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三通管注塑工艺分析和模具设计






三通管作为一种连接件在日常生活中应用广泛,本文对塑料模具的设计方法及过 程进行了阐述。通过用 Moldflow 模拟对其工艺分析,确立了合理的成型工艺参数。 设计了三通管塑料模具中的各个系统如注射系统、温度调节系统、导向与定位机构、 侧向分型与抽芯机构、 脱模机构、 分型面及排气槽。 并对塑件的材料性能进行了分析。 关键词:三通

管 关键词: 注塑模 导向 分型 脱模 顶出

ABSTRACT

The Three Links Pipeline as a kind of attachment is widely used in daily life. In the paper, the design method and processes of the plastics mould have been described. In design, some parts of plastics mould have been designed, such as: injecting system, temperature-control system, director, joint face, pushing off system, mould unloading system, air evacuation groove. And material function of the plastic piece has been analysized. Keywords: Three links pipeline, stripping , drive out. Injection mould, director , joint face ,

目录
摘 要 ............................................................... I ABSTRACT .............................................................. II 第一章 概论 ........................................................... 1 1.1 课题来源、目的、和意义 .......................................... 1 1.2 国内外注塑模具设计技术发展现状 ................................. 1 1.2.1 我国塑料模具工业的发展现状 ................................ 1 1.2.2 国际塑料模具工业的发展现状 ................................ 2 1.3 我国塑料模具工业和技术今后的主要发展方向 ........................ 4 第 2 章 工艺方案分析 .................................................... 6 2.1 塑件分析 ....................................................... 6 2.2 材料特征 ....................................................... 6 第三章 模拟分析 ........................................................ 8 3.1 浇口位置分析 ................................................... 8 3.2 CFW 分析 ....................................................... 10 3.3 冷却分析 ...................................................... 11 3.4 成型工艺条件 .................................................. 13 第四章 零部件的设计 ................................................... 14 4.1 塑件脱模斜度 ................................................... 14 4.2 排气槽的设计 ................................................... 14 4.3 分型面的选择及型腔布置 ......................................... 14 4.3.1 分型面的选择 ............................................ 14 4.4 注射机的选择 ................................................... 15 4.4.1 制件体积的计算 .......................................... 15 4.4.2 注射机校核[7] ............................................. 16 4.5 模架的选择 ..................................................... 18 4.6 浇注系统的设计 ................................................ 19 4.6.1 主流道的设计 ............................................ 19 4.6.2 分流道设计 ............................................... 20 4.6.3 浇口设计 ................................................ 20 4.7 侧向分型及抽芯机构的设计 ....................................... 20 4.8 斜导柱的结构形式 ............................................... 21 4.9 楔紧块的设计 .................................................. 23 4.10 侧滑块设计 .................................................... 23 4.11 滑块的导滑槽 ................................................. 24 4.12 定位装置设计 ................................................. 24 4.13 拉料杆和冷料穴设计 ........................................... 24

4.14 侧型芯结构设计 ............................................... 4.15 推出机构 ..................................................... 4.16 冷却系统的计算 ............................................. 4.16.1 模具温度调节系统的设计 .................................. 4.16.2 模具系统的热平衡计算 .................................... 设计小结 .............................................................. 致 谢 ............................................................. 参 考 文 献 ...........................................................

25 25 26 26 27 31 33 34

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第一章 概论

课题来源、目的、 1.1 课题来源、目的、和意义
1、课题来源:生产实践 2、目 3、意 的:通过对该零件的注塑模工艺的设计,了解注塑模具的设计步骤,ABS 义:此次毕业设计给了我亲自动手的机会,于以后的工作、学习等都有很 等材料的各项性能指标,工艺方案的选择,和侧向抽芯技术的掌握。 大的帮助,是大学四年学习的一个总结,中国的塑料模具制造工业的飞速发展是需要 理论和实践相结合的,所以这次毕业设计的意义十分重大。

1.2 国内外注塑模具设计技术发展现状
[1] 1.2.1 我国塑料模具工业的发展现状

80 年代以来,在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的支持和引导 下, 我国模具工业发展迅速, 年均增速均为 13%, 1999 年我国模具工业产值为 245 亿, 2003 年模具进出口统计中, 我国模具的出口总额为 2.52 亿美元,我国模具的出口总额 3 亿美元,进口额则达到 13 亿多美元,在进口模具中的塑料模具占到 50%左右。可以看 出,在塑料模具方面,我国与国外产品还存在较大差距。 在引进的塑料模具中,以科技含量较高的模具居多,如高精度模具、大型模具。 热流道模具、气辅及高压注射成型模具等。现代塑料制品对表面光洁度、成型时间都 提高了更高的要求,因而也推动了塑料模具的发展。以电视机塑料外壳模具为例。其 精度已由以前的 0.05~0.1mm 提高到 0.005~0.01mm ,制造周期也由 8 个月缩短到了 2 个月,并且使用寿命也由过去可制 10 万~20 万件制品延长到了可 60 万件制品。 从电视 机外壳塑料模具的发展可以看到,高精密、长寿命、短周期、低成本是模具的发展方 向。目前我国使用覆盖率和使用量最大的模具标准件为冷冲模架、注塑模架和推杆管 这三类产品。以注塑模架为例,目前全国总产值有 20 多亿元,按照需求,国内约需

