1、参考文献25致谢261 前言1.1 课题内容VE瓶盖模具设计与其型腔仿真加工。1.2 课题背景由于塑料材料具有许多优点，目前正逐渐成为金属材料的良好代用材料，在很多领域都出现了金属材料塑料化的趋势。作为注塑成型加工的主要工具之一的注塑模具，在质量、精度、制造周期以与注塑成型过程中的生产效率等方面水平的高低，直接影响产品的质量、产量、成本与产品的更新换代，同时也决定着企业在市场竞争中的反应能力和速度。随着塑料新品种的不断出现以与塑料制品在结构、外观上要求的日益提高，使产品的设计和模具设计过程变得越来越复杂。而传统的模具设计是在二维环境下采用手工绘图的方式进行的，已经很难满足这种发展变化的需要。过
2、去模具设计工作主要依靠设计人员的经验，模具的加工制造又在很大程度上依赖于生产者的操作技能，因此存在模具设计水平低、加工质量差、生产周期长、使用寿命短等缺陷。传统的模具设计制造方法已很难适应对塑料制件与时更新换代和不断提高的质量要求，为了适应变化，20世纪60年代以来，国外一些大公司和研究院所，投入大量财力和物力，开展CAD/CAE/CAM技术的研究，取得较大成果，已开发出许多商品化软件，并逐渐应用于设计生产。利用计算机进行塑料模具设计CAD，并初步实现了注射、挤出、中空吹塑等塑料成型工艺过程的计算机模拟分析CAE，这方面软件技术研究的进展，已经在工程应用中取得了显著效果。利用CAD/CAE技术
3、显著提高了模具设计的效率，减少了模具设计过程中的失误，提高了模具和塑料制件的质量，缩短了生产周期，降低了模具和塑料制件的成本。ProE等软件在注塑模具设计中的应用，成功地弥补了传统设计方法的不足，制品几何造型, 分型面的创建，模具的结构设计，模具的结构分析，都是基于同一数据库进行的，既方便，又易保证制品的精度。1.3 模具国内外发展概况我国模具 CAD /CAM 技术的开发始于 20 世纪 70 年代末，发展也很迅速。中国注塑模CAD的研究与应用虽然相对国外来说起步较晚，但自20世纪80年代开展注塑模CAD的研究与应用以来，经过20多年的努力，已经得到了很大的发展，取得了一些较大成果，如华中科
4、技大学的注塑模CAD/CAE/CAM集成系统HCS、#工业大学的注塑模CAD系统IPMCAD等，并用于实际生产中。由于中国模具CAD/CAM技术应用较晚，模具标准化程度不高，经验设计较多，与先进工业国家相比注塑模CAD/CAM技术还比较落后。到目前为止，先后通过国家有关部门鉴定的有精冲模、普通冲裁模、塑料注射模等 CAD /CAM 系统。但是直到现在这些系统仍处于试用阶段，尚未在生产中推广使用。据统计，我国 20世纪 80年代进口模具中，均在不同程度上应用 CAD、CAM、CAD /CAM 等技术。但在模具 CAD /CAM 技术方面，我们与国外相比还有很大差距，主要表现在以下几个方面：CAD
5、 /CAM 没有商品化；CAM 的发展跟不上 CAD 发展；引进过多过宽；国内 CAD /CAM 技术研究开发未能很好地有组织、有计划、有重点地进行，造成低水平的重复劳动，影响了软件开发的进度和水平的提高。所以我们社会各界应共同努力，加强这方面的研究和应用。有专家预测，不远的将来，中国将成为世界最大的制造中心，这给我国的模具行业提供了前所未有的发展机遇。因此，加快高技术设备如数控加工、快速制模、特种加工在模具行业中的应用，加大新兴CAD/CAM技术在模具设计与制造中的应用比例，加速模具新结构、新工艺、新材料的研究和强化模具高技术人员的培养，已成为我国模具行业再上一个新台阶的关键。1.4 课题的
