1、模具设计论文壳体模具设计与制造壳体的模具设计姓名： 金少华学号： 51009003班级： 10机电指导老师：陈少克汕 头 大 学摘要：注射成型是热塑性塑料成型的主要方法之一，可以一次成型形状复杂的精密塑件。本设计是壳体塑料模具的设计，对零件结构进行了工艺分析，采用ABS作为塑件的材料。采用单分型面，根据模具的型腔数目以及最大注塑量、注射压力、锁模力、模具的安装尺寸等因素选择了注射机，选择成型零部件的尺寸；采用扇形浇口；利用直导柱导向，斜滑顶杆顶料,斜滑顶杆侧抽，同时完成侧抽和顶出完成脱模，并对模具的材料进行了选择，如此设计出的结构可确保模具工作运行可靠。对模具结构与注射机的匹配进行了校核。用P
2、roE绘制出模具三维图形，最后利用PROE对型芯和型腔进行了加工仿真，制定了符合要求的数控加工工艺过程。关键词：壳体； ABS；注塑模具；PROE；1绪论 1.1模具发展的现状 1.2存在问题和主要差距 1.3发展展望 2材料与塑件分析 2.1塑件分析 2.2塑件材料分析 2.3确定塑件设计批量 2.4计算塑件的体积和质量 3选择塑件的分型面 4标准件的选择 5 注塑机的选择 6 浇注系统的设计 7 冷却系统的设计 8顶出和导向机构的设计 8.1顶出机构的设计 8.2导向机构的设计 8.3复位机构的设计 9成型零件的设计 10仿真报告 1 绪论1.1模具发展的现状从第一个塑料产品赛璐珞诞生算起
3、，塑料工业迄今已有120年的历史。天然高分子加工阶段,这个时期以天然高分子，主要是纤维素的改性和加工为特征。合成树脂阶段，这个时期是以合成树脂为基础原料生产塑料为特征。大发展阶段，在这一时期通用塑料的产量迅速增大，聚烯烃塑料在70年代又有聚1丁烯和聚 4-甲基-1-戊烯投入生产。形成了世界上产量最大的聚烯烃塑料系列。同时出现了多品种高性能的工程塑料。21世纪,塑料工业以前所谓有的速度高速发展。塑料,在各个领域、各个行业乃至国民经济中已拥有举足轻重的不可替代的地位。目前，我国塑料工业的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求。在2004年，塑料模具在整个模具行业中所占比例已上升到30左右，未来几年
4、中，塑料模具还将保持较高速度发展。模具是工业生产中使用极为广泛的重要装备，采用模具生产制品及零件，具有生产效率高，节约原材料，成本低廉，保证质量的一系列优点，是现代工业生产中的重要手段和主要发展方向。1.2存在问题和主要差距虽然我国模具总量目前已达到相当规模，模具水平也有很大提高，但设计制造水平总体上落后于德、美、日、法、意等工业发达国家许多。当前存在的问题和差距主要表现在以下几方面：一是总量供不应求，国内模具自配率只有70%左右。其中低档模具供过于求，中高档模具自配率只有50%左右；二是企业组织结构、产品结构、技术结构和进出口结构均不合理，我国模具生产厂中多数是自产自配的模具车间（分厂），自
5、产自配比例高达60%左右，而国外模具超过70%属商品模具。专业模具厂大多是“大而全”、“小而全”的组织形式，而国外大多是“小而专”、“小而精”。国内大型、精密、复杂、长寿命的模具占总量比例不足30%，而国外在50%以上。1.3发展展望目前，我国经济仍处于高速发展阶段，国际上经济全球化发展趋势日趋明显，这为我国模具工业高速发展提供了良好的条件和机遇。一方面，国内模具市场将继续高速发展，另一方面，模具制造也逐渐向我国转移以及跨国集团到我国进行模具采购趋向也十分明显。因此，放眼未来，国际、国内的模具市场总体发展趋势前景看好，预计中国模具将在良好的市场环境下得到高速发展，我国不但会成为模具大国，而且一
