光盤盒底盒注塑模具設計與制造
摘 要
模具是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的重要工藝裝備，被稱為“工業(yè)之母”。而注塑模具又在整個模具工業(yè)中一枝獨秀，發(fā)展極為迅速，在工業(yè)（汽車、通信電子）、農(nóng)業(yè)、國防（航空航天）和日常生活（家用電器）的領域有著極為廣泛的應用?，F(xiàn)代塑料制件的生產(chǎn)中，合理的注塑成型工藝、先進的注塑成型模具及高精度、高效率的注塑設備是當代塑料成型加工中必不可少的三個重要因素。通過本次光盤底盒注塑模的設計了解了模具設計的過程。模具主要零部件結(jié)構設計是模具設計的主要內(nèi)容，其內(nèi)容包含了凹模結(jié)構設計、凸模結(jié)構設計、脫模機構設計、導柱與導套、模架的選取等重要零部件的設計加工方法和加工注意要點。隨著我國制造業(yè)的國際地位的不斷提高，模具工業(yè)獲得了飛速的發(fā)展，模具的需求量也成倍增加,其生產(chǎn)周期愈來愈短。其特點為：品種多樣化；生產(chǎn)過程多樣化；生產(chǎn)能力復雜化。為解決這一問題，首先要普及CAD 技術，利用現(xiàn)代的CAD/CAM/CAE 技術，才是經(jīng)濟、快捷的模具開發(fā)設計制造手段,也是其今后的發(fā)展方向。本設計采用軟件為Pro/E和AutoCAD，利用這些軟件各自強大的功能實現(xiàn)了模具設計的快速化、自動化。
關鍵詞：注塑模，Pro/E，AutoCAD，模具設計
Injection mold design and manufacture of the end of the disc box
Abstract
The mold of modern industrial production technology and equipment, known as the "mother of the industry." The injection mold is growing very rapidly and thriving in the mold industry. In industry (automotive, communications, electronics), agriculture, national defense (aerospace), and daily life (home appliances), the field has a very wide range of applications. The production of modern plastic parts, injection molding process, injection molding mold and injection molding of high precision and high efficiency equipment is essential in the contemporary plastic molding of three important factors. Understanding the mold design process through the box end of the disc injection mold design. the mold design is the main components of the mold structural design .Its content includes the structural design of the die convex mold structure design, mold release agencies, guide posts and guide bush, mold selection of important parts of the design and processing methods and processing points to note. With the continuous improvement of the international status of China's manufacturing industry, the mold industry has developed rapidly, the demand for mold doubled its production cycle becomes shorter. Genetic diversity; diversification of the production process; complex production capacity are the characteristics. To solve this problem, we must first universal CAD technology, the use of modern CAD ??/ CAM / CAE technology is economical and fast development of mold design and manufacture of means, but also the direction of its future development. This design uses the software for Pro / E and AutoCAD, the use of the powerful features of the software to achieve a rapid mold design and automation.
Keywords: Injection molding, Pro / E, AutoCAD, Mold design
目 錄
1 前言 1
2 塑件的工藝分析 3
2.1 塑件材料特性 3
2.2 塑件材料成型性能 3
2.3 塑件成型工藝參數(shù)的確定 3
