基于CAD/CAM技术的ZRH-4LG轮毂注塑模具设计
基于CAD/CAM技术的ZRH-4LG轮毂注塑模具设计
注射成形是把塑料原料放入料筒中经过加热熔化，使之成为高黏度的流体，用柱塞或螺杆作为加压工具，使熔体通过喷嘴以较高压力注入模具的型腔中，经过冷却、凝固阶段，而后从模具中脱出，成为塑料制品。
本说明书详细叙述了模具结构方案，包括确定分型面、成型零部件的结构设计、抽芯机构、脱模机构、合模导向机构、定距分型机构等等的设计过程，还有重要零件的工艺参数的选择与计算,校核注射模与注射机的关系等。本设计主要是通过使用Pro/ENGINEER与AutoCAD完成装配图、零件图。此次毕业设计综合了大学四年来所学的专业知识，从而进一步巩固了模具设计方面的相关知识，并积累了相关的设计意念与经验。
关键词 注射模具，说明书，设计方案
1 引言 1
2 本课题原始内容分析 2
2.1 塑件结构分析 2
2.2 塑件材料分析 3
3 注塑机的选择 4
4 模具基本结构设计 5
4.1 型腔布局 5
4.2 分型面的设计 6
4.3 浇注系统的设计 6
4.4 推出机构的选择 10
4.5 成型零件的设计计算 11
4.6 模架的选择 15
4.7 合模导向机构的选择 15
4.8 排气系统的设计 17
5 侧向分型与抽芯机构设计 17
5.1 抽芯力与抽芯距的确定 18
5.2 斜导柱的设计 19
5.3 侧滑块的设计 20
5.4 导滑槽的设计 20
5.5 楔紧块的设计 21
6 定距分型机构 22
7 注射机参数的校核 22
7.1 最大注射量的校核确定 22
7.2 锁模力的校核 23
7.3 注射机安装尺寸的校核 24
7.4 开模行程的校核 24
8 模具装配图 25
9 典型零件的机械加工仿真 26
结论 30
致谢 31
参考文献 32
1 引言
模具是高质量、高效率的产品生产工具。模具加工工艺是一项先进的制造工艺，已成为重要发展方向，在航空航天、汽车、机械等各行业得到越来越广泛的应用。模具加工技术，可以提高制造业的综合效益和竞争力。
注塑模具是一种生产塑胶制品的工具，也是赋予塑胶制品完整结构和精确尺寸的工具。注塑成型是批量生产某些形状复杂部件时用到的一种加工方法，具体指将受热融化的材料由高压射入模腔，经冷却固化后，得到成形品。
我国塑料模工业从起步到现在，历经半个多世纪，模具水平有了较大提高。注塑模型腔制造精度可达0.02~0.05mm，表面粗糙度Ra0.2μm，模具质量、寿命明显提高了，交货期较以前缩短。成型工艺方面，多材质塑料成型模、高效多色注射模、镶件互换结构和抽芯脱模机构的创新方面也取得较大进展，气体辅助注射成型技术的使用更趋成熟。在制造技术方面，CAD/CAM/CAE技术的应用水平上了一个新台阶，以生产家用电器的企业为代表，陆续引进了相当数量的CAD/CAM系统，实现了CAD/CAM的集成，促进和推动了我国模具CAD/CAM技术的发展。
整体来看，中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。
随着塑胶模具设计工业的迅速发展以及塑胶制品在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用，产品对模具的要求越来越高，传统的塑胶模具设计方法已无法适应产品更新换代和提高质量的要求。电脑辅助工程（CAE）技术已成为塑胶产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节的最有效的途经。相比于传统的模具设计方法，模具CAD/CAM技术具有以下特点：
（1）模具CAD/CAM技术可以提高模具的设计与制造水平和质量；
（2）模具CAD/CAM技术可以节省时间，提高生产率；
（3）模具CAD/CAM技术可以较大幅度地降低成本；
（4）模具CAD/CAM技术可使设计人员从繁重的计算和绘图工作中解放出来。
近几年，塑胶成型CAE软体在汽车、家电、电子通讯、化工和日用品等领域得到了广泛应用。利用 CAE 技术可以在模具加工前，在电脑上对整个注塑成型过程进行类比分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改制件和模具设计，而不是等到试模以後再返修模具。这不仅是对传统塑胶模具的设计方法一次突破，而且对减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低成本等，都有着重大的技术经济意义。
