薄壁凸台套筒注塑模具设计与CAE分析毕业论文-设计说明

摘要本文介绍了薄壁凸套注射模的设计过程。基于Pro/e和CAD，对注塑模具的结构进行了详细设计。完成了主要零件的装配图和部分零件图。在设计过程中，分析了塑件的结构和成型工艺的可行性，介绍了模具的基本工作原理，并对注塑机的选择、浇注系统、型腔设计、成型零件、脱模机构、转向机构、顶出机构、排气系统、冷却系统以及相关参数的设计和校核进行了详细的计算。此外，还通过moldflow对浇注系统、冷却系统和浇注系统进行了模拟。整个设计过程大部分已经完成。关键词:薄壁、注射、模具、模流序在实际生产过程中，我们经常会遇到各种类型的薄壁零件，这些零件在加工过程中很容易变形。分析外部变形的原因，找出如何防止薄壁零件的变形，以满足零件图纸的设计要求，探索满足技术指标和稳定性要求的处理方法，是非常必要的。薄壁零件因其重量轻、节省材料、结构紧凑而被广泛应用于各个工业部门。但由于薄壁零件的刚度和强度较差，给加工过程带来了各种技术难题。塑料制品通常简称为塑料件，因此研究塑料件的结构设计可制造性具有重要意义。结构好的塑件在成型过程中起到很好的作用，减少缺陷，获得更快的充模速度。以壁厚为例，如果只是为了满足使用性能而剧烈改变壁厚，在狭长通道的末端存在厚壁，会影响型腔填充，导致产品出现缺陷。要在不改变结构的情况下解决这种流动性差的现象，需要更高的注射温度和压力以及更长的保压时间，从而延长成型周期。薄壁塑料制品的结构可制造性直接影响产品本身的性能指标、成型工艺的实施和模具结构的复杂程度。因此，模具设计人员必须熟悉与模具设计相关的塑料制品的结构和工艺性要求，以便在满足使用要求的前提下，考虑模具中塑料件的特点，充分发挥所用塑料在性能上的优势，达到简化塑料件和模具结构，降低生产成本的目的。在塑料材料、产品设计和加工工艺确定后，塑料模具的设计对产品质量和产量有决定性的影响。首先是模具型腔的形状、流道尺寸、表面粗糙度、分型面、进出口位置的选择、脱模方式和设置方式的确定等。，都对产品(或型材)的尺寸精度和形状精度以及塑件的物理机械性能、应力、外观质量和使用质量起着非常重要的作用。其次，在塑件加工过程中，塑料模具结构的合理性对操作难度有重要影响。第三，塑料模具对塑料零件的成本也有相当大的影响。除了简单的模具，一般来说，成型的成本是非常昂贵的，尤其是大型塑料模具。塑料模具是塑料产品生产基础的深刻含义，越来越被人们所理解和掌握。在塑料制品及其成型设备确定的情况下，塑件的质量关系到生产效率，模具因素约占80%。因此，推动模具技术的进步是一项迫切的战略。尤其是大型塑料薄膜的设计技术和制造水平，往往可以标志一个国家的工业化程度。第一章塑料零件的可行性分析1.1外形尺寸和精度等级塑料件外径φ5.98mm，长度14mm，最大壁厚0.45mm，尾部紧固尺寸，长度0.3mm，单边高度0.15mm..其中尺寸φ5.08、φ5.98、14mm有公差。从表中可以看出，公差等级为IT11，未提及的公差取自由公差等级。图1-1薄壁轴套1.2塑料零件的材料和性能PS聚苯乙烯是一种热塑性材料，流动性好，拉伸强度高，化学性质稳定，成型性好，适用于点浇口。(具体参数见表1-1)表1-1PS的主要性能参数密度1.04~1.06克/厘米收缩率0.5~0.6%拉伸屈服强度35~63公共管理硕士（MasterofPublicAdministration）拉伸弹性模量2800~3500公共管理硕士（MasterofPublicAdministration）弯曲强度61~98公共管理硕士（MasterofPublicAdministration）冲击韧性0.54~0.86千焦/立方米变形温度65~96C困难M65~80半食宿1.3分型面和脱模斜度的确定由于零件尾部锁紧紧固件的锥度方向与抽芯方向相反，且型腔深度较深，不便于加工，综合分析将分型面设置在零件的大端面。考虑到零件末端的锁紧紧固件尺寸较小(一侧0.15mm)，根据应用，塑料零件变形后可回弹，不影响其功能。因此，根据零件类型加工心轴，留下收缩，在心轴的外圆上加工多个台阶。台阶两边高0.1mm，宽1mm。注射成型的零件可以从型腔中拔出，然后利用顶出板将零件从型芯上推下，从而实现注射成型过程。PS(聚苯乙烯)成型性好，成型收缩率小。