基于CAE分析的遥控器电池后盖模具设计.docx

1、基于CAE分析的遥控器电池后盖模具设计毕业设计 题 目 基于CAE分析的遥控器电池后盖模具设计 学生姓名 XXX 专业班级 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 学 号 XXXXXXXXXXXXXX 院 （部） XXXXXXXXXXXXXXXX 指导教师（职称） XXXXXXXXX) 完成时间 2016 年 6 月 8日 基于CAE分析的遥控器电池后盖模具设计 摘 要塑料在当前全球范围内应用较广泛：大到工业用品，小到日常用品；因为塑料工业有了很大发展，所以注塑模具行业也成逐步上升的趋势；所以研究注塑模具对了解塑料产品的制造的过程和提升产品的质量有重要意义。本设计讲述了

2、遥控器后盖产品注射模具的设计流程。主要的设计流程有：根据现实生活中所接触到的遥控器后壳进行分析设计；创建电池盖的3D外形，然后使用UG给制件进行分型面的设计，进行斜顶设计；然后设计顶出系统、进胶系统与冷却系统；然后使用MoldFlow进行模流分析，确定合适的浇口；最后书写模具设计说明书绘制模具的装配及零部件图纸。 通过使用CAE软件辅助设计，有效的提高了模具设计的效率，并且运用这些CAE软件进行辅助设计，能够提前预知模具设计的结果，并能对产品性能进行评估以及缺陷分析，使用CAE软件进行模具设计为模具设计开阔了广阔的前景。 关键词：模具设计； 分型面； 斜顶； CAE分析 第一章 前言1.1选题

3、背景 随着现代制造技术的飞速发展和计算机技术的应用，注塑模具已成为儿童玩具行业、仪器仪表行业、遥控器行业等生产中的不能缺少的重要工艺装备。特别在生产塑料产品中，塑料模具已广泛应用，正在成为各类模具的重要位置。塑料模具的设计和研究是模具中最具代表性的。注塑模具已成为生产塑料产品的的重要手段之一，并成为最有前景的模具之一。注塑成型是最通用的市场上应用的当今，塑料成型的最有前景的方法之一，因此是一种注射模塑料模具，它具有很大的市场需求。本课题适用性强，涉及模具知识和公差配合知识，所以选择了基于CAE分析的遥控器电池后盖模具设计作为毕业设计课题。1.2 国内、国外注塑模具的发展 当今我国的模具设计技术

4、得到了较好的发展，在大型模具方面，可以生产出了液晶电视的外壳塑料模具、汽车的大灯面罩以及内饰中控台等塑料模具、空调的面板以及扇叶等模具。当然微密模具也有很大的发展可以制造出石英表中的齿轮模具，以及精密测量仪器中的零部件模具。塑料的零部件比传统的钢材零部件具有多变性，易于设计以及工艺分析，并且易于成型，更节省材料。注塑模具的质量和精度以及制造周期以及加工成型都会影响到企业的效益，并且注塑模具不能像其他行业一样的商品一样在市面上随时可以买到，模具制造都是单件小批量生产，不可能形成大批量生产，所以模具的制造成本一般较高于其他行业。正因为模具不能像传统的金属行业在市面上可以买到成品，所以模具行业要求制

5、造周期尽量缩短，尽快把成品交到顾客手中，这样才能有竞争力。模具设计行业是一个要求设计者文化程度和技术经验较高的行业，因为要使用3D软件造型和使用2D软件绘图，以及采用各种辅助软件进行工艺分析，这都要求设计者拥有较高的文化程度和技术经验。在全球范围内模具的高端技术有：1）流道加热技术 是把传统的模具在其流道附近加装加热装置保证塑料在浇口以及流道里面不凝固，所以在制件冷却和顶出时，流道和浇口还处于高温，不用去去除其中的凝料。不仅节约了时间而且节约了原料。流道加热技术因为省时省料所以适用于批量较大的生产，如牙刷、遥控器外壳、手机面板等。 2）气体辅助充模技术 是一种使用气体置换塑料的保压创新型技术。