目前国内使用的设计软件大部分是国外的设计软件，例如AutoCAD、UG，Pro/E、Solidworks、Moldflow等。国内研究开发CAD/CAE/CAM系统起步较晚，早期的开发工作仅限于注塑模具CAD/CAM系统的开发研究和二维CAE的研究，到90年代受国外引进的先进的注塑模具CAE技术的影响，才开始较复杂的三维成型和冷却系统的CAE的研究。我国自主开发的塑料模CAD/CAM系统有了很大发展，主要有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，这些软件具有适应国内模具的具体情况、能在微机上应用且价格低等特点，为进一步普及模具CAD/CAM技术创造了良好条件。
总之，通过此次毕业设计，加以在设计过程中对在校学习期间掌握的知识的灵活运用，综合检验了大学期间所学的相关知识，更好的培养了自己独立设计注塑模具的能力，提高分析问题的能力、解决问题的能力，拓宽了自己掌握知识的渠道，为日后走上工作岗位打下良好的基础。
2 本课题原始内容分析
根据ZRH-4LG轮毂塑料制件，对其进行结构工艺分析,对模具结构进行初步设计。构建ZRH-4LG轮毂注射模模具的工艺过程，总结塑料注射模模具CAD的一般流程，设计一套在功能上实用、可行的基于PRO/E的ZRH-4LG轮毂注塑模模具CAD系统，并结合美国CNC Software公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件Mastercam X3，实现ZRH-4LG轮毂注塑模模具设计CAD/CAE一体化。
2.1 塑件结构分析
对导师所给的原始轮毂塑件进行相关尺寸的测量，同时在PRO/E中构建塑件的三维结构图，在AutoCAD中构建塑件的二维尺寸图。塑件三维结构如图1所示，塑件的相关尺寸如图2所示。
塑件为ZRH-4LG玩具汽车轮毂，结构比较复杂。它的外形为圆柱形壳体带加强筋，呈对称分布。塑件内部为固定轴套以及扇叶。塑件整体外圆半径52mm,轮毂环形壁厚为1mm，局部壁厚存在2mm～3mm的情况，具体尺寸见图2。该塑件精度要求不高，但是要耐用，耐磨，可以承受较大的冲击力，不易摔坏，好看,有光泽，表面较光滑。
a 轮毂内部结构 b 轮毂外形
图1 轮毂三维结构图
a 轮毂零件图 b 轮毂内部尺寸图
图2 轮毂二维图
2.2 塑件材料分析
ABS(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑性高分子材料结构，。该材料具有一定的硬度和尺寸稳定性,易于成型加工，其抗冲击性能良好，基本不具有缺口敏感性，价格较便宜，并且属于无定形聚合物，熔融温度低，熔程较宽，熔融粘度适中，流动性好，易于充模。它有很好的成型性，加工出的产品表面光洁，易于染色和电镀，适于制作一般机械零件，减磨耐磨零件，传动零件和电讯零件，其主要设计参数见表2-1。
根据对塑件的基本性能及经济性进行分析，该塑件采用丙烯腈-丁二烯—苯乙烯共聚物（ABS）材料。
表2-1 ABS的主要性能指标
密度g/cm³ 1.04~1.06 弹性模量MPa 1.8×10³
比容cm³/g 0.86~0.98 弯曲强度MPa ≥80
吸水率%（24h） 0.2~0.4 抗拉屈服强度MPa 50
收缩率% 0.3~0.8 熔点°C 130~160
由于塑件冷却后会产生收缩，会紧紧包裹在型芯上。为便于脱模，防止塑件表面在脱模时划伤、擦毛等。在设计时塑件表面沿脱模方向上应具有合理的脱模斜度。ABS塑料的型腔的脱模斜度为40′～1°20′，型腔的脱模斜度为35′～1°。本设计选择型芯与型腔的脱模斜度均为1°。
影响塑件尺寸精度的因素十分复杂，塑件公差等级的选用也与塑料品种有关。根据工程塑料模塑塑料件尺寸公差的国家标准GB/T 14486——1993,ABS的公差等级高精度为MT2，一般精度为MT3，未注公差尺寸为MT5级。
该塑件公差的尺寸属于一般精度要求，所以选用MT3。
