汽车雨刮器的模具设计论文.docx

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汽车雨刮器的模具设计论文

摘要

雨刷是最早发明于1910年.从1900年就有正规生产汽车在道路上，这意味着汽车没有雨刷在道路上遭受各种天气行驶至少10年！

雨刷的构想产生于美国特瑞科公司的董事长在下雨天驾车，由于天气模糊，无法看清道路，导致撞倒了一个骑自行车的男孩。

虽然男孩没有受很大的伤，但是驾驶者被他的经历所震惊。

为他所震惊的是驾驶的危险是在没有完全看清道路的情况下发生的，这引起了雨刷的产生。

在我们熟悉的电动雨刷系统出现以前一系列不同的方法都尝试过。

最早的雨刷设计是一个塑料刀片在挡风玻璃上手动旋转。

虽然这使挡风玻璃变干净，前方的视野变清晰，但操作者的手很快就累了，于是这种设计被放弃了。

另一个的设计是由一个真空驱动泵所引发的。

不幸的是这种设计被操作速度随车速改变的事实所困扰。

这次失败最终导致连接一个电机到雨刮臂，这种本质一直沿用到今天，到如今的批量生产。

关键词：

雨刷；发明；模具；批量

Abstract

Thewindshieldwiperwasfirstinventedin1910.Thefirstregularproductionautomobileshadbeenontheroadssince1900,whichmeansthatcarsweredrivingonroadsinallkindsofweatherforatleasttenyearswithoutwindshieldwipers!

TheideaforwindshieldwiperswasbornwhenthePresidentoftheTricocompanyintheUnitedStateswasdrivinghiscaronarainydayand,unabletoseetheroadwellbecauseoftheweather,hehitaboyonabicycle.Thoughtheboywasnothurtbadly,thedriverwasconsiderablyshakenbytheexperience.Itwashisshockatthedangerofdrivingwithoutseeingtheroadproperlythatbroughtaboutthebirthofwindshieldwipers.Butanumberofdifferentmethodsweretriedbeforethemotor-drivenwipersystemswearefamiliarwithtodaycameabout.Theinitialwindshieldwiperdesignwasoneinwhicharubberbladeonthewindshieldwasrotatedmanually.Whilethisallowedthewindshieldtobeclearedandforwardvisionimproved,theoperatorhandsoontired,andthedesignwasabandoned.Thenextdesignwaspoweredbyavacuumdrivenpump.Unfortunatelythisdesignwasplaguedbythefactthatitsspeedofoperationchangedwiththespeedofthevehicle.Thisfailurefinallyledtotheattachmentofamotortothewiperarm,whichisessentiallytheonestillinusetoday.

Keywords：

blade；invent；mould；batch

1绪论

塑料塑件在人们的日常生活中及现代工业生产领域中占有很重要的地位。

采用模具成型的工艺代替传统的切削加工工艺，可以提高生产效率，保证零件质量，节约材料，降低生产成本，从而取得很高的生产效率。

因此，在机电、仪表、化工、汽车和航天航空等领域，塑料已成为金属的良好代用材料并得到了广泛的应用，出现了金属材料塑料化的趋势。

在工业发达国家，据最近数据统计，日本生产塑料模和生产冲压模的企业各占40%；韩国模具专业厂中，生产塑料模的43.9%，生产冲压模的占44.8%;新加坡全国有460家模具企业，60%生产塑料模，35%生产冲模和夹具。

作为最有效的塑料成型方法之一的注射成型技术具有可以一次成型各种结构复杂和尺寸精密的塑件。

成型周期短、生产率高、大批生产时成本低廉、易于实现自动化或自动化生产等优点，因此，世界塑料成型模具产量中约半数以上是注射模具。

目前，塑料塑件在国民经济和日常生活中的应用日趋广泛，发挥着举足轻重的作用，塑料塑件的加工基本上是通过模具一次成型的。

在众多的成型方法中，注射成型占主导地位，塑料塑件的质量、生产的效率和成本和模具的结构、使用性能密切相关，因此，设计制造出结构合理，使用性能优良的注射成型模具已成为塑料生产厂家关注的焦点。

