模具毕业设计论文 运用ProE 软件进行模具三维结构的设计

1、摘要本设计运用Pro/E 软件进行模具三维结构的设计，其中包括浇注系统、顶出机构等部分的设计。在模具三维设计部分的工作完成之后，我们再将其导入Moldflow中，设定相关条件，进行制品的流动分析。此次设计中，通过Moldflow的流动分析，可以模拟热塑性材料注塑成型过程的填充和保压阶段，以预测塑料熔体的流动行为，从而可以确保产品的可制造性。使用Moldflow，可以帮助我们对设计的产品进行合理的工艺评估，对浇口位置、流道数目等进行调整和改进，从而设计出令人满意的产品。关键词：注塑模、CAE、Pro/E、MoldflowAbstractIn this design process,we unif

2、y the knowledge of ourselves, carrying on the mold three-dimensional structure designing with the Pro/E, including the gating system, to go against part and so on organization designs. After mold three dimensional design part completion of work, we induct it in Moldflow, assuming the related conditi

3、on, carrying on the flow analysis of the product. In this design, through the Moldflow flow analysis, we can simulate the thermoplastic material injection molding process the packing and guarantees presses the stage, forecast the mobile behavior of the plastic melting, thus may guarantee the manufac

4、turability of the product. With the Moldflow, we can carry on the reasonable craft appraisal to the design product. Also we may optimize the runner position, the running number and so on .Then a satisfying product can be designed.Key words: inject mold, CAE, Pro/E, Moldflow前言20世纪80年代开始，发达工业国家的模具工业已从

5、机床工业中分离出来，并发展成为独立的工业部门，其产值已超过机床工业的产值。改革开放以来，我国的模具工业发展也十分迅速。近年来，每年都以15的增长速度快速发展。许多模具企业十分重视技术发展。加大了用于技术进步的投入力度，将技术进步作为企业发展的重要动力。此外，许多科研机构和大专院校也开展了模具技术的研究与开发。模具行业的快速发展是使我国成为世界超级制造大国的重要原因。今后，我国要发展成为世界制造强国，仍将依赖于模具工业的快速发展，成为模具制造强国。中国塑料模工业从起步到现在，历经了半个多世纪，有了很大发展，模具水平有了较大提高。在大型模具方面已能生产48"（约122CM）大屏幕彩电塑壳

6、注射模具，6.5KG大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具，精密塑料模方面，以能生产照相机塑料件模具，多形腔小模数齿轮模具及塑封模具。经过多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技术，模具的电加工和数控加工技术，快速成型与快速制模技术，新型模具材料等方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面作出了贡献。尽管我国模具工业有了长足的进步，部分模具已达到国际先进水平，但无论是数量还是质量仍满足不了国内市场的需要，每年仍需进口10多亿美元的各类大型，精密，复杂模具。与发达国家的模具工业相比，在模具技术上仍有不小的差距。今后，我国模具行业应在以下几方面进行不断的

7、技术创新，以缩小与国际先进水平的距离。（1）注重开发大型，精密，复杂模具；随着我国轿车，家电等工业的快速发展，成型零件的大型化和精密化要求越来越高，模具也将日趋大型化和精密化。（2）加强模具标准件的应用；使用模具标准件不但能缩短模具制造周期，降低模具制造成本而且能提高模具的制造质量。因此，模具标准件的应用必将日渐广泛。（3）推广CAD/CAM/CAE技术；模具CAD/CAM/CAE技术是模具技术发展的一个重要里程碑。实践证明，模具CAD/CAM/CAE技术是模具设计制造的发展方向，可显著地提高模具设计制造水平。（4）重视快速模具制造技术，缩短模具制造周期；随着先进制造技术的不断出现，模具的制造

8、水平也在不断地提高，基于快速成形的快速制模技术，高速铣削加工技术，以及自动研磨抛光技术将在模具制造中获得更为广泛的应用。第一章 开关零件工艺分析1.1 制品结构设计塑件尺寸的大小取决于塑料的流动性。根据我国目前塑件的成型水平，塑件的尺寸公差可依据1372-78 塑料制件公差数值标准确定。一般模具表面粗糙度要比塑件的要求低级。塑料制件的表面粗糙度一般为a0.80.2m 之间。模具在使用过程中，由于型腔磨损而使表面粗糙度不断加大，所以应随时给以抛光复原。透明塑件要求型腔和型芯的表面粗糙度相同，而不透明塑件则根据使用情况决定它们的表面粗糙度。本设计的塑件采用PS塑料，颜色为灰白色。15塑件结构如图1

