汽车方向盘注塑模具设计-模具毕业论文

JIU JIANG UNIVERSITY 设计说明书 题 目 汽车方向盘注塑模具设计 院 系 机械与材料工程学院 摘 要 塑料工业是当今世界上增长最快的工业门类之一，而注塑模具是其中发展较快的种类，因此，研究注塑模具对了解塑料产品的生产过程和提高产品质量有很大意义。本设计介绍了注射成型的基本原理，特别是单分型面注射模具的结构与工作原理，对注塑产品提出了基本的设计原则 ；详细介绍了冷流道注射模具浇注系统、温度调节系统和顶出系统的设计过程，并对模具强度要求做了说明。 通过本设计，可以对注塑模具有一个初步的认识，注意到设计中的某些细节问题，了解模具结构及工作原理。 【 关键词 】 塑料模具；标准；浇注系统 1 目 录 第 1 章 塑件机构和功能设计 1 1.1 功能设计 1 1.2 材料选择 1 1.3 结构 3 第 2 章 注塑成型工艺 6 2.1 注塑成型工艺条件 .6 2.2 注塑机的选择与校核 7 2.2.1 注塑机的选择 8 2.2.2 模具开模顶出行程校核 9 2.2.3 注塑机的参数校核 9 第 3 章 模具设计 10 3.1 模具设计步骤 10 3.2 模架的选择 11 第 4 章 浇注系统设计 11 4.1 主流道 11 4.2 分流道 12 4.3 浇口 12 4.4 排气系统设计 .12 2 第 5 章 脱模机构设计 12 5.1 脱模力计算 13 5.2 推杆脱模机构 15 第 6 章 冷却系统 设计 16 参考文献 17 3 第 1 章 塑件结构和功能设计 1.1 功能设计 功能设计是要求塑件应具有满足使用目的功能 ， DVD 按钮表面要求光滑美观无毛刺，不得有裂痕、擦损、缺口及明显的变形。该塑件是日用品 ， 要承受不断的压力和摩擦，要考虑它的表面磨损程度，又因为经常和人体接触，要求耐腐蚀，选择特殊的表面处理，延长磨损期；塑件的工作温度是室温 ， 这使得在材料 选择时对热变形温度 ， 脆化温度 ， 分解温度的要求降低 ；作为一种日用品 ， 生产批量应该是大批大量生产 ， 这样 ， 就必须考虑生产成本和模具寿命 ，在材料的选择时要综合各种因素 ；此外 ， 塑料都会老化 ， 要综合考虑它的使用寿命 .因为此塑件是用在电器上，因此要考虑采用绝缘材料。 1.2 材料选择 通常 ， 选择塑件的材料依据是它所处在的工作环境及使用性能的要求 ， 以及原材料厂家提供的材料性能数据 .对于常温工作状态下的结构件来说 ， 要考虑的主要是材料的力学性能 ， 如屈服应力 ， 弹性模量 ， 弯曲强度 ， 表面硬度等 .该塑件对材料的要求首先必须是冲击韧性力 学强度高 ， 其次才是成型难易和经济性问题。 4 5 6 和机械加工一样要考虑到加工工艺问题，模具成型也要考虑到材料的注塑特性，在各特点都相差无几的情况下，好的成型特性是选择材料的主要标准。 成型特性上以 ABS 为好，由于是一般性民用品，所以价格上是需要考虑的，我们主要要求是价格和冲击韧性力学强度 ， 其它如拉伸强度 ， 断裂伸长率等则是次要考虑的指标 (这由塑件的工作环境决定 ). ABS 为塑件材料是最初选定的 .因为它所拥有的特性符合我们的塑件要求。 丙烯腈 -丁二烯 -苯乙烯共聚物 ABS 树脂微黄色或白色不透明，是丙烯腈 -丁二 烯 -苯乙烯共聚物。丙烯腈使聚合物耐油，耐热，耐化学腐蚀，丁二烯使聚合物具有优越的柔性，韧性；苯乙烯赋予聚合物良好的刚性和加工流动性。因此ABS 树脂具有突出的力学性能和良好的综合性能。同时具有吸湿性强，但原料要干燥，它的塑件尺寸稳定性好，塑件尽可能偏大的脱模斜度。 