6、它的主要原理是：第一步向模腔内注射塑料注意本技术的注射是欠料注射，然后再往模腔内充高压的惰性气体，使模腔内的塑料内部充满高压气体膨胀，最后气体会在流到物料的最小阻力区域和高温区域，在物料的流动过程中，会置换腔体内的塑料，起到了充实、保压的作用保证了制件的加工质量。 3）共充模成形技术 是采用多个注射充模的系统，将不同性质的物料，如不同颜色的物料同时或分时对一制件进行加工充模，如双色注塑机是我国常用的技术。在使用共注射成形技术生产塑件时，最重要的数据是控制注射的速度，和注射的量多少，还有模具的温度控制。3)反应式充模技术 是将多种液态的物料，不同种类的物料在充入模腔内可以相互反应固化冷却便可成型

7、塑料制品，这种技术的原料不是固体而是液体，因此较小的压力就能充满整个模腔，并且降低了合模力和模具成本，本技术适合应用于大面积的片体制品。未来模具业发展方向：1)进行模具设计时尽力使用CAE软件进行模具的设计与分析。， 2)模具设计应朝着精密化、巨型化、参数化、专业化发展。增加新型创新技术的使用频率。（如：流道加热技术、气体辅助充模技术、共充模成形技术、反应式充模技术）。3)对模具的材料进行研发，材料力学性能可靠，抗热性和抗拉、压力强。加强普及模具行业标准，制造标准件，增强行业的互换性，降低制造成本。本设计的设计方案如图1-1。 图1-1 设计方案第二章 遥控器电池后盖的工艺性分析2.1 结构工

8、艺性制件的3D造型如图2-1、图2-2，制件表面均采用弧面设计。制件背面底部设有定位卡条，是两个倒扣结构需要进行斜顶设计；制件外边面有一个凹台，上面设有防滑条，制件表面光滑,制件的零件图如图2-3。图2-1 制件正面图 图2-2 制件反面图 图2-3 制件三视图2.1.1 尺寸及精度影响零件的尺寸精度的主要因素有：模具的制造的精度大约为三分之一，成型工艺条件的变化大约为三分之一，收缩率的波动和模具磨损的影响。对于尺寸大的零件尺寸及精度主要取决于收缩率的波动，对于尺寸较小的零件尺寸及精度主要取决于模具的制造精度。本设计采取一般精度，是4级精度，没有公差的尺寸，采取8级精度。2.1.2脱模斜度在塑

9、件充模、冷却完成后，塑件与型芯紧密贴合，甚至会卡紧，这是塑料本身的收缩率产生的，这给脱模造成很大的阻力，若使用较大的顶出力，会使零件变形严重时会顶破零件，脱模斜度较大时会影响零件的精度只有当设计了合适的脱模斜度，才能使得脱模顺利并且保证了成型零件的质量。设定其原则为：热塑性的材料取0.53.0。热固性酚醛压塑材料取0.51.0；材料的脱模斜度与材料的收缩率成正相关。内孔的斜度，要从孔的扩张方向去取，但是孔的斜度要从小口处为基准。塑件的外轮廓的斜度要以最宽处为基准，斜度在减小的方向取得。若塑件的长度或孔的长度较大，则不得将斜度设计的较大。 所以本设计的脱模斜度为1。2.1.3表面粗糙度塑件的表面

10、质量精度越高，则塑件的表面粗糙度值要越低。成型零件的粗糙度一般为Ra 0.3m；透明零件的型腔的粗糙度和型芯的粗糙度应基本保持一致；不透明零件的非工作表面可取稍微大粗糙度，就是说型芯表面比型腔表面稍微大一些。本设计塑件的外轮廓表面粗糙度为Ra 0.3m。2.1.4 圆角及壁厚设计为了提升塑料的充模时的流动性、提升塑件的强度，坚固性，和避免出现应力集中在模具的型腔部位以及转角处都采用圆弧过渡，本设计圆角为R=0.5。根据设计的原则，制件的壁厚要相对均匀，不然会影响到制件的质量，容易产生内应力、变形甚至开裂，壁厚太小，会使塑料流动的阻力很大，对于形状较大的塑件或复杂的片体塑件成型较困难，本设计的壁