9、所示。图 1-1 塑件零件图1.2 收缩性塑料经成型后获得的制品从热模具中取出后，因冷却以及其它原因而引起尺寸减小或体积收缩的现象称为塑料的收缩性。收缩性是每一种塑料的固有特性之一1。为了得到符合图纸要求的塑件，在设计模具的时候，对于收缩性总是给以适当的补偿。本设计中的塑件原料PS塑料的收缩率为1.005。第二章 模具结构设计2.1拟定模具结构形式2.1.1 确定型腔数量及排列方式型腔的数量为“一出四”即一模四腔，他们已考虑了本产品的生产批量（大批量生产）和自己的注射机型号。因此设计的模具为多型腔的模具。考虑到模具成型零件以及出模方式的设计，模具的型腔排列方式如下图所示：图2-1 型腔排列方式

10、2.1.2 模具结构形式的确定由于塑件外观质量要求高，尺寸精度要求一般，因此我们设计的模具采用多型腔多分型面。根据本塑件按钮的结构，模具将会采用一个分模面，一个分型面。2.2 注射机的选择2.2.1注射机型号的确定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。1所以我们不必过多的考虑注射机型号。具体到这套模具，厂方提供的注射机型号和规格以及各参数如下：型号:SZ-68/40注射量：53g锁模力：400KN模板大小：400×550移模行程：220推出形式：顶杆推出推出位置：塑件的最大壁厚处如图3所示：推出行程：20图2-2 顶出位置2.2

11、.2 注射机的校核（） 型腔数量的确定和校核模具型腔数选择为2。根据注射机的最大注射量确定型腔数量nn<=(KmNm2)/m1式中mN注射机允许的最大注射量（g 或cm3）；m1单个塑件的质量或体积（g 或cm3）；m2浇注系统所需塑料质量或体积（g 或cm3）；注射机最大注射量的利用系数，一般取.。2(KmNm2)/m1 =（0.8 X 53 1.3358）/2.1373=19.24<19.2所以选择型腔数为n=4 合理。（2）.塑件在分型面上的投影面积与锁模力校核设计注射模是必须满足下面关系：nA1+A2<AKP 腔<F 即0.1 K（nA1+A2）p<F式中

12、-注射机允许使用的最大成型面积（cm2）；1-单个塑件在模具分型面上的投影面积（cm2）；A2-浇注系统在模具分型面上的投影面积（cm2）；P-塑料熔体对型腔的成型压力（MPa）,一般取4050MPa;F-注射机的额定锁模力（KN）。K-安全系数，一般取1.53有: A1 =4.256cm2A2 = 5.958cm2A = 500 cm2n = 4P = 50 MPaF =400KN则有: nA1+A2 = 4X4.256+5.958= 22.982cm222.982 < 500所以,塑件在分型面上的投影面积经校核合理。0.1K（nA1+A2）P = 0.1 X 1.5 X 22.98

13、X 50=172.35< 400所以，锁模力经校核合理。2.3 分型面的选择为了便于模具加工制造，应尽是选择平直分型面工易于加工的分型面。但本塑件在最大轮廓处以下有V型槽结构，如果分型面做成平直的，将造成无法脱模，由于零件本身较小也不宜增加中间板。综合考虑分模面如下图所示：图2-3 分型面分型面的选择应尽可能使塑件在开模后留在动模一边，这样有助于动模设置的推出机构动作，由于塑件收缩会包在型芯上，依靠注射机的顶出装置和模具的推出机构推出塑件。这样做出来的定模部分具有突出的V型结构，这样对模具使用寿命的会有很大的影响14。故在V型块前做出一突出部分，对其起到保护作用。如下图所示：图2-4 分

14、型面三维图2.4 浇注系统的设计普通浇注系统由主流道、分流道、浇口和冷料穴等部分组成。浇注系统与塑件一起在分型面上，尽量缩短流程，以降低压力损失，缩短充型时间，浇口位置的选择，应避免产生湍流和涡流，以及喷嘴和蛇形，并有利于排气和补缩，浇注系统应达到所需精度和粗糙度，其中浇口必须有IT8 以上的精度。42.4.1主流道的设计1. 主流道尺寸主流道是一端与注射机喷嘴相接触，另一端与分流道相连的一段带有锥度的流动通道。主流道小端尺寸为3.54mm。52. 主流道衬套的形式主流道小端入口处与注射机喷嘴反复接触，属易损件，对材料要求较严，因而模具主流道部分常设计成可拆卸更换的主流道衬套形式，以便有效的选

