斜槽式分油套注塑模具设计
斜槽式分油套注塑模具设计
1 引言
模具是利用其特定形状去成型具有一定形状和尺寸的制品的工具，按制品所采用的原料不同，成型方法不同，一般将模具分为塑料模具、金属冲压模具、金属压铸模具、橡胶模具、玻璃模具等。因人们日常生活所用的制品和各种机械零件，在成型中多数是通过模具来制成，所以模具制造业已成为一个大行业。在高分子材料加工领域中，用于塑料制品成型的模具，称为塑料成型模具。塑料模优化设计，是当代高分子材料加工领域中的重大课题。为了生产这些塑料制品必须设计相应的塑料模具。在塑料材料、制品设计及加工工艺确定后，塑料模具设计对制品质量与产量，就有决定性的影响。首先，模腔形状、流道尺寸、表面粗糙度、分型面、进浇与排气位置选择、脱模方式以及定型方法的确定等，均对制品（或型材）尺寸精度形状精度以及塑件的物理性能、内应力大小、表观质量与内在质量等，起着十分重要的影响。其次，在塑件加工过程中，塑料模结构的合理性，对操作的难易程度，具有重要的影响。再次，塑料模对塑料成本也有相当大的影响，除简易模外，一般来说制模费用是十分昂贵的，大型塑料模更是如此。现代塑料制品生产中，合理的加工工艺、高效的设备和先进的模具，被誉为塑料制品成型技术的“三大支柱”。尤其是加工工艺要求、塑件使用要求、塑件外观要求，起着无可替代的作用。塑料模是塑料制品生产的基础之深刻含义，正日益为人们理解和掌握。当塑料制品及其成型设备确定后，塑件质量的优劣及生产效率的高低，模具因素约占80%。由此可知，推动模具技术的发展应是刻不容缓的策略。尤其大型模具的设计与制造水平，常可标志一个国家工业化的发展程度。
2 产品成型工艺分析
2.1 产品结构性能简介
本课题是斜槽式分油套注塑模具设计。其外形结构如下图所示。本塑件为筒形件，壁周围有12个圆孔。难点在抽芯，要求在分型时同时抽芯，所以拟采用滑块导板转动抽芯机构。采用一模一腔，材料为PA66（尼龙双六）。
图2-1 分油套注塑件
2.2 产品工艺分析
2.2.1 PA66的性能
(1)使用性能综合性能好，冲击强度、力学强度较高，尺寸稳定，耐化学性，电气性能良好；易于成型和机械加工，适合制作一般零件。
(2)成型性能
1)吸湿性强，必须充分干燥，要求表面光泽的塑件应要求长时间预热干燥。
2)模具设计时要注意浇注系统，选择好进料口位置、形式。推出力过大或机械加工时塑件表面呈现白色痕迹。
3)PA66 的主要性能指标:密度(g/cm3) 1.10～1.15;比体积0.91;收缩率(%) 1.0～1.2; 熔点(℃) 246～263;拉伸强度(MPa) 60～80;抗弯强度(MPa) 100～120;抗压强度(MPa) 89.5;弯曲弹性模量(MPa)2×10 3 ～3×10 3。
2.2.2 PA66成型工艺
(1) 注射成型过程
成型前的准备:对PA66 的色泽、粒度和均匀度等进行检验，由于PA66吸水性较大，成型前应进行充分的干燥。注射过程:塑件在注射机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的浇注系统进入模具型腔成型，其过程可分为冲模、压实、保压、倒流和冷却五个阶段塑件的后处理。处理的介质为空气和水，处理温度为60～75℃，处理时间为16～20s。
(2) 注射工艺参数
经分析，本塑件适合采用螺杆卧式注塑机，注塑工艺参数如下：
表2-1 注塑工艺参数
注塑机类型 喷嘴形式 喷嘴温度/℃ 料筒温度/℃
螺杆式注塑机 直通式 170~180 前段 中段 后段
180～200℃ 165～180℃ 150～170℃
模具温度/℃ 注射压力/ MPa 保压力/ MPa 注射时间/s
50～80℃ 60～100 30~50 1~2
