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南华大学机械工程学院毕业设计第1页共45页1塑料模具概论1.1论文背景及意义随着市场竞争趋势日益加，使产品功能多元化增加，同时产品的生命周期不断缩短，塑料产品结构变得多样化和复杂化，客户对产品质量的要求也越来越高。在一定程度上使模具设计和注射成型过程的趋于复杂，某些注射成型问题甚至是经验丰富的模具设计师和注射工艺师都难以把握和解决。在注射模具的设计过程中，首先考虑的一般是模具结构本身的需要，在满足这个要求之后才考虑注射制品的需要。例如，传统规的注射模设计通常是根据经验来确定浇注系统和冷却系统的形式和尺寸，而并非根据流动分析的方法来确定。在最后的试模过程中通过反复的调整模具的浇注系统和冷却系统参数以求基本达到产品的质量要求。这样势必将造成模具试模周期过长、试模成本过高，从而严重影响了企业的经济效益和竞争力。因此，塑料熔体注射成型过程的设计和计算产品结构设计、模具结构以及注射成型工艺都具有非常重要的指导性意义。1.2课题国内外发展现状当今世界，模具生产技术水平的高低已经成为衡量一个国家制造水平高低的重要标志之一，因为模具的质量在很大程度上决定了产品的质量、效益以及新产品的开发能力。塑料模具的发展是随着塑料工业的发展而发展起来的。随着经济的发展人们对生活的质量要求越来越高，对设备和用品的外观、舒适度、轻量化以及价格的要求越来越高，这就使塑料制品有了更为广阔的市场前景。塑料模具产业的发展进步，对塑料制品业的发展起到了关键性的作用。塑料制品在家电、汽车、办公用品、IT信息、工业电器等各个行业的发展非常迅速，使得塑料模具行业也快速发展。1.2.1主要研究成果塑料注射模具的发展在我国起步比较晚，但发展速度很快，特别是在近些年南华大学机械工程学院毕业设计第2页共45页来，无论是在质量和技术上，还是在制造能力上都有很大的发展和进步。主要成就有以下几个方面：⑴CAD/CAM/CAE技术在塑料模具的设计制造上应用越来越普遍，特别是在CAD/CAM技术的应用方面，取得了非常大的成绩。⑵电子信息工程技术的广泛应用提高了塑料模的设计和制造水平。⑶气体辅助注射成型技术的应用变得更加成熟。⑷热流道技术的推广和应用，使得热流道模具比例不断提高。⑸精密、复杂、大型模具的设计制造水平不断提高。塑件尺寸精度6—7级的塑料注射模具国内已经有能力生产，其分型面接触间隙为0.02mm，模板的弹性变形为0.05mm，型面的表面粗糙度可达Ra=0.05—0.025。⑹模具的设计制造的效率不断提高。⑺模具使用寿命不断提高，已有不少模具寿命已能达到100万次以上。⑻采用模具先进加工技术及设备，使模具制造能力大为提高。高速铣削技术以及高速铣削机床在模具加工制造中的使用，已使得模具加工效率显著提高。1.2.2我国塑料模具发展中存在的主要问题伴随着经济的迅速发展，从总体上来看，中国塑料模具无论是在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都有了非常大的进步，但从国民经济发展的需求来看，中国塑料模具工业与世界先进水平相比差距仍很大，参见表1.1。表1.1塑料模具设计技术中国塑料模具行业和欧美发达国家先进水平相比，存在的问题主要有一下几点：⑴发展极不平衡，产品总体水平和质量比较低。尽管某些个别企业的产品已技术名称发达国家中国美国日本德国香港台湾大陆CAD应用CAE应用Flow软件Cool软件75%50%普及普及75%50%普及普及70%50%普及普及50%40%70%70%40%30%50%50%20%10%有应用有应用南华大学机械工程学院毕业设计第3页共45页达到或接近国际先进水平，但从总体来看，模具的使用寿命、制造精度、型腔表面的粗糙度以及生产周期等指标与国外先进水平相比仍然有较大的差距。并且包括生产方式和企业管理模式在内的总体水平与欧美等工业发达国家相比有至少8年以上的差距。在国内一些精密、大型、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍然要依靠大量进口才能满足需求。