脚踏玩具承载底座左盖塑件注射成型工艺与模具设计

目 录摘要 .IAbstrac.1 选题背景 .32 塑料玩具外壳的注塑成型工艺分析 .32.1 塑件分析及设计要求 .32.2 塑件材质分析 .42.3 ABS 的注塑成型过程及工艺参数 .62.4 预选注塑机 .72.4.1 体积和质量的计算 .72.4.2 初选注射机 .83 模具结构形式设计-93.1 分型面位置的确定 .103.2 形腔数目及排布方式的确定 .113.1 浇注系统设计 .133.1.1 主流道的设计 .143.1.2 分流道的设计 .153.1.3 浇口的设计 .163.1.4 冷料井的设计 .173.5 成型零件的设计 .173.5.1 成型零件的结构设计 .173.5.2 成型零件的尺寸计算 .203.6 脱模机构的设计 .233.7 排气槽的设计 .233.8 导向与定位机构的设计 .243.9 模具温度调节系统的设计 .243.10 模具材料的选择 .273.11 模架的选择 .283.11.1 动定模固定板尺寸的确定 .283.11.2 模具高度尺寸的确定 .283.11.3 定模板 .283.11.4 定模座板 .293.11.5 动模固定板 .293.11.6 垫块 .293.11.7 动模座板 .294 模具的校核计算 .304.1 成型零件的强度、刚度校核 .304.1.1 型腔侧壁厚度的计算 .304.1.2 型腔底板厚度的计算 .304.2 注射机参数校核 .314.2.1 最大注射量的校核 .314.2.2 锁模力的校核 .314.2.3 模具安装尺寸的校核 .315 塑料玩具壳体注射模总装图 .326 总结 .34致 谢 语 .34参 考 文 献 .1脚踏玩具承载底座左盖塑件注射成型工艺与模具设计摘要为了得到脚踏玩具承载底座左盖的合理成型工艺和模具结构，作者对脚踏玩具底座左盖塑件进行了模具设计。首先，利用三维建模软件对塑件进行造型，并分析了它的成型参数和结构特点。其次，在优化浇口位置的基础上，设定成型参数和模具结构。对填充模腔过程进行了数值模拟，得到合理的模具设计方案。再次，在对设计方案进行 CAE 分析的基础上，运用注射模具设计的基础理论，完成了脚踏玩具承载底座左盖塑件的模具结构设计。结果表面，运用 CAD/CAE 方法，能够得到合理的设计方案，设计出符合实际要求的塑件。关键词：脚踏玩具左盖 注塑成型 模具设计 工艺分析 数值模拟The injection molding process and design of mold for plastic toys left shell with footprint patternAbstractAiming to finding out the reasonable injection molding process and designing of mold for the plastic toys shell with footprint pattern,the author designed the mold of the plastic toys left shell with footprint pattern.First, with the help of the 3D modeling software,the author made the mold of the plastic product and analysised its molding parameter and structure characteristics.Second,basing on the optimization of the casting gate,the author set up the molding parameter and molding structure and simulated the process of filling the cavities in order to get the reasonable design scheme.Finnaly,in