本科毕业设计论文
题目:连接器壳体塑料注塑模具设计
系 别: 机电信息系
专 业:机械设计制造及其自动化 班 级: 学 生:
学 号: 指导老师:2013年5月 连接器壳体塑料注塑模具设计 摘 要
本文是关于连接器壳体塑料注塑模具的设计,通过正确分析塑件工艺特点和ABS材料的性能后,最终设计出一副注塑模。文中详细介绍了模具的浇注系
统、模具成型部分结构、顶出系统、冷却系统、注塑机的选择及有关参数的校核等等设计。利用CAD、PRO/E来设计或分析注射模的成型零部件,浇注系统,导向部件和脱模机构,对模具的设计、制造和产品质量进行分析等等。针对连接器的具体结构,该模具采用点浇口双分型面注射模具。由于塑件内侧有小孔,需要设置斜导柱。通过模具设计表明该模具能达到连接器的质量和加工工艺要求。综合运用了专业基础、专业课知识设计,其核心知识是塑料成型模具、材料成型技术基础、机械设计、塑料成型工艺、模具CAD\\CAM等。
关键词:连接器壳体;注塑模具;CAD;
The connector shell plastic injection mold design Abstract
This article is about the connector shell plastic injection mold design, through the technological characteristics of plastics article of correct analysis and the performance of ABS material, the final design out a pair of injection mold. Mould gating system are introduced in detail, mold molding part structure, the ejector system, cooling system, selection of injection molding machine and related parameters of checking, and so on design. Use of CAD, PRO/E to design or analyze forming parts of injection mould, pouring system, guide parts and demoulding mechanism, the mold design, manufacturing and product quality analysis and so on. According to the specific structure of the connector, the mould adopts the point gate double parting surface injection mould. Because there are holes plastic parts inside, need to set up the inclined guide pillar.
Through the mold design shows that the mould can achieve connector quality and processing technology. Integrated use of the professional basis, professional class knowledge is designed, its core knowledge is the plastic molding mold, material molding technology base, mechanical design, plastic molding process, mould CAD/CAM, etc.
Key words: the connector shell; Injection mould; CAD; Pro/e 目 录 1 绪论 1 1.1前言 1
1.2模具发展现状及发展方向
1
1.2.1国内外注塑模具的发展现状 1 1.2.2国内外注塑模具的发展趋向 3 1.3本课题的内容和具体要求 1.3.1本课题的内容 1.3.2具体要求 3 2 零件材料分析及方案论证
4
4
3
3
2.1零件的材料及材料的特性 2.1.1零件的材料 4 2.1.2 ABS材料的特点 4
2.1.3 ABS注射成型工艺参数 5 2.2 ABS注射成型的原理及工艺过程 5
2.2.1注射成型的原理 5 2.3注射模具的基本组成 6 2.3.1基本组成 6
3 注射成型机的选择与成型腔数的确定 7 3.1注射成型机的选择 7 3.1.1估算零件体积
7
3.1.2估算零件的质量 8 3.2锁模力 8
3.3选择注射机型号及注射机的主要参数 8 3.3.1注塑成型工艺简介注塑机的初步选择 8 3.3.2注塑成型工艺条件 3.3.3注塑机的初步选择