6、定逐步向模具制造强国的行列迈进。随着国民经济总量和工业产品技术的不断发展，各行各业对模具的需求量越来越大，技术要求也越来越高。虽然模具种类繁多，但其发展重点应该是既能满足大量需要，又有较高技术含量，特别是目前国内尚不能自给，需大量进口的模具和能代表发展方向的大型、精密、复杂、长寿命模具。模具标准件的种类、数量、水平、生产集中度等对整个模具行业的发展有重大影响。因此，一些重要的模具标准件也必须重点发展，而且其发展速度应快于模具的发展速度，这样才能不断提高我国模具标准化水平，从而提高模具质量，缩短模具生产周期，降低成本。由于我国的模具产品在国际市场上占有较大的价格优势，因此对于出口前景好的模具产品
7、也应作为重点来发展。2 材料与塑件分析2.1 塑件分析如图1为壳体件的三维立体图，该产品形状如中空薄壁型零件，精度及表面粗糙度要求高，不允许有明显的熔接痕、飞边等工艺痕迹，需要一定的配合精度要求。制品整体有充分的脱模斜度，各处脱模力比较合理。从整体结构分析：制品表面积适中、高度不大但是壁薄、零件的曲面复杂，型腔、型芯加工困难。从整体工艺性分析：根据制品外观要求与结构特定要求选择浇口位置在零件内部，制品薄而大要求冷却必须均匀而充分，脱模力合理要求顶出机构顶出均匀。 图1 塑件三维立体图2.2 塑件材料分析塑料成型原料的选取应从加工性能、力学性能、热性能、物理性能等多方面因素考虑来选取合适的塑料进
8、行生产，本次设计材料的选择是根据材料特性进行选择的。根据塑料受热后表现的性能和加入各种辅助料成分的不同可分为热固性材料和热塑性材料，通过比较分析可以看出热固性塑料主要用于压塑、挤塑成型，而热塑性塑料还适合注塑成型，本次设计为注塑设计，所以采用热塑性塑料。热塑性塑料还分为很多种，如聚乙稀、聚丙稀、聚氯乙烯、聚苯乙烯和ABS等等，为了选到合适的塑件材料，通过对塑件的分析和查阅有关资料可选择以下材料见表1。表1 注塑塑料对比 塑料名称ABS聚乙烯材料特性较大的机械强度和良好的综合性能。结晶部分多时，塑料硬度高、韧性大、抗拉强度高，但整体尺寸变小，耐冲击强度及断裂强度底。 成型工艺特点ABS的吸湿性和
9、对水分子的敏感性较大，在加工前必须进行充分的干燥和预热。原料控制水分在0.3%以下。聚乙烯制件最显著的特点是收缩率大，这与材料的可结晶性和模具温度有关。定型后塑件在强的收缩牵引作用下，可令制件变形和翘曲。 注射温度ABS塑料的温度与熔融粘度的关系比较独特，在达到塑化温度后在继续盲目升温，必将ABS的热降解。聚乙烯的注射温度一般在120310之间，温度超过300时，收缩率会明显增大。 注射速度及压力ABS采用中等注射速度效果较好，注射时需要采用较高的注射压力，其溢边料为0.04mm左右。并需要调配好保压压力和保压时间。聚乙烯的注射压力一般选择在68.6137.2Mpa之间。注射速度不易过快，以保
10、证结晶程度高。模具温度ABS的模具温度相对较高，一般调节在7585。由于模具温度对收缩率影响很大，因此要经常保持模具相对恒定的温度，一般在4080之间。经以上两种备选材料的性能对比，并考虑到制件的使用环境，本设计采用ABS材料。由于材料的吸湿性强，含水量应小于0.3% ，所以原料应充分干燥。ABS的技术指标、注射工艺参数具体看表2和表3。表2 ABS技术指标 ABS技术指标密度1.021.05比容0.860.98吸水率0.20.4%收缩率0.40.7%熔点130160硬度9.7 HB拉伸弹性模量1.8Mpa弯曲强度80Mpa拉伸屈服强度50Mpa温度传导系数1.310m/s表3 ABS的注射工
