塑料肥皂盒的注射模具设计.doc

摘 要本注射模具设计为一塑料肥皂盒的注射模具设计，塑件结构比较简单，塑件质量要求是不允许有裂纹、变形缺陷。本设计从分型面设计开始，进行了浇注系统、冷却系统、成型零件、模架的设计，并进行了必要的校核。同时并简单的编制了模具的加工工艺。根据题目设计的主要任务是肥皂盒注塑模具的设计。也就是设计一副注塑模具来生产肥皂盒塑件产品，以实现自动化提高产量。针对肥皂盒的具体结构，该模具是侧浇口的单分型面注射模具。通过模具设计表明该模具能达到盒盖的质量和加工工艺要求。关键词：Pro ENGINEER、注射模、浇注系统、冷却系统、模架。AbstractThis is a plastic injection mold design and injection mold design comb, plastic parts relatively simple plastic parts quality requirements is not permitted crack, deformation defects. The design started from the sub-surface design, were pouring system, cooling system, molded parts, mold design, and carry out the necessary checking. at the same time And a simple preparation of the mold of the process. According to the design of the subjects main task is to set fruit injection mold design. Design is an injection mold to produce scop lid pieces of plastic products in order to achieve automation to increase output. For the specific structure of the fruit plate, the die is the point of the one type injection mold surface. Through the die design that the lid of the mold to achieve the quality and processing requirements.Keywords: Pro ENGINEER, injection mold, injection system, cooling system, mold.绪 论模具制造是国家经济建设中的一项重要产业，振兴和发展我国的模具工业，日益受到人们的重视和关注。“模具是工业生产的基础工艺装备”也已经成为广大业内人士的共识。在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中，60%80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其它加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。模具工业是制造业中的一项基础产业，是技术成果转化的基础，同时本身又是高新技术产业的重要领域。一 课题背景改革开放以来，我国模具工业发展迅猛。1996至2001年间，我国模具工业的产值年平均增长14%左右。目前，全国共有模具生产厂点1.7万个，从业人员50多万人。2001年全国模具工业总产值达300亿元人民币，我国模具年产值已位居世界第四。我国模具工业的技术水平近年来也取得了长足的进步。大型、精密、复杂、高效和长寿命模具上了一个新台阶。