儿童早教机模具的设计 建模及装配山东科技大学模具专业本科毕业论文.docx
《儿童早教机模具的设计 建模及装配山东科技大学模具专业本科毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《儿童早教机模具的设计 建模及装配山东科技大学模具专业本科毕业论文.docx（75页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
儿童早教机模具的设计建模及装配山东科技大学模具专业本科毕业论文
山东科技大学
本科毕业论文
题目：
儿童早教机模具的设计建模及装配
摘要
传统的模具设计与加工方法，是以二维工程图为依据进行的，对设计者以及工人的经验有较高的要求，不仅周期长，需要反复试模，并且加工出来的模具成型质量较低。
本论文所研究课题是借助于三维设计软件Pro/e，对儿童早教机模具进行设计、建模以及装配，在总体上实现了模具的结构合理性。
然后通过对塑件的成型过程进行计算机有限元模拟分析，有效地预测了实际生产中可能出现的问题，确定了产品的最佳成型工艺参数。
通过对相关工艺参数的调整，改善了原有模具设计方案中的不足之处。
利用CAD/CAE技术对儿童早教机模具进行设计与计算机模拟分析，有效地缩短了产品的研发周期、模具设计周期和加工周期,提高了一次试模成功率。
关键词：
注塑模具；成型；模具设计；有限元模拟分析
ABSTRACT
Thetraditionalmethodofmolddesignandmanufactureisbasedontwo-dimensionalengineeringdrawings;ithashighdemandontheexperienceofdesignersandworkers.Notonlyitscycleislong,requirestestingmoldsrepeatedly,andalsowithalowformingquality.Thetopicresearchedinthispaperisbymeansof3DdesignsoftwarecalledPro/e,whichcandesign,mouldandassembleforkid-learningmold;italsocanrealizetherationalityofmoldingstructureonthewhole.Thenthroughthecomputerizedfiniteelementsimulationanalysisfortheplasticpartsformingprocess,wecanpredictthepossibleproblemsofactualproductioneffectivelyandalsomakesureofthebestparametersofmoldingprocess.Throughtheadjustmentofrelatedparameters,wecouldimprovethedefectsoforiginalmoulddesignproject.TheusingofCAD/CAEtechnologyforkid-learningmolddesignandcomputersimulationanalysis,notonlyshortenstheproductdevelopmentcycle,molddesigncycleandprocessingcycleeffectively,butalsoimprovesthesuccessfulrateofoncemoldtesting.
Keywords：
Injectionmold;Forming;Moulddesign;Finiteelementsimulationanalysis
3.3模架的创建36
6参考文献52
7致谢53
8附录一54
9附录二67
1绪论