⑵工艺装备比较落后，协调组织能力较差。虽然某些企业经过近几年来引进国外先进工艺技术改造设备，工艺装备水平已经比较先进，有些三资企业的装备水平与国外的相当，但大部分企业的工艺装备仍然相当落后。最突出的问题是，企业组织协调能力差，组织管理水平落后，难以整合和调动社会资源为己所用，从而就无能力承接比较大型的项目，阻碍了自身难以发展和进步。⑶供需矛盾突出，短期内难以缓解。近些年，国产塑料模具在国内市场的满足率一直都比较低，特别是大型、高精度、长寿命模具满足率更低，初步估计不到60%。而于此同时，工业发达国家的先进模具设计和制造水平正在加速向中国转移，国际采购也越来越多，国际市场前景很好。市场需求旺盛，但生产发展一时还难以跟上，供不应求的局面还将持续一段时间。在塑料模具总量供不应求的同时，一些低档塑料模具却出现供过于求，市场竞争激烈的现象。此外，还有一些技术含量不太高的中档塑料模具也呈现出供过于求的趋势。⑷绝大部分企业开发新产品能力弱，创新能力明显不足。这主要是由于：一方面技术人员所占比例低、水平不够高；另一方面科研开发投入的资金少；更重要的是观念落后，对创新和开发不够重视。我国模具行业要不断取得进步，模具企业不但要重视模具的开发，同时更重要的是重视产品的创新。⑸体制和人才问题一时很难得到解决。在社会主义市场经济中，像模具这样依赖于特殊用户、需单件生产的竞争性行业，现有的体制和经营机制已凸显出很多的矛盾。人才的数量和素质也难以跟上行业的发展。我国从2001年加入WTO后，塑料模具行业受到了巨大的挑战，同时也带来了巨大的机遇。加入国际世贸组织之后，不仅为高端产品的进口带来了更多的方便，同时还带来了国外资金和先进的模具技术和管理经验，这对培养中国的专业模具人才队伍起到了非常重要的推动作用。南华大学机械工程学院毕业设计第4页共45页1.3塑料模发展趋势由于塑料工业的快速发展及上述各方面差距的存在，因此我国今后塑料模具的发展速度必将大于模具工业总体的发展速度。塑料模具生产企业在向着规模化和现代化发展的同时，高精度、轻细化仍然是一个必然的发展趋势。从技术上说，为了满足用户对模具制造的“精度高”、“交货期短”、“质量好”、“价格低”的要求，以下的发展趋势也比较明显：⑴在模具设计制造中将全面推广CAD/CAM/CAE技术。⑵快速原型制造（RPM）及相关技术将得到更好的发展。⑶高速铣削加工将得到更广泛的应用。⑷模具高速扫描机数字化系统将在逆向工程中发挥更大的作用。⑸电火花铣削加工技术将得到快速发展。⑹超精细加工和复合加工将得到发展。⑺热流道技术将得到普遍推广，以提高制件的生产率和质量，节省制件的原材料和节约能源。⑻高压注射成型和气体辅助注射技术等工艺将发挥重要作用。⑼模具标准化程度将不断提高。⑽新型材料及先进的制造工艺技术会得到广范应用。⑾模具研磨抛光将向自动化、智能化方向发展。⑿模具自动和加工系统的研制和开发，随着各种新技术的产生和发展，自动化趋势将越来越高。⒀虚拟技术将得到发展。2塑件的工艺分析2.1注射模设计特点及组成件注射模主要用于热塑性零件成型。它是将塑料粉粒，通过注射机螺杆旋转流南华大学机械工程学院毕业设计第5页共45页进一定温度的料筒内，在90~100℃的温度下变成液体状态。开动注射机活塞，则熔融的塑料即以高压、高速通过喷嘴注入，充满模具型腔，待保压固化后，形成和型腔相仿的制品零件[14]。塑料注射模能一次性地成型形状复杂，尺寸精确，或带有嵌件的塑料制件。作为高质量的注射模具，必须在使用期限内保证制品质量和和拥有较好的技术经济指标。这就要求模具动作可靠，自动化程度高，热交换效率好，成型周期短。其次，合理选用模具材料，恰当确定模具制造精度，简化模具加工工艺，降低模具的制造成本也十分重要。此外，在注塑模设计时，必须充分注意到以下特点[14]：⑴塑料熔体大多属于假塑体液体，能“剪切变稀”。⑵视注射模为承受很高型腔压力的耐压容器。⑶在整个成型过程之中，塑件制品、注塑模具和外界环境三者组成了一个动态的热平衡系统。注射模，可分为动模和定模两大部分。