蠟燭座注塑模具設(shè)計(jì)（全套含CAD圖紙）
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使用UV-Lithographie，Galvanoformung，Abformung（LIGA）技術(shù)的微型，多級(jí)，錐形模具插件的數(shù)值模擬和制造
摘要：對(duì)高分辨率微結(jié)構(gòu)（HARMS）的經(jīng)濟(jì)制造技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。使用金屬基HARMS的微型設(shè)備對(duì)于機(jī)械，機(jī)電和化學(xué)應(yīng)用尤為重要。在許多應(yīng)用中，需要具有兩個(gè)或更多高度的HARMS。通過(guò)壓縮成型制造這些多級(jí)HARMS需要兩級(jí)或多級(jí)模具插入件。此外，錐形模具插入件將有助于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的插入件分離。本文報(bào)道了通過(guò)結(jié)合SU-8抗蝕劑的UV光刻，一步金屬電沉積，拋光和水平，然后除去SU-8抗蝕劑來(lái)制造兩級(jí)錐形模插件的方法。沒(méi)有傾斜和在光刻步驟期間的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)采用UV光刻和抗蝕劑顯影的特征獲得錐形電鍍模具。使用的SU-8去除方法不會(huì)降低電沉積模具的強(qiáng)度。我們的方法的功效通過(guò)兩級(jí)模具插入物原型來(lái)證明。
關(guān)鍵詞 SU-8抗蝕劑 多級(jí) 錐形插入物 一步電沉積 SU-8剝離
1 簡(jiǎn)介
大多數(shù)當(dāng)前的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）都是用硅基材料的表面微機(jī)械加工或體微加工制造的。
在需要金屬或聚合物微結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，光刻膠，Galvanoformung，Abformung（LIGA）工藝是優(yōu)選的制造技術(shù)。 LIGA工藝首先使用PMMA的X射線光刻技術(shù)（Menz等人，1991; Mohr等人，1992; El-Kholi等人1993; Kondo等人1998; Ehrfeld和Schmidt 1998; Henry等人1999 ; Guckel等人2000; Singleton等人2002; Schulz和Bade等人2004; Heckele和Schomburg 2004）已被用于制造用于機(jī)械，電氣，化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)裝置和系統(tǒng)中的高縱橫比微結(jié)構(gòu)（HARMS）（Menz等人，1991; Mohr等人，1992; El- Kholi等人1993; Kondo等人1998; Ehrfeld和Schmidt 1998; Henry等人1999; Guckel等人2000; Singleton等人2002; Schulz和Bade等人2004; Heckele和Schomburg 2004），包括微加速器（Qu等人，1999），RF感應(yīng)器（Sadler等人2001），微型混合器/反應(yīng)器（Yang等人2004），聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）系統(tǒng)（Hupert和Witek 2003）等。光刻，電沉積和成型的三步LIGA工藝的成型復(fù)制步驟對(duì)于低成本HARMS生產(chǎn)是最重要的。已經(jīng)報(bào)道了使用LIGA或LIGA類技術(shù)來(lái)生產(chǎn)基于聚合物，金屬和陶瓷的HARMS的努力（Guckel等人2000; Heckele和Schomburg 2004; Hupert和Witek 2003;Cao等2003，2004;曹和孟2004; Cao 2004; Dinakar 2003）。 PMMA的X射線光刻技術(shù)生產(chǎn)高品質(zhì)的電鍍模具，屬性如高縱橫比和垂直側(cè)壁。在電沉積后也可以容易地除去PMMA（Menz等人，1991; Mohr等人，1992; El-Kholi等人1993; Kondo et al。1998; Ehrfeld和Schmidt 1998;亨利等人1999; Guckel et al。 2000; Singleton等2002; Schulz和Bade等2004; Heckele and Schomburg 2004）。由于暴露時(shí)間大大降低，LIGA處理中也采用了SU-8（XRD）的X射線光刻技術(shù)（Ryan 2002; Jian 2002; Turner and Desta et al。2003; Yang and Wang 2005）。
SU-8的UV光刻技術(shù)以更低的成本為厚HARMS提供了出色的品質(zhì)，因此是X射線光刻的替代品。 最近在理解UV光刻工藝和提高光刻質(zhì)量方面取得的進(jìn)展使得制造的長(zhǎng)寬比超過(guò)100的SU-8微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（Yang等，2003）。 仔細(xì)控制光刻條件也導(dǎo)致了相當(dāng)?shù)暮媒Y(jié)果，質(zhì)量垂直側(cè)壁（Yang et al。2003）。 基于SU-8抗蝕劑的UV光刻技術(shù)的UV-LIGA技術(shù)也被用于制造幾種器件原型（Williams等人2005; Dentinger等人2002）。 在文獻(xiàn)中已經(jīng)報(bào)道了去除交聯(lián)SU-8抗蝕劑的一些努力（Muralidhar等人2001;里斯2001; Rosato et al。2000）。用于制造單個(gè)高度的模具插入件的工藝是很好理解的。多級(jí)HARMS的制作決定了更復(fù)雜的處理。最多常用的方法是使用對(duì)準(zhǔn)的多個(gè)光刻和電鍍步驟（Ehrfeld和Schmidt 1998; Williams等人，2005）。機(jī)械拋光和對(duì)準(zhǔn)在步驟之間需要。如圖1所示。 如圖1所示，在電鍍結(jié)構(gòu)中，由于多次電鍍步驟而導(dǎo)致的接觸面積可能具有減小的強(qiáng)度。這些強(qiáng)度降低由于多個(gè)電鍍步驟之間的電鍍條件的波動(dòng)進(jìn)一步加劇。 因此，通過(guò)這種多步驟方法制造的多級(jí)模具插入件的成型性能可能受到損害。
制造多層次HARMS的另一種方法是使用預(yù)先構(gòu)造的襯底（Qu等人，1999）?；谧罱KHARMS的所需高度，精心設(shè)計(jì)的用作犧牲層的微結(jié)構(gòu)在基板上制成。然后將預(yù)結(jié)構(gòu)化襯底用于光刻和電鍍工藝。在鍍覆圖案填充所需金屬并過(guò)度鍍覆后，剩余的抗蝕劑被剝離。然后對(duì)預(yù)先構(gòu)造的特征（犧牲層）進(jìn)行化學(xué)蝕刻以從基底釋放模具插入物。這種方法的主要困難是由不均勻的基板表面導(dǎo)致的不均勻的電鍍速率。較高初始高度的圖案傾向于具有高得多的電鍍速率。一般來(lái)說(shuō)，電鍍成具有小開(kāi)口的深層特征往往是困難的。具有較高電鍍速率的凸起區(qū)域可能被快速地過(guò)度鋪展并生長(zhǎng)成“蘑菇”結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這些“溢出”的金屬然后覆蓋相鄰的更深的微圖案，并防止進(jìn)一步電鍍到它們中。這導(dǎo)致較小/較深的孔/通道的無(wú)填充或部分填充。
圖 1 由于多次曝光和電鍍步驟，電鍍界面的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)可能會(huì)損害這種多級(jí)HARMS的性能
如模具插入Kim等人（2002）報(bào)道了一種有趣的制造多層高縱橫比微結(jié)構(gòu)和模具插入物的方法。他們通過(guò)使用PDMS模具在對(duì)準(zhǔn)的多光刻和電鍍工藝中引入了中間步驟。在其方法中，使用UV和X射線光刻的組合制造SU-8圖案。然后從SU-8圖案制成PDMS模具。然后將PDMS模具用種子層濺射并鍍鎳。然后通過(guò)剝離PDMS模具將鍍鎳的鎳結(jié)構(gòu)從電鍍模中釋放出來(lái)。然后釋放的鎳微結(jié)構(gòu)可用作模具插入物。該方法解決了傳統(tǒng)對(duì)齊多光刻和電鍍工藝中的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。它可以對(duì)于需要中空結(jié)構(gòu)或沒(méi)有顯著的機(jī)械載荷的一些應(yīng)用（例如微針陣列）（Kim等人2002）非常有用。使用PDMS中間步驟的一個(gè)潛在的回溯是減少最終模具插入物的準(zhǔn)確性。另一個(gè)限制是在電鍍結(jié)構(gòu)中可能形成一些空隙，因?yàn)榉N子層在PDMS模具的整個(gè)表面上濺射。