11、厚取2mm，所以壁厚的选择要满足一下几点：1）制件的壁厚要均匀2)在保证塑件的强度和刚度条件下，才能取壁厚的最小值。3)壁厚的最小值要能使熔融态的物料充满整个腔体4)壁厚的最大值不能使塑件内部产生空穴和气泡以及外部凹陷等2.1.5 零件体积及质量 运用UG软件中的体积重量测量，测得塑件质量m=6.21g，体积v=6.243 ；浇筑流道里面的凝料按照单个塑件体积的50% 来计算，两个塑件和两个浇注系统的凝料的总重量M=6.21（1+0.5)=9.18g,总体积V=6.243（1+0.5）=9.36 初选注射机：注射机的主要参数包括注射量、注射压力、锁模力、与模具的配合尺寸等。选择注射机的的主要参

12、考参数为:1) 注射量 就是注射机的极限容量，选择设备时，实际所需的注射量不应超过注射设计的工程注射量的30%70%为宜。2)注射压力 推动塑料充模的动力，注射机的柱塞（或螺杆）对熔融态的塑料必须加载一定的压力，才能使塑料充满模腔， 3）连接尺寸：选注射机时，必须考虑注射机与模具之间的配合尺寸以及链接尺寸如：模板尺寸、模具的最大和最小厚度及模具最大开合模行程等。4）锁模力 锁模力是高压的熔融态的塑料注满模腔时，为了克服使模具分型面胀开的力，必须要有足够的压力来锁住模具，保证注射成型的顺利进行，并且锁模力大于胀力。公式表示为：小于式中，为塑料在分型面的胀开力，N； 为型腔压力，一般为注射压力的8

13、0%左右，通常取2040MPa; 为型腔数目； A为塑件的覆盖面积,； 为凝料在分模面上的的覆盖面积，； 为额定锁模力，N。 由以上参数的选定规则可得注射量：单个塑件重量m=6.76g v=6.243cm3总体积V=6.243（1+0.5）2=18.72 cm3 总重量M=6.21（1+0.5)2=18.36g满足注射量 V注射机V总体积/0.8=23.4 cm3满足注射量 M注射机M总重量=18.36g2）注射压力： P注射机P成型 ABS塑料成型时的注射压力查找有关书籍得P成型=7090MPa3）锁模力： 锁模力胀开力 ABS塑料的型腔压力取p=30MPa总的投影面积为5312.246mm

14、2 根据以上的计算和分析初选注射机为：XS-Z-30，其参数如表2-1所示。表2-1 注射机各项参数注射机项目参数理论注射容量（cm）30注射压力（MPa）319注射行程（mm）330注射方式柱塞式锁模力（KN）650螺杆直径（mm）48拉杆内向距（mm）550最大模具厚度（mm）580最小模具厚度（mm）360移模行程（mm）200喷嘴孔直径（mm）3.5喷嘴圆弧半径（mm）12最大开合模行程（mm）160拉杆空间（mm）435动、定模板尺寸（mm）6305802.2 材料的性能本制件选材为ABS，耐低温性、耐热性、其抗冲击性、以及它的电气性良好，并且它还有容易加工，表面色泽光滑，容易着色等

15、优点。参数如表2-2所示。表2-2 性能参数性能参数密度（g/）抗拉强度（MPa）抗弯强度（MPa）拉伸弹性模量（MPa）收缩率（%）数值范围1.051.0731504080157821990.29%078%2.3 成型的性能与条件ABS物料加工前要做除水处理，不然ABS在加工中由于材料的特性和收缩率问题容易产生内应力，所以为了防止制品裂开，需要进行退火处理。 制件的质量和物料加热的温度联系紧密，高温容易让塑料分解，料筒温度一般取179250，这里取240。 在成型过程当中应采用较高的温度和比较高的注射压力，柱塞式注射机一般取：料温165225，注射压力取75110MPa喷嘴温度取175185

16、特别应注意均化段和喷嘴温度的浮动，都会映射到制品上，造成溢边、银丝、颜色不匀、光泽度不高、毛边等缺点。ABS材料注射参数如表2-3。表2-3 ABS材料注射参数项目参数1参数2参数3注射机的类别螺杆式喷嘴类型直通式温度175185螺杆转速3565r/min注射压力75100 MPa模具温度5570料筒温度前段205215中段215235后段185205注射时间5S保压时间2030 S冷却时间2030 S成型周期3565 S保压力5570 MPa第三章 模具结构设计3.1 成型系统设计3.1.1 分型面的选择模具上用可以顶出塑件和去除浇注系统的凝料的可分离的解放表面，叫做分型面，也可以叫做为分模

