塑料空心球柄的模具设计

1第1章对塑料成型模具的认识1.1模具在加工工业中的地位模具是利用其特定形状去成型具有一定的形状和尺寸制品的工具。在各种材料加工工业中广泛的使用着各种模具。例如金属铸造成型使用的砂型或压铸模具、金属压力加工使用的锻压模具、冷压模具等各种模具。对模具的全面要求是：能生产出在尺寸精度、外观、物理性能等各方面都满足使用要求的公有制制品。以模具使用的角度，要求高效率、自动化操作简便；从模具制造的角度，要求结构合理、制造容易、成本低廉。模具影响着制品的质量。首先，模具型腔的形状、尺寸、表面光洁度、分型面、进浇口和排气槽位置以及脱模方式等对制件的尺寸精度和形状精度以及制件的物理性能、机械性能、电性能、内应力大小、各向同性性、外观质量、表面光洁度、气泡、凹痕、烧焦、银纹等都有十分重要的影响。其次，在加工过程中，模具结构对操作难以程度影响很大。在大批量生产塑料制品时，应尽量减少开模、合模的过程和取制件过程中的手工劳动，为此，常采用自动开合模自动顶出机构，在全自动生产时还要保证制品能自动从模具中脱落。另外模具对制品的成本也有影响。当批量不大时，模具的费用在制件上的成本所占的比例将会很大，这时应尽可能的采用结构合理而简单的模具，以降低成本。现代生产中，合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是必不可少是三项重要因素，尤其是模具对实现材料加工工艺要求、塑料制件的使用要求和造型设计起着重要的作用。高效的全自动设备也只有装上能自动化生产的模具才有可能发挥其作用，产品的生产和更新都是以模具的制造和更新为前提的。由于制件品种和产量需求很大，对模具也提出了越来越高的要求。因此促进模具的不断向前发展。1.2模具的发展趋势近年来，模具增长十分迅速，高效率、自动化、大型、微型、精密、高寿命2的模具在整个模具产量中所占的比重越来越大。从模具设计和制造角度来看，模具的发展趋势可分为以下几个方面：（1）提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计水平及比例。这是由于塑料模成型的制品日渐大型化、复杂化和高精度要求以及因高生产率要求而发展的一模多腔所致。（2）在塑料模设计制造中全面推广应用CAD/CAM/CAE技术。CAD/CAM技术已发展成为一项比较成熟的共性技术，近年来模具CAD/CAM技术的硬件与软件价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度，为其进一步普及创造良好的条件；基于网络的CAD/CAM/CAE一体化系统结构初见端倪，其将解决传统混合型CAD/CAM系统无法满足实际生产过程分工协作要求的问题；CAD/CAM软件的智能化程度将逐步提高；塑料制件及模具的3D设计与成型过程的3D分析将在我国塑料模具工业中（3）推广应用热流道技术、气辅注射成型技术和高压注射成型技术。采用热流道技术的模具可提高制件的生产率和质量，并能大幅度节省塑料制件的原材料和节约能源，所以广泛应用这项技术是塑料模具的一大变革。制订热流道元器件的国家标准，积极生产价廉高质量的元器件，是发展热流道模具的关键。气体辅助注射成型可在保证产品质量的前提下，大幅度降低成本。目前在汽车和家电行业中正逐步推广使用。气体辅助注射成型比传统的普通注射工艺有更多的工艺参数需要确定和控制，而且常用于较复杂的大型制品，模具设计和控制的难度较大，因此，开发气体辅助成型流动分析软件，显得十分重要。另一方面为了确保塑料（4）开发新的成型工艺和快速经济模具。以适应多品种、少批量的生产方式。（5）提高塑料模标准化水平和标准件的使用率。我国模具标准件水平和模具标准化程度仍较低，与国外差距甚大，在一定程度上制约着我国模具工业的发展，为提高模具质量和降低模具制造成本，模具标准件的应用要大力推广。为此，首先要制订统一的国家标准，并严格按标准生产；其次要逐步形成规模生产，提高商品化程度、提高标准件质量、降低成本；再次是要进一步增加标准件的规格品种。（6）应用优质材料和先进的表面处理技术对于提高模具寿命和质量显得十分必3要。