2.4 塑件的結(jié)構工藝性 4
2.4.1 塑件的表面質(zhì)量分析 4
2.4.2 塑件的尺寸精度 4
2.4.3 塑件的脫模斜度 6
3 注塑機的選擇及校核 8
3.1 計算塑件的體積和質(zhì)量 8
3.2 注塑機的選用 8
3.3 注射機的校核 8
3.3.1 注射量的校核 8
3.3.2 鎖模力的校核 9
3.3.3 模具閉合高度的確定 9
3.3.4 模具閉合高度的校核 9
3.3.5 模具合模行程的校核 9
4 注塑模具的設計 11
4.1 型腔的設計 11
4.1.1 型腔數(shù)目的確定 11
4.1.2 型腔的布置 11
4.2 分型面的選擇 11
4.3 澆注系統(tǒng)的設計 12
4.3.1 澆注系統(tǒng)的組成 12
4.3.2 主流道的設計 13
4.3.3 分流道的設計 14
4.3.4 澆口的設計 15
4.3.5 冷料穴和拉料桿的設計 16
4.4 排氣系統(tǒng)的設計 16
4.5 模架的選擇 17
4.6 塑料模具材料的選擇及熱處理 17
4.6.1 模具材料的選擇 17
4.6.2 模具材料的熱處理 17
4.7 成型零件的設計 18
4.7.1 成型零件的計算 18
4.7.2 型腔壁厚和底部厚度的計算 20
4.8成型零件的加工工藝 23
4.9 脫模機構的設計 24
4.9.1 脫模方式的確定 24
4.9.2 推桿的設計 25
4.10 冷卻系統(tǒng)的設計 27
4.10.1 冷卻系統(tǒng)水管直徑的計算 27
4.10.2 冷卻系統(tǒng)的結(jié)構設計 28
4.11 模具的裝配 29
4.11.1 動模的裝配 30
4.11.2 定模部分的裝配 30
5 參數(shù)化實體設計 32
5.1 成型零件實體設計 32
5.1.1 型芯的實體設計 32
5.1.2 型腔的實體設計 38
5.2 模具的虛擬裝配 39
總結(jié) 41
致 謝 43
參考文獻 44
1 前言
畢業(yè)設計是在修完所有大學課程之后的最后一個環(huán)節(jié)。本次設計的課題是光盤底盒塑料模具設計，它是對以前所學課程的一個總結(jié)。
20世紀80年代開始，發(fā)達工業(yè)國家的模具工業(yè)已從機床工業(yè)中分離出來，并發(fā)展成為獨立的工業(yè)部門，其產(chǎn)值已超過機床工業(yè)的產(chǎn)值。改革開放以來，我國的模具工業(yè)發(fā)展也十分迅速。近年來，每年都以15％的增長速度快速發(fā)展。許多模具企業(yè)十分重視技術發(fā)展。加大了用于技術進步的投入力度，將技術進步作為企業(yè)發(fā)展的重要動力。此外，許多科研機構和院校也開展了模具技術的研究與開發(fā)。模具行業(yè)的快速發(fā)展是使我國成為世界超級制造大國的重要原因。今后，我國要發(fā)展成為世界制造強國，仍將依賴于模具工業(yè)的快速發(fā)展，成為模具制造強國。
中國塑料模工業(yè)從起步到現(xiàn)在，歷經(jīng)了半個多世紀，有了很大發(fā)展，模具水平有了較大提高。在大型模具方面已能生產(chǎn)48"（約122CM）大屏幕彩電塑殼注射模具，6.5KG大容量洗衣機全套塑料模具以及汽車保險杠和整體儀表板等塑料模具，精密塑料模方面，以能生產(chǎn)照相機塑料件模具，多形腔小模數(shù)齒輪模具及塑封模具。經(jīng)過多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技術，模具的電加工和數(shù)控加工技術，快速成型與快速制模技術，新型模具材料等方面取得了顯著進步；在提高模具質(zhì)量和縮短模具設計制造周期等方面作出了貢獻。
盡管我國模具工業(yè)有了長足的進步，部分模具已達到國際先進水平，但無論是數(shù)量還是質(zhì)量仍滿足不了國內(nèi)市場的需要，每年仍需進口10多億美元的各類大型，精密，復雜模具。與發(fā)達國家的模具工業(yè)相比，在模具技術上仍有不小的差距。今后，我國模具行業(yè)應在以下幾方面進行不斷的技術創(chuàng)新，以縮小與國際先進水平的距離。
1、注重開發(fā)大型，精密，復雜模具；隨著我國轎車，家電等工業(yè)的快速發(fā)展，成型零件的大型化和精密化要求越來越高，模具也將日趨大型化和精密化。
2、加強模具標準件的應用；使用模具標準件不但能縮短模具制造周期，降低模具制造成本而且能提高模具的制造質(zhì)量。因此，模具標準件的應用必將日漸廣泛。
3、推廣CAD/CAM/CAE技術；模具CAD/CAM/CAE技術是模具技術發(fā)展的一個重要里程碑。實踐證明，模具CAD/CAM/CAE技術是模具設計制造的發(fā)展方向，可顯著地提高模具設計制造水平。
4、重視快速模具制造技術，縮短模具制造周期；隨著先進制造技術的不斷出現(xiàn)，模具的制造水平也在不斷地提高，基于快速成形的快速制模技術，高速銑削加工技術，以及自動研磨拋光技術將在模具制造中獲得更為廣泛的應用。
對于一個模具專業(yè)的畢業(yè)生來說，對塑料模的設計已經(jīng)有了一個大概的了解。此次畢業(yè)設計，培養(yǎng)了我綜合運用多學科理論、知識和技能，以解決較復雜的工程實際問題的能力，主要包括設計、實驗研究方案的分析論證，原理綜述，方案方法的擬定及依據(jù)材料的確定等。它培養(yǎng)了我樹立正確的設計思想，勇于實踐、勇于探索和開拓創(chuàng)新的精神，掌握現(xiàn)代設計方法，適應社會對人才培養(yǎng)的需要。
畢業(yè)設計這一教學環(huán)節(jié)使我獨立承擔實際任務的全面訓練，通過獨立完成畢業(yè)設計任務的全過程，培養(yǎng)了我的實踐工作能力。另外，本次畢業(yè)設計還必須具備一定的計算機應用的能力，在畢業(yè)設計過程中都應結(jié)合畢業(yè)設計課題利用計算機編制相應的工程計算、分析和優(yōu)化的程序，如利用Pro/E軟件進行塑件的3D造型、塑件的分模等，同時還具備必要的計算機繪圖能力，如利用AutoCAD軟件進行二維圖的繪制。