1.1我国注塑模具发展现状与发展趋势
模具被称为工业产品之母，是现代工业必不可少的工艺装备。
模具工业在经济发展中具有重要的地位，模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一。
根据塑料成型工艺方法的不同，通常将塑料模具分为注塑模具、压缩模具、传递模具、挤出模具、中空吹塑模具、热成型模具等。
目前，塑料模具在整个模具行业中约占30%左右，而在整个塑料模具市场中注塑模具的需求量最大。
近年来国内注塑模具在质与量上都有了较大的提高，但是与国外的先进技术相比，我国的模具业还存在着精度低、结构欠合理、寿命短等一系列不足，许多企业依然处于需要技术改造、技术创新、提高产品质量、加强现代化管理以及体制转轨的关键时期。
从全国塑料行业的区域分布上看，珠三角、长三角的塑料制品加工业位居前列，浙江、江苏和广东三省的塑料模具产值在全国模具总产值中的比例也占到70％。
现在，这3个省份的不少企业已意识到塑料模具行业的无限商机，正积极组织模具产品的开发制造。
目前，我国模具生产厂点约有3万多家，从业人数100多万人。
2007年销售额365亿人民币，同比增长26%，出口9.78亿美元，同比增长33.4%，均居世界前列。
在我国，广东、上海、浙江、江苏、安徽是主要的注塑模具生产中心，其中广东占我国模具总产量的四成，注塑模具比例进一步上升。
从近几年的发展情况来看,我国注塑模具市场发展前景十分乐观。
许多模具企业十分重视技术发展,增大了用于模具技术研发的投资,现今从事模具技术研究的机构和院校已有30余家，从事模具技术教育培训的院校已超过50家。
我国最大的注塑模具单套重量己超过60吨，最精密的注塑模具精度己达到0.5微米。
制件精度很高的小模数齿轮模具及达到高光学要求的车灯模具等也已能生产，多腔塑料模具已能生产一模7800腔的塑封模。
模具寿命有了很大提高，己可以达到100万模次以上。
高速模具方面也有较大发展。
在CAD/CAM技术得到普及的同时，CAE技术的应用也越来越广，以CAD/CAM/CAE为核心的一体化技术得到了很大发展。
模具新结构、新品种、新工艺、新材料的创新成果不断涌现，特别是汽车、家电等工业快速发展，使得注塑模的发展迅猛。
从整体上来看我国塑料模具无论是在数量上，还是在质量、技术和能力等各方面都有了很大的进步，但是与国民经济发展的需求，以及世界先进水平相比，差距仍然很大。
一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍需大量进口。
在总量供不应求的同时，一些低档塑料模具却供过于求，市场竞争激烈，还有一些技术含量不太高的中档塑料模具也有供过于求的趋势。
模具是工业的基础工艺装备，在电讯、汽车、摩托车、电机、电器、仪器、家电、建材等产品中，80%以上都要依靠模具成形，用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产力和低消耗，是其它加工制造方法所不能比拟的。
因此，我们应该认清形势，认准方向加快发展速度，而不是永远依靠进口产品。
当然，近年来我国的注塑模行业发展速度也不可小觑，塑料模具也已显示出一些新的发展趋势：
1、大力提高注塑模开发能力
将开发工作尽量往前推，直至介入到模具用户的产品开发中去，甚至在尚无明确用户对象之前进行开发，变被动为主动。
目前，电视机和显示器外壳、空调器外壳、摩托车塑件等已采用这种方法，手机和电话机模具开发也已开始尝试。
这种做法打破了长期以来模具厂只能等有了合同，才能根据用户要求进行模具设计的被动局面。
2、注塑模具从依靠钳工技艺转变为依靠现代技术
随着模具企业设计和加工水平的提高，注塑模具的制造正在从过去主要依靠钳工的技艺转变为主要依靠现代技术。
这不仅是生产手段的转变，也是生产方式的和观念的转变。
