饮水机龙头注塑模具设计及其主要零件的数控加工

大学本科生毕业设计-1-引言相对机械而言，塑料工业是一门新兴工业。在近百年的发展历程中，世界塑料工业在一开始主要是发展和利用热固性塑料。原料的发展经历了天然树脂，改性天然树脂，人工合成树脂完整过程。酚醛塑料和氨基塑料在当时的电器和仪器制造业上得到了广泛的应用，这一阶段的工业化特征仅是间歇法、小批量生产。随后逐步发展热塑性塑料。低密度聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚酰胺等热塑性塑料相继工业化，奠定了塑料工业的基础，为塑料工业的进一步发展开辟了道路。之后的石油化工的高速发展为塑料工业提供了丰富而廉价的原料。高密度聚氯乙烯和聚丙烯相继工业化生产。工程塑料也因为聚碳酸酯、聚甲醛和聚酰亚胺的相继出现且工业化生产，使得塑料向着耐高温的结构件领域发展。增强及复合材料的出现进一步是塑料步入高强度、耐高温的尖端材料领域。近些年，由于石油危机，原材料价格猛涨，塑料的增长速度平稳。通过共聚、交联、共混、填充和发泡等方法来改进塑料性能、提高产品质量、扩大应用领域，生产技术更加日趋合理。塑料工业向着生产工艺自动化、连续化和产品协力恶化以及不断开拓功能性塑料的新领域发展。相对世界塑料工业发展而言，我国的塑料工业则起步较晚，新中国成立之前基本上是一个空白点，仅能生产少量酚醛和氨基塑料制品，而且原材料主要依赖进口。随着我国经济的腾飞，塑料成型加工机械和成型模具发展十分迅速，高效，自动化，大型，微型，精密，高寿命的模具在整个模具行业中所占的比例越来越大。我国大型、复杂、精密、高效和长寿命模具又上了一个新台阶，不少种类模具已能替代进口模具，模具CAD/CAM技术得到了较快推广应用并取得了良好效果，快速成形制造技术和设备有了长足发展并已开始进入实用推广阶段，高速铣等新一代制造技术已被人们重视并开始应用。从模具使用角度来说，要求高效，自动化，作简便；从模具制造角度，要求结构合理，制造容易，低成本。现代塑料制品生产中，合理的加工工艺，高效的设备，先进的模具是必不可少的三项重要因素。模具与其他机械产品比较，一个重要特点就是技术含量高、净产值比重大。随着化工、轻工产业的快速发展，我国的模具工业近年来一直以每年13％～15％左右的增长速度高速发展，而各行业对模具的要求也越来越高。面对市场的变化，有着高技术含量的模具正在市场上崭露头角。随着工业发展，工业产品的品种、数量越来越多；对产品质量和外观的要求，更是趋精美，华气。因此，结合中国具体情况，学习国外模具工业建设和模具生产的经验，宣传、推行科学合理化的模具生产，才能推进模具技术的进步。近年来，由于我国国民经济的高速、稳定的增长，促进了我国模具工业迅速发展壮大，因此，模具设计与制造专业或相关的材料成形与控制专业已成为国内具有优势的热门专业之一。模具是现代化工业生产的重要工艺装备。广泛用于汽车、拖拉机、飞机、家用电器、工程机械、动力机械、冶金、机床、兵器、仪器仪表、轻工、日用五金等制造业中，起着极为重要的作用。模具是实现上述行业的钣金大学本科生毕业设计-2-件、锻件、粉末冶金、铸件、压铸件、注塑件、橡胶件、玻璃件、陶瓷件等生产的重要工艺装备。采用模具生产毛坯或成品零件，是材料成形的重要方式之一，与切削加工相比，具有材料利用率高、能耗低、产品性能好、生产率高和成本低等显著特点。塑料模具是整个模具工业中的一枝独秀，发展极为迅速，应用范围极其广泛。其中塑料注射成型所用的模具称为注射成型模具，简称注射模。塑料的注射成型过程，是借助于注射机内的螺杆或柱塞的推力，将已经塑化的塑料熔体以一定的压力和速率注射到闭合的模具型腔内，经冷却、固化、定型后开模而获得制品。当塑料原材料、注射机和注射成型工艺参数确定后，制品的质量和注射成型的身产率就基本上取决于注射模的结构类型和工作特征。本次毕业设计的题目为饮水机龙头注塑模具设计及其主要零件的数控加工，饮水机是日常生活中必备的家具之一，选取其中的水龙头作为设计题目具有典型性。