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注塑模架 30 多亿元,而实际上国内市场并未达到这个规模,其中主要一个原因就是 模具厂家观念旧,注塑模架自产配比例较高,外购很少。这样做厂家不仅重复制造本 应标准化的购件,延长了模具生产周期,又不利于维修。很多相关的模具标准件并没 有相关的国家标准,因此制定模具构件的标准规范工作也是当务之急。

1.2.2 国际塑料模具工业的发展现状
美国 1991 年发表的“国家关键技术报告”认为:材料领域的进展几乎可以显著改 进国民经济所有部门的产品性能,提高它们的竞争能力;因此把材料列为六大关键技 术的首位。这是由于先进材料与制造技术是未来国民经济与国防力量发展的基础,是 各种高、新技术成果转化为实用产品与商品的关键。当前各种新材料市场规模超过 1000 亿美元,预计到 2000 年将达 4 展趋势,具体表现在如下五个方面。 1、国外基于网络的 CAD/CAE/CAM 一体化系统结构初见端倪
[2]

000 亿美元。由新材料带动而产生的新产品新技

术则是一个更大的市场。以上参展项目基本上代表了当前国际和国内的先进水平和发

随着计算机硬件与软件的进步以及工业部门的实际需求,国外许多著名计算机软 件开发商已能按实际生产过程中的功能要求划分产品系列,在网络系统下实现了 CAD /CAM 的一体化。 解决了传统混合型 CAD/CAM 系统无法满足实际生产过程分工协作要 求的问题, 以便更能符合实际应用的自然过程。 例如英国达尔康公司在原有软件 DUCT5 的基础上,为适应最新软件发展及工业生产实际而在最近推出的 CAD/CAM 集成化系统 Delcam's Power Solution,该系统覆盖了几何建模、逆问工程、工业设计、工程制 图、仿真分析、快速原型、数控编程、测量分析等领域。 2、微机 CAD/CAM 软件日益深人人心并发挥越来越重要的作用 在 90 年代,能进行复杂形体几何造型和 NC 加工的 CAD/CAM 系统主要是在工作 站上采用 UNIX 操作系统开发和应用的,如美国的 Pro-E、UGⅡ、CADDS 5 软件,法国 的 CATIA、EUCLID 软件和英国的 DUCT5 软件等。随着微机技术的突飞猛进、在 90 年 代后期,新一代的微机 CAD/CAM 软件,如 Solidworks、Solid adae 崭露头角,深得 用户的好评。这些微机软件不仅在采用诸如 NURBS 曲面、三维参数化特征造型等先进 技术方面继承了工作站级 CAD/CAM 软件的优点,而且在 Windows 风格、动态导航、 特征树、面向对象等方面具有工作站级软件所不能比拟的优点。

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3、CAD/CAM 软件的智能化程度正在逐渐提高 由于在现阶段,模具设计和制造在很大程度上仍然依靠着模具设计与制造工程师 的经验。仅凭 CAD/CAM 软件有限的数值分析功能无法为用户提供完善和正确的设计 结果,软件的智能化功能必不可少。面向制造、基于知识的智能化功能是衡量模具设 计与制造软件先进性与实用性的重要标志之一。在模架的设计过程中实现了模架零件 的全相关,并能自动产生材料明细表和供 NC 加工的钻孔表格。在 NC 加工方面,实现 了智能化的粗加工、加工参数的设定以及对整个加工过程进行加工结果的校验分析, 这些具有智能化的功能可以显著地提高注塑模具的生产效率和产品质量。 4、模具 3D 设计与 3D 分析的重要性更加明确 在型腔模 CAD 中我国大多数企业仍然采用的是二维设计(2D) ,即先将 3D 的产品 图投影为若干二维视图后,再分别对各个视图的二维模具结构进行设计,这种沿袭传 统手工设计的方式已越来越不适应现代化生产和集成化技术的要求。在本届模展上所 展示的 Mold expert(Cimatron 公司) 、Ps-mold(达尔康公司)以及 Space-E/mold (日立造船)均为采用 3D 设计的专业注塑模设计软件,它们在 3D 型腔和型芯设计的 基础上采用交互方法进行 3D 的模架配置和 3D 的典型结构设计,其先进性十分明显。 由于注塑模型腔复杂、镶件多,杆件和冷却水管布置纵横交错,用户在 3D 设计时经 常由于显示屏幕小、构件多、视点变换少而感到眼花潦乱,这方面的缺点也正在克服 之中。在注塑流动过程模拟软件方面,国内外长期使用的是基于中性层面的流动模拟 软件。这种分析模式的最大缺点是需要用户从所生成的实体/曲面几何模型中交互提 取中性层面,操作步骤繁琐,工作量巨大,在很大程度上妨碍了流动模拟软件的推广 和普及。 虽然澳大利亚 Mold-flow 公司推出了中性层面自动生成工具 MF/Midplane, 但其覆盖范围不大。这次模展中展示了该公司基于实体几何模型的三维真实感流动模 拟软件 Moldflow Advisers,从根本上摆脱了对中性层面的依赖,这种新一代的模拟 软件定将获得用户的好评和广泛应用。美国 C-Cold 公司这次未参展,该公司也有类 似的 3D 流动软件 3DQuickfill。 华中理工大学模具技术国家重点实验室展出了同类软 件 HSC3D4.5F,已表明了我国在该项域也达到了国际当今的先进水平。