9 10
3.3.4 XS-ZY-125型注塑机的主要参数如下 10 3.4注塑机的校核
10
3.5成型腔数的确定 12 4 浇注系统的设计 13 4.1浇注系统的作用 13 4.2浇注系统的组成 13 4.3主流道设计 13 4.4分流道设计 15 4.5浇口设计
16
5 成型零件结构设计 17
5.1分型面的设计 17
5.1.1分型面选择原则 17 5.2型腔的分布 17 5.3凹模的结构设计 17 5.4凸模的结构设计 17 5.5成型零件工作尺寸的计算
18
5.5.1影响塑件尺寸精度的因素 18 5.5.2模具成型零件的工作尺寸计算 5.6动模板的强度校核 19 5.6.1厚度计算 19 6 导向与脱模机构的设计 20 6.1导向机构的作用和设计原则 20 6.1.1导向机构的作用 20 6.1.2导向机构的设计原则 20 6.2导柱、导套的设计 20 6.2.1导柱的设计 20 6.2.2导套的设计 21 6.2.3导向孔的总体布局 22
6.3脱模机构的确定 22
6.4推杆横截面直径的确定与校核 22
6.4.1推杆横截面直径的确定 22 6.4.2推杆横截面直径的校核 22
18
6.4.3顶杆的形式 23 6.5复位杆的结构设计 24 6.5.1复位杆的作用 6.5.2的结构 24 6.6锁紧块 24 6.6.1锁紧块的作用 6.6.2锁紧块的设计
24 25
25 24
6.6.3锁紧块的结构形式
6.6.4锁紧块的具体结构形式 25 7 侧向分型与抽芯机构的设计 26 7.1斜导柱抽芯机构设计原则 7.2抽芯机构的确定 26
7.3斜导柱抽芯机构的有关参数计算 26 7.3.1抽芯距S 26
7.3.2斜导柱倾斜角α的确定 27 7.3.3斜导柱直径的确定 7.3.4斜导柱长度的计算 7.4滑块的设计 29 7.5导滑槽的设计 7.6滑块定位装置 7.6.1作用 31 7.6.2结构形式 31
30 31
28 28
26
8 成型零件尺寸计算 32 9 冷却系统
33
9.1温度调节对塑件质量的影响 33 9.2对温度调节系统的要求 33 9.3模具冷却装置的设计 33 9.3.1冷却装置的设计要点 33 9.3.2水嘴的结构形式 33 9.3.3冷却水道的结构 34 10 模具的可行性分析 35 10.1本模具的特点 35
10.2市场前景与经济效益分析 35 结论 36 参考文献 37 致 谢 38
毕业设计(论文)知识产权声明 39 毕业设计(论文)独创性声明 1 绪论 1.1前言
模具是利用其特定形状去成型具有一定的形状和尺寸制品的工具。在各种材料加工工业中广泛的使用着各种模具。例如金属铸造成型使用的砂型或压铸模具、金属压力加工使用的锻压模具、冷压模具等各种模具。
对模具的全面要求是:能生产出在尺寸精度、外观、物理性能等各方面都
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满足使用要求的公有制制品。以模具使用的角度,要求高效率、自动化操作简便;从模具制造的角度,要求结构合理、制造容易、成本低廉。 模具影响着制品的质量。首先,模具型腔的形状、尺寸、表面光洁度、分型面、进浇口和排气槽位置以及脱模方式等对制件的尺寸精度和形状精度以及制件的物理性能、机械性能、电性能、内应力大小、各同向性、外观质量、表面光洁度、气泡、凹痕、烧焦、银纹等都有十分重要的影响。其次,在加工过程中,模具结构对操作难易程度影响很大。在大批量生产塑料制品时,应尽量减少开模、合模的过程和取制件过程中的手工劳动,为此常采用自动开合模自动顶出机构,在全自动生产时还要保证制品能自动从模具中脱落。另外模具对制品的成本也有影响。当批量不大时,模具的费用在制件上的成本所占的比例将会很大,这时应尽可能的采用结构合理而简单的模具,以降低成本。
现代生产中,合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是必不可少的三项重要因素,尤其是模具对实现材料加工工艺要求、塑料制件的使用要求和造型设计起着重要的作用。高效的全自动设备也只有装上能自动化生产的模具才有可能发挥其作用,产品的生产和更新都是以模具的制造和更新为前提的。由于制件品种和产量需求很大,对模具也提出了越来越高的要求。因此促进模具的不断向前发展。
1.2模具发展现状及发展方向 1.2.1国内外注塑模具的发展现状
近年来我国的模具技术有了很大的发展,在大型模具方面,已能生产大屏彩电注塑模具、大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具。机密塑料模具方面,已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具
及塑封模具。
在成型工艺方面,多材质塑料成行模、高效多色注塑模、镶件互换结构和抽