the use of CAE analysis and the injection molding design knowledge,the author finished the injection molding design of the plastic toys shell with footprint pattern.The result shows that reasonable design can be found out by the use of the CAD/CAE methods.Key words: left shell of the plastic toy with footprint pattern the injection molding design of mold process analysis digital simulation1 选题背景随着塑料材料研究的不断深入和塑料应用的日趋广泛，在现代工业和日用产品中所用到的一些传统金属件，也越来越多地采用塑料来制造。小型塑料玩具是整个塑料玩具产业的重要组成部分，其在市场上的占有额也在逐年增加。而在所有的小型塑料玩具中，脚踏型玩具尤为多见，是深受广大消费者亲睐的儿童玩具。用于制造对应玩具的模具设计显得尤其重要。由于小型塑料脚踏玩具使用者多为少年儿童，对其外观吸引性和使用安全性的考虑显得比较突出。而在设计制造对应模具时，玩具的成型工艺分析和相应的 CAE 分析以及浇注系统的设计是重点所在。通过设计脚踏玩具承载底座左盖塑件的注射模具，并运用 CAE 方法对其进行分析，进而优化其设计方案，对于整个小型塑料玩具模具的设计具有重要的参考意义，其合理的制造方法值得我们去研究。2 塑料玩具外壳的注塑成型工艺分析2.1 塑件分析及设计要求通过 Pro/E 来建立塑件 3D 模型，造型重点是保证塑件形状和尺寸精度，本次设计的塑料玩具外壳造型内部结构比较复杂，通孔、筋较多。绘制立体图时主要通过拉伸和旋转的方式。将 3D 图转换为二维工程图再用 AutoCAD 进行修改和尺寸标注。图 2-1 和图 2-2 所示分别为玩具壳体的 Pro/E 三维图和 CAD 二维图。图 2-1 塑料玩具壳体 Pro/E 三维示意图图 2-2 塑料玩具壳体 CAD 示意图如图 2 所示，考虑到塑件的使用者多为少年儿童，该塑件有以下特点：在外缘轮廓采用圆弧圆角过渡；内腔为内凹结构，中部布有筋。其外型尺寸为122mm50mm25mm，平均壁厚 1.8mm，与另外一半结合部分有厚 0.8mm 的突起。玩具使用环境不定，要求其具有一定的强度、刚度和耐腐蚀性，精度要求中等，塑件外表面为光滑,无熔接痕及推出痕迹，内表面为抛光面。因此该塑件采用丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）注射而成。2.2 塑件材质分析2.2.1 丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）1 使用性能 综合性能好，冲击强度、力学强度较高，尺寸稳定，耐化学性，电气性能良好；易于成型和机械加工，其表面可镀铬，适合制作一般机械零件、减摩零件、传动零件和建构零件。2 成型性能1） 无定型塑料。其品种很多，各品种的机械性能及成型特性也各有差异，应按品种来确定成型方法及成型条件。2） 吸湿性强。含水量应小于 0.3%（质量） ，必须充分干燥，要求表面光泽的塑件应要求长时间预热干燥。3） 流动性中等。溢边料 0.04mm 左右。4） 模具设计时要注意浇注系统，选择好进料口位置、形式。推出力过大或机械加工时塑件表面呈现白色痕迹。2.2.2 ABS 的主要性能指标 其性能指标如表 2-1 所示密度/g cm-3 1.02-1.08 屈服强度/MPa 50比体积/cm 3g-1 0.86-0.98 拉伸强度/MPa 38吸水率（%） 0.2-0.4 拉伸弹性模量/MPa 1400熔点/C 130-160 抗弯强度/MPa 80 计算收缩率（%） 0.4-0.7 抗压强度/MPa 53比热容/J（kgC） -1 1470 弯曲弹性模量/MPa 1400表 2-1 ABS 的性能指标3 各主要项精度1）表面粗糙度由塑件的表面粗糙度是决定塑件表面质量的主要因素。