本次畢業(yè)設計的基本目的是：1、綜合運用塑料成型材料的基本知識,以塑料成型的基本原理和工藝特點,分析成型工藝對模具的要求；2、掌握成型設備對模具的要求；3、掌握成型模具的設計方法,通過畢業(yè)設計,使我們具備設計中等復雜程度的模具的能力；4、培養(yǎng)我們正確的設計思想和分析問題、解決問題的能力，學會運用標準、規(guī)范、手冊、圖表和查閱有關技術資料，培養(yǎng)我們從事模具設計的基本技能。
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2 塑件的工藝分析
2.1 塑件材料特性
該塑件的材料是ABS，ABS塑料（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）是在聚苯乙烯分子中加入了丙烯腈、丁二烯等異種單體而成的改性共聚物， 也以稱為改性聚苯乙烯，具有比聚苯乙烯更好的使用性能和工藝性能。ABS塑料是一種常用的具有良好的綜合力學性能的工程材料。它具有良好的機械強度，特別是抗沖擊強度；具有一定的耐磨性、耐寒性、耐水性和耐油性、化學穩(wěn)定性。不透明，無毒，無味，成型塑件的表面有較好的光澤。其缺點是耐熱性不高，耐氣候性較差。在紫外線的作用下易變硬、發(fā)脆[1]。
2.2 塑件材料成型性能
使用ABS注射成型塑件時，由于熔體粘度高，所需要的注射壓力較高，因此塑件對型芯的包緊力較大，故塑件應采用較大的脫模斜度；另外熔體粘度高，使ABS塑件易產(chǎn)生熔接痕，所以模具設計時應注意盡量減少澆注系統(tǒng)的阻力。ABS易吸水，成型加工前應進行干燥處理[2]。在正常成型條件下，ABS塑件的尺寸穩(wěn)定性較好。
2.3 塑件成型工藝參數(shù)的確定
由文獻[8]可知ABS塑件的成型工藝參數(shù)如下：
注射機類型：螺桿式；
螺桿轉(zhuǎn)速：30～60r/min；
密度：1.02～1.16g/cm3；
收縮率：0.3％～0.8％；
預熱溫度：80～85℃；預熱時間：2～3h；
料筒溫度：前端：200～210℃；中段：210～230℃；后段：180～200℃；
噴嘴形式：直通式；
噴嘴溫度：180～190℃；
模具溫度：50～70℃；
注射壓力：70～90ＭＰa；
保壓壓力：50～70ＭＰa；
成型時間：注射時間：3～5s；保壓時間：15～30s；冷卻時間：15～30s。
2.4 塑件的結(jié)構工藝性
2.4.1 塑件的表面質(zhì)量分析
該塑件的表面沒有提出特殊的要求，一般情況下表面要求光潔，表面粗糙度可以取Ra=0.8μm，塑件內(nèi)部的表面粗糙度可以取Ra=3.2μm。
2.4.2 塑件的尺寸精度
圖2.1 光盤底盒二維圖
塑件外形為圓形零件,二維零件圖如圖2.1所示。因該塑件的尺寸精度沒有特殊的要求，所有的尺寸均為自由尺寸，因此由文獻[8，12]可知塑件的推薦選用的精度等級可得該塑件的尺寸等級可按MT5選用。其主要尺寸公差要求如表2.1所示。
表2.1 塑件主要尺寸按MT5級精度的公差要求 mm
塑件標注尺寸
塑件尺寸公差
外形尺寸
φ140
φ140-1.280
φ124
φ124-1.280
φ118
φ118-1.140
φ48
φ48-0.640
φ36
φ36-0.560
φ14
φ14-0.320
1
1-0.10
44
44-0.640
2
2-0.20
5
5-0.240
3
3-0.20
內(nèi)形尺寸
φ136
φ1360+1.28
φ122
φ1220+1.28
φ116
φ1160+1.14
φ46
φ460+0.64
φ34
φ340+0.56
φ12
φ120+0.32
3
30+0.2
1
10+0.1
2
20+0.2
43
430+0.64
2.4.3 塑件的脫模斜度
經(jīng)過對該塑件的結(jié)構分析，如圖2.2所示。該塑件具有深型腔，為了便于脫模，因此采用一定的脫模斜度。由文獻[4]可知塑件的脫模斜度：型芯35′～1°；型腔40′～1°20′。因此該設計型芯和型腔的脫模斜度取45′。
圖2.2 塑件的三維圖
3 注塑機的選擇及校核
3.1 計算塑件的體積和質(zhì)量
根據(jù)制件的三維模型，由文獻[11]可知，利用三維軟件直接求得制件的體積V=36545.6mm3，質(zhì)量M=40.2g。
3.2 注塑機的選用
由于該模具擬定采用一模兩腔，根據(jù)制件的體積，為了充分發(fā)揮設備的能力又能保證產(chǎn)品的質(zhì)量，由文獻[8]可知初定注塑機為XS-ZY-125，主要技術參數(shù)如表3.1所示。
表3.1 XS-ZY-125型注塑機的主要技術參數(shù)
特性
內(nèi)容
特性
內(nèi)容
結(jié)構類型
臥
最大成型面積(mm2)
320
理論注射容積（cm3）
125
最大合模行程(mm)
300
螺桿(柱塞)直徑(mm)
42
最大模具厚度(mm)
300
注射壓力(ＭＰa)
120
最小模具厚度(mm)
200
注射方式
螺桿式
鎖模形式(mm)
液壓
注射行程(mm)
115
模具定位孔直徑(mm)
120
噴嘴圓弧半徑(mm)
12
噴嘴孔直徑(mm)
4
鎖模力(KN)
900
3.3 注射機的校核
3.3.1 注射量的校核
為確保塑件的質(zhì)量及注塑機的充分利用，注塑模一次成型的塑件體積應在公稱注塑體積的50%~80%范圍內(nèi)。因此V1=125×0.5＝62.5cm3；V2=125×0.8＝100 cm3；2?V= 2×36.5456＝73.09 cm3。V1 ≤2?V ≤V2；滿足要求。
3.3.2 鎖模力的校核
在確定了型腔壓力和分型面面積之后，可以按下式校核注塑機的額定鎖模力：
F≥K?A ?P （3.1）
式中 F—注塑機額定鎖模力：900KN；
K—安全系數(shù)，通常取1.1~1.2，取K=1.1；
A—澆注系統(tǒng)和塑件在分型面上的投影面積和（mm2）；
P—塑料成型時型腔壓力，P取30ＭＰa。
將數(shù)據(jù)代入公式得：F=900 KN≥823.16 KN ，滿足要求。
