某玩具卡车车厢注塑模设计.docx
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某玩具卡车车厢注塑模设计
第五章结论33
参考文献34
致谢35
第一章前言
1.1模具介绍
模具的作用是控制和限制材料（固态或液态）的流动，使之形成所需要的形体。
用模具制造零件以其效率高，产品质量好，材料消耗低，生产成本低而广泛应用于制造业中。
模具主要类型有：
冲模、锻摸、塑料模、压铸模、粉末冶金模、玻璃模、橡胶模、陶瓷模等。
除部分冲模以外的上述各种模具都属于腔型模，因为它们一般都是依靠三维的模具型腔是材料成型。
其中塑料模约占模具总数的35％，分额最大而且有继续上升的趋势。
塑料模主要包括压塑模，挤塑模，注射模，此外还有挤出成型模，泡沫塑料的发泡成型模，低发泡注射成型模，吹塑模等。
1.2模具在加工工业中的地位
模具是工业生产中的重要工艺装备，模具工业是国民经济各部门发展的重要基础之一，是国际上公认的关键工业。
模具生产技术水平的高低是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。
它在很大程度上决定着产品的质量，效益和新产品的开发能力。
模具工业既是高新技术产业的一个组成部分，又是高新技术产业化的重要领域。
模具在机械，电子，轻工，汽车，纺织，航空，航天等工业领域里，日益成为使用最广泛的主要工艺装备，它承担了这些工业领域中60％~90％的产品的零件，组件和部件的生产加工。
振兴和发展我国的模具工业，正日益受到人们的关注。
1.3模具的发展趋势
20世纪80年代开始，发达工业国家的模具工业已从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。
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。
1.4模具设计流程
通过对模具专业的学习，掌握了常用材料在成型过程中对模具的工艺要求，掌握模具的结构特点及设计计算的方法，以达到能够独立设计一般模具的要求。
在模具制造方面，掌握一般机械加工的知识，金属材料的选择和热处理，结合模具结构的特点，根据不同情况选用模具加工新工艺。
毕业设计能够对以上各方面的要求加以灵活运用，综合检验大学期间所学的知识。
1.5本模具设计流程
课题调研，查阅有关资料
塑件的工艺分析及工艺方案的确定
模具结构的总体方案设计
模具的结构参数及工艺性能参数的设计计算
模具的装配图、零件工作图的设计
编写设计说明书和技术文件
第二章塑件的成型工艺性分析
2.1塑件材料的选择及其结构分析
2.1.1塑件信息
（1）塑件（玩具卡车车厢）模型图如图2.1：
图2.1PRO/E塑件图
（2）塑件材料的选择:
该塑件选用PS（即聚苯乙烯）。
（3）色调:
黄色。
（4）生产批量:
中批量。
2.1.2塑件的结构与工艺性分析
（1）塑件为玩具卡车车厢整体，应有一定的结构强度，由于下面有车轴和车架应该保证一定的装配精度；该塑件为玩具卡车，所以对表面粗糙度要求不是很高。
（2）工艺性分析
精度等级：
采用5级低精度
脱模斜度：
塑件外表面4°至6°（脱模斜度不包括在塑件的公差范围内，塑件外形以型腔大端为准，塑件内形以型芯小端为准）
产品外形尺寸为74㎜×50㎜×39㎜。
塑件的内外表面形状应尽可能保证有利于成型。
塑件的壁厚对塑件的质量有很大的影响，塑件壁厚尽可能均匀。
本次设计的壁厚比较均匀。
尽量保证两侧均匀，且满足塑件的最小壁厚。
2.2PS的注射成型工艺