本次毕业设计题目是“汽车雨刮器零件的设计”，设计中重点注意一模多腔件的进料平衡。

2塑料制品分析

2.1明确制品设计要求

图2.1、为塑料制品的三维立体图。

该产品精度及表面粗糙度要求很高，在垂直于开模方向上哟两处突起，阻碍成型后塑料制品从模具中脱出，因此须设置斜顶结构。

图2.1塑料制品的三维立体图

2.2明确制品批量

该产品大批量生产，故设计的模具要求有较高的注塑效率，模具采用一模十六腔结构，浇口形式采用侧浇口。

2.3材料选择及性能

2.3.1材料选择

由于该塑料制品形状复杂，但需要有较好的力学性能故选用PA66材料。

2.3.2材料品种

PA66在聚酰胺材料中有较高的熔点。

它是一种半晶体-晶体材料。

PA66在较高温度也能保持较强的强度和刚度。

PA66在成型后仍然具有吸湿性，其程度主要取决于材料的组成、壁厚以及环境条件。

在产品设计时，一定要考虑吸湿性对几何稳定性的影响。

PA66的粘性较低，因此流动性很好（但不如PA6）。

这个性质可以用来加工很薄的元件。

它的粘度对温度变化很敏感。

PA66的收缩率在1%~2%之间，加入玻璃纤维添加剂可以将收缩率降低到0.2%~1%收缩率在流程方向和与流程方向相垂直方向上的相异是较大的。

PA66对许多溶剂具有抗溶性，但对酸和其它一些氯化剂的抵抗力较弱。

2.4成型设备

经比较,成型设备采用卧式注射机较好,其优点是机体较低,容易操作和加料,塑件脱模后可以自动落下可实现自动化操作,注塑机的重心较低安装稳定,适合大中型注射机的设计制造。

2.5拔模斜度

由于材料是PA66,且制品较小，故拔模斜度取2°。

2.6计算制品的体积和质量

2.6.1表面质量的分析

该零件的表面质量要求很高，而且产品多空间曲线，故各个成型面都得进行抛光处理，斜顶的配合度要求很高。

2.6.2塑件的体积重量

　　计算塑件的重量是为了选用注射机及确定模具型腔数。

　　计算得塑件的体积：

V＝12.18

　　　　计算塑件的质量：

公式为W＝Vρ

　　根据设计手册查得PA66的密度为1.12g/cm3，故塑件的重量为：

W＝Vρ=12.18*1.12=13.64

3注射机及成型方案的确定

3.1注射机的确定

根据注射所需的压力和塑件的重量以及其它情况，可初步选用的注射机为：

szy-300型注塑成型机，该注塑机的各参数如下表3-1所示：

表3-1szy-300型注塑成型机的各参数

理论注射量/cm3

500

移模行程/mm

340

螺杆直径/mm

60

最大模具厚度/mm

335

注射压力/Mp

125

最小模具厚度/mm

130

锁模力/KN

2000

喷嘴球半径/mm

18

拉杆内间距/mm

242×1857

喷嘴口孔径/mm

φ5

3.2成型方案的确定

3.2.1成型设备的选择

塑料的种类较多,成型方法也多,有注射成型,压注成型,压缩成型,挤出成型,气动与液压成型,泡沫塑料的成型等。

该雨刮器选用螺杆式注塑机，型号为xs-zy500。

3.2.2成型的特点

注射成型又称注射模塑,成型周期短,能一次成型外形复杂,尺寸精密,带有嵌件的塑料制件。

制品无需修整或仅需少量修正,可得到较窄的公差,废料损耗最小,且生产效率高,易于实现自动化生产,适于多件批量较大的塑件生产等优点。

但是,产品质量有时难短期稳定,模具的结构有时不宜高效成型等缺点。

3.2.3成型的原理

在成型时,塑料要经过三个阶段的转换:

一是塑料未进入料筒的颗粒状态；二是塑料在料筒中的塑化流动而到熔融状态；三是塑料通过模具浇注系统的充模流动及冷却定型。

其成型原理是将颗粒状态或粉状塑料从注射机的料斗送进加热的料筒中间,经过加热熔融塑化称粘流态熔体,在注塑机的螺杆的高压推动下,以很大的流速通过喷嘴注入模具型腔,经一定时间的保压冷却定型后可保持模具型腔所赋予的形状,然后开模分型获得成型塑件。