芯脱模机构的创新业取得了较大进展。气体辅助注射成形技术的使用更趋成熟。热流道模具开始推广,有些单位还采用具有世界先进水平的高难度针阀式热流道模具。
当前国内外用于注塑模具方面的先进技术主要有以下几种:a. 热流道技术 它是通过加热的办法来保证流道和浇口的塑料保持熔融状态。由于在流道附近或中心设有加热棒和加热圈,从注塑机喷出口到浇口的整个流道都处于高温状态,使流道中的塑料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,而且常用于较复杂的大型制品,模具设计和保持熔融,停机后一般不需要打开流道取出凝料,再开机时只需加热流道到所需温度即可。这一技术在大批量生产塑件、原材料较贵和产品质量要求较高的情况下尤为适用。热流道注塑成型技术应用范围很广,基本上,适用于冷流道模具加工的塑料材料都可以使用热流道模具加工,许多产品如手机壳、按键、面板、尺寸要求精密的机芯部件等都是采用热流道技术成型。一个典型的热流道系统一般由如下几大部分组成:(1)热流道板(MANIFOLD);(2)喷嘴(NOZZLE);(3)温度控制器;(4)辅助零件。
b. 气体辅助注射成形技术 它是向模腔中注入准确计量的塑料熔体,在通过特殊的喷嘴向熔体中注入压缩气体,气体在熔体内沿阻力最小的方向前进,推动熔体充满型腔并对熔体进行保压,当气体的压力、注射时间合适的时候,则塑料会被压力气体压在型腔壁上,形成一个中空、完整的塑件,待塑料熔体冷却凝固
后排去熔体内的气体,开模退出制品。气体辅助注射成形技术的关键就是怎么合理的把握注入熔融塑料的时间与充入气体时间的配合。气体辅助注射可以应用在除特别柔软的塑料以外的任何热塑性塑料和部分热固性塑料。应用气体辅助注塑成型技术,可以提高产品强度、刚度、精度,消除缩影,提高制品表面质量;降低注射成型压力以减小产品成型应力和翘曲,解决大尺寸和壁厚差别较大产品的变形问题;简化浇注系统和模具设计,减少模具的重量,减少塑件产品的重量,减少成型时间以降低成本和提高成型效率等。气体辅助成形周期可分为如下六个阶段:塑料熔体填充阶段、切换延迟时间、气体注射阶段、保压阶段、气体释放阶段、推出阶段。
c. 共注射成形技术 它是使用两个或者两个以上注射系统的注塑机,将不同品种或者不同色泽的塑料同时或者先后注射进入同一模具内的成形方法。国内使用的多为双色注塑机。采用共注射成形方法生产塑料制品时,最重要的工艺参数是注射量、注射速度和模具温度[1]。
在制造方面,CAD/CAM/CAE技术的应用上了一个新台阶,一些企业引进CAD/CAM系统,并能支持CAE技术对成形过程进行分析。近年来我国自主开发的塑料膜CAD/CAM系统有了很大发展,如北航华正软件工程研究所开发的CAXA系统、华中理工大学开发的注塑模HSC5.0系统及CAE软件等。
1.2.2国内外注塑模具的发展趋向
优化模具系统结构设计和型件的CAD/CAE/CAM,并使之趋于智能化,提高型件成形加工工艺和模具标准化水平,提高模具制造精度与质量,降低型件表面研磨、抛光作业量和缩短制造周期;研究、应用针对各类模具型件所采用的高性能、易切削的专用材料,以提高模具使用性能;为适应市场多样化和个性化,应用
快速原型制造技术和快速制模技术,以快速制造成塑料注塑模,缩短新产品试制周期[21]。这些是未来5~20年注塑模具生产技术的总体发展趋势,具体表现在以下几个方面:
a. 提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计水平及比例。 b. 在塑料模设计制造中全面推广应用CAD/CAM/CAE技术。
c. 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。 d. 开发新的成型工艺和快速经济模具。 e. 提高塑料模标准化水平和标准件的使用率。
f. 应用优质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。
1.3本课题的内容和具体要求 1.3.1本课题的内容
根据连接器塑料壳体的样品,设计一套注塑模具。 1.3.2具体要求
a. 本设计中要注意的问题:塑件的精度要求为六级,其中配合部位为七级。 b. 预期的效果:通过本次设计,通过对模具专业的学习,掌握了常用材料在各种成型过程中对模具的工艺要求,各种模具的结构特点及设计计算的方法,以达到能够独立设计一般模具的要求。在模具制造方面,掌握一般机械加工的知识,金属材料的选择和热处理,了解模具结构的特点,根据不同情况选用模具加工新工艺,并能熟练应用CAD,PRO/E。
毕业设计能够对以上各方面的要求加以灵活运用,综合检验大学期间所学的知识。
2 零件材料分析及方案论证 2.1零件的材料及材料的特性 2.1.1零件的材料 此零件的材料是ABS.
2.1.2 ABS材料的特点塑料ABS树脂是目前产量最大,应用最广泛的聚合物,它将PB,PAN,PS的各种性能有机地统一起来,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。一种磺酸盐类阴离子表面活性剂。大多数日用洗衣粉的主要成分。