2.2.1注射成型工艺流程图
着色（黄色）→料筒清洗→装入料斗→预塑化→注射→保压→冷却→脱模→塑件送下工序
清理模具，涂脱模济→合模→注射
2.2.2PS的注射成型工艺参数
注射机：
螺杆式
螺杆转速：
100r/min
预热和干燥:
温度（℃）70~80
时间（h）1~2
密度:
1.04-1.06g/cm3
材料收缩率（%）:
0.5~0.8
料筒温度（℃）后端140~160
中段-
前段170~190
喷嘴温度（℃）：
160~170
模具温度（℃）：
40~70
注射压力（MPa）：
60~100
成型时间（s）注射时间：
1~3
高压时间:
30~40
冷却时间:
15~30
总周期:
40~90
适应注射机型：
螺杆，柱塞均可
后处理方法：
退火
温度（℃）:
80
时间（h）2~4
2.3PS性能分析
（1）力学性能
聚苯乙烯在热塑性材料中属于典型的硬而脆塑料，拉伸弯曲等常规力学性能皆高于聚烯烃，拉伸时无屈服现象
（2）加工工艺性能
吸湿性很小，加工前一般不需要专门大的干燥工序，成型温度较宽，收缩率及其变化范围都很小，一般在0.2%~0.8%，有利于成型出尺寸精度较高和尺寸较稳定的制品。
2.4PS成型塑件的主要缺陷及消除措施
（1）主要缺陷
加热温度过高易产生气泡混入，离型不良，缺陷产生，反之则会有流纹缺陷产生
（2）消除措施
控制好温度，消除内应力采用退火处理（80℃温度2~4h）。
第三章模具结构设计
3.1模具的总体结构
1）成型零部件型腔是直接成型塑件的部分，它由凸模凹模、凹模、推杆等构成。
2）浇注系统由于塑件在模具上投影面积较大，所以采用两个浇口，设计了分流道。
3）导向机构确保动模和定模合模时准确对中而设置导向机构。
4）推出机构在开模过程中，将塑件和浇注系统凝料从模具中推出的装置。
本设计设计采用了一个零件六根推杆的对称布置。
5）排气系统为了在注塑过程中使塑件内不产生气孔，使气体排出模具，在分型面设置排气槽。
6）温度调节系统为了满足塑件注塑工艺对模具的温度要求，模具设有冷却系统。
3.2模具结构设计
3.2.1分型面位置的确定
由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统的设计、塑件结构工艺性及尺寸精度、嵌件的位置、塑件的推出、排气等多种因素的影响，因此在选择分型面时应综合分析，应遵循以下几项的设计原则：
1）分型面应选择在塑件外形最大轮廓处。
2）分型面的选择应有利于塑件的顺利脱模。
3）分型面的选择应保证塑件的精度要求。
4）分型面的选择应满足塑件的外观质量要求。
除了以上这些基本原则以外，分型面的选择还要考虑到型腔在分型面上的投影面积的大小。
为了保证侧向型芯的位置的放置及抽芯机构的动作顺利，应以浅的侧向凹孔或短的侧向凸台作为抽芯方向，而将较深的凹孔或较高的凸台放置在开合模方向。
综合考虑以上的设计原则并结合该塑件的结构特点和质量要求，应采用塑件外形最大轮廓处作为分形面。
如图3.1（细线条表示分型面）：
图3.1分型面
3.2.2型腔数量和排列方式的确定
（1）型腔数量的确定该塑件采用精度等级五级，且为大批量生产，可采用一模多腔的结构形式。
同时考虑到该塑件的尺寸、模具结构形式和尺寸的大小关系，以及制造费用和各种成本费等因素，初步定为一模两腔的结构形式。
（2）型腔排列形式的确定
1）根据经济性确定型腔数目和总成型加工费用最小的原则,并略准备时间试生产原材料费用,仅考虑模具加工费和塑件成型加工费。
2）根据注射机的额定锁模力确定型腔数目,当成型大型平板制件时常用这种方法