ABS 塑料主要的性能指针 密度 (Kg.dm-3) 1.03 1.08 收缩率 % 0.30.8 熔 点 130160 热变形温度 45N/cm 6598 7 弯曲强度 Mpa 80 拉伸强度 MPa 3549 拉伸弹性模量 GPa 1.8 弯曲弹性模量 Gpa 1.4 压缩强度 Mpa 1839 缺口冲击强度 kJ/ 120 硬 度 HR R6286 体积电阻系数 cm 1013 击穿电压 Kv.mm-1 15 介电常数 60Hz3.7 结论：本产品采用 ABS 塑料。 1.3 结构 D E T A L L XS C A L E 2 : 1 图 1-1 原始零件图 塑料制件的结构工艺性是指塑件结构对成型工艺方法的适应性 .在塑料生产过程中 ， 一方面成型会对塑件的结构 ， 形状 ， 尺寸精度等诸方面提出要求 ， 以便降低模具结构的复杂程度和制造难度 ， 保证生产出价廉物美的产品 ；另一方面 ，模具设计者通过对给定塑件的结构工艺性进行分析 ， 弄清塑件生产的难点 ， 为模 8 具设计和制造提供依据 .该塑件的整体形状像 一个盲孔，盲孔的深度 H 一般不超过孔径的 4 倍， H 4D，该塑件的最大孔深为 28，孔径可以取短半轴的直径为12，所以该塑件的盲孔形式是可以脱模的。 （ 1） 壁厚 各种塑件 ， 不论是结构件还是板壁 ， 根据使用要求具有一定的厚度 ， 以保证其力学强度 .一般地说 ， 在满足力学性能的前提下厚度不宜过厚 ， 不仅可以节约原材料 ， 降低生产成本 ， 而且使塑件在模具内冷却或固化时间缩短 ， 提高生产率 ；其次可避免因过厚产生的凹陷 ， 缩孔 ， 夹 心等质量上的缺陷 .以下是 ABS 的壁厚推荐值 : 最小壁厚 0.75mm 小型件壁厚 1.25mm 中型件壁厚 1.6mm 大型件壁厚 3.25.4mm 结论：本产品壁厚为 3mm，除去产品中间部分。 （ 2） 脱模斜度 由于塑件成型时冷却过程中产生收缩 ， 使其紧箍在凸模或型芯上 ， 为了便于脱模 ， 防止因脱模力过大而拉坏塑件或使其表面受损 ， 与脱模方向平行的塑件内 ，外表面都应具有合理的斜度 . 结论：本产品采用 ABS 的脱模斜度推荐值 :制件外表面 401.20，制 件内表面351塑件内表面在造型时就有弧度 ， 如果要有脱模斜度就是在凹槽和锁位处 ，这不仅对脱模有好处，而且可以更好的锁紧。 （ 3） 圆角 塑件上各处的轮廓过度和壁厚连接处，一般采用圆角连接，有特殊要求时才采用尖角结构。尖角容易产生应力集中，在受力或受冲击载荷时会发生破裂。圆角不仅有利于物料充模，同时也有利于融料在模具型腔内的流动和塑件的脱模。圆角的取值与应力集中的关系遵循 R/T 函数关系，当 R/T=0.6 以后应力集中变的缓和，该塑件的圆角取 R1。 结论：本产品塑件的圆角取 R1 第 2 章 注塑成型工艺 9 2.1 注塑成型工艺条件 (1)温度；注塑成型过程中需要控制的温度有料筒温度，喷嘴温度和模具温度等。喷嘴温度通常略微低于料筒的最高温度，以防止熔料在直通式喷嘴口发生 ”流涎现象 ”；模具温度一般通过冷却系统来控制；为了保证制件有较高的形状和尺寸精度，应避免制件脱模后发生较大的翘曲变形，模具温度必须低于塑料的热变形温度。 (2)压力；注射成型过程中的压力包括注射压力，保压力和背压力。注射压力用以克服熔体从料筒向型腔流动的阻力，提供充模速度及对熔料进行压实等。保压力的大小取决于模具对熔体的静水压力，与制件的形状，壁厚及 材料有关。对于像 ABS 流动性好的料，保压力应该小些，以避免产生飞边，保压力可取略低于注射压力。