17、面。分型面的选择基本原则是：分型面应该选在塑料制件的断面轮廓最大位置处，以便能顺利脱模，并且还应考虑以下几个因素：1）分型面必须选在制塑件形状的最宽投影处2）能够顺畅的脱模是选择分型面的必要条件3）塑件能达到较小的粗糙度4）塑件的外表面质量要由可靠的分型面选择来决定5）分型面的选择能够利于模具的设计与制造6）分型面应选择在不会影响塑件外表面质量的部位，使其产生的毛边容易清理和打磨。图3-1中红色实线为分型线。图3-1 分型面3.1.2 确定型腔的数量以及布局型腔的数量多少与利弊：根据塑件的经济性和塑件的精度来确定型腔数目。每增加一个型腔，制造成本会大幅度提到而且精度会下降。并且多腔模的保证每个

18、制件的成型条件一致会很困难。所以可根据注塑机的公称注射量和注射机锁模力来确定型腔数目。由此可见，型腔数量增多，制件的制造精度会降低，经济性变差，成型工艺变得复杂，而且日常的保养和维修成本高，故障发生率更高，兼顾型腔数目增加的缺点和生产效率问题，本设计采用一模两腔。型腔布置的设计原则主要为： 1）各各型腔在同样的温度下能同时充模，并且能使浇口平衡、各各制件的相对位置平衡 2）模具的力平衡，使注射压力中心与主流道重合，防止产生飞边 3）为了降低成型周期以及热损失，和节约原料流道尽力设计的较短。 4）制件在成型后脱模应留在动模上，型芯应设置在动模得一侧，型腔设置在定模的一侧本塑件的布局如图3-2所示

19、。 图3-2型腔的布局3.2 成型零部件的设计3.2.1 型腔以及型腔的设计由于型腔与型芯在工作的时候，会跟熔融态的高温塑料发生碰撞，以及充模时塑料对成型部件高速的摩擦，还有在脱模时制件与成型部件的摩擦等，故模具的成型部件要有很高的耐磨性和刚度，为了能使制件尺寸满足要求，则成型部件要有更高的精度和正确的几何尺寸。在设计成型部件时应该结合制件的材质性能，以及用途范围，和有无特殊的构造来设计，因为本遥控器电池后盖盖，外部的结构相对较简单，考虑到制造成本等因素，设计成整体嵌入式成型的腔体，因此可以节省材料，嵌入板应该设计成方便更换，并且具有一定的刚度和强度。3.2.2 成型零件的工作的尺寸设计模具成

20、型零件和熔融态的塑胶相接触并决定塑件的成型尺寸，这些尺寸叫做工作尺寸。其中包括，凸模尺寸、凹模尺寸、中心矩尺寸等。有些尺寸会有增大的趋向，如凹模尺寸，塑件的膨胀和摩擦，会造成凹模变大；而凸模被制件所包裹，并且在顶出成品时，会对凸模造成摩擦，所以凸模有变小的趋向。有些尺寸不直接接触和摩擦的中心矩尺寸一般不会改变，如螺栓孔尺寸、凸模间距、凹模间距、凹槽的间距。有扩大趋向的尺寸应进行单边负偏差设计（取最小值），如成型制件外外表面的凹模，而有减小趋向的尺寸应进行单边正偏差设计（取最大值），如凸模是用来成型塑件的内表面。不宜改变的中心矩尺寸进行取平均值设计。型腔工作部位的尺寸：型腔径向的尺寸: 型芯径向

21、的尺寸: 型芯高度的尺寸: 中心距的尺寸: 上公式中L是塑件外表面的最长距离（mm）l是塑件的内表面的最小距离（mm）H是塑件高度方向上的最大距离（mm）h是塑件内表面的最小距离（mm）C是塑件中心距离尺寸的平均距离（mm）x是修正系数，取0.50.75为塑件公差（mm）为模具制造公差，取（1/31/4）。由上公式计算可得：成型部位的尺寸如图3-3和3-4。图3-3型芯尺寸图3-4型腔尺寸3.3 设计模具基本构架和模架的选择3.3.1 选择模架由上文所分析以及计算，所得到的各各型腔的尺寸参数以及各系统之间不能发生干涉为原则，使用CAE软件调出标准模架，如图3-5图3-5 模架3.3.2 动模板