3.3.3 模具閉合高度的確定
組成模具閉合高度的的模板及其他零件的尺寸有：定模座板H4=20mm；定模板A=60mm；型芯固定板B=30mm；支撐板H2=35mm；墊塊C=70mm；動模座板H1=25mm。則該模具的閉合高度為：
H=H4+A+B+H2+C+H1=20+60+30+35+70+25=240mm （3.2）
3.3.4 模具閉合高度的校核
由于該注塑機所允許的模具最小厚度Hmin=200mm；模具最大厚度Hmax=300mm。因計算得模具的閉合高度H=240mm，所以模具的閉合高度滿足：Hmin ≤H≤Hmax。
3.3.5 模具合模行程的校核
該注塑機的最大合模行程Smax=300mm。為使塑件成型后順利脫模，并結(jié)合該模具的雙峰型面的特點，確定該模具的合模行程應滿足下式的要求：
Smax ＞H1+H2+a+（5～10）mm=55+50+36+9=150mm （3.3）
式中 H1—塑件所用的脫模距離（mm）；
H2—塑件的高度（mm）；
a—取出澆注系統(tǒng)凝料必須的長度（mm）。
因Smax＝300mm＞150mm，故滿足要求。
4 注塑模具的設計
4.1 型腔的設計
4.1.1 型腔數(shù)目的確定
由于該塑件的形狀簡單，且為規(guī)則的圓形，質(zhì)量較小，生產(chǎn)批量較大并且不需要側(cè)分型，若是采用單型腔注射模具，則生產(chǎn)效率較低。因此綜合考慮采用一模兩腔。
4.1.2 型腔的布置
該模具采用一模兩腔的結(jié)構，且模具的結(jié)構尺寸較小，為了便于制造加工，提高生產(chǎn)效率，降低塑件的成本且便于澆注系統(tǒng)的排列和模具的平衡，綜合考慮，決定采用平衡式的型腔布置，如圖4.1所示。
圖4.1 型腔的排列方式
4.2 分型面的選擇
分型面是決定模具結(jié)構形式的一個重要因素，塑件分型面的選擇應保證塑件的質(zhì)量要求，因此分型面應遵循：（1）應選在塑件外形最大輪廓處；（2）有利于順利脫模；（3）保證塑件的尺寸精度和表面質(zhì)量；（4）有利于模具的加工和模具結(jié)構的簡單化；（5）有利于排氣；（6）減少分型面數(shù)量，避免側(cè)向分型和側(cè)向抽芯[3]?？紤]以上原則該塑件有兩種分型方案,如圖。如果按圖4.2a所示的分型面進行分型，則塑件分別有兩個模板成型，由于合模誤差的存在，會使塑件產(chǎn)生一定的同軸誤差，且飛邊不易清除，易產(chǎn)生粘模；而按照圖4.2b所示的分型面分型，則塑件整體有一個模板成型，消除了由于合模誤差是塑件產(chǎn)生同軸誤差的可能。因此決定采用圖4.2b所示的分型面。
圖4.2 分型面的選擇
另外，為了提高自動化程度和生產(chǎn)效率，保證塑件的表面質(zhì)量，決定采用點澆口，而模具采用雙分型面。一個分型面用于成型塑件，另一個分型面用于取出澆注系統(tǒng)的凝料。
4.3 澆注系統(tǒng)的設計
澆注系統(tǒng)是指模具中從注塑機的噴嘴起到型腔入口為止的塑料熔體的流動通道。它的作用是將熔體順利地充滿型腔的各個部位，并在填充及保壓過程中，將注射壓力傳遞到型腔的各個部位以獲得外形清晰、內(nèi)在質(zhì)量優(yōu)良的塑件。它向型腔中的傳質(zhì)、傳熱、傳壓情況決定著塑件內(nèi)在和外在質(zhì)量，它的布置和安排影響著塑件成型的難易程度和模具的復雜程度。
4.3.1 澆注系統(tǒng)的組成
由于該模具采用一模兩腔，因此該澆注系統(tǒng)則由主流道、分流道、澆口和冷料井組成。如圖4.3所示。
圖4.3 點澆口澆注系統(tǒng)
4.3.2 主流道的設計
主流道是連接注射機的噴嘴與分流道的一段通道，通常和注射機在同一軸上，斷面為圓形，且有一定的錐度 。據(jù)所選用的注射機，差得噴嘴前段孔徑：d0 =4mm；噴嘴前段球面半徑：R0=12mm。為了使熔料從噴嘴完全進入主流道而不溢出，應使主流道與注射機的噴嘴緊密對接。由文獻[1]可知模具主流道與噴嘴的關系：
R=R0+（1～2）（mm） （4.1）
D=d0+（0.5～1）（mm） （4.2）
因此取主流道球面的半徑R=13mm；取主流道的小端直徑D=4.5mm。
為了使塑料熔體按順序的向前流動，開模時塑料凝料能從主流道中順利的拔出，需將主流道設計呈錐形，具有2°～4°的錐角，因此取錐角為4°。且表面的粗糙度Ra ≥0.8μm；拋光應沿軸向進行，若沿圓周進行拋光，產(chǎn)生側(cè)向凸凹面，使主流道凝料難以拔出。同時為了使熔料順利進入分流道，在主流道出料端設計r=1mm的圓弧過渡。
由于主流道要與高溫哦塑料熔料和噴嘴反復的接觸和碰撞，所以主流道部分設計成可拆卸的主流道襯套。由于該制件比較小，相對注射機的選用該模具屬于小型注射模，因而將主流道襯套與定位環(huán)設計成一個整體。如圖4.4所示。在設計時為防止因澆口套與注塑機噴嘴接觸平凡而擦傷，應采用淬火處理使其有較高的硬度，達到53～57HRC。一般采用T8A的優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。澆口套與模板配合采用H7∕m6的過渡配合[4]。
圖4.4 澆口套的三維圖
4.3.3 分流道的設計
分流道是指主流道末端與澆口之間的一段塑料熔體的流動通道。由于該制件的體積比較小，形狀結(jié)構比較簡單，且該熔料的流動性不差，可以采用單點進料方式。為了便于加工，選用截面形狀為半圓形的分流道。
由于分流道中與模具接觸的外層塑料迅速冷卻，只有內(nèi)部的熔體流動狀態(tài)比較理想，因此分流道表面的粗糙度不要太低，一般取Ra=1.6μm。這可增加對外層塑料的流動阻力，使外層塑料冷卻皮層固定形成絕熱層。
分流道與澆口的連接應加工成斜面，并用圓弧過渡，有利于塑料熔體的流動和填充。根據(jù)對型腔側(cè)壁厚度的計算，取分流道的長度為100mm。由文獻[5]可知：
D=0.2654?G?4L （4.3）
式中 D—分流道直徑（mm）；
L—分流道長度（mm）；
G—制件重量（g）。