（7）研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程。采用三坐标测量仪或三坐标扫描仪实现逆向工程是塑料模CAD/CAM的关键技术之一。研究和应用多样、调整、廉价的检测设备是实现逆向工程的必要前提.1.3设计在学习模具制造中的作用通过对模具专业的学习，掌握了常用材料在各种成型过程中对模具的工艺要求，各种模具的结构特点及设计计算的方法，以达到能够独立设计一般模具的要求。在模具制造方面，掌握一般机械加工的知识，金属材料的选择和热处理，了解模具结构的特点，根据不同情况选用模具加工新工艺。课程设计能够对以上各方面的要求加以灵活运用，综合检验大学期间所学的知识。4第2章原始材料分析及注射机的初步确定2.1塑件的工艺性分析2.1.1塑件图1.1塑料空心球柄平面图（1）塑料名称：塑料空心球柄（2）塑件材料：HDPE（高密度聚乙烯）（3）生产纲领：50万件(4）色调：白色2.1.2塑件的结构及成型工艺性分析(1)结构分析如下：该塑件的形状较复杂，孔的深度较深，在保证孔的形状是给模具的加工带了很大的难度。空心球柄的注塑材料选用HDPE，该塑件壁厚不均匀，在注塑成型5过程中因为壁厚的不均匀造成了收缩率的不一致，这样就只能通过有效的控制模具温度来调节收缩率。它的内部结构就相应的给注塑带来了一定的难度。势必会在注塑的时候到来很大的牛顿减力，造成塑件填充不满的缺陷，可以考虑采用双浇口，但对其进行模仿CAE的注塑之后，发现会给空心球柄的表面带来更多的熔接痕和气孔。也可以利用模具的可靠的精度来定位，但是这样的话成模具设计本太高，而且易造成模具损坏。因为考虑到凹凸模形状的复杂，用整体形式是不利于损坏后的维修，适当的使用嵌件就可以解决这些问题，但不能利用过多的嵌件，不然的话就会造成型腔的强度与刚度不够。(2)成型工艺分析如下。①精度等级。采用高精度5级。②脱模斜度。该塑件壁厚约为2.3mm，其脱模斜度内表面为20′～45′，塑件外表面25′～45′。圆角分析。为了避免应力集中，提高塑件的局部强度，改善熔体的流动情况且便于脱模，在塑件各内外表面的连接处，应采用过渡圆弧。塑件件的圆角半径一般不小于0.5mm。其设计原则：一般外圆弧半径应是厚度的1.5倍，内圆弧半径应是厚度的0.5倍。(3)塑件的表面质量塑料制件的表面质量包括表面粗糙度和表观质量。塑件表面粗糙度的高低，主要与模具型腔表面的粗糙度有关。目前注射成型的塑件表面粗糙度通常为Ra0.01～1.25µm，模腔表避的表面粗糙度应为塑件的1/2，即Ra0.01～0.63µm。综合各种因素，塑件的内表面粗糙度去Ra1.6，而外表面的粗糙度去Ra1.6。塑料的表观质量指的是塑件成型后的表观缺陷状态，如常见的缺料、溢料、飞边、凹陷、气孔、熔接痕、银纹、翘曲等。它是由塑件成型工艺条件、塑件成型原材料的选择，模具总体设计等多种因素造成的。2.2原料（HDPE）的成型特性与工艺参数HDPE（高密度聚乙烯）是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂。它安全无毒、无味、无臭的白色颗粒，熔点约为130℃，相对密度为0.941~0.960，它6具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，还具有较高的刚性和韧性，机械强度好。介电性能，耐环境应力开裂性亦较好。2.2.1HDPE塑料主要的性能指标HDPE塑料主要的性能指标如表1-1表1-1HDPE塑料主要的性能指标性能项目试验条件[状态]测试数据数据单位基本性能密度0.961g/cm3流动速率＠190℃/21.60kg57g/10min熔体流动速率＠190℃/2.16kg0.80g/10min机械性能2%割线弯曲模量1296MPa断裂拉伸强度24MPa硬度66ShoreD屈服拉伸强度32MPa断裂伸长率1000%拉伸冲击强度84KJ/m2屈服伸长率7%热性能脆化温度-105(-76)oF(℃)热变形温度＠66psi(0.45MPa)76℃熔点133℃维卡软化点131℃结晶点120℃其它性能耐环境应力开裂性122oF(50℃),F50,100%lgepal20hrs2.2.2HDPE的注射成型工艺参数（1）温度熔料温度220～280℃料筒恒温220℃喷嘴220～300℃（240℃）模具温度20～60℃，设定其温度mT=40℃（2）注射压力具有很好的流动性能，避免采用过高的注射压力，一般为80～140MPa；一些薄壁包装容器除外可达到180MPa。