分型面选择
分型面选在B-B处，为塑件截面的最大投影处，开模时有利于塑件保留在动模一侧而便于脱模，也便于侧向抽芯，但如果分型面在此，会加长了主流道的长度，让主流道过长可能不利于塑件的成型，而选择在A-A处，则不存在此类问题，而且熔料由上而下，可以减少保压压力，成型性好。
除此之外，还能保证塑件上下圆筒的同轴度，提高塑件的成型质量。
所以，综合考虑选择分型面在如4.1图所示的A-A处。
4.2型腔数目的确定
本次塑件要求是4级的工件精度，而且活动圈的产量为中批量，所以可以采用一模多腔的结构生产。
由于经过上面生产方案的分析，采用的是哈夫式的成型模具，再结合塑件的尺寸，我们选用一模两腔的形式，其排列方式为一条直线，如4.2图所示。
图4.2型腔布置
4.3模具结构形式的确定
本模具设计是一模两腔，对称直线排列，根据塑件结构形式，推出机构拟采用推杆推出的推出形式。
浇注系统设计时，流道采用对称平衡式，浇口采用侧浇口，且开设在分型面边上。
因此，定模部分不需要单独开设分型面取出凝料，动模部分需要添加型芯固定板、支撑板。
4.4浇注系统的设计
4.4.1主流道的设计
主流道通常位于模具中心塑料熔体的入口处，它将注塑机喷嘴注射出的熔体导入分流道或者型腔。
主流道的形状为圆锥形，以便熔体的流动和开模时主流道凝料的顺利拔出。
主流道的尺寸大小直接影响到成型的时间与速度，又其与注塑机喷嘴反复的接触，会造成磨损，因此设计中常设计成可更换的浇口套。
1）主流道的长度
小型模具L主应尽量小于60mm，本次设计初选45.25mm进行设计
主流道小端直径：
d=注射机喷嘴口直径+（0.5~1）=3+0.5=3.5mm，锥角
=
。
主流道球面半径：
R=注射机喷嘴球半径+（1~2）=10+2=12mm。
球面的配合高度：
h=3mm。
主流道大端直径：
D=2L
≈6mm
=
。
2）主流道的凝料体积
主流道当量半径
4.4.2主流道剪切速率的校核
1.主流道的体积流量
（4.1）
2.主流道的剪切速率
（4.2）
主流道内熔体的剪切速率处于浇口与分流道的最佳剪切速率5×102到5×103之间，所以主流道的剪切速率校核合格。
由于主流道的小端入口反复与注射机喷嘴接触，长期会造成一定程度的磨损，所以对于浇口套的材料要求比较高，为了及时更换损坏的零件，可以将浇口套与定位圈分开来设计。
浇口套的长度会随着设计的改变而变化，没有一定的标准，但对于定位圈，其主要用于固定浇口套，一般都有一定的标准可选，本次设计的定位圈选用的标准为GB/T4169.18-2006[11]。
其结构形式在此不再作详细表示。
主流道浇口套的结构形式如图4.3所示。
图4.3浇口套
4.4.3分流道的设计
分流道一般开设在分型面上，对熔体起到分流与转向的作用，为了保证塑料迅速而均匀地流入到各个型腔中，减少分流道内的压力和温度的损失，采用平衡式的分流道布置方式。
1.分流道的长度
分流道的长度没有特殊的要求，设计其长度，一方面，需要考虑的模具的结构布局，另外，还与模具的型腔数目有关。
型腔数目越多，分流道的长度越长。
对于本次设计的分流道，根据两个型腔的结构设计，分流道较短，故设计时可以适当选小些，单边分流道长度取
=20mm。
2.分流道的当量直径
由于该塑件的壁厚大于3mm，不适合采用经验公式确定分流道的当量直径，但在主流道的尺寸确定后，可按照
=（0.8~0.9）
（4.3）
所以
=（4.8~5.4）此处取5mm。
3.分流道截面形状
分流道的截面形状有多种，通常有圆形、矩形、梯形u形和正六边形等。
每种形状都各有其特点，通常流道内的横截面积越大、表面积越小，其内的压力与热量损失越少，考虑到加工和便于脱模，分流道大多设计在分型面上，本次设计采用梯形截面，其与圆形相比有较大的热量损失，但加工比较方便，而且本次设计的分流道的长度不长，采用梯形截面比较经济。
4.分流道截面尺寸
图4.4分流道截面形状
由于分流道截面形状设计为梯形，而分流道当量直径为5mm，对于梯形相关尺寸的计算如下：
设梯形的下底面宽度为x，底面圆角半径为1mm，梯形的高度为4mm，
该梯形的面积应该与当量直径为5mm的圆面积相等
所以
≈4.5mm则上底约为5.5mm
凝料体积
=40×6=240=mm3=0.24cm3
4.4.4分流道内塑料熔体流动剪切速率的校核
1.由式（4.1）可得,分流道体积流量
2.由式（4.2）可得，剪切速率