背压力是指注塑机螺杆顶部的熔体在螺杆转动后退时所受到的压力，背压力除了可驱除物料中的空气，提高熔体密实程度之外，还可以使熔体内压力增大，螺杆后退速度减小，塑化时的剪切作用增强，摩擦热量增大，塑化效果提高，根据生产经验，背压的使用范围约为 3.427.5MPA。 (3)时间；完成一次注塑成型过程所需要的时间称为成型周期。包括注射时间，保压时间，冷却时间，其它时间（开模，脱模，涂脱磨剂，安放嵌件和闭模等），在保证塑件质 量的前提下尽量减小成型周期的各段时间，以提高生产率，其中，最重要的是注射时间和冷却时间，在实际生产中注射时间一般为 35 秒，保压时间一般为 20120 秒，冷却时间一般为 30120 秒（这三个时间都是根据塑件的质量来决定的，质量越大则相应的时间越长）。确定成型周期的经验数值如表 2-1 所示。 表 2-1 成型周期与壁厚关系 制件壁厚 /mm 成型周期 / s 制件壁厚 / mm 成型周期 / s 0.5 10 2.5 35 1.0 15 3.0 45 1.5 22 3.5 65 2.0 28 4.0 85 结论： 经过上面的经验数据和推荐值，可以初步确定成型工艺参数，因为各个推荐值有差别，而且有的与实际注塑成型时的参数设置也不一致，结合两者的 10 合理因素，初定制品成型工艺参数如表 3-2 所示。 表 2- 制品成型工艺参数初步确定 特性 内容 特性 内容 注塑机类型 螺杆式 螺杆转速（ r/min） 48 喷嘴形式 通用 式 模具温度 50 喷嘴温度 () 180 后段温度 () 150170 中段温度 () 180190 前段温度 () 200210 注射压力 MPa 90 保压力 MPa 60 注射 时间 s 2 保压时间 s 5 冷却时间 s 10 其他时间 s 3 成型周期 s 20 成型收缩 (%) 0.6 后 处理温度 70 ，保温时间 2 小时。 2.2 注塑机的选择和校核 2.2.1 选择注塑机 由公称注射量选定注射机 由注射量选定注射机 .由 UG 建模分析得单个塑件：（材料密度取 =1.05g/cm3） : 总体积 V=16.965cm3； 总质量 M= 132.85 g； 流道凝料 V1=0.5V (流道凝料的体积 (质量 )是个未知数 ， 根据手册取0.5V(0.5M)来估算 ， 塑件越大则比例可以取的越小 )； 实际 注射质量为 M 实 =132.85 4.5=597.83g； 实际注射量为 :V 实 =16.965 4.5=76.34cm3； 根据实际注射量应小于 0.8 倍公称注射量原则 ， 即： 0.8V 公 V 实 V 公 = V 实 /0.8=76.34 0.8=95.425cm3 一次成型的塑料重量（塑件与流道凝料之和）应在注塑机理论注射量的10%-80%之间；既能保证制品质量，又可充分发挥设备的能力，则选 50%-80%为最佳。 11 塑件的形 状较复杂，壁厚不均，也无特别高的精度要求，塑件的材料为ABS，粘度为中等，一般选用的压力为 60-100Mpa。 查表 【 1】 初选螺杆式注射机： SZ-120。 表 2-3 SZ-60 型注塑机的主要参数 2.2.2 模具开模顶出行程校核 模具开模顶出行程应满足： SmSz 其中： Sz 为最大顶出行程，查注射机 SZ-120 型 Sz=120mm， Sm为模具的顶出行程； Sm=塑件的高度 +（ 5-10） mm =21+（ 5-10） =31mm 可见 SmSz ， SZ-120 满足其开模顶出行程。 