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模具设计与制造
渤海石油职业学院
机电工程系
毕业论文
模具设计与制造
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摘要
塑料制品具有原料来源丰富,价格低廉,性能优良等特点。
它在电脑、手机、汽车、电机、电器、仪器仪表、家电和通讯产品制造中具有不可替代的作用，应用极其广泛。
注射成形是成形热塑件的主要方法，因此应用范围很广。
注射成形是把塑料原料放入料筒中经过加热熔化，使之成为高黏度的流体，用柱塞或螺杆作为加压工具，使熔体通过喷嘴以较高压力注入模具的型腔中，经过冷却、凝固阶段，而后从模具中脱出，成为塑料制品。
本次的毕业设计是水果刀刀壳的注塑模的设计水果刀刀壳具有重量轻、易清洁、耐腐蚀老化、强度高，制作方便、价格低廉、美观等特点。
依据产品的数量和塑料的工艺性能确定塑件采用注射成形法生产。
该产品设计为大批量生产，故设计的模具要有较高的注塑效率，浇注系统要能够自动脱模，此外为保证塑件表面质量采用侧浇口，因此选用单分型面注射模，侧浇口自动脱模结构。
模具的型腔采用一模四腔平衡布置，浇注系统采用侧浇口成形，推出形式为四推杆推出机构完成塑件的推出。
由于塑件的工艺性能要求注塑模中有冷却系统，因此在模具设计中也进行了设计。
本次的设计中不仅参考了大量纸质文献，而且在互联网上查阅资料，设计过程比较完整。
关键词单分型面注射模具水果刀刀壳PE
目 录
1水果刀刀壳的工艺分析……………………………………………………………………1
2注塑机及模架的选择………………………………………………………………………2
3模具基本结构设计…………………………………………………………………………5
4注射机的有关工艺参数校核………………………………………………………………11
5成型零部件工作尺寸的计算………………………………………………………………13
6模具温度调节系统计算……………………………………………………………………14
7模具的工作原理……………………………………………………………………………15
8模具总装图及模具的装配、试模…………………………………………………………16
致谢………………………………………………………………………………………18
参考文献………………………………………………………………………………………19
一水果刀刀壳的工艺分析
1.1塑件的成形工艺性分析
如图1.1为水果刀刀壳的塑件图,单位
图1.1塑件图
（1）产品名称:
水果刀刀壳
（2）产品材料：
聚乙烯（PE）
塑件材料特性：
聚乙烯塑料是塑料工业中产量最大品种。
按聚合时采用的压力不同可分高压、中压和低压三种。
低压聚乙烯的分子链上支链较少，相对分子质量、结晶度和密度较高，所以低压聚乙烯比较硬，耐磨、耐蚀、耐热及绝缘性较好。
高压聚乙烯分子带有许多支链，因而相对分子质量较低，且具有较好的有软性、耐冲击性及透明性
（3）塑件材料成形性能：
聚乙烯成型时，在流动方向与垂直方向的收缩差异较大。
注射方向的收缩大于垂直方向的收缩率，易产生变形，聚乙烯收缩率的绝对值较大成型收缩率也较大，易产生缩孔，冷却速度慢，必须充分冷却，且冷却速度要均匀;质软易脱模，塑件有浅的侧凹时可强行脱模。
1.2塑件成形工艺参数确定
1.2.1PE成形的工艺参数：
查文献[5]表3.1得：
（1）预热温度:
（2）预热时间：
2h
（3）料筒温度：
1）后段：
2）中段：
3）前段：