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表 1.1 国内外塑料模具技术比较表 项目 注塑模型腔精度 型腔表面粗糙度 非淬火钢模具寿命 淬火钢模具寿命 热流道模具使用率 标准化程度 中型塑料模生产周期 在模具行业中的占有量 国外 0.005~0.01mm Ra0.01~0.05μm 10~60 万次 160~300 万次 80%以上 70~80% 一个月左右 30~40% 国内

[3]

0.02~0.05mm Ra0.20μm 10~30 万次 50~100 万次 总体不足 10% 小于 30% 2~4 个月 25~30%

1.3 我国塑料模具工业和技术今后的主要发展方向
1、提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计制造水平及比例。 2、在塑料模设计制造中全面推广应用 CAD/CAM/CAE 技术。基于网络的 CAD/CAM/CAE 一体化系统结构初见端倪,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发挥越来越重要的作用。 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。气助注射成型可 在保证产品质量的前提下,大幅度降低成本。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体辅,而且其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。 4、开发新的塑料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。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规格品种。 6、应用优质模具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要。

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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。 8、 “十一五”期间我国塑料模具发展方向,塑料模具占模具总量近 40%,而这个比例 仍不断上升。塑料模具中为汽车和家电配套的大型注塑模具,为集成电路配套的精密 塑料模具,为电子信息产业和机械及包装配套的多层、多腔、多材质、多色精密注塑 模,为新型建材及节水农业配套的塑料异型材挤出模及管路和喷头模具等,目前虽然 已有相当技术基础并正在快速发展,但技术水平与国外仍有较大差距,每年进口达几 亿美元,因此“十一五”期间应重点发展。

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第 2 章 工艺方案分析

2.1 塑件分析
三通管工件如图所示。 它是一种常见的塑料工件, 从工件本身来看, 属特小型件, 其抽芯脱模机构较为复杂,侧向抽芯技术可以说是这次课题的难点零件直通管的成型 采用侧向抽芯机构。由于抽拔距很长普通的斜导桂抽芯结构难以实现抽芯动作的顺利 完成.故采用液压缸进行侧向抽芯。因此本次毕业设计主要是针对以上问题进行模具 设计,以解决实际生产中存在的问题。

图 2.1 三通管零件

2.2 材料特征

[4]

三通管所用的材料是 ABS, 名称 Acrylonitritle-Butadiene-Styrene copolymer, 全称丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物。 它将 PS, SAN, 的各种性能有机地统一起来, BS 兼具韧,硬,刚相均衡的优良力学性能。ABS 是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚 物,A 代表丙烯腈,B 代表丁二烯,S 代表苯乙烯。ABS 工程塑料一般是不透明的,外 观呈浅象牙色、无毒、无味,兼有韧、硬、刚的特性,燃烧缓慢,火焰呈黄色,有黑 烟,燃烧后塑料软化、烧焦,发出特殊的肉桂气味,但无熔融滴落现象。 它的使用性能方面:综合性能好,冲击强度高,化学稳定好、电性能良好,尺寸 稳定性好、抗化学药品性、染色性,成型加工和机械加工较好。ABS 树脂耐水、无机

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盐、碱和酸类,不溶于大部分醇类和烃类溶剂,而容易溶于醛、酮、酯和某些氯代烃 中。与 372 有机玻璃的熔接性良好,可制成双色塑料,且可表面镀铬。还有其它主要 技术指标是熔点(℃) :130~160;抗拉屈服强度(Mpa) :50;拉伸弹性模量(Mpa) : 1.8×103;弯曲强度(Mpa) :80;冲击强度(kj/m2) :261(无缺口时) 、11(有缺口 时) ;体积电阻率为(Ωcm) :6.9×1016。ABS 工程塑料的缺点:热变形温度较低,可 燃,耐候性较差。因而 ABS 适用于制作一般机械零件、减摩耐磨零件、传动零件和电 讯零件。

