细长孔塑件注塑模具设计
细长孔塑件注塑模具设计
1 引言
我国虽然很早就开始制造和使用模具，但长期未形成高技术含量的产业。直到20世纪年代后期，随着科技的进步，国务院和国家有关部门对发展模具工业给予了高度重视和支持，模具工业才驶入快速发展轨道。
近年来，我国模具工业发生了巨大的变化。在我国模具生产企业中，数字化设备比较齐全，模具CAD/CAE/CAM技术已经被广泛的应用，采用高速加工的先进技术的企业也逐渐增多。模具标准及使用覆盖率、模具商品化率都已经有了较大幅度的提高。热流道技术在塑料模具行业中应用比例越来越高。
注塑模具在量和质方面都有较快的发展，我国最大的注塑模具单套重量己超过50吨，最精密的注塑模具精度己达到2微米。制件精度很高的小模数齿轮模具及达到高光学要求的车灯模具等也已能生产，多腔塑料模具已能生产一模7800腔的塑封模，高速模具方面已能生产挤出速度达6m/min以上的高速塑料异型材挤出模具及主型材双腔共挤、双色共挤、软硬共挤、后共挤、再生料共挤出和低发泡钢塑共挤等各种模具。在CAD/CAM技术得到普及的同时，CAE技术应用越来越广，CAD/CAM/CAE一体化得到发展，模具新结构、新品种、新工艺、新材料的创新成果不断涌现，特别是汽车、家电等工业快速发展，使得注塑模的发展迅猛。
整体来看我国塑料模具无论是在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都有了很大进步，但与国民经济发展的需求、世界先进水平相比，差距仍很大。一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍需大量进口。在总量供不应求的同时，一些低档塑料模具却供过于求，市场竞争激烈，还有一些技术含量不太高的中档塑料模具也有供过于求的趋势。
2 塑件的工艺分析
2．1 塑件的成型工艺性分析
本课题是带细长孔塑件注塑模具设计。塑件三维图如图1所示。
塑件外形与外六角扳手很相似，塑件主体为一镂空圆柱体，长120mm，顶部直径为16mm，孔直径为10mm深度60mm，两侧手柄一长一短，并且中间有凹槽，底部直径扩大为18mm，最小的孔直径12mm，与顶部的内孔相贯穿，正六边形孔深度16mm，孔形状外接于12mm的孔，最后16mm的孔深度2mm。
(a) (b)
图1 塑件
2.1.1 塑件材料的选择及使用性能
根据对塑件的主要用途、基本性能及经济性进行分析，该塑件宜采用ABS塑料。ABS塑料化学名称为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，简称ABS。ABS塑料具有耐低温性、抗冲击性，外观特性，低蠕变性，优异的尺寸稳定性及易加工性等多种特性，且表面硬度高、耐化学性好。ABS具体性能参数如表1所示。
表1 ABS性能参数
比重 1.05g/cm3 成型收缩率 0.4～0.7%
吸水率 0.2～0.45% 成型温度 200～240℃
干燥条件 80～90℃ 2小时 热变形温度 70～107℃
使用温度范围 -40～80℃ 硬度 R65～115
2．2 塑件成型工艺参数确定
注塑是ABS塑料最重要的成型方法，在设计模具时，为了生产出合格的塑料制件，除了应掌握注塑成型工艺过程外，还应对所选用的注塑机的有关技术参数进行全面的了解。注塑机是塑料注塑成型所用的主要设备。注塑成型时模具安装在注塑机的动模板和定模板上，通过注塑机的液压锁模机构使动定模处于合模状态。这就需要较核该模具所需要的锁模力。是否在注塑既允许范围内。另外模具的开模行程和最大闭和高度都应该通过较核。经分析，本设计适应采用螺杆卧式注塑机。其螺杆式注塑机的工艺参数如下表2所示。
表2 ABS塑料的注射工艺参数
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 190～200 前段 中段 后段
200～220 220～240 190～200
模具温度/℃ 注射压力/ MPa 保压力/ MPa 注射时间/s
60～85 85～120 50～80 3～5
保压时间/s 冷却时间/s 成型周期/s 成型温度/℃
15～30 15～30 40～70 160～190
3 模具的总体方案
3．1 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）注射机的选择；
（2）分型面的选择及型腔布局；
（3）浇注系统的设计；
（4）成型零部件的设计；
（5）合模导向机构的设计；
（6）推出机构的设计；
（7）侧向分型与抽芯机构的设计；
（8）冷却系统及排气系统的设计；
（9）标准模架的选择。
3．2 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 注塑工艺方案
4．1 注射机的选择
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。
