毕业设计（论文）-纱库注塑模具设计.docx

毕 业 论 文（设 计）论文（设计）题目：纱库模具 CAD姓名学号学院机械工程学院专业机械设计制造及其自动化年级指导教师20136 月 7 日山东大学毕业设计论文目录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 研究背景11.2 国内外研究现状11.3 理论意义与应用价值2第二章 制件功能以及工艺性分析42.1 纱库零件42.12 制件材料：PA6+15%的玻璃微珠。52.3 注射机：6第三章 成型零件设计93.1 设计要求93.2 凹模设计93.3 凸模设计113.4 成型零件外部尺寸123.5 分型面选择12第四章 标准模架选择15第五章 浇注系统设计195.1 系统主要组成部分如下：195.2 浇口套215.3 浇口位置225.4 冷料穴23第六章 冷却加热系统设计246.1 加热系统246.2 冷却系统246.3 冷却系统简单计算28山东大学毕业设计论文第七章 顶出系统设计307.1 顶出脱模机构分类307.2 脱模力计算30第八章 纱库制件的模流分析34第九章 总结与展望38致谢39参考文献40A CAD/C AE-integrated injection mold design system for plastic products42塑料产品的一个集成 CAD/CAE 的注塑模设计系统66山东大学毕业设计论文摘要在追求效率与零件互换性的今天，模具设计成为了工业上不可或缺的一部分。本次毕业设计通过以纱库零件成型模具设计为例，了解和掌握在 CAD 软件帮助下进行的模具设计，进而对模具设计有初步了解，掌握一定的模具设计知识。在模具设计过程中，将会涉及制件的材料、功能以及可成型性分析、成型零件设计、浇注系统设计，模架选择，冷却系统设计，顶出系统设计以及制件的模流分析。其间，会参考 UG 的 Mold Wizard 模块所提供的建议进行设计，但是是在 UG 建模环境下进行整个注塑模模具设计。关键词：模具设计 材料 CAD UG 注塑模I山东大学毕业设计论文ABSTRACTNowadays, as so many people are chasing efficiency and the changeableness of parts, mold design has become an indispensible part of the industry. I will research on how to design mold for a yarn library, in order to know something about the mold design process with CAD software, furthermore, to equip myself with some knowledge of mold design to attribute my own effort to the development of mold design in our country in the future. The process of mold design for injection mould will integrate the following parts: the analysis of the material and the formability of the part, the forming part design, design of the filling system, the choosing of the mold base, design of the cooling system, design of the ejection system, and the