在脫模過(guò)程中，模具插入件與模制材料之間的分離可能是困難的。插入物上的微特征的體積減少隨著特征線性尺寸的減小，比其表面積快。這種縮放表明，微特征經(jīng)歷的摩擦力可能會(huì)變得如此在足夠小的特征特征尺寸下顯著并超過(guò)其承載能力。為了避免插入物的塑性變形或模制部件的撕裂，錐角可能是有幫助的（Rosato等人，2000; Janczyk等，1997）。立體光刻可以制造具有錐角的模具插入件（Janczyk等人1997; Cedorge和Colton 2000; Pham和Colton 2002）。然而，立體光刻模具是逐層形成的，當(dāng)錐角設(shè)定時(shí)可能產(chǎn)生步進(jìn)效應(yīng)，并導(dǎo)致增加的摩擦力（Janczyk等，1997; Cedorge和Colton 2000; Pham and Colton 2002）。通過(guò)X射線平版印刷技術(shù)，通過(guò)傾斜和旋轉(zhuǎn)的多次曝光在SU-8抗蝕劑上制造（Jian 2002; Turner和Desta等2003; Yang和Wang 2005），暴露時(shí)間大大增加，成本高得多。
在本文中，我們提出了一種制造兩級(jí)模具插件的新工藝。 在光刻步驟中UV光的衍射用于獲得SU-8抗蝕劑中的錐形圖案。 兩級(jí)模具插件的電鍍可以在一個(gè)步驟中完成，不產(chǎn)生外部界面。 SU-8抗蝕劑的去除不會(huì)導(dǎo)致HARMS強(qiáng)度的明顯變化。
2具有錐形側(cè)壁的SU-8結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬和制造
與軟X射線范圍相比，邊緣或狹縫周圍的衍射效應(yīng)在近紫外范圍的波長(zhǎng)（例如，405nm的h線）處更為顯著。 該現(xiàn)象用于獲得SU-8抗蝕劑中的錐形圖案。 為了達(dá)到一個(gè)有用的錐角，SU-8電鍍模應(yīng)在頂部有較大的開(kāi)口。 圖3顯示了SU-8電鍍模具的三種可能的形狀，分別為負(fù)，零和正錐角。 具有正錐度的插入物角度被認(rèn)為是最好的成型目的。
圖 2 示意圖顯示不均勻的影響電鍍率在不同地區(qū)的預(yù)先構(gòu)造基板
基于惠更斯原理，通過(guò)菲涅爾 - 基爾霍夫積分公式可以描述通過(guò)具有任意形狀的開(kāi)口在不透明分區(qū)中的衍射：
其中k = 2p / k，k是入射光波長(zhǎng)，U0表示入射單色球面波，r和r0表示孔徑上的點(diǎn)的位置相對(duì)于屏幕和源，（n，r）和（n，r0）分別表示向量與積分表面的法線之間的角度，積分在孔徑區(qū)域之上。為了更好地了解SU-8的UV光刻及其對(duì)側(cè)壁輪廓的影響，使用ZEMAX EE（ZEMAX Development Corporation，San Diego，CA，USA）進(jìn)行數(shù)值模擬。 該軟件基于方程式中所示的衍射原理。1，可用于執(zhí)行與SU-8抗蝕劑的UV光刻相關(guān)的菲涅爾衍射模擬。
在k = 365nm（i線）處，SU-8的折射率分別為n = 1.668，k = 405nm（h線）的n = 1.649。其透射率與厚度曲線如圖1所示。4在這兩個(gè)選定的波長(zhǎng)。 對(duì)于給定的掩模圖案，整個(gè)SU-8抗蝕劑被分成不同的數(shù)值層。用ZEMAX計(jì)算不同數(shù)值層內(nèi)的光強(qiáng)分布，并將其導(dǎo)入SigmaPlot（Systat Software，Inc.，Richmond，CA，USA），以在整個(gè)抗蝕劑層中產(chǎn)生光能分布輪廓。 假設(shè)SU-8的UV光吸收與局部能量強(qiáng)度成正比。 因此劑量輪廓與能量分布的輪廓一致。 總曝光劑量的輪廓和顯影條件結(jié)合起來(lái)確定SU-8圖案的最終側(cè)壁輪廓。
對(duì)于兩種不同的掩模圖案進(jìn)行了數(shù)值模擬，如圖1所示。一個(gè)是開(kāi)口槽，另一個(gè)是遮光。這些分別在負(fù)光刻膠如SU-8，突起和開(kāi)放的通道中產(chǎn)生。當(dāng)顯示模擬結(jié)果時(shí)，光強(qiáng)度通過(guò)其在抗蝕劑表面處的值歸一化：在相同水平或高于入射光刻光的光強(qiáng)度被表示為1并示為亮灰色; 抗蝕劑中較低的光強(qiáng)度區(qū)域用較小的數(shù)字表示，并顯示為較深的灰色。
圖6顯示了分別對(duì)應(yīng)于具有i線（365nm）和h線（405nm）曝光的20μm孔徑的劑量分布的模擬結(jié)果。在所有模擬中，假定抗蝕劑厚度為500lm，零氣隙為零。更亮和更暗的區(qū)域分別代表較高和較低的暴露劑量。虛線表示在具有或不具有足夠劑量的區(qū)域之間的邊界以交聯(lián)SU-8樹脂，因此開(kāi)發(fā)后最終SU-8結(jié)構(gòu)的潛在側(cè)壁。圖6a示出了僅考慮衍射效應(yīng)通過(guò)20lm狹縫孔曝光產(chǎn)生的劑量分布。圖6b示出了由金涂層電鍍種子層表面的反射率為0.85的由襯底反射引起的劑量分布。圖6c顯示了總曝光劑量分布，結(jié)合衍射和反射效應(yīng)。圖6d顯示了h線（405nm）暴露的總劑量分布?？梢钥闯?，圖1所示的劑量分布6d更均勻，從上到下的差異顯著降低。這意味著與i線曝光相比，最終SU-8結(jié)構(gòu)的頂部和底部之間的寬度差異將遠(yuǎn)小于h線暴露。
圖 3 不同的SU-8電鍍模具和模具插件幾何
圖4 SU-8的光傳輸曲線
圖5 在SU-8的UV光刻數(shù)值模擬中研究了兩種不同的情況。
a 用于產(chǎn)生柱的開(kāi)孔; b遮蔽用于生產(chǎn)樹叢對(duì)于h線和i線暴露的20m時(shí)隙的模擬結(jié)果如圖1所示。7a，b。由于SU-8抗蝕劑的負(fù)色調(diào)，使用槽遮蔽曝光獲得的圖案將是通道。如圖所示。如圖7a，b所示，i線曝光獲得的通道在頂部較窄，底部較寬。使用h線曝光，通道在頂部較寬，底部較窄。為了在用于模具插入件制造的SU-8電鍍模具中獲得所需的錐度，應(yīng)當(dāng)選擇405nm的曝光波長(zhǎng)。圖7b顯示在遮蔽區(qū)域中間的窄帶也顯著暴露。陰影區(qū)域內(nèi)的這種局部高劑量條帶負(fù)責(zé)這樣的事實(shí)，即當(dāng)期望的通道圖案變得太窄時(shí)，充分發(fā)展變得非常困難。
圖8示出了設(shè)計(jì)寬度為20lm，高度為1,150lm的SU-8突出物。用h線暴露獲得該結(jié)構(gòu)。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示SU-8交叉的寬度從頂部的13.5lm變化到距離頂部約75lm的19.7lm，最后在底部的32.8lm。這表示錐角為θ1o。
3制造兩級(jí)模具插件
為了展示我們的UV-LIGA工藝的多級(jí)模插件制造，建立了一個(gè)具有500lm深的微孔和250 lmdeep微通道的兩級(jí)電鍍Ni模插件。為了在插入物上的所有突出的微尺度特征上形成小的正錐角，選擇405nm的h線暴露。對(duì)SU-8電鍍模具幾何形狀進(jìn)行了數(shù)值模擬。電鍍模具包括直徑為200lm，深度為500lm的孔，寬度為200lm，深度為250lm的矩形槽。 使用h線曝光，模擬顯示從頂部的200lm到底部的193lm的孔徑減小，對(duì)應(yīng)于±0.8°的正錐角。仿真也顯示了通道寬度從頂部的200lm降低到底部的197lm，對(duì)應(yīng)于α= 0.69°的正錐角。曝光后的抗蝕劑顯影過(guò)程中沒(méi)有攪動(dòng)，較小深度的抗蝕劑會(huì)受到較長(zhǎng)的顯影時(shí)間和曝光于較新鮮的顯影劑液體。這種發(fā)展差異趨向于進(jìn)一步增加正錐角。
圖6個(gè)20-lm插槽孔徑的仿真結(jié)果。
a由于i線曝光（365nm）的衍射效應(yīng)引起的劑量分布; b由于i線曝光（365nm）的底物反射引起的劑量分布; c一個(gè)20 lm插槽的總劑量分布光圈為i線曝光（365 nm）。 所得結(jié)構(gòu)顯示出較寬的頂部和較窄的底部; d總體劑量分布為20 lm狹縫孔徑，h線曝光（405 nm）。 與i線曝光情況相比，所得到的結(jié)構(gòu)顯示出較小的錐度圖2中示意性地示出了兩級(jí)模具插入件的處理流程圖。需要兩個(gè)曝光口罩。成品兩級(jí)模具插入件具有直徑為200lm，高度為500lm的圓柱形微孔，長(zhǎng)度為18,000lm，寬度為200lm，高度為250lm的矩形突起。制造工藝如下：（1）用丙酮，異丙醇清潔Si晶圓（IPA）和去離子水，干燥;（2）電子束蒸發(fā)Cr / Au電鍍種子層;（3）電鍍種子層上的圖案對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記;（4）旋轉(zhuǎn)涂層250lm SU-8 50，900rpm;（5）預(yù)烘烤旋涂SU-8;（6）暴露SU-8號(hào)。1曝光面膜;（7）烤后暴露的SU-8;（8）電子束在暴露的SU-8上蒸發(fā)第二Cr / Au種子層;（9）攪拌形成SU-8，同時(shí)剝離附著于未曝光的第二Cr / Au種子層開(kāi)發(fā)SU-8;（10）以870rpm旋涂第二層SU-8 50;（11）預(yù)烘烤旋涂SU-8;（12）暴露SU-8號(hào)。2曝光面膜;（13）后烘烤和發(fā)展SU-8;（14）電鍍鎳，直到完成過(guò)鍍;（15）拋光Ni背板的背面;（16）KOH蝕刻以除去Si襯底;（17）蝕刻Cr / Au種子層，然后除去SU-8。