3）根据注射机的最大注射量确定型腔数目,根据经验,每加一个型腔制品尺寸精度要降低4%,对于高精度制品,由于多型腔模具难以保证各型腔的成型条件一致,故推荐型腔数目不超过4个。
根据本产品的生产批量及产品复杂程度等综合可虑采用一模两腔。
多型腔模具尽可能采用平衡排列布置，且要力求紧凑，并与浇口开设的部分对称，由于该设计选择的是一模两腔，故采用直线对称排列。
如图3.2：
图3.2型腔数量的排列布置
（3）模具结构形式的确定
从上面分析可知道，本模具设计为一模两腔，对称直线排列，根据塑件结构形状，推出机构拟采用推杆推出形式，浇注系统设计时，流道采用对称平衡式，浇口采用侧浇口，且开设在分型面上。
因此定模部分不需要开设单独的分型面取出凝料。
由上述综合分析可确定选用单分型面注射模。
3．3注射机型号的确定
3.3.1注射量的计算
通过手工和建模软件的计算分析得出如图3.3：
图3.3模具注射量
塑件体积：
V塑=18.435cm³
塑件质量m塑=ρV塑=13.071×1.05g=19.356g
式中ρ选择1.04~1.06g/cm³的中间1.05g/cm³。
3.3.2浇注系统凝料体积的初步估算
由于本设计采用了一级分流道和二级分流道，因此，浇注系统的凝料按塑件的体积的0.4倍来估算故一次注入模具型腔的塑料熔体的总体积（即浇注系统的凝料和两个塑件体积之和）为：
V总=V塑（1+0.4）×2=13.071×1.4×2cm³=36.5988cm³（3-1）
3.3.3选择注射机
根据第二步计算得出一次注入模具型腔的塑料总质量V总=36.6cm³并结合式V公=V总/0.8则有：
V总/0.8cm³=45.7cm³。
根据以上的计算初步选定公称注射量为60cm³，注射机型号为XS-Z-60卧式注射机。
其主要技术参数见表3.1：
表3.1注射机主要技术参数
理论注射容量/cm3
60
移模行程/mm
中心推出
螺杆柱塞直径/mm
V注射压力/MPa
38
最大模板厚度/mm
200
122
最小模板厚度/mm
70
注射速率/g·s-1
——
锁模形式
液压机械
塑化能力/g·s-1
——
模具定位孔直径/mm
55
螺杆转速/r·min-1
——
喷嘴球半径/mm
12
锁模力/KN
5×105
喷嘴口孔径/mm
4
拉杆内间距/mm
190×300
3.3.4注射机的相关参数校核
1）注射压力校核。
查表（《塑料成型工艺及模具设计》机械工业出版社）4-1可知：
PS所需注射压力为80~100MPa，这里取90MPa，该注射机的公称注射压力为122MPa。
注射压力安全系数k1=1.25~1.4，这里取1.3，则：
k1p0=1.3×90=117＜122，所以，注射机注射压力合格。
2）锁模力校核：
①塑件在分型面上的投影面积A塑，则
A塑=74×55mm²=4070mm2
②浇注系统在分型面上的投影面积A浇，即流道凝料包括浇口在分型面上的投影面积A浇数值，可以按照多型腔模的统计分析来确定。
A浇是每个塑件在分型面上的投影面积A塑的0.2~0.5倍。
取A浇=0.5A塑。
③塑件和浇注系统在分型面上总的投影面积A总，则：
A总=2×1.5A塑=2×1.5×4070mm²=12210mm2（3-2）
④模具型腔内的膨胀力F涨=A总P模=12210×30N=366.3KN
式中，P模是型腔的平均计算压力值。
P模是模具型腔的内压力，通常取注射压力的0.2~0.4，大致范围为25~40MPa。
对于粘度较大的材料取较大值，对于PS这种中低粘度的塑料及有精度要求的取P模值为30.