这一趋势使得模具的标准化程度不断提高，模具精度越来越高，生产周期越来越短，钳工比例越来越低，最终促进了模具工业整体水平不断提高。
3、模具生产正在向信息化迅速发展
在信息化社会中，作为一个高水平的现代模具企业，单单只是CAD/CAM的应用已远远不够。
目前许多企业已经采用了CAE、CAT、PDM、CAPP、KBE、KBS、RE、CIMS、ERP等技术及其它先进制造技术和虚拟网络技术等，这些都是信息化的表现。
向信息化方向发展这一趋向已成为整个模具行业的共识。
4、注塑模向更广的范围发展
随着市场的发展，塑料新材料及多样化成型方式今后必将不断发展，因此对模具的要求也越来越高。
为满足市场需要，未来的塑料模具无论是品种、结构、性能还是加工都必将有较快发展。
超大型、超精密、长寿命、高效模具；多种材质、多种颜色、多层多腔、多种成型方法一体化的模具将得到发展。
各种模具型腔表面处理技术，如涂覆、修补和研磨等新工艺也会得到不断发展。
由于塑料模具零配件形状复杂、设计灵活，对模具材料、设计水平及加工设备均有较高要求，并不是人人都可以轻易涉足的。
专家认为，目前中国与国外水平相比还存在较大差距，眼前需尽快突破制约模具产业发展的三大瓶颈：
一是加大塑料材料与注塑工艺的研发力度；二是塑模企业应向园区发展，加快资源整合；三是模具试模结果检验等工装水平必须尽快跟上，否则塑料模具发展将受到制约。
1.2课题研究的目的与意义
本课题的任务是设计一套儿童早教机前壳用注塑模具，并制定相应的产品成型工艺方案。
模具要求结构合理，动作准确可靠，能够保证产品的尺寸精度及表面质量。
然后根据设计结果绘制产品和模具的三维实体模型，并对塑件的成型过程进行计算机有限元模拟分析，找出设计方案中的不足之处予以改善。
此次毕业设计实践过程旨在：
综合运用大学四年来所学知识，锻炼提高自身分析和解决实际问题的能力；进一步巩固有关注塑成型的专业基础知识，加深对注塑模具设计过程的体会和了解；在模具设计过程中适当运用CAD软件进行建模和CAE软件进行有限元分析，巩固和提高自身应用软件的能力；适当查阅有关注塑模具的外语文献，了解国外模具行业的发展现状，提高自身的英语阅读水平和查阅外文文献的能力。
为几个月后正式走上工作岗位做好铺垫。
早教机是专门为儿童提供早期教育，促进孩子学习兴趣的教育类电子产品，兼具娱乐和学习双重功能。
全方位训练儿童学习能力，帮助孩子培养兴趣，增加潜能，对幼儿注意力、思维能力等方面的提升有很大帮助。
既能开启孩子内在潜能，又能教孩子挖掘自身爱好。
中国有句谚语，“三岁看大，七岁看老”，这强调的就是儿童早期教育的重要性。
在这个很重视儿童早期教育的时代，外形和功能各异的早教机无疑是一个潜力巨大的市场。
但对于我们这些从事设计的人员来说，如何把产品和模具设计好，改善其缺陷，使其在市场竞争中占有一席之地才是最关键的，从这个角度看，这必然又是一个巨大的挑战。
2儿童早教机前壳模具设计
2.1塑件成型工艺性分析
2.1.1塑件要求及结构工艺性分析
1．塑件名称儿童早教机前壳
2．塑件材料ABS工程塑料
3．生产类型大批量生产
4．精度等级一般精度MT3级（GB/T14486-93）
5．外观要求产品外观精美，尽量不要有影响外观的痕迹
6．塑件结构及工艺性分析
儿童早教机外壳是典型的一般精度电子玩具类产品塑件，零件的正反面三维外观图分别如图2.1与图2.2所示：
图2.1塑件正面图图2.2塑件反面图
塑件的长宽最大尺寸均在220mm左右，属于中等尺寸产品。
精度方面因为无特殊要求，产品采用一般精度等级MT3。
塑件的精度虽然不高，但要与下壳体配合组装成完整产品，因此应该严格控制塑件相关尺寸的变形量，塑件的最大尺寸为225mm，查阅标准GB/T14486-93可知，为满足产品的精度要求，必须控制塑件在最大尺寸方向上的最大变形量不超过0.92mm。
塑件的壁厚较为均匀，平均在2mm左右。
塑件形状整体呈方形，虽然没有侧孔、凸台等结构，但塑件的曲面较多，属于中等复杂程度产品。