（3）保压压力收缩程度较高，需要长时间对制品进行保压，尺寸精度是关7键因素，约为注射压力的30％～60％。（4）背压5～20MPa。（5）注射速度对薄壁包装容器需要高注射速度，中等注射速度往往比较适用于其它类的塑料制品。（6）螺杆转速高螺杆转速（线速度为1.3m/s）是允许的，只要满足冷却时间结束前就完成塑化过程就可以；螺杆的扭矩要求为低。（7）计量行程0.5～4D（最小值～最大值）。（8）回收率可达到100％回收。（9）收缩率1.2～2.5％；容易扭曲；收缩程度高；24h后不会再收缩。（10）料筒设备标准螺杆，标准使用的三段式螺杆；对包装容器类制品，混合段和切变段几何外形特殊（L：D＝25：1），直通喷嘴，止逆阀。2.3注射机型号的确定2.3.1计算塑件的体积和质量由体积计算公式（或者UG程序）可计算得塑件的近似体积得:V塑=∑S*H=8.642cm3HDPE平均密度约为:3/95.0ρcmg由公式vwρ=代入数据可得塑件的质量为：W塑=V塑×ρ塑=8.2g2.3.2注射机型号确定按预选型腔数来选择注射机（1)模具所需塑料熔体注射量m＝nml+m2式中m——一副模具所需塑料的质量或体积(g或cm3)；n——初步选定的型腔数量；m1——单个塑件的质量或体积(g或cm3)；8m2——浇注系统的质量或体积(g或cm3)。m2是个未知值，在学校做设计时以0.6nm，来估算，即m＝1.6nml得，m=52.48g注射机最大注射量M=m/0.8=65.6g（2)塑件和流道凝料(包括浇口)在分型面上的投影面积及所需锁模力A＝nAl+A2Fm＝（nAl+A2）p型式中A——塑件及流道凝料在分型面上的投影面积(mm2)；A1——单个塑件在分型面上的投影面积(mm2)；A2——流道凝料(包括浇口)在分型面上的投影面积(mm2)；Fm——模具所需的锁模力(N)；p型——塑料熔体对型腔的平均压力(MPa)。流道凝料(包括浇口)在分型面上的投影面积A2在模具设计前是未知值。根据多型腔模的统计分析，大致是每个塑件在分型面上投影面积A1的0．2～0．5倍，因此可用0.35A1来估算。成型时塑料熔体对型腔的平均压力，其大小一般是注射压力的30％-65％。取，p型=25MPa计算得A==3074.833mm2Fm＝76870.825N（3）选择注射机型号由m和Fm值来选择XS—ZY—125型螺杆式注射机满足mG式中α——注射系数，无定型塑料取0.85，结晶型塑料取0.75。FFm9XS—ZY—125型螺杆式注射机的主要技术参数：表1-2注射机的主要技术参数表序号主要技术参数项目参数数值1最大注射量/cm31252注射压力/MPa1203锁模力/kN9004动、定模模板最大安装尺寸/（mm×mm）420×4505最大模具厚度/mm3006最小模具厚度/mm2007最大开模行程/mm3008喷嘴前端球面半径/mm129喷嘴孔直径/mm410定位圈直径/mm120第3章拟定模具结构形式3.1分型面位置的确定在塑件设计阶段，就应考虑成型时分型面的形状和位置，否则无法用模具成型。在模具设计阶段，应首先确定分型面的位置，然后才选择模具的结构。分型面设计是否合理，对塑件质量、工艺操作难易程度和模具的设计制造都有很大影响。因此，分型面的选择是注射模设计中的一个关键因素。10分型面的选择原则（1）分型面的选择有利于脱模：分型面应取在塑件尺寸的最大处。而且应使塑件流在动模部分，由于推出机构通常设置在动模的一侧，将型芯设置在动模部分，塑件冷却收缩后包紧型芯，使塑件留在动模，这样有利脱模。如果塑件的壁厚较大，内孔较小或者有嵌件时，为了使塑件留在动模，一般应将凹模也设在动模一侧。（2）分型面应选择在塑件的