ABS一般性能:ABS外观为不透明呈象牙色粒料,其制品可着成五颜六色,并具有高光泽度。ABS相对密度为1.05左右,吸水率低。ABS同其他材料的结合性好,易于表面印刷、涂层和镀层处理。ABS的氧指数为18~20,属易燃聚合物,火焰呈黄色,有黑烟,并发出特殊的肉桂味。力学性能:ABS有优良的力学性能,其冲击强度极好,可以在极低的温度下使用;ABS的耐磨性优良,尺寸稳定性好,又具有耐油性,可用于中等载荷和转速下的轴承。ABS的耐蠕变性比PSF及PC大,但比PA及POM小。ABS的弯曲强度和压缩强度属塑料中较差的。ABS的力学性能受温度的影响较大。
热学性能:ABS的热变形温度为93~118℃,制品经退火处理后还可提高10℃左右。ABS在-40℃时仍能表现出一定的韧性,可在-40~100℃的温度范围内使用。
电学性能:ABS的电绝缘性较好,并且几乎不受温度、湿度和频率的影响,可在大多数环境下使用。
环境性能:ABS不受水、无机盐、碱及多种酸的影响,但可溶于酮类、醛类及氯代烃中,受冰乙酸、植物油等侵蚀会产生应力开裂。ABS的耐候性差,在紫外光的作用下易产生降解;于户外半年后,冲击强度下降一半。
ABS塑料的加工性能:ABS同PS一样是一种加工性能优良的热塑性塑料,可用通用的加工方法加工。
ABS的熔体流动性比PVC和PC好,但比PE、PA及PS差,与POM和HIPS类似;ABS的流动特性属非牛顿流体;其熔体粘度与加工温度和剪切速率都有关系,但对剪切速率更为敏感。
ABS的热稳定性好,不易出现降解现象。ABS的吸水率较高,加工前应进行干燥处理。一般制品的干燥条件为温度80~85℃,时间2~4h;对特殊要求的制品如电镀的干燥条件为温度70~80℃,时间18~18h。ABS制品在加工中易产生内应力,内应力的大小可通过浸入冰乙酸中检验;如应力太大和制品对应力开裂绝对禁止,应进行退火处理,具体条件为放于70~80℃的热风循环干燥箱内2~4h,再冷却至室温即可。
2.1.3 ABS注射成型工艺参数 密度(g/ cm3): 1.02~1.05; 计算收缩率(%):0.4~0.7; 对钢的摩擦系数:0.20~0.25;拉伸弹性模量(GP):1.59~2.28; 弯曲弹性模量GP:1.38~2.69; 抗拉强度(MP):30~50; 抗弯强度(MP):41~79; 抗压强度(MPa):92; 模腔表面温度(℃):50~90; 注射熔体温度(℃):200~270; 注射压力(Mpa):60~100;
2.2 ABS注射成型的原理及工艺过程 2.2.1注射成型的原理
将塑料颗粒定量注入,加入到注塑机的料筒内,通过料筒的传热,以及螺杆转动时产生的剪切摩擦作用使塑料逐渐融化成流动状态,然后在柱塞或螺杆的推挤下熔融塑料以高压和较快的速度通过喷嘴注入到温度较低的闭合模具的型腔中,由于模具的冷却作用,使模腔内的熔融塑料逐渐凝固并定型,最后开模取出塑件[2]。
2.2.2热塑性注射成型工艺过程 图2.2.2 注射成形工艺示意图 2.3注射模具的基本组成
2.3.1基本组成 浇注系统,成型零件,脱模系统,导向系统,冷却系统,固定和安装部分等。
2.4方案的论证和初步确定
a. 第一种 该种方案采用直浇口、利用斜导柱带动滑块侧抽芯机构、顶管脱模、复位杆复位、导向用导柱。
该方案斜导柱易于斜抽芯的实现,斜导柱结构简单便于制造,但浇口直附近容易产生残留内应力,浇口处易产生缩孔。
b. 第二种 浇口采用侧浇口、斜导柱带动滑块侧抽芯机构、顶杆脱模、复位杆复位、导向用导柱。侧浇口结构简单不需二次开模,但侧浇口有拐角流程长,压力和热量损失大,容易形成熔接痕、缩孔、气泡等缺陷。 c. 第三种 采用斜导柱和滑块侧抽芯机构,浇口采用点浇口、复位杆复位,需要二次开模,但不影响制件的外观,需设滑块限位装置,适用于抽拔力不大,抽芯距不长的情况,斜导柱结构比较简单制造方便。此零件断面基本为矩形,且浇口一般开在分型面上,脱模后对成型零件影响很小,这种方式的模具制作简便。其结构简图如2.4:图
2.4 斜导柱侧抽芯结构图
3 注射成型机的选择与成型腔数的确定 3.1注射成型机的选择 3.1.1估算零件体积 塑件的体积为:45.38cm3;
浇道凝料体积为:6.81cm3(借助于Proe 2.0得),如图3.1.1; 图3.1.1 塑件体积的测量图 3.1.2估算零件的质量
因为ABS材料的密度为1.05g/cm3,所以M零ρV1.05×45.3847.65g,浇注系统凝料按一个塑件体积的15%进行计算,则凝料体积为:
V凝45.38×15%6.81cm3 塑件和浇注系统凝料总体积: V总45.38+6.8152.19cm3
总质量:M总1×52.19×1.0554.80g MN×M塑+M浇1×47.65+7.1554.80g) 3.2锁模力
计算其所需锁模力为: T≥KFQ/1000 (3.2)