表面质量方面，由于其内表面为非工作面，故无特殊要求，只要求外表面光滑无痕即可。
综上所述，儿童早教机前壳属于电子玩具产品中尺寸精度要求、外观结构及表面质量要求都不太高的中型薄壁注塑件。
但在模具设计过程中，也应综合考虑塑件要求与产品生产类型之间的关系，在保证产品质量的前提下尽量降低生产成本，提高生产效率。
2.1.2产品材料特性分析
产品原材料采用ABS（非结晶性）通用热塑性工程塑料，其全称为丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物，顾名思义它是丙烯腈（15%~35%）、1,3-丁二烯（5%~30%）、苯乙烯（40%~60%）三种单体的接枝共聚物，ABS是其英文名称AcrylonitrileButadieneStyrene的首字母缩写。
ABS共聚物中三种单体的最常见比例为A:
B:
S=20：
30：
50，只要改变三者的比例、聚合方法、颗粒的尺寸，便可以生产出一系列具有不同冲击强度、流动特性的ABS品种。
ABS树脂的三种单体分别具有不同的作用，丙烯腈为其提供硬度、耐热性、耐酸碱盐等化学性质；丁二烯为其提供低温延展性和抗冲击性；苯乙烯为其提供硬度、加工的流动性及产品表面的光洁度等性质。
ABS树脂的使用性能和成形性能如下：
1．综合性能较好，化学稳定性和电性能良好。
2．冲击韧度、机械强度较高，尺寸稳定性好。
广泛用于电子产品外壳、玩具以及日常塑料用品的成形。
3．易于成型和机械加工，于372有机玻璃的熔接性良好，可作双色成形塑件，且表面可镀铬。
4．无定型料，流动性中等，比聚苯乙烯差，但比聚碳酸酯、聚氯乙烯好，溢边值为0.04mm左右。
5．吸湿性强，必须充分干燥，表面要求光泽的塑件须经长时间预热干燥。
6．热稳定性好，成形时宜取高料温、高模温。
其成形温度为180~250℃，但不宜超过240℃，因为料温过高易分解（分解温度为250℃）。
ABS的流动特性属于非牛顿流体，其熔体粘度对加工温度和剪切速率都有关系，但对剪切速率更为敏感，ABS的熔体冷却固化速度较快。
ABS的主要性能指标见表2.1。
表2.1ABS树脂主要性能指标
密度g/cm3
1.02~1.16
线膨胀系数/（×10-5K-1）
9.5~10.5
弯曲强度/Mpa
80
抗拉屈服强度/MPa
50
吸湿率/%
0.2~0.4
洛氏硬度/R
121R
收缩率/%
0.4~0.7
热变形温度（1.85MPa）/℃
83~103
2.1.3注塑工艺参数的确定
塑件采用螺杆式注塑机，其详细成型工艺参数如下：
1.预热干燥：
时间2~3h；温度80~85℃
2.温度：
（1）喷嘴温度：
180~190℃，直通式
（2）料筒温度：
前段200~210℃，中段210~230℃，后段180~200℃
（3）模具温度：
60~80℃
3.压力：
（1）注射压力：
70~90Mpa
（2）保压压力：
50~70Mpa
4.时间：
（1）注射时间：
3~5s，取3s
（2）保压时间：
15~30s，取20s
（3）冷却时间：
15~30s，取20s
成型周期：
3+20+20=43s
2.2模具型腔与分型方案设计
2.2.1注塑模具的结构组成
注塑模具可以分型面为界分为动模和定模两大部分，定模安装在注塑机的固定模板上，动模安装在注塑机的移动模板上，注射时动模和定模闭合构成浇注系统和型腔，开模时动模和定模分开，推出机构工作推出塑件。
注塑模的设计应包括以下部分的设计、校核与优化：
浇注系统的设计、成型零部件设计、合模导向机构设计、推出机构设计、排气系统设计、模架设计、温度调节系统的设计等，由于塑件不存在侧孔和凸台等结构，故无需设计侧向抽芯与分型机构。
2.2.2分型面选择与型腔布局
1．型腔数目的确定
相比于多型腔模具，单型腔模具确实具有塑件制品形状和尺寸一致性好，成型工艺条件易于控制，模具结构简单、紧凑，模具制造成本低，制造周期短等一系列优点。