15、用优质钢材单独进行加工和热处理5。浇口套都是标准件，只需去买就行了。常用浇口套分为有托浇口套和无托浇口套两种下图为后者，有托浇口套用于配装定位圈。浇口套的规格有12，16，20等几种。由于注射机的喷嘴半径为10，所以浇口套的为12。如下图所示：图2-5 主流道衬套3. 主流道衬套的固定因为采用的无托浇口套，所以用定位圈把它压在模具的定模板上。定位圈也是标准件，外径为120mm，内径35mm。具体固定形式如下图所示：图2-6 主流道衬套的固定2.4.2分流道设计分流道设计应满足良好的压力传递和保持理想的充填状态，并在流动过程中压力损失尽可能小，能将塑料熔体均衡地分配到各个型腔。本模具的流道布置形

16、式采用平衡式，如下图：图2-7 流道布置形式2.5 浇口的设计浇口亦称进料口，是连接分流道与型腔的通道，除直接浇口外，它是浇注系统中截面最小的部分，但却是浇注系统的关键部分，浇口的位置、形状及尺寸对塑件性能和质量的影响很大。6根据本塑件的特征，综合考虑以上原则，浇口选在塑件的侧边，便于加工。2.6 浇注系统的平衡一般在塑件形状及模具结构允许的情况下，应将从主流道到各个型腔的分流道设计成长度相等、形状及截面尺寸相同（型腔布局为平衡式）的形式，否则就需要通过调节浇口尺寸使各浇口的流量及成型工艺条件达到一致，这就是浇注系统的平衡。显然，我们设计的模具是平衡式的，即从主流道到各个型腔的分流道的长度相等

17、，形状及截面尺寸都相同。72.7 冷料穴的设计冷料穴一般开设在主流道对面的动模板上（也即塑料流动的转向处），其标称直径与主流道大端直径相同或略大一些，深度约为直径的11.5倍，最终要保证冷料的体积小于冷料穴的体积，冷料穴有六种形式，常用的是端部为Z字形和拉料杆的形式，具体要根据塑料性能合理选用。实际上只要将分流道顺向延长一段距离就行了。2.8 成型零件的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。2.8.1成型零件的结构设计1. 凹模凹模是成型塑件的外表面的成型零件。凹模的基本结构可以分为整体式、整体嵌入式和组合式，本设计中的凹模采用的是镶拼式结

18、构。2. 凸模和型芯凸模和型芯都是用来成型塑件的内表面的成型零件。凸模用来成型塑件整体的内部形状；小型芯用来成型塑件的局部孔或槽。本设计中凸模采用的是镶拼式结构。2.8.2 成型零件工作尺寸的计算成型零件工作尺寸是指成型零件上直接用来构成塑件的尺寸，主要有型腔和型芯的径向尺寸（包括矩形和异形零件的长和宽），型腔的深度尺寸和型芯的高度尺寸，型芯和型芯之间的位置尺寸等。8规定：塑件外形最大尺寸为基本尺寸，偏差为负值，与之相对应的模具型腔最小尺寸，偏差为正值；塑件内形最小尺寸为基本尺寸，偏差为正值，与之相对应的模具型芯最大尺寸为基本尺寸，偏差为负值；中心距偏差为双向对称分布。1. 型腔和型芯的径向尺

19、寸的计算1) 型腔径向尺寸当塑料制件尺寸较小、精度级别较高时可用以下公式计算：（LM）=(1+)Ls-(0.50.75) 式中 LM -模具型腔的基本尺寸 Z-模具的制造公差 -塑料的平均收缩率 Ls -塑件的基本尺寸 -塑件规定的公差值2) 型芯径向尺寸的计算(lM) =(1+)lS+(0.50.75) 式中 lM -模具型芯的基本尺寸 Z-模具的制造公差 -塑料的平均收缩率 Ls -塑件孔的径向基本尺寸 -塑件规定的公差值7为了塑件脱模方便，型腔或型芯的侧壁都应设计有脱模斜度，当脱模斜度值不包括在塑件公差范围内时，塑件外形的尺寸只保证大端，塑件内腔的尺寸只保证小端。这时计算型腔尺寸以大端尺