將數(shù)據(jù)代入公式得：
D=0.2654×40.2×4100=5.3mm
由于該制件的面積較大，為保證其熔料填充的充分性，取D=7mm。如圖4.5所示。
圖4.5 分流道的截面形狀及尺寸
4.3.4 澆口的設計
澆口是連接分流道與型腔的一段細短的通道，它是澆注系統(tǒng)的關鍵部分。其作用有兩個：一是塑料熔體流經(jīng)的通道；二是澆口的適時凝固可控制保壓時間。
由于該塑件外觀質(zhì)量要求較高，澆口位置和澆口的大小應以不影響塑件的外觀質(zhì)量為前提，同時也應該盡量使模具的結(jié)構簡單。根據(jù)對該塑件結(jié)構的分析，前結(jié)合以確定的分型面位置，選擇點澆口的進料方式。根據(jù)塑件的外觀質(zhì)量要求以及型腔的安放方式，進料位置設計在塑件的頂部。由文獻[4]可知點澆口的相關尺寸，如圖4.6所示。
圖4.6 點澆口的截面形狀及尺寸
圖中L取0.75mm；d取1.0mm；α取20°；R取0.3mm。
4.3.5 冷料穴和拉料桿的設計
為避免流動熔體前鋒冷料進入型腔從而影響塑件的質(zhì)量，因此在主流道末端以及分分流道末端設置冷料穴。為了便于脫料其主流道末端采用帶球頭形拉料桿的冷料穴。如圖4.7所示。
圖4.7 冷料穴和拉料桿
根據(jù)需要一般分流道末端的冷料穴長度為分流道直徑的1.5～2倍。取其長度為10mm。如圖3.8所示。
圖4.8 冷料穴截面形狀及尺寸
定模座板的分流道末端的冷料穴鉆小斜孔，一次分型時斜孔內(nèi)的凝料使點澆口與塑件分離，同時球頭形拉料桿將主流道的凝料拔出，二次分型時凝料被定模板強制推下來實現(xiàn)澆注系統(tǒng)與塑件的自動分離與脫出。
4.4 排氣系統(tǒng)的設計
為了使塑料熔體順利充填模具型腔，必須將澆注系統(tǒng)和型腔內(nèi)的空氣以及塑料在成型過程中產(chǎn)生的分子揮發(fā)，氣體順利地排出模外。由于該塑件的尺寸較小，利用分型面間隙和推桿的配合間隙排氣即可。不必設置排氣槽。由文獻[8]可知推桿的工作部分與型芯上推桿孔的配合采用H8／f7～H8／f8的間隙配合。由于推桿的直徑較小，取H8／f7的間隙配合即可。
4.5 模架的選擇
根據(jù)本案設計的各項數(shù)據(jù)參考GB/T12555—2006《塑料注射模中小型模架》選擇標準模架的的型號：
模架 DAT 2340—60×30×70 GB/T12555—2006
確定模具尺寸為280×400 mm，A板厚度60mm，B板厚度30 mm，C板厚度70mm。
4.6 塑料模具材料的選擇及熱處理
成型零部件的材質(zhì)直接關系到模具的質(zhì)量、壽命，決定著所成型塑料制品的外觀及內(nèi)在質(zhì)量，必須十分慎重，一般要在合同規(guī)定及客戶要求的基礎上，根據(jù)制品和模具的要求及特點選用。如果說材料的選擇是模具的靈魂，那么熱處理是材料的靈魂。熱處理是模具制造中的關鍵工藝之一，它直接關系到模具的制造精度、力學性能、使用壽命以及制造成本。實際生產(chǎn)實用表明，在模具的全部失效形式中，由于熱處理不當所引起的失效居于首位。在模具設計制造過程中，若能正確的選用材料，合理的選擇熱處理工藝，對充分發(fā)揮材料的潛在性能、減少能耗、降低成本、提高模具的質(zhì)量和使用壽命其重大作用[6~10]。
4.6.1 模具材料的選擇
由于該制件對外觀質(zhì)量無特殊要求，成型材料對鋼材亦無特殊要求，并且該制件的形狀結(jié)構簡單，產(chǎn)量不高，考慮其經(jīng)濟性。因此模具的型腔和型芯均可選用國產(chǎn)塑料模具鋼或優(yōu)質(zhì)碳素鋼。即選擇國產(chǎn)SM45鋼。非成型零部件材料選用參照模架標準即可。
4.6.2 模具材料的熱處理
為保證制件的質(zhì)量和模具使用壽命，參考文獻[5，7，9]可知常用模具鋼熱處理規(guī)范可知SM45鋼的熱處理規(guī)范見表4.1所示。
表4.1 SM45鋼的熱處理規(guī)范
材料
項目
普通退火
正火
高溫回火
淬火
回火
SM45
加熱溫度∕℃
820～840
830～880
680～720
820～860
500～560
冷卻方式
爐冷
空冷
空冷
油或水冷
空冷
4.7 成型零件的設計
成型零件的設計主要指成型部分與塑件接觸部分的尺寸計算。
4.7.1 成型零件的計算
成型零件的計算方法有平均值方法和公差帶法兩種。由于該制件的精度不高，因此采用常用的平均值法。
前面已查得ABS塑料的收縮率是0.3％～0.8％。則該塑料的平均收縮率：
S=（0.3％+0.8％）÷2=0.55％ （4.4）
由文獻[8]可知：
1、 型腔的徑向尺寸計算公式：
Lm0+δz=[(1+S)?Ls-x?Δ]0+δz （4.5）
2、 型芯的徑向尺寸計算公式：
lm-δz0=[1+S?ls+x?Δ]-δz0 （4.6）
3、 型腔的軸向尺寸計算公式：
Hm0+δz=[(1+S)?Hs-x?Δ]0+δz （4.7）
4、 型芯的軸向尺寸計算公式：
hm-δz0=[1+S?hs+x?Δ]-δz0 （4.8）
式中 S—塑件的平均收縮率；
Lm—模具型腔徑向基本尺寸（mm）；
Ls—塑件外表面的徑向基本尺寸（mm）；
lm—模具型芯徑向基本尺寸（mm）；
ls—塑件內(nèi)表面的徑向基本尺寸（mm）；
Hm—模具型腔深度基本尺寸（mm）；
Hs—塑件凸起部分高度基本尺寸（mm）；
hm—模具型芯高度基本尺寸（mm）；
hs—塑件孔或凹槽深度基本尺寸（mm）；
Δ—塑件外表面徑向基本尺寸的公差（mm）；
δz—模具制造公差（mm）；
x—零件工作尺寸的修正系數(shù)，取值范圍在0.5～0.75，由于塑件的尺寸較小，取x=0.75；則δz取13Δ。
因此成型零件的基本尺寸如表4.2所示。
表4.2 成型零件尺寸的計算 mm
塑件尺寸
計算公式
計算結(jié)果
型 腔
軸 向
φ140-1.280
見式（4.5）：Lm0+δz=[(1+S)?Ls-x?Δ]0+δz
φ139.810+0.43
φ124-1.280
φ123.720+0.43
φ1220+1.28
