游标卡尺盒注塑模具设计.docx
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游标卡尺盒注塑模具设计
摘要
塑料工业是当今世界上增长最快的工业门类之一,而注塑模具是其中发展较快的种类,因此,研究注塑模具对了解塑料产品的生产过程和提高产品质量有很大意义。
本文的课题是游标卡尺盒注塑模具设计,文中首先对注塑件进行结构、工艺分析,然后通过测绘确定出了塑件的零件图。
在已知塑件材料为PP1340的情况下,确定了PP1340的收缩率、塑件的尺寸精度、塑件的表面质量及成型的工艺参数,最后根据这些参数确定了注塑机的类型。
在模具设计过程中,首先对分型面及型腔的数目进行确定,选择模架后分别对浇注系统、浇口、导向定位机构、滑块、顶出系统、排气系统、冷却系统进行设计。
模具的初步设计完成后,用Solidworks软件中的塑料顾问分别对浇口位置、塑料填充、冷却质量、注塑压力等进行分析,来验证模具设计的要否所合理,从而完成模具的设计。
关键词:
塑料注塑模塑件工艺分析模具参数
Abstract
Innowdays,plasticisoneofthequickestgrowingindustryoftheindustryclassesintheworld,butinjectionmoldisthepartofcaseswhatgrowmorefast.Sostudyingtheknowledgeofinjectionmoldisgoodtoknowmoreabouttheprocessofplasticproducts,anditalsomakessensetoimprovetheproductsquality.Thisarticleisabouttheinjectionmolddesignandthisdesignisforaproductofcalipersbox.Firstly,itproducesthemolding’sstructureandtechnology,andthendrawthedetaildrawingthroughmapping.InthecaseofknowingthemoldmaterialwhichisPP1340,thearticlemakessureofshrinkage,dimensionalaccuracy,surfacequalityandtechnologicalparameterofmolding.Atlast,onthebasisofthoseparameterschoosearightinjectionmoldingmachine.Intheprocessofdesign,atfirst,itmakessurethenumbersofmoldingsandandthelocationofpartingsurface.Afterchoosingthemoldbase,starttodesigngatingsystem、pouringgate、guiderailsystem、sliders、ejectionsystem、exhaustsystem、coolingsystem.Afterfinishingthefirststepofdesign,usingplasticadvisorofapartpro/engineeranalysesgatelocation、moldingfilling、collingquality、injectionpressureandsoontomakesurethedesignisornotright.Ifeverythingisok,thenfinishthedesign.
Keyword:
plasticmold,technicalanalysisofmolding,moldparameters
1引言
模具作为重要的生产装备和工艺发展方向,在现代工业的规模生产中日益发挥着重大作用。
通过模具进行产品生产具有优质、高效、节能、节材、成本低等显著特点,因而在汽车、机械、电子、轻工、家电、通信、军事和航空航天等领域的产品生产中获得了广泛应用。
模具又是“效益放大器”,用模具生产的最终产品的价值,往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。
模具生产技术水平的高低,已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志,在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。