11、艺参数注射机类型螺杆式螺杆转速30 60r/min喷嘴形式直通式喷嘴喷嘴温度180190模具温度50 70注射压力60 100Mpa保压压力5 10 Mpa冷却时间5 15s周期15 30s后处理方法红外线烘箱温度70时间0.3 1h备注原材料应预干燥0.5h以上2.3 确定塑件设计批量该产品为小批量生产，故设计的模具要有一定的注塑效率，由于塑件长宽度小，所以采用一模两腔结构，浇口形式采用扇形浇口，采用两点进料，以利于均匀充满型腔。2.4 计算塑件的体积和质量该产品材料为ABS,查手册或产品说明得知其密度为1.03g1.07g/cm。收缩率为0.4%0.6%。计算其平均密度为1.05g/cm,
12、平均收缩率为0.5%。使用PROE软件画出三维实体图，软件能自动计算出所画图形的体积。当然也可根据形状手动几何计算得到该零件的体积。图2 塑件体积通过计算塑件的体积V塑=4.185cm，可得塑件的质量为M塑=V塑=1.055.24=4.394g，因为一模两腔所以M=4.3942=8.788g式子中塑料密度g/cm。由浇注系统体积V浇=5.535cm可计算出浇注系统质量为M浇=V浇=5.535g1.05=5.812g因为一模两腔 故V总=2V塑V浇= 13.905cmM总=M塑M浇=14.6 cm3选择塑件的分型面选择分型面时，应考虑到使模具结构简单，分型容易，并且应不影响塑件的外观及使用。 根
13、据壳体件的特点，选取分型面。4 标准件的选择模具的标准化对于生产中提高效率，改善生产环节有着很重要的作用。近年来在模具行业，特别是塑料模具行业，标准件的大量运用使生产更趋于标准化、简单化，对于生产安全和高效起到很重要的作用，还有利于模具的国际交流和组织模具出口，打入国际市场。41标准模架的选取模架是设计制造塑料注射模的基础部件，其他部件的设计与制造均依赖于它，选择模架要根据制品的尺寸及大小，同时考虑注射机的参数，本次设计因参照生产实例采用如图3所示模架。图3模架的选择42标准紧固件的选用标准紧固件主要是螺钉。螺钉是日常生活中最常用的标准件，将螺杆直接旋入被连接件之一的螺孔内，螺钉头部即可将两被
14、连接件紧固，其规格和尺寸均有相应的标准，本设计的塑件模架中主要采用内六角螺钉,包括M5,M6,M8和M10,M14不等，长度根据不同需要选取。5 注塑机的选择5.1注塑机的概述注塑机的全称应为塑料成型机。注射机主要由注射装置、合模装置、液压传动系统、电器控制系统及机架等组成。如图4.1所示，工作时模具的动、定模分别安装于注射机的移动模板和定模固定板上，由合模机构合模并锁紧，由注射装置加热、塑化、注射、待融料在模具内冷却定型后由合模机构开模，最后由推出机构将塑件推出。图4注塑机结构注射机的工作原理：注塑机的工作原理与打针用的注射器相似，它是借助螺杆（或柱塞）的推力，将已塑化好的熔融状态（即粘流态
15、）的塑料注射入闭合好的模腔内，经固化定型后取得制品的工艺过程。注射成型是一个循环的过程，每一周期主要包括：定量加料熔融塑化施压注射充模冷却启模取件。取出塑件后又再闭模，进行下一个循环。注塑机根据塑化方式分为柱塞式注塑机和螺杆式注塑机；按机器的传动方式又可分为液压式、机械式和液压机械（连杆）式；按操作方式分为自动、半自动、手动注塑机。其特点如表4：表4形式立式卧式直角式容量一般为3060g热塑性塑料注射机固性塑料注射机容量一般为2045g柱塞式3060g螺杆式60cm3以上100500g结构特性注射装置一般为柱塞式、液压机械式锁模机构、顶出系统为机械顶出注射装置以螺杆为主，液压机械式锁模，顶出系