mold flow analysis of the part. During the process, I will take some advices from Mold Wizard as references; however, the whole mold design will take place in the modeling environment.Keywords：mold design, material, CAD, UG, injection mouldII山东大学毕业设计论文第一章 绪论1.1 研究背景模具的设计制造，实际上就是将原材料转化为模具的过程。顾名思义，该过程包括两大部分，一是设计，二是制造。其主要流程如下：（1）对模具的结构方案进行可行性分析，（2）对于模具进行三维建模设计，（3）确定该模具的生产方式，确定分型面等相关内容，（4）出具指导生产的相关工程图样，（5）制定工艺流程，（6）试验生产，（7）车间生产。在现代化工业生产的大背景下，生产效率、产品合格率成为工业生产的两大重要指标，尤其是在丰田“精益生产”模式巨大成功的经验之下，生产效率以及产品合格率提高的观念风靡全球。此时，能适应大规模批量生产、能明显降低生产成本以及能保证产品的外观性能高度一致的模具在现代化工业生产中显得优势明显。而随着计算机技术的飞速发展， CAD （Computer-aided Design）的出现，对于模具设计效率以及成功率的提高帮助巨大，可以说，在当前环境下，谁能正确、高效地使用 CAD 系统进行模具设计，谁就能在市场竞争中占据优势。CAD 软件层出不穷，各个软件开发商对于能够更好地在模具设计中提高效率以及成功率不断更新软件，在用户界面等方面进行了一系列改进，对于现在的模具设计师而言，设计软件的使用越来越方便。同时，制造业信息化技术正在改变着我们的设计、制造思维、观念，并行工程、设计决策系统、标准件库等的出现，对于模具设计效率的提高起到很大作用。迅速了解、掌握现代化的设计思维，对于在竞争中掌握主动权显得尤为重要。1.2 国内外研究现状当前，在模具工业总产值中，冲压模具占 50%，塑料模具约占 33%，压铸模具约占 6%，其他模具约占 11%。虽然我国的模具总量、总产值已达到相当规模，但是，目前国内的模具设计与制造水平相对而言不高，可以说是远远落后于德、美、英、日等国家，国内大型、精密、寿命长、复杂的模具占总产量不足 30%，而国外在 50%以上。而目前我国在模具设计与制造方面落后于国外先进水平的主要原因如下：1山东大学毕业设计论文（1） 原材料，国产模具多用 2Cr13 和 3Cr13，而国外多采用 DINI 以及 2316；（2）软件，目前国内的 CAD/CAM/CAE 水平跟不上国外先进水平，其中三维建模水平远远落后；（3）设计理念，现代化设计生产理念并未在国内得到贯彻；（4）设备，国内的生产加工设备相比于国外，落后程度较大，先进设备只能靠进口，这大大阻碍了国内模具行业的发展。国家对于模具行业的发展十分重视，在“十二五”规划中，对于模具行业的技术发展重点如下：（1）模具数字化设计制造及企业信息化管理技术（以推广应用为重点，并进行软件集成和二次开发），包括模具全三维 CAD 和 CAD/CAE/CAM/生产技术及CAPP、ERP、MES、PLM 等管理技术。（2）模具加工新技术，如高速高精加工、复合加工、精细电加工、表面光整加工及处理新技术、快速成型与快速制模技术、新材料成形技术、智能化成形技术、热压成形技术、厚板精冲技术、连续复合精冲技术、标准化自动化加工技术、大规模定制生产技术、网络虚拟技术等。（3）具有自主知识产权的模具生产和管理的专用软件的开发及升级。（4）模具精细化制造和精益生产。精细化制造与精益生产不是单纯的技术问题，而是设计、加工、管理技术和科学化、信息化的有机结合的综合反映，对提高模具质量和企业效益至关重要，应作为发展重点予以特别关注。