20、寸为基准，另一端按脱模斜度相应减小；计算型芯尺寸以小端尺寸以小端尺寸为准，另一端按脱模斜度相应增大，这样便于修模时有余量。92. 型腔深度尺寸和型芯高度尺寸的计算在型腔深度尺寸和型芯高度尺寸的计算中，由于型腔的底面或型芯的端面磨损很小，所以可不考虑磨损，由此可用以下公式计算： （HM）=(1+)Hs-X (hM) =(1+)hS+X 式中 HM -模具型腔深度尺寸 hM -模具型芯高度尺寸 Z -模具的制造公差 -塑料的平均收缩率 Hs -塑件凸起高度尺寸 hS -塑件凹进深度尺寸103. 中心距尺寸的计算由于模具上中心距尺寸和塑件中心距公差都是双向等值公差，同时磨损的结果不会使中心距尺寸发生

21、变化，在计算中心距尺寸时不必考虑磨损量。因此，塑件中心距的基本尺寸CS和模具上成型零件中心距的基本尺寸CM均为平均尺寸，于是：（CM） Z/2 = (1+)CS Z/2式中CM-模具上成型零件中心距的基本尺寸CS-塑件中心距的基本尺寸 -塑料的平均收缩率Z -模具的制造公差本次设计中的成型部分零件尺寸利用PRO/E 软件计算。塑件的原料为ps塑料，其收缩率为0.5%。在Pro/E软件中设置好收缩率后则会自动将产品三维图尺寸放大1.005 倍，所得尺寸即为模具型腔的尺寸。然后采用拷贝面切割实体的方式在模胚上分出型腔（3D分模），由此得到的模具尺寸即为模具的加工尺寸。112.9 合模导向机构设计导

22、向机构是保证动定模或上下模合模时，正确定位和导向的零件。合模导向机构主要有导柱导向与锥面定位二种形式。本设计中所采用为导柱导向机构，主要零件是导柱与导套。导柱：本模具中所采用的导柱如图4.9。导柱固定部分表面粗糙度Ra为0.8um,导向部分表面粗糙度Ra为0.80.4um，导柱固定端与模板之间采用配合精度H7/m6过渡配合；导柱的导向部分通常采用H7/f7的间隙配合，导套用H7/m6镶入模板。 图 2-8 导柱导套2.10 脱模推出机构设计在注射成型的每一循环中，塑件必须由模具型腔中取出。完成取出塑件这个动作的机构是顶出机构，也称为脱模机构。2.10.1 脱模力的计算注射成型后，塑件在模具内冷

23、却定型，由于体积的收缩，对型芯产生包紧力，塑件要从模腔中脱出，就必须克服因包紧力而产生的摩擦力这个所需的力称为脱模力。脱模力可以根据以下公式进行估算：Fc=12KfcE(Tf-Tj)th式中Fc-脱模力fc-脱模系数，即在脱模温度下塑件与型芯表面之间的静摩擦因数(0.4)-塑件的线膨胀系数（0.00007/）E-在脱模温度下，塑料的抗拉弹性模量(2200MPa)Tf- 塑料的软化温度(90)Tj-脱模时塑件温度（60）t-塑件的壁厚(2.28mm)h-型芯脱模方向的高度(11mm) 12则Fc=83.4kN2.10.2 复位零件目前常用的复位形式主要有复位杆复位和弹簧复位两种形式。本设计的顶出

24、机构复位装置采用了复位杆复位形式。复位杆设置四根。2.10.3 其它设计2.10.4 排气槽由于型腔体积较小，注射时间大约为1s，不会造成憋气现象，因此不需要排气槽。2.10.4 温度调节系统因塑件小，单位时间注射量小，无需该系统，不会造成严重偏差。2.11 模具三维图图 2-9 模具总装配图图 2-10 下模体 图 2-11 上模体图 2-12 型芯第三章 Moldflow分析3.1 Moldflow流动分析结果首先对开关的Pro/E三维模型进行STL格式的转换，然后导入到Moldflow中。再对其进行网格划分，纵横比为6，并对纵横比大于6的网格进行修复，用三点旋转法使锁模力方向与窗口中坐标

25、系的Z轴方向一致。创建流道与浇口，设定注射位置，检查整个模型的联通性，最后进行流动分析。其中本次流动分析的相关条件如下：模具表面温度：50熔体温度：230充填方式：自动速度/压力切换再98充填体积处保压控制选择充填压力百分比与时间冷却时间设置为20s其它选项默认分析完成后选中任务视窗面板中的“顶出时的体积收缩率”与“缩痕指数”结果绘图，此时窗口分别如图图 3-1 体积收缩率及缩痕指数通过观察上图可知原始方案中出现一定收缩，缩痕指数的值也有一定偏差，这就说明分析结果与实际结果有较高的一致性。选中面板中的“充填时间”结果绘图，此时结果如下图图 3-2 充填时间从上图可看出充填时间较短为0.5386

