材料加工CAD-CAM基础及应用第09章 注塑模具CAD系统及其开发

第9章 注塑模具CAD/CAM系统及其开发注射模具的基本结构注射模具设计制造的特点及发展阶段注射模具CAD的主要内容及设计流程注射模具成型零部件的设计标准模架的建库与选用典型结构与零件设计模具工作过程运动仿真结构零件强度与刚度校核NX

Moldwizard系统简介9.1

注射模具的基本结构注射模具的典型结构注射模具的分类9.1.1

注射模具的典型结构(1)成型部件–成型部件由型芯和凹模组成。(2)浇注系统–浇注系统又称为流道系统，它是将塑料熔体由注射机喷嘴引向型腔的一组进料通道，通常由主流道、分流道、浇口和冷料穴组成。(3)导向部件–为了确保动模与定模在合模时能准确对中，在模具中必须设置导向部件。(4)推出机构–在开模过程中，需要有推出机构将塑料制品及其在流道内的凝料推出或拉出。(5)调温系统–为了满足注射工艺对模具温度的要求，需要有调温系统对模具的温度进行调节。9.1.1

注射模具的典型结构(6)排气槽–排气槽用以将成型过程中型腔的气体充分排出。(7)侧抽芯机构–有些带有侧凹或侧孔的塑料制品，在被推出以前必须先进行侧向分型，抽出侧向型芯后方能顺利脱模，此时需要在模具中设置侧抽芯机构。(8)标准模架–为了减少繁重的模具设计与制造的工作量，注射模大多采用了标准模架结构，如图9-1中的定位圈1、定模座板3、定模板4、动模板5、动模垫板6、动模底座7、推出固定板8、推板9、推杆11、导柱12等都属于标准模架中的零部件，都可以从有关厂家订购。9.1.1

注射模具的典型结构图9-1 典型的单分型面注射模具结构1—定位圈 2—主流道衬套 3—定模座板 4—定模板 5—动模板6—动模垫板11—推杆7—动模底座 8—推出固定板 9—推板 10—主流道的拉料杆12—导柱 13—型芯 14—凹模 15—冷却水通道9.1.2

注射模具的分类1.单分型面注射模具（两板式）2.双分型面注射模具（三板式）3.带有活动镶件的注射模具4.带侧向分型抽芯的注射模具5.自动卸螺纹的注射模具6.推出机构设在定模的注射模具7.无流道凝料注射模具图9-2 双分型面注射模具1—定距拉板 2—弹簧 3—限位销 4—导柱 5—推件板 6—型芯固定板 7—动模

垫板 8—动模座板 9—推板 10—推出固定板 11—推杆 12—导柱

13—定模板 14—定模座板 15—主流道衬套9.2

注射模具设计制造的特点及发展阶段(1)小批量、多品种–在实际生产中，一般是一件塑料制品需要一副模具，因而模具结构形式千变万化。(2)外部约束条件多–要选择适合的塑料并对所选塑料的性能参数及工艺条件进行认真考虑，要考虑注射机的注射量、注射压力、锁模力、机架尺寸和刚度等条件，还要充分考虑塑料产品的形状结构、尺寸大小、使用场合和生产批量等需求。(3)结构复杂且灵活多变–注射模具包含模架、成型零部件、浇注系统、冷却系统、脱模机构等部分(4)设计关联性–模具结构在很大程度上依赖于制品的结构形状，这突出表现在模具的成型零件上，因为型腔成型制品的外表面，型芯成型制品的内表面和局部细节，同时，模具的浇注系统、分型面、脱模机构、冷却系统都依赖于制品形状。(5)标准化程度高–尽管注射模种类繁多，但是在结构上存在很大的相似性，除了成型零件取决于制品外，其余的主要零件基本上可实现标准化。(6)经验性与试探性强–正是由于模具设计的关联性，再加上注塑工艺的许多机理难以用简单的定量关系表达，其成型过程存在着许多不确定性，因而要求模具设计师具有丰富的实践经验，而且设计出来的模具一般都要经过反复的试模与修模过程。9.2

注射模具设计制造的特点及发展阶段(1)手工作坊设计阶段–这一阶段一直持续到CAD技术的发展初期，当时的注射模具设计，纯粹依靠设计人员的经验、技巧和现有的设计资料，从塑件的工艺计算到注射模具的设计制图，全靠手工操作完成，是一种手工作坊式的设计方式，生产效率极为低下。(2)通用CAD系统设计阶段–20世纪70年代，以手工为主的作坊式注射模生产在质量和数量上已跟不上塑料工业高速发展的形势，远远满足不了用户“高质量、短周期、低价格”的要求，于是人们开始尝试使用当时比较成熟的通用CAD系统进行注射模设计。9.2