注塑机型号 SZ-120 额定注射量 120cm3 螺杆直径 30mm 注射压力 180Mpa 模板行程 250mm 注射方式 螺杆式 锁模力 400KN 顶出行程 70mm 模具最大厚度 250mm 模具最小厚度 150mm 喷嘴圆弧半径 R10mm 顶出力 12KN 拉杆间距 220 300mm 喷嘴伸出量 20mm 电动机功率 11KW 加热功率 4.7 KW 机器外形尺寸 4000 1400 1600mm 12 2.2.3 注塑机的参数校 核 根据以上计算，浇注系统的体积为 V 型 =95.425cm3 (1)最大注射量的校核计算 校核式： (0.8-0.85)V 公 V 型 其中： V 型 =95.425cm3 (0.8-0.85) V 公 =0.8 120=96 cm3 可见满足校核式，即所设计模具注射量满足 SZ-60 最大注射量要求。 (2)注射机压力的校核 P机 P 塑 P机 注射机的最大注射压力， Mpa 或 N/cm3 P塑 成型塑件所需的注射压力， Mpa 或 N/cm3 一般 ABS 取 60-100Mpa， SZ-60 注射机的最大注射压力 P机 =135Mpa，可见 SZ-60注射机满足 ABS 注射压力的要求。 (3)模具 锁模力 校核 mFF 11 .3 5mF nA p 型 （ 4-2） 式中 1A 单个塑件在分型面上的投影面积 ( 2mm ) n 型腔个数 1.35 将浇注系统在分型面上的投影面积折算成10.35nA p型 塑料熔体对型腔的平均压力（ MPa） 投影面积 21 3 9 2 .7 7 m mA 根据查参考文献 2表 2-2 取 p型=35 MPa 所以 661 . 3 5 4 3 9 2 . 7 7 1 0 3 5 1 0 7 4 2 3 3 . 5 3 7 . 4mF N K N 综合验证， SZ-120 型注射机完全能满足此模具的注射要求 . 第 3 章 模具设计 13 3.1 模具设计步骤 （ 1）项目初始化：材料 ABS 收缩率为 1.006； （ 2）模具坐标系：编辑工件坐标系，设定模具坐标系； （ 3）工件 ： x=160mm,y160mm,z 向下 =30mm， z 向上 =35mm； （ 4）型腔布局：一模一腔，刀槽型号为 1，自动对准中心； （ 5）模型修补：构造曲线，用网格曲面修补，然后转化为内部曲面； （ 6）分型：先创建型芯，后创建型腔； （ 7）添加模架 :LKM_PP,index=2730,AP_h=50 BP_h=40,mold_type=I； （ 8）添加标准件： LACATING RING: DIAMETER=120,BOTTOM_C_BORE_DIA=38； Sprue bushing: CATALOG_LENGTH=44； Springs:WIRE_TYPE=ROUND,DIAMETER=38 CATALOG_LENGTH=45 ,UNDERSIZE=10； ENJECTOR CATALOG_DIA=1,CATALOG_LENGTH=200； (9)修剪顶杆； （ 10）添加浇注系统； （ 11）添加 冷却系统； （ 12）建腔； 3.2 模架的选择 模具的大小主要取决于塑件的大小和结构，对于模具而言，在保证足够强度和刚度的条件下，结构越紧凑越好。为节约模具钢材和便于热处理，根据产品的外形尺寸，就可以大致确定模架的大小。 注塑模模架国家标准有两个，即 GB/T12556 1990塑料注射模中小型 模架及其技术条件和GB/T12555 1990 塑料注射模大型模架。前者适 用 于 模 板 尺 寸 为BL560mm900mm；后者的模板尺寸 BL（ 630mm630mm ） 14 （ 1250mm2000mm）。 由于塑料模具的蓬勃发展，现在在全国的部分地区形成了自己的标准 。