根据参考表，塑件上型芯和模具的均匀脱模斜度选择为1度。1.4空腔数量和布置的确定这个塑料件要求月产量200万件，属于量产。在保证塑件质量的前提下，尽可能采用一腔多模或高速自动化生产，以缩短生产周期，提高生产率。按照一台注塑机两班倒，每模6件，月产量35万件，远远不能满足生产要求。由于塑件精度等级低，体积小，所以不需要侧抽芯机构。在保证塑件质量的前提下，为提高设备利用率，考虑模具设计为1腔32模。布置如图1-2所示。图1-2一模32腔第二章注塑机的选择2.1塑料零件体积和其他参数的计算1.计算单个塑料零件的体积和质量根据塑料件的形状，得到塑料件体积v1=105mm=0.105cm。如果聚苯乙烯(PS)的密度ρ=1.04~1.06g/cm，则单个塑料件的质量为m=0.1g。2.模具所需塑料熔体注射量的计算V=n*V1+V2其中，V是一个模具所需的塑料体积(cm)；；N——初步选定的空腔数量；V1——单个塑料件的体积(厘米)；；V2——浇注系统的容积(厘米)。对于流动性好的普通精密塑件，浇注系统的冷凝液约为塑件体积的15%-20%。考虑到深而长的薄壁零件，设计中采用0.6nV1作为预测估计，即注射量V=1.6N*V1=5.376cm3.夹紧力的计算A=n*A1+A2Fm=(n*A1+A2)*p式中，A——塑件和流道冷凝物在分型面上的投影面积(mm)；；A1——单个塑料零件在分型面上的投影面积(mm)；；A2——浇口凝液(包括浇口)在分型面上的投影面积(mm)；；F——模具所需的夹紧力(n);P——塑料熔体在型腔上的平均压力(MPa)。对于多型腔模具的统计分析，浇口(包括浇口)在分型面上的投影面积A2大致是单个塑件在分型面上投影面积A1的0.2-0.5倍，所以可以用0.35nA1估算，计算值为A≈1213mm。部分塑料所需的注射压力见表2-1(吴贤明《塑料模具设计指南》)。对于流动困难的薄壁窄浇口零件，聚苯乙烯所需的注射压力P1为120~150MPa，而成型时塑料熔体对型腔的平均压力P一般为注射压力的30%~65%。计算一下，p≈36~97.5MPa，取80MPa。因此，夹紧力F=A*p≈97KN2.2注塑机型号和规格的初步选择注射机的最大注射量(额定注射量G)和额定夹紧力F应满足下列要求:G≥V/α=6.72(α为0.8)，f>FM=97kn。根据计算参数，注塑机型号为SZ-100/80，注塑机参数见表2-1。表2-1注塑机主要参数模型SZ-100/80螺杆直径/毫米35最大注射量/厘米100注射压力/兆帕170夹紧力/千牛八百最大模具厚度/毫米300最小模具厚度/毫米170拉杆间距/毫米320*320模板笔画/毫米305喷嘴圆弧半径/毫米10喷嘴孔径/毫米三注射速率克/秒95螺杆转速r/min0~200塑化能力克/秒40第三章浇注系统设计3.1模具浇注系统的设计原则一般浇注系统由主流道、分流道、浇口和冷料井组成。浇注系统的设计是注塑模具设计的重要组成部分。在设计浇注系统之前，必须确定塑件的成型位置，这对注塑成型周期和塑件质量(如外观、物理性能和尺寸精度)有直接影响。设计时应遵循以下原则:(1)型腔布局和浇口开度位置对称，防止模具偏载造成的溢流现象；(2)型腔和浇口的布置尽可能减小了模具的整体尺寸；(3)系统的流道应尽可能短，相同的截面尺寸，尽可能减少弯曲，使热量和压力损失最小；(4)多型腔应尽可能使塑料熔体同时进入各个型腔，分配通道应尽可能平衡；(5)在型腔充满的前提下，浇注系统的体积应尽可能小，以减少塑料的消耗；(6)浇口位置合适，以免冲击型芯，防止型芯变形。浇口残留不应影响塑料零件的外观。3.2主流道的设计主通道长度:对于小型模具，L应尽量小于60mm，这里的数值为50mm；主流道小端直径d=注射机喷嘴尺寸+(0.5~1)mm=3+(0.5~1)mm=4mm；直径D=d+L*tanα=7.5mm，(其中α≈4)；浇口球面半径SR=注塑机喷嘴球面半径+(1~2)mm=10+2=12mm；球面的配合高度h=3mm。主流凝析油量vmain=1338mm。图3-1浇口套(详细参数见零件图)3.3分流通道的设计流道是主流道和浇口之间的通道，一般开在分型面上。该模具采用梯形流道。