查注射机的公称锁模力为800N，锁模力安全系数为k2=1.1~1.2，这里取k2=1.2，则：
k2×F涨=1.2×366.3=439.56＜F锁，所以注射机锁模力合格。
3.4主流道的设计
1）主流道设计成圆锥型，其锥角为1°～6°，内壁粗糙度Ra取0.4um
流道截面设计成圆型截面，加工容易，且热量损失与压力损失均不大为常用形式。
圆形截面流道的直径可以根据塑料的流动性等因素确定，该塑料件采用ABS塑料，流动性为中等，所以选圆形截面。
根具经验流道的直径可以取d=3～6mm。
根据型腔在分型面上的排布情况设置流道。
2）主流道大端成圆角，半径r=1～3mm，以减小料转向过度时的阻力
3）在模具结构允许的情况下，主流道尽可能短，一般小于100mm，过长则会影响流体的顺利充型
4）对于小型模具可将主流道衬套与定位圈设计成整体式，但在大多数情况下将主流道衬套与定位圈设计成两个零件，主流道衬套与定模板采用H7/m6过度配合与定位圈的配合采用H9/f9间隙配合
5）主流道衬套选用T8制造，热处理强度为58～62HRC
主流道位于模具中心塑料熔体的入口处，它的作用是将注射机喷嘴注射出的熔体导入分流道或型腔中。
主流道的形状为圆锥形，以便于熔体的流动和开模时主流道凝料的顺利拔出。
主流道的尺寸直接影响到熔体的流动速度和充模时间。
另外由于其与高温塑料熔体及注射机喷嘴反复接触，因此设计中常设计成可拆卸更换的浇口套。
3.4.1主流道尺寸
1）主流道的长度：
29mm
2）主流道小端直径：
d=注射机喷嘴尺寸+（0.5~1）mm=4+0.5=4.5mm
3）主流道大端直径：
d′=d+2L主tanα≈8mm，式中α=4°。
4）主流道球面半径：
SR0=12+2=14mm。
5）球面的配合高度h=3mm
（1）主流道的凝料体积
V主=3.14/3×29×（4.52+2.252+4.5×2.25）mm³=1854.56mm2=1.9cm3（3-3）
主流道当量半径Rn=（2.25+4.5）/2=3.375mm
（2）主流道浇口套的形式
主流道衬套为标准件。
由于主流道小端入口处与注射机喷嘴反复接触，易磨损。
对材料的要求严格，考虑到上述因素，将它们分开设计，便于拆卸，同时也便于选用优质钢材进行单独加工热处理。
选用碳素工具钢（T8A或者T10A），热处理淬火表面硬度为50~55HRC。
如图3.4,3.5所示：
图3.4主流道浇口套的结构形式
图3.5主流道和定位圈的安装形式
3.5分流道设计
3.5.1分流道的布置形式
考虑到在流道内的压力损失和尽可能的避免熔体温度降低，同时考虑到减小分流道的容积和压力平衡，采用平衡式分流道。
（1）分流道的长度由于塑件在模具上的位置是直线对称的形式，塑件在模具上的投影面积较大，采用一个塑件两个侧浇口的形式，所以分流道设计了一级和二级，为了尽量减小模具尺寸，所以分流道设计较短。
最后根据两个型腔的结构设计，单边一级10mm二级分流道12mm。
所以分流道总长度L取70mm如图3.6所示
图3.6分流道的数量排列形式
（2）分流道的当量直径因为在上面已经确定了主流道的大端直径，一级分流道可以根据公式
φD′=（0.8~0.9）φD
一级分流道直径：
D′=5
二级分流道直径：
D2′=4
由于塑料是PS，属于易流动塑料，本次式中取0.8。
（3）分流道截面形状采用梯形截面，其加工工艺性好，且塑料熔体的热量散失、流动阻力均不大。
（4）分流道截面尺寸
1）一级分流道设梯形的下底宽为x，底面圆角的半径R=1mm，查表（《塑料成型工艺及模具设计》机械工业出版社）4—6得设置梯形的高h=3.5mm，则该梯形的横截面积为：
A分=（x+3.5×tan8°）×4.5（3-4）