在我們的實(shí)驗(yàn)中，使用4.538mm厚的PMMA片作為從UV源除去i線輻射的過(guò)濾器。PMMA過(guò)濾前后紫外光源的光譜輸出如圖1所示。PMMA濾波后的光譜輸出由h線和g線（434nm）的組合組成。較長(zhǎng)的波長(zhǎng)g線強(qiáng)化了衍射效應(yīng)，從而強(qiáng)化了取樣角度對(duì)結(jié)果特征的影響。 因?yàn)镾U-8抗蝕劑中的g線輻射的吸光度較低（與h線相比約為1/3），所以h線顯示了曝光。因此，本研究忽略了g線輻射的影響。圖11顯示了aprototype SU-8兩級(jí)電鍍模具的SEM顯微照片。
圖7 用于產(chǎn)生SU-8通道的劑量分布：
用i線曝光（365nm）的20lm狹縫遮蔽; b一個(gè)20 lm的狹縫陰影，h線曝光（405 nm）圖8具有錐形側(cè)壁的SU-8突起（較窄的頂部和較寬的底部）使用由500lm深的微孔和250lm深的微通道組成的兩級(jí)SU-8電鍍模具，通過(guò)Ni電鍍制造Ni模插件，進(jìn)入SU-8電鍍模具，然后過(guò)鍍。9e有兩個(gè)獨(dú)立的Cr / Au電鍍種子層分別連接到微孔和微通道。在電鍍過(guò)程中，連接了微孔的種子層首先進(jìn)入電鍍電路。在將微孔中的Ni沉積物電鍍到與矩形突起的種子層相同的高度或稍高的位置之后，兩個(gè)種子層在電鍍期間連續(xù)地連接在一起，同時(shí)電鍍繼續(xù)。這個(gè)過(guò)程導(dǎo)致微孔和微通道在SU-8電鍍模具同時(shí)“填充”。在完成SU-8電鍍模具填充后，繼續(xù)Ni鍍層生產(chǎn)Ni模插件的背板。因此，與其他方法中使用的圖案化，電鍍和拋光的多個(gè)步驟相比，Ni嵌入物的電鍍?cè)趩我贿B續(xù)工藝中完成，并且導(dǎo)致Ni插入物中沒(méi)有弱界面。用于電鍍柱的電鍍電流為2.74mA（電流密度為10mA /cm 2）。用于平板化通道的電流為6.4mA（也相當(dāng)于10mA /cm 2的電流密度）。柱和通道的總電鍍時(shí)間為約166小時(shí)，每步驟約為83小時(shí)。柱的平均高度測(cè)量為415lm，通道的平均高度為約335lm，如圖1所示12a。
電鍍工序完成后，用研磨機(jī)將研磨基板作為研磨基板，研磨過(guò)鍍Ni模插件的背面。研磨后獲得平面模具插入物背面。然后使用KOH溶液除去Si襯底。在蝕刻Cr / Au種子層之后，將Ni插入物與SU-8電鍍模具一起在-90℃下浸入Dynasolve溶液中，在-30分鐘內(nèi)除去SU-8電鍍模具。據(jù)Bacher等人（1998），當(dāng)退火溫度低于200℃時(shí)，電沉積Ni的硬度沒(méi)有明顯變化。因此，由于SU-8去除過(guò)程，電沉積Ni插入物的顯著軟化是不可預(yù)期的。在除去SU-8后，用丙酮和IPA清洗Ni插入物以除去Ni表面上的任何殘留物。在圖1的SEM圖中示出了成品的兩級(jí)Ni模插件。12。
圖9二級(jí)模具插入件的十四個(gè)制造步驟的流程圖：步驟1-7; b步驟8; c步驟9; d步驟10-11; e步驟12-13; f步驟14-15; g步驟16; h步17
圖10 光刻光譜
電鍍鎳HARMS已經(jīng)直接用作金屬基結(jié)構(gòu)難熔金屬和合金的復(fù)制復(fù)制的插入件（Cao et al。2005）。 指某東西的用途用于將多級(jí)微圖案直接轉(zhuǎn)移到高溫金屬和合金的多級(jí)電沉積Ni HARMS仍有待探索。
電鍍鎳HARMS已經(jīng)直接用作通過(guò)沉積保形陶瓷涂層來(lái)工程化表面后金屬基結(jié)構(gòu)復(fù)制的插入件（Cao et al。2003; Cao and Meng 2004）。最近，單層高溫 通過(guò)轉(zhuǎn)移微米級(jí)制造相容的模具插件由電鍍Ni HARMS定義為難熔金屬和合金的模式（Cao et al。2005）。使用多層次的電沉積Ni HARMS將多級(jí)微圖案直接轉(zhuǎn)移到高溫金屬和合金上仍有待探索。
圖11一個(gè)二級(jí)SU-8電鍍模具
圖12電鍍?cè)蚇i兩級(jí)成型插件的SEM圖像
4總結(jié)和結(jié)論
描述了通過(guò)在SU-8抗蝕劑，一步Ni電鍍，以及完全SU-8抗蝕劑去除之后組合UV-光刻制造兩級(jí)電鍍Ni模插件的UV-LIGA工藝。使用在SU-8抗蝕劑上進(jìn)行的多個(gè)UV光刻步驟來(lái)生產(chǎn)兩級(jí)SU-8電鍍模具。使用單個(gè)Ni電鍍步驟進(jìn)入SU-8電鍍模具來(lái)制造兩級(jí)Ni插入物。該過(guò)程消除了電鍍Ni插入物內(nèi)存在的外來(lái)界面。 數(shù)值衍射模擬表明，SU-8與h線主導(dǎo)光源的UV光刻有助于為插入物上的微特征產(chǎn)生所需的正錐角。
致謝：通過(guò)合同LEQSF（2004-07）-RD-B-06，通過(guò)授權(quán)DMI-0400061，EPS-0346411和路易斯安那州董事會(huì)授予國(guó)家科學(xué)基金部分項(xiàng)目支持。
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目錄
第一章 前言 3
1.1 塑料的概述 3
1.2注塑模具的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 4
第二章 設(shè)計(jì)及計(jì)算 4
2.1塑件成型成型工藝分析 4
2.1.1塑件的分析 4
2.1.2 ABS的性能分析 6
2.1.3 ABS的注射成型及工藝參數(shù) 6
2.2擬定模具的結(jié)構(gòu)形式 7
2.2.1分型面位置的確定 7
2.2.2型腔數(shù)量和排列方式的確定 8
2.2.3注射機(jī)型號(hào)的確定 8
2.3澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9
2.3.1 主流道的設(shè)計(jì) 9
2.3.2分流道的設(shè)計(jì) 10
2.3.3 澆口的設(shè)計(jì) 11
2.3.4校核主流道的剪切速率 12
2.4成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 12
2.4.1成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
2.4.2成型零件鋼材的選用 13
2.4.3成型零件工作尺寸的計(jì)算 13
2.5模架的確定 14
2.5.1 各模板尺寸的確定 14
2.5.2 模架各尺寸的校核 15
2.6 排氣槽的設(shè)計(jì) 16
2.7脫膜推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 16
2.7.1脫模機(jī)構(gòu)的選擇 16
2.7.2 脫膜力的計(jì)算 17
2.7.3 校核推出機(jī)構(gòu)作用在塑件上的單位壓應(yīng)力 17
2.8側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17
2.9 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18
2.9.1溫度調(diào)節(jié)對(duì)塑件質(zhì)量的影響 18
2.9.2冷卻介質(zhì) 18
2.9.3冷卻系統(tǒng)的簡(jiǎn)單計(jì)算 18
2.9.4 冷卻水道在動(dòng)模和定模中的位置 19
2.10組裝圖跟塑件圖 20
第三章 畢業(yè)設(shè)計(jì)心得體會(huì)及總結(jié) 21
謝 辭 23
參考文獻(xiàn) 24
摘 要
塑料工業(yè)是當(dāng)今世界上增長(zhǎng)最快的工業(yè)門類之一，而注塑模具是其中發(fā)展較快的種類，因此，研究注塑模具對(duì)了解塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程和提高產(chǎn)品質(zhì)量有很大意義。