T------注射机的锁模力(N); K------安全系数,一般取1.1~1.25; F------分型面上的最大投影面积;
Q------QEp,E指粘度系数,一般取0.25~0.50,p注射机料杆比压Pa; 塑件的投影面积为:
F72cm2 T≥25.92 KN
3.3选择注射机型号及注射机的主要参数
3.3.1注塑成型工艺简介注塑机的初步选择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。一般分为三个阶段的工作。
图3.3.1 注塑成型压力?时间曲线
a. 物料准备 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。 b. 注塑过程 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注射、保压、倒流和冷却四个阶段,注塑过程可以用如图所示3.3.1所示。图中t0代表螺杆或柱塞开始注射熔体的时刻;当模腔充满熔体(tt1)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(或柱塞)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。这一阶段的时间越长,分子定向的程度越高。从螺杆开始后退到结束(时间从t2到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。倒流一直进行到浇口处熔体凝结时为止。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[20]。 c. 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[3]。
3.3.2注塑成型工艺条件 注射机类型: 螺杆式。 预热和干燥: 温度(t/℃)80~85;
时间(τ/h)2~3。 料筒温度(t/℃):后段150~170;中段165~180;前段180~200。 喷嘴温度(t/℃):170~180。 模具温度(t/℃):50~80。 注射压力(MPa): 60~100。 保压压力(MPa): 40~50。 成型时间(τ/s): 注射20~90;高压0~5;成型周期50~220;冷却20~120。 后处理: 方法??红外线灯、烘箱;
温度(t/℃)70;
时间(τ/h)2~4。
3.3.3注塑机的初步选择 塑件成型所需的注射总量应小于所选注塑机的注射容量。注射容量以容积cm3表示时,塑件体积包括浇注系统应小于注塑机的注塑容量,其关系是:M≤80%G (3.3)
G≥M/80%G54.80/0.8
68.50g 查塑料模具设计手册[8],可知注射压力为68.50公斤/厘米2,宜用螺杆式注射机,初选XS-ZY-125型。
3.3.4 XS-ZY-125型注塑机的主要参数如下 最大注射量 125cm2 注射压力1190×105Pa 注射方式螺杆式 锁模力 90×104N 最大成型面积 320cm2模具最小厚度 200mm2模具最大厚度 300mm2 最大开模行程 300mm2
3.4注塑机的校核 a. 最大注塑量效核 材料的利用率为47.65/1250.38,符合小于注塑机注射量80%的要求。 b. 注射压力的效核 所选注塑机的注塑压力需大于成型塑件所需的注射压力,ABS塑件的注塑压力一般要求为600~1000MPa,所以该注塑机的注塑压力符合条件。
c. 锁模力效核 高压塑料熔体充满型腔时,会产生使模具沿分形面分开的胀模力,此力的大小等于塑件和流道系统在分形面上的投影等于型腔压力的成积。胀模力必须小于注塑机额定锁模力。
型腔压力Pc可按下式粗略计算:PckP(MPa)(3.4) 式中 Pc------型腔压力,MPa; P------注射压力,MPa;
K------压力损耗系数,通常在0.25~0.5范围内选取。
所以 PcKP0.3×1190357MPa;型腔压力决定后,可按下式校核注塑机的额定
锁模力:TKPcA (3.5)
式中 T------注塑机的额定锁模力,KN;
A------塑件和流道系统在分形面上的投影面积,mm2; K------安全系数,通常取1.1~1.2; KpcA1.2×72×35730.84(吨)
所以T9030.84成立,即该注塑机的锁模力符合要求。
d. 模具厚度校核 初定模具厚度为250mm,在该注塑机要求的厚度范围200~300mm之内。
e. 模具安装尺寸校核 模具安装固定有两种:螺钉固定、压板固定。采用螺钉直接固定时(大型模具多采用此法),模具动定模板上的螺孔及其间距,必须和注塑机模板台面上对应的螺孔一致;采用压板固定时(中、小型模具多用此法),只要在模具的固定板附近有螺孔就可以,有较大的灵活性;该模具采用压板固定。
f. 开模行程的效核 开模取出塑件所需的开模距离必须小于注塑机的最大开模行程。对于双分型面的注塑模具,其开模行程按下式效核: SSK-HM≥H1+H2+a+(5~10)mm (3.6)