塑件表面粗糙度主要与模具型腔表面的粗糙度有关，透明塑件要求型腔与型芯的表面粗糙度相同。由塑件外观可知，塑件的内、外表面要求较高，因此其表面粗糙度取 Ra0.4mm。一般情况下，模具粗糙度数值要比塑件低 12 个等级，故取型腔、型芯表面粗糙度为 Ra0.2um。2）尺寸精度按（GB/T 14486-93）标准，塑件尺寸公差的代号为 MT,公差等级分为 7 级，其中塑料件尺寸精度分为 8 级。本塑件所用材料为 ABS,由此查塑料模具设计手册可知，本塑件宜选用 MT3 级精度。零件具体尺寸及其公差值可详见零件图。塑件尺寸精度于模具的制造精度密切相关，尤以小型精密塑件为甚。从模具制造精度对塑件精度的影响可知，模具制造允许误差和塑件尺寸公差之间具有对应的关系，由塑件零件图可得，模具精度等级为 IT6。3）脱模斜度该塑件采用的塑料是 ABS，而 ABS 的成型收缩率较小（0.5%0.8%） ，而且塑件较复杂，对型芯的包紧面积也较大，所以应取较大的脱模斜度。为保证壁厚的均匀一致，因此取塑料件的内外表面的脱模斜度一致。再由零件设计图纸要求可知 1。4） 壁厚由图纸可知，该塑件有许多中不同的壁厚，壁厚不均匀，这就造成塑料熔体的充模速率和冷却收缩不均匀，并由此产生许多质量问题。如凹陷、真空包、翘曲、甚至开裂。为防止此类现象出现，这就要求防止出现突变与截面厚薄悬殊的设计，故在壁厚不同处采取过渡设计，例如：采用圆弧过渡等措施。2.3 ABS 的注塑成型过程及工艺参数2.3.1 注射成型过程1）成型前的准备。对 ABS 的色泽、粒度和均匀度等进行检验，由于 ABS 吸水性较大，成型前应进行充分的干燥。2） 注射过程。塑件在注射机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的浇注系统进入模具型腔成型，其过程可分为充模、压实、倒流和冷却五个阶段。3） 塑件的后处理。处理的介质为空气和水，处理温度为 6075C，处理时间为16-20S。2.3.2 注射工艺参数1） 注射机：螺杆式，螺杆转数为 30r/min。2） 料筒温度（C）：后段 150-170；中段 165-180；前段 180-200。3） 喷嘴温度（ C）：170-180 。4） 模具温度（ C）： 50-80 。 5） 注射压力（MPa）：60-100。6） 成型时间（S）：30（注射时间取 1.6s，冷却时间 20.4s，辅助时间 8s） 。2.3.3 Moldflow 模拟分析首先，在 Pro/E 中先将塑件三维模型转换为 stl 格式文件，再将该 stl 文件导入Moldflow 软件中，选择网格划分类型（Fusion）和产品设计尺寸单位（Millimeters） 。根据 Moldflow 软件对有限元网格的要求，对塑件进网格划分和网格修补，最终得到较为完善的有限元网格参数 9。然后，对有限元网格修改过后较长为完善的制件，选择材料外，并采用系统缺省的成型条件进行最佳浇口位置分析。最佳浇口位置分析结果以图象的形式给出最佳浇口位置所在的区域，结果显示中，蓝色的区域为最佳浇口位置区域，浇口设在该区域可保证注塑过程的熔体流动的平衡性。如图 2-2 所示，最佳浇口位置区域有好几处，根据塑件的结构，同时考虑塑件在模具中的排布形式，将浇口设置在塑件突起端偏下部，进行模拟分析。作为产品的初步成型分析，其目的是根据最佳浇口位置的分析结果设定浇口位置，分析产品注塑过程中可能出现的问题和质量缺陷。通过上面浇口位置的分析及选择，手动创建浇注系统，然后使用系统缺省的成型条件，对制件进行充填分析，如图 2-4 所示，制件在 1.181s 的时间内完成熔体的充填。通过充填分析，也可以得到制件上的熔接痕位置，如图 2-4 所示，图中黑色线条代表熔接痕。从图中可以看出，该制件的熔接痕数目较少，主要分布在塑件的内表面，对塑件外观无影响。一般情况下，熔接痕部位强度较差，通常可以通过局部加热的方法提高制品发生熔接痕部位的温度，从而保证塑件的整体强度。