大型复杂冲模以汽车覆盖件模具为代表，已能生产部分新型轿车的覆盖件模具。体现高水平制造技术的多工位级进模的覆盖面，已从电机、电器铁芯片模具，扩展到接插件、电子枪零件、空调器散热片等家电零件模具。在大型塑料模具方面，已能生产48英寸电视的塑壳模具、6.5Kg大容量洗衣机全套塑料模具，以及汽车保险杠、整体仪表板等模具。其他类型的模具，例如子午线轮胎活络模具、铝合金和塑料门窗异型材挤出模等，也都达到了较高的水平，并可替代进口模具。但是，我国模具工业无论是在数量还是质量上，与工业发达国家存在着很大的差距，满足不了工业发展的需要，目前国内市场的满足率仅在70%左右。我国大部分模具是企业自产自用，真正作为商品流通的模具仅占1/3。所产模具基本上以中低档为主，一些大型、精密、复杂和长寿命的高档模具，在技术上无法与发达国家相比，生产能力也远远不能满足国民经济发展的需要。近五年来，我国平均每年进口模具8.14亿美元，2001年进口模具11.12亿美元(出口模具仅1.88亿美元)，这还不包括随进口设备和生产线作为附件带来的模具。根据海关统计，近几年进出口相抵，我国已成为世界上最大的模具进口国。二 课题设计的目的和意义目的：肥皂盒在我们的生活中非常的普遍，几乎每家都要用到。市场上也有各种各样的肥皂盒，形状各异，有些是把肥皂盒做成水果造型，有些是动植物造型，来吸引顾客的目光，以引发人们的购买欲。意义：此次设计的肥皂盒的结构较简单，主要是在肥皂盒的底部打孔，这样可以让积累在里面的水自然流出，省去人工进行操作了。第一章 塑料成型工艺基础1.1肥皂盒的造型设计其图形如图11与12所示：图11肥皂盒工程图图12肥皂盒三维图1.2肥皂盒塑料PS的结构与工艺特性（1）聚苯乙烯的流动性聚苯乙烯是有苯乙烯的单体聚合而成的高聚物，属于无定型塑料，具有良好的透明性、耐热、耐光以及良好的电绝缘性能，加工流动性好。聚苯乙烯的流动性好，容易成型，由于聚苯乙烯熔体粘度对剪切速率和温度都比较敏感，所以在注射中，无论是增大注射压力或升高机筒温度都会使熔体粘度下降，均可达到改善聚苯乙烯熔体流动性的目的，其中提高机筒温度效果更明显。制品壁厚对流动性也有一定的影响，PS熔体的最大流动长度与壁厚之比为200：1所以壁厚一般在1.04.0之间选取。（2）聚苯乙烯的成型流动收缩性PS为非结晶型聚合物，成型收缩率较低，通常为0.5%0.8%，提高注射压力对降低成型收缩率是有利的，但注射速度不宜过高，否则模腔内的空气难以及时排出，还会使制件表面不光滑，透明度低，冲击强度降下降，同时较大的剪切力还会导致制品的内应力增加，因此对聚苯乙烯来说在不发生波纹、熔接痕等缺陷的前提下应尽可能采用较低的注射速度。（3）聚苯乙烯的工艺特性聚苯乙烯的着色性能优良，能染成各种鲜艳的色彩。聚苯乙烯能耐碱、硫酸、磷酸、10%30%的盐酸、稀醋酸及其他有机酸，但不能耐硝酸及氧化剂的作用，对谁、汽油、植物油及各种盐溶液也有足够的耐蚀能力。它是无色无味无毒的第三大塑料品种。它的吸水性较好，所以加工前不需要干燥处理。1.3 注射成型原理及工艺特性注塑模亦称注射模，其成型原理是将塑料从注塑机的料斗送进加热的料筒中，经过加热熔化呈流动状态后，在柱塞和螺杆的推动下，熔融塑料被压缩并向前移动，进而通过料筒前的喷嘴以很快的速度注入温度较低的闭合模腔之中，充满型腔的熔料在受压的情况下，经冷却固化后即可保持模具腔所赋予的形状，然后开模分型获得成型塑件。这样在操作上完成了一个周期的生产过程。通常，一个成型周期从几秒钟到几分钟不等，时间的长短取决于塑件的大小、形状和厚度、模具的结构、注射机的类型及塑料的品种和成型工艺条件等因素。注射成型是热塑性材料成型的一种重要方法，它具有成型周期短、能一次成型形状复杂的、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的塑料制件。注射成型的生产率高、易实现生产自动化。