22、和定模板的设计定模板的尺寸为60 mm；动模板的尺寸为80 mm；垫块的尺寸为=90 mm；模具的总高度为281 mm；模具的外形尺寸：300mm400 mm281 mm。如图3-6。图3-6 动模板和定模板3.4 浇注系统设计3.4.1 主流道设计主流道的作用及设计要点：为了能使塑料凝料能快速的从主流道中推出，故将其设计成圆锥状一般设计成26的锥角，锥度大小适当，锥度大造成压力减少，会产生瀚流，容易进入空气在制件上形成气孔，锥度过小会使流速变大，使充模困难，本设计采用2的锥角。通常浇口套大端倒角R=13mm，本设计采用2 mm；机台和主流道喷嘴相接处，为半球形凹坑；为了防止溢胶浇口套半径要比

23、注嘴半径大12mm，R取20mm；为了防止存放的物料使压力下降，浇口套直径应比模具喷嘴内径大12mm；为了降低压力和热量的损失主流道应该设计的最短。如图3-7和图3-8。图3-7 主流道图3-8 定位环3.4.2 分流道设计分流道是连接浇口与主流道的熔体通道，是用来转换熔体的方向和将主流道分成若干个支流。点浇口得浇注系统的定模版与分流道和的分型面以及定模扳内的垂直部分。在一模两腔的的模具设计当中，分流道的设计必须满足各各型腔能同步填充，若所有型腔的参数相同时必须采用等距离或等截面的分流道，不然，在流速条件一定时，假如采用不是等截面的分流道，则可能造成个别型腔不能充满的问题。因为本设计为一模两腔

24、所以选取平衡式，就是说分流到距离每个型腔的浇筑点距离相同，剖开截面相同的设计。平衡式的分流道设计实现平衡进胶和同时充满型腔的目的。本设计的分流道内径为R=4mm,如图3-9。 图3-9 分流道3.4.3 浇口设计及位置选择浇口是分流道与型腔之间最短的一段距离，浇口能够锁住装填模腔中的塑料并可以限定塑料进入模腔的流速。： 浇口应设置在塑件壁厚较大处，使塑料由厚壁流向薄壁方向，可以降低压力损失。力求缩短塑料的流动距离，可以降低热量损失，并能快速的把塑料射入型腔。选择如下：1）浇口应设置在塑件的非直观面并容易修磨的部位。（设置在直观面会影响外形的精致）2）浇口位置有利于型腔的排气，所以浇口的设计要能

25、使塑料均匀地充进型腔3）浇口的位置的设置应考虑制件的纵横收缩率问题 本设计的浇口位置和尺寸如图3-10。图3-10 浇口3.4.4 冷料穴设计冷料穴的作用是，为了不让未加热的塑料进入模腔，并且成型后去除凝料。在遥控器电池后盖模具设计中，主流道的内径要比冷料穴的内径小。当分流道的长度较长时，可以将分流道沿着塑料的流动方向作为冷料穴，可以使前锋冷料存放，它的长度为分流道直径的两倍。当熔融态的塑料充入冷料穴后，会紧紧地包裹在拉料杆的头上，开模时把主流道中的凝料拉出定模，最后顶出系统生效，推件板在顶出制品的时候，同时也会将其从拉料杆上擦除。该设计使用Z型拉料杆，如图3-11和3-12。图3-11 冷料

26、穴图3-12 拉料杆3.5顶出机构和斜顶机构设计3.5.1 顶出系统的设计顶出系统的基本设计要求： （1）必须设置在动模部分且动模部分塑件包裹的型芯的面积要比定模大。 （2）在设计顶出系统时，应对塑件与模具的制件的摩擦力和粘附力进行计算和考虑，从而选取合适的顶出力，既能将塑件顺利顶出，又能防止顶件力超限使塑件扭曲或者顶破。同时应该根据摩擦力来设计顶出方式。 (3)为了控制塑件的外表面质量，顶出部位力应设置在内轮廓面，或者不易观察到的部位。要考虑到顶出机构合模后的正确复位。顶出机构要设计的简单并且稳定可靠，动作轻便，容易加工制造。 由以上的分析和计算本设计使用顶出方式及位置如图3-13所示。图3