注射模具设计制造的特点及发展阶段(3)专用注射模具CAD系统注射模设计阶段–采用通用CAD系统进行注射模设计，虽然在很大程度上提高了模具设计质量和效率，但是，一方面在一定意义上来说，通用CAD系统只是一种几何建模工具，并不是具有真正意义的设计工具，通用CAD系统对注射模设计效率的提高主要在于三维效果的增强、分析及建模速度的加快等，注射模设计经验的加入主要还是依赖于人工干预，每一次设计过程与手工实现基本一样，设计效率并没有从根本上得到提高。9.3 注射模具CAD的主要内容及设计流程(1)注射制品的几何造型–采用几何造型系统如线框造型、表面造型和实体造型，在计算机中生成注射制品的几何模型，这是注射模结构设计的第一步。(2)成型部分零件的生成–在注射模具中，凹模用以生成制品外表面，型芯用以生成制品内表面。(3)标准模架选择–采用计算机软件来设计模具的前提是尽可能多地实现模具标准化，包括模架标准化、模具零件标准化、结构标准化及工艺参数标准化等。(4)典型零件与结构设计–这部分工作主要包括模具的流道系统设计、顶出机构设计、侧抽芯机构设计、冷却水道设计等。9.3 注射模具CAD的主要内容及设计流程(5)模具零件图的生成–模具设计软件能引导用户根据模具部装图、总装图以及相应的图形库完成模具零件的设计、绘图和标注尺寸。(6)常规计算和校核–模具设计软件可将理论计算和行之有效的设计经验相结合，为模具设计师对模具零件提供全面地计算和校核，以验证模具结构等有关参数的正确性。图9-3注射模的设计流程图9.4

注射模具成型零部件的设计尺寸转换制品修补型腔布置分型线与分型面的定义型芯型腔生成图9-4 尺寸分类1—型腔内形尺寸 2—型芯外形尺寸 3—型腔深度尺寸 4—型芯高度尺寸 5—中间距尺寸1.尺寸转换图9-5制品修补所采用的主要方法2.制品修补图9-6 带孔塑料饮料杯修补示意图2.制品修补3.型腔布置布置形式比较固定矩型圆周型H型布置方法常用结构进行总结、参数化，提供给用户选择重定位对单个或多个型腔进行修改4.分型线与分型面的定义分型面的确定原则–1)分型面应开在塑料产品最大轮廓处；–2)由于浇口和分流道经常处于分型面上，选择分型面要考虑便于浇注系统的设计；–3)避免在制品的光亮平滑处或圆弧过渡处开设分型面，以免留下溢料痕迹–4)尽量避免使用侧向抽芯和分型机构；–5)分型面的选择应有利于开模时将产品留在动模一侧，便于脱模，简化模具结构；–6)对同轴度要求高的塑件，最好将要求同轴的部位放在分型面的同侧；4.分型线与分型面的定义–7)尽量将抽芯距离长的方向放在动定模的开模方向，避免侧向长距抽芯；–8)分型面的选择应使模具结构简单。创建分型面的步骤–1)用自动工具通过延伸、扫掠、扩展、蒙面等方法直接从所定义的分型线中分段逐个创建片体(或创建一个自定义片体)，判断分型面片体类型的流程如图9-7所示；–2)缝合所创建的分型片体，使之从分型体开始到成型镶件边缘之间形成连续的边界。图9-7选择分型面片体类型的流程图5.型芯型腔生成生成步骤1）使用实体模型的差操作，将制品模型从其包围盒中减去，得到一个含有空腔的模型。2）将前面所得的缝合曲面修剪该空腔模型便可得到型芯、型腔模型。9.5

标准模架的建库与选用标准模架库的建立标准模架库的管理与调用9.5.1

标准模架库的建立建库方法与其他模具CAD标准件库一致。模架库的标准美国D-M-E标准模架日本双叶金型材标准模架中国国家标准厂家广泛采用的典型模架和结构等9.5.2