注射成型的缺点是所用的注射设备价格高，注射模具的结构复杂，生产成本高，生产周期长，不适合于单件小批量的生产，除了热塑性塑料外，一些流动好的热固性塑料也可用注射方法成型，其原因是这种方法生产率高，产品质量稳定。第二章 塑件工艺性分析2.1 分析塑件的结构工艺性（1）外形尺寸 该塑件壁厚为2，塑件外形尺寸不大，塑料熔体流程不太长，塑件材料为热塑性塑料，流动性较好，适合于注射成型。（2）精度等级 该塑件尺寸中等，整体结构较简单，精度要求相对较低，再结合其材料性能，故选一般精度等级：五级。（3）脱模斜度 PS的成型性能良好，成型收缩率较小，选择塑件上型芯和凹模的统一脱模斜度为1度。2.2 工艺性分析为了满足制品表面光滑的要求与提高成型效率采用潜伏式浇口。该浇口的分流道位于模具的分型面上，而浇口却斜向开设在模具的隐蔽处。塑料熔体通过型腔的侧面或推杆的端部注入型腔，因而塑件外表面不受损伤，不致因浇口痕迹而影响塑件的表面质量与美观效果。2.3 注射机的选择按照图 1 塑件所示尺寸近似计 塑件体积： V 26cm3塑件质量： M =261.035 g=26.91g选用注射机为国产的注射机XS-ZY-125卧式注塑机。查表注额定注射量为125 cm，注射压力为120MPa，锁模力为90104N，注射方式为螺杆式，喷嘴球半径R为18mm，喷嘴口直径为4mm。顶出形式是两侧设有顶杆，机械顶出（一般工厂的塑胶部都拥有从小到大各种型号的注射机。中等型号的占大部分，小型和大型的只占一小部分。所以我们不必过多的考虑注射机型号。具体到这套模具）。第三章 塑料制件在模具中的位置3.1 型腔数目的确定与单型腔模具相比较，单型腔模具具有塑料制件的形状和尺寸一致性好、成型的工艺条件容易控制、模具结构简单紧凑、模具制造成本低、制造周期短等特点。但是，在大批量生产的情况下，多型腔应收更为合适的形式，它可以提高生产效率，降低塑件的整体成本。型腔数目的确定，应根据塑件的几何形状及尺寸、质量、批量大小、交货长短、注射能力、模具成本等要求来综合考虑。根据注射机的额定锁模力F的要求来确定型腔数目n ，即n 式中 F注射机额定锁模力（N）P型腔内塑料熔体的平均压力（MPa）A1、A2分别为浇注系统和单个塑件在模具分型面上的投影面积（mm2）大多数小型件常用多型腔注射模，而高精度塑件的型腔数原则上不超过4个，生产中如果交货允许，我们根据上述公式估算，采用一模二腔。3.2 型腔的分布在实际的多型腔模具设计与制造中，对于精度要求较高、物理与力学性能要求均衡稳定的塑料制件，应尽量采用平衡式布置的形式。图形如31所示： 图3-1多型腔模具3.3分型面的选择由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件结构工艺性及尺寸精度、嵌件的位置塑件的推出、排气等多种因素的影响、因此在选择分型面时应遵循以下的原则：（1）分型面应选在塑件外形最大轮廓处。（2）分型面的选择应有利于塑件是顺利脱模（3）分型面的选择应保证塑件的精度要求（4）分型面的选择应满足塑件的外观质量要求（5）分型面的选择应便于模具的加工制造（6）分型面的选择应有利于排气除了上述这些基本原则以外，分型面的选择还要考虑到型腔在分型面上的投影面积的大小以避免接近或超过所选用注射机的最大注射面积而可能产生溢流现象。图形如32所示： 图32分型面示意第四章 浇注系统的设计4.1 普通浇注系统的组成及设计原则（1）要能保证塑件的质量a)尽量减少停滞现象:停滞现象容易使工件的某些部分过度保压，某些部分保压不足，从而使內应力增加许多。 b)尽量避免出现熔接痕：熔接痕的存在主要会影响外观，使得产品的表面较差；而出现熔接痕的地方強度也会较差。 c)尽量避免过度保压和保压不足：当浇注系统设计不良或操作条件不当，会使熔料在型腔中保压时间过长或是承受压力过大就是过度保压。过度保压会使产品密度较大，增加內应力，甚至出现飞边。