注射成形是把塑料原料放入料筒中经过加热熔化，使之成为高黏度的流体，用柱塞或螺杆作为加压工具，使熔体通过喷嘴以较高压力注入模具的型腔中，经过冷却、凝固阶段，而后从模具中脱出，成为塑料制品。
本说明书详细叙述了模具结构方案，包括确定分型面、成型零部件的结构设计、抽芯机构、脱模机构、合模导向机构、定距分型机构等等的设计过程，还有重要零件的工艺参数的选择与计算,校核注射模与注射机的关系等。本设计主要是通过使用Pro/ENGINEER与AutoCAD完成装配图、零件图。此次毕业设计综合了大学四年来所学的专业知识，从而进一步巩固了模具设计方面的相关知识，并积累了相关的设计意念与经验。
关键词 注射模具，说明书，设计方案
1 引言 1
2 本课题原始内容分析 2
2.1 塑件结构分析 2
2.2 塑件材料分析 3
3 注塑机的选择 4
4 模具基本结构设计 5
4.1 型腔布局 5
4.2 分型面的设计 6
4.3 浇注系统的设计 6
4.4 推出机构的选择 10
4.5 成型零件的设计计算 11
4.6 模架的选择 15
4.7 合模导向机构的选择 15
4.8 排气系统的设计 17
5 侧向分型与抽芯机构设计 17
5.1 抽芯力与抽芯距的确定 18
5.2 斜导柱的设计 19
5.3 侧滑块的设计 20
5.4 导滑槽的设计 20
5.5 楔紧块的设计 21
6 定距分型机构 22
7 注射机参数的校核 22
7.1 最大注射量的校核确定 22
7.2 锁模力的校核 23
7.3 注射机安装尺寸的校核 24
7.4 开模行程的校核 24
8 模具装配图 25
9 典型零件的机械加工仿真 26
结论 30
致谢 31
参考文献 32
1 引言
模具是高质量、高效率的产品生产工具。模具加工工艺是一项先进的制造工艺，已成为重要发展方向，在航空航天、汽车、机械等各行业得到越来越广泛的应用。模具加工技术，可以提高制造业的综合效益和竞争力。
注塑模具是一种生产塑胶制品的工具，也是赋予塑胶制品完整结构和精确尺寸的工具。注塑成型是批量生产某些形状复杂部件时用到的一种加工方法，具体指将受热融化的材料由高压射入模腔，经冷却固化后，得到成形品。
我国塑料模工业从起步到现在，历经半个多世纪，模具水平有了较大提高。注塑模型腔制造精度可达0.02~0.05mm，表面粗糙度Ra0.2μm，模具质量、寿命明显提高了，交货期较以前缩短。成型工艺方面，多材质塑料成型模、高效多色注射模、镶件互换结构和抽芯脱模机构的创新方面也取得较大进展，气体辅助注射成型技术的使用更趋成熟。在制造技术方面，CAD/CAM/CAE技术的应用水平上了一个新台阶，以生产家用电器的企业为代表，陆续引进了相当数量的CAD/CAM系统，实现了CAD/CAM的集成，促进和推动了我国模具CAD/CAM技术的发展。
整体来看，中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。
随着塑胶模具设计工业的迅速发展以及塑胶制品在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用，产品对模具的要求越来越高，传统的塑胶模具设计方法已无法适应产品更新换代和提高质量的要求。电脑辅助工程（CAE）技术已成为塑胶产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节的最有效的途经。相比于传统的模具设计方法，模具CAD/CAM技术具有以下特点：
（1）模具CAD/CAM技术可以提高模具的设计与制造水平和质量；
（2）模具CAD/CAM技术可以节省时间，提高生产率；
（3）模具CAD/CAM技术可以较大幅度地降低成本；
（4）模具CAD/CAM技术可使设计人员从繁重的计算和绘图工作中解放出来。
近几年，塑胶成型CAE软体在汽车、家电、电子通讯、化工和日用品等领域得到了广泛应用。利用 CAE 技术可以在模具加工前，在电脑上对整个注塑成型过程进行类比分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改制件和模具设计，而不是等到试模以後再返修模具。这不仅是对传统塑胶模具的设计方法一次突破，而且对减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低成本等，都有着重大的技术经济意义。