本设计中采用 200 230mm 的模架，导柱的直径为 20mm。 模架的结构如图 3-5。 图 3-5 模架图 第 4 章 浇注系统设计 4.1 主流道 主流道是连接注塑机的喷嘴与分流道的一段通道，通常和注塑机的喷嘴在同一轴在线，断面为圆形，有一定的锥度，目的是便于冷料的脱模，同时也改善料流的速度，因为要和注塑机相配，所以其尺寸与注塑机有关，如图 5-1 所示： 查表得知 SZ-60 型注射机的喷嘴孔直径d0= 4mm、喷嘴球半径 R0=12mm。 故取模具浇口套主流道小端直径为 : d= d0+0.5=4+0.5=4.5mm 模具浇口套主流道球面半径为： R= R0+（ 1 2） =12+2=14mm 将主流道设计成圆锥形，锥度取 4。 由于主流道要与高温的塑料熔体和喷嘴反复接触和碰撞，所以主流道部分常设计成可拆卸的主流道浇口套，以便选用优质的钢材 单独加工和热处理。 4.2 分流道 常用分流道断面尺寸推荐如表 5-1 所示。 表 5-1 流道断面尺寸推荐值 塑料名称 分流道断面直径 mm 塑料名称 分流道断面直径 mm ABS， AS 聚乙烯 尼龙类 聚甲醛 丙烯酸 抗冲击丙烯酸 醋酸纤维素 聚丙烯 异质同晶体 4.89.5 1.69.5 1.69.5 3.510 810 812.5 510 510 810 聚苯乙烯 软聚氯乙烯 硬聚氯乙烯 聚氨酯 热塑性聚酯 聚苯醚 聚砜 离子聚合物 聚苯硫醚 3.510 3.510 6.516 6.58.0 3.58.0 6.510 6.510 2.410 6.513 15 在该模具上取圆形断面形状，材料采用的是 ABS，所以采用直径为 5mm 分流道。 4.3 浇口 ABS 料的流动性好 ， 可适用于各种浇口 ， 为了不影响外观 ， 简化模局结构 ，确定本设计采用扇形侧浇口。 4.4 排气系统设计 该模具不是高深行腔，可以通过分型面和顶杆来排气，不需要另设排气槽。 第 5 章 脱模机构设计 本设计使用简单的推杆脱模机构，因为该塑件的分型面简单，结构也不复杂，采用推简单的脱模机构可 以简化模具结构，给制造和维护带来方便。在对脱模机构做说明之前，需要对脱模力做个简单的计算。 5.1 脱模力的计算 塑件在模具中冷却定型时，由于热收缩的原因其体积和尺寸都会逐渐缩小。在塑料的软化温度以前收缩并不造成对型芯的包紧力，但制品固化后的继续降温则会对型芯产生包紧力，包紧力带来正压力，其垂直于型芯表面。脱模温度越低，正压力越大。脱模是必须克服该包紧力所产生的摩擦力。对于不带通孔的壳体类塑件，脱模时还需克服大气的压力。此外，还需克服塑件与钢材之间的黏附力及脱模机构本身运动时所受到的摩擦阻力。由于在注塑成型时 所用的塑料一般都含有适量的脱模剂，故塑件与钢材之间的黏附力很小，可忽略不计。 正压力计算 要确定将塑件从圆锥型芯上脱下的摩擦阻力，应先计算塑件收缩时对型芯的正压力。因塑件壁厚与直径之比 1 . 5 11 0 0 2 0 cpt rd ，可近似用型芯半径 r 代替塑件的平均半径cpr，得出塑件由于收缩而产生的对型芯的正压力 P 2 c o s c o s(1 )t Etp rr （ 5-8） 16 其中 E ABS 的拉伸弹性模量 塑料的收缩率（ m/m） 塑料的泊松比 塑件的拔模斜度角 t 塑件的壁厚 mm 包紧力计算 全面积所受的总压力为pF，模被制件包紧部分的长度为 l, 取高度为 dl的一圈作微分单元， 图 5-1 半径为 r，其表面积为 图 5-1 2c o sdldA r 该段所受的包紧力为 c o s 22 c o s (1 ) 1pd l E t E td F d lr 