4.1.1 所需注射量的计算
（1）塑件质量、体积计算
由Pro/E软件分析得知塑件的体积为15.6317 cm3，ABS的平均收缩率取0.55%，则塑件型腔体积 V1=15.718 cm3，取塑件的密度为1.05 g/cm3 ，则塑件的质量m1≈=1.05×15.718≈16.504g。
（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。可按塑件体积的0.6倍计算，由于该模具采用一模两腔，所以浇注系统凝料体积为V2=2×V1×0.6=2×15.718×0.6≈18.8616 cm3 。
4.1.2 注塑机型号的选择
根据以上计算初步选择注塑机的型号为：XS-ZY-125。
表3 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 120
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
4.1.3 注射机有关工艺参数的校核
（1）注射压力校核
ABS注射压力为70～90MPa，这里取P0 =80MPa，该注射机的公称注射压力P公=120MPa，注射压力安全系数k1 =1.3，则:
k1P0 =1.3×80MPa=104MPa＜P公，所以，注射机注射压力合格。
（2）锁模力校核
1）塑件在分型面上的投影面积A塑，则
A塑=π×7²+2×3² -½π×3² +14×40+19×17+½（16+19）×3+（120-20-14）×16=2469.3mm²
2）浇注系统在分型面上的投影面积A浇，即流道凝料在分型面上的投影面积A浇数值，A浇是塑件在分型面上的投影面积A塑的0.2～0.5 倍。由于本设计流道简单，因此流道凝料投影面积可以适当取小一些。这里取A浇=0.2A塑。
3）塑件和浇注系统在分型面上总的投影面积A 总
A总=A塑+A浇=2×2469.3×1.2=5926.32mm2
4）模具型腔内的胀型力F胀
F胀=A总×p模=5926.32×96N=568.927kN
其中，p模是型腔的成型压力（MPa），大小通常取注射压力的80%，这里取p模=96MPa。
查表3可得该注射机的公称锁模力F锁=900kN，锁模力安全系数为
k2 =1.1～1.2，这里取k2 =1.2，则
k2×F胀=1.2F胀=1.2×568.927=682.712kN<F锁
所以注塑机锁模力合格。
1 引言
我国虽然很早就开始制造和使用模具，但长期未形成高技术含量的产业。直到20世纪年代后期，随着科技的进步，国务院和国家有关部门对发展模具工业给予了高度重视和支持，模具工业才驶入快速发展轨道。
近年来，我国模具工业发生了巨大的变化。在我国模具生产企业中，数字化设备比较齐全，模具CAD/CAE/CAM技术已经被广泛的应用，采用高速加工的先进技术的企业也逐渐增多。模具标准及使用覆盖率、模具商品化率都已经有了较大幅度的提高。热流道技术在塑料模具行业中应用比例越来越高。
注塑模具在量和质方面都有较快的发展，我国最大的注塑模具单套重量己超过50吨，最精密的注塑模具精度己达到2微米。制件精度很高的小模数齿轮模具及达到高光学要求的车灯模具等也已能生产，多腔塑料模具已能生产一模7800腔的塑封模，高速模具方面已能生产挤出速度达6m/min以上的高速塑料异型材挤出模具及主型材双腔共挤、双色共挤、软硬共挤、后共挤、再生料共挤出和低发泡钢塑共挤等各种模具。在CAD/CAM技术得到普及的同时，CAE技术应用越来越广，CAD/CAM/CAE一体化得到发展，模具新结构、新品种、新工艺、新材料的创新成果不断涌现，特别是汽车、家电等工业快速发展，使得注塑模的发展迅猛。
整体来看我国塑料模具无论是在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都有了很大进步，但与国民经济发展的需求、世界先进水平相比，差距仍很大。一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍需大量进口。在总量供不应求的同时，一些低档塑料模具却供过于求，市场竞争激烈，还有一些技术含量不太高的中档塑料模具也有供过于求的趋势。
2 塑件的工艺分析
2．1 塑件的成型工艺性分析
本课题是带细长孔塑件注塑模具设计。塑件三维图如图1所示。
塑件外形与外六角扳手很相似，塑件主体为一镂空圆柱体，长120mm，顶部直径为16mm，孔直径为10mm深度60mm，两侧手柄一长一短，并且中间有凹槽，底部直径扩大为18mm，最小的孔直径12mm，与顶部的内孔相贯穿，正六边形孔深度16mm，孔形状外接于12mm的孔，最后16mm的孔深度2mm。
(a) (b)
图1 塑件
2.1.1 塑件材料的选择及使用性能