d)尽量减少流向杂乱：流向杂乱会使工件強度较差，表面的纹路也较不美观。（2）尽量减小及缩短浇注系统的断面及长度（3）尽可能做到同步填充，一模多腔情形下，要让进入每一个型腔的熔料能夠同时到达，而且使每个型腔入口的压力相等。（4）有利于型腔中气体的排出（5）防止型芯的变形和嵌件的位移（6）尽量采用较短的流程充满型腔4.2主流道的设计主流道是指浇注系统中从注射机喷嘴与模具接触处部分到分流道为止的塑料熔体的流动通道，是熔体最先流经的部分，它的形状与尺寸对塑料熔体的流动速度和冲模时间有较大的影响，因此必须使熔体的温度降和压力损失最小。设计要点:截面形状、锥度、孔径、长度、球面R、圆角r图形如下41：主图41流道形状及其与注射机喷嘴的关系1顶模板 2浇口套 3注射机喷嘴为了让主流道凝料能顺利从浇口套中拔出，主流道设计成圆锥形，其锥角a为26，小端直径d比注射机喷嘴直径大0.51mm，一般d=2.55mm。由于小端的前面是球面，其深度为35mm，注射机喷嘴的球面在该位置与模具接触并贴合，因此要求主流道球面半径比喷嘴球面半径大12mm。流道的表面粗糙度Ra0.8um。根据选用的 XS-ZY-125 型号注射机的相关尺寸得 喷嘴前端孔径： d0=4mm喷嘴前端球面半径：R0=12mm根据模具主流道与喷嘴的关系R=R0+(12)mm=13mmd=d0+(0.51)mm=5mm锥角为2060，取其值为30，经换算得主流道大端直径为7.6mm。浇口套的选择应根据注射机里的定位孔来选择，它与定位孔是过度配合，查表可知定位孔直径为100mm，所以浇口套的尺寸为100mm。4.3分流道的设计流道的截面形状会影响到塑料在浇道中的流动以及流道內部的熔融塑料的体积。此次选用圆形截面。形状图如图42所示：图421圆形截面优点：流道形状效率较高，可达0.25D。缺点：增加制作费用及成本，稍不注意会造成流道交错而影响流动效率。 2.分流道的设计要点a制品的体积和壁厚，分流道的截面厚度要大于制品的壁厚。b成型树脂的流动性，对于含有玻璃纤维等流动性较差的树脂, 流道截面要大一些。c流道方向改变的拐角处, 应适当设置冷料穴。3.分流道的尺寸设计a流道的直径过大：不仅浪费材料, 而且冷却时间增长, 成型周期也随之增长, 造成成本上的浪费。b流道的直径过小：材料的流动阻力大, 易造成充填不足, 或者必须增加射出压力才能充填。因此流道直径应适合产品的重量或投影面积c流道长度宜短, 因为长的流道不但会造成压力损失,不利于生产性,同時也浪费材料；但过短, 产品的残余应力增大, 并且容易产生毛边。流道长度可以按如下经验公式计算:D分流道直徑mm W产品质量g L流道長度mm所以分流道的直径选取为8mm，长度一般取在830mm之间，不宜小于8mm，因此分流道长度取15mm。4.流道排列的原则a尽可能使熔融塑料从主流道到各浇口的距离相等。b使型腔压力中心尽可能与注射机的中心重合。流道的布置要平衡，可以说自然平衡，如果自然没法平衡的话需要人工平衡。4.4 浇口的设计浇口：连接分流道和型腔的桥梁,是浇注系统中最薄弱最关键的环节。浇口作用：1、熔料经狭小的浇口增速、增温，利于填充型腔。2、注射保压补缩后浇口处首先凝固封闭型腔，减小塑件的变形和破裂。3、狭小浇口便于浇道凝料与塑件分离，修整方便浇口过小：易造成充填不足(短射)、收缩凹陷、熔接痕等外观上的缺陷,且成型收缩会增大。浇口过大：浇口周围产生过剩的残余应力,导致产品变形或破裂,且浇口的去除加工困难等。综合塑料使用的浇口类型与选用原则这次设计选用侧浇口。浇口开在型芯一侧，开模时浇口自动切断。4.5冷料穴和拉料杆的设计冷料穴的作用是容纳浇注系统流道中的料流的前锋冷料，以免这些冷料进入型腔，它还有便于在该处设置主流道拉料杆的功能，注射结束模具分型时，在拉料杆的作用下，主流道凝料从从定模浇口套中被拉出，最后退出机构开始工作，将塑件和浇注系统凝料一起推出模外。