壁式开关插座面板注射模设计.docx
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壁式开关插座面板注射模设计
论文编号：
0802
成人高等教育
毕业设计（论文）
题目开关插座板注射模设计
学院_材料能源学院_
专业模具设计与制造32班
年级
姓名曹明建
指导教师王罕
（2010年8月）
广东工业大学继续教育学院制
目录
摘要…………………………………………………………3
关键词………………………………………………………3
一、制件产品的结构艺分析……………………………………3
二、型腔数的确定及浇注系统的设计……………………………5
三、排气、冷却系统的设计与计算………………………………10
四.冷却系统的设计与计算……………………………………11
五、成形零件及模架的确定………………………………12
六、脱模机构的设计与计算……………………………………13
七、注射机与模具各参数的校核………………………………15
八.模具的工作过程……………………………………………17
九.结束语………………………………………………………17
十．致谢…………………………………………………………18
参考文献……………………………………………………18
壁式开关插座面板注射模设计
塑料产品图：
产品名称：
壁式开关插座面板
产品材料：
ABS（苯烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）
其收缩率：
1.0-2.5%
精度等级：
IT7
比例：
1:
1
产量：
大批量生产
技术要求：
1、产品表面要求光洁，无凹坑。
2、产品质量要求无水纹、无刮伤、无黑点等外观缺陷。
摘要：
根据壁式开关插座面板的外观要求和结构特点，注射模采用斜顶结构，在定模型芯上开设口型的循环冷却水道，动模型芯内部采用同样的方法冷却，这样结构比校简单，并且能缩短成型周期。
关键词：
壁式开关插座面板、注射模、斜顶
一、制件产品的结构艺分析
1.材料分析
如下图所示塑料制件，材料为ABS（苯烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物），ABS的密度为1.02-1.05g/
（注射级密度为1.05g/
）。
其综合力学性能良好，良好的耐化学腐蚀性能，耐磨性，耐寒性，耐油性，耐水性，表面硬度，加工性能，染色性能，机械强度，抗冲击强度，电气性能，有较好的硬度和光泽性。
在成型加工时，温度越高粘度越高，注射压力也越高，脱模斜度宜稍大。
ABS易吸水，成型加工前先干燥处理，模具温度可控制在60-80°C。
产品的收缩率为0.5%。
生产批量10万件。
2.塑件的结构和尺寸精度及表面质量分析
1）塑件的结构分析
该零件的总体形状为正方形，结构比较复杂，为了方便加工和热处理，型腔与型芯部分采用镶拼块结构。
2）塑件尺寸精度分析
该零件的整个比较均匀，制件尺寸较小，平均壁厚为3mm,尺寸均无公差要求，采用8级精度，属中等偏上。
3）表面质量分析
表面无缺陷，无特别尺寸要求，成型容易，并不对产品进行后加工。
3.塑件的体积重量
计算塑件的重量是为了选用注射机及确定模具型腔数。
计算得塑件的体积：
V＝2540mm3
计算塑件的质量：
公式为W＝Vρ
根据设计手册查得塑料ABS的密度为1.02-1.05g/