式中 S------注塑机的最大行程,mm;
H1-----塑件的脱模距离(此模具中为30),mm;
H2------包括流道在内的塑件高度(此模具中为30),mm; A-------定模板与浇口板的分离距离(此模具中为30),mm;
所以上式成立(300100),又由于抽芯距小于浇口凝料,该值在计算时按H2值即可,则该注塑机的开模行程符合要求。
由以上对各参数的效核可知该注塑机(XS-ZY-125型)符合要求。 3.5成型腔数的确定
以机床的注射能力为基础,每次注射量不超过注射机最大注射量的80%。 计算: (3.7) N----型腔数; S----注射机的注射量(g);W浇----浇注系统的重量(g);W件----塑件重量(g);
因为,N1.95<2;所以,此模具型腔为一模一腔。 4 浇注系统的设计 4.1浇注系统的作用
浇注系统是塑料熔体由注塑机喷嘴通向模具型腔的流动通道,因此它应能够顺利的引导熔体迅速有序地充满型腔各处,获得外观清晰,内在质量优良的塑件[4]。对浇注系统设计的具体要求是: a. 对模腔的填充迅速有序; b. 可同时充满各个型腔; c. 对热量和压力损失较小; d. 尽可能消耗较少的塑料; e. 能够使型腔顺利排气; f. 浇注道凝料容易与塑料分离或切除; g. 不会使冷料进入型腔; h. 浇口痕迹对塑料外观影响很小。
4.2浇注系统的组成
浇注系统组成是:主流道、分流道、浇口、冷料井。
4.3主流道设计 主流道通常位于模具的入口处,其作用是将注塑机喷嘴注出的塑料熔体导入分流道或型腔。其形状为圆锥形,以便于塑料熔体得流动及流道凝料的拔出。热塑性塑料注塑成型用的主流道,由于要与高温塑料及喷嘴反复接,所以主流道常设计成可拆卸的主流道衬套。 图4.3.1 喷嘴与主流道衬套连接关系
紧接注塑机喷嘴,与注塑机喷嘴在同一直线上,主流道形状一般为圆形和圆锥形,为便于冷料流道凝料的拔出,设计成具有2~4度的圆锥形。 a. 主流道尺寸 为避免高压塑料熔体溢出,凹坑球半径SR2应比喷嘴球半径SR1大1~2mm,主流道小端直径d2比喷嘴孔直径d1大0.5~1mm;根据所选注塑机,则主流道小端尺寸为:d注塑机喷嘴尺寸+0.5~14+0.5~14.5mm
主流道球面半径 SR喷嘴球半径+1~212+1~214mm
b. 主流道衬套形式 为了便于加工和缩短主流道尺寸,衬套和定位环设计成分体式,材料采用T10钢,热处理淬火后表面硬度为50HRC~55HRC。 图4.3.2 主流道衬套结构 图4.3.3 定位环和浇口套的装配c. 浇口套的尺寸设计要求:
(1)浇口套与注射机喷嘴接触处球面的圆弧度必须吻合。设模具浇口套球面半径为R,注射机球面半径为r,其关系式如下:
R r+0.5~1mm 12.75mm
(2)浇口套进口的直径d应比注射机喷嘴孔d1直径大1~2mm。 d d1 +1~2mm 4.4分流道设计
分流道是主流道与浇口之间的通道。多型腔膜局一定要设置分流道,大型塑件由于使用多浇口进料也许设置分流道。
a. 分流道断面形状的选择 分流道的断面形状有圆形、六边形、半圆形、梯形、矩形、U形等。断面的比表面积直接关系到熔体的热量损失和流动阻力,在其它条件相同时,比表面积越大则热量损失和流动阻力也越大;反之亦然。
为减少流道内的压力损失,希望流道的截面积大;从热传导角度考虑,为减少热损失,要求流道的比表面及(截面积与外周之比)最小。因此,用流道的截面
积与周长的比值来表示流道的效率。各种截面的效率为:圆形0.25D,正方形0.25D,六角形0.217D,U字型0.153D,梯形0.195D,D为截面大端宽度。当分型面为平面时,可采用圆形或六角形截面的分流道;当截面不是平面时,常采用梯形或半圆形截面的流道[5]。塑料熔体在流道中流动时,表层冷凝冻结,其绝缘作用,熔体仅在流道中心部分流动,一次分流道的理想状态是其中心与浇口中心一致,圆形截面流道可实现这一点,而梯形截面流道就难以实现。
b. 分流道的布置 分流道的设计原则:在熔体不产生喷射的前提下,流道越短越好,以减小压力损失,提高充型压力。
c. 分流道的截面尺寸 分流道的截面尺寸 应根据塑件的成型体积、壁厚、形状,所用塑料的工艺性能,注塑速率以及分流道的长度等因素来确定。
对于壁厚小于3.2mm,重量在200g以下的塑件,可用下述经验公式确定分流道的直径(此时算出的分流道直径仅限于3.2~9.5mm): D(4.1)
式中 D------分流道的直径mm;
W-----塑件的质量g(此零件为47.65g); L------分流道的长度mm(约为30 mm)。 所以D≈4mm 4.5浇口设计
浇口是连接分流道和型腔之间的一段细短流道(除直接浇口外),是塑料熔体进入型腔的入口。它是浇注系统的关键部分。浇口的形状、数量、位置及尺寸对塑件的成型性能及成型质量影响很大。合理选择浇口的位置是提高塑件质量的重要环节,浇口位置不同,也将直接影响模具的结构以及塑件的成型质量。