6、来源与要求1、课题来源于生产实际。2、课题研究的主要内容： 1注塑模具设计 1分析制品结构，制定该制品注塑成型工艺。 2制品工程图绘制、结构优化与三维造型。 3制定注塑模具总体方案，设计模具 a二维工程图：模具装配图、零件图。 b三维造型：所有零件三维造型、模具装配与爆炸图。 2型腔仿真加工 1制定模具的装配工艺规程。 2制定模具中非标零件工艺规程。 3制定成型零件加工工艺卡片并进行仿真加工。 3在设计中通过对制品的重量和体积的分析，进行注塑机的选择。2模具方案与制品分析2.1 总体方案设计首先是对塑件进行测绘，然后使用ProE软件进行三维造型。主要采用拉伸、旋转、等步骤造型。造型结束后进行模
7、具设计。考虑到生产批量和经济效益对模具设计的制约，还有塑件的精度等级要求，本模具采用一模四腔。下面选择注塑机，主要从注射量、锁模力等方面进行考虑。要确保塑件与浇注系统所需的注射量不超过注射机最大容量的80。接着对各个系统进行设计，首先是浇注系统的设计，浇注系统分为主流道、分流道、浇口、冷料穴等。主流道的中心线与注射机喷嘴的中心线应在同一条直线上。另外由于主流道与高温高压的熔融塑料接触所以外面要加个浇口套。浇口套要进行淬火处理，这样可以延长模具的使用寿命，提高经济效率。分流道的半径与塑料种类和所需熔融塑料的体积有关，一般直径为812mm。本模具设计取10mm。主流道与分流道采用圆角过渡，这样可以
8、减小料流转向过渡时的阻力，便于流道的运作。分流道表面不必很光，可以使熔融塑料的冷却皮层固定，有利于保温。分流道与浇口采用圆弧过渡，有利于熔料的流动与填充。浇口的两个作用表现在：一是起控制作用，二是压力撤销后封锁型腔，不产生倒流。冷料穴主要是避免冷料进入型腔堵塞浇口，影响塑件的质量。拉料销主要是保证浇注系统的凝料从定模浇口套中拉出，留在动模一侧，便于取出。接着是排气系统的设计。本模具采用间隙排气。利用分型面的配合间隙自然排气，符合经济效益。下面是推出机构的设计。推动的动力来源有手动推出、机动推出和液压与气动推出机构。最后利用非旋转脱出方式分瓣可涨缩型芯实现侧向抽芯，完成最后的脱模。2.2 塑件的
9、测绘塑件为VE瓶盖，材料为ABS，用游标卡尺对零件进行测绘。我们最终所需要加工得到的是制造此零件的模具型腔，而我们所取的塑件是千千万万个塑件中的一个，由于制造的原因，塑件在出模后不可避免的会产生一定的变形，因此对该零件的测量数值需要进行分析处理。如对塑件较大尺寸误差的进行修正，对相同形状处所测不同尺寸的取均值进行圆整，然后绘出零件的草图。由于条件限制所以采用多次取断面进行测量的办法。量具：游标卡尺0300、0.02，曲线测量仪等注意做到以下几点：1、测绘过程中必须把被测物体放在工作平面上；2、采用多次测量求平均值；3、正确地读取数据。测量的主要尺寸如下图：图2-1 塑件的主要尺寸2.3 塑件的
10、造型零件测绘草图出来以后，应该根据零件的测绘图，对零件的进行三维造型。三维造型可以选用ProE软件，三维造型的所有参数与测绘的数据一致。首先打开三维软件ProE，进入零件设计界面，点击旋转，剪切，造型等命令绘制三维图形。由ProE软件的计算功能得塑件尺寸为：该塑件外形尺寸为35mm11.5mm，根据上述的方法绘制的制品的零件图如下：塑件的三维造型如图2-2所示图2-2 塑件的三维造型2.4 塑件的材料选择与分析1、塑件的材料选择1ABS：高流动性，便宜，适用于对强度要求不太高的部件。2在材料的应用上需要注意以下一点：避免一味减少强度风险，什么部件都用PC料而导致成型困难和成本增加；在对强度没有