（注射级密度为1.05g/
），故塑件的重量为：
W＝Vρ
＝2540×1.05×10-3
＝2.667（g）
根据注射所需的压力和塑件的重量以及其它情况，可初步选用的注射机为：
G54－S200/400型注塑成型机，该注塑机的各参数如下表所示：
理论注射量/cm3
200—400
移模行程/mm
260
螺杆直径/mm
30
最大模具厚度/mm
406
注射压力/Mp
109
最小模具厚度/mm
165
锁模力/KN
2540
喷嘴球半径/mm
15
拉杆内间距/mm
295×185
喷嘴口孔径/mm
φ3.5
4、塑件的注射工艺参数的确定
根据情况，聚甲基丙烯酸甲酯的成型工艺参数可作如下选择，在试模时可根据实际情况作适当的调整。
注射温度：
包括料筒温度和喷嘴温度。
料筒温度：
后段温度t1选用160℃—170℃
中段温度t2选用165℃—180℃
前段温度t3选用170℃—190℃
喷嘴温度：
选用170℃—180℃
注射压力：
选用80—130MP
注射时间：
选用2—5s
保压时间：
选用15—40s
保压：
60MP
冷却时间：
选用25s
总周期：
50s
二、型腔数的确定及浇注系统的设计
1、分型面的选择
该制件的分型面比校简单，在朔件的底面直接开模。
具体如下图：
2、型腔数的确定
根据塑件的结构特点该模具采用一模四腔注射成型型腔，结构为拼合式，材料为718，硬度为56HRC；分型面为平衡式；动定模型芯采用镶拼式结构便于加工，由于塑件，要求型芯、型腔表面粗糙度一致，所以型芯材料同样为718，硬度为56HRC；浇注系统浇口采用侧浇式；顶出机构采用成型顶针顶出，模具采用龙记大水口系列1525AI模架。
定模板（A板）厚度为80mm，动模板（B板）厚度为40mm。
3、浇注系统的设计
如图所示：
1）主流道的设计
根据设计手册查得SZ－60/40型注射机喷嘴有关尺寸如下：
喷嘴前端孔径：
d0=φ3.5mm
喷嘴前端球面半径：
R0＝20mm
为了使凝料能顺利拔出，主流道的小端直径D应稍大于注射
喷嘴直径d。
D＝d+（0.5－1）mm=φ2.5+1＝φ4.5mm
主流道的半锥角α通常为1°－2°过大的锥角会产生湍流或涡流，卷入空气，过小的锥角使凝料脱模困难，还会使充模时熔体的流动阻力过大，此处的锥角选用2°。
经换算得主流道大端直径D＝φ8.22mm,为使熔料顺利进入分流道，可在主流道出料端设计半径ｒ＝5mm的圆弧过渡。
主流道的长度L一般控制在100mm之内，可取L＝97mm。
2）冷料穴与拉料杆的设计
对于依靠顶针和斜顶脱模的模具常用Z型拉料杆，当前锋冷料进入冷料穴后紧包在拉料杆的Z型钩上，开模时，便可
将凝料从主流道中拉出。
Z型拉料杆固定在动模
一侧的型芯固定板上，并不随脱模机构移动，所
以当顶针从型芯上脱出制品时，也将主流道凝
料从Z型拉料杆上硬刮下来。
其结构如右图所示：
3）分流道的设计
分流道在设计时应考虑尽量减小在流道内的压力损失和尽可能避免熔体温度的降低，同时还要考虑减小流道的容积。
圆形和正方形流道的效率最高，当分型面为平面时一般采用圆形的截面流道，但考虑到加工的方便性，可采用半圆形的流道。
一般分流道直径在3－10mm范围内，分流道的截面尺寸可根据制品所用的塑料品种、重量和壁厚，以及分流道的长度由《中国模具设计大典》所示的经验曲线来选定，经查取D=5mm较为合适，分流道长度取L＝12.65mm.