拉料杆的常用形式上Z字形结构，其典型的结构形式如图43所示：图43拉料杆的材料为T8，进行热处理时头部硬度为HRC5055，配合部分粗糙度为Ra0.8um.4.4排气系统的设计排气不良容易引起塑件烧焦，短射、填充不足、脱模不良、阴影、气泡、色差、缩水、流纹、表面凹陷、不熔合等。排气槽的作用主要有两点。一是在注射熔融物料时，排除模腔内的空气；二是排除物料在加热过程中产生的各种气体。越是薄壁制品，越是远离浇口的部位，排气槽的开设就显得尤为重要。另外对于小型件或精密零件也要重视排气槽的开设，因为它除了能避免制品表面灼伤和注射量不足外，还可以消除制品的各种缺陷，减少模具污染等。那么，模腔的排气怎样才算充分呢？一般来说，若以最高的注射速率注射熔料，在制品上却未留下焦斑，就可以认为模腔内的排气是充分的。适当地开设排气槽；可以大大降低注射压力、注射时间。保压时间以及锁模压力，使塑件成型由困难变为容易，从而提高生产效率，降低生产成本，降低机器的能量消耗。其设计往往主要靠实践经验，通过试模与修模再加以完善，此模我们利用模具零部件的配合间隙及分型面自然排气。第五章 成型零部件的结构设计模具中决定塑件几何形状和尺寸的零件称为成型零件，包括凹模、型芯、镶块、成型杆和成型环等。成型零件工作时，直接与塑料接触，塑料熔体的高压、料流的冲刷，脱模时与塑件间还发生摩擦。因此，成型零件要求有正确的几何形状，较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度，此外，成型零件还要求结构合理，有较高的强度、刚度及较好的耐磨性能。设计成型零件时，应根据塑料的特性和塑件的结构及使用要求，确定型腔的总体结构，选择分型面和浇口位置，确定脱模方式、排气部位等，然后根据成型零件的加工、热处理、装配等要求进行成型零件结构设计，计算成型零件的工作尺寸，对关键的成型零件进行强度和刚度校核。5.1 凹模的结构设计凹模也就是所谓的型腔，是成型塑件外表面的主要零件，按结构不同可分为整体式和组合式。整体式凹模：其特点是牢固，不易变形，不会使塑件产生拼接线痕迹。但由于整体式型腔加工困难热处理不方便，所以其常用于形状简单的中、小型模具上。根据此次设计的要求与加工特点来看选用整体式凹模，其结构图如51所示：图51凹模的材料选40Cr，凹模热处理硬度达到HRC4050,表面需镀硌和抛光处理，型腔表面的粗糙度为Ra0.20.1um，配合面需要达到0.8um。5.2 型芯结构的设计 型芯的结构形式也分整体式和组合式，由于肥皂盒的结构较简单所以选用整体式结构，加工方便，简化了结构。小型芯常单独制造，再嵌入模板中，最简单的是用过盈配合直接从模板上面压入，但是要在型芯下部铆接，主要是为了防止配合不紧密时被拔出的可能。其基本结构如图52所示:图52型芯材料选40Cr，热处理达到表面硬度为HRC4550，型芯表面的粗糙度为0.10.25mm，配合面为0.8mm，型芯表面热处理时需好进行镀铬、与抛光处理。5.3 成型零部件的工作尺寸的计算所谓成型零件的工作尺寸是指成型零件上直接构成型腔腔体的部位的尺寸，其直接对应塑件的形状与尺寸。鉴于影响塑件尺寸精度的因素多且复杂，塑件本身精度也难以达到高精度，为了计算简便。 塑件的公差规定按单向极限制，制品外轮廓尺寸公差取负值“”，制品叫做腔尺寸公差取正值“”，若制品上原有公差的标注方法与上不符，则应按以上规定进行转换。而制品孔中心距尺寸公差按对称分布原则计算，即取。5.4 型腔和型芯相关尺寸的计算塑件成型后的收缩率与多种因素有关，通常按平均收缩率计算。*100%参考 文献PS的收缩率是0.6%0.8%，它的平均收缩率是S=0.7%（1）型腔径向尺寸的计算因为塑件尺寸较小，精度级别高，c可取/6、z可取/3,此时，X取0.75。