塑料制品的成型方法很多，其主要用于是注射，擠出，壓制，壓鑄和氣壓成型等。而注射模，擠出約占成型總數(shù)的60%以上。注射成型分為加料，熔融塑料，注射制件冷卻和制件脫膜等五個(gè)步驟。當(dāng)然如利用電氣控制，可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化或自動(dòng)化作業(yè)。
本設(shè)計(jì)介紹了注射成型的基本原理，特別是單分型面注射模具的結(jié)構(gòu)與工作原理。對(duì)注射產(chǎn)品提出了基本的設(shè)計(jì)原則，詳細(xì)介紹了冷流道注射模具澆注系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和頂出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)模具強(qiáng)度要求做了說(shuō)明。
通過(guò)本設(shè)計(jì)，可以對(duì)注塑模具有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，注意到設(shè)計(jì)中的某些細(xì)節(jié)問(wèn)題，了解模具結(jié)構(gòu)及工作原理。
關(guān)鍵詞： 模具設(shè)計(jì)；CAD繪制二維圖；分型面；PROE繪制3D圖。
Abstract
Abstract Now The plastics industry is one of growing quickest industry classed in the world, but the injection mold is develops the quick type. Therefore,There have biggest significance to research injection, mold to understood that the plastic of production process and improve the product quality.
The plastics products of the type method is a lot of . Among them most of inject, die-casting to compatibly press type etc. But inject the mold ,extrude roughly share type total amount of 60% above inject the type is divided in to add the material, meltdown plastics, and inject to make piece to cool off with make the piece to take off the mold to wait five steps. Certainly if make use off the electricity control.Can realize half auto or automatic homework.
This design introduced the basic principle of injection molding, specially single is divided the profile to inject mold is structure and the principle of work.That proposes the basic design principle of products; Introduced details of the system that are cold flow channel injection of mold gating, the temperature control system and the design process of going against system, and has given the explanation to the mold intensity request.
Through this design, may to cast the mold to have a preliminary understanding, notes some certain detail question design, understands the mold structure and the principle of working.
Key Word: mold design; CAD drawing two-dimensional map;Parting line; PROE draw 3D maps.
第一章 前言
1.1 塑料的概述
塑料是以合成樹脂為基本成分，再加入各種添加劑，如填充劑、穩(wěn)定劑、增塑劑、固化劑、潤(rùn)滑劑、著色劑、抗靜電劑、發(fā)泡劑、稀釋劑等，經(jīng)一定的溫度和壓力塑制成形，且在常溫下能保持形狀不變。
(1)塑料的主要特性
①大多數(shù)塑料質(zhì)輕，化學(xué)性穩(wěn)定，不會(huì)銹蝕,。一般塑料均具有一定的抗酸、堿、鹽等化學(xué)腐蝕的能力。其中最突出的代表是聚四氟乙烯，它對(duì)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及各種氧化劑等腐蝕性很強(qiáng)的介質(zhì)都完全穩(wěn)定。由于質(zhì)量輕，塑料特別適合制造輕巧的日用和家用電器。
②耐沖擊性好，可由于制造一些高速運(yùn)轉(zhuǎn)的儀表齒輪、滾動(dòng)軸承的保護(hù)架、機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌等。
③具有較好的透明性和耐磨耗性。
④絕緣性好，導(dǎo)熱性低。其相對(duì)介電常數(shù)低至2.0，而高值可達(dá)十幾甚至更高。被廣泛用于電機(jī)、電器、電子工業(yè)中。
⑤一般成型性、著色性好，加工成本低。
⑥大部分塑料耐熱性差，熱膨脹率大，易燃燒。
⑦尺寸穩(wěn)定性差，容易變形。
⑧多數(shù)塑料耐低溫性差，低溫下變脆。
⑨容易老化。
⑩某些塑料易溶于溶劑。
(2)塑料的主要成型方法
隨著加工溫度的逐漸升高，塑料將經(jīng)歷玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)直至分解。處于不同狀態(tài)下的塑料表現(xiàn)不同的性能，這些性能在很大程度上決定了塑料對(duì)加工的適應(yīng)性、可模塑性、可延性、可機(jī)加工性等。一般的，塑料成型方法很多，主要有八種：
①注射成型 注射成型是通過(guò)注射機(jī)的螺桿或柱塞的作用，將熔融塑料注入閉合的模具型腔，經(jīng)過(guò)保壓、冷卻、硬化定型后。即可得到模具成型出的塑件。
②壓塑成型 是將預(yù)熱過(guò)得塑料原料放在經(jīng)過(guò)加熱的模具型腔內(nèi)，凸模向下運(yùn)動(dòng)，在熱和壓力的作用下，塑料呈熔融狀態(tài)并充滿型腔，然后固化成型。
③壓鑄成型 壓鑄成型時(shí)指通過(guò)壓料柱將加料室內(nèi)受熱熔融的塑料經(jīng)過(guò)澆注系統(tǒng)壓入加熱的模具型腔，然后固化定型。
④擠出成型 擠出成型時(shí)利用擠出機(jī)的螺旋桿加壓，連續(xù)地將熔融塑料從料筒中擠出，通過(guò)特定的截面形狀的機(jī)頭模成型并借助于牽引裝置講擠出的塑料均勻擠出，同時(shí)冷卻定型，獲得截面形狀一致的連續(xù)型材。
⑤吹塑成型 它是將擠出的熔融塑料毛坯，置于模具內(nèi)，借助壓縮空氣吹脹而貼于型腔壁上，經(jīng)冷卻硬化為塑料。此方法主要用于成型空心塑件。
⑥壓延成型 它將塑化的熱塑性塑料，通過(guò)兩道或多道旋轉(zhuǎn)的滾筒間隙擠壓延展，連續(xù)生產(chǎn)塑料薄膜或片材。
⑦發(fā)泡成型 將發(fā)泡性樹脂直接填入模具內(nèi)，使受熱熔融，形成氣液飽和溶液。
⑧真空及壓塑空氣成型 把熱塑性塑料板片固定在模具上，用輻射加熱器進(jìn)行加熱，加熱到軟化溫度后，用真空泵把板材和模具間的空氣抽掉，靠大氣的壓力使板材貼合在模具的型腔表面，冷卻后固化成型。
1.2注塑模具的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低不僅是衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志，而且在很大程度上決定著這個(gè)國(guó)家的產(chǎn)品質(zhì)量、效益及新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力。我國(guó)目前的模具開(kāi)發(fā)制造水平比國(guó)際先進(jìn)水平至少相差10年，特別是大型、精密、復(fù)雜、長(zhǎng)壽命模具的產(chǎn)需矛盾十分突出，已成為嚴(yán)重制約我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的瓶頸。