查表可知，聚苯乙烯分支通道的截面直径为3.5~10mm，这里的数值为10mm(主通道为8mm)，梯形高度为5mm，每个分支通道比下一个分支通道大10%~20%左右，表面粗糙度一般为0.63~1.6um左右。图3-2分流通道图3-3第一至第四分支通道的横截面形状3.4点浇口的设计点浇口位置位于分型面上，便于模具在加工和使用过程中的清理。根据零件的特点，浇口位置设置在尾段的中心。浇口截面积约为流道截面积的3%~9%，直径通常为0.5~1.8mm，浇口长度为0.5~2mm，在这种模具中，塑件的分型面尺寸较小，所以取值为0.5mm。图3-4点浇口3.5冷料孔的设计冷腔的作用是储存两次注射间隔产生的冷料压头，使其与熔体的前冷料一起流动，从而防止冷料进入腔内。冷料孔一般设置在主流道的末端。当分流道较长时，冷料孔有时设在分流道的末端。在这种设计中，冷料袋设置在每个分流通道的末端，如图3-2所示。第四章模塑件的设计注:PS的收缩率是0.5%~0.6%，这里是0.5%。尺寸公差<<0.1mm，径向尺寸修正系数x为0.8，轴向尺寸修正系数x为0.65。详细尺寸和技术要求见零件图。模型凸芯的尺寸计算塑料零件的尺寸磁心体积h1=3.1mm毫米3.12毫米*h2=10.4(0，-1)毫米11.10(0，-1)毫米D1=φ2.2毫米φ2.21毫米*D2=φ5.08(+0.06，0)毫米φ5.15(0，-0.06)毫米凹腔的尺寸计算塑料零件的尺寸空腔尺寸H1=3毫米3.02毫米*H2=11(0，-1)毫米10.45(+1.0)毫米D1=φ2.9毫米φ2.91毫米*D2=φ5.98(0，-0.08)毫米φ5.95(+0.08，0)毫米第五章脱模机构设计模具为了将零件从芯模上取下，使用推板将塑料零件取出，推板的孔与芯模的间隙为0.06mm，由于锁紧紧固件的存在，芯模在设计过程中需要多步加工。详见心轴零件图。单个塑料件的脱模力(按薄壁圆筒计算)计算为f=250.9N推板推出时单个塑料件的推出面积a=7.818mm。则推出应力σ=f/a=32.09MPa<35MPa(拉伸屈服强度)合格。第六章模架型号及相关尺寸的确定6.1模板的选择根据模腔布局的中心距，可以计算出模腔所占的平面尺寸为80mm×174mm，条件(1)80≤W3-10，即W3≥90mm，根据上表，W3=110，那么W=180，D2=12。条件(2)174≤L2-D2-30，即L2≥174+12+30=216根据上表，L2=208，所以L=250。因此，选用的模板为W*L=180*250，DB模板。6.2每个模板尺寸的确定1.a板尺寸:a板是定模的型腔板，包括(分流道内的冷凝液厚度为5mm，浇口深度和塑件高度为14mm)，此处为25mm。2.B板尺寸:B板为型芯固定板，根据模架标准板厚，其厚度为25mm。3.c板(垫板尺寸):垫板=推程+推板厚度+推杆固定板厚度+(5~10)mm。=14+15+20+(5~10)=54~59mm，初步选定为60mm。4.其他维度(H1、H2、H3等。)为标准模板厚度，可查表得到。6.3检查模架的尺寸1.模具平面尺寸为230mm*250mm<320mm*320mm(拉杆间距)；2.模具的高度尺寸为230mm，170mm<230mm<305mm<305mm(模具的最大和最小厚度)；3.开模行程s=H1+H2+(5~10)mm=14+65+(5~10)=84~89mm<305mm所以各种尺寸的模板都是合格的。第七章导向定位机构的设计注塑模具的导向机构用于引导模具在动模和定模之间的开合，以及引导脱模机构的运动。按功能可分为模外定位和模内定位。模具的外部定位是将定位环与注射机配合，使模具的浇口套与注射机的喷嘴精确定位(由于该模具的定模底板和顶出板尺寸较小，浇口套不采用标准件，定位方法如下图所示，详细的尺寸公差和技术要求见零件图)。模具定位机构通过导柱导套进行合模定位。这种模具成型的塑件比较简单，模具的定位精度不是很高，可以采用模架本身的定位机构。图7-1浇口套的位置第八章排气和冷却系统的设计在塑料熔体填充模具型腔的过程中，型腔和流道中的原有空气应同时排出。除此之外，塑料熔体还会产生少量的分解气体，需要同时排出。否则压缩空气会产生高温，造成塑件局部碳化、炭化，或塑件出现气泡，或因焊接不良导致塑件强度下降，甚至冲压模具不满意。