1.2.2关于PE的特性
（1）结晶性料，吸湿性小，可能发生熔体破裂，长期与热金属接触易发生分解。
（2）成型收缩范围大，收缩率大，易发生缩孔、凹痕、变形、取向性强。
（3）塑件应壁厚均匀，避免缺口、尖角，以防止应力集中。
（4）注意控制成型温度，料温低取向性明显，尤其低温高压时更明显，模具温度低于50°C以下塑件无光泽，易产生熔接痕，流痕；90°C以上时医发生翘曲、变形。
PE-LD低密度聚乙烯化学和物理特性商业用的PE-LD材料的密度为0.91~0.94g/cm3。
PE-LD对气体和水蒸汽具有渗透性。
PE-LD的热膨胀系数很高不适合于加工长期使用的制品。
如果PE-LD的密度在0.91~0.925g/cm3之间，那么其收缩率在2%~5%之间；如果密度在0.926~0.94g/cm3之间，那么其收缩率在1.5%~4%之间。
二注塑机及模架的选择
2．1注塑机的选择
2.2.1一次性注入的塑料的体积
根椐设计的浇注系统可估算出浇注系统的总体积为：
V1≈780mm3
因为该模具设计为一模四腔，且一个塑件的体积为V塑≈9000mm3，所以一次性注入的塑料的体积为
V=V1+4V塑=36.78cm3
2.2.2注塑机的选用
根据计算的数据塑查[2]选定注塑机型号为：
XS—Z—60
注塑机的参数如下：
（1）额定注射量/cm3：
60
（2）螺杆（柱塞）直径/mm：
38
（3）注射压力/MPa：
122
（4）注射行程/mm：
170
（5）注射方式：
柱塞式
（6）锁模力/kN：
500
（7）最大成型面积/cm3：
130
2.2模架的选择
2．2．1模架结构
模架是设计、制造塑料注射模的基础部件。
注射模标准：
我国目前标准化注射模零件的国家标准有12个；另外还制订了塑料注射模具的标准模架，分《中小型模架》（GB/T12556.1—90）和《大型模架》（GB/T12555.1—90）两种。
《中小型模架》标准中规定，模架的周界尺寸范围为：
≤560mmx900mm，并规定模架的形式为品种型号，即基本型，A1、A2、A3和A4四个品种。
2.2.2模架周界尺寸选择
中小型模架的周界尺寸参数、规格有：
100×L、125×L、160×L、180×L、200×L、250×L、315×L、355×L、400×L、450×L和500×L等模架规格。
根据模具型腔布置可以选用的模架规格为：
模具结构为单分型面注射模采用拉杆和限位螺钉，控制分型面的打开距离，其开距应大于10mm，方便取出制件，周界尺寸355mm×216mm，上、下模板的厚度为40mm，垫板厚度为80mm。
图2.1标准模架
2.2.3塑料注射模具技术要求
塑料注射模具应优先按GB/T12555.1—90和GB4169.1—11选用标准模架和标准件。
模具成形零件材料和热处理要求，优先按下表2.2内容选用：
表2.2模具成形零件优先选用材料和热处理硬度
零件名称
模具材料
热处理硬度
牌号
标准号
HBS
HRC
型腔、型芯定模镶件、动模镶件、活动镶件
45
GB699
216—260
40—45
4Cr
GB3077
216—260
40—45
40CrNiMOA
GB3077
216—260
40—45
3Cr2Mo
GB1299
预硬状态
35—45
4Cr5MoSiV1
GB1299
246—280
45—55
3Cr13
GB1220
246—280
45—55
三模具基本结构设计
3.1确定成形方法
塑件采用注射成形法生产。
因为该产品设计为大批量生产，故设计的模具需要有较高的注塑效率，浇注系统要能够自动脱模，此外为保证塑件表面质量采用侧浇口，因此选用单分型面注射模，侧浇口自动脱模结构。