保压时间/s 冷却时间/s 成型周期/s 成型温度/℃
15~25 15~25 40~70 160~190
3 模具总体方案
综合考虑模具制作成本和结构复杂程度，选定以下方案：
1主流道衬套 2定模板 3转盘 4小型芯滑块 5主型芯 6动模板 7垫板 8三脚顶套 9顶板
10模脚圈
图3-1 模具总体方案
4 注塑工艺方案
4.1 设计步骤
注塑模具的结构设计一般按如下步骤进行，在本章只作简要概述，初步拟订设计方案，具体详细设计依据及计算放在后面进行论述。(1) 确定型腔的数目；(2) 选定分型面；(3) 确定浇注系统；(4) 确定成型零部件；(5) 确定合模导向机构；(6) 确定脱模顶出机构；(7) 温度调节系统分析；(8) 排气系统分析；(9)绘制模具结构草图，选取标准模架。
4.2 模具工艺方案
(1) 根据产品的技术和经济要求拟采用一模一腔结构；
(2) 分型面选在塑件最大横截面上，这样便于塑件脱模，排气效果好，同时也便于加工；
(3) 浇注系统主流道采用常用的圆锥形，分流道的截面形状为圆形，冷料穴采用无拉料杆的冷料穴。浇口的设计采用点浇口形式，利于充模、便于塑件与冷凝料的分离、有利于修整塑件上留下的痕迹。
4.3 设计软件的选择
三维CAD软件种类很多，国内外模具设计大多采用了三维设计手段，在模具设计与制造上发生了很大的变化。三维通用机械CAD 软件如Pro /E、UG和CATIA，它们都是参数化功能极强的三维模具设计软件，并且都具有完备的自动化设计功能。但CATIA 对计算机硬件的要求很高，资金投入较多，一般中小企业难以实现; UG和Pro /E在CAD和CAM方面都做得很出色;还有一些专用模具软件。国外的模具设计，特别是型腔模设计均采用三维CAD 设计，生成的三维模型直接用于CAM进行编程，再到CNC加工中心去加工，具有极高的工作效率。
CAE技术提供了可靠的保证。在模具投产之前，CAE软件可以预算测模具结构有关参数的正确性。例如可以采用流动模拟软件来考察熔体在模具腔内的流动过程，从此来改进浇注系统的设计，提高试模的一次成功率。可以用保压和冷却分析软件来考察熔体的凝固和模温的变化。以此来改进冷却系统，调整成型工艺参数，提高塑料制件的质量和生产效率，还可以采用应力分析软件来预测塑件出模后的变形和翘曲。模腔的几何数据能相互地转换为曲面的机床刀具加工轨迹，提高型腔和型芯的加工精度和效率。
4.4 注射机的选择
4.4.1 注射机选择标准
注射模是安装在注射机上的，因此在设计注射模具时应该结合注射机有关技术规范进行必要的了解，以便设计出符合要求的模具，同时选定合适的注射机型号。选用注射机时，通常是以某塑件的（或模具）实际需要的注射量初选某一公称注射量的注射机型号，然后依次对该机型的公称注射压力、公称锁模力、模板行程以及模具安装部分的尺寸进行校核。在模具设计时，根据产品几何尺寸及模具结构特点，尽可能选用合适的注塑机以充分发挥设备的内在能力。应该根据以下几个方面：
(1) 通常影响注塑机选择的重要因素包括模具、产品、塑料、成性要求等；
(2) 模具尺寸（宽度、高度、厚度）、重量、特许设计等；
(3) 使用塑料的种类及数量（单一原料或多种塑料）；
(4) 注塑成品的外观尺寸（长、宽、高、厚度）、重量等；
(5) 成型要求，如品质条件、生产速度等。
4.4.2 所需注射量的计算
(1) 塑件质量、体积计算
由Pro/E软件建模分析得塑件体积V塑 = 25.462 cm3，塑件质量m塑 = ρV塑 =1.10 × 25.462g= 28.0g。
(2) 浇注系统凝料体积的初步估算