本次设计的目的在于检验理论知识掌握情况，将理论与实践相结合，培养自己的动手能力、创新能力，增强Pro/E和CAD等软件的操作使用，提高使用软件解决实际问题的能力，进一步掌握模具设计的方法和过程，为毕业之后的工作夯实基础。加深模具设计中从选材到设计成型的了解，并系统掌握模具设计和制造的各个细节，锻炼自己的独立思考和创造能力。主要内容包括：1.制品的结构特征、塑料的性能分析；2.模具结构总体方案设计；3.相关的计算；4.装配图、零件工作图设计；5.主要零件数控加工程序设计；6.编写设计说明书。大学本科生毕业设计-3-第一章塑件成型工艺分析1.1塑件的分析该塑件是一个饮水机龙头，如图1.1所示，壁厚为2mm～4mm，为薄壁塑件，外形尺寸不大，生产批量大，主要用于输水。要求材料具有较好的耐高温、化学稳定性和电绝缘性，较小的吸水性，并且力学强度要高。硬质聚氯乙烯力学强度高，电气性能优良，耐酸碱力极强，化学稳定性好，适于制造棒、管、板件等。因此选择硬质聚氯乙烯（RPVC）为塑件成型材料。图1.1饮水机龙头工艺性与结构分析：（1）精度等级：采用一般精度6级；（2）脱模斜度：设计脱模斜度的目的是便于塑件的脱模，避免在脱模过程中拉伤塑件表面，其大小取决于塑料的收缩率。脱模斜度的取向要根据塑件的内外型尺寸而定。塑件外形以型腔大端为准，尺寸要符合图纸要求，斜度沿形状减小方向。根据硬质聚氯乙烯的性能，并参考相关资料选定该塑件的脱模斜度为1°。一般情况下，脱模斜度不包括在塑件的公差范围内，当要求开模后塑件留在型腔内时，塑件内表面的脱模斜度应不大于塑件外表面的脱模斜度。大学本科生毕业设计-4-1.2硬质聚氯乙烯（RPVC）的性能分析硬质聚氯乙烯是热塑性塑料，这类塑料中树脂的分子结构是线型或支链型结构（树枝状），称为线型聚合物，是以聚合反应得到的树脂为基础制得的。在加热时软化并熔融，只发生物理变化，不产生化学交联反应，成为可流动的粘稠液体（即熔体），在此状态下可塑制成一定形状的塑件，冷却后保持已成型的形状。如再次加热，又可软化熔融，可再次成型。RPVC是常用的非结晶型热塑性塑料，在冷却过程中不会发生结晶，生产中的浇注系统凝料或废旧的热塑性塑料制品可以回收再利用。RPVC是热敏性塑料，对热较为敏感，受热时间较长或浇口截面过小，剪切力大时，料温增高，易发生变色、降聚、分解，在选用注射机时应选用螺杆式注射机，浇注系统截面宜大，模具和料筒应镀铬，不得有死角滞料，必须严格控制成型温度、模温、加热时间、螺杆转速及背压。RPVC成型特性分析：①力学强度高，电气性能良好，耐酸碱力极强，化学稳定性好，单软化点低；②无定形塑料，吸湿性小，为提高流动性、防止发生气泡，宜先干燥；③流动性差，易分解，高温下与铁、铜接融易分解，分解温度为200℃有刺激性气体；④成型温度范围小，必须严格控制料温；⑤用螺杆式注射机及直通喷嘴，孔径宜大，以防死角滞料，滞料必须及时处理清除；⑥模具浇注系统应粗短，进料口截面宜大，不得有死角滞料，模具应冷却且表面镀铬。硬质聚氯乙烯的性能指标如表1.1所示。表1.1RPVC的性能指标性能数值性能数值密度/（g/cm3）1.35～1.45抗拉屈服强度/MPa35.2～50质量体积/（cm3/g）0.69～0.74拉伸弹性模量/MPa2.4～4.2×103吸水率/%（24h）0.07～0.4抗弯强度/MPa≥90收缩率/%0.6～1.0冲击韧度（缺口）/kJ.m2-58热变形温度/℃54硬度/HB16.2R110～120熔点/℃160～212体积电阻系数/（Ω.cm）6.71×1013大学本科生毕业设计-5-1.3RPVC的注射成型过程及工艺参数1.3.1注射成型工艺过程（1）注射前准备为了使注射成型顺利进行，保证塑件质量，一般在注射之前要进行原料的预处理、清洗料筒、预热嵌件和选择脱模剂等准备工作。分析检验成型物料的质量，注射前必须对原料进行外观及工艺性能的检验，判断原料的品种规格、牌号等与所要求的参数是否符合。对RPVC的色泽、粒度和均匀度等进行检验，RPVC成型前必须进行预热和干燥，处理温度70℃～90℃，干燥时间4～6小时。