浇口作用:浇口对充模流动和补料时间起着控制性作用。
浇口断面面积约为分流道断面面积的3%~9%,浇口越小,即比表面积越大大,熔体流经浇口时的热量损越大,浇口处的流动阻力也越大,但由于浇口尺寸很小,导致熔体流经浇口时剪切速率明显升高,这使得熔体表观粘度降低,从而又使流体流动变得容易,一定程度上抵消了因浇口尺寸变小而增加的流动阻力,另外因熔体通过浇口时有明显的粘性发热现象,使进入型腔的熔体温度升高,反而使充模更容易,充模效果优于大浇口。常见的浇口形式及各自优缺点。[6] a.侧浇口(又名标准浇口、边缘浇口):属小浇口的一种,断面接近矩形,便于机械加工且易保证精度;可以分别调整充模时的剪切速率和浇口封闭时间。 b.扇形浇口和平缝式浇口:能使物料在横向得到均匀分配,降低了塑件的内应力,特别是减少应取向而产生的翘曲,常用于成型宽度较大的薄片状制品,但成型后去除浇口后加工量大。 c.点浇口:浇口尺寸很小,开模时容易自动切断,熔接痕小。点浇口适用于表观粘度对剪切速率敏感的塑料熔体和粘度较低的塑料熔体。 d.护耳浇口:适用于用小尺寸浇口会产生喷射场合,但成型后加工余量大。 e.直浇口:注塑压力和热量损失最小,固化时间长,延长了补料时间,补缩效果好。但浇口附近容易产生残留内应力,浇口处易产生缩孔。
浇口的选择分析:由于塑件表面质量的要求和模具结构的要求,浇口采用点浇口。通常,采用小尺寸浇口填弃薄型腔比采用大尺寸浇口更为有力。
5 成型零件结构设计 5.1分型面的设计 5.1.1分型面选择原则
a. 分型面是动、定模具的分界面,即打开模具取出塑件或取出浇注系统凝料的面。分型面的位置影响着成型零部件的结构形状,型腔的排气情况也与分型面的开设密切相关[7]。
b. 分型面的分类及选择原则
分型面的分类 实际的模具结构基本上有三种情况:1型腔完全在动模一侧;2型腔完全在定模一侧;3型腔各有一部分在动定、模中。
分型面的分类及选择原则 分型面的选择不仅关系到塑件的正常成型和脱模,而且设计末句结构和制造成本。
分型面的确定 鉴于以上的要求,在该模具中分型面设在球面与平面的结合处,此面为塑件截面尺寸最大的部位,是该塑件分型面的一个好的选择。
5.2型腔的分布 模具型腔在模板上的排列方式通常有圆形排列、H形排列、直线排列、对称排列及复合排列等。综合考虑,因此模具型腔为一模两腔,所以在模板上的位于中心位置。
5.3凹模的结构设计 凹模又称阴模,它是成型塑件外轮廓的零件。根据需要选取下面结构形式:
整体式凹模,它是由一整块金属材料加工而成。其特点是为非穿通式模体,强度好,不易变形。但由于加工困难,故只适用于小型且形状简单的塑料成型。
5.4凸模的结构设计型芯是成型塑件内表面的成型零件,通常可以把型芯和滑块做成整体式和组合式两种类型。整体式型芯是将型芯与滑块做成做成一体结
构牢固,不过只适用于状简单且型芯高度较小的腔模具,型芯复杂或过长给加工带来不便,浪费材料造成加工困难。 该型芯形状复杂,所以应与滑块分开做便于加工,降低成本。
5.5成型零件工作尺寸的计算
设计模具时应该对成型零件的结构形式、计算尺寸、强度校核给以足够的重视。
5.5.1影响塑件尺寸精度的因素
a. 模具成型零件尺寸精度的因素 模具成型零件的加工精度直接影响塑件的尺寸精度。实践表明,因模具成型零件的加工而造成的误差约占塑料塑件成型误差的三分之一。通常模具的制造精度等级为3~4级即可。
b. 模具成型零件的磨损量 模具在使用过程中,由于料流的流动,塑料塑件的脱模,都会使模具成型零件受到磨损。模具成型零件的不均匀磨损、锈蚀、使其表明光洁度降低,而从新研磨抛光也会造成模具成型零件的磨损,其中以塑料塑件的脱模对模具成型零件的磨损最大。因此通常认为凡与脱模方向垂直的面不考虑磨损,与脱模方向平行的面才加以考虑。磨损量随着生产批量的增加而增大。
c. 毛边厚度对塑件塑件尺寸精度的影响 在敞开式和半闭合式压模中,沿塑料塑件型腔周围设有挤压边,把在该挤压边框上形成的塑料层叫毛边。毛边的厚度与加入的压制材料的数量及压制比压有关。利用注射模成型塑料塑件时,同样也会产生毛边。由于分型面上有渣滓,或者锁模力不够大,或者模具零件加工精度不高,使模具零件不能紧密贴合也会形成毛边[10]。
d. 成型工艺条件的控制及操作技术对塑料塑件尺寸精度的影响 成型工
艺条件包括料筒温度、注射压力、保压时间、模具温度、每次注射量、注射速度、冷却时间、成型周期、原料的预热及干燥等,对其进行正确的控制和管理,有利于获得稳定的尺寸,质量优异的塑料塑件,并对经济价值也有大的影响。
5.5.2模具成型零件的工作尺寸计算 工作尺寸是指成型零部件上直接决定塑件形状的有关尺寸,主要包括:凹模、凸模的径向尺寸(含长、宽尺寸)与高度尺寸,以及中心距尺寸等。为了保证塑件质量,模具设计时必须根据塑件的尺寸与精度等级确定相应的成型零部件工作尺寸与精度。其中影响模具尺寸和精度的因素很多,主要包括以下几个方面:
a. 成形收缩率 在实际工作中,成形收缩率的波动很大,从而引起塑件尺寸的误差很大,塑件尺寸的变化值为 δs(S-SminLs (5.1) (0.7-0.4)×80%