该分流道的剪切速率处于浇口主流道与分流道的最佳剪切速率5×102到5×103之间，所以，分流道内熔体的剪切速率合格。
4.5浇口的设计
由于采用的是一模两腔的布局，分流道为直线式，所以要从塑件的侧面进料，该塑件要求表面光滑，可考虑采用侧浇口进料，侧浇口有矩形与扇形及薄片式侧浇口等，此处选取矩形侧浇口。
4.5.1侧浇口的深度计算
h=n×t=0.8×4.2=3.36mm
t—塑件的平均壁厚；
n—塑料成型系数；对于PP，其值为0.8。
考虑到工厂的实际生产情况，浇口的深度常常先取小值，以便以后的修模方便，根据以往的经验参考值PP侧浇口的深度为1.0~1.5，故此处取浇口深度为1.3mm。
4.5.2侧浇口的宽度计算
根据表4-10[10]，可得侧浇口的宽度B计算公式为
（4.4）
B=2.57约为3mm
A—凹模的内表面面积；
n—塑料成型系数。
4.5.3计算浇口的长度
根据表4-10[10]，侧浇口的长度在0.7~2mm，故取1mm。
侧浇口剪切速率的校核
计算浇口的当量半径
πR2浇=B
h（4.5）
浇口的体积流量
（4.6）
4.5.4计算浇口的剪切速率
由式（4.2）可得
该矩形侧浇口的剪切速率处于浇口与分流道的最佳剪切速率为5×102到5×103之间，所以主流道的剪切速率校核合格。
4.6冷料穴与拉料杆的设计与计算
冷料穴一般设在主流道与分流道的末端，其主要是用来存放两次注射间隔而产生的“冷料”和料流前锋的“冷料”，防止“冷料”进入型腔而形成各种缺陷。
根据其所在位置可分为主流道和分流道冷料穴，本次设计中由于采用的是一级分流道一次出模，故只设计主流道冷料穴。
按照预先设计的方案，采用的是推杆推出机构，所以冷料穴可设计成Z形的拉料杆，对于拉料杆的相关数据可参阅文献，其顶部与主流道的底部一段空间兼有冷料穴的作用。
其结构分别如图4.5，图4.6所示。
图4.5拉料杆
图4.6冷料穴
第5章侧抽芯机构的设计
侧抽芯机构有斜导柱，斜滑块，斜弯销等抽芯机构，经过计算得该塑件的抽芯距离较大，抽芯力也较大，采用斜导柱的抽芯较好，且模具设计简单，制造成本低。
5.1斜导柱的设计
5.1.1侧抽力的计算
为了让塑件顺利推出，我们设计了斜导柱侧抽芯机构，而侧抽芯中的型芯也是参与塑件成型的一部分，一般为塑件的内凹或内孔等部位。
要将侧型芯顺利拔出，就必须有一定的力，这个力我能称之为侧抽力。
其具体的计算过程如下：
厚壁塑件
<20时，被视为厚壁。
厚壁圆筒和矩形盒类塑件侧抽力的通用计算式为式（5.1）
由于采用的哈夫式结构，对于塑件其中一半的内凹侧面可等价为一矩形截面计算
（5.1）
=
K为脱模斜度系数
（5.2）
=
fc—脱模系数，即在脱模温度下塑件与型芯表面之间的静摩擦因数，它受高分子熔体经高压在钢表面固化中黏附的影响；
a—塑料的线膨胀系数；
E—在脱模温度下塑料的抗拉弹性模量；
Tf—塑料的软化温度；
Tj—脱模时塑件的温度；
t—塑件的壁厚；
h—型芯脱模方向的高度；
—脱模斜度。
对于圆筒形塑件：
dk=d=2r，Ac=2
rh；
对于矩形类塑件：
dk=
，Ac=
5.1.2复位机构设计
1.抽芯距计算
抽芯距是指将侧型芯从成型位置抽离至不妨碍塑件脱模所移动的距离。
由于本次设计的模具为哈夫模结构，塑件外形为圆形并且二等分滑块绕活动圈抽芯，其抽芯距为[10]
验证滑块与推杆是否发生干涉现象
所以复位时滑块会与推杆发生干涉现象
h—推杆断面至活动型芯的最近距离；
S—活动型芯与推杆在水平方向上的重合距离。
为了解决这一问题，采用弹簧预先复位机构复位
2.弹簧的选择
推出塑件后要是推板与推杆固定板复位弹簧的力至少要是它们重量的1.5倍，设这两块板的总质量为M，它们的材料都为45钢，所以密度
都为7.85g/cm3,两块板的长宽高分别为315mm
180mm
28.5mm，
M=
V=12.7kg
此处取弹力F为其重量的2倍，
F=254N=25.4kg
根据以上的数据初选TF20
10
60的强力弹簧，该弹簧的相关数据如下[11]。
该弹簧的最大压缩量为34.8mm，预压8mm状态载荷为8.56kg，压缩30mm时，载荷32.1kg。
因此选4根弹簧即可达到复位时所需的弹力。
弹簧其它具体参数如图5.1。
使用三维软件分析，该塑件的中心距无凸台表面距离为15.4mm左右，因此至少要将塑件推出型芯15.4mm才会自动脱离型芯。
本次设计中当弹簧安装时预压长度为：
弹簧自由长度-推杆活动空
升级会员 