4）浇口的设计
根据浇口的成型要求及型腔的排列方式，选用侧浇口较为合适。
侧浇口一般开设在模具的分型面上，从制品的边缘进料，故也称之为边缘浇口。
侧浇口的截面形状为矩形，其优点是截面形状简单，易于加工，便于试模后修正。
缺点是在制品的外表面留有浇口痕迹，因为该制件无表面质量的特殊要求，又是小型制品的一模两腔结构，所以可以采用侧浇口。
在侧浇口的三个尺寸中，以浇口的深度h最为重要。
它控制着浇口内熔体的凝固时间和型腔内熔体的补缩程度。
浇口宽度W的大小对熔体的体积流量的直接的影响，浇口长度L在结构强度允许的条件下以短为好，一般选L＝2mm。
确定浇口深度和宽度的经验公式如下：
h=nt①
W=nA1/2/30②
式中：
h——侧浇口深度（mm）中小型制品常用h=0.5－3mm，约为制品最大壁厚的1/3－2/3, 取2.5mm
t——制品的壁厚（mm）3.38mm
n——塑料材料的系数 查表得； 0.8
W——浇口的宽度（mm）
A——型腔的表面积（mm2）计算得2540mm2
将以上各数据代入公式得：
h=1.5mm，W=1.5mm,L取0.5mm。
计算后所得的侧浇口截面尺寸可用r=6q/（Wh2）≥104s-1作为初步校验。
制品的体积V＝2.540cm3，设定充模时间为2s，于是：
q=2540/1=2540mm3/s
r=6q/Wh2=（6×2540）/（1.5×1.52）=4.51×104＞104s-1，所以符合要求。
三、排气、冷却系统的设计与计算
1、排气系统的设计
排气槽的截面积可用如下公式进行计算：
F＝25m1（273+T1）1/2/tP0 ①
式中：
F——排气槽的截面面积（m2）
m1——模具内气体的质量（kg）
P0——模具内气体的初始压力（Mp）取0.1Mp
T1——模具内被压缩气体的最终温度（℃）
t——充模时间（s）
模内气体质量按常压常温20℃的氮气密度ρ0＝1.16kg/m3计算，有
m1=ρ0V0 ②
式中：
V0——模具型腔的体积（m3）
应用气体状态方程可求得上式中被压缩气体的最终温度（℃）
T1＝（273+T0）（P1/P）0.1304-273 ②
式中：
T0——模具内气体的初始温度（℃）
由V＝2540mm3
充模时间t=2s
被压缩气体最终排气压力为P1＝20MPa
由③式得：
T1＝（273+20）（20/0.1）0.1304-273=311.7℃
模具内的气体质量由②式得：
m1=V0ρ0=2540×10-6×1.16kg=2.9464×10-3kg
将数据代入①式得：
所需排气槽的截面面积为：
F=[25×2.9464×10-3（273+311.7）1/2]/（1×0.1×106）=0.001768mm2
查取排气槽高度h=0.03mm，因此排气槽的总宽度为：
W’’=F/h=0.001768/0.03=0.06mm
为了便于加工和有利于排气，运用镶拼式的型芯结构，与整体式型芯相比，镶拼型芯使加工和热处理工艺大为简化。
四.冷却系统的设计与计算
冷却系统设计的有关公式：
qV=WQ1/ρc1（θ1-θ2）①
式中：
qV——冷却水的体积流量（m3/min）
W——单位时间内注入模具中的塑料重量（kg/min）
Q1——单位重量的塑料制品在凝固时所放出的热量（kJ/kg）
ρ——冷却水的密度（kg/m3） 1.00×103
c1——冷却水的比热容[kJ/（kg.℃）] 4.187
θ1——冷却水的出口温度（℃） 25
θ2——冷却水的入口温度（℃） 20
Q1可表示为：
Q1=[c2（θ3-θ4）+u]
式中：
c2——塑料的比热容[kJ/（kg.℃）]1.465
Q3——塑料熔体的初始温度（℃）200
θ4——塑料制品在推出时的温度（℃）60
u——结晶型塑料的熔化质量焓（kJ/kg）
Q1=[c2（θ3-θ4）+u]=1.465（200-60）=205.1kJ/kg
将以上各数代入①式得：
qV=（0.013×205.1）/[0.98×103×4.187（25-20）]m3/min
=0.13×10-3m3/min
上述计算的设定条件是：
模具的平均工作温度为40℃，用常温20℃的水作为模具的冷却介质，其出口温度为25℃，产量为0.013kg/min。