薄壁塑件收缩使型芯全面积所受的总压力为 021211lPEtF d l E t l （ 5-9） 同理，侧型芯所受的包紧力为1PF 1 1 112 1PF E t l 其中 1t 侧孔周围的壁厚，取近似值 10mm 1l 侧孔的深度 脱模力计算 塑件包紧型芯时，其受力如图 5-9 所示，该图把空间汇交力系简化在平面上，两个对称的2pF 代替垂直于全圆锥表面的总包紧力 pF ，两个对称的表面摩擦力2fF 代替作用在全圆锥表面上的 fF ，由于型芯有锥度，故在抽拔力 1dF 作用 下，塑件对型芯的正压力降低了1 sindF ，这时摩擦阻力为1( s i n )f p dF f F F 17 沿 o 轴方向 由平衡方程式 0OF 即1c o s s i nf d pF F F （ 5-10） 11( s i n ) . c o s s i np d d pf F F F F （ 5-11） 1c o s ( )1 s i n c o sPdF f t gF f （ 5-12） 式中 1dF 克服因包紧力而产生的摩擦力所需的抽拔力 f 脱模系数（摩擦系数） 因塑件底部没有孔，在推出时还需克服大气压力造成的阻力2dF 2 10dFA 式中 A 垂直于开模方向型芯的投影面积 cm2，大气压力按 10N/cm2 计算 不计塑料对钢材粘附力和机构运动的摩擦阻力时，总抽拔力12d d dF F F 所以单个塑件所需的抽拔力为 c o s ( ) c o s ( )1 0 2 1 01 s i n c o s 1 1 s i n c o sPdF f t g l f t gF A E t Aff （ 5-13） 其中 l =28mm, 0.5o , A=3.93cm2 查 表 4-1 知： 51 . 8 2 . 6 1 0E M P a， 0.4 0.7 ， 0 .3 5 0 .5 5f ， =0.38 因脱模力准确计算很困难 ，为了可靠推出，对这里的 E、 、 f 取上限。 代入数值得 353 2 8 1 0 ( 0 . 5 5 0 . 0 0 8 7 )2 3 . 1 4 2 . 6 1 0 0 . 7 2 . 5 1 0 1 0 1 . 3 2 1 0 0 . 2 71 0 . 3 8 1dFN 所以沿开模方向所需的总抽拔力为 4 4 1 0 0 . 2 7 4 0 1 . 0 8dF F N 总 5.2 推杆脱模机构 推杆脱模机构是最简单、最常用的一种形式，具有制造简单、更换方便、推 18 出效果好等特点。推杆直接与塑件接触，开模后将塑件推出。 推杆的截面形状；可分为圆形，方形或椭圆形等其它形状，根据塑件的推出部位而定，最常用的截面形状为圆形；推杆又分为普 通推杆和成型推杆两种，前者只是起到将塑件推出的作用，后者不仅如此还能参与局部成型，所以，推杆的使用是非常灵活的。 推杆尺寸计算：本设计采用的是推杆推出，在求出脱模力的前提下可以对推杆做出初步的直径预算并进行强度校核。本设计采用的是圆形推杆，圆形推杆的直径由欧拉公式简化为 D =k( 2LFnEd) 41 （ 5-14） d 推杆直径； n 推杆的数量， n取 4； L 推杆长度（参考模架尺寸，估取 L= 162mm） ； E 推杆材料的弹性模量，取 E=2.1105 MPa ； k 安全系数，取 k=1.5； dF 总的脱 模力，dF=401.08（ N）； 代入数据得 2.8mmD ，考虑到塑件较薄，为确保因顶杆截面太小而顶坏塑件，这里选择 D=4mm 的顶杆，每个产品设计成用 1 根顶杆推出。 推杆的固定形式：推杆的固定形式有多种，但最常用的是推杆在固定板中的形式，此外还有螺钉紧