20世纪80年代以来,国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求,同时为模具的发展提供了巨大的动力。
这些年来,中国模具发展十分迅速,模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展。
振兴和发展中国的模具工业,日益受到人们的重视和关注。
“模具是工业生产的基础工艺装备”已经取得了共识。
目前,中国有17000多个模具生产厂点,从业人数约50多万。
在模具工业的总产值中,冲压模具约占50%,塑料模具约占33%,压铸模具约占6%,其他各类模具约占11%。
近年来,中国模具工业企业的所有制成分也发生了变化。
除了国有专业厂家外,还有集体企业、合资企业、独资企业和私营企业,他们都得到了迅速的发展。
许多模具企业十分重视技术发展。
加大了用于技术进步的投入力度,将技术进步作为企业发展的重要动力。
此外,许多研究机构和大专院校也开展了模具技术的研究与开发。
塑料模具是一项新兴的产业,随着塑料产品品种和市场需求的为断增长,随着塑料模具设计和制造技术的不断提高,我国塑料模具产业将会有更好的发展前景。
本课题的题目是游标卡尺盒的注塑模具设计。
在机械生产加工中,游标卡尺是非常常用的量具之一,因此,游标卡尺盒的注塑模具设计也是很重要和必要的。
要完成这个课题,首先要根据塑件的外形测绘出创建这个塑件的3D所需要的各个参数。
用3D软件所这个塑件做出来,并按要求把它的零件图画出来,再用CAD的方法把加工此塑件的模具给做出来。
最后通过对其进行注塑工艺分析,设计出合理的注塑模具、绘制出合理的注塑模具装配图及零件图。
本课题的关键是模具的结构设计,塑件壁厚比较薄而且中间是空的,这就给结构设计提出了提出了一个新的要求,并给设计带来一定的困难。
但经过自己的不断努力及老师的帮助,使得这次的毕业设计能够顺利完成。
2注塑件的分析
2.1注塑件零件图
塑件零件图:
如图2-1所示
年产量:
大批量
材料:
PP1340(聚丙烯)
材料厚度:
3mm
图2-1塑件零件图
2.2塑件的工艺分析
(1).该塑件尺寸较大,一般精度等级,为降低成型费用,采用一模一件的结构来提高生产率。
塑件的壁厚较薄,对制品不进行后加工。
(2).为满足制品高光亮的要求与提高成型效率,采用点浇口。
(3).为了方便加工和热处理,型芯部分采用镶嵌式结构。
2.3PP1340塑料的主要工艺性能
密度:
0.9-0.91g/cm3
成型收缩率:
1.0-2.5%
成型温度:
160-220℃
物料性能:
密度小,强度刚度,硬度耐热性均优于低压聚乙烯,可在100度左右使用.具有良好的电性能和高频绝缘性不受湿度影响,但低温时变脆,不耐磨易老化.适于制作一般机械零件,耐腐蚀零件和绝缘零件。
成型性能:
A.结晶料,吸湿性小,易发生融体破裂,长期与热金属接触易分解。
B.流动性好,但收缩范围及收缩值大,易发生缩孔、凹痕。
变形C.流动速度快,浇注系统及冷却系统应缓慢散热,并注意控制成型温度。
D.塑料壁厚须均匀,避免缺料、尖角,以防应力集中。
其他性能:
聚丙烯力学性能如屈服强度。
拉伸强度、压缩强度、硬度等均优于低压聚乙烯,有很突出的刚性,耐热性较好,可在100℃以上使用,如不受外力,则温度升到150℃也不会变形。
有较好的化学稳定性,除对浓硫酸、浓硝酸外,几乎都很稳定。
高频率电性能优良,且不受温度影响,成型容易。
主要用途:
PP的应用范围很广,可以用来制作汽车发动机周围需要耐热的部件,需要煮沸消毒和高压杀菌的医疗机械和餐具等;还可以用来制作需抗弯曲疲劳的汽车的车轴踏板,文件类的封面、封盖及各种容器等。
PP广泛用于制作化工管道、各种贮槽和压滤机框架等。
还可用来生产纤维、单丝、扁丝、扁条、绳索等强力制品和管道,扁丝可以制成编织袋。
此外,PP还可制成各种薄膜,以用作包装材料等等。
2.4PP1340的收缩率的确定
由于影响收缩率的因素较多中,在选取收缩率时应根据塑件的具体情况区别对待,一般来说应遵循以下原则:
(1)对收缩率范围较小的塑料,取平均收缩率;
(2)对收缩率范围较大的塑料,可根据塑件的形状选取。
对壁厚的制品取上限,对壁薄的制品取下限;
(3)应考虑注射成型中的工艺对收缩率的影响(注射压力越高,收缩率越小;注射温度越高,收缩率越大;注射时间越短,收缩率越大);
(4)当塑料的收缩率很大时,可根据有关的图表选取。
由表2-2查出PP的收缩率为:
1.0-2.5%,根据收缩率选取的原则确定PP的收缩率为1.8%