由体积流量查表可知所需的冷却水管的直径非常小，体积流量也很小，故可不设冷却系统，依靠空冷的方式即可。
但为满足模具在不同温度条件下的使用，可在适当的位置布置直径d为8mm的管道来调节温度。
五、成形零件及模架的确定
1.凹模的结构采用整体嵌入式，这样有利于节省贵重金属材料。
根据塑件的结构特点及生产效率该模具采用一模二腔注射成型型腔,型芯采用镶拼式结构，有利于加工和排气。
因模具形状复杂，要求耐腐蚀，精度也比较高，则型腔材料为进口钢718，硬度为35HRC；动模型芯也采用整体镶入式形式以便于加工，由于产品是手机外壳要求型芯，型腔表面粗糙度一致，所以型芯材料相同，同样为进口钢718，硬度也为35HRC。
通过型腔侧壁强度的校核及满足模
架各部件的安装，现选用的模架为龙记大水口系列4045模架，定模板（A板）厚度为70mm，动模板（B板）厚度为80mm，垫块（C板）厚度为120mm。
（如图所示）
本设计中零件工作尺寸的计算均采用平均尺寸、平均收缩率、平均制造公差和平均磨损量来进行计算，已给出这ABS的成型收缩率为0.005，模具的制造公差取z=Δ/3。
2、型腔侧壁厚度和底板厚度的计算
1）型腔侧壁厚度的计算
根据圆形整体式型腔的侧壁厚度计算公式：
S≥0.90[Pr4/E（δ）]1/3 ①
式中：
S——侧壁厚度（mm）
P——型腔压力（Mpa）40
r——型腔半径（mm）17.625
E——模具材料的弹性模量（MPa）2.1×105
[δ]——刚度条件，即允许变形量（mm）0.05
将以上各数代入式得：
S≥1.15[（40×19.84）/（2.1×105×0.05）]1/3
=9.62mm
2）底板厚度的计算公式如下：
hs≥0.56（Ph4/E[δ]）1/3
将各参数代入式中得：
hs≥4.68mm
型腔的厚度h腔hc+h=4.68+19.8=24.48mm
S可取10mms腔取35mm
根据计算，型腔侧壁厚度应大于9.62mm，而型腔的直径为25－35mm。
根据浇注系统的条件及制件的大小，初选标准模架，依据《塑料注射模中小型模架及技术条件》（GB/T12556-90），根据模板的参数确定导柱、导套、垫块等的有关尺寸。
六、脱模机构的设计与计算
1、脱模力的计算
此模具采用顶针和斜顶脱模，因该制件的，属厚一般的壁制品，制品脱模力受到材料向壁厚中性层冷却收缩的影响，可用弹性力学的有关厚壁圆筒的理论进行分析计算，公式如下：
Qc=[1.25kfcaE（Tf-Tj）Ac]/{[（dk+2t）2+dk2]/[（dk+2t）2-dk2]}
式中，对于圆筒制品中：
k——脱模斜度系数
k=（fcCosβ-Sinβ）/fc（1+fcSinβCosβ）=0.92
fc——脱模系数，即在脱模温度下制品与型芯表面之间的静摩擦系数，它受高分子熔体经高压在钢表面固化中粘附的影响。
0.50
α——塑料的线膨胀系数（1/℃）查表得：
6×10-5
μ——塑料的泊松比 0.40
E——在脱模温度下塑料的抗拉弹性模量（MPa）3.16×103
Tf——软化温度（℃）100
Tσ——脱模顶出时制品的温度（℃）60
Ac——制品包紧在型芯上的有效面积（mm2）1422.55
t——制品的厚度（mm）3.38
将以上各数据代入公式得：
Qc=1572.45N
3、顶杆直径的计算
推杆推顶推件板时应有足够的稳定性，其受力状态可简化为一端固定、一端铰支的压杆稳定性模型，根据压杆稳定公式推导推杆直径计算式为：
d=K（l2Qe/nE）1/4 ①
推杆直径确定后，还应用下式进行强度校核：
σc=4Qe/nπd2≤σs ②
式中：
d——推杆直径（mm）
K——安全系数，通常取K=1.5－2 2
l——推杆的长度（mm）102
Qe——脱模力（N） 1372.45
E——推杆材料的弹性模量（MPa） 2.1×105
n——推杆根数4
σc——推杆所受的压应力（MPa）
σs——推杆材料的屈服点（MPa）360
将以上各数据代入①式得：
d=2.5mm
将以上各数据代入②式进行校核：
σc=4Qe/nπd2=17.47MPa≤σs=360MPa
所以此推杆符合要求。
七、注射机与模具各参数的校核
1、工艺参数的校核
1）注射量的校核（按体积）
Vmax=αV①