26、s，符合设计初期的设想3.2 拟改善方案一拟改善方案一及充填时间如下图 3-3 充填时间从图中可看出浇口改在零件的上部，并在主流道下部增加了冷料穴，得出充填时间为0.5902s，比原始方案增加了，得出充填时间增加了，不利于产品的大批量生产。 3.3 拟改善方案二拟改善方案二及充填时间如下：图 3-4 充填时间从图中可看出浇口改在零件的中部，并在主流道下部增加了冷料穴，得出充填时间为1.055s，比原始方案增加了，得出充填时间增加了，不利于产品的大批量生产。3.4 比较分析结果（1）当方案一、方案二的分析任务完成后，分别选中任务视窗面板上原始方案、方案一、方案二的“顶出时的体积收缩率”分析结果绘

27、图，此时窗口如下图所示：图 3-5 原始方案（体积收缩率） 图 3-6 方案一（体积收缩率）图 3-7 方案二(体积收缩率)原始方案的体积收缩范围为0.55246.459方案一的体积收缩范围为0.60506.990方案二体积收缩范围为0.74346.004有以上结果可知，方案二的体积收缩情况较其他两种方案均有了一定的改善。此时虽然产品两端的收缩率仍相对较大（6.004左右），当此时的收缩值在产品材料允许的正常收缩率范围之内，所以产品不会出现较大收缩情况。（2）分别选中任务视窗面板上原始方案、方案一、方案二的“缩痕指数”分析结果绘图，此时窗口如下图所示：图 3-8 原始方案（缩痕指数）图 3-9

28、 方案一（缩痕指数）图 3-10 方案二（缩痕指数）原始方案的缩痕指数最大值为4.072方案一的缩痕指数最大值为4.018方案二的缩痕指数最大值为4.269有以上结果可知，方案一的缩痕指数与原始方案很接近，都小于方案二。缩痕指数的值越小，则出现缩痕的可能性越小，因此在缩痕指数方面，原始方案和方案一差不多。（3）分别选中任务视窗面板上原始方案、方案一、方案二的“注塑口位置压力：XY图”分析结果绘图，此时窗口如下图所示图 3-11 原始方案（注塑口位置压力：XY图）图 3-12 方案一（注塑口位置压力：XY图）图 3-13 方案二（注塑口位置压力：XY图）原始方案所需最大射压为21.5mpa方案一

29、所需最大射压为17mpa方案二所需最大射压为13.75mpa由以上结果可知，原始方案所需最大射压较其他两种方案大。（4）分别选中任务视窗面板上原始方案、方案一、方案二的“锁模力：XY图”分析结果绘图，此时窗口如下图所示图 3-14 原始方案（锁模力：XY图）图 3-15 方案一（锁模力：XY图）图 3-16 方案二（锁模力：XY图）原始方案所需最大锁模力为3.25mpa方案一所需最大锁模力为3.35mpa方案二所需最大锁模力为3.75mpa由以上结论得出三种方案锁模力相差不大。综上的分析结果，得出综合比较结果，如下表填充时间最大体积收缩率最大缩痕指数最大射压最大锁模力原始方案0.5386s6.

30、4594.07221.5mpa3.25mpa方案一0.5902s6.9904.07817mpa3.35mpa方案二1.055s6.0044.29513.75mpa3.35mpa有上表中可看出方案三在综合考虑方面有其很大的产品稳定性，虽然填充时间长了其他两个方案一倍，但0.5的时间相对于整个过程影响很小，所以最终选择方案三3.5 其他分析结果 图 3-17 气穴上图中的红色为气穴，在设计中可在气穴处加排气孔结论本设计首先说明了塑料工业的重要地位和当今注塑模具的现状，随着经济的发展，塑料工业将继续呈现蓬勃发展之势。在做好注塑成型的准备工作之后，接着介绍了模具设计的内容，冷流道注塑模具无外乎包括四大系统：浇注系统、温度调节系统、导向系统和机构系统。在浇注系统的设计中根据经验公式取流道横截面形状，确定浇口尺寸，对注塑机进行校核；顶出系统着重说明了导柱，导套的设计要求及安装要求；该模具属于简单脱模机构，无滑块抽芯机构，也无开模先后顺序的要求，做完这些工作之后，对成型零件进行尺寸的计算，然后该模具的设计到此结束。