0.24mm
式中 δs----------塑件收缩波动而引起的塑件尺寸误差(mm);
S------塑料的最大收缩率(%);
Smin------塑料的最小收缩率(%);Ls----------塑件尺寸(mm)。 一般情况下,由收缩率波动而引起的塑件尺寸误差要求控制在塑件尺寸公差的1/3以内。
b. 模具成形零件的制造误差 实践证明,如果模具的成形零件的制造误差在IT7~IT8级之间,成形零件的制造公差占塑件尺寸公差的1/3。
c. 零件的磨损 模具在使用过程中,由于种种原因会对型腔和型芯造成磨损,对于中小型塑件,模具的成形零件最大磨损应取塑件公差的1/6,而大型零件,应在1/6之下。
d. 模具的配合间隙的误差 模具的成形零件由于配合间隙的变化,会引起塑件的尺寸变化。模具的配合间隙误差不应该影响成形零件的尺寸精度和位置精度[7]。
5.6动模板的强度校核 5.6.1厚度计算
动模垫板由于受到成型压力的作用而发生变形,若此变形过大,就会导致塑件的壁厚发生变化,还会发生溢料现象,因此必须将其最大变形量限制到0.1~0.2mm以下。计算公式如下:5.2
P1F×P式中P1-----动模受的总压力MPa;
F-------塑件及浇注系统在动模上的投影面积cm2; P-------型腔压力一般取25~45MPa; K------修正系数,取0.6~0.75,此处取为0.7; B------动模垫板的宽度mm; L------支撑块的跨距mm。
由此可知,厚度(mm)综合以上计算查表可得动模垫板的厚度为35mm。 6 导向与脱模机构的设计 6.1导向机构的作用和设计原则 6.1.1导向机构的作用
导向机构是保证塑料注射模具的动模与定模合模时正确定位和导向的重要零件,通常采用导柱导向,主要零件包括导柱和导套[11]。其具体作用有:
a. 定位作用 b. 导向作用 c. 承载作用 d. 保持运动平稳作用e. 锥面定位机构作用。6.1.2导向机构的设计原则 a. 导柱(导套)应对称分布在模具分型面的四周,其中心至模具外缘应有足够的距离,以保证模具强度和防止模板发生变形; b. 导柱(导套)的直径应根据模具尺寸选定,并应保证有足够的抗
弯强度; c. 导柱固定端的直径和导套的外径应尽量相等,有利于配合加工,并保证了同轴度要求; d. 导柱和导套应有足够的耐磨性; e. 为了便于塑料制品脱模,导柱最好装在定模板上,但有时也要装在定模板上,这就要根据具体情况而定。
6.2导柱、导套的设计
导柱导向是指导柱与导套(导向孔)采用间隙配合使导柱在导套(导向孔)内滑动,配合间隙一般采用H7/h6级配合。
6.2.1导柱的设计 导柱的结构形式有两种:一种为单节式导柱,另一种为台阶式导柱。小型模具采用单节式导柱,大型模具采用台阶式导柱。对于大型模具,若导柱承受模板的重量,导柱的直径可用下式校验: 6.1
式中 W-----一根导柱承受的模板重力(N); L------模板中心距导柱根部距离(mm); E------材料弹性模量。
在导柱的工作部分上开设油槽,可以改善导向条件,减少摩擦,但增加了成本,由于该模具要求不高,所以不再加油槽。故导柱采用不加油槽的阶梯式导柱。 根据国家标准选用直径为15mm长度为112mm的导柱。其示意图如下:
图6.2.1 导柱
6.2.2导套的设计 由于导柱已选定,且该模具较小,其导柱、导套配合之间模具结构较复杂,所以采用两个导套接连使用达到模具要求,由塑料模具设计与制造可查得与之相配的导套为 I型带头导套,其直径为15mm,长度分别为35mm。其示意图如下:
图6.2.2 导套
6.2.3导向孔的总体布局 导向零件应合理地均匀分布在模具的周围或靠近边缘的部位,其中心距模具边缘应有足够的距离,以保证模具的强度,防止压入导柱和导套后发生变形。
根据手册推荐值选定的导柱分布,情况如下图所示: 图6.2.3 导向孔总体布局
6.3脱模机构的确定本模具采用的为一次顶出脱模机构,它包括常见的顶杆、顶管、顶板、顶块或活动镶块等脱模机构。该机构是最常用的顶出方式。即塑件在顶出机构的作用下,通过一次动作即可顶出。基于以上原则,该模具的脱模零部件设在动模上,选择顶杆顶出形式。
6.4推杆横截面直径的确定与校核 6.4.1推杆横截面直径的确定
由于该塑件的底面尺寸有限,所以只能凭经验定推杆的直径为 d4mm。以下要对其许用应力进行校核。
6.4.2推杆横截面直径的校核 a. 脱模阻力的计算 P1ChP0 (公斤)(6.2)
式中C------型芯成型部分断面的平均周长(厘米)这里C120πmm ; h------型芯被塑料包紧部分的长度(厘米),这里h360mm 由PRO/E测得; P0-----单位面积的包紧力,其值与塑件的几何形状及塑料的性质有关,一般可取80~120公斤/厘米2,这里取 80公
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