这样完成一次注射工作循环。

3.2.4成型过程

其包括成型前的准备，注射成型过程及塑件后处理。

1）、成型前的准备

A、原料外观的检测合工艺性能的测定

包括对色泽、粒度、均匀、流动性、热稳定性及收缩率的检测。

B、物料的预热和干燥

防止塑料表面出现斑纹和气泡，甚至发生降解等。

大批量生产宜采用沸腾干燥或真空干燥。

C、嵌件的预热

以减少物料和嵌件的温度差，降低嵌件周围塑料的收缩应力，保证塑件的质量。

D、料筒的清洗

当改变产品，更换原料及颜色时均需清洗料筒。

螺杆式料筒可采用对空注射法清洗。

E、脱模剂的选用

为顺利脱模，通常使用脱模剂。

该成型模具可以采用硬脂酸锌。

2）、注射成型过程

包括加料、加压、注射、保压、冷却、定型、脱模等工序。

3）、塑料的后处理

A、退火

将塑件在定温的液体介质（如热水、若热的矿物油、甘油、乙二醇和液体石蜡等）或热空气循环烘箱中静置一段时间，然后慢慢冷却到室温。

从而消除内应力，提高塑件的性能。

退火温度应控制在塑件使用温度10～20℃以上，或塑件的热变形温度以下10～20℃。

退火处理时间决定与塑料的品种、加热介质的温度、塑料形状和成型条件，速度不能过快，以免产生新的应力。

B、调湿处理将脱模的塑件放入热水中，以隔绝空气，防止对塑件的氧化，加快吸湿平衡速度的一种后处理的方法。

4型腔数的确定及分型面的选择

4.1型腔数的确定

　型腔数的确定有多种方法，本题采用注射机的注射量来确定它的数目。

其公式如下：

　　　　　　n2=（G-C）/V

式中：

G——注射机的公称注射量/cm3

V——单个制品的体积/cm3

　　　　C——浇道和浇口的总体积/cm3

　　生产中每次实际注射量应为公称注射量G的（0.75－0.45）倍，现取0.7G进行计算。

每件制品所需浇注系统的体积为制品体积的（0.2－1）倍，现取C＝0.3V进行计算。

　　　　n2=0.7G/1.3V=0.538G/V=（0.538×500）/1.3*12.18=16.9

　　由以上的计算可知，可采用一模十六件的模具结构。

4.2分型面的选择

4.2.1分型面的主要选择原则

（1）分型面的位置设在塑料横截面尺寸最大的部位，以便脱模和加工型腔。

（2）有孔的同轴度要求、台阶间尺寸精度的要求，应使塑件相关的部分全部在动模部分成型，以保证塑件尺寸精度。

（3）在光滑凭证表面或圆弧曲面上尽量避免选择分型面，防止在分型面产生，以保证塑件的外观质量。

（4）考虑保证塑件的使用要求，避免由脱模斜度、推杆及浇口痕迹等缺陷影响塑件的功能。

（5）考虑锁模力，尽量减小塑件在分型面的投影面积。

（6）尽可能将塑件留在动模的一边，易于设置和制造简便易行的脱模机构。

（7）便于浇注系统的布置，利于排气，模具零件易于加工等等。

在确定型心分模之前，应该考虑好该型心放在模板上空间方位，要有利与冷却水道的设计以及尽可能地减少不必要的材料。

本设计分型面选择如实例图4.1

图4.1分型面选择实例图

4.3确定型腔的排列方式

本塑件在注射时采用一模十六件，即模具需要公母模仁各四块。

综合考虑浇注系统，模具结构的复杂程度等因素采用如下图4.2的型腔排列方式。

4.2模具型腔排列方式

4.4标准模架的选用

模具的大小主要取决于塑件的大小和结构，对于模具而言，在保证足够强度的前提下，结构越紧凑越好。

模架尺寸参照装配图4.3

4.3模架尺寸参照装配图

5成型零部件的设计与计算

5.1凸模设计

凸模用于成型塑料的内表面，又称型芯、阳模或成型杆。

结构分整体式和组合式两种。

为了便于加工和有利于排气，运用组合式的型芯结构，与整体式型芯相比，组合式型芯使加工和热处理工艺大为简化。

该设计中采用组合式凸模，其中公模仁的结构如下图5.1

图5.1公模仁的结构

5.2凹模的设计

凹模用于成型塑件的外表面，又称阴模、型腔。

按照结构的不同可以分为整体式、整体嵌入式、局部镶嵌式、大面积镶嵌式和四壁镶嵌式五种。

该设计采用整体嵌入式结构，由整块金属材料直接加工成母模仁，其结构如下图5.2

图5.2工成母模仁

5.3成型零件工作尺寸的计算

本设计中零件工作尺寸的计算均采用平均尺寸、平均收缩率、平均制造公差和平均磨损量来进行计算，已给出这PA66的成型收缩率为0.005，模具的制造公差取z=Δ/3。

5.3.1模腔工作尺寸的计算

型腔的内径尺寸的计算（253.841+253.841×0.5%－0.015）

=253.95

。

型腔的深度尺寸的计算（24.708＋24.708×0.5%－0.50）

＝24.33

5.3.2型芯工作尺寸的计算

型芯高度的尺寸计算（24.708＋24.708×0.5%－0.50）

=（24.33）

5.3.3型腔侧壁厚度和型腔底壁厚度的计算

1）型腔底壁Th厚度的经验数据见表4-8（塑料成型工艺与模具设计）查得Th=（0.12-0.13）b

2）型腔侧壁厚度Tc的经验计算公式为：

Tc=0.20t+17

6浇注系统的设计

浇注系统设计时，应注意与注射机的注射口相符合，主流道、浇口套、定位圈等的各项参数与注射机的规格密切相关，由于主流道要与高温塑料及喷嘴接触，所以模具的主流道部分通常设计成可拆卸更换的主流道衬套，即浇口套。