表2-2收缩率范围不大的常用塑料收缩率
塑料名称
收缩率范围(%)
塑料名称
收缩率范围(%)
聚苯乙烯
0.5-0.8
聚碳酸酯
0.5-0.8
聚砜
0.4-0.8
ABS
0.3-0.8
聚甲基丙烯酸甲酯
0.5-0.7
氯化聚醚
0.4-0.6
有机玻璃
0.5-0.9
注射酚醛
1-1.2
聚苯醚
0.5-1
醋酸纤维素
0.5-0.7
2.5塑件的体积与质量计算
通过Solidworks三维造型,将塑件的三维模型作出来后,测得塑件的体积为V=168492.81mm
密度取0.91g/cm
,塑件的质量
m=V*ρ=168492.81*0.91*10-3=153.3g
2.6塑件的尺寸精度
(1)尺寸精度的选择;
塑件的尺寸精度是决定塑件制造质量的首要标准,然而在满足塑件使用要求的前提下,设计时总是尽量将其尺寸精度放低一些,以便降低模具的加工难度和制造成本。
对塑件的精度要求,要具体分析,根据装配情况来确定尺寸公差,该塑件是一般民用品,所以精度要求为一般精度即可,但是由于要保证两半壳体的闭合,所以在凹槽和锁位处应该对精度要求高些,对其要有公差配合要求,应选择高精度。
根据精度等级选用表,PP的高精度为MT2级,一般精度为MT3级。
根据塑件尺寸公差表(《塑料模具课程设计指导与范例》表6-13),公称尺寸在200-250范围内,取MT2级得公差数值为0.72mm,MT3级得公差数值为0.92mm。
表2-3 常用材料模塑件公差等级和选用(GB/T14486)
材料代号
模塑材料
公差等级
标注公差尺寸
未注公差尺寸
高精度
一般精度
ABS
MT2
MT3
MT5
PA
尼龙类塑料
无填料填充
MT3
MT4
MT6
玻璃纤维填充
MT2
MT3
MT5
PC
聚碳酸酯
MT2
MT3
MT5
PE
聚乙烯
MT5
MT6
MT7
POM
聚甲醛
MT3
MT4
MT6
MT4
MT5
MT7
PP
聚丙烯
MT3
MT4
MT6
MT2
MT3
MT5
MT2
MT3
MT5
PF
酚醛塑料
MT2
MT3
MT5
MT3
MT4
MT6
(2)尺寸精度的组成及影响因素
制品尺寸误差构成为:
=
+
+
+
(2-1)
式中
——制件总的成型误差;
——塑料收缩率波动所引起的误差;
——模具磨损后所引起的误差;
——模具成型零件制造精度所引起的误差;
——模具安装,配合间隙引起的误差;
影响塑料制品尺寸精度的因素比较复杂,归纳有以下三个方面:
1)模具——模具各部分的制造精度是影响制件尺寸精度重要的因素。
2)塑料材料——主要是收缩率的影响,收缩率大的尺寸精度误差就大。
3)成型工艺——成型工艺条件的变化直接造成材料的收缩,从而影响尺寸精度。
(3)型腔数目的确定
根据塑件计算重量,选择设备型号规格,确定型腔数。
为了是模具与注射机的生产能力相匹配,提高生产效率和经济性,并保证塑件精度,模具设计时应确定型腔数目。
常用的方法有四种:
1)根据经济性确定型腔数目。
根据总成型加工费用最小的原则,并忽略准备时间和试生产原材料费用,仅考虑模具加工费和塑件成型加工费。
设型腔数目为n,制品总件数为N,每个型腔所需的模具费用为C1,与型腔无关的模具费用为C0,每小时注射成型的加工费用为y(元/h),成型周期为t(min),则:
模具费用为Xm=nC1+C0(元)
注塑成型费用为Xs=N(yt/60n)(元)
总的成型加工费用为X=Xm+Xs,即:
X=N(yt/60n)+nC1+C0
为使总的成型加工费用最小,即令dx/dn=0,则有N(yt/60n)(-1/n²)+C1=0,
所以n=
2)根据注射机的额定锁模力确定型腔数目。
当成型大型平板制件时,常用这种方法。
设注射机的额定锁模力为F(N),型腔内塑料熔体的平均压力为Pm(MPa),单个制品在分型面上的投影面积为A1(mm²),浇注系统在分型面上的投影面积A2(mm²),则:
(nA1+A2)Pm≤F
n≤F-Pm•A2/Pm•A1
3)根据注射机的最大注射量确定型腔数目。
设注射机的最大注射量为G(g),单个制品的质量为W1(g),浇注系统的质量为W2(g),则型腔数目n为:
n≤(0.8G-W2)/W1
4)根据制品精度确定型腔数目。
根据经验,在模具中每增加一个型腔,制品尺寸精度要降低4%。
设模具中的型腔数目为n,制品的基本尺寸为L(mm),塑件的尺寸公差为±σ,单型腔模具注塑生产时可能产生的尺寸误差为±Δ%,则有塑件尺寸精度的表达式为:
L•Δ+(N-1)L•Δ•4%≤σ
简化后可得型腔数目为:
n≤2500σ/Δ•L-24
对于高精度制件,由于多型腔难以使各型腔的成型条件均匀一致,一般型腔数不超过4个。
现根据初步的设计方案,选用(3)来确定型腔数目:
注射机额定注射量mg每次注射量不超过最大注射量的80%,
n=(0.8mg-mj)/mz
式中n—型腔数
mg—浇注系统质量(g)
mz—塑件重量(g)
mg—注射机额定注射量(g)
浇注系统体积Vj,可通过计算机三维造型作出模型后测量器体积:
Vj=5720.72mm3
M=ρv=5720.72*0.91*10-3=5.20(g)
设n=1则得:
mg=(mj+mz)/0.8=(122+5.20)/0.8=159g
3注塑成型参数确定
3.1注塑成型工艺过程
注塑成型是利用塑料的可挤压性与可模塑性,首先将松散的粒状或粉状成型物料从注塑机的料斗送入高温的机筒内加热熔融塑化,使之成为粘流状态熔体,然后在柱塞或螺杆的高压推动下,以很大的流速通过机筒前端的喷嘴注射进入温度较低的闭合模具中,经过一段时间的保压冷却以后,开启模具便可以从模腔中脱出具有一定形状和尺寸的塑料制件。
一般分为成型前的准备、注射成形过程以及塑件的后片理三个阶段。
1)物料准备
为使成形工艺过程能顺利进行并保证塑料制件的质量,在成形前应进行一系列必要的准备工作。
成型前应对物料的外观色泽、颗粒情况,有无杂质等进行检验,并测试其热稳定性,流动性和收缩率等指标。
对于吸湿性强的塑料,应根据注射成型工艺允许的含水量进行适当的预热干燥,若有嵌件,还要知道嵌件的热膨胀系数,对模具进行适当的预热,以避免收缩应力和裂纹,有的塑料制品还需要选用脱模剂,以利于脱模。
另外当改变产品、更换原料及颜色时均需清洗料筒,通常柱塞式料筒可拆卸清洗,而螺杆式料筒可采用对空注射法清洗。
2)注塑成形过程
完整的注射成型过程包括加料、加热塑化、加压注射、保压、冷却定型、脱模等工序。
但从实质上讲主要是塑化、注射充模和冷却定型等基本过程。
塑料在料筒内经过加热达到流动状态后,进入模腔内的流动可分为充模(图3-1中0-t1时间段)、保压补缩(图3-1中t1-t2时间段)、倒流阶段(图3-1中t2-t3时间段)和浇口冻结后的冷却(图3-1中t3-t4时间段)冷却四个阶段,注塑过程可以用如图所示。
图中0代表螺杆或柱塞开始注射熔体的时刻;当模腔充满熔体(T=t1)时,熔体压力迅速上升,达到最大值P0。
从时间t1到t2,塑料仍处于螺杆的压力下,熔体会继续流入模腔内以弥补因冷却收缩而产生的空隙。
由于塑料仍在流动,而温度又在不断下降,定向分子(分子链的一端在模腔壁固化,另一端沿流动方向排列)容易被凝结,所以这一阶段是大分子定向形成的主要阶段,p1为浇口冻结时的压力。
这一阶段的时间越长,分子定向的程度越高。
从螺杆开始后退到浇口处熔体冻结为止(时间从t2-t3),由于模腔内的压力比流道内高,会发生熔体倒流,从而使模腔内的压力迅速下降。
其中,塑料凝结时的压力和温度是决定塑料制件平均收缩率的重要因素。
从浇口处塑料完全冻结起到制件脱模取出时为止,倒流不再继续进行,模腔内的塑料塑料冷却并凝固定型。
在冷却阶段中,随着温度的迅速下降中,模腔内的塑料体积收缩,压力也逐渐下降。
开模时,模腔内的压力不一定等于外界大气压。
有可能有一个残余压力(即图3-1中p2)。
当残余压力为下值时,脱模比较困难,塑件容易被刮伤甚至破裂;当残余压力为负值时,塑件表面出现凹陷或内部产生真空泡;当残余压力接近零时,塑件不仅脱模方便,而且质量较好。
图3-1 注射成形过程中塑料压力的变化
3)制件后处理
由于成型过程中塑料熔体在温度和压力下的变形流动非常复杂,再加上流动前塑化不均匀以及充模后冷却速度不同,制件内经常出现不均匀的结晶、取向和收缩,导致制件内产生相应的结晶、取向和收缩应力,脱模后除引起时效变形外,还会使制件的力学性能,光学性能及表观质量变坏,严重时会开裂。
故有的塑件需要进行后处理,常用的后处理方法有退火和调湿两种。
退火是为了消除或降低制件成型后的残余应力,此外,退火还可以对制件进行解除取向,并降低制件硬度和提高韧性,温度一般在塑件使用温度以上的10-20度至热变形温度以下10-20度之间;调湿处理是一种调整制件含水量的后处理工序,主要用于吸湿性很强、而且又容易氧化的聚酰胺等塑料制件.调湿处理所用的加热介质一般为沸水或醋酸钾溶液(沸点为121℃,加热温度为100~121℃,保温时间与制件厚度有关,通常取2~9小时。
本注塑制品不需后处理,取出后即可包装。
3.2注塑机的选择
如表3-1所给信息知,选用单螺杆注塑机。
表3-1 单双杆注塑机比较
类型