模具是工業(yè)的基礎(chǔ)工藝裝備，在電訊、汽車、摩托車、電機(jī)、電器、儀器、家電、建材等產(chǎn)品中，80%以上都要依靠模具成形，用模具生產(chǎn)制件所表現(xiàn)出來(lái)的高精度、高復(fù)雜程度、高一致性、高生產(chǎn)力和低消耗，是其它加工制造方法所不能比擬的。因此，我們應(yīng)該認(rèn)清形勢(shì)，認(rèn)準(zhǔn)方向加快發(fā)展速度，而不是永遠(yuǎn)依靠進(jìn)口產(chǎn)品。當(dāng)然，近年來(lái)我國(guó)的注塑模行業(yè)發(fā)展速度也不可小覷，我們應(yīng)該以此為契機(jī)，在最短的時(shí)間內(nèi)趕上發(fā)達(dá)國(guó)家。
第二章 設(shè)計(jì)及計(jì)算
2.1塑件成型成型工藝分析
2.1.1塑件的分析
(1)外形尺寸 該塑件平均壁厚為14mm，塑件外形尺寸不大，塑件熔體流程不太長(zhǎng)，適合于注射成型，如圖2-1，2-2所示。
圖2-1 塑件實(shí)體圖
圖2-2 塑件二維圖
(2)精度等級(jí) 每個(gè)尺寸的公差不一樣，有的屬于一般精度，有的屬于高精度，就按實(shí)際公差計(jì)算。
(3)脫模斜度 ABS屬無(wú)定型塑料，成型收縮率較小，參考《塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)》書中的表2-10選擇塑件上型芯和凹模的統(tǒng)一脫模斜度為1°。
2.1.2 ABS的性能分析
(1)使用性能 綜合性好，沖擊強(qiáng)度、力學(xué)強(qiáng)度較高，尺寸穩(wěn)定，耐化學(xué)性，電氣性能良好；易于成型和機(jī)械加工，其表面可鍍鉻，適合制作一般機(jī)械零件、減摩零件、傳動(dòng)零件和結(jié)構(gòu)零件。
(2)成型性能
1）無(wú)定型塑料。其品種很多，各品種的機(jī)電性能及成型特性也各有差異，應(yīng)按品種來(lái)確定成型方法及成型條件。
2）吸濕性強(qiáng)。含水量應(yīng)小于0.3%（質(zhì)量），必須充分干燥，要求表面光澤的塑件應(yīng)要求長(zhǎng)時(shí)間預(yù)熱干燥。
3）流動(dòng)性中等。溢邊料0.04mm左右。
4）模具設(shè)計(jì)時(shí)要注意澆注系統(tǒng)，選擇好進(jìn)料口位置、形式。推出力過(guò)大或機(jī)械加工時(shí)塑件表面呈現(xiàn)白色痕跡。
5）ABS的主要性能指標(biāo)，其性能指標(biāo)見(jiàn)表2-1
表2-1 ABS的性能指標(biāo)
密度/g·cm-3
1.02-1.08
屈服強(qiáng)度/MPa
50
比體積/cm3·g-1
0.86-0.98
拉伸強(qiáng)度/MPa
38
吸水率(%)
0.2-0.4
拉伸彈性模量/MPa
1.4×103
熔點(diǎn)/℃
130-160
抗彎強(qiáng)度/MPa
80
計(jì)算收縮率(%)
0.4-0.7
抗壓強(qiáng)度/MPa
53
比熱容/(㎏·℃)-1
1470
彎曲彈性模量/MPa
1.4×103
2.1.3 ABS的注射成型及工藝參數(shù)
(1)注射成型過(guò)程
1）成型前的準(zhǔn)備。對(duì)ABS的色澤、粒度和均勻度等進(jìn)行檢驗(yàn)，由于ABS吸水性較大，成型前應(yīng)進(jìn)行充分的干燥。
2）注射過(guò)程。塑件在注射機(jī)料筒內(nèi)經(jīng)過(guò)加熱、塑化達(dá)到流動(dòng)狀態(tài)后，由模具的澆注系統(tǒng)進(jìn)入模具型腔進(jìn)行成型，其過(guò)程可分為充模、壓實(shí)、保壓、倒流和冷卻五個(gè)階段。
3）塑件的后處理。處理的介質(zhì)為空氣和水，處理溫度為60-70℃，處理時(shí)間為16-20s。
(2)注射工藝參數(shù)
1)注射機(jī)：螺桿式，螺桿轉(zhuǎn)數(shù)為30r/min。
2）料筒溫度（℃）：后段150-170
中段165-180
前段180-200
3）噴嘴溫度（℃）：170-180
4）模具溫度（℃）：50-80
5）注射壓力（MPa)：60-100
6）成型時(shí)間（s）：30（注射時(shí)間取1.6，冷卻時(shí)間20.4，輔助時(shí)間8）
2.2擬定模具的結(jié)構(gòu)形式
2.2.1分型面位置的確定
該塑件在進(jìn)行塑件設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)充分考慮了分型面的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)通過(guò)塑件塑件圖樣可以看出該塑件外面多圓弧形曲面，內(nèi)為階梯型通孔，所以分型是需進(jìn)行軸向抽芯和側(cè)向抽芯分型，且選擇分型面注射模。所以分型面確定為下圖2-3：
圖2-3 分型面
2.2.2型腔數(shù)量和排列方式的確定
型腔數(shù)量的確定 該塑件采用的精度一般在2-3級(jí)之間，且為大批量生產(chǎn)，可采取一模多腔的結(jié)構(gòu)模式。同時(shí)，考慮到塑件尺寸、模具結(jié)構(gòu)尺寸的大小關(guān)系，以及制造費(fèi)用和各種成本等因素，初步定為一模一腔結(jié)構(gòu)形式。
2.2.3注射機(jī)型號(hào)的確定
(1) 注射量的計(jì)算 通過(guò)三維軟件建模設(shè)計(jì)分析計(jì)算得：塑件體積： =124.943cm3，塑件質(zhì)量：m塑=V塑=124.9431.02=127.4g，式中，參考表1可取1.02g/cm3。
(2)澆注系統(tǒng)凝料體積的初步估算 澆注系統(tǒng)的凝料體積在設(shè)計(jì)之前是不能確定準(zhǔn)確的數(shù)值，但是可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按照塑件體積的0.2倍來(lái)估算，故一次注入模具型腔塑料熔體的總體積為
V總=V塑（1+0.2）1=124.9431.2cm3=149.93cm3
(3)選擇注射機(jī) 根據(jù)第二部計(jì)算得出一次注入模具型腔的塑料總質(zhì)量V總=149.93cm3,并結(jié)合式V公=V總/0.8,則有：V總/0.8=149.94/0.8cm3=187.41cm3。根據(jù)以上計(jì)算，初步選定公稱注射量為200cm3,注射機(jī)型號(hào)為xs-zy250/180臥式注射機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2-2
表2-2 注射機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
理論注射容量/cm3
250
移模行程/mm
500
螺桿柱塞直徑/mm
V注射壓力/Mpa
50
最大模具厚度/mm
350
147
最小模具厚度/mm
200
注射速率/g·s-1
114
鎖模形式
液壓
塑化能力/g·s-1
55
定位孔徑/mm
100
注射方式
螺桿式
噴嘴球直徑/mm
18
鎖模力/KN
1800
噴嘴移出量/mm
20
拉桿間距/mm
295×373
(4)注射機(jī)的相關(guān)參數(shù)的校核
1）注射壓力校核。查表1可知，ABS所需注射壓力為80-110MPa,這里取p0=100MPa，該注射機(jī)的公稱注射壓力p公=147MPa，注射壓力安全系數(shù)k1=1.25-1.4，這里取k1=1.3，則：
K1p0=1.3×100=130MPa＜p公，所以，注射機(jī)注射壓力合格。
2)鎖模力校核
①塑件在分型面上的投影面積A塑=(802-3.672）/4=4982mm2
②澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積A澆，即流道凝料在分型面上的投影面積A澆的值，可以按照多型腔模的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)確定。A澆是每個(gè)塑件在分型面上的投影面積A塑的0.2-0.5倍。由于本流道設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，分流道相對(duì)較短，因此流道凝料投影面積適當(dāng)取小一些。這里取A澆=0.2A塑。
③塑件和澆注系統(tǒng)在分型面上總的投影面積A總，則A總=n（A塑+A澆）=n（A塑+0.2A塑）=1.2A塑=1.2×4982mm2=5978.4mm2
④模具型腔內(nèi)的脹型力F脹，則F脹=A總p模=5978.4×35N=209244N=209.244KN
式中，p模是型腔的平均計(jì)算壓力值。p模是模具型腔內(nèi)的壓力，通常取注射壓力的20%-40%，大致范圍是25-40MPa。對(duì)于粘度較大的精度較高的塑料制品應(yīng)取較大值。ABS屬于中等粘度塑料及有精度要求的塑件，故p模取35MPa。
查表2可得該注射機(jī)的公稱鎖模力F鎖=1800KN，鎖模力安全系數(shù)為k2=1.1-1.2 這里取k2=1.2，則