浇注系统的凝料在设计之前是不能确定准确的数值，但是可以根据经验按照塑件体积的0.2～1 倍来估算。由于本次采用流道简单并且较短，因此浇注系统的凝料按塑件体积的0.2 倍来估算，故一次注入模具型腔塑料熔体的总体积V总=V塑（1+0.2）= 25.462 × 1.2 cm3 = 30.55cm3。
4.4.3 注塑机型号的选择
根据上面计算得出一次性注入模具型腔的塑料总体积V总=30.55cm3,结合公式则有：V总/0.8=30.55/0.8=38.186cm3选择注塑机型号为XS-ZY-60，主要技术参数如下表：
表4-1 XS-ZY-60型卧式注塑机主要技术参数
注塑机型号 XS-ZY-60
注射容量/ cm3 60
注射压力/MPa 122
锁模力/10kN 500
开合模行程/mm 180
最大注射面积/ cm2 320
最大模具厚度/mm 200
最小模具厚度/mm 70
定位孔直径/mm 100
喷嘴球半径/mm 12
喷嘴孔直径/mm 4
推出两侧中心孔距/mm 280
注塑机拉杆空间 190x300
(1) 注射压力校核
PA66 注射压力为70～120MPa，P0=100该注射机的公称注射压P公=122MPa，
注射压力安全系数k1 =1.3，则k1P0 =1.3×100MPa=130MPa＞P公。
由以上结果可知，注射机注射压力不合格需重选注塑机。选择注塑机型号为XS-ZY-125，其主要技术参数如下表：
表4-2 XS-ZY-125型卧式注塑机主要技术参数
注塑机型号 XS-ZY-125
注射容量/ cm3 125
注射压力/MPa 150
锁模力/10kN 900
开模行程/mm 300
最大注射面积/ cm2 320
最大模具厚度/mm 300
最小模具厚度/mm 200
定位孔直径/mm 100
喷嘴球半径/mm 12
喷嘴孔直径/mm 4
推出两侧中心孔距/mm 230
注塑机拉杆空间 260x290
1 引言
模具是利用其特定形状去成型具有一定形状和尺寸的制品的工具，按制品所采用的原料不同，成型方法不同，一般将模具分为塑料模具、金属冲压模具、金属压铸模具、橡胶模具、玻璃模具等。因人们日常生活所用的制品和各种机械零件，在成型中多数是通过模具来制成，所以模具制造业已成为一个大行业。在高分子材料加工领域中，用于塑料制品成型的模具，称为塑料成型模具。塑料模优化设计，是当代高分子材料加工领域中的重大课题。为了生产这些塑料制品必须设计相应的塑料模具。在塑料材料、制品设计及加工工艺确定后，塑料模具设计对制品质量与产量，就有决定性的影响。首先，模腔形状、流道尺寸、表面粗糙度、分型面、进浇与排气位置选择、脱模方式以及定型方法的确定等，均对制品（或型材）尺寸精度形状精度以及塑件的物理性能、内应力大小、表观质量与内在质量等，起着十分重要的影响。其次，在塑件加工过程中，塑料模结构的合理性，对操作的难易程度，具有重要的影响。再次，塑料模对塑料成本也有相当大的影响，除简易模外，一般来说制模费用是十分昂贵的，大型塑料模更是如此。现代塑料制品生产中，合理的加工工艺、高效的设备和先进的模具，被誉为塑料制品成型技术的“三大支柱”。尤其是加工工艺要求、塑件使用要求、塑件外观要求，起着无可替代的作用。塑料模是塑料制品生产的基础之深刻含义，正日益为人们理解和掌握。当塑料制品及其成型设备确定后，塑件质量的优劣及生产效率的高低，模具因素约占80%。由此可知，推动模具技术的发展应是刻不容缓的策略。尤其大型模具的设计与制造水平，常可标志一个国家工业化的发展程度。
2 产品成型工艺分析
2.1 产品结构性能简介
本课题是斜槽式分油套注塑模具设计。其外形结构如下图所示。本塑件为筒形件，壁周围有12个圆孔。难点在抽芯，要求在分型时同时抽芯，所以拟采用滑块导板转动抽芯机构。采用一模一腔，材料为PA66（尼龙双六）。