再根据该面积与当量直径为6mm的圆面积相等，可得（x+4.5tan8°）×7=（3.14×4.52）/4，即可得x=，则梯形的上底约为5mm，如图3.7所示：
图3.7一级分流道截面形状
2）二级分流道二级分流道的截面尺寸即可按照一级分流道的步骤算出来，得梯形高为3.5下底为2上底为4的梯形，如图3.8：
图3.8二级分流道的截面形状
（5）凝料体积的计算
（1）一级分流道
1）一级分流道的长度L分=10×2=20mm。
2）一级分流道的截面积A分=4.5×3.5mm2=15.75mm2。
3）凝料体积V分=L分A分=20×15.75=315mm3=0.315cm3。
（2）二级分流道
1）二级分流道的长度L2分=12×4=48mm。
2）二级分流道的截面积A2分=3.5×3.5mm2=12.25mm2。
3）凝料体积V2分=588mm³=0.588cm³。
3.5.2校核剪切速率
（1）一级分流道剪切速率的计算
1）确定注射时间：
查表（《塑料成型工艺及模具设计》机械工业出版社）4—8得t=1.0s。
2）计算一级分流道体积流量：
q分=（0.315+0.588+13.071）/1=13.974cm3/s（3-5）
3）查表（《塑料成型工艺及模具设计》机械工业出版社）4—20得
剪切速率为（3.3×13.974×1000）/（3.14×2.25³）s-1=1.289×10³s-1
该分流道的剪切速率处浇口的主流道分流道的最佳剪切速率5×10²~5×10³s-1之间，所以，所以分流道内熔体的剪切速率合格。
（2）二级分流道的计算根据上述公式计算二级分流道剪切速率：
1）计算二级分流道体积流量：
Q′分=（0.588+13.071）/1=13.659cm3/s（3-6）
2）查表（《塑料成型工艺及模具设计》机械工业出版社）4—20得
剪切速率为（3.3×13.659×1000）/（3.14×2.253）s-1=1.26×103s-1，该分流道的剪切速率处浇口的主流道分流道的最佳剪切速率5×102~5×103s-1之间，所以，所以分流道内熔体的剪切速率合格。
3.5.3分流道的表面粗糙度和脱模斜度
分流道的表面粗糙度的要求不是很低，一般去Ra1.25~2.5微米即可，此处取Ra1.6微米，另外其脱模斜度一般在5°~10°之间，这里取脱模斜度为8°。
3.6浇口的设计
对浇注系统进行设计时，一般应遵循如下基本原则：
（1）了解塑料的成型性能
（2）尽量避免或减少熔接痕
（3）有利于型腔中气体排出
（4）防止型芯的变形和嵌件的位移
（5）尽量采用较短的流程充满型腔
（6）流动距离比和流动面积比的校核
综合上面的各项注意再综合本设计的具体情况：
该塑件要求不允许有裂纹和变形缺陷，表面要求质量一般，采用一模两腔注射，为便于调整冲模时间的剪切速率和封闭时间，因此采用侧浇口。
其截面形状很简单，易于加工，便于试模后修正，且开设在分型面上，从腔的边缘进料，塑件外周有十根肋板相连，而浇口正对其中两条条肋板，有助于向四周填充。
3.6.1侧浇口尺寸的确定
（1）计算侧浇口的深度。
根据（《塑料成型工艺及模具设计》）表4—11，常用塑料的侧浇口推荐值可查：
由于塑件的壁厚是2mm，所以在本设计取深度为1.
（2）计算侧浇口的宽度。
根据表4—9，可得侧浇口的宽度B的计算公式为
B=nA1/2/30=0.6×√（5648）/30=1.6mm（3-7）
式中，n是塑料成型系数，对于PS其n=0.6；A是凹模的内表面积。
浇口截面如图3.9所示：
图3.9浇口截面形状
（3）计算侧浇口的长度。
查表（《塑料成型工艺及模具设计》机械工业出版社）4—10可得侧浇口的长度L一般选用0.5~0.75mm。
我在这里取L=0.6.
3.6.2侧浇口剪切速率的校核
（1）计算侧浇口的当量半径。
由面积相等可得πR浇2=Bh，由此矩形浇口的当量半径R浇=（Bh/π）1/2.