为了减少熔接痕的数量，在模具设计时可以考虑开设冷料穴，防止低温熔体注入；或开设排气糟，提高排气效果，减少熔体分解 9。图 2-3 最佳浇口位置 图 2-4 充填时间2.4预选注塑机2.4.1 体积和质量的计算塑件体积和质量可以通过手动计算或是采用一些辅助软件。本塑通过使用 Pro/E 软件自动计算出所画图形的体积和质量，质量属性如图 2-6 所示。塑件的体积：V 塑 = 3.06104mm3 = 30.6cm3；平均密度：= 1.02kg/ cm 31.0210 -3 g/ cm3；塑件的质量：M 件 = 1.0230.6= 31.21g；取 V 凝料 = 0.5 V 塑则 V 总 = V 塑 （1+0.5） 8 =30.6 1.58 =367.2 cm 3；浇注系统的体积：V 浇 7.8810 3 mm3故总的注射体积：V 总 1.77310 5mm3+7.88103 mm3185.1810 3mm3总的注射质量：M 总 185.181.45g268.511g图 2-5 质量属性2.4.2 初选注射机ABS 材料流动性较好，会发生流延和倒流现象，为了避免这种现象的发生，应选用自锁式喷嘴。根据：V（ nV1+V2）/ K367.2/0.8 cm 3459 cm 3式中： n型腔数目；V1单个塑件的体积，cm 3；V2浇注系统凝料的体积，cm 3；V注射机最大注射量，cm 3；K注射机最大注射量的利用系数，可取 0.70.9；此处取 0.8。根据塑件和浇注系统体积或质量的总和，初选注射机型号为 SZ-500/200，其参数如表 2-2 所示：理论注射量/ cm 500螺杆直径/mm 55注射压力/MPa 150注射速度/gs -1 173塑化能力/kgh -1 110锁模力/kN 2000最大成型面积 /cm2 500模板最大行程 /mm 500模具厚度/mm 280-500定位孔直径 /mm 160喷嘴球半径SR/mm 30定位孔深度 /mm 25顶出行程/mm 90顶出力/kN 53锁模方式 液压、机械注射机类型 螺杆式机器质量/t 8外形尺寸 /m 5.6x1.9x2.0表 2-2 SZ-500/200 注射机的参数 13 模具结构形式设计3.1 分型面位置的确定如何确定分型面，需要考虑的因素比较复杂。由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件的结构工艺性及精度、嵌件位置形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种因素的影响，因此在选择分型面时应综合分析比较，从几种方案中优选出较为合理的方案。选择分型面时，为保证塑件能顺利地从型腔中脱出且便于模具加工，需考虑分型面的先择原则 12。分型面的选择原则1） 符合塑件脱模的基本要求，分型面位置应设在塑件脱模方向最大的投影边缘部位，即能使塑件从模具内取出；2） 分型线不影响塑件外观，即分型面应尽量不破坏塑件光滑的外表面；3） 确保塑件留在动模一侧，利于推出且推杆痕迹不显露于外表面；4） 确保塑件质量不受分型面选择的影响；5） 应尽量避免形成侧孔、侧凹，若需要滑块成型，力求滑块结构简单，尽量避免定模滑块；6） 满足模具的锁紧要求，将塑件投影面积大的方向放在定、动模的合模方向上，而将投影面积小的方向作为侧向分型面，分型面是曲面时，应加斜面锁紧；7） 合理安排浇注系统，特别是浇口位置；8） 有利于模具加工。遵循以上选择原则，结合设计实际，可以得到以下两种分型面方案：图 3-1 方案一 图 3-2 方案二方案一：将分型面设置在如图 3-1 方案一所画出的位置，即制件的最大投影面上，有利于浇口位置的设定，且可以简化流道的设计，方便充填。同时，模具设计制造时，单方向占用体积适宜，制造方便，节省成本。注塑成型时有利于保护塑件外观，确保塑件质量。在设计安排浇注系统时比较方便。另外，此方案抽芯机构简单。排气效果较好，方便成型，模具结构较简单，制造较容易。