图2-1 分油套注塑件
2.2 产品工艺分析
2.2.1 PA66的性能
(1)使用性能综合性能好，冲击强度、力学强度较高，尺寸稳定，耐化学性，电气性能良好；易于成型和机械加工，适合制作一般零件。
(2)成型性能
1)吸湿性强，必须充分干燥，要求表面光泽的塑件应要求长时间预热干燥。
2)模具设计时要注意浇注系统，选择好进料口位置、形式。推出力过大或机械加工时塑件表面呈现白色痕迹。
3)PA66 的主要性能指标:密度(g/cm3) 1.10～1.15;比体积0.91;收缩率(%) 1.0～1.2; 熔点(℃) 246～263;拉伸强度(MPa) 60～80;抗弯强度(MPa) 100～120;抗压强度(MPa) 89.5;弯曲弹性模量(MPa)2×10 3 ～3×10 3。
2.2.2 PA66成型工艺
(1) 注射成型过程
成型前的准备:对PA66 的色泽、粒度和均匀度等进行检验，由于PA66吸水性较大，成型前应进行充分的干燥。注射过程:塑件在注射机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的浇注系统进入模具型腔成型，其过程可分为冲模、压实、保压、倒流和冷却五个阶段塑件的后处理。处理的介质为空气和水，处理温度为60～75℃，处理时间为16～20s。
(2) 注射工艺参数
经分析，本塑件适合采用螺杆卧式注塑机，注塑工艺参数如下：
表2-1 注塑工艺参数
注塑机类型 喷嘴形式 喷嘴温度/℃ 料筒温度/℃
螺杆式注塑机 直通式 170~180 前段 中段 后段
180～200℃ 165～180℃ 150～170℃
模具温度/℃ 注射压力/ MPa 保压力/ MPa 注射时间/s
50～80℃ 60～100 30~50 1~2
保压时间/s 冷却时间/s 成型周期/s 成型温度/℃
15~25 15~25 40~70 160~190
3 模具总体方案
综合考虑模具制作成本和结构复杂程度，选定以下方案：
1主流道衬套 2定模板 3转盘 4小型芯滑块 5主型芯 6动模板 7垫板 8三脚顶套 9顶板
10模脚圈
图3-1 模具总体方案
4 注塑工艺方案
4.1 设计步骤
注塑模具的结构设计一般按如下步骤进行，在本章只作简要概述，初步拟订设计方案，具体详细设计依据及计算放在后面进行论述。(1) 确定型腔的数目；(2) 选定分型面；(3) 确定浇注系统；(4) 确定成型零部件；(5) 确定合模导向机构；(6) 确定脱模顶出机构；(7) 温度调节系统分析；(8) 排气系统分析；(9)绘制模具结构草图，选取标准模架。
4.2 模具工艺方案
(1) 根据产品的技术和经济要求拟采用一模一腔结构；
(2) 分型面选在塑件最大横截面上，这样便于塑件脱模，排气效果好，同时也便于加工；
(3) 浇注系统主流道采用常用的圆锥形，分流道的截面形状为圆形，冷料穴采用无拉料杆的冷料穴。浇口的设计采用点浇口形式，利于充模、便于塑件与冷凝料的分离、有利于修整塑件上留下的痕迹。
4.3 设计软件的选择
三维CAD软件种类很多，国内外模具设计大多采用了三维设计手段，在模具设计与制造上发生了很大的变化。三维通用机械CAD 软件如Pro /E、UG和CATIA，它们都是参数化功能极强的三维模具设计软件，并且都具有完备的自动化设计功能。但CATIA 对计算机硬件的要求很高，资金投入较多，一般中小企业难以实现; UG和Pro /E在CAD和CAM方面都做得很出色;还有一些专用模具软件。国外的模具设计，特别是型腔模设计均采用三维CAD 设计，生成的三维模型直接用于CAM进行编程，再到CNC加工中心去加工，具有极高的工作效率。