特点
适用
单螺杆挤出机
结构简单
软质聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS等型材
双螺杆挤出机
对材料的推进、分散、混合效果好
高精度、高硬度(如硬聚氯乙烯)的大型塑件、如塑料门窗等
1)由公称注射量选定注射机
由注射量选定注射机.由Solidworks建模分析得(材料密度取ρ=0.91g/cm
)
流道凝料体积体积V=2.25cm
;(将流道创建出来,体积分析由Solidworks完成)材料密度取ρ=0.91g/cm
;
质量m=ρ*V=2.05g
实际注射量为:
Vs=168.49+2.25=170.74cm
;
实际注射质量为:
Ms=153.3+2.05=155.4g
根据实际注射量应小于0.8倍公称注射量原则,即:
0.8V公≧Vs(3-1)
V
=Vs/0.8=155.4÷0.8=194.25cm
;
根据计算结果,查《模具设计与制造简明手册》中表2-33热塑性塑料注射机型号和主要技术规格得,选用G54-S200/400型注射机。
表3-2 G54-S200/400参数值
项目
G54-S200/400参数值
额定注射量/cm3
200-400
螺杆(注塞)直径/mm
55
注射压力/MPa
109
注射行程/mm
160
注射方式
螺杆式
锁模力/kN
2540
最大成形面积/cm2
645
最大开合模行程/mm
260
模具最大厚度/mm
406
模具最小厚度/mm
165
喷嘴圆弧半径/mm
18
喷嘴孔直径/mm
4
顶出形式
动模板设顶板,开模时顶杆通过动模板与顶板相碰,机械顶出塑件
动、定模固定板尺寸/mmxmm
532x634
拉杆空间/mm
290x368
合模方式
液压-机械
流量/(L/min)
170、12
压力/MPa
6.5
机器外形尺寸/mmxmmxmm
4700x1400x1800
形式
卧式
2)锁模力计算
F≧kPA(3-2)
式中:
k为安全系数,k=1.1-1.2;
P为型腔内熔体的平均压力,一般取注射压力的25%-50%,柱塞式注塑机
取40MPa–50MPa,螺杆式注塑机取20MPa–35MPa;
A为制品和浇注系统在分型面上的总投影面积,
另外,投影面积由三维选型软件Solidworks知:
A=5113.72mm2;k取k=1.2;由前面表知选用螺杆式注塑机,取P=40%*80=32MPa;
则:
F≧kPA=1.2*32*106*5113.72*10-6=196366.848N=196.3kN
3)由锁模力选定注射机
结合上面两项的计算,,查国产注射机主要技术参数表取G54-S200/400,主要技术参数如表3-2。
4)选择的注塑机外形如下图所示
图3-2 注塑机外形
4模具设计
4.1模具设计的流程
模具设计的流程如下步骤所示,也可以参照图4-1模具结构详细设计的流程图:
图4-1模具结构详细设计的流程图
(1)制品的造型。
可直接采用通用的三维造型软件。
(2)根据注塑制品采用专家系统进行模具的概念设计,专家系统包括模具结构设计、模具制造工艺规划、模具价格估计等模块,在专家系统的推理过程中,采用基于知识与基于实例相结合的推理方法,推理的结果是注射工艺和模具的初步方案。
方案设计包括型腔数目与布置、浇口类型、模架类型、脱模方式和抽芯方式等。
(3)在模具初步方案确定后,用CAE软件进行流动、保压、冷却和翘曲分析,以确定合适的浇注系统、冷却系统等。
如果分析结果不能满足生产要求,那么可根据用户的要求修改注塑制品的结构或修改模具的设计方案。
(4)对设计方案进行评价,根据评价的结果,或者修改注塑制品的结构,或者修改设计方案。
(5)在完成CAE分析和方案评价后,进行模具的详细结构设计,包括型腔、型芯的设计、浇注系统的布置及尺寸、冷却系统的布置及尺寸等。
(6)模拟模具开模、推件与合模的过程,并进行模具的干涉检查。
(7)进行成本估计,并由CAM软件进行数控加工模拟和自动生成型腔、型芯的NC代码。
得到的装配模型存入实例库中,供以后的设计参考。
(8)为了适用工厂的需要,还应完成由三维图向二维工程图的转换,包括各种视图生成、尺寸标注、标题栏、明细表、物性计算等。
4.2分型面的确定及型腔数目的确定
1分型面的确定
该塑件为游标卡尺盒,外形表面质量要求较高。
在选择分型面时,根据分型面的选择原则,考虑不影响塑件的外观质量,便于清楚毛刺及飞边,有利于排除模具型腔内的气体
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