式中：
Vmax——模具型腔流道的最大容积（cm3）
V——指定型号与规格注射机的注射量容积（cm3）
ρ——塑料的固态密度（g/cm3）
α——注射系数取0.75－0.85，无定形料可取0.85，结晶形可取0.75。
将以上各数代入①式得：
Vmax=αV＝0.85×60＝51cm3
倘若实际注射量过小，注射机的塑化能力得不到发挥，塑料在料筒中停留的时间会过长。
所以最小注射量容积Vmin＝0.25V。
Vmin＝0.25V=0.25×60=15cm3
实际注射量V’=2V0+2×0.6V0=2×9.132+2×0.6×9.132=29cm3
即Vmin＜V’＜Vmax
所以符合要求。
2）锁模力的校核
公式：
F≥KAPm
式中F——注射机的额定锁模力（kN）400
A——制品和流道在分型面上的投影和（cm3）
Pm——型腔的平均计算压力（MPa）由表9.9-4 取30
K——安全系数，通常取K＝1.1－1.2 1.2
则：
KAPm＝1.2×2[π（35.25/2）2+20×6]×30
=78.905kN＜400kN=F
所以符合要求。
3）最大注射压和的校核
Pmax≥K’P0
式中：
Pmax——注射机的额定注射压力（MPa） 150
P0——成型时所需的注射压力（MPa） 100
K’——安全系数，常取K=1.25－1.4取1.3
则K’P0=1.3×100=130MPa＜Pmax150MPa
所以符合要求。
2、安装参数的校核
模具各模板的厚度分别为：
H1——上模座30mmH2——型腔板80mm
H3——脱件板16mmH4——型芯板37mm
H5——型芯固定板70mmH6——垫块120mm
H7——下模座35mm
模具的闭合高度H=H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7=346mm
所允许的最小模具厚度Hmin=336mm
所允许的最大模具厚度Hmax=346mm
即模具满足Hmin≤346mm≤Hmax的安装条件。
经查资料SZ-60/40型注射机的最大开模行程S=180mm
S≥H1+H2+（5－10）mm
=17.5+20+10
=47.5mm
满足要求
所以注射机的开模行程足够，由以上的验证可知，型注射机能满足使用要求，故可采用。
由于采用一模两腔，塑件形状又较为普通，故在塑件底部采用成型顶杆顶出，但为平衡顶出力，在塑件内圈（即型芯处过渡浇口位置上开设4个的圆形顶杆），为适应模具自动化的生产，采用自动复位的弹簧先复位机构，使模具顶出完毕后能自动复位。
由于制品的平均厚度为3mm,制品尺寸又较小，确定水孔的直径为8mm。
如果冷却系统开设不当会使产品的生产周期增长，生产效率明显下降，同时塑件质量也会受到影响。
由于塑件较小，生产批量中等，所以在模具动模与定模的型芯镶件开设冷却水孔，进行型腔冷却，由于型腔较厚设计冷却道时根据一定的数据与经验布置水道位置，进行型腔冷却效果良好，足以适应长期生产。
八.模具的工作过程
模具的工作过程如下：
动、定模合模，注射过程开始，熔融塑料注入密闭型腔，经过注射、保压、冷却后，首先，动、定模分型，随着动定模分离的后，注射机的液压缸推动顶出机构，成形顶杆推动塑件及浇注系统余料从型芯上脱落下来，安装在顶出机构的弹簧使顶出机构先复位，动、定模合模，一次注射周期完成。
九.结束语
本注射模从设计、制造到试模，30天完成，一次试模成功，采用一次性脱模，顶杆顶出，操作简便。
生产证明，该模具设计结构合理，工作稳定可靠，塑件符合设计要求。
十．致谢
在本次设计过程中，得到了省高级技校的汪老师的指导，同时也学会了与其他同学交流协作的合作精神，特表感谢！
本设计属于本人第一次设计，由于水平有限，错误难免，望批评指点。
参考文献
1、《塑料模设计手册》（第3版），《塑料模设计手册》编写组，北京，机械工业出版社，2002.8
2、《塑料模具设计》，陈志刚主编，北京，机械工业出版社，2002.1
3.《塑料成型工艺与模具设计》，屈华昌主编，北京，机械工业出版社，2000.4.
4、《中国模具设计大典》
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