11、完全把握的情况下，模具供应时应该明确告诉模具供应商，可能会先用PC+ABS生产T1的产品，但不排除当强度不够时后续会改用PC料的可能性。这样模具供应商会在模具的设计上考虑好收缩率与特殊部位的拔模角。因此，该塑件选择ABS材料。2、塑件的材料分析ABS：acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer 丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物，属于热塑性材料。使用性能：综合性能较好，冲击韧性、机械强度一般，尺寸稳定，耐化学性、电性能良好，易于成形和机械加工。成型性能：1无定性材料，流动性中等，比聚苯乙烯、AS差，但比聚碳酸酯、聚氯乙烯好，溢边值为0.04毫米左右。2吸湿性强，必
12、须充分干燥，表面要求光泽的塑件须经长时间的预热干燥。3成型时易取高料温、高模温，但料温过高易分解分解温度为250。对于精度较高的塑件，模温宜取5060，对光泽、耐热塑件，模温宜取6080。注塑压力高于聚苯乙烯。用柱塞式注射机成型时，料温为180230，注射压力为10001400kgf/cm3。用螺杆式注射机成型时，料温为160220，注射压力为7001000 kgf/cm 3。2.5 塑件尺寸精度塑件的尺寸精度一般是根据使用要求确定的，但还必须充分考虑塑料的性能与成型工艺的特点。作为VE瓶盖，要求外表面光滑，既不会在使用过程中对人造成伤害，还要必须考虑其外形的美观。因此该塑件的精度等级为6级。
13、2.6 模具材料的选择塑料模具结构比较复杂，组成一套模具的零件数目较多，而且由于各零件在工作中所处的地位、作用不同，对材料的性能要求也不同。总的说来，用于制作塑料模具的材料，在质量上首先要求具有一定的硬度和耐磨性，其次是有一定的强度和韧性，再次是易于加工。因此，应根据模具的结构、性能要求和使用条件、模具的制造方法，合理地选用模具材料。根据文献6中的P546，模具中各个零件的材料选择如下：1导向零件的材料选择 包括导套和导柱，由于在开、合模时有相对运动，成型过程中要承受一定的压力，或偏载负荷，因此要求表面耐磨性好，心部具有一定的韧性，本设计中的导向零件选用T8A，经过渗碳淬火后表面硬度应达到50
14、-55HRC；2浇注系统零件的材料选择 包括浇口套，拉料杆等，要求具有良好的耐磨表面、耐蚀性和热硬性，本设计中的浇注系统零件选用T8A，经过渗碳淬火后表面硬度应达到50-55HRC；3顶出机构零件的材料选择 包括推杆和复位杆，要求表面耐磨性好，并具有足够的机械强度，本设计中推杆选用45钢,淬火处理后表面硬度达到40-45HRC；复位杆选用T8A，淬火处理后表面硬度达到50-55HRC；4模体零件的材料选择 包括各种模板、推板、固定板、垫块等，这些零件要求具有足够的机械强度，在本设计中选用45钢，经淬火处理后表面硬度达到40-45HRC，可满足上述要求；5定位零件的材料选择 包括定位销和螺钉，要
15、求其具有足够的机械强度，耐磨性好，考虑上述要求，定位销选用T8A，并表面淬火使硬度达到50-55HRC；螺钉选用45钢。2.7 脱模斜度脱模斜度主要是为了便于脱模。塑件沿脱模方向常用的斜度值对热塑性塑件为0.53，热固性酚醛压制件取0.51。脱模斜度的大小与塑件的形状，脱模方向的长度，塑件表面质量有密切关系。热塑性塑料在脱模时有较大的弹性，即使是较小的脱模斜度，也可以顺利脱模。但为了减小脱模阻力，一般在产品没有特殊要求的条件下，选用尽可能大的脱模斜度。塑料的性质不同指硬度、表面摩擦系数、弹性等，所必须的脱模斜度也不同，一般规律为：1硬质塑料需比软质的脱模斜度大；2塑件的壁厚大时，成形收缩大，脱