3.2型腔布置
注意的问题或原则:
根据塑件的几何结构特点、尺寸精度要求、批量大小、模具制造难易、模具成本等确定型腔数量及其排列方式。
由于塑件形状比较简单，质量较小，且需求大批量生产，所以模具选用一模四腔平衡布置，采用单分型面注塑模。
浇口形式采用侧浇口进料，这样模具尺寸较小，制造方便，利于充满型腔，塑件质量高，生产效率高，成本低，型腔排列如下图：
图3.1型腔排布示意图
3.3分型面设计
由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件结构工艺性及尺寸精度、嵌件的位置、塑件的推出、排气等多种因素的影响，因此在选择分型面时应综合分析比较以选出较为合理的方案。
选择分型面时的考虑方向：
（1）分型面一般不取在装饰外表面或带圆弧的转角处
（2）将同心度要求高的同心部分放于分型面的同一侧,以保征同心度
（3）轴芯机构要考虑轴芯距离
（4）分型面作为主要排气面时，分型面设于料流的末端。
（5）塑件开模后留在动模上
3.4排气槽设计
当塑料熔体充填模具型腔时，必须将浇注系统和型腔内的空气以及塑料在成型过程中产生的低分子挥发气体顺利排出模外。
如果型腔内因各种原因产生的气体不能被排除干净，塑件上就会形成气泡、产生熔接不牢、表面轮廓不清及填充不满等缺陷。
另外气体的存在还会产生反压力而降低充模速度，因此设计模具时必须考虑型腔的排气问题。
本塑件模具采用利用分型面排汽。
这样可以减少排汽系统的制造接生了成本，减少了劳动的工作量。
3.5浇注系统设计
浇注系统是塑料熔体自注射机的喷嘴射出后，进入模具的型腔以前所流经的一段路程的总称。
模具浇注系统应尽量粗短，流道设计分为主流道、分流道、浇口和冷料井的设计。
查[2]得双分型面注射模使用的浇注系统是侧浇口浇注系统。
3.5.1主流道设计
主流道为注塑机的喷嘴到型腔之间的进料通道。
熔体从喷嘴中以一定的动能喷出.由于熔体在料筒内已被压缩,此时流入模的空腔内,其体积必然要增大,流速也略为减小。
主流道设计应注意的问题：
（1）便于流道凝料从主流道衬套中拔出，主流道设计成圆锥形。
锥角
粗糙度Ra
与喷嘴对接处设计成半球形凹坑，球半径略大于喷嘴头半径。
（2）主流道要求耐高温和摩擦，要求设计成可拆卸的衬套，以便选用优质材料单独加工和热处理。
（3）衬套大端高出定模端面0.5-1mm，并与注射机定模板的定位孔成间隙配合，起定位隙作用。
（1）主流道直径的计算
查[7]（5-59）得主流道直径计算的经验公式：
式中
——主浇道大头直径
——流经主浇道的熔体体积
——因熔体材料而异的常数如表3.1
表3.1塑料种类与K值表
塑料种类
PS
PE/PP
PA
PC
ABS
CA
K值
2.5
4
5
1.5
2.1
2.25
故
mm
（2）主流道断面尺寸
主流道设在定模板上，并且位于模具的中心，与注射机喷嘴在同一轴线上，如图3.4所示：
图3.4主流道称套示意图
表3.2主流道衬套中尺寸关系表
注射机喷嘴直径（0.5～1）mm
与注射机定位孔间隙配合
注射机喷嘴球面半径（1～2）mm
主流道的大头直径确定为6mm，综合考虑主流道如下选择：
。
D=6mmα=4°d=3mml=21mmSR=5mm
3.5.2分流道设计
分流道是指塑料熔体从主流道进入多腔模各个型腔的通道，对熔体流动起分流转向作用，要求熔体压力和热量在分流道中损失小。
分流道的作用是改变熔体流向，使其以平稳的流态均衡地分配到各个型腔。
设计时应注意尽量减少流动过程的热量损失和压力损失。
（1）分流道的截面形状及分布选择