方案二：将分型面设置在如图 3-2 方案二所画出的位置，不在塑件的最大投影面积处，此方案浇口位置选择比较多，浇口类型也有不同选择，但不利于塑件顺利脱模，不能确定塑件在开模时是否留在动模一侧。 另外，此方案在成型各类孔时需要设置侧抽芯，设计制造都比较麻烦。塑件质量及外观也不易保证。综合考虑以上两种方案的利弊，结合制件结构的具体分析，为简化模具结构，降低生产成本，确定分型面在制件投影面积最大的部位，即选择方案一所示的分型面位置。3.2 形腔数目及排布方式的确定为了使模具与注射机的生产能力生产能力相匹配，提高生产效率和经济性，并保证塑件精度，模具设计时应确定型腔数目。常用的方法有两大类：一是按技术参数确定型腔数目；二是按经济性确定型腔数目。因为此产品为大批量生产，单腔模不能满足生产需要，故需选择多腔模。由于 3,4级的精密等级就可以满足生产需要。所以要从最经济的条件上考虑一模 8 腔的排布方式。3.2.1 注射机相关参数校核1） 注射压力校核。查表 4-11可知，ABS 所需注射压力为 80110MPa，这里取 P0= 100 Mpa，该注射机的公称压力 P 公 = 150 Mpa，注射压力安全系数 K1= 1.3，则K1P1=1.3 100 = 130 Mpa 14.63mm，模具中的实际型腔底板最小壁厚为 50.0mms。4.2 注射机参数校核4.2.1 最大注射量的校核由 V=459 cm3，注射机的最大注射量为 500cm3，根据 VV 机 ，故注射量满足要求。4.2.2 锁模力的校核由锁模力 PA 分 F 机 ,A 分为塑件和浇注系统在分型面上的总投影面积 3900mm2；P 为型腔内塑料熔体的平均压 35MPa。A 分=3750mm 2，计算 F=1365kN，该注射机的锁模为2000kN，故锁模力也满足要求。4.2.3 模具安装尺寸的校核1) 模具的外形尺寸模架的选用可知模具的外形尺寸为 BL=500mm500mm，而注射机的拉杆间距是400mm400mm，因此该模具可装在此注射机上。2) 模具厚度模具的闭合高度为 370mm，而该注射机的最大厚度为 380mm，最小厚度为 220mm，因此该模具可装在此注射机上。3) 开模行程的校核注射机的最大开模行程为 320mm。S=H1+H2+10mm=46.81+146.81+10=203.62mm。故该注射机的开模行程满足要求。)1(22PLh终上所述，选择注射机 XS-ZY 500/200 是合理的。5 塑料玩具壳体注射模总装图模具的结构图如下：图 5-1 主视图图 5-2 A-A 剖视图 图 5-3 B-B 剖视图详细总装图与零件图见 CAD 文档。6 总结通过对脚踏玩具承载底座左盖塑件的成型工艺性能分型和注射模具设计，对小型塑料玩具的合理化模具设计提供了参照。设计过程中，基于注射模具设计的基础知识，运用 CAD/CAM 技术，分析得到塑件的成型性能和工艺参数，选择出合适的浇口类型和位置，进而完成脚踏玩具承载底座左盖塑件的合理化模具设计。经过完整的分析论证后，得到的结果表明，对于此类小型塑料玩具塑件的注射模具设计，采用 CAD 结合 CAM 技术的方法设计注射模具，能够达到设计合理化模具设备的要求，对其他同类别塑料制件的注射模具设计具有参考价值。致 谢 语在本次毕业设计过程中，XXXX 严格要求我们，百忙中悉心指导，向我们传授模具设计理念，耐心解说模具的动作机理，我才得以顺利完成本次设计。在论文的写作过程中，XX 老师本着严谨的治学态度，精心指导我论文的写作，并为我们提供了许多参考资料，在此，我向 XXXX 老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！其次感谢 XXXX 在之前的学习中对我在 Pro/E 方面的教育与指导，和 XXXXX 在塑料注射模具设计方面技术要点的耐心传授，使此次设计得以顺利按时完成。再次还要感谢大学四年来所有的老师，为我打下模具专业知识的基础；也要感谢所有我的同学们，正是因为有了你们的支持和帮助，本次毕业设计才会顺利完成。最后感谢母校四年来为我个人成长成才提供良好的平台和诸多的锻炼机会。参 考 文 献1 俞芙芳主编塑料成型工艺与模具设计M 武汉：华中科