16、模斜度要大；3形状复杂的部分要比形状简单的部分有较大的脱模斜度；4型腔的深沟槽部分如加强筋、突脐等，需要较大脱模斜度。一般选取35由于塑件冷却后产生收缩，会使塑件紧紧地包住模具型芯、型腔中突出的部分，为了使塑件易于从模具内脱出，在设计时必须保证塑件的内外壁具有足够的脱模斜度。由于目前还没有比较精确的脱模斜度计算公式，在选择脱模斜度时，主要还是参照经验数据，根据ABS材料的性质在设计中选用2.5的拔模斜度。2.8型腔数目的确定型腔数越多时，精度也相对地降低。这不仅由于型腔加工精度的参差，也由于熔体在模具内的流动不匀所致。所以精密塑件尽量不用多腔模形式。按照SJ/T 1062895标准中规定的1、
17、2级超精密级塑件，宜一模一腔，当尺寸数目少时可以一模二腔。3、4级的精密级塑件，宜一模四腔以内。从塑件尺寸精度考虑，由于该塑件精度等级为6级而且塑料瓶盖结构比较简单，所以采用一模四腔。2.9 注射机的选择由于型腔数目与所使用的注射机的参数有关，而工厂里的注射机的规格又是确定的，根据文献6中的P574，表5-29 常用注射机技术规格与特性中查出,使用的注射机型号为XS-ZY-60。下表为XS-ZY-60型注射机的参数：螺杆直径 38mm最大注射容量 60g注射压力 122MP锁模力 500kN最大注射面积 130cm最大模具厚度 200mm最小模具厚度 70mm模板最大距离 380mm模板行程
18、180mm喷嘴圆弧半径 12mm喷嘴孔径 mm喷嘴移动距离 120mm定位孔直径 顶出形式 中心顶杆，机械顶出3 具体设计3.1 分型面的确定1、分型面的确定要遵守以下原则：1分型面塑件应尽可能留在动模或下模，以便从动模或下模顶出，简化模具结构。2分型面塑件留于动模时，应考虑最简顶出形式，简化模具结构。3塑件有侧抽芯时，应尽可能放在动模或下模部分，避免定模或下模侧抽芯。4塑件有多组抽芯时，应尽量避免长端侧抽芯。5头部有圆弧的塑件，采用圆弧部分分型会损伤塑件外观。一般应选择在头部下端分型。6一般塑件分型面的选择，应考虑到塑件的外观，尽量避免塑件表面留有分型痕迹。7有同心度要求的塑件，应尽可能将型
19、腔设在同一分型面上。8一般分型面应尽可能设在塑料流动方向的末端，以利于排气。本模具设计分型面选择塑件的主体与仿伪圈之间的平面，如下图所示：图3-1 分型面位置2、分型结构的设计由于本设计采用的三分型面结构，所以在模具分型时必须要注意几个点，一是第一次分型的位置，二是第二次分型的位置，三是第三次分型的位置.开模时定模座板、拉板、和拉料销同时动作，实现一分型面分型；模具继续分模，待拉板与挡销接合时，由于锁扣组件的作用，拉板开始被强制分开，实现二分型面分型，随着分模的继续进行，浇口会在自重的作用下落入收集箱；模具继续分模，待垫圈与定模板接合时，锁扣组件开始被强制分开，实现三分型面分型。3.2浇注系统
20、的设计浇注系统是塑料熔体自注射机的喷嘴射出后，到进入模具型腔以前所流经的一段路程的总称。浇注系统是由主流道、分流道、进料口、冷料穴等组成。根据文献6中的P559，在设计浇注系统时应考虑以下设计原则：1浇口要设在不影响塑件外观质量的地方与部位；2浇注系统应适应塑料的成型特性，以保证成型周期与塑件质量；3浇注系统根据型腔数的多少和布局确定；4浇注系统根据成型塑件的形状与尺寸确定；5浇注系统尽量采用短流程，以减少热量和压力的损耗与节约原材料；6浇注系统应有利于良好的排气，并防止型芯的变形与嵌件的位移；7浇注系统的确定应考虑注射机的安装尺寸，防止单边安装。3.3 主流道的设计主流道为从注射机喷嘴开始到