对浇注系统进行总体设计时，一般应遵循如下原则：

A、了解塑料的成型性能

B、尽量避免或减少产生熔接痕

C、有利于型腔中气体的排出

D、防止型心的变形和嵌件的位移

E、尽量采用较短的流程充满型腔

6.1主流道设计

设计手根据册查得szy-300型注射机喷嘴有关尺寸如下：

　　　　　喷嘴前端孔径：

d0=φ5mm

喷嘴前端球面半径：

R0＝18mm

为了使凝料能顺利拔出，主流道的小端直径D应稍大于注射

喷嘴直径d。

　D＝d+（0.5－1）mm=φ5+0.5＝φ5.5mm

主流道的半锥角α通常为1°－2°过大的锥角会产生湍流或涡流，卷入空气，过小的锥角使凝料脱模困难，还会使充模时熔体的流动阻力过大，此处的锥角选用1°。

经换算得主流道大端直径D＝φ7.74mm,为使熔料顺利进入分流道，可在主流道出料端设计半径ｒ＝1mm的圆弧过渡。

主流道的长度L取128

6.2浇口的设计

根据浇口的成型要求及型腔的排列方式，选用侧浇口较为合适。

侧浇口一般开设在模具的分型面上，从制品的边缘进料，故也称之为边缘浇口。

侧浇口的截面形状为矩形，其优点是截面形状简单，易于加工，便于试模后修正。

缺点是在制品的外表面留有浇口痕迹，因为该制件无表面质量的特殊要求，又是中小型制品的一模两腔结构，所以可以采用侧浇口。

在侧浇口的三个尺寸中，以浇口的深度h最为重要。

它控制着浇口内熔体的凝固时间和型腔内熔体的补缩程度。

浇口宽度W的大小对熔体的体积流量的直接的影响，浇口长度L在结构强度允许的条件下以短为好，一般选L＝0.5－0.75mm。

6.3平衡进料

作为一模十六腔的多腔模具，其浇注系统的平衡进料很重要，一模多腔浇注系统的平衡。

图6.1平衡式浇注系统

图6.2非平衡式浇注系统

6.4冷料井设计

冷料井位于主流道正对面的动模上，或处于分流道末端。

其作用是搜集料流前锋的“冷料”防止进入型腔而影响塑件质量，开模时又能将主流道的凝料拉出。

冷料井的直径宜大于主流道大端直径，长度约为主流道大端直径。

本设计采用带Z型拉料杆。

由于拉料杆头部的侧凹将主流道凝料钩住，分模是即可将凝料从主流道中拉出。

拉料杆的根部固定在推出板上，在推出塑件时，冷料也一同被推出，取产品时向拉料钩的侧向稍微许动，即可脱钩将塑件连同浇注系统凝料一道取下。

6.5本模具浇注系统的选择

对于本模具粗选下列浇注系统

1）方案一

图6.3定模浇道

图6.4动模浇道

2）方案二

图6.5定模浇道

图6.6动模浇道

实验表明，在每个进料口处，物料会分成两部分，根据流体力学可以自动，由于拐角的影响，靠内侧的进口会分得的进料多一些，所以不能实现平衡进料，故方案一不可取。

对于方案二，在相应的位置上，物料是向上运动的，抵消了拐角的力，故能较好的平衡进料

7排气与冷却系统的设计