φ121.710+0.43
φ36-0.560
φ35.780+0.19
φ14-0.320
φ13.840+0.11
徑 向
1-0.10
見式（4.7）：Hm0+δz=[(1+S)?Hs-x?Δ]0+δz
0.930+0.03
44-0.640
43.760+0.21
2-0.20
1.860+0.07
5-0.240
4.850+0.08
3-0.20
2.870+0.07
型 芯
軸 向
φ1360+1.28
見式（4.6）：lm-δz0=[1+S?ls+x?Δ]-δz0
φ137.71-0.430
φ118-1.140
φ119.50-0.380
φ48-0.640
φ48.74-0.210
φ1160+1.14
φ117.500.380
φ460+0.64
φ46.73-0.210
φ340+0.56
φ34.60-0.190
φ120+0.32
φ12.31-0.110
徑 向
30+0.2
見式（4.8）：hm-δz0=[1+S?hs+x?Δ]-δz0
3.17-0.070
10+0.1
1.08-0.030
20+0.2
2.15-0.070
430+0.64
43.72-0.210
4.7.2 型腔壁厚和底部厚度的計算
注射模的型腔應有足夠的厚度，厚度過薄會導致模具剛度不足或強度的不足。強度不夠使模具發(fā)生塑性變形甚至破裂，而剛度不足則會使模具產(chǎn)生過大的彈性變形造成熔料的溢出。因此先確定不同情況的許用變量，用剛度計算公式進行壁厚和底部厚度的設計計算，再用強度條件進行校核。由文獻[5]可知：
1、 按剛度條件計算公式：
S=1.14?h?（p?hE?δp）13 （4.9）
T=0.56?r?（p?rE?δp）13 （4.10）
2、 按強度計算條件公式：
S=r?[σpσp-2?p12-1] ， (σp ＞2?p) （4.11）
T=0.87?r?（pσp）12 （4.12）
式中 S—型腔壁厚（mm）；
h—型腔深度（mm）；
p—模具型腔內(nèi)最大熔體壓力（ＭＰa）；
r—型腔內(nèi)半徑（mm）；
T—型腔底部厚度（mm）；
E—模具鋼材的彈性模量（ＭＰa）；
δp—模具剛度計算的許用變量（mm）；
σp—模具剛度許用壓力（ＭＰa）；
T1—大型腔的底部厚度（mm）；
T2—小型腔的底部厚度（mm）。
查文獻[5]可知：
p取30ＭＰa；E取2.1×105ＭＰa；σp取160ＭＰa；δp取0.028mm。
將數(shù)據(jù)代入公式得：
（1） 按剛度條件計算：
S=1.14×50×（30×502.1×105×0.028）13=36.15mm；
T1=0.56×70×（30×702.1×105×0.028）13=27.81mm；
T2=0.56×7×（30×72.1×105×0.028）13=2.78mm；
（2） 按強度條件計算：
S=70×160160-2×3012-1=18.54mm；
T1=0.87×70×（30160）12=26.37mm ；
T2=0.87×7×（30160）12=2.64mm ；
綜合得：S取40mm；T取5mm。經(jīng)校核可知強度和剛度滿足要求。
為避免在澆口的末端因較大的沖擊力而影響塑件的表面質(zhì)量，甚至產(chǎn)生熔接痕，故在澆口末端的型芯上設置適當?shù)膱A弧，從而也改善了塑料的充模流動性。如圖4.9所示。
圖4.9 型芯的優(yōu)化設計
4.8成型零件的加工工藝
成型零件一般結(jié)構比較復雜，精度要求也高。其加工過程主要由成型零件的機械加工、熱處理和表面處理加工等環(huán)節(jié)構成。特種加工、數(shù)控加工在模具成型零件加工中應用得非常普遍。下面以型芯為例來介紹一下它的加工工藝。型芯的結(jié)構形狀如圖4.10所示。
圖4.10 型芯的二維圖
1、 備料。
2、 粗車外圓，對 ?137.71-0.430，?34.60-0.190，?12.31-0.110和R64留50mm余量。?149達圖樣要求。
3、 精車?137.71-0.430，?34.60-0.190，?12.31-0.110和R64留0.5mm的磨量。對?12.31-0.110進行45′斜度的車削。
4、 磨上下端面留50mm余量。
5、 精銑下端面和其余的端面留0.05mm的磨量。
6、 精銑深度為0.930+0.03的兩溝槽，留0.01mm磨量。
7、 鉗工按圖劃線，鉆13×?50+0.018，13個孔的線切割穿絲孔φ3。
8、 線切割，割13×?50+0.018，直徑留研磨量0.01mm。
9、 熱處理，滲碳0.5~0.8mm，淬火回火達50~54HRC。
10、鉗工研磨各孔，保證與推桿外表面滑配。以及兩個溝槽達到圖樣要求。
11、研磨各端面及外圓達圖樣的要求。
12、檢驗。
4.9 脫模機構的設計
4.9.1 脫模方式的確定
根據(jù)塑件的形狀的特點，確定模具的型腔在定模部分，模具型芯在動模部分。塑件成型開模后，塑件與型芯一起留在動模一側(cè)。為保證塑件較大脫模力處能夠順利脫模并且推出時不產(chǎn)生變形，采用推桿推出機構。根據(jù)制品的結(jié)構特點確定在制件的一下位置設置推桿。如圖4.11所示紅色的為推桿位置。
圖4.11 推桿的分布
4.9.2 推桿的設計
由于該制件較小，且無特殊要求，則普通的圓形推桿均可滿足剛度要求。
1、 脫模力的計算
由文獻[8]可知：
Ft=A?p?μ?cosα-sinα+q?A1 （4.13）
式中 Ft—脫模力N；
A—塑件包絡型芯的面積（mm2）；
p—塑件對型芯單位面積的包緊力，取1.0×107Ｐa；
α—脫模斜度，取45′；
q—大氣壓力，取0.09ＭＰa；
μ—塑件對鋼的摩擦系數(shù)，取0.3；
A1—塑件垂直于脫模方向的投影面積（mm2）。
將數(shù)據(jù)代入公式得：
Ft=（12×3.14×45+136×3.14×5）×10×0.3?cos40'-sin40'+0.09×4900×3.14＝12430.6N；
2、 推桿直徑的確定
由文獻[8]可知：
（1）直徑確定公式：
d=k?(l2?FtE)14 （4.14）