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第三章 模拟分析

3.1 浇口位置分析[5]
图示 3.1 给出了浇口位置分布的合理程度系数。从图示中可见最佳浇口位置于两 圆筒的相贯线处。

图 3.1 最佳浇口位置图 图 3.1 所示为推荐螺杆速率曲线。这曲线可以用于设定注塑机的螺杆在注塑过程 中的运动。

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图 3.1 螺杆速率曲线

图 3.2 锁模力分析曲线 图 3.3 所示为气穴位置图示。气穴分布在三通管三个接头上表面,在此面上开设 分型面,这样使得型腔的气体容易排出。

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图 3.3 气穴分布

3.2 CFW 分析[5]
图 3.4 所示为 xyz 方向上的翘曲结果。

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图 3.4 翘曲分析结果图

3.3 冷却分析
图 3.5 所示为冷却温度结果图。冷却剂的入口出口温度应当控制在 2℃~3℃之 内,本模型的差值为 0.19℃,温度差异可以接受。

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图 3.5 冷却剂温度

图 3.6 冷却剂流速

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图 3.7 所示为铸件最大温度处,位于铸件的分型面处。

图 3.7 铸件最大温度位置

3.4 成型工艺条件
Moldflow 会向用户推荐经过计算得到的成型工艺条件如下所示。推荐最大填充 压力140 MPa,推荐模具温度为60℃,推荐熔体温度235℃。

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第四章 第四章 零部件的设计

4.1 塑件脱模斜度
据资料 , 型腔脱模斜度范围为 40ˊ~1°20ˊ; 型芯脱模斜度范围在 35ˊ~1° 之间。但在设计中,开模后,塑件必然留在型腔内,所以无需考虑型腔与型芯的脱模 斜度大小。
[6]

4.2 排气槽的设计
采用排气槽排气是最简单可行的方法,同时利用顶杆与孔的配合间隙排气,其间 隙为 0.03mm~0.05mm,不过最可靠有效的方法是在分型面上开设专用排气槽。

4.3 分型面的选择及型腔布置
4.3.1 分型面的选择
分型面的位置直接影响模具使用、 制造及塑件质量, 因此必须选择合理的分型面, 一般应考虑到的因素有:塑件形状,尺寸厚度,浇注系统的布局,塑料性能及填充条 件,成型效率及成型操作,排气及脱模,模具结构简单,使用方便,制造容易等等 。 对于该塑料制件可以有以下两种分型面可以选择,如图 2 所示
[7]

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a
图 4.1 分型面的选择

b

对以上两种分型面进行比较,根据分型面的选择要求,可以看出图 b 较好; ⑴ 图 b 所示截面作为分型面,它是塑件最大截面,大孔在开模方向上成型,而小孔 在侧面,便于抽芯。 ⑵ 图 a 所示截面作为分型面,有两个侧孔,且侧孔大而深,抽芯力较大,抽芯机构 相对复杂。 采用一模两件,能够适应生产的需求,潜伏式点浇口,浇口去除方便,模具结构孔不 复杂,容易保证塑件质量。

4.4 注射机的选择[8]
4.4.1 制件体积的计算
由于塑件形状不规则,可通过 CAD 制图软件 pro/e 对其进行体积分析,分析得其 体积为: V 件=57.9cm3
ρ =1.02~1.16g/cm3

浇注系统的体积取塑件的 20%,则: V 浇注= V 件×20%=57.9×20%=11.58cm3

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V 总=2V 件+ V 浇注=127.37cm 2.1.2 注射机的选择

3

其总质量为: M 总= V 总 ρ =127.37×1.10=140.11g 为了保证制件的质量,又可充分发挥设备的能力,注射模一次成型的塑料重量应在注 射机理论注射量的 50%~80%之间为好,则: V 注=V 总÷80%=159.22cm 相关数据见表 2.1。 表 4.1 理论注射量/ cm 螺杆直径/㎜ 拉杆间距/mm 注射压力/Mpa 锁模力/KN 模具厚度/㎜ 移模行程/㎜ 喷嘴/㎜ 球半径 孔直径 最小
3 3

初选注射机型号:SZ-160/1000,由上海第一塑料机械厂生产的卧式塑料注射机,其 SZ-160/1000 型注射机相关数据 179 44 360×260 132 1000 最大 360 170 280 10 Φ3

4.4.2 注射机校核[7]
1、最大注射量的校核 模具型腔能否充满与注塑机允许的最大注射量密切相关,设计模具时,应保证注 射模内所需熔体总量在注射机实际的最大注射量的范围内。根据生产经验,注射机的 最大注射量是起允许最大注射量(额定注射量)的 80%,由此有: nm1+m2≦80%m 式中 m1——单个塑件质量体积 m2——浇注系统所需质量或体积 m——注射机允许的最大注射量