（5）与模具直接关联的模具制品成形过程在线智能化控制技术。它利用信息化和现代控制技术，对模具制品成形过程中的相关工艺参数进行实时检测和在线智能化控制，以进一步提高模具制品的性能质量和成形效率，甚至使原来无法成形的模具制品成为可能，实现模具及模具成形的重大创新。1.3 理论意义与应用价值模具是制造业的重要装备之一，目前，模具的发展水平已经成为一个国家制造业发展水平的一个重要指标。经过几十年的发展，我国的模具设计制造水平已经有了很大的提高，但是，相比于发达国家仍然有不小的差距，近几年，我国一些高技术含量的模具仍需大量进口，平均每年进口数额约 20 亿美元。国内模具水2山东大学毕业设计论文平的提高需要各方面的重视，而作为机械设计专业的大学生，了解、掌握模具的CAD 设计、模拟制造，对于培养对于模具设计与制造的兴趣、对于打下一定的模具设计基础，有这十分重要的意义。本次设计选择的是纱库模具，而设计对象是意大利 Savio 的纱库模具。纺织业作为我国工业的一大组成部分，学习国外的先进水平，发展自己国家的模具是当前纺织业的一大任务。3山东大学毕业设计论文第二章 制件功能以及工艺性分析2.1 纱库零件制件的模型如图 2-1 和图 2-2 所示。图 2- 1 纱库零件三维图4山东大学毕业设计论文图 2- 2 纱库零件三视图纱库零件功能：在纱库的九个通孔内可放置纱筒，然后将纱库放置在纺织机上，不同的纱筒上的纱线可交互纺织成线。因此，九个通孔内表面表面粗糙度要求较高。纱线在纺织过程中，需要经过上表面的边缘处，因此，在设计零件的时候，需要在纱线经过处设置半径为 1.5mm 的倒边圆。制件脱模斜度：型腔为 25-40，型芯为 20-40。而根据制件二维图可知，制件脱模斜度为 30，合格。制件材料为热塑性塑料，其壁厚一般为 3mm 左右，制件转角处的一半以圆弧过渡，其半径为制件壁厚的 1/3 以上，最小不小于 0.5mm，满足要求。2.12 制件材料：PA6+15%的玻璃微珠。2.21 PA6性状：半透明或不透明乳白色结晶形聚合物 ，热塑性、轻质、韧性好、耐化学品和耐久性好，具有良好的耐磨性、自润滑性和耐溶剂性；热分解温度：300平衡吸水率：35 ；密 度：( g / cm3 ) ：1.14-1.15；熔 点：215-225；5山东大学毕业设计论文拉伸强度 600Mpa；伸 长 率： 30%；弯曲强度： 90.0Mpa；缺口冲击强度： KJ / m2 5。2.22 玻璃微珠是近年来发展起来的一种用途广泛、性能特殊的新型材料。该产品由硼硅酸盐原料经高科技加工而成，粒度为 10250 微米，壁厚 1-2 微米。该产品具有质轻、低导热、较高的强度、良好的化学稳定性等优点，其表面经过特殊处理具有亲油憎水性能，非常容易分散于有机材料体系中。化学成份：SiO2 67%,CaO8.0% MgO2.5% Na2O0.15 其他 2.0%；比重：2.4-2.6 g / cm3 ；堆积密度：1.5 g / cm3 ；莫氏硬度：6-7 莫氏；洛氏硬度：48-52 HRC。2.23 综上可知，制件所用材料 PA6+15%玻璃微珠特性如下：密度：1.5 g / cm3 15%+1.15 g / cm3 85%=1.2 g / cm3 ；熔化温度：250-280；注射压力：75MPa-125MPa；制件体积约为 857 cm3 ，因此制件质量约为 1028.4g。2.3 注射机：注射机的结构可分为三个主要部分：注射装置、锁模装置和模板。注射装置形式很多，一般为螺杆式液压驱动，近年来发展了全电动式注射装置，便于采用自动程序控制。注射机为热塑性或热固性塑料注射成型所用的主要设备，按其外6山东大学毕业设计论文形可分为立式、卧式、直角式三种，由注射装置、锁模装置、脱模装置，模板机架系统等组成，如图 2-3 所示。