16、统采用机械、液压或两者兼备除塑化加热系统外，其他与热塑性塑料用螺杆式注射机相似注射装置与合模装置的轴线互相成垂直排列，优点介于立卧两种注射机之间优点1.拆装方便2.安装嵌件、活动型芯方便1.开模后，塑件自动落下便于实现自动化操作2.塑化能力大、均匀，注射压力大，注射压力损失小，塑件内应力，定向性小，可减小变形，开裂倾向3.螺杆式可采用不同的螺杆，调节螺杆转数、背压等用来加工不同的塑料及不同要求的塑件1.开模后，塑件自动落下2.使用双模，可以减小循环周期，提高生产力缺点1.人工取件2.注射压力损失大，加工高粘度塑料薄壁塑件时要求成型压力高，塑件内应力大，注射速度均匀，塑化不均匀1.装模麻烦，安放
17、嵌件及活动型芯不便，易发生分解2.螺杆式加工低粘度塑料，薄壁，形状复杂塑件时易发生回流，螺杆不易清洗，贮料清洗不净，易发生分解3.柱塞式结构也有立式结构所具有的特性1.嵌件、活动型芯安放不便，易倾斜落下2.有柱塞式结构的缺点适用范围1.易于加工小，中型及分两次进行双色注射加工的塑件2.柱塞式不宜加工流动性差，热敏性、对应力敏感的塑料及大面积，薄壁塑件，宜加工流动性好的中小性塑件1.螺杆式适应加工各种塑料，小型设备易加工薄壁、精密塑件2.螺杆式适应于掺和料、有填料，干着色料的直接加工3.柱塞式也具有立式注射机中柱塞式结构具有的加工特点1.适用加工小型塑件，并装有侧浇口模具2.适用加工塑件中心部位
18、不允许有浇口痕迹的平面塑件5.2 注射机的选择本次设计已计算出塑件的总体积为13.509cm，总质量为14.6 g。根据塑料制品的体积或质量查有关手册选定XS-ZY-125卧式注射机。 表5 XS-ZY-125卧式注射机性能参数注射量（cm）125模具最大厚度（mm）300螺杆直径（mm）42模具最小厚度（mm）200注射压力（MPa）120拉杆空间（mm）290注射行程（mm）115模具定位孔径（mm）150锁模力（KN）900喷嘴孔直径（mm）4最大成型面积（cm）320喷嘴球孔径（mm）12模板最大行程（mm）3005.3 注塑机的参数校核为使注塑成形过程顺利进行，须对以下工艺参数进行校
19、核。5.3.1 最大注塑量校核我们通过学习知道注塑机的最大注塑量应大于制件的质量或体积（包括流道及浇口凝料和飞边），通常注塑机的实际注塑量最好为注塑机的最大注塑量的80%，所以，本次设计选用注塑机最大注塑量应0.8V机V塑件+V浇式中：V机注塑机的最大注塑量cm V塑塑件的体积，cm该产品V塑件=8.37cmV浇浇注系统体积，cm该产品V浇=5.535cm故V机（V塑件+V浇）/0.8=（8.37+5.535）/0.8=17.3812cm在此选顶的注塑机注塑量为125cm，所以满足本次设计的要求。5.3.2 注射压力校核.所选用的注射机的注射压力必须大于成型塑件所需的注射压力。成形所需注射压力
20、与塑料品种、塑件的形状及尺寸、注射机类型、喷嘴及模具流道的阻力等因素有关。根据经验，现在对塑件的流动性和黏度做比较，可知道成形所需注射压力大致如下：1塑料熔体流动性好，塑件形状简单，壁厚者所需注射压力一般小于70MPa。2塑料熔体粘度较低，塑件形状一般，精度要求一般者，所需注射压力通常选为70至100 MPa。3塑料熔体具有中等粘度（PS、PE等），塑件形状一般，有一定精度要求者，所需注射压力选为100至140 MPa。4塑料熔体具有较高粘度（PMMA、PPO、PC、PSF等），塑件壁薄、尺寸大，或壁厚不均匀，尺寸精度要求严格的塑件，所需注射压力约在140至180 MPa。 本次的产品设计为壳