因为模具是小的，关注分型面的位置，推板和芯轴之间有0.1mm的设计间隙，可以作为排气方式，所以不需要设计排气槽。由于塑件的型腔按4*8排列，每个型腔的间距为24mm，冷却回路按图8-1设置。冷却喷嘴的直径为6mm，每根节水管的长度为24mm。图8-1冷却水管分布第九章模具总装配图图9-1装配图1.动模底板；2.六角螺钉；3.六角螺钉；4.弹簧垫圈；5.扣环；6.屏蔽；7.支撑板；8.移动模板；9.推板；10.设置模板；11.推板；12.直导套；13.带铅导套；14.六角螺钉；15.浇口套；16.定位环；17.固定模具底板；18.带铅导套；19.导柱；20.六角螺钉；21.复位杆；22.推杆固定板；23.推板；24.拉料杆；25.核心。第十章模型流程分析的准备工作10.1Pro/E建立塑料零件模型为了对Moldflow进行分析，首先要建立待分析零件的模型，同时还要将其转换成Moldflow可以识别的格式。如图，将Pro/E模型转换成stl格式:图10-1转换stl格式0.2网格划分图10-2网格划分网格统计结果:图10-3网格统计第十一章最佳浇口位置分析图11-1最佳浇口位置最佳浇口的分析结果如图11-1所示。可以看出，最佳浇口位置位于套筒外圆中间，与原设计略有不同。因为量产，所以还是选择原来的方法来简化模具。第十二章填充和整经分析12.1灌装时间分析图12-1填充时间从图中可以看出，填充时间在0.1秒左右，比较短。可以通过调节注射压力和注射速度来调节填充时间。12.2体积收缩分析图12-2体积收缩从图中可以看出，底部中间的体积收缩量较小，浇口处的收缩量较大，整体收缩量相对较小(如果较大，需要增加保压压力)。12.3零件变形分析图12-3由所有因素(取向、收缩、冷却等)引起的变形。)从图中可以看出，塑件大端面变形较大，可能的因素是保压压力不足或保压时间不足，可以适当增加保压压力和保压时间。12.4空化位置分析图12-4气腔的位置从图中可以看出，气穴的位置集中在端面，这与熔融材料的流动有关，因为熔融材料是从中间向两侧填充的。分析表明，气穴仍然较多，需要在气穴附近开一些排气孔，提高注射压力。12.5焊缝位置分析图12-5熔接线位置分析从图中可以看出，熔接痕的位置也是在凸出部分，靠近气穴的位置，熔接痕很大程度上是气穴造成的。所以要消除熔接痕，首先要做的就是消除气穴，也就是增加排气孔，同时适当增加注射压力、保压压力等。12.6注射压力分析图12-6注射位置的压力从图中可以看出，注塑分为两个阶段。填充过程太短，注射压力高。整个灌装过程压力相对稳定，保压结束后压力释放并归零。第13章冷却和流动分析13.1体积温度分析图13-1无冷却回路时的体积温度图13-2添加冷却回路后的体积温度从图中可以看出，由于增加了冷却回路，接水盒的温度明显降低。由于零件较小，壁厚t=0.5mm，冷却效果明显，整体体积温度降低。13.2冻结时间分析图13-3冻结时间从图中可以看出，由于零件更小，壁厚更薄，整体冻结时间更短，从中间浇口位置到外部的冷却时间逐渐增加。13.3回路冷却介质的温度分析图4-15环路管壁温度从图中可以看出，冷却介质的温度是不一样的，入口处温度最低，然后越来越高，出口处温度最高。13.4产品温度分析图4-18产品温度由于有冷却回路，产品温度低，温度分布比较均匀。13.5螺杆速度分析图4-19推荐的螺杆速度从图中可以看出，螺杆转速越高，产品温度越高，因为螺杆转速越快，熔体流动越快，冷却不均匀，温度越高。摘要主要介绍了薄壁凸台套筒注射模的设计过程，并对注射过程进行了简单的模拟，给出了分析过程中的一些图片。在设计过程中，综合考虑了塑件材料的安全性、流动性和可塑性，塑件的质量要求，模具的制造成本，模具的可加工性等因素。本着从实际出发的原则，设计旨在提高生产效率和产品质量。从第二章开始，详细介绍了模具各部分的设计计算过程，并给出了零件图和一些重要零件的详细尺寸。模具装配图直观地展示了模具的整体框架。第十章用moldflow模拟分析了相关的熔体流动。通过研究注射成型的最佳浇口位置以及注射成型过程中的翘曲、变形、收缩、冷却等情况，找出一些缺陷并给出相应的优化方案，以消除或控制缺陷。这为模具的后期调试提供了参考，缩短了生产周期，节约了人力成本。本文的设计已基本完善，但仍存在一些缺陷，如模具校核不彻底、模流分