（2）直徑校核公式：
σc=4?Ftnπd2≤σs （4.15）
式中 d—推桿直徑（mm）；
l—推桿長度，取118mm；
Ft—脫模力（N）；
E—推桿材料的彈性模量，取2.1×105ＭＰa；
n—推桿數(shù)目；
σc—推桿所受壓力（ＭＰa）；
σs—推桿材料的屈服點，取353ＭＰa；
k—安全系數(shù)，取1.6；
將數(shù)據(jù)代入公式得：
d=1.6×(1182×12430.62.1×105)14＝6.5mm；
由于塑件的比較小，且推桿數(shù)目比較多，因此由文獻[3]可知取d=5mm。
推桿的校核：
σc=4×12430.613×3.14×25＝48ＭＰa≤σs=353ＭＰa；
滿足要求。
考慮其經(jīng)濟性，推桿采用T8A碳素工具鋼即可滿足要求。其硬度為50～54HRC。配合長度取15mm，且推桿工作部分的粗糙度Ra取0.8μm。推桿固定部分和動模支撐板采用單邊0.5mm的間隙配合，而與型芯采用H8/f7的間隙配合。
4.10 冷卻系統(tǒng)的設計
4.10.1 冷卻系統(tǒng)水管直徑的計算
1、 求單位時間成型塑料制件的質(zhì)量W
設注射時間為3s，冷卻時間為15s，保壓時間為15s，開模取件時間為7s，得注射成型周期為40s。設用20℃的水作為冷卻介質(zhì)，其出水口的溫度為28℃，水呈湍流狀態(tài)，1h成型次數(shù)n=3600÷40=90次，制件質(zhì)量M為80.4g，則單位時間內(nèi)注入模具中的塑料質(zhì)量W=M?n=80.4×90=0.12kg/min；
2、 水的體積流量
由文獻[8]可知：
qv=W?Q1ρ?c1?(t1-t2) （4.16）
式中 qv—冷卻水的體積流量（m3/min）；
W—單位時間內(nèi)注入模具中的塑料質(zhì)量（kg/min）；
Q1—單位質(zhì)量的塑料制品在凝固時所放出的熱量（kJ/kg）；
ρ—冷卻水的密度（kg/m3）；
c1—冷卻水的比熱容，取4.187J/（kg?℃）；
t1—冷卻出水口的溫度（℃）；
t2—冷卻入水口的溫度（℃）。
由文獻[1]可知ABS單位質(zhì)量放出的熱量Q1=3.5×105J/kg。
將數(shù)據(jù)代入公式得：
qv=0.12×3.5×102103×4.187×(28-20)＝1.26×10-3m3/min；
3、 求冷卻水道直徑d
根據(jù)水的體積流量，查文獻[5]可知：d取8mm。
4.10.2 冷卻系統(tǒng)的結(jié)構設計
由文獻[8]可知：
1、 冷卻水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：
α=Φ?（ρ?v）0.8d0.2 （4.17）
2、 冷卻回路所需總表面積：
A=M?q3600?α?(θm-θw) （4.18）
3、 冷卻水孔數(shù)目：
n=Aπ?d?l （4.19）
式中 α—冷卻水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[W/（m2?K）]；
ρ—冷卻水在該溫度下的密度（kg/m3）；
v—冷卻水的流速（m/s）；
d—冷卻水道直徑（m）；
Φ—與冷卻水有關的物理系數(shù)；
A—冷卻回路總表面積（m2）；
M—單位時間內(nèi)注入模具中的塑料質(zhì)量（kg/h）；
q—單位質(zhì)量的塑料制品在模具內(nèi)放出的熱量（J/kg）；
θm—模具成型表面的溫度（℃）；
θw—冷卻水的平均溫度（℃）；
n—冷卻水孔數(shù)目；
l—每一根水孔長度（mm）。
由文獻[1]可知：v取1.66m/s；Φ取7.5；q取3.5×105J/kg。
將數(shù)據(jù)代入公式得：
α=7.5×（103×1.66）0.80.0080.2＝7422W/（m2?K）；
A=7.24×3.5×1053600×7422×(28-20)＝0.0119m2；
n=0.01193.14×0.008×0.23＝2；
在保證制質(zhì)量的前提下，為了設置效果良好的冷卻回路，縮短制件的成型周期，提高生產(chǎn)效率，因此n取4。為了實現(xiàn)均一﹑高效的冷卻回路，降低成本，決定采用結(jié)構簡單加工方便的直流式冷卻回路。如圖4.12所示。
圖4.12冷卻水道的設計
4.11 模具的裝配
模具裝配是模具制造過程的最后階段，裝配質(zhì)量的好壞將影響模具的精度、壽命及各個部分的功能。要制造出一副合格的模具，除了要保證零件的加工精度外，還必須做好裝配工作。模具的總裝圖如圖4.13所示。
圖4.13 模具的總裝圖
4.11.1 動模的裝配
1、 裝配型芯
將型芯采用壓入法裝入型芯固定板，并用砂輪磨平其凸出的端面，然后，將動模板和型芯固定板合攏，在動模板上涂上紅粉后，在其上確定導柱孔和穩(wěn)固螺釘?shù)奈恢?，取下型芯固定板后加工出導柱和螺紋孔；將動模座板、動模板、型芯固定板以側(cè)面為基準，調(diào)整好型芯位置后合攏在一起夾緊，找正好螺釘孔位，然后在其上加工螺紋孔，繼而在支架和動模坐板上加工加工出螺紋孔。
2、 配作推桿孔
通過型芯上的推桿孔，在動模板上鉆錐窩，卸下型芯，按錐窩鉆出動模半上的推桿孔，再用平行夾頭將推桿和動模板夾緊，通過動模板配鉆推桿固定板上的推桿孔。
3、 裝配推桿
將推板與推板固定板疊合，配鉆限位螺釘過孔和推桿固定板上的螺紋攻螺紋，推桿裝入固定板后蓋上推板用螺釘緊固，并將其裝入動模，然后檢查和修模推桿的端面。
4.11.2 定模部分的裝配
1、 定模板和導套的裝配
用壓入法將導套裝入到定模板，并用砂輪磨平凸出的平面。
2、 定模和定模座板的裝配
在定模和定模座板裝配前，澆口套和定模座板已裝配合格，因此，可直接將定模板和定模座板疊合，使?jié)部谔咨系臐驳揽缀蜔崃鞯腊搴投０迳冲亙?nèi)的澆到對正，用平行夾頭夾緊，通過定模座板孔在定模上預鉆螺紋底孔并配鉆，后將其拆開，在定模上攻螺紋，螺紋加工好后，再將定模板和定模座板疊合后擰緊螺釘。
5 參數(shù)化實體設計