CAE技术提供了可靠的保证。在模具投产之前，CAE软件可以预算测模具结构有关参数的正确性。例如可以采用流动模拟软件来考察熔体在模具腔内的流动过程，从此来改进浇注系统的设计，提高试模的一次成功率。可以用保压和冷却分析软件来考察熔体的凝固和模温的变化。以此来改进冷却系统，调整成型工艺参数，提高塑料制件的质量和生产效率，还可以采用应力分析软件来预测塑件出模后的变形和翘曲。模腔的几何数据能相互地转换为曲面的机床刀具加工轨迹，提高型腔和型芯的加工精度和效率。
4.4 注射机的选择
4.4.1 注射机选择标准
注射模是安装在注射机上的，因此在设计注射模具时应该结合注射机有关技术规范进行必要的了解，以便设计出符合要求的模具，同时选定合适的注射机型号。选用注射机时，通常是以某塑件的（或模具）实际需要的注射量初选某一公称注射量的注射机型号，然后依次对该机型的公称注射压力、公称锁模力、模板行程以及模具安装部分的尺寸进行校核。在模具设计时，根据产品几何尺寸及模具结构特点，尽可能选用合适的注塑机以充分发挥设备的内在能力。应该根据以下几个方面：
(1) 通常影响注塑机选择的重要因素包括模具、产品、塑料、成性要求等；
(2) 模具尺寸（宽度、高度、厚度）、重量、特许设计等；
(3) 使用塑料的种类及数量（单一原料或多种塑料）；
(4) 注塑成品的外观尺寸（长、宽、高、厚度）、重量等；
(5) 成型要求，如品质条件、生产速度等。
4.4.2 所需注射量的计算
(1) 塑件质量、体积计算
由Pro/E软件建模分析得塑件体积V塑 = 25.462 cm3，塑件质量m塑 = ρV塑 =1.10 × 25.462g= 28.0g。
(2) 浇注系统凝料体积的初步估算
浇注系统的凝料在设计之前是不能确定准确的数值，但是可以根据经验按照塑件体积的0.2～1 倍来估算。由于本次采用流道简单并且较短，因此浇注系统的凝料按塑件体积的0.2 倍来估算，故一次注入模具型腔塑料熔体的总体积V总=V塑（1+0.2）= 25.462 × 1.2 cm3 = 30.55cm3。
4.4.3 注塑机型号的选择
根据上面计算得出一次性注入模具型腔的塑料总体积V总=30.55cm3,结合公式则有：V总/0.8=30.55/0.8=38.186cm3选择注塑机型号为XS-ZY-60，主要技术参数如下表：
表4-1 XS-ZY-60型卧式注塑机主要技术参数
注塑机型号 XS-ZY-60
注射容量/ cm3 60
注射压力/MPa 122
锁模力/10kN 500
开合模行程/mm 180
最大注射面积/ cm2 320
最大模具厚度/mm 200
最小模具厚度/mm 70
定位孔直径/mm 100
喷嘴球半径/mm 12
喷嘴孔直径/mm 4
推出两侧中心孔距/mm 280
注塑机拉杆空间 190x300
(1) 注射压力校核
PA66 注射压力为70～120MPa，P0=100该注射机的公称注射压P公=122MPa，
注射压力安全系数k1 =1.3，则k1P0 =1.3×100MPa=130MPa＞P公。
由以上结果可知，注射机注射压力不合格需重选注塑机。选择注塑机型号为XS-ZY-125，其主要技术参数如下表：
表4-2 XS-ZY-125型卧式注塑机主要技术参数
注塑机型号 XS-ZY-125
注射容量/ cm3 125
注射压力/MPa 150
锁模力/10kN 900
开模行程/mm 300
最大注射面积/ cm2 320
最大模具厚度/mm 300
最小模具厚度/mm 200
定位孔直径/mm 100
喷嘴球半径/mm 12
喷嘴孔直径/mm 4
推出两侧中心孔距/mm 230
注塑机拉杆空间 260x290
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