27、-13 顶出机构3.5.2 斜顶机构设计斜顶机构是将塑件内部的倒扣的部位抽出的机构，来完成成型的机构。斜顶的角度一般取212，最大不要超达15，本设计采用5的斜顶。下面是设计斜顶的要点及基本原则：斜顶设计上端面要比后模的镶件低0.1mm.斜顶的角度不宜过大，最大不能超过15斜顶在工作时不能与成型塑件或腔体相碰撞。内表面轮廓的倒扣部位使用斜顶来使制件推出，如图3-14。以及斜顶的尺寸图3-15。图3-14 斜顶图3-15 斜顶尺寸图3.6 温度调控系统设计3.6.1 温度调控系统的设计原则温度调控系统的设计原则是：在确保冷却平衡的条件下，不能和模具的任意系统相干涉，碰撞。温度调控系统要首先设计流

28、水管路的位置，其次再设计顶出机构零部件的位置和镶件的相对位置关系。设计冷却系统时，应该考虑凸模与凹模的热平衡，优先冷却凸模，采取双回路设计。最重要是的凸模与凹模制件的温度差不能太大。模温较低，会使塑件的流动性变差，成型时尺寸精度不能达到规定值，表面质量差，模温较高时，易使热塑性材料溢胶或者粘模，使得尺寸偏差过大；当模温不均匀的时候，导致塑件的收缩率不平衡，产生内应力，使得塑件应力变形，尺寸公差不稳定。3.6.2 设计冷却水管路管路距离型腔至少要有10mm，但不能过大，过大会影响冷却效果本设计的水管距离型腔15mm。本设计的水管直径为6mm；设计水路时，要能使冷却水能载管路中流畅循环，且管路的端

29、部要安装在不妨碍其他部件工作的一边；距离腔体制件熔接较近的部位不可以设置管路。该设计的管路的相对尺寸如图3-16。图3-16 冷却水管第四章 MoldFlow成型工艺分析4.1 MoldFlow简介 在以往较落后的模具设计当中，模具浇口的位置选择仅仅依靠设计者的经历和尝试得来，然而当在设计结构较复杂的制件时就会出现很多问题，只能依靠尝试的方法来获得最好的浇口点，通常的流程是首次试模修正再次试模再次修正，不仅浪费时间而且浪费人力物力。而使用MoldFlow软件可以对制件进行全面分析，找出合适的浇口点，并预判制件成型后的一些缺陷，获得可行的修正方案，降低了试模的次数，这样不仅节约了时间而且提高了制

30、件的质量，能创造更大的效益。4.2 浇口的位置选择使用该软件对制件进行分析，首先应划分网格，如图4-1。本设计中制件的壁厚为2mm，选用网格的线长度为1.8mm时发现匹配度较高，其中注意网格的纵横比不得大于15，本设计选用纵横比为6，划过网格就能开始浇口的位置选择分析了。浇口的数量影响着模具的各各参数，浇口多充模时间短且降低了注射压力，但会在制件上留下多条熔接痕；浇口少，使得注射压力增大，因为物料在腔体的行程较大，所以产品在成型后会产生内应力。通过软件分析本设计中的塑件采取侧浇口，浇口数量为1。经软件分析本设计的浇口位置在塑件的外表面中心（制件上蓝色位置为最好，红色区域为最差），因为遥控器电池后盖直接与使用者的手掌接触，为了实现人机工程的设计理念，和提高手持的舒适度，另一方面，根据型腔布置和便于模具的加工，所以浇口的位置不能选在与手掌接触的外表面，所以本设计选在了电池盖端部的卡扣处，该处的浇口匹配性成淡绿色，基本满足要求，如图4-2 。这样不仅满足了模具设计要求而且满足了人机工程学设计要求。图4-1 划分网格图4-2 最佳浇口位置4.2 充模时间的分析在对制件成型工艺分析时，应对塑件进行充模分析，检测该制件能否完全充满，没有留下空隙。检测结果如图4-3所示，塑件可以充满，并且充模时间为1.462S。 根据充模的分