分流道截面形状有：
圆形、梯形、U形、半圆形及矩形等几种形式。
。
表3.3分流道截面形状的对比表
截面形状
特征
热量损失
加工性能
流动阻力
效果
圆形
小
较难
小
最佳
梯形
较小
易
较小
良
U形
较小
易
小
佳
矩形
大
易
大
不良
通过表3.3所示截面形状的对比，圆形截面形状效果最佳，但考虑到经济和加工难易，采用梯形截面形状。
分流道截面形状采用梯形且平衡分布。
因为梯形分流道热量损失较小，易加工，效率较高且可保证各型腔均衡进料，从而保证塑件质量。
（2）分流道的长度要尽可能短，且弯折少，以便减少压力损失和热力损失，节约塑料的原
材料和降低能耗。
（3）由于分流道中与模具接触的外层塑料迅速冷却，只有内部的熔体流动状态比较理想，
此分流道的表面粗糙度要求不能太低，一般Ra取0.8µm左右，这可增加对外层塑料熔体的流动阻力，使外层塑料冷却皮层固定，形成绝热层。
3.5.3浇口设计
浇口亦称进料口，是连接分流道与型腔的熔体通道。
浇口的设计与位置的选择恰当与否直接关系到塑件能否完好，高质量地注射成型。
根据设计要求使用直浇口即可满足使用要求，因为直浇口压力损失较小，注射速度高从而提高效率。
（1）浇口位置的选择：
1）尽量缩短流动距离；
2）保证熔料能迅速地充满型腔；
3）浇口开在塑件臂厚处；
4）考虑分子定向的影响；
5）减少熔接痕，提高溶解强度。
所以，塑件的浇口与塑件在分型面的两侧，浇口搭接在塑料上，其结构如图3.7所示。
（2）浇口尺寸计算
H=nt
3.5.4冷料穴设计
冷料穴是浇注系统的结构组成之一。
冷料穴一般设在主流道的末端，底部作成曲折的钩形或下陷的凹槽，使冷料穴兼有分模时将主流道凝料从主流道衬套中拉出，并滞留在动模一侧的作用。
该浇注系统选用带Z形头拉料杆的冷料穴，拉料杆固定在推板上，使凝料与拉料杆一道被出推出机构从模具中。
开模后稍许将制品作侧向移动，即可将制品连同凝料一道从料杆取下。
3.6脱模机构设计
塑件在模腔中成形后，便可以从模具中取下，但在塑件取下以前，模具必须完成一个将塑件从模腔中推出的动作，模具上完成这一动作机构称为脱模推出机构。
推出机构的组成：
第一部分是直接作用在塑件推出的零件；第二部分是用来固定推出零件的零件，有推杆固定板、推板等；第三部分是用作推出零件推出动作的导向及合模时推出零件复位的零件。
推出机构应使塑件脱模时不发生变形或损伤塑件的外观；推力的分布依脱模阻力的大小合理合理安排；推出机构的结构力求简单，动作可靠，不发生误动作，合模时要正确复位。
从塑件结形状分析属薄壁类制品，宜采用推板推出机构，随着动模运动顶杆推动推板推出机构。
脱模力的计算要将塑件从模腔中推出，必须克服推出所遇到的阻力，因此塑件脱模时必须有一个足够大的脱模力。
查[2]得脱模力可用下式计算：
式中Ft——脱模力（推出力），单位：
A——塑件包络型芯的体积，m2
P——塑件对型芯单位面积上的包紧力，取1.0×107Pa
α——脱模斜度
µ——塑件对钢的摩擦系数
则Ft=0.005×1.0×107×（0.2cos0.75-sin0.75）N
≈9435N
3.6.1推出部分的选择
因为本塑件结构简单，所以使用一般的推杆推出机构、推板推出机构等即可满足塑件脱模要求。
3.6.2导向机构的设计
导向机构是保证动、定模板或在上、下模合模时正确地定位和导向的零件。
合模导向机构主要有导柱和锥面定位两种形式。
通常采用导柱导向定位。
导柱导向机构应用最普遍，其主要零件是导柱和导套。
一般该零件要求具有良好的耐磨性，和不易变形，所以使用微变形低淬透模具钢，GCr15.