（2）注射过程塑料在注射机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的浇注系统进入模具的型腔成型，其过程可分为充模、压实、保压、倒流和冷却五个阶段。即：①预烘干→装入料斗→预塑化→注射装置准备注射→注射→保压→冷却→脱模→塑件送下一工序②预热、清理模具→涂脱模剂→合模→注射1.3.2硬质聚氯乙烯注射成型工艺参数如表1.2。表1.2RPVC注射成型工艺参数性能数值性能数值注射机类型螺杆式螺杆转速N/（r/min）28预热和干燥温度/℃70～90预热和干燥时间/h4～6料筒后段温度/℃160～170注射时间/s30料筒中段温度/℃165～180高压时间/s3料筒前段温度/℃170～190冷却时间/s30模具温度t/℃30～60辅助时间/s7注射压力p/MPa80～130总周期/s70大学本科生毕业设计-6-第二章模具的结构形式和注射机选择2.1塑件分型面位置的分析和确定如何确定分型面，需要考虑的因素比较复杂。由于分型面收到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件的结构工艺性及其精度、嵌件位置和形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种因素的影响，分型面的形式与塑件几何形状、脱模方法、模具类型、浇口形式等有关，除受排位的影响外，还受塑件的形状、外观、精度、浇口位置、滑块、推出、加工等多种因素影响。因此在选择分型面的时候，应该综合分析比较，从几种方案中优选出较为合理的方案。分型面选择是否合理是塑件能否完好成型的先决条件，一般应考虑以下几个方面：①符合塑件脱模的基本要求，能使塑件从模具内取出，分型面位置应设在塑件脱模方向最大截面处；②分型线不影响塑件外观，尽量不破坏塑件光滑的外表面，尤其是对外观有明确要求的塑件，更应注意分型面对外观的影响；③确保塑件留在动模一侧，利于推出且推杆痕迹不显露于外观；④确保塑件质量和精度；⑤尽量避免形成侧孔、侧凹，若需滑块成型，力求滑块结构简单，尽量避免定模滑块；⑥满足模具的锁紧要求，将塑件投影面积大的方向放在定、动模的合模方向上，而将投影面积小的方向作为侧向分型面；⑦有利于浇注系统、排气系统、冷却系统的设置，特别是浇口位置；⑧有利于模具加工，特别是型腔的加工；⑨便于嵌件的安装；⑩长型芯应置于开模方向。通过对塑件结构形式的分析，分型面应选在塑件截面积最大且有利于开模取出塑件的对称面上，其位置如图2.1所示大学本科生毕业设计-7-图2.1塑件分型面2.2塑件型腔数量及排列方式的确定2.2.1型腔数量的确定型腔数量的确定，应根据塑件的几何形状及尺寸、质量要求、批量大小、交货期长短、注射机能力、模具成本等要求来综合考虑。一般来说，精度要求高的小型塑件和大中型塑件以及复杂塑件优先采用一模一腔的结构，对于精度要求不高的小型塑件，形状简单，又是大批量生产时，若采用多型腔模具可提供独特的优越条件，使生产效率大为提高。但是随着模具制造设备的数字化控制和电加工设备的逐渐普及，模具型腔的制造精度越来越高，在仪器仪表和各种家用电器中的机械传动塑料齿轮和一些比较精密的塑件中，也在广泛的采用着一模多腔注射成型，但一般不超过4腔。型腔数量的确定主要是根据塑件的质量、投影面积、几何形状、有无抽芯、塑件精度、批量大小以及经济效益来确定，以上这些因素有时是互相制约的，在确定设计方案时候，必须进行协调，以保证满足其主要条件。饮水机龙头属于小型塑件，大批量生产。该塑件精度要求不太高，且为大批量生产，理论上可以采用一模多腔的形式。但是考虑到该塑件需要两个成直角的侧抽芯，并且抽芯距较大，难以实现一模多腔的注塑方式，所以考虑到模具的制造成本的经济性和适用性，此处采用一模两腔的注塑形式。2.2.2型腔的排列型腔数量确定之后，就可以进行型腔的排列，型腔排列应满足或基本满足在分型面上的压力平衡。型腔的排列设计模具尺寸、浇注系统的设计、浇注系统的平衡、抽芯机构的设计、镶件及型芯的设计以及温度调节系统的设计。以上这些问题又与分型面及浇口的位置选择有关，所以在