注射充模时动模和定模闭合，构成型腔和浇注系统。开模时动模与定模分离，取出制件。定模安装在注射机的固定模板上；动模则安装在注射机的移动模板上。根据零件的不同功能，可分为以下七个主要部分：⑴浇注系统；⑵成型零件：主要包括凹模、凸模、型芯、镶拼件，各种成型杆与成型环；⑶合模导向机构：主要有导柱、导套等；⑷推杆复位机构：主要由顶杆、顶出板、复位杆、回程杆、、拉料杆等组成；⑸侧向分型抽芯机构；⑹排气系统；⑺温度调节系统。2.2塑件的分析本课程设计为一塑料盖，如图2.1所示。塑件的机构比较复杂为，对塑件质量没有特殊要求。材料要求ABS,生产批量为大批量，塑件公差按模具设计要求进行转换。未注公差取MT5级精度。南华大学机械工程学院毕业设计第6页共45页图2.1塑料盖塑件的外形尺寸不大，塑料的熔体流程也相对较短，塑件材料ABS有较好的硬度和尺寸稳定性，且易于成型加工，故适合于注射成型。任务书中并未给定具体的尺寸公差，因此，所有尺寸均取公差等级为MT5。2.3ABS塑料的性能分析2.3.1ABS组成及特点ABS是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种化学单体共聚而形成的。这三种组分的各自特性使ABS具有良好的综合力学性能。每种化学单体特性如下：丙烯腈热稳定性、强度、化学稳定性及表面硬度都较高；丁二烯的抗冲击特性、和坚韧性能比较好；苯乙烯易加工、光洁度及强度均很高。ABS的物理特性是无味、无毒，颜色微黄色，是非结晶性材料，其成型的塑件有较好的光泽。ABS的特性主要取决于三种单体的比率以及两相中的分子结构[15]。其的优点是有极好的抗冲击强度，且在低温下也不会迅速下降；有良好的机械强度、硬度和一定的耐磨性、耐寒性、耐油性、耐水性、化学稳定性及电气性能；水、无机盐、酸、碱类对ABS几乎没影响，溶于大部分醇类及烃类溶剂；有一定的尺寸稳定性，易于成形加工，且经过调色可配成任何颜色。其缺点是耐热性不高，连续工作温度为70℃左右，热变形温度为93℃左右；耐气候性差，在紫外线作用下容易变脆。南华大学机械工程学院毕业设计第7页共45页2.3.2ABS的主要成型特点及性能指标[14]⑴可用注射、压延、挤出、焊接电镀、真空成型等方法加工成型。⑵收缩率小,可制得精密塑料。⑶吸湿性较大,成型前应干燥处理。⑷流动性中等,溢边值0.04mm,溶体粘度取决于剪切速率,因此设计注射模具时一般采用侧浇口形式。⑸熔融温度低,变动范围小,故宜采用高料温、高模温以及高注射压力,来注射成型。⑹浇注系统的流动阻力小,浇口形式和位置应合理分布,以减小熔接痕数量和防止产生熔接痕。另外，脱模斜度不宜太小。其中ABS性能指标如表2.1所示表2.1ABS的性能指标屈服强度/MPa50密度/（g.cm-3）1.02~1.16拉伸强度/MPa38摩擦系0.45断裂伸长率（%）35体积电阻率/（Ω•m）6.9X1014拉伸弹性模量/GPa1.8熔点/℃130~160弯曲强度/GPa80热变形温度/℃90~108弯曲弹性模量/GPa1.4计算收缩率（%）0.4~0.7热导率/（W•m-1）0.263比热容/（J•kg-1•K-1）14702.4ABS注射成型过程及工艺参数2.4.1注射成型过程⑴成型前的准备：对ABS的色泽、粒度和均匀度等进行检验，ABS材料具有吸湿性，要求在加工之前进行干燥处理。干燥条件为80-90℃下最少干燥2小时。材料温度应保证小于0.1%。⑵注射过程：塑料粉粒在注射机料筒内经过加热熔化，变成状态后，经模南华大学机械工程学院毕业设计第8页共45页具的浇注系统注入型腔成型，整个过程可分为冲模、压实、保压、倒流和冷却五个阶段。2.4.2注射工艺参数可参考《实用模具设计手册》P244表12-10常用热塑性塑料注射成型的主要工艺参数，得到ABS塑料的成型工艺参数如下：注射机类型：螺杆式；螺杆转速：r/min60~30；预热温度：℃85~80；预热时间：h3~2；料筒温度：前段℃210~200，中段℃℃230~210，后段℃200~180；喷嘴形式：直通式；喷嘴温度：℃190