标准模架库的管理与调用图9-8模架设计流程图9.6

典型结构与零件设计浇注系统设计侧向抽芯机构设计脱模和顶出机构设计冷却系统设计图9-9 浇注系统组成1—主流道 2—分流道3—浇口 4—冷料穴1.浇注系统设计1.浇注系统设计(1)主流道的设计–主流道是注射机与模具接触的通道，为了使塑料凝料能从主流道中顺利拔出，主流道都设计成圆锥形，具有2°～6°锥角，小端直径常为4～8mm。(2)冷料穴的设计–冷料穴的作用是储存因两次注射间隔而产生的冷料头及熔体流动的前锋冷料，以防止熔体冷料进入型腔，常见的形式有带Z形头拉料杆的冷料穴和带球头形拉料杆的冷料穴，所以冷料穴的设计主要就是拉料杆的设计。(3)分流道的设计–分流道是指主流道末端与浇口之间的整个通道，其功能是使熔体过渡和转向，一般分为一级分流道(与主流道相接并呈垂直分布)和二级分流道(与浇口相连并与主流道平行)，二级分流道一般用在采用点浇口的浇注系统中。图9-10 分流道截面形状a)圆形 b)半圆形 c)矩形 d)梯形1.浇注系统设计(4)浇口设计–浇口是连接流道与型腔之间的一段细短通道，它是浇注系统的关键部分。图9-11浇口分类2.侧向抽芯机构设计(1)抽芯距离的计算–抽芯距离指的是活动型芯从成型位置抽至不妨碍制件脱模的位置所移动的距离。(2)标准侧向抽芯机构的种类及适用范围–标准侧向抽芯机构包括弹簧侧向抽芯、斜导柱侧向抽芯、斜滑板侧向抽芯斜滑块侧向抽芯和弯销侧向抽芯等五大类。弹簧侧向抽芯机构。斜导柱侧向抽芯机构。斜滑板侧向抽芯机构。斜滑块侧向抽芯机构。弯销侧向抽芯机构。(3)斜导柱侧向抽芯机构的设计–下面以斜导柱机构为例说明设计侧向抽芯机构的一般步骤(图9-12)。图9-12斜导柱计算3.脱模和顶出机构设计(1)简单脱模机构–由顶杆、顶管、顶出盘、回程和复位装置组合而成，用于使用直浇口、侧浇口的模具。(2)推板脱模–标准模架中有的类型已包含推板。(3)顺序脱模机构–当模具采用点接口时，由于点浇口的浇道凝料不易取出，需要采用二次分型机构。9.7

模具工作过程运动仿真注射模具运动的特点模具运动模拟的方法干涉检验的原理图9-13双分型面注射模运动示意图a)闭合充模 b)开模取出塑件和凝料1—定距拉板 2—压缩弹簧 3—限位销钉 4—导柱 5—脱模板 6—型芯固定板7—动模垫板 8—动模座 9—顶出板 10—顶出固定板 11—顶杆 12—导柱13—型腔板 14—定模板 15—型芯 16—主流道衬套图9-14 斜导柱驱动的圆筒骨架瓣运动示意图a)合模状态 b)开模过程 c)开模终止1—斜导柱 2—侧向成型滑块 3—导滑槽 4—定位装置5—锁紧楔 6—圆筒骨架塑件 7—动模9.7.2

模具运动模拟的方法斜导柱的运动步距为图9-15运动仿真程序设计流程9.7.3

干涉检验的原理干涉检验的最简单、可靠、完善的方法进行形体间的求交运算交为空：无干涉发生交不为空：有干涉发生9.7.3

干涉检验的原理模具在运动模拟中发生干涉的原因–(1)运动分组和运动参数设置不当由于运动组和运动参数是由用户手动设置，很容易出错，如某个零件应该在第一组，运动距离为20，在分组时可能放在了第二组，运动距离为30，在这种情况下就会产生干涉，所以，在模具模拟运动的过程中出现干涉，首先要检查运动分组和运动参数设置是否合理如果是这个原因，就需要对模具零部件的运动进行仔细分析，并对运动方向和运动距离重新设置。–(2)设计不当如果运动组和运动参数没有错误，那么便是模具结构不合理或者是某个零件尺寸错误。9.7.3

干涉检验的原理–(3)系统本身的误差系统本身在计算零件及装配体的位置和装配约束关系时有一定的精度要求，但在模拟运动的过程中，各运动组的时间和路程计算上有时会存在一定的舍入误差，尤其是存在侧向抽芯和过盈配合的时候，就会产生实际设计的模具不会产生干涉，但在模拟过程中却会产生干涉的情况，这需要用户进行仔细分析。9.8

结构零件强度与刚度校核校核准则计算方法9.8.1

校核准则模具的强度和刚度校核准则–以型腔内的最大压力为准。强度校核的准则–模具零件在各种受力形式下的应力值不超过材料的许用应力。刚度校核的准则–模具沿合模方向的变形量和垂直于合模方向的变形量不超过允许值。可从以下三方面确定：1)保证模具型腔不出现溢料。2)保证制品尺寸不超差。3)保证制品脱模顺利。9.8.2

计算方法模具型腔形状–规则–不规则通常简化为规则型腔进行计算。模具型腔受压变形最明显的部位–型腔内侧壁的挠曲变形–型芯的歪斜变形变形的简化计算方法–1)叠加法计算将模具按其特性分成几个元件，并考虑其弹性行为，计算模具的总变形量，即以所谓的叠加法计算模具的总变形量。–2)结构零件强、刚度有限元分析对注射模具进行三维有限元变形分析或典型剖面的二维分析。图9-16模具基本加载情况及变形计算关系式1.叠加法计算2.结构零件强、刚度有限元分析注射模典型剖面的二维变形分析注射模的三维有限元分析