本設計基于Pro/E設計平臺，運用模具三維造型進行實體造型設計，由于造型大致過程相同，為了便于說明書的書寫，在此以成型零件的繪制過程為例，其他的都以之為例。
5.1 成型零件實體設計
5.1.1 型芯的實體設計
型芯的實體設計過程如下圖所示。
1、 進入PRO/E的繪圖界面，如圖5.1所示。
圖5.1 PRO/E的繪圖界面
2、 使用旋轉(zhuǎn)命令進入草繪界面繪制如圖5.2所示。
圖5.2 草繪界面
3、 完成草繪點擊確定得到實體如圖5.3所示。
圖5.3 實體圖
4、 繼續(xù)使用旋轉(zhuǎn)命令，進入草繪界面繪制如圖5.4所示的截面。
圖5.4 草繪界面
5、 完成草繪操作后點擊確定得到如圖5.5所示的凹槽。
圖5.5 實體圖
6、 接著使用旋轉(zhuǎn)命令，進入草繪界面繪制如圖5.6所示的草繪截面。
圖5.6 草繪界面
7、 繪制完成后，點擊確定得到如圖5.7所示的效果。
圖5.7 實體圖
8、 使用拉伸命令如圖5.8所示。
圖5.8 草繪選擇界面
9、 進入草繪界面繪制如圖5.9所示的截面。
圖5.9 草繪界面
10、 完成草繪命令后點擊確定，得到如圖5.10所示的凸臺。
圖5.10 實體圖
11、 選擇陣列命令進入陣列分布的選擇，如圖5.11所示。
圖5.11 陣列的選擇
12、 點擊確定后得到如圖5.12所示的分布效果。
圖5.12 陣列的效果
13、 選擇拉伸命令，進入草繪界面繪制如圖5.13所示的截面。
圖5.13 草繪的界面
14、 點擊確定，選擇拉伸長度后，點擊確定得到如圖5.14所示的推桿2的孔。
圖5.14 推桿2孔的拉伸
15、 對上述所繪制的推桿孔進行陣列得到如圖5.15的效果。
圖5.15 推桿2孔的陣列效果
16、 繼續(xù)拉伸進入草繪界面后，繪制如圖5.16所示的截面。
圖5.16 推桿1孔的草繪界面
17、 完成草繪后點擊確定得到如圖5.17所示的推桿1的孔。
圖5.17 推桿1的孔
18、 選擇倒角的命令，對型芯進行倒角，其效果如圖5.18所示。
圖5.18 倒角
19、 通過以上各項命令，完成了對型芯的實體設計，如圖5.19所示。
圖5.19 型芯的實體設計
5.1.2 型腔的實體設計
鑒于上述對型芯的實體設計，通過對以上命令的使用，完成了型腔的實體設計。其效果如圖5.20所示。
圖5.20 型腔的實體設計
5.2 模具的虛擬裝配
模具的虛擬裝配同樣也是基于Pro/E設計平臺，運用模具三維組件進行實體裝配設計，根據(jù)模具裝配的原則，利用裝配的約束條件：匹配，重合，對齊，插入，相切等來完成模具的虛擬裝配[11~15]。
圖5.21 模具的虛擬裝配圖
圖5.22 模具的分解圖
由于裝配的過程比較復雜、繁瑣，在此裝配的過程省略。其裝配后的結(jié)構以及分解視圖分別如圖5.21，5.22所示。利用三維軟件的開模仿真運動的分析來模擬模具的開模，以檢查模具設計的合理性、正確性以及在開模過程中是否發(fā)生干涉。其開模如圖5.23所示。這樣大大提高了模具的自動化，智能化和準確性。
圖5.23 模具的開模圖
總結(jié)
通過長時間的努力，畢業(yè)設計終于可算是劃上一個句號了。本次設計是一個全面性的設計，是對塑料模課程的一個總結(jié)一次回顧。本次畢業(yè)設計翻閱了大量的參考書，使我對《塑料成型工藝與模具設計》等參考書及相關知識又進行一次從新的整理、理論聯(lián)系實際，為我以后搞模具做了一個很好的準備。更重要的是，通過本次設計對我所掌握的塑料模模具知識實際應用能力起到了檢驗的作用，通過系統(tǒng)設計，知道自己的不足和缺陷。
本次的畢業(yè)設計，可以讓我們從中獲得平時未掌握的知識，或重新溫新一下所學的知識。進一步地了解，進一步地改善?？梢越璐藱C會鍛煉自己獨立思考能力、動手能力和其它一些綜合能力。同時，還可以為今后的工作奠定一個良好的基礎。在設計過程中我們始終結(jié)合計算機進行設計，提高了我們對Pro/E、AutoCAD等軟件的應用能力。同時，還更懂得如何查閱資料、手冊等一系列工具書。通過了本次設計我們已初步掌握了工程技術人員的設計思想，掌握了模具的相關知識，以基本能獨立完成一套塑料模模具設計與制造。
在設計中，通過查閱資料，向同學和老師請教，進一步地了解注塑模具的實際設計和制造情況。在設計中廣泛采用標準件。設計參數(shù)的選擇不僅來自課本和資料，還根據(jù)實際情況來選擇和使用。在設計中得到最大的收獲是：
1、 提高查閱參考資料的能力。能在不同的參數(shù)推薦值中選擇適合本設計的最佳方法。
2、 繼續(xù)鞏固各種基礎知識。鍛煉自己的動手能力、獨立思考問題、解決問題的能力。
3、 為將來的工作奠定了一個良好的、穩(wěn)定的基礎。
通過設計，也發(fā)現(xiàn)自己的很多不足和有待提高的知識，主要有：
1、 各門基礎課知識掌握的不夠扎實，運用起來不夠熟練。
2、 實際工作能力還有待提高，設計與社會上的實際生產(chǎn)還有很大差距。
3、 專業(yè)軟件的使用能力（包括熟練度和使用的廣度）還需要再提高一個層次。
通過本次的畢業(yè)設計進一步地充實自我、增強自我能力、提高自我水平?？偠灾?，我認為，這次畢業(yè)設計雖然還存在這樣那樣的錯誤和缺陷，但通過這次設計我又學到了很多的知識，把自己的工作能力提高到一個更高的層次。這次畢業(yè)設計是自己邁向工程師很重要的第一步。設計中存在的問題請老師批評指正。
致 謝
經(jīng)過三個月的忙碌之后，本次畢業(yè)設計最終完成，心理有一種說不出的輕松。由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，設計過程中遇到許多的問題，在老師的督促指導下，以及一起搞設計的同學們的幫助下予以解決。
首先要感謝王宗才老師對我的指導和督促，給我指出了正確的設計方向，使我加深了對知識的理解,同時也避免了在設計過程中少走彎路，王老師的督促使我一直把畢業(yè)設計放在心理，保證按質(zhì)按量的完成；平日里工作繁多的老師，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，查閱資料，設計