工作时模具安装于动模及定模板上，由锁模装置合模并锁紧，注射装置加热，塑化塑料。并将融熔的塑料注入模具，注射机设有电加热及水冷却系统供调节模温所用，塑件成型冷却后由锁模机构开模，并由顶出装置顶出塑件。图 2- 3 卧式注射机注射机的选择需要根据多项参数要求来进行，如最大注射量、最大注射面积、锁模力等等。目前国内市场上使用较多的是海天注射机，根据所提供的参数，初步选定注射机型号 为 HTF 530A 型（海天注塑机 530t 锁模力，A 型螺杆）。其相关参数如表 2-1 所示：型号HTF530A螺杆直径（mm）80理论最大注射量（ cm3 ）1749注射压力（MPa）205锁模力（t）530拉杆内间距（水平垂直）（mmmm）8208207山东大学毕业设计论文最大模具厚度 H（mm）820最小模具厚度 H1 （mm）50模板最大距离 L0 （mm）1640模板行程 L1 （mm）820液压顶出力（kN）158油泵电动机功率（kw）55机器尺寸（长宽高）（mmm）8.72.32.7机器质量（t）30表 2-1注射机校核：1) 最大注射容量：一般而言，注射机的最大射出量应在制件体积的 1.35 倍以上，857 cm3 1.35=1157 cm3 1749 cm3 ，合格；2) 撑模力成品在开关模方向的投影面积( cm2 )模穴数模内压力( kg / cm2 )PA6 的模内压力取 720 kg / cm2 ，为保险起见，机器锁模力一般需要大于撑模力的 1.17 倍以上，最大撑模力=62.6 cm2 1720 kg / cm2 =45072kg2030.52040414015051150300623005008219山东大学毕业设计论文5001500102表 5-1 主流道尺寸取值经验表d 取 4mm，R 取值 20mm，H=8mm，D=6mm, L 取 116mm。5.1.2 浇口1. 作用：1）对塑料熔体流入型腔起控制作用；2）当注塑压力撤销后，封锁型腔，是型腔中为冷却固化的塑料不会倒流。在设计时，浇口位置与尺寸的确定是非常困难的。2. 类型有以下几类：1) 直接浇口：也称中心浇口，多用于热敏性材料和高粘度的材料，以及具有后截面和品质要求较高的制件。优点是制件精度高、品质好、充填性好、压力损失小、无需加工流道等。缺点是去除制件的残余材料较困难，而且易在制件上留下较大的痕迹。2) 侧浇口：应用广泛，适合众多注塑制品的成型。需要注意的是，侧浇口尺寸的微小变化都能英气熔融体流量的较大变化。3) 扇形浇口：适合大型薄壁制件。4) 耳形浇口：适合平面薄壁制件。5) 点浇口：适用于细水口模具，浇口附近的残余应力小，在制件上几乎看不出浇口痕迹。适用于大型制件以及一腔多模且分型面处不允许有进浇口的制件。6) 盘形浇口：使得熔融体在制件的整个截面均匀扩散，同时填充型腔，适用于单型腔且形状简单的制件，由于本制件型芯分布在两侧，所以不适合。7) 环形浇口：适合于成型周期长、界面较薄型芯过长（需要两端固定）的圆柱形制件模具中。8) 潜伏式浇口：又称弧形浇口。与点式浇口相似，但是加工困难、压力损失达、顶出困难。本设计中，不能使用侧浇口，因为产品尺寸过大，偏注成型困难，会导致设备受力偏心。可以选取直浇口或者点浇口形式，但各有优缺点，1）直浇口，成型效果好，但是需要后期加工处理；2）点浇口，处理方便，但是所需流量大。选择直接浇口形式，直接浇口与制品连接处的直径约为制品厚度的 2 倍，即20山东大学毕业设计论文6mm 左右。若此处直径不够大，回事熔体流动摩擦剧增，产生暗斑和暗纹；若直径过大，则冷却时间加长，流道凝料过多。直接浇口上端（小端）外径应为 d0 +0.51mm，其中 d0 表示注塑机喷嘴直径，浇口斜度为 24。出口处应设有圆角，一般为 d0 /8。5.2 浇口套浇口套常用 T8 或 T10 钢材制造，经淬火，洛氏硬度为 5055HRC。