21、体的塑件，整体结构为小型零件，对粘度的要求不高，所以本次注射机的注射压力为120MPa，应能满足此项要求。5.3.3锁（合）模力校核高压塑料熔体充满模腔时，会产生使模具沿分型面分开的胀模力，此胀力等于塑件和流道系统在分型面上的投影面积与型腔压力的乘积。胀模力必须小于注射机额定锁模力，常用塑料品种及塑件复杂程度不同，或精度不同，可选用的型腔压力也不同。型腔压力可根据经验取值，常取型腔压力为2040Mpa，常用塑料品种及塑件复杂程度不同，或精度不同，我们对锁模力校核，对一些树脂平均压力作简单的比较。表6 型腔内树脂平均压力/Mpa树脂名称一般成型重视表面质量的成型硬质PVC3040软质PVC253
22、5ABS3040PC4055PP3040根据上表，本塑件的材料为ABS，可选择型腔压力Pc=40Mpa，型腔平均压力Pc=40MPa决定后，可以按下式校核射机的额定锁模力： 式中 注射机额定锁模力； 塑件和流道系统在分型面上的总投影面积（mm2）； 安全系数，通常取1.11.2 本次设计所选注射机T=900KN；两个塑件在分型面上的投影面积为6049.092mm2；流道系统在分型面上的总投影面积为552.4157mm2；=6049.092+552.4157=6497.114mm2 =1.2；=1.2401066497.11410-6=311861.472N=311.86KNT=900KN 31
23、1.86KN; 故所选注射机满足此项要求。5.3.4模具安装尺寸的校核模具厚度（闭合高度）必须满足下式： 式中：注射机允许的最小模具厚度（mm）； 所设计的模具厚度（mm）； 注射机允许的最大模具厚度（mm）； = 200mm， = 290mm， = 300mm 200290300所选本次选用的注射机满足此项要求。5.3.5开模行程的校核注射机的最大开模行程必须大于开模取出塑件所需的开模距离。本设计所选用的注塑机的最大行程与模具厚度有关，故注塑机的开模行程满足下式:SmaxH1+H2+(510)mm单分型面式中：Smax注射机最大开模行程，mm H1塑件脱模所需顶出距离，mm H2塑件脱模所需
24、顶出的距离，mm本设计的塑件高度H1=5mm，H2=80mm,所以 H1+H2+(510)=5+80+10=95mm,Smax=300mm95mm所选注射机满足此项要求。通过对以上工艺参数的校核，本次设计所选用的注射机满足要求。6 浇注系统的设计6.1 概述浇注系统是指模具中从注射机喷嘴开始到型腔为止的塑料流动通道，由主流道、分流道、进料浇口和冷料穴组成。设计浇注系统应注意：1,浇注系统力求距型腔距离近、一致，并首先进入制品的厚壁部位，不宜直冲型芯镶嵌件。2，其位置力求在分型面上，便于加工并易于快速、均匀、平稳地充满型腔；主流道入口应在模具中心位置。3，有利于制品的外观，并易于清除。4，排气良
25、好。本次设计中的材料ABS属于非牛顿流体，在流动过程中，其表观粘度随剪切速率的变化而发生显著的变化，对假塑性流体而言，剪切速率增大时，表观粘度会降低，温度对ABS的表观粘度也有很大影响，跟普通液体相比，ABS又具有很大的可压缩性，当压力增高时，其表观粘度增加，由于塑料在注射模浇注系统中和型腔内的温度、压力和剪切速率是随时变化的，在设计浇注系统时，综合加以考虑，以期在充模以尽可能低的表观粘度和较快的速度充满型腔，在保压阶段，又能通过浇注系统使压力充分传递到型腔各部分，此外，制件的外形、尺寸和对外观的要求也影响整个浇注系统的形状和尺寸，本制件上表面要求光滑，所以，不宜在表面开设浇道，而应采用内浇口