但是在实际生产中除了大型塑件以外，均采用一模多腔的模具结构，因为在大批量生产的情况下，多型腔模具可以显著地提高生产效率，降低塑件的整体成本。
实践证明，每增加一个型腔，塑件的尺寸精度约降低4%，因此型腔的数目也不宜过多，因为型腔数目越多，就越难以保证各型腔的成型条件一致。
本课题所研究的儿童早教机壳体属于中等尺寸产品，尺寸精度和表面质量并无太高要求，塑件生产批量也较大；但塑件终为薄壁制品，且非细长件，若型腔数目太多一方面降低塑件的尺寸精度，另一方面也会给注塑机的选型带来难度。
综合考虑各方面因素，拟采用一模两腔的模具结构。
2．型腔的布局
对于多型腔模具，由于型腔布置与浇注系统设计密切相关，在模具设计时应尽量平衡布置型腔，即应使每个型腔都能通过浇注系统从总压力中均等地分得所需的足够压力，以保证塑料熔体能同时均匀地充满每一个型腔，从而使每一个型腔中的塑件内在质量均匀稳定。
本方案所采用的型腔布局方式如图2.3所示，该图只表示模具型腔的布局方式，并不代表浇口形式以及注塑机的形式（卧式与立式）。
图2.3模具型腔布局示意图
3．分型面的选择
分型面是决定模具结构形式的一个重要因素，它与模具的整体结构、浇注系统的设计、塑件的脱模和模具的制造工艺有关，不仅直接关系到模具结构的复杂程度，也关系到塑件的成型质量。
由于分型面受塑件在模具中的成型位置、塑件结构工艺性及尺寸精度、塑件的推出和排气等多种因素的影响，因此在选择分型面时应综合分析比较，选出较为合理的方案。
选择分型面时，通常应遵循以下几项基本原则：
分型面应选在塑件外形最大轮廓处；分型面的选择应有利于塑件顺利脱模；分型面的选择应保证塑件的尺寸精度和表面质量；分型面的选择应有利于模具的加工；分型面的选择应有利于排气。
在本课题中，由于塑件的特殊形状，最大轮廓出现在上下壳体配合的端面处。
综合考虑上述各因素，儿童早教机前壳塑件的分型面就选在此处，如图2.4所示：
图2.4产品分型面位置
2.3注塑机的初选型与校核
模具设计时，设计者必须根据塑件的结构特点、塑件的技术要求确定模具结构，模具的结构与注塑机之间有着必然的联系，模具定位圈尺寸、模板的外围尺寸、注射量的大小、推出机构的设置及锁模力的大小等必然参照注塑机的类型及相关尺寸进行设计，否则模具就无法与注塑机匹配，注射过程就无法进行。
2.3.1初选注塑机
由于早教机外壳的形状较为复杂，要手工精确计算塑件体积比较困难，但三维软件Pro/e有计算塑件体积的功能，对塑件的三维实体模型进行体积分析得到单个塑件的体积
=98.5cm³，按单个塑件体积的1/4粗略估算浇注系统凝料的体积
=25cm³。
由于采用一模两腔的模具结构，所以塑件和浇注系统凝料的总体积为
=2
+
=222cm³。
考虑到实际注射量为额定注射量的80％，所以所选注塑机的额定注射量要大于277.5cm³，所以本课题拟选型号为XS-ZY-500的注塑机。
设备的主要技术规范如表2.2所示：
表2.2XS-ZY-500注塑机额定技术参数
注射装置
额定注射量/cm3
500
螺杆直径/mm
φ65
注射压力/MPa
145
注射行程/mm
200
注射方式
螺杆式
最大成形面积/cm²
1000
喷嘴孔直径/mm
φ7.5
喷嘴球半径/mm
18
合模装置
锁模力/kN
3500
最大开合模行程/mm
500
模具最大厚度/mm
450
模具最小厚度/mm
300
拉杆空间/mm
540
440
动定模固定板尺寸/mm
700
850
合模方式
液压-机械
其他
电动机功率/kW
22
加热功率/kW
14
定位孔直径/mm
φ150
中心孔径/mm
φ150
顶出形式
中心液压顶出，两侧顶杆机械顶出
2.3.2注塑机有关工艺参数校核
在多型腔模具的实际设计中，有的是首先确定注塑机的型号，再根据注塑机的技术参数和塑件的技术经济要求，计算出要求选取型腔的数目；也有先根据生产效率以及制件精度要求确定型腔数目，然后再选择注塑机或对现有的注塑机进行校核。