由 UG 中直接导入浇口套标准件，浇口套外形如图 5-2 所示，尺寸如图 5-3 所示：图 5- 2 浇口套三维图21山东大学毕业设计论文图 5- 3 浇口套尺寸参数5.3 浇口位置考虑因素：1） 制件的几何形状因素，浇口应位于制件最大壁厚处，熔体从厚壁处流向薄壁处，保持流程相等，防止喷射；2） 制件承受最大应力的方向，应考虑将制件所受的主应力拉伸应力以及冲击应力最大的方向与流料方向一致；3） 对制件外观质量的影响，浇口位置应设在外观不受影响的部位，通过如图较短流程而形成最佳熔合，以防止接痕；4） 尺寸要求，浇口位置应保证制件应力最小。根据以上原则，将浇口位置设置在模具顶部，由上往下直接注入塑料。22山东大学毕业设计论文5.4 冷料穴在注射机注射之前，喷嘴最前端的部分熔融体温度较低，必须防止这部分冷料进入流道，为了集存这部分冷料，在注口末端的动模上开有冷料穴。冷料穴和拉料杆形状有以下几种（如图 5-4 所示）：1） 带 Z 行拉料杆的冷料穴，常用于热塑性塑料注射模，也用于热固性塑料注塑模；2） 带拉料杆的球形冷料穴，常用于推板推出弹性较好的塑料；3） 带拉料杆的菌形冷料穴，常用于推板推出弹性较好的塑料；4） 主流道延长式冷料穴，常用于直角式注射机上的模具等。我们选取的类型是带 Z 形拉料杆的冷料穴，其中，1-拉料杆，2-沟槽，3-冷料井，4-浇口，5-注口，6-推板，7-拉料杆，8-流道，9-注口图 5- 4 拉料杆形式23山东大学毕业设计论文第六章 冷却加热系统设计对于大对数较低模温的塑料，仅需设计模具冷却系统，而对于模温超过 80 的塑料，以及大型模具，需要设计加热装置。本次制件材料为 PA6+15%玻璃微珠，模具温度 8090，因此需要设计加热装置。6.1 加热系统注射模加热装置有以下两类：1）热水或过热水加热，其结构和设计原则与冷却水管道设计无异，只是将冷却水改为热水或过热水，模具温度要求在 80以上时，最好采用过热水，优点是加热均匀，有利于制件质量，缺点在于模温调节的滞后期较长；2）电热棒加热：即在模具适当部位钻孔，插入电热棒，并接入热电偶，也可与调压变压器相连接，优点在于结构简单且热损失少，使用较为普遍，缺点在于电热棒加热易产生局部过热的现象。本设计选取模温机油加热方式，PP、PC、PA66、PA6、POM 等加玻璃纤维的材料，模具加热一般选取模温机油加热方式。6.2 冷却系统冷却系统对于生产效率的影响主要表现在冷却时间上。通常，注塑到型腔内的熔融体温度在 200左右，而制件由型腔内取出时的温度多在 60一下。在成型过程中的热量，有 95%的需要由冷却介质（一般为水）带走。缩短冷却时间的途径有以下三种：1） 让冷却水处于湍流状态；2） 扩大模具与冷却水的温差；3） 增大冷却介质的传热面积，也就是尽量增大管道孔径和增加孔数。冷却系统设计原则：1) 冷却系统设计应先于脱模机构设计；2) 要注意凹模与型芯之间的热平衡；3) 冷却水道数目应尽量多，横截面应尽量大；24山东大学毕业设计论文4) 应当合理确定冷却水道到型腔壁的距离；5) 冷却水道出入口的水流温差应当尽量小；6) 加强浇口处的冷却；7) 冷却水道应沿着塑料收缩方向设计；8) 允许条件下，孔道距型腔通常在 1220mm 范围内；9) 进出口冷却水温差不应过大，以免造成模具表面损伤；10) 冷却管道布置应当均匀，孔壁间距应为（2.54）d。常见的冷却水路的截面形状可分为圆形直管、方形直管、圆形弯管和方形弯管。而常见的结构有喷水型、挡板型和热管型。隔板式冷却方式如图 6-1 所示：图 6- 1 隔板冷却方式图示在本次设计中，型芯冷却选取隔板式冷却方式，圆周排列钻孔，底面铣穿，加隔板，周边加密封圈。具体设计结构如下：钻一条垂直于一系列排列的水道，为主水道。每条水道内有一块挡板，将冷却管路分为两个半圆，冷却液子从一边25山东大学毕业设计论文进入冷却管路，在管道内，经过挡板顶端，流入另一边，回到主冷却水道。