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nm1+m2=127.37≦80%m=80%×179=143.2 符合要求 2、锁模力的校核 注射机锁模力( F锁 )的校核关系式应为:
F锁 = Pq (n A1+A2)/1000

式中

n---型腔数目;n=2;
Pq

---塑料件熔体对型腔的成型压力(MPa) ;
2 2 2

A1---单个塑料件在模具分型面上的投影面积(cm2) A1=1.9×2.8+3.14× ; (2.12-1.552)cm2=11.7 cm A2---浇注系统在模具分型面上的投影面积(cm ) ;A2=3.14×1.82=10.17 (cm ) 。 由资料[8]查表 2-2 可知,ABS 的熔体压力为 30/MPa。 代入数据得:
F锁 =30×(2×11.7+10.17)×102/1000=100.7 KN

该注射机型号的锁模力为 1000 KN>100.7 KN 故符合要求。 3、最大注射压力的校核 注射机的最大注射压力应大于或等于塑件成型时所需的注射压力,即
Pmax ≥ KP

式中

Pmax ---注射机的最大注射压力;
P ---塑料件成型时所需的注射压力。ABS

取 70~90MPa;

K ---安全系数,取 K =1.3。

代入数据得:
KP

=1.3×80=104 MP

Pmax =132 MP>104 MP

故符合要求。 4、模具厚度校核 由于注射机可安装模具的厚度有一定限制,所以设计模具的闭合厚度 H m 必须在

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注射机允许安装的最大模具厚度 H max 及最小模具厚度 H min 之间,即
H max

≤ H m ≤ H min

式中

H min ------注射机合模部件允许的最小模厚(mm) ;
H max

---注射机允许的最大模厚(mm) 。

代入数据得:
Hm

=278 mm

满足

H min =200 mm≤ H m =278 mm≤ H max =300 mm

故符合要求。 5、开模行程的校核 单分型面注射模

10 Smax≥S= H 1 + H 2 + (5~  )
式中 Smax ---注射机动模板的开模行程(mm) ;

H 1 ---塑件顶出距离(mm) ;
H 2 ---包括浇注系统凝料在内的塑件高度(mm) 。
代入数据得: H =300 mm>50+80+10=140 mm 满足条件。 故可以选择 SZ-160/1000 型注射机。

4.5 模架的选择
本方案采用 GB/T1225.6~12556.2-1990 中小型标准 A2 型模架 ,模具定模和动 模均采用两块模板,设置推杆推出机构。适用于直接浇口,采用斜导柱侧抽芯的注射 成形模具。其模板尺寸选用 355×560 ㎜。模具的实际闭合高度为 278mm 在该模架的 最大闭合高度和最小闭合高度之间,符合设计要求。
[9]

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图 4.2 标准模架

4.6 浇注系统的设计
浇注系统设计是注塑模具设计中的一个重要问题。浇注系统的作用,是将塑料熔 体顺利地充满到模腔深处,以获得外形轮廓清晰,内在质量优良的塑料制件。浇注系 统的好坏,直接影响到熔体的充填程度,气孔的存在与否,甚至制件的工艺性能,通 常要求充模过程快而有序,压力损失小热量散失少,排气条件好,浇注系统凝料易于 与制品分离。 浇注系统一般均由主流道、分流道、浇口和冷料穴等四部分组成
[10]



4.6.1 主流道的设计
主流道是浇注系统中从注射机喷嘴与模具相接触的部位开始,到分流道为止的塑 料熔体的流动通道。因主流道部分在成型过程中,其小端入口处与注射机喷嘴及一定 温度、压力塑料熔体要冷热交替反复接触,属于易损件,对材料要求较高,所以模具 的主流道部分设成可拆卸更换的主流道衬套式,以便有效地选用优质钢材单独进行加 工和热处理。主流道衬套设置在模具的对称中心位置上。
R

主流道设计如图 4.3 所示 ,其主要参数为: d=碰嘴直径+1mm=4mm; R=碰嘴球面半径+2~3mm=13mm; α =2°~6°; r=D/8; H=(1/3~2/5) R=4mm。
d

α

图 4.3 主流道

L

H

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4.6.2 分流道设计
选择分流道的截面形状为梯形。梯形截面分流道容易加工,且塑料熔体的热量散 失及流动阻力均不大,一般可以采用下面的经验公式来计算截面尺寸:
1 1 B= 0.2654 m × × L × =0.2654×140.11×1/2×18×1/4=6.6mm 2 4

H=2/3B=2/3×6.6=4.4 其中,B—梯形的大底边宽度(mm) m—塑件的质量(g) H—梯形的高度(mm) L—分流道的长度(mm) 梯形的侧面斜角 a 常取 5°~10°