本课题正是采用了后一种方案，既然型腔的数目已确定，就可据此校核注塑机的相关参数。
1．按型腔数量校核注塑机的最大注射量
nm
+m
≤km
式2.1
式中n---模具型腔数量，n=2；
m
---单个塑件的体积（
=98.5cm³）；
m
---浇注系统凝料的体积（m
=25cm³）；
m
---注塑机的最大注射量（m
=500cm³）；
k---注塑机最大注射量利用系数，一般取0.8。
把上述参数全部代入式2.1中，2×98.5+25=222≤500，所以注塑机的最大注射量符合要求。
2．按型腔数量校核注塑机的锁模力
（n
+
）p≤
式2.2
式中
---注塑机的额定锁模力（F
=3500kN）；
---单个塑件在模具分型面上的投影面积（不超过50000mm²）；
---浇注系统在模具分型面上的投影面积（最大为500
）；
p---塑料熔体对型腔的成型压力，对于ABS其值取p=30Mpa。
把上述参数代入式2.2中，
（2×50000+500）×30=3015kN≤3500kN
上述计算中，
值是按单个塑件在分型面上最大投影面积代入的，其实际值是小于50000的，所以注塑机的锁模力也符合条件。
3．注塑机的注射压力校核
塑料成型时所需的注射压力是由塑料品种、注塑机类型、喷嘴形式、塑件形状以及浇注系统的压力损失等因素决定的。
按照经验ABS塑料成型时所需的注射压力为30Mpa，小于注塑机的额定注射压力145Mpa，因此注塑机的注射压力也是符合要求的。
4．注塑机的开模行程校核
由于注塑机是液压和机械联合作用的开合模机构，所以注塑机的最大开模行程与模具厚度无关，其校核方法如下：
s≥
+
+（5~10）mm式2.3
式中s---注塑机的最大开模行程（s=500mm）；
---推出距离（
=24+6mm）；
---包括浇注系统在内的塑件高度（
=130mm）。
把所有参数代入式2.3中，500≥30+130+10=170，所以注塑机的最大开模行程也是符合要求的。
2.4浇注系统设计
2.4.1浇注系统的设计原则
浇注系统的设计是模具设计的一个重要环节，设计合理与否对塑件的性能、尺寸、内在质量、外在质量及模具的结构、塑料的利用率等有较大影响。
浇注系统一般由主流道、分流道、浇口和冷料穴四部分组成。
对浇注系统进行设计时，一般应遵循以下几个原则：
了解塑料的成型性能；尽量避免或减少产生熔接痕；有利于型腔中气体的排出；防止型芯的变形和嵌件的位移；尽量采用较短的流程充满型腔；流动距离比的校核。
2.4.2浇口的设计
浇口亦称进料口，是连接分流道与型腔的熔体通道。
浇口的设计与位置的选择恰当与否，直接关系到塑件能否被完好高质量地注塑成型。
浇口的设计主要包括浇口形式的选择和浇口位置的确定两部分内容。
从塑件的结构特征可知，适用于该塑件的浇口形式有点浇口和侧浇口。
选择浇口位置时，需要根据塑件的结构工艺性和成型质量要求，并结合塑料原材料的特性与塑料熔体在模内的流动状态等，综合进行考虑。
由于塑件整体处在定模部分，因此浇口位置只能选在塑件的外表面。
但无论采用点浇口还是侧浇口，都难免产生浇注痕迹，从产品的美观性要求考虑，浇口位置的选择应尽量减少浇注痕迹的影响。
综合各方面因素，如图2.4所示，现有两种浇口位置选择方案：
1.可以将浇口选在图中的A位置，因为塑件出厂时要在此处贴上一层动画纸，它可以覆盖住浇口痕迹，因此浇口去除后不会影响产品的外观。
理论上此处可以设计点浇口或直接浇口，但塑件壁厚太薄，若采用直接浇口不仅去除浇口困难，还容易损坏塑件。
因此最佳的浇口形式为点浇口，去除容易，痕迹小。
2.还可以把浇口选在图中所示的B位置，因为此处为塑件侧面，只要控制好浇口大小，也不会对塑件外观造成太大影响。
理论上此处也可以有潜伏浇口和侧浇口两种选择，但采用潜伏浇口无疑会增加模具复杂程度，给加工带来
升级会员 