k2F脹=1.2F脹=1.2×209.244=251.1KN＜F鎖，所以，注射機(jī)鎖模力合格。
對(duì)于其他安裝尺寸的校核要等模架選定，結(jié)構(gòu)尺寸確定后方可進(jìn)行。
2.3澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.3.1 主流道的設(shè)計(jì)
主流道通常位于模具中心塑料熔體的入口處，它將注射機(jī)噴嘴注射出的熔體導(dǎo)入分流道或型腔中。主流道的形狀為圓錐形，以便熔體流動(dòng)和開(kāi)模時(shí)主流道凝料的順利拔出。主流道的尺寸直接影響到熔體的流動(dòng)速度和充模時(shí)間。另外，由于其與高溫塑料熔體及注射機(jī)噴嘴反復(fù)接觸，因此設(shè)計(jì)中常設(shè)計(jì)成可拆卸更換的澆口套。
(1)主流道尺寸
1）主流道的長(zhǎng)度：小型模具L主應(yīng)盡量小于60mm，本次設(shè)計(jì)中初取50mm進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2）主流道小端直徑：d=注射機(jī)噴嘴尺寸+（0.5～1）mm=（3+0.5）mm=3.5mm。
3）主流道大端直徑：d′=d+2L主tan(α/2)≈7mm，式中α=4°。
4）主流道球面半徑：SR0=注射機(jī)噴嘴球半徑+（1～2）mm=18+2=20mm。
5）球面的配合高度 ：h=3mm。
(2)主流道的凝料體積
V主=L主（R2主+r2主+R主r主）=×（3.52+1.752+3.5×1.75）=1121.9mm3=1.12cm3。
(3)主流道當(dāng)量半徑 Rn=1.75+3.5/2=2.625mm。
(4)主流道澆口套的形式 主流道襯套為標(biāo)準(zhǔn)件可選購(gòu)。主流道小端入口處與注射機(jī)噴嘴反復(fù)接觸，易磨損。對(duì)材料的要求較嚴(yán)格，因而盡管小型注射?？梢詫⒅髁鞯罎部谔着c定位圈設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，但考慮上述因素通常仍然將其分開(kāi)來(lái)設(shè)計(jì)，以便于拆卸更換。同時(shí)也便于選用優(yōu)質(zhì)鋼材進(jìn)行單獨(dú)加工和熱處理。設(shè)計(jì)中常采用碳素工具鋼（T8A或T10A），熱處理淬火表面硬度為50～55HRC。
2.3.2分流道的設(shè)計(jì)
（1） 分流道的布置形式 在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮盡量減少在流道內(nèi)的壓力損失和盡可能避免熔體溫度降低，同時(shí)還要考慮小分流道的容積和壓力平衡。
（2） 分流道的長(zhǎng)度 由于流道設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，根據(jù)型腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分流道較短，故設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)選小一些。單邊分流道長(zhǎng)度L分取35mm。
（3） 分流道的當(dāng)量直徑 因?yàn)樵撍芗馁|(zhì)量m塑=V塑=127.4g＜200g,根據(jù)公式D=0.2654得D=0.2654mm=7.3mm
（4） 分流道截面形狀 常用的分流道截面形狀有圓形，梯形，U形，六角形等，為了加工和凝料的脫膜，分流道大多設(shè)計(jì)在分型面上。本設(shè)計(jì)采用圓形截面，其加工工藝性好，且塑料熔體的熱量散失、流動(dòng)阻力均不大。
（5） 分流道截面尺寸 設(shè)分流道的直徑為D，則橫截面積為A分=D/2=41.83mm2 可得D=7.3mm
（6） 凝料體積
1)分流道的長(zhǎng)度L分=35×1=35mm。
2）分流道截面積A分=D/2=41.83mm2。
3）凝料體積V分=L分A分=35×41.83=1464.143mm3=1.5cm3。
(7)校核剪切速率
1）確定注射時(shí)間： 查《塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)》中表4-8，可取t=2.0s。
2）計(jì)算分流道體積流量：q分=（V分+V塑）/2=（1.5+124.943）/2=63.17cm3/s。
3）由《塑件成型工藝及模具設(shè)計(jì)》中式（4-20）可得剪切速率
==s-1=1.37×103s-1
該分流道的剪切速率處于澆口主流道與分流道的最佳剪切速率5×102～5×103s-1之間，所以，分流道內(nèi)熔體的剪切速率合格。
（8）分流道的表面粗糙度和脫膜斜度 分流道的表面粗糙度要求不是很低，一般取Ra1.25～2.5即可，此處取Ra1.6.另外，其脫膜斜度一般在5°～10°之間，這里取脫膜斜度為8°。
2.3.3 澆口的設(shè)計(jì)
該塑件要求不允許有裂紋和變形缺陷，表面質(zhì)量要求較高，采用一模一腔注射，為便于調(diào)整充模時(shí)間的剪切速率和封閉時(shí)間，因此采用側(cè)澆口，其截面形狀簡(jiǎn)單，易于加工，便于試模后的修正，且開(kāi)設(shè)在分型面上，從型腔的邊緣進(jìn)料。
（1） 側(cè)澆口尺寸的確定
① 計(jì)算側(cè)澆口的深度 根據(jù)《塑件成型工藝及模具設(shè)計(jì)》中表4-10，可得側(cè)澆口的深度h計(jì)算公式是
h=nt=0.7×3=2.1mm
式中，t是塑膠厚度，這里t=3mm；n是塑料成型系數(shù)，對(duì)于ABS，其成型系數(shù)n=0.7mm。
②計(jì)算側(cè)澆口的深度。根據(jù)《塑件成型工藝及模具設(shè)計(jì)》中表4-10，可得側(cè)澆口的寬度B的計(jì)算公式為
B===2.6cm≈3cm
③計(jì)算側(cè)澆口的長(zhǎng)度。根據(jù)《塑件成型工藝及模具設(shè)計(jì)》中表4-10，可得側(cè)澆口的長(zhǎng)度L澆一般選用0.7mm～2.5mm，這里選L澆為0.7mm
(2)校核澆口的剪切速率
1）確定注射時(shí)間：查表2，可取t=2.0s；
2）計(jì)算澆口的體積流量：q澆==124.943/2.0=62.48cm3/s
3)計(jì)算澆口的剪切速率：==6.248×104mm3/s
該側(cè)澆口的剪切速率處于澆口與分流道的最佳剪切速率5×103～5×104s-1之間，所以，澆口的剪切速率校核合格。
（3）冷卻穴的設(shè)計(jì)計(jì)算
冷卻穴位于主流道正對(duì)面的動(dòng)模板上，其作用主要是收集熔融體前鋒的冷料，防止冷料進(jìn)入模具型腔而影響制品的表面質(zhì)量。澆口套如圖2-4
圖2-4 澆口套
2.3.4校核主流道的剪切速率
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選取側(cè)澆口，尺寸詳見(jiàn)圖紙校核主流道的剪切速率
（1）計(jì)算主流道的體積流量
q主==cm3/s
（2）計(jì)算主流道的剪切速率
=s-1
主流道內(nèi)熔體的剪切速率處于澆口與分流道的最佳剪切速率5102～5×103s-1之間，所以主流道的剪切速率校核合格。
2.4成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
2.4.1成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
凹模是成形制品的外表面的成型零件。按凹模結(jié)構(gòu)的不同可將其分為整體式、整體嵌入式、組合式和鑲拼式四種。根據(jù)對(duì)塑件的結(jié)構(gòu)分析，本設(shè)計(jì)中采鑲嵌式凹模。
（2）凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（型芯）
凸模是成形塑件內(nèi)表面的成型零件，通?？梢苑譃檎w式和組合式兩種類型。通過(guò)對(duì)塑件的結(jié)構(gòu)分析知，型芯有一個(gè)，采用整體式。
2.4.2成型零件鋼材的選用
根據(jù)對(duì)成型塑件的整體分析，該塑件的成型零件要有足夠的剛度、強(qiáng)度、耐磨性及良好的抗疲勞性能，同時(shí)考慮它的機(jī)械加工性能和拋光性能。又因?yàn)樵撍芗榇笈可a(chǎn)，所以構(gòu)成型腔的嵌入式凹模鋼材選用P20（美國(guó)牌號(hào)）。對(duì)于成型塑件型芯來(lái)說(shuō)，由于脫膜時(shí)與塑件的磨損嚴(yán)重，因此鋼材選用高合金工具鋼Cr12MoV。
2.4.3成型零件工作尺寸的計(jì)算
（1）凹模徑向尺寸的計(jì)算
由于該塑件采用側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)，型芯由左右瓣合模組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具體參考零件裝配圖。
①?gòu)较虺叽?