4.6.3 浇口设计
浇口是塑料熔体进入型腔的阀门,对塑件质量具有决定性的影响。为了保证三通 管外观质量,应设计为潜伏式浇口,这类浇口的分流道位于分型面上,而浇口本身设 在模具内的隐蔽处,塑料熔体通过型腔侧面斜向注入型腔,因而塑件外表不受损伤, 不致因浇口痕迹而影响塑件的表面质量及美观效果。如图 4.4

图 4.4 潜伏式浇口

4.7 侧向分型及抽芯机构的设计
按动力来源的不同,侧向分型与抽芯机构一般可分为手动,机动,气动或液压三类. 这里我们选用的是机侧向抽芯机构中的斜导柱分型抽芯. (1)型芯:塑件为形状有规则排列而又难于整体加工,所以采用由多块分解的小型芯

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镶拼组合而成的组体型芯,即镶拼组合式型芯. (2)脱模力(抽芯力) 塑件在模具中冷却定型时,由于冷缩的原因,物料温度降低,直至复原到常温这 个过程,尺寸逐渐减小,塑件对型芯产生一个包紧力。因此在塑件脱模时必须克服这 一包紧力所产生的脱模力的阻力,塑件同时还需克服与型芯之间的黏附力和摩擦力及 抽芯机构本身所产生的运动摩擦合力才能将型芯脱开。这几种合力即为脱模力 M,在 侧抽芯动作中称抽芯力,在顶出动作中称顶出力
Fc = pA( f cos α ? sin α )
p ----塑件对侧型芯的收缩应力。一般
[10]



塑件底面带通孔的脱模力(抽芯力)的计算公式: 模内冷却的塑件, p =(0.8-1.2)×107 pa

A ---塑件包紧侧型芯成型部分的侧面积,m2

f ---塑件与模体钢材的摩擦系数,一般取 f =0.1-0.3

α ---脱模斜度 0°
F = 10 7 × 1.73 × 10 ?3 = 17300 N

(3)抽芯距 抽芯距是指侧抽芯从成型位置侧抽至不妨碍塑件顶出的位置时,侧型芯所移动的距 离.

S = S1 + (2 ? 3) = 30 + (2 ? 3) = 33mm S1 ----侧向凸台高度, mm
S ----实际抽芯距, mm

(2.10)

4.8 斜导柱的结构形式
本设计采用的是在中小型模具中常用的一种结构形式,其台肩部相平于模面,角 度与抽拔角一致。材料多为 T8、T10 等碳 素工具钢, 也可用 20 钢作渗碳处理, 由于 斜导柱经常于滑块摩擦,热处理要求硬度 HRC≥55,表面粗糙度 Ra≤0.8 ? m 。 斜导

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柱固定部分与模板的配合精度为 H7/m6 的过渡配合。如图 4.5 所示. (1)圆柱形斜导柱直径的确定
图 4.5 斜导柱

圆柱形斜导柱直径取决于斜导柱所受的弯曲力,而弯曲力又取决于抽拔力 F ,抽拔角 α 以及受力点的位置。 一般地,斜导柱和斜滑块的斜孔的配合都有一定的间隙 δ (0.2-0.4) ,在开模瞬间定 程距为 M,
d =3 10 Fc H w cos 2 α [σ w ]
Hw = H H δ +M = + 2 2 sin α

(2.11)

d ----斜导柱直径,

mm
N

Fc

----抽芯力,

H w ----受力点到固定板平面的距离,

H w =21 mm

α ----抽拔角
[σ w ] ---斜导柱钢材的许用弯曲应力, MPa . 碳素钢取 [σ ] =137.2 MPa

10 × 17300 × 0.021 ≈ cos 2 20° × 137.2 × 10 6 16 mm 取 20mm (2) 斜导柱倾斜角 α 的选择 斜导柱倾斜角 α 与斜导柱的有效工作长度 L , 抽芯距 S ,斜导柱完成抽芯时所需最小开 d =3

模行程 H 有关。 α 增大,L 和 H 减小,有利于减小模具尺寸,但斜导柱所受的弯曲力 和侧抽芯时的开模力将增大; 反之亦反, 综合两方面考虑, 一般最常用为 12 ° ≤ α ≤ 22 ° 本设计取 α 为 20 ° (3) 圆柱形斜导柱总长度的计算 斜导柱的总长度
L = L1 + L2 + L3 + L4 + L5 + L6

=

D h d S tan α + + tan α + 2 cos α 2 sin α + ( 5 ~ 10 ) mm

(2.13)
L

----斜导柱总长度,mm

D ----斜导柱台肩直径,mm

α ---斜导柱抽拔角, °

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h ----斜导柱固定板厚度,mm
d ----斜导柱工作部分直径,mm