一般导柱导套已实现标准化，不必自己设计。
此模具选用带头导柱和其导套，其配合形式及设计尺寸如图3.8所示。
图3.8导柱导套的配合形式示意图
四注射机的有关工艺参数校核
4.1最大注射量校核
注塑机的最大注塑量应大于制品的重量或体积（包括流道及浇口凝料和飞边），通常注塑机的实际注塑量最好在注塑机的最大注塑量的25%～
。
因此可得：
式中V——模具要求的实际用料体积
V≈36.7cm3
≈20cm3
0.8
≈64cm3
确定的注塑机注塑量为60cm3，满足要求。
4．2锁模力与注射压力的校核
式中F——胀模力，KN
——注射压力，MPa
——塑件和浇注系统在分型面上的投影面之和,cm2
——被校核模板的安全许用应力，MPa
P=0.1
A≈0.1×25×120kN=300kN
10
A≈10×55×120kN=66000kN
300<500<66000
确定的注塑机锁模力满足要求。
4．3模具与注塑机安装部分相关尺寸校核
模具闭合高度长宽尺寸要与注塑机模板尺寸和拉杆间距相适合。
即模具长
宽>拉杆空间
模具的长宽为355mm和459mm，大于注塑机拉杆空间190×300故满足要求。
4．4模具闭合高度校核
模具实际厚度
=219mm
注射机最小闭合高度H最小=200mmH最大=300mm
即H最小<
4．5注射压力的校核
式中Pi——成型制品所需的注射压力，MPa
——模腔压力，MPa
K——安全系数，常取1.25～1.4
K=1/3～2/3
/k=1.3×25/（1/2）=65MPa
=122MPa
>KP/k
确定的注射机注射压力满足要求。
4．6开模行程校核
注射机开模行程应大于模具开模时取出塑件（包括浇注系统）所需的开模距。
我们所选的注塑机的最大行程与模具厚度无关，即满足下式：
S≥
+
+（5～10）
式中S---注射机最大开模行程,mm
---推出距离（脱模距离）,mm
---包括浇注系统在内的塑件高度,mm
S=180
+
+（5～10）=10+21+（5～10）=36～41满足要求。
五成型零部件工作尺寸的计算
为了降低模具加工难度和制造成本，在满足塑件使用的前提下，采用较低的尺寸精度。
塑件精度等级与塑料品种有关，根据塑料的收缩率的变化不同，塑料的公差精度分为高精度、一般精度、低精度三种（见表5.1）。
表PE建议采用精度等级表
塑料品种
建议采用精度等级
高精度
一般精度
低精度
PE
5
6
7
由塑件的工作环境知道工件的精度要求不高，所以精度等级选择一般精度。
5.1型腔尺寸计算
计算中取聚乙烯的平均收缩率1.75%。
公差按照表5.1和表5.2中所查的公差进行计算。
模具制造公差，统一取塑件尺寸公差的1/3。
5.1.1型腔径向尺寸计算
模具最大磨损取塑件公差的1/6;模具制造公差取1/3△;取.x=0.75
式中：
——塑件外形最大尺寸
——塑件的平均收缩率
——塑件的尺寸公差
——模具制造公差，取塑件尺寸公差的
5.1.2型腔深度尺寸:
模具最大磨损取塑件公差的1/6;模具制造公差取1/5△;取
相对凹模的工作尺寸计算公式:
式中：
——塑件内腔的深度最小尺寸
对于3尺寸塑件的公差△取0.12
=
5.2型芯径向尺寸:
5.2.1型腔径向尺寸计算
模具最大磨损取塑件公差的
;模具制造公差取1/3△;取
六模具温度调节系统计算
6.1模具冷却系统计算
冷却回路所需总表面积可按下式计算
式中
——冷却回总表面积，
;
——单位时间内注入模具中树脂的质量，
;
——单位质量树脂在模具内释放的热量，
PE的
值查表得：
值为5.9；
——冷却水的表面传热系数，
;
——模具成形表面的温度，
；
——冷却水的平均温度，
。
图6.2冷却回路排布图
6.2模具加热系统计算
当注射成型工艺要求模具温度在80℃以上时，模具必须有加热装置，由于PP成型工艺要求模温在40℃～80℃。
因此，此模具不用设置加热装置即可满足注射成形的需要.