隔板一般为青铜片，或者铝片。各水道直径取值大于 15mm，一般取 16mm，20mm，25mm，而水道离制件距离为 15mm20mm。其中，本模具所选择的是钻 15 个直径为 25mm 的盲孔，由于型芯是组合式的，上部分底面可以铣串联各个盲孔，在盲孔内分布着厚度为 2mm 的隔板。如图 6-2 所示：图 6- 2 型芯冷却水路图型腔冷却使用如图 6-3 所示方式，在型腔侧壁上钻直径为 25mm 的水孔，然后以塞子密封，内部形成联通的水道，形成的型腔冷却水道如图 6-4 所示：26山东大学毕业设计论文图 6- 3 型腔冷却方式图 6- 4 型腔冷却水路分布27山东大学毕业设计论文6.3 冷却系统简单计算1) 热平衡计算也就是计算单位时间内熔融体放出的热量等于冷却水带走的热量Qin = Di mp =600 20=12000kJQin 表示熔体每小时冷却放出热量（kJ/h）D i 表示每千克塑料熔体凝固时放出的热量（ kJ/kg ），查表得PA6 取500600kJ/kgmp 表示每小时注射的塑料量，设每小时注射量为 20kgQout= mw Cw (tout -tin )Qout 表示冷却水每小时从模具带走的热量（kJ/h）mw 表示冷却水每小时用量（kg/h）Cw 表示冷却水的比热容，取值 4.187kJ/kg.t out - tin 表示冷却水进出模具的温差，设计 tout 为 28， tin 为 22由 Qout = Qin 可计算得到， mw =477.67kg/h2) 湍流计算mw冷却水体积流量 V= 60r =0.008 m3 / min为使冷却管道内流体雷诺数在104 以上，根据 V 选取 d 冷却圆管直径为 15mm4V冷却水速 v= 60p d 2 =1.12m/s28山东大学毕业设计论文3) 冷却面积计算Dt = tm - tcp =90-25=65Dt 为冷却水与模具平均温差tm 为模具温度tcp 为冷却水平均温度A0 是冷却水物理性质参量的函数，查表取值为 7.93。( rv)0.8a =3.6 A0d 0.2=19015.77 kJ / m 2 h a 为冷却水的管壁传热系数（ kJ / m 2 h ）所需的冷却面积D i mpf = a Dt =0.010 m2冷却管道总长度 L=265.4mm29山东大学毕业设计论文第七章 顶出系统设计7.1 顶出脱模机构分类1) 顶杆机构：有直顶杆、扁顶杆、有托顶杆和顶管四种类型。2) 推管机构： 推管适用于推出小直径管状塑件，受力均匀而不致于破坏塑件。设计推管脱模注意事项：a) 推出塑件的厚度(也即推管的厚度)，一般不小于 1.5mm；b) 推管淬硬 HRC5055，最小淬硬长度要大于与型腔配合长度加上推出距离；c) 当脱模快时，塑件易被挤缩，其高度尺寸难以保证；可分为长推管：型芯固定于模具底板上，简单可靠，但是推管与型芯较长，适应于脱模力较小的中小模具；短推管：推管用推杆推拉。3) 顶块顶板机构:推件板机构是利用推件板在分型面处从壳体制件的整个周边推出，推出力大而且均匀，对于侧壁脱模阻力大的薄壁箱体或者圆筒形制件，推出后，外观几乎没有痕迹。当顶出机构必须在制件边上，又不能用推件板顶出时，可以使用顶块。4) 斜顶机构：斜顶机构是侧向抽芯滑块和顶杆部件相结合的一种制件顶出方式，原理在于顶出过程中，斜顶在顶出制件的同时受到制件压力而横向移动，从而使制件脱离成型部分。7.2 脱模力计算Qe = Qc + QbQe 表示脱模力（N）Qc 表示克服制件对型芯包紧的脱模阻力（N）Qb 表示一端封闭壳体所需克服的真空吸力（N）， Qb =1barAb =0.1MPa Ab ，Ab 表示型芯横截面面积（ mm2 ），22000 mm2所以 Qc =2200N对于薄壁圆筒制件30山东大学毕业设计论文2p EsthK fQc=1- m其中，E 表示塑料的拉伸弹性模量，2600N/ mm2 ；