S ----抽芯距。

根据上式代入数据得:
L

=

25 45 20 33 tan 20 ° + + tan 20 ° + + 2 cos 20 ° 2 sin 20 ° (5~10)mm

≈154 mm

4.9 楔紧块的设计
楔紧块用于在模具闭合后锁紧滑块,承受成型时塑料熔体对滑块的推力,以免斜 导柱弯曲变形。但是在开模时,又要求楔紧块迅速离开滑块,以免阻挡斜导柱带动滑 块抽芯,因此楔紧块的倾斜角度应稍大于斜导柱的倾斜角度,一般取比斜导柱的倾斜 角度大 2~3 度,所以选择楔紧块的倾斜角为 22°,如图 4.6。

图 4.6 楔紧块

4.10 侧滑块设计
滑块是斜导柱侧向分型抽芯机构中的一个重要零件,它上面安装有侧向型芯,滑 块结构形式有整体式和组合式。本设计采用组合式。滑块材料通常用 45 钢或 T10,T8 制造,淬硬至 45HRC 以上,在设计中取用 T8 来制造,形状尺寸如图 4.7。

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图 4.7 侧滑块

4.11 滑块的导滑槽
为了滑块的滑动,应该设置有导滑槽,导滑槽应使滑块运动平衡可靠,二者之间 上下、左右各有一对平面配合,配合取 H7/f7,其余各面留有间隙, 滑块的导滑部分设计的长度是 130mm, 超过了滑块滑动的最大距离, 因此, 长度足够, 可以避免滑动时产生倾斜。此外,导滑槽应该有足够的耐磨性,由 45 钢或 T10,T8 制造,硬度在 50HRC 以上。

4.12 定位装置设计
限位装置起限制滑块的滑动终止位置的作用,本设计采用弹簧钢球式定位装置。 弹簧直径可选 1~1.5mm,钢球直径可取 5~10mm。结构如图 4.8:

图 4.8

弹簧钢球定位装置

4.13 拉料杆和冷料穴设计
冷料穴一般开设在主流道对面的 动模板上,其标称直径与主流道直径相同或略大一

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些,深度约为直径的 1~1.5 倍,最终要保证冷料的体积小于冷料穴的体积。本设计 采用带倒锥形的冷料穴拉出主流道凝料的形式。结构如图 4.9:

图 4.9

冷料穴及拉料杆

4.14 侧型芯结构设计
型芯的结构如图 4.10 所示,采用燕尾形式联结。

图 4.10

侧型芯

4.15 推出机构
1. 导柱、导套 本次设计,选用 Φ=32mm、L=50mm 的导柱以及与之配合的导套。如图 4.11

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2.

推管、复位杆 为了不影响滑块的滑动,可布置四个直径为Φ=20、L=130 的复位杆。在合模状态

下介于滑块导滑板与推板之间,利用合模力复位。开模后,塑件包紧动模型芯的力比 较大,采用推管推出塑件,推出力比较平稳,塑件不易发生变形。由于型芯结构的特 殊性,故将推管设计成图 4.12 形状。

图 4.11 导柱和导套

图 4.12 推管

4.16

冷却系统的计算

4.16.1 模具温度调节系统的设计
因 ABS 要求的模温为 40~70 摄时度,不超过 80 摄时度,故无须设置加热装置。

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4.16.2 模具系统的热平衡计算[7]

[7]

进行注射过程热平衡计算,就是计算单位时间内熔体固化放出热量等于冷却水所 携走的热量
Q in = ? i m p = ? i nG

Qin 式中: ---塑料熔体每小时冷却固化所放出的热量(KJ/h) ; n ---每小时注射次数;
G ---每次注射的塑料用量(Kg) ;
mp

---每小时注射的塑料量(Kg)

? i ---每千克塑料熔体凝固时放出热焓量(KJ/Kg) ;

由资料

[11]

表 4.9-1 得 ? i =400 KJ/Kg。

设注射周期为 60s,则 n=3600/60=60
Qin =400×60×0.14≈3360KJ·h-1

冷却水每小时从模具携走热量 Qout
Qout = m w C w (t out ? t in )

式中

m w ---冷却水每小时的用量(kg/h) ;

C w ---冷却水的比热容,4.187KJ/Kg·?C; t out ---模具的出水温度?C; tin ---模具的进水温度?C。

由热平衡条件 Qout = Qin 可得:
mw = C w (t out ? t in )
?imp = ? i nG C w (t out ? t in )

其中,取 t out 为 28?C; tin 为 22?C; 则 湍流计算 经计算保证冷却水在水管中处于湍流状态,从而获得冷却水的体积流量 V ,并确
mw =

3360 4.187 × ( 28 ? 22 )

≈133.75 (kg/h)