（2）校核浇口的剪切速率
1）确定注射时间：
查表（《塑料成型工艺及模具设计》机械工业出版社）4—8可取t=1.0s；
2）计算浇口的体积流量：
q浇=V塑/t=13.071/1.0=13.071cm³=1.31×104mm3/s。
3）计算浇口的剪切速率：
由（《塑料成型工艺及模具设计》机械工业出版社）式4—20可得：
剪切速率=3.3q分/πR分3=2.7×104s-1（3-8）
该矩形侧浇口的剪切速率处于浇口与分流道的最佳剪切速率5×103~5×104s-1之间，所以，浇口的剪切速率校核合格。
3.6.3校核主流道的剪切速率
已经求出了塑件的体积，主流道的体积，分流道的体积以及主流道的当量半径，最后校核主流道的熔体的剪切速率。
（1）计算主流道的体积流量
q主=（V主+V分+V分+nV塑）/t=（1.9+0.315+0.588+26.142）/1=28.945cm2（3-9）
（2）计算主流道的剪切速率
剪切速率=3.3q主/πR主3=7.91×102
主流道内熔体的剪切速率处于浇口与分流道的最佳剪切速率5×102~5×103之间，所以主流道的剪切速率校准合格。
3.7冷料穴的设计计算
冷料穴位于主流道正对面的动模板上，或处于流道末端。
其作用是容纳浇注系统流道中料流的前锋的“冷料”，以避免这些冷料注入型腔而影响塑件质量；还有便于在流道处设置主流道拉料杆的功能。
开模时又可以将主流道的冷凝料拉出，冷料穴直径宜稍大于主流道大端直径，长度约为主流道大端直径。
流道冷料穴当流道较长时，可将流道的尽头沿料流前进方向延长作为流道冷料穴，以贮存前锋冷料，其长度为流道直径的1.5～2倍。
本设计有分流道冷料穴，开模时利用Z型拉料杆使凝料留在动模一侧，并且随后随拉料杆随推板一起把凝料推出。
3.8成型零件的结构设计
所谓成型零件是模具中决定塑件几何形状和尺寸的零件，它包括凹模、型芯、镶块、成型杆和成型环等。
成型零件工作时，直接与塑料接触，承受塑料熔体的高压、料流的冲刷，脱模时与塑件间还发生磨擦。
因此，成型零件要求有正确的几何形状，较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度，此外，成型零件还要求结构合理，有较高的强度、刚度及较好的耐磨性能。
设计成型零件时，应根据塑料的特性和塑件的结构及使用要求，确定型腔的总体结构，然后根据成型零件的加工、热处理、装配等要求进行成型零件结构设计，计算成型零件的工作尺寸，对关键的成型零件进行强度和刚度校核。
以下是成型零件的结构设计。
3.8.1凹模的结构设计
凹模是成型制品的外表面的成型零件，按凹模结构的不同可将其分为整体式，整体嵌入式，组合式和镶拼式四种，根据对塑件的结构分析，该塑件结构简单，属于易加工的形式，所以采用整体式。
如图3.10：
图3.10凹模机构形式
3.8.2凸模的结构设计（型芯）
凸模是成型塑件内表面的成型零件，通常可分为整体式和组合式两种类型。
通过对塑件的结构分析可知道，在定模部分的型腔或者型芯都是简单的长方体或者是简单的型腔，所以，在动模上采用整体式模。
再者该塑件的型芯有六个，两个是成型零件的内表面的大型芯，塑件是上下两层，因此定模部分一个大型芯，动模部分一个大型芯。
另外还有两个侧向型芯，和两个底面盲孔的型芯。
侧孔采用侧向抽芯，用滑块，底面孔的型芯放在定模部分，有利于分散脱模力合简化模具结构。
将这几个部分装配起来，如图3.11,3.12所示：
图3.11滑块型芯
图3.12动定模成型零件
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