根据公式 LM=基本尺寸/mm 公差值/mm 计算124.74 1.48 LM = =124.584.6 1.2 LM = =84.29（2）型芯径向尺寸的计算根据公式 M=基本尺寸/mm 公差值/mm 计算119.26 1.48 m= =79.4 1.2 m= =14.71 0.58 m= = =（3）型腔深度的尺寸计算在计算型腔深度和型芯高度尺寸时，由于型腔的底面或型芯的端面磨损很小，所以可以不考虑磨损量。根据公式 HM=以下x为2/3基本尺寸/mm 公差值/mm 计算 27.35 0.7 H1M=27.07（4）型芯高度的尺寸计算根据公式 ： M=基本尺寸/mm 公差值/mm 计算 24.65 0.7 M= =25.29（5）中心距的尺寸计算塑件上的中心距基本尺寸Cs和模具上的中心距的基本尺寸Cm均为平均尺寸Cm=(1+S)Cs标注制造公差后得：Cm=(1+S)Cs基本尺寸/mm 公差值/mm 计算15 0.58 Cm=(1+S)Cs =15(1+0.7%) =15.1055.5 矩形型腔侧壁和底板厚度的确定由于型腔壁厚计算比较麻烦，所以根据参考文献可以得出，矩形型腔内壁短边长为84mm，所以凹模壁厚范围为1314mm，模套壁厚S2是4045mm，根据自己的设计来看，此次选用凹模厚度是13mm，模套壁厚是40mm。足以满足设计。第六章 结构零部件的设计6. 1 注射模架的选择模架是设计、制造塑料注射模的基础部件，如图61所示：图61模架模型标准中规定，中小模架的周界尺寸范围是560mm900mm，此次选用的模架周界尺寸为560mm900mm。6.2导柱的设计长度 导柱导向部分的长度应比凸模端面的高度高出 812 cm，以免出现导柱末导正方向而型芯先进入型腔的情况。 形状 导柱前端应做成锥台形，以使导柱能顺利地进入导向孔。 材料 导柱应具有硬而耐磨的表面和坚韧而不易折断的内芯，因此多采用20 钢（经表面渗碳淬火处理） ，硬度为5055HRC。如图6-2所示；图62导柱结构第七章 推出机构的设计7. 1 推出力的计算对于一般塑件和通孔壳形塑件，按下式计算，并确定其脱模力（Ft）Ft=AP（ucos-sin）式中 Ft塑件脱模力 A塑件包络型芯的面积 P塑件对型芯单位面积上的包紧力 u塑件对钢的摩擦系数，为0.10.3 脱模斜度，由此估算出脱模力为8000N7 .2 推杆的设计推杆的强度计算 查塑料模设计手册之二由式5-97得d圆形推杆直径cm 推杆长度系数0.7 l推杆长度cm n推杆数量 E推杆材料的弹性模量N/cm2 (钢的弹性模量E=2.110 7N/ cm2 ) Q总脱模力 取d=5mm推杆压力校核 查塑料模设计手册式5-98推杆应力合格，硬度5065HRC 7.3推出机构工作原理图如下图71图711推板 2推杆固定板 3垫块 4推杆5型芯 6型腔第八章 加热、冷却系统的设计及校核 本塑件在注射成型机时不要求有太高的模温因而在模具上可不设加热系统。是否需要冷却系统可作如下设计算计。设定模具平均工作温度为60 ，用常温20 的水作为模具冷却介质，其出口温度为30。8.1 冷却回路的尺寸确定1求塑件在硬化时每小时释放的热量Q1 查表得PS 的单位流量为 27104 J/Kg得Q1=WQ2=0.2627104=7.02104需要设计冷却回路2 冷却回路的孔直径的确定确定冷却水孔的直径时应注意，无论多大的模具，水孔的直径不能大于14mm，否则冷却水难以成为湍流状态，以致降低热交换效率。一般水孔的直径可根据塑件的平均壁厚来确定。平均壁厚为2mm时，水孔直径可取810mm，平均壁厚为24mm时，水孔直径可取1012mm，平均壁厚为46mm时，水孔直径可取1014mm。此次设计，壁厚为2mm，所以选择冷却水孔的直径为8mm，足以满足设计 的需求。8.3模具厚度的校核根据所选注射机的种类：A模具的最大厚度=300mmB模具的最小厚度=200mm模具设计时，应使模具的总高度位于注射机可安装的最大模后与最小模后之间，模具厚度为=30+30+25+50+70=205mm，介于最大与最小之间，所以模具厚