26、。6.2 流道设计浇注系统主要由主流道、分流道、进料浇口和冷料穴组成。6.2.1 主流道设计主流道是指熔融塑料由注射机喷嘴喷出后最先经过的部位，与注射机喷嘴同轴，因为与熔融塑料、注射机喷嘴反复接触、碰撞，一般不直接开设在定模板上，为了制造方便，都制成可拆卸的浇口套，用螺钉或配合形式固定在定模板上。熔料注入模具最先经过的一段流道，直接影响到填充时间及流动速度。其浇口选择不能太大和太小。浇口太小，熔料流动过程中冷却面相对增大，热量消耗大，注射压力损失也大，但浇口太大，会造成材料的浪费。因此，合理的主浇道参数，一般情况下取值如下：1）d=d1+(0.51) 式中 d1注射机喷嘴孔直径（mm）d主流道
27、口直径（mm）所以本设计采用d1为4mm，得出d取为5mm。2）=24对流动性较差的塑料可取36。本设计采用=3。 主流道锥角3）H按具体情况选择，一般取38mm，H取为5mm。 H球面配合高度4）R=R1+（13）式中R1注射机喷嘴球面半径（mm），R1为6mm，R取为8mm。5）r为主浇道与分浇道过渡处采用的圆角半径， 按具体情况选择，一般取13mm，现在选择其为1.5mm。6）L应尽量缩短，本设计取75mm。6.2.2分流道设计分流道是主流道与浇口之间的通道。多型腔模具一定设置分流道，大型塑件由于使用多浇口进料也需设置分流道。1. 分流道的设计要点：（1）流经分流道的熔体温度和压力的损失
28、要少。为此，分流道一要短，二要使粗糙度降到最低，三是容积要小，四是少弯折。（2）要使分流道的固化时间稍慢于制品的固化时间，以利保压、补缩和压力传递；（3）要使熔料能迅速而又均匀地进入各型腔，故在多型腔设计时，在保证模具结构强度前提下，力求采用平衡进料，而且在保证模具结构强度前提下，力求紧凑、集中。（4）便于加工，便于使用标准刀具，免于制造专用刀具。2分流道的截面形状分流道的截面类型有圆形、梯形、U形、半圆形等，根据塑件的材料流动性较好，长度较短，可以采用圆形分流道且呈直线布置。由于分流道中与模具接触的外层塑料迅速冷却，只有中心部位的塑料熔体的流动状态较为理想，因此分流道的内表面粗糙度Ra并不要
29、求很低，一般取1.6m左右即可，这样表面稍不光滑，有助于塑料熔体的外层冷却皮层固定，从而与中心部位的熔体之间产生一定的速度差，以保证熔体流动时具有适宜的剪切速率和剪切热。3. 分流道的布置分流道的布置取决于型腔的布局，两者互相影响。分流道的布置形式分平衡式和非平衡式两种。平衡式布置要求从主流道至各个型腔的分流道，其长度、形状、断面尺寸等都必须对应相等，达到各个型腔的热平衡和塑料流动平衡。因此各个型腔的浇口尺寸可以相同，达到各个型腔同时均衡进料。非平衡式布置的主要特点是主流道至各个型腔的分流道长度各不相同（或加上型腔大小不同）。为了使各个型腔同时均衡进料，各个型腔的浇口尺寸必定不相同。因此，本塑
30、件的分流道采用了平衡式布置。图5 分流道设计6.3 浇口设计浇口是主流道、分流道和型腔之间的连接部分，是浇注系统的最终端，很短，截面积很小。当熔融的料流在高压下经过浇口时，因截面积小而流速加快，因摩擦作用而温度升高，黏度降低，流动性提高，有利于充满型腔。故浇口是浇注系统的关键部位，其位置、形状及尺寸等决定着塑件质量、注射效果及注射效率。浇口的作用：快速充型，保压补缩；防止热料回流；使塑件与浇注系统分离。浇口截面形状和尺寸的确定要根据制品的尺寸大小、壁的厚薄、塑料的品种以及制品的结构和相应的浇口形式而定。先取小值，试模后根据情况在修正。总的要求是使熔料以较快的速度进入并充满型腔，同时在充满后能适时的冷却封闭，因此，浇口的截面要小，长度要短，这样可增大料流速度，快速冷却封闭，且便于塑件与浇口凝料分离，不留明显的浇口痕迹，保证塑件外观质量。注射模具的浇口形式较多，其形