目前国内使用的设计软件大部分是国外的设计软件，例如AutoCAD、UG，Pro/E、Solidworks、Moldflow等。国内研究开发CAD/CAE/CAM系统起步较晚，早期的开发工作仅限于注塑模具CAD/CAM系统的开发研究和二维CAE的研究，到90年代受国外引进的先进的注塑模具CAE技术的影响，才开始较复杂的三维成型和冷却系统的CAE的研究。我国自主开发的塑料模CAD/CAM系统有了很大发展，主要有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，这些软件具有适应国内模具的具体情况、能在微机上应用且价格低等特点，为进一步普及模具CAD/CAM技术创造了良好条件。
总之，通过此次毕业设计，加以在设计过程中对在校学习期间掌握的知识的灵活运用，综合检验了大学期间所学的相关知识，更好的培养了自己独立设计注塑模具的能力，提高分析问题的能力、解决问题的能力，拓宽了自己掌握知识的渠道，为日后走上工作岗位打下良好的基础。
2 本课题原始内容分析
根据ZRH-4LG轮毂塑料制件，对其进行结构工艺分析,对模具结构进行初步设计。构建ZRH-4LG轮毂注射模模具的工艺过程，总结塑料注射模模具CAD的一般流程，设计一套在功能上实用、可行的基于PRO/E的ZRH-4LG轮毂注塑模模具CAD系统，并结合美国CNC Software公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件Mastercam X3，实现ZRH-4LG轮毂注塑模模具设计CAD/CAE一体化。
2.1 塑件结构分析
对导师所给的原始轮毂塑件进行相关尺寸的测量，同时在PRO/E中构建塑件的三维结构图，在AutoCAD中构建塑件的二维尺寸图。塑件三维结构如图1所示，塑件的相关尺寸如图2所示。
塑件为ZRH-4LG玩具汽车轮毂，结构比较复杂。它的外形为圆柱形壳体带加强筋，呈对称分布。塑件内部为固定轴套以及扇叶。塑件整体外圆半径52mm,轮毂环形壁厚为1mm，局部壁厚存在2mm～3mm的情况，具体尺寸见图2。该塑件精度要求不高，但是要耐用，耐磨，可以承受较大的冲击力，不易摔坏，好看,有光泽，表面较光滑。
a 轮毂内部结构 b 轮毂外形
图1 轮毂三维结构图
a 轮毂零件图 b 轮毂内部尺寸图
图2 轮毂二维图
2.2 塑件材料分析
ABS(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑性高分子材料结构，。该材料具有一定的硬度和尺寸稳定性,易于成型加工，其抗冲击性能良好，基本不具有缺口敏感性，价格较便宜，并且属于无定形聚合物，熔融温度低，熔程较宽，熔融粘度适中，流动性好，易于充模。它有很好的成型性，加工出的产品表面光洁，易于染色和电镀，适于制作一般机械零件，减磨耐磨零件，传动零件和电讯零件，其主要设计参数见表2-1。
根据对塑件的基本性能及经济性进行分析，该塑件采用丙烯腈-丁二烯—苯乙烯共聚物（ABS）材料。
表2-1 ABS的主要性能指标
密度g/cm³ 1.04~1.06 弹性模量MPa 1.8×10³
比容cm³/g 0.86~0.98 弯曲强度MPa ≥80
吸水率%（24h） 0.2~0.4 抗拉屈服强度MPa 50
收缩率% 0.3~0.8 熔点°C 130~160
由于塑件冷却后会产生收缩，会紧紧包裹在型芯上。为便于脱模，防止塑件表面在脱模时划伤、擦毛等。在设计时塑件表面沿脱模方向上应具有合理的脱模斜度。ABS塑料的型腔的脱模斜度为40′～1°20′，型腔的脱模斜度为35′～1°。本设计选择型芯与型腔的脱模斜度均为1°。
影响塑件尺寸精度的因素十分复杂，塑件公差等级的选用也与塑料品种有关。根据工程塑料模塑塑料件尺寸公差的国家标准GB/T 14486——1993,ABS的公差等级高精度为MT2，一般精度为MT3，未注公差尺寸为MT5级。
该塑件公差的尺寸属于一般精度要求，所以选用MT3。
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