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定相应的管径 d ,由水的密度 ρ = 1000 kg / m 和每小时用水量 m w ,可换算得 冷却水的体积流量
? nG mw 0.398 × 10 ?5 i t out ? t in V = 60 ρ =
3 ( m / min )

3

= 由资料
[11]

0.398 × 10 ?5 ×

3360 28 ? 22 ≈0.0022 m 3 / min
?3

表 4.9-2 查得:冷却水管的直径为 4 × 10
v= 4V V = 0.0202 2 2 60πd d

m。

则冷却水流速

(m/s )

×

=0.0202 冷却面积计算 以冷却水的平均温度
t cp

( 4 ×10 )

0.0022

?3 2

≈2.78 m / s

=25℃查资料表 4.9-3 得冷却水物理性质参量的函数
0.8

α = 3.6 A0
A0 =6.48。由式

( ρv)

d 0.2

(1000 × 2.78 ) = 3.6 × 6.48

0.8

( 4 ×10 )

?3 0.2

2 =40118.5 kJ / m ? h ? ℃

?i mp

则所需冷却面积 则所需冷却面积 代入数据

Φ= α ? ?t
?i mp

Φ= α ? ?t
400 × 60 × 0.14 = 2 Φ= 40118.5 × 25 0.00335m Φ 0.00335 n= π dL = 3.14 × 0.004 × 0.355 =0.75

模具应开设的冷却管道的孔数为

取 n=1。

所以在分型面两侧各布置了一尺寸为ф4,长度 355mm 的冷却管道,足以使塑件及模 具达到冷却要求,具体位置如图 4.13。

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图 4.13 冷却水道布局图

第五章 总装配图
设计完所有的零部件最后总装配图如图 4.3 所示。 整个工作过程如下:模具开启后,制件的上半部分从定模板 27 中脱出,拉料杆

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17 将浇注系统拉出,同时斜导柱 4 带动滑块 1 向两侧分开,模具开启到一定程度时, 定模板 27 推动复位杆 14,由复位杆 14 带动推管固定板 22,带动推管 16 将制件和余 料出。

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设计小结

本模具的分型面的选择为后面的设计工作带来了很大方便,由于采用了比较合理 的分型方案,在整个模具中只用了两个滑块,而没有采用过多的侧向分型。由于分型 面的位置适中使得冷却系统在竖直方向上有充足的空间。又因为冷却系统与其它系统 是参照布局的,这样冷却系统就可以轻易地穿叉于其它系统之间。可见,模具的各系 统互不干涉,整个模具结构又很紧凑,减少了模具的整体体积。从总体上看模具的设 计是合理的,并在生产实际中得到应用。 这次的设计是本人第一次独立完成的一套较为专业的模具,设计过程中,从选材 到确定模板尺寸到螺钉的选用, 均为个人完成, 真正做到了将理论知识与实践相结合,

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让我对模具设计进一步有了较为系统的了解,这对我即将参加工作起了很大的帮助, 同时也深深的感觉到,要想做个出色的模具设计师,一定还要好好的学习,努力的工 作,不断的掌握新的知识,增加工作经验。 此模具为典型的双脱模机构注塑模具。设计的重点和难点在于制品的形状为细长 圆管形,其外圆分布有六个直径较大且壁薄的凸缘,这使制品的成型有一定的难度, 故设置了多个点浇口, 另外由于其型芯太长, 在型芯的定位方面也产生了一定的难度, 由于制品允许存在工艺孔,故设置了多个支撑杆以加固型芯,同时抽芯与制品成型不 能一起进行,需另外用专业抽芯夹具抽芯。 设计过程中,遇到了很多问题,如型芯的定位,浇口凝料的去除,制件的脱出及 合模的导向和复位,这些也是本设计的重点和难点。

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参 考 文 献
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] 王文俊.实用塑料成型工艺.北京:国防工业出版社.1999. 吴崇锋 实用注塑模 CAD/CAE/CAM 技术.北京:中国轻工业出版社.2000. 黄虹. 塑料成型加工与模具. 北京:化学工业出版社.2003 张孝民. 塑料模具设计. 北京:机械工业出版社.2003 单岩 王蓓 王刚.Moldflow 分析技术基础.北京:清华大学出版社.2004. 齐卫东.模具设计与制造.北京:高等教育出版社.2004. 张国强. 注塑模设计与生产应用. 北京:化学工业出版社.2005 王卫卫.材料成型设备.北京:机械工业出版社.2005 唐志玉. 塑料模具设计师指南 . 北京 :国防工业出版社,1999 屈华昌. 塑料成型工艺与模具设计. 北京:机械工业出版社.2002 塑料模设计手册编写组.塑料模设计手册.北京:机械工业出版社.2002. 张佑生. 塑料模具计算机辅助设计. 北京:机械工业出版社.1999 朱光力,万金保. 塑料模具设计. 北京:清华大学出版社.2003

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