根据对塑件的主要用途、基本性能及经济性进行分析，该塑件宜采用ABS塑料。ABS塑料化学名称为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，简称ABS。ABS塑料具有耐低温性、抗冲击性，外观特性，低蠕变性，优异的尺寸稳定性及易加工性等多种特性，且表面硬度高、耐化学性好。ABS具体性能参数如表1所示。
表1 ABS性能参数
比重 1.05g/cm3 成型收缩率 0.4～0.7%
吸水率 0.2～0.45% 成型温度 200～240℃
干燥条件 80～90℃ 2小时 热变形温度 70～107℃
使用温度范围 -40～80℃ 硬度 R65～115
2．2 塑件成型工艺参数确定
注塑是ABS塑料最重要的成型方法，在设计模具时，为了生产出合格的塑料制件，除了应掌握注塑成型工艺过程外，还应对所选用的注塑机的有关技术参数进行全面的了解。注塑机是塑料注塑成型所用的主要设备。注塑成型时模具安装在注塑机的动模板和定模板上，通过注塑机的液压锁模机构使动定模处于合模状态。这就需要较核该模具所需要的锁模力。是否在注塑既允许范围内。另外模具的开模行程和最大闭和高度都应该通过较核。经分析，本设计适应采用螺杆卧式注塑机。其螺杆式注塑机的工艺参数如下表2所示。
表2 ABS塑料的注射工艺参数
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 190～200 前段 中段 后段
200～220 220～240 190～200
模具温度/℃ 注射压力/ MPa 保压力/ MPa 注射时间/s
60～85 85～120 50～80 3～5
保压时间/s 冷却时间/s 成型周期/s 成型温度/℃
15～30 15～30 40～70 160～190
3 模具的总体方案
3．1 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）注射机的选择；
（2）分型面的选择及型腔布局；
（3）浇注系统的设计；
（4）成型零部件的设计；
（5）合模导向机构的设计；
（6）推出机构的设计；
（7）侧向分型与抽芯机构的设计；
（8）冷却系统及排气系统的设计；
（9）标准模架的选择。
3．2 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 注塑工艺方案
4．1 注射机的选择
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。
4.1.1 所需注射量的计算
（1）塑件质量、体积计算
由Pro/E软件分析得知塑件的体积为15.6317 cm3，ABS的平均收缩率取0.55%，则塑件型腔体积 V1=15.718 cm3，取塑件的密度为1.05 g/cm3 ，则塑件的质量m1≈=1.05×15.718≈16.504g。
（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。可按塑件体积的0.6倍计算，由于该模具采用一模两腔，所以浇注系统凝料体积为V2=2×V1×0.6=2×15.718×0.6≈18.8616 cm3 。
4.1.2 注塑机型号的选择
根据以上计算初步选择注塑机的型号为：XS-ZY-125。
表3 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 120
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
4.1.3 注射机有关工艺参数的校核
（1）注射压力校核
ABS注射压力为70～90MPa，这里取P0 =80MPa，该注射机的公称注射压力P公=120MPa，注射压力安全系数k1 =1.3，则:
k1P0 =1.3×80MPa=104MPa＜P公，所以，注射机注射压力合格。
（2）锁模力校核
1）塑件在分型面上的投影面积A塑，则
A塑=π×7²+2×3² -½π×3² +14×40+19×17+½（16+19）×3+（120-20-14）×16=2469.3mm²
2）浇注系统在分型面上的投影面积A浇，即流道凝料在分型面上的投影面积A浇数值，A浇是塑件在分型面上的投影面积A塑的0.2～0.5 倍。由于本设计流道简单，因此流道凝料投影面积可以适当取小一些。这里取A浇=0.2A塑。
3）塑件和浇注系统在分型面上总的投影面积A 总
A总=A塑+A浇=2×2469.3×1.2=5926.32mm2
4）模具型腔内的胀型力F胀
F胀=A总×p模=5926.32×96N=568.927kN
其中，p模是型腔的成型压力（MPa），大小通常取注射压力的80%，这里取p模=96MPa。
查表3可得该注射机的公称锁模力F锁=900kN，锁模力安全系数为
k2 =1.1～1.2，这里取k2 =1.2，则
k2×F胀=1.2F胀=1.2×568.927=682.712kN<F锁
所以注塑机锁模力合格。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/mjsk/1851.html