已知該塑件的公差等級(jí)為五級(jí)，根據(jù)零件的型芯尺寸為
=43m，=0.64；=43mm,=0.64；
=33mm，=0.56; =26mm,=0.5；
=27mm,=0.5; =38mm,=0.64;
,;,0.86。
根據(jù)凹模模徑向尺寸 LM=[(1+Scp)ls-x
X:數(shù)隨塑件精度和尺寸變化，一般在0.5~0.8之間，此處取0.5
LM—凹模徑向尺寸（mm）
ls—塑件徑向基本尺寸（mm） Scp—塑料的平均收縮率（%）—塑件公差值（mm）
—凹模制造公差（mm）一般為塑件公差的1/3～1/6該處選1/6
;
②凹模高度尺寸
已知塑件的公差等級(jí)為五級(jí)，根據(jù)參考文獻(xiàn)的型芯尺寸為：
，
,
,
③凹模深度尺寸
X:數(shù)隨塑件精度和尺寸變化，一般在0.5~0.8之間，此處取0.5
—凹模深度尺寸（mm）
—塑件高度基本尺寸（mm）
—凹模深度制造公差（mm）
2.5模架的確定
2.5.1 各模板尺寸的確定
模架是注射模的骨架和基體，通過(guò)它將模具的各個(gè)部分有機(jī)聯(lián)系成一個(gè)整體，也可以說(shuō)塑料的模架起裝配、定位和安裝作用。塑料模架現(xiàn)已標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化了，因此在設(shè)計(jì)時(shí)只需塑件的結(jié)構(gòu)和尺寸來(lái)直接選用即可，也可以自己設(shè)計(jì)。
由于該模具采用側(cè)澆口，且需要抽芯，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，參照標(biāo)準(zhǔn)選A2型模架。已知該塑件在分型面上的投影寬度為：W′=80mm,W′≤W2-10 即W2≥90mm,綜合考慮抽芯機(jī)構(gòu)的橫向移動(dòng)距離，查知，選W2=94mm,對(duì)應(yīng)模架為W=160mm,推桿直徑d=10mm。
已知塑件在分型面上的投影長(zhǎng)度為L(zhǎng)′=80mm,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式L′≤Lt-d-30，即Lt≥120mm。選Lt=122mm,對(duì)應(yīng)的模架寬度為L(zhǎng)=160mm,故選模架為A3型標(biāo)準(zhǔn)模架，其規(guī)格為W×L=160×160mm。
標(biāo)準(zhǔn)模架選完后，查《塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)》中表4-38可以得到，W1=200mm,厚度H1=20mm,側(cè)向抽芯滑塊厚度由型芯計(jì)算可知A=104mm,脫模板厚度H3=25mm,動(dòng)模厚度B=16mm；根據(jù)動(dòng)模和型腔板厚度可確定墊塊的厚度，又墊塊寬度W3=32mm,則墊塊尺寸，W3×C=32mm×80mm;推桿固定板尺寸為W2×H5=94mm×12.5mm；推板尺寸為W2×H4=94mm×16mm。如圖2-5
圖2-5模架圖
2.5.2 模架各尺寸的校核
根據(jù)所選注射機(jī)來(lái)校核模具設(shè)計(jì)的尺寸。
（1）模具平面尺寸160mm×160mm＜295mm×373mm（拉桿間距），校核合格。
（2）模具高度尺寸265mm，200mm＜265mm＜350mm（模具的最大厚度和最小厚度），校核合格。
（3）模具的開(kāi)模行程S=H1+H2+(5～10)mm=(20+20)mm=45～50mm＜500mm（開(kāi)模行程），校核合格。
2.6 排氣槽的設(shè)計(jì)
排氣是注射模設(shè)計(jì)中不可忽視的一個(gè)問(wèn)題。在注射成型中，若模具排氣不良，型腔內(nèi)的氣體受壓縮將產(chǎn)生很大的背壓，阻止熔體正常快速充模，同時(shí)氣體壓縮所產(chǎn)生的熱量可能使塑料燒焦。
一般情況下，模具不開(kāi)設(shè)專門的排氣槽，氣體也能有分型面的間隙中排出。由于本課題設(shè)計(jì)的是塑料蠟燭座的模具，有一個(gè)分型面，型腔內(nèi)的氣體是完全可以由分型面與動(dòng)模之間的軸向間隙排出。又因?yàn)榇怂芗暮穸容^小，所以該模具適合利用配合間隙直接進(jìn)行排氣，不需要開(kāi)排氣槽。
2.7脫膜推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
塑件從模具上取下以前還有一個(gè)從模具的成型零部件上脫出的過(guò)程，使塑件從成型零部件上脫出的機(jī)構(gòu)稱為脫模機(jī)構(gòu)。主要由推出零件，推出零件固定板和推板，推出機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向和復(fù)位部件等組成。
2.7.1脫模機(jī)構(gòu)的選擇
脫模機(jī)構(gòu)按其推出動(dòng)作的動(dòng)力來(lái)源分為手動(dòng)推出機(jī)構(gòu)，機(jī)動(dòng)推出機(jī)構(gòu)，液壓和氣動(dòng)推出機(jī)構(gòu)。根據(jù)推出類別還可分為推桿推出機(jī)構(gòu)、套管推出機(jī)構(gòu)、推板推出機(jī)構(gòu)、推塊推出機(jī)構(gòu)、利用成型零部件推出和斜滑桿側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)等。
本設(shè)計(jì)中采用推桿推出和側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)使塑料制件順利脫模。推桿如圖2-6所示。
圖2-6 推桿
2.7.2 脫膜力的計(jì)算
中心型芯脫模力 因?yàn)?，所以此處?yīng)視為厚壁塑件，根據(jù)公式
≈35736.7N
可得脫膜力F=35736.7N
2.7.3 校核推出機(jī)構(gòu)作用在塑件上的單位壓應(yīng)力
（1）推出面積A
（2）推出應(yīng)力
2.8側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
（1）該套模具采用導(dǎo)桿導(dǎo)滑，利用限位板與導(dǎo)桿力的傳導(dǎo)使滑塊沿著彎銷斜度方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)側(cè)向抽芯的目的。為了滑塊的位置，采用了限位板，限制了滑塊水平方向上的運(yùn)動(dòng)距離。
（2）由于滑塊側(cè)向抽芯距離較大，彎銷側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)就是斜度最大可達(dá)30°，通過(guò)計(jì)算，該套模具彎銷的傾斜度為20°。彎銷如圖2-7所示
圖2-7 彎銷
2.9 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
在注射模中，模具的溫度直接影響到塑件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。由于各種塑料的性能和成型工藝要求不同，對(duì)模具溫度的要求也不相同。一般注射到模具內(nèi)的塑料粉體的溫度為左右，熔體固化成為塑件后，從左右的模具中脫模、溫度的降低是依靠在模具內(nèi)通入冷卻水，將熱量帶走。對(duì)于要求較低模溫（一般小于）的塑料，如本設(shè)計(jì)中的ABS，僅需要設(shè)置冷系統(tǒng)即可，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)水的流量就可以調(diào)節(jié)模具的溫度。
模具的冷卻主要采用循環(huán)水冷卻方式，模具的加熱有通入熱水、蒸汽，熱油和電阻絲加熱等。
2.9.1溫度調(diào)節(jié)對(duì)塑件質(zhì)量的影響
注射模的溫度對(duì)于塑料熔體的充模流動(dòng)、固化成型、生產(chǎn)效率以及制品的形狀和尺寸精度都有影響，對(duì)于任一個(gè)塑料制品，模具溫度波動(dòng)過(guò)大都是不利的。過(guò)高的模溫會(huì)使塑件在脫模后發(fā)生變形，若延長(zhǎng)冷卻時(shí)間又會(huì)使生產(chǎn)率下降。過(guò)低的模溫會(huì)降低塑料的流動(dòng)性，使其難于充模，增加制品的內(nèi)應(yīng)力和明顯的熔接痕等缺陷。
2.9.2冷卻介質(zhì)
ABS屬中度黏度材料，其成型溫度及模具溫度分別為200℃和50～80℃。所以，模具初步選定為50℃，用常溫水對(duì)模具進(jìn)行冷卻。
2.9.3冷卻系統(tǒng)的簡(jiǎn)單計(jì)算
（1）單位時(shí)間內(nèi)注入模具中的塑料熔體的總質(zhì)量W
①塑料制品的體積
②塑料制品的質(zhì)量
③塑件壁厚為14mm,可以查《塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)》表4-34得,t冷=90s。取注射時(shí)間t注=2.0s，脫膜時(shí)間t脫=8s，則注射周期：t=t注+t冷+t脫=（2.0+90+8）s=100s。由此得每小時(shí)注射次數(shù)：N=(3600/100)=36次。
④單位時(shí)間內(nèi)注入模具中的塑料熔體的總質(zhì)量：W==36×0.13kg=4.68kg/h。
確定單位質(zhì)量的塑件在凝固時(shí)所放出的熱量，查《塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)》表4-35直接可知ABS的單位熱量的值的范圍在（310～400）之間，故可取。
（2）計(jì)算冷卻水的體積流量 設(shè)冷卻水道入口的水溫為=20℃，出水口的溫度為=25℃，取水的密度為1000kg/m3,水的比熱容。則根據(jù)公式可得：
（4）確定冷卻水路的直徑d 當(dāng)時(shí)，查《塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)》表4-30可知，為了使冷卻水處于湍流狀態(tài)，取模具冷卻水孔的直徑為d=8mm
（5）冷卻水在管內(nèi)的流速v
（6）求冷卻管壁與水交界面的膜傳熱系數(shù)h 因?yàn)槠骄疁貫?3.5℃，查《塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)》表4-31可得f=6.84,則有