21、分流为止的熔融塑料的流动通道。它与注射机喷嘴在同一直线上。本模具设计采用浇口套的形式镶入模板中。如下图所示。为防止浇口套被注射机喷嘴撞伤，应采取淬火处理使其具有一定的硬度。主流道的基本尺寸通常取决于两个方面：第一个方面是所使用的塑料种类，所成型的制品质量和壁厚大小。关于主流道的基本尺寸的选定参考下表：表3-1主流道直径参考表制品质量/gD/mmR/mm020 30.5204041401505150300623005008500150010第二个方面，注射机喷嘴的几何参数与主流道尺寸的关系，如图所示。a 与喷嘴接触的始端直径与喷嘴直径的关系为D = d + （0.5 1）=4+1=5； b 球面
22、凹坑半径R2 = R1 + （1 3）=12+2=14半锥角= 2 4取4；c 尽可能缩短主流道的长度 L图3-3 浇口套与注塑机喷嘴关系为防止注射机喷嘴与浇口套两部分相接触处由于有间隙而产生的溢料，浇口套的球半径应比喷嘴的球半径大2mm5mm，主流道的小端尺寸应比喷嘴孔尺寸稍大，这样可以使喷嘴与浇口套对位容易。本模具设计采用的注射机是XSZY60，其喷嘴球径为12mm，取浇口套的球半径为20mm。另外，为使浇口套中的塑料容易脱离主流道，应设有脱模斜度，这个斜度一般最小不小于1，最大不超过4主流道的脱模斜度不能过大，否则在注塑时会产生涡流和流速过慢等现象。主流道应保持光滑的表面，避免留有影响塑
23、料流动和脱模的尖角毛刺等。3.4 分流道的设计分流道是指主流道与浇口（进料口）之间的一段通道。分流道的表面不必要求很光，因为分流道表面不很光滑，能使熔融塑料的冷却皮层固定，有利于保温。分流道的截面宜采用梯形与圆形截面，其作用是通过流道截面与方向变化，使熔料能平稳地转换流向注入型腔。设计时，分流道应平衡布置，特别是对于多型腔模具，应尽量使其布置均衡，使熔料几乎能同时到达每个型腔的进料口。并且，分流道截面积应为各进料口截面积之和，各分流道的截面积和长度应与塑件相适应，即大塑件取大截面短流道，小塑件取小截面长流道，以保证成型不同形状和重量的塑件时所有型腔能同时充满。本模具设计中所有型腔体积相同，所以
24、分流道设计采用等截面和等距离。如果各型腔体积形状不相等，则分流道设计必须在流速相等的条件下，采用不等截面来达到流量不等，这样也可以达到同时填充的目的。同时，还要用改变流道长度的办法来调节阻力大小，以保证各个型腔同时填充。本设计中，分流道的排列方式是H形排列，以保证所有型腔同时充满。根据文献中的P561，分流道直径计算如下： 分流道直径 3-6式中 D主流道的大端直径常用分流道尺寸，根据文献5中的P561,可从下表中查出，所以选择表3-2 常用分流道系列尺寸dmm12图3-4 分流道的排布3.5 浇口的设计浇口是连接分流道与型腔的一段细短通道。它的作用是增加和控制塑料进入型腔的流速并封闭装填在型
25、腔内的塑料，以保证充填实，确保制品质量。浇口类型的选择取决于制品外观的要求、尺寸和形状的制约以与所使用的塑料种类等因素。浇口的截面积一般为分流道截面积的3% -9%，截面形状多为矩形或圆形，浇口的长度约为1-1.5mm。在设计浇口时，应取较小值，以便在试模时加以逐步修正。3.6 冷却装置设计本机构的冷却装置采用环形冷却水道，如图： 图3-5 冷却水道的设计3.7推出机构设计推出机构的作用是塑件成型后，顺利地把塑件与浇道凝料推出模外。推出机构一般由推杆、推管、推板、推杆固定板等零件组成。在设置推出机构时，首先需要确定当模具开启后，制品的留模形式留动模部分或留定模部分，推出机构必须是建立在制品所滞