七模具的工作原理
7.1模具工作原理:
合模时，在导柱18和导套17的导向定位下，动模和定模闭合。
型腔由定模板13上的凹模与固定在动模板12上凸模组成，并由注射机合模系统提供的锁模力锁紧。
然后注射机开始注射，塑料熔体经定模上的浇注系统进入型腔，待熔体充满型腔并经过保压、补缩和冷却定模后开模。
开模时，注射机合模系统带动动模板后退，模具从动模和定模分型面分开，塑件包在凸模19上随动模一起后退，同时拉料杆16将浇注系统的主流道凝料从浇口套中拉出。
当咚摸移动一定距离后，注射机的顶杆接触推板6，推出机构开始动作，使推杆4和拉料杆16分别将塑件及浇注系统凝料从凸模和冷料穴中推出，塑件与浇注系统凝料一起从模具中落下，至此完成一次注射过程。
合模时，推出机构靠复位杆复位并准备下一次注射。
八模具总装图及模具的装配、试模
8.1模具总装图及模具的装配
图8.1模具装配图
模具总装图的技术要求内容：
（1）对于模具某些系统的性能要求。
（2）对模具装配工艺的要求。
例如模具装配后分型面的贴合面的贴合间隙应
模具上、下面的平行度要求，并指出由装配决定的尺寸和对该尺寸的要求。
（3）模具使用，装拆方法。
（4）防氧化处理、模具编号、刻字、标记、油封、保管等要求。
（5）有关试模及检验方面的要求。
8.2模具的安装试模
8.2.1试模前的准备
试模前要对模具及试模用的设进行检验。
模具的闭合高度，安装与注射机的各个配合尺寸、推出形式、开模距、模具工作要求等符合所选设备的技术条件。
检查模具各个滑动零件配合间隙适当，无卡住及紧涩现象。
活动要灵活、可靠，起止位置的定位要准确。
各镶嵌件、紧固件要牢固，无松动现象。
各种水管接头、阀门、附件、备件要齐全。
对于试模设备也要进行全面检查，即对设备的油路、水路、电路、机械运动部位、各操纵件和显示信号要检查、调整，使之处于正常运转状态。
8.2.2模具的安装及调试
模具的安装是指将模具从制造地点运至注塑机所在地，并安装在指定注射机的全过。
（1）模具安装到注射机上要注意以下几个问题：
1）模具的安装方位要满足设计图样的要求。
2）模具中有侧向滑动机构时，尽量使其运动方向为水平方向。
3）当模具长度与宽度尺寸相差较大时，应尽可能使较长的边与水平方向平行。
8.3.3试模
将模具安装在注射机上，选用合格的原料，根据推荐的工艺参数调整好注射机，采用手动操作。
开始注射时，首先采用低压，低温和较长的时间条件下成形。
如果型腔未充满，则增加注射时的压力。
在提高压力无效的时，可以适当提高温度条件。
试模注射出样件。
试模过程中，应进行详细记录，将结果填入试模记录卡，并保留试模的样件。
8.2.4修模
虽然是在选定成型材料、成型设备时，在预想的工艺条件下进行模具设计，但是人们的认识往往是不完善的，因此必须在模具加工完成以后，进行试模试验，看成型的制件质量如何。
发现总是以后，进行排除错误性的修模。
塑件出现不良现象的种类居多，原因也很复杂，有模具方面的原因，也有工艺条件方面的原因，二者往往交只在一起。
在修模前，应当根据塑件出现的不良现象的实际情况，进行细致地分析研究，找出造成塑件缺陷的原因后提出补救方法。
因为成型条件容易改变，所以一般的做法是先变更成型条件，当变更成型条件不能解决问题时，才考虑修理模具。
修理模具更应慎重，没有十分把握不可轻举妄动。
其原因是一旦变更了模具条件，就不能再作大的改造和恢复原状。
8.2.5检验
通过试模可以检验出模具结构是否合理，所提供的样件是否符合用户的要求，模具能否完成批量生产。
针对试模中发现的问题，针对试模中发现的问题，对模具进行修改、调整、再试模，使模具和生产的样件满足客户的要求，试模合格的模具，应清理干净，涂防锈油入库保存。
致谢
时间如白驹过隙，转瞬即逝。
经过紧张而又忙碌的资料搜集、整理及设计，一个多月的时间似指间的流水，匆
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