（7）計(jì)算冷卻水通道的導(dǎo)熱總面積A
（8）計(jì)算模具所需冷卻水管的總長(zhǎng)度L
（9）冷卻水路的根數(shù)x 設(shè)每條水路的長(zhǎng)度l=200mm,則冷卻水路的根數(shù)為
。
2.9.4 冷卻水道在動(dòng)模和定模中的位置
冷卻水道的位置取決于制品的形狀和定、動(dòng)模板的厚度，原則上冷卻水道應(yīng)設(shè)置在塑料向模具熱傳導(dǎo)困難的地方，根據(jù)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，冷卻水道應(yīng)圍繞模具所成型的制品，且盡量排列均勻一致。不少小型模具的型腔時(shí)直接在模板上加工而成的（也可以采用拼鑲結(jié)構(gòu)，但是由于模具尺寸較小，所以型腔與型芯的鑲件尺寸更?。?，對(duì)于這類模具，可以直接在模板上設(shè)置冷卻水道。
在模板上直接設(shè)置冷卻水道，同樣應(yīng)遵循冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，使冷卻水道盡量靠近型腔表面和盡量圍繞型腔，使制品在成型過(guò)程中冷卻均勻。
2.10組裝圖跟塑件圖
第三章 畢業(yè)設(shè)計(jì)心得體會(huì)及總結(jié)
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是蠟燭座注塑模設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)三個(gè)多月的努力我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了，但是現(xiàn)在回想起來(lái)做畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程頗有心得，其中有苦也有甜，艱辛同時(shí)又充滿樂(lè)趣。通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我感受到了設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性。沒(méi)有接受任務(wù)以前覺(jué)得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)這幾年來(lái)所學(xué)知識(shí)的單純總結(jié)，但是通過(guò)這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高，我學(xué)到了很多關(guān)于模具設(shè)計(jì)和塑料的知識(shí)，能熟練的應(yīng)用CAD和PROE軟件。對(duì)CAD繪制二維圖，PROE繪制三維圖有了更深的了解。
開(kāi)始接到任務(wù)以后進(jìn)行選題，選題是畢業(yè)設(shè)計(jì)的開(kāi)端。題目確定后就是找資料了，查資料是做畢業(yè)設(shè)計(jì)的前期準(zhǔn)備工作到圖書館、網(wǎng)站查閱。通過(guò)上面的過(guò)程，已經(jīng)積累了不少資料，對(duì)所選的題目也大概有了一些了解，明白了研究注塑模具對(duì)了解塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程和提高產(chǎn)品質(zhì)量有很大意義，塑料制品的成型方法很多，我主要研究的是注塑模。接下來(lái)我按照注射成型五個(gè)步驟加料，熔融塑料，注射制件冷卻和制件脫膜進(jìn)行了介紹。對(duì)單分型面注射模具的結(jié)構(gòu)與工作原理、冷流道注射模具澆注系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和頂出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、模具強(qiáng)度要求做了詳細(xì)介紹。同時(shí)用CAD繪制二維圖，PROE繪制三維圖來(lái)進(jìn)行模具模型的設(shè)計(jì)。
通過(guò)本設(shè)計(jì)，對(duì)注塑模具有了一個(gè)深刻的認(rèn)識(shí)，我也遇到了許許多多的問(wèn)題，例如：對(duì)所設(shè)計(jì)的課題塑件結(jié)構(gòu)分析不夠透徹，影響模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，模具的一些重要環(huán)節(jié)分析不夠清晰；對(duì)模具的各個(gè)零件的設(shè)計(jì)還很有缺陷，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的要求；有開(kāi)?；蚪Y(jié)構(gòu)不完整等問(wèn)題或是有多余的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；對(duì)軟件CAD和PROE的運(yùn)用不熟練，尤其是PROE不懂的很多，在分模和繪圖時(shí)遇到了問(wèn)題；對(duì)模具方向了解不夠透徹，很多都是靠一邊看資料一邊設(shè)計(jì)。
盡管遇到了一些問(wèn)題，在老師同學(xué)的協(xié)助和自己的思考下解決了很多問(wèn)題。此次設(shè)計(jì)后，有了自己的一些體會(huì)和感受:對(duì)自己的課題應(yīng)該獨(dú)立思考，仔細(xì)分析塑件的結(jié)構(gòu)；遇到設(shè)計(jì)理論上的知識(shí)時(shí)，要積極的去看看資料，結(jié)合自己的設(shè)計(jì)課題分析解決問(wèn)題；設(shè)計(jì)中的很多問(wèn)題還需要共同討論來(lái)解決，指導(dǎo)老師的幫助是最實(shí)際的，同學(xué)的協(xié)助也不容忽視；現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)運(yùn)用很靈活，網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用也是必須的,加強(qiáng)對(duì)模具結(jié)構(gòu)分析相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)是很重要的。
在用軟件設(shè)計(jì)模具時(shí)發(fā)現(xiàn)了兩款軟件的各自優(yōu)勢(shì)。PROE是用來(lái)做三維的,CAD也可以畫三維,不過(guò)CAD的三維繪圖使用不是很方便,如果一開(kāi)始做錯(cuò)了,就幾乎要重做了,而PROE可以在模型做出來(lái)后,發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題時(shí)可以從最開(kāi)始那里修改圖形,后面設(shè)計(jì)會(huì)更新,非常方便。而且設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大，就是學(xué)起來(lái)耗時(shí)間。 CAD是用來(lái)繪制二維圖,雖然PROE也可以,不過(guò)PRO工程圖都是由三維圖轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的，不方便使用而且CAD做二維圖以經(jīng)全球公認(rèn)最強(qiáng)大最好用的軟件了。CAD的尺寸偏移,定位,畫線,標(biāo)注,修改都要比PROE方便。掌握這兩款繪圖軟件可以輕松繪制二維三維圖，也能順應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)的要求。
在此要感謝我的指導(dǎo)老師周老師對(duì)我悉心的指導(dǎo)，感謝老師給我的幫助。也要感謝穆國(guó)軒同學(xué)跟金圣同學(xué)對(duì)我軟件的指導(dǎo)。在設(shè)計(jì)中，加深了我對(duì)模具設(shè)計(jì)和繪圖軟件的了解，我們會(huì)遇到許多問(wèn)題，但同時(shí)也學(xué)會(huì)了解決問(wèn)題的方法、堅(jiān)定了解決問(wèn)題的決心。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過(guò)程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做的很多地方不完美，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。
謝 辭
這次的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)總結(jié)是在我的指導(dǎo)老師周老師親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。從畢業(yè)設(shè)計(jì)選題到設(shè)計(jì)完成，周老師給予了我耐心指導(dǎo)與細(xì)心關(guān)懷，有了周老師耐心指導(dǎo)與細(xì)心關(guān)懷我才不會(huì)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中迷失方向，失去前進(jìn)動(dòng)力。周老師有嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和精益求精的工作作風(fēng)，這些都是我所需要學(xué)習(xí)的，感謝周老師給予了我這樣一個(gè)學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，謝謝!
感謝與我并肩作戰(zhàn)的舍友與同學(xué)們，感謝關(guān)心我支持我的朋友們，感謝學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)、老師們，感謝你們給予我的幫助與關(guān)懷;感謝機(jī)械學(xué)院，感謝大學(xué)四年陪我走過(guò)來(lái)的每一個(gè)人！有了你們我的人生才豐富，有了你們我在奮斗的路上不孤單。謝謝你們！
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