26、留的模具部分中。通常，由于注塑机的推出机构设置在动模板一侧，因此大多数模具的推出机构是安装在动模中的。根据文献6中的P590-P593。1、推出机构的设计原则：（1）模具的推出机构必须有足够的强度与刚度，使塑件出模后不致于变形；（2）推力要均匀。推力面尽可能要大，其推力应设计在塑件承受力较大的地方如筋部、凸缘与壳体壁部等部位；（3）推件不应设计在零件外表面，以免影响塑件外观质量；（4）推出系统要动作灵敏可靠、动作平稳并便于更换与维修。2、推出机构的类型：mm；推杆应作淬硬处理。（2）推管推出机构 适用于环形、桶形塑件或塑件上中心带孔部分的顶出，过薄的塑件尽量不要用这种机构，因为过薄的推管加工困
27、难，且易损坏。（3）推板推出机构 其主要特点是在制件表面不留下顶出痕迹，同时塑件受力均匀，顶出平稳，适用于各种容器、桶形制品与中心带孔塑件。（4）气压推出机构 它是推出薄壁深腔壳型塑件最简单有效的方法，特别是成型车间设有压缩空气管路，采用此法更加经济合理。（5）推块推出机构 中间有孔的平块状带凸缘塑件，易采用这种机构，它的结构形式与与推出板的固定方法与推杆相似。根据以上原则与推出机构的类型，以与制品的结构特征，选用推杆推出机构。3.8 推杆推杆多为圆形结构，细长杆可将后部加粗成台阶形，配合间隙要求小的推杆，其推杆端部应设计成锥形。推杆应尽量短，推出时，一般将塑件推到高于型腔或型芯10mmmm。
28、推杆与其配合孔采用H6/f6配合，保持一定同轴度。推杆数量在保证推出前提下，越少越好。在推杆推出机构中一定要设计复位机构。推杆需要进行淬火处理，使其具有足够的强度和耐磨性。本设计采用16mm的圆形推杆。3.9 型芯棒型芯棒在将制品顶出后，其顶端位置会高于型芯型腔表面很多，在下一次合模模具合紧之前时，必须使其退回到顶出前的初始位置，以免碰坏型腔或型芯，因此在顶出机构中必须设有复位杆帮助型芯棒回位，如图所示。图3-6型芯棒设计3.10 导向装置导向装置的作用是：当动模与定模合模时，导向装置先进行导向，型腔与型芯再合模，这样可避免型芯与型腔发生碰撞而损坏。同时，保证了型芯与型腔的相对位置，兼起定位作
29、用与承受一定的侧压力作用。导向装置包括两个部件，即导柱和导套，导柱一般安装在动模上，导套安装在定模上。有时，也可将导柱安装定模上，导套安装在动模上，或在动模上设计导套孔，用导柱直接导向。在本设计中，导套安装在定模上，导柱安装在动模上，在合模时进行导向定位。3.11脱模机构的设计在注射成型的每一循环中，都必须事塑件从模具型腔中或型芯上脱出，模具中这种脱出塑件和浇注系统的机构称为脱模机构。脱模机构的动作包括脱出和取出，即首先塑件和浇注系统凝料等与模具松动分离，称为脱出，然后把其脱出物从模具内取出。由于本塑件带有内螺纹所以需要设计螺纹部分的脱模机构。在本设计中采用非旋转脱出方式分瓣可涨缩型芯。3维图如下所示：这种组合型芯在国外是一类批量生产的标准件，选用来成型中小型塑件，型芯中心有一锥形杆，当中心锥形杆插入后型芯各瓣紧密排成一圈，将螺纹线加工在外表面，成型后先抽回中心锥形杆，型芯各瓣由于弹性向内侧间隔错开回缩而与塑件分离，缩回距离为e，这种结构需配合推件板使用。故在设计当中采用推杆推板联合脱出方式。从瓶盖的具体形