注塑模具型腔的温度高低及均匀性对成型效率和制品的质量影响很大，一般注入模具的塑料熔体的温度为200-300（℃），而塑件固化后从模具中取出的温度为60-80（℃）以下，视塑料品种不同有很大的差异。

为了调节型腔的温度，需在模具内开设冷却水通道，通过模温调节冷却介质的温度。

7.1冷却系统设计的原则

1、冷却水孔数量尽可能多，尺寸尽可能的大。

2、冷却水孔与型腔表面各处最好有相同间距，一般水孔边离型腔的距离大于10mm，常用12～15mm。

3、降低入水与出水的温度差，防止制品变形。

4、水道的开设便于加工和清理，一般孔径为8～12mm，该设计取用D=8mm。

5、采用并流流向，加强浇口处的冷却。

7.2冷却水路的计算

●塑料传给模具的热量：

式中Q—单位时间内塑料传给模具的热量（kJ/h）

n—每小时的注射次数；根据经验该塑件每小时注射200次左右

m—每次注射的塑料量，包括浇注系统（kg）；m取值0.05kg

q—单位质量的塑料在型腔内散发的热量（kJ/kg）

式中

--塑件的比热容；查《模具技术手册》表12-3取值1.87

--塑件熔体充模的温度（°C）；查《模具技术手册》表12-10，取值250

--塑件脱模的温度（°C）；查《模具技术手册》表12-10，取值80

--结晶行塑料的熔融潜热（kJ/kg）

所以

●由冷却水带走的热量：

（kJ/h）

●热传导面积：

式中

--热传导面积（冷却水路表壁的面积）（

）；

--冷却水对其管壁的传热系数（w/

k）；

--模具型腔表面的平均温度与冷却水的平均温度的差值

其中冷却水的平均温度是冷却水进口与出口的温度平均值

式中

--冷却水道直径（mm）；其中水道直径在设计时候已经确定为

=10mm；

v---冷却水的流速（m/s）；水道流速5m/左右

--冷却水的平均温度；大约在50°C左右

所以

●冷却水管总长度：

根据塑件产品在模具中的位置和模板的布置，确定水路图如图7.1所示

图7.1水路图

7.3排气系统的设计

当塑料熔体充填模具型腔时，必须将浇注系统和型腔内的空气以及塑料在成型过程中产生的低分子挥发气体顺利地排出模外。

如果型腔内因各种原因产生的气体不能被排除干净，塑件上就会形成气泡、产生熔接不牢、表面轮廓不清及充填不满等成型缺陷，另外气体的存在还会产生反压力而降低充模速度，因此设计模具时必须考虑型腔的排气问题。

注射模通常以如下三种方式排气

1）利用配合间隙排气

2）在分型面上开设排气槽

3）利用排气塞排气

对于简单型腔的小型模具，可以利用推杆、活动型芯、活动镶件以及双支点鼓固定的型芯端部与模板的配合间隙进行排气。

其配合间隙不能超过0.5mm,一般为0.03-0.05mm。

本设计采用利用配合间隙排气的方式排气。

8顶出与抽芯机构的设计

在注射成型的每个循环中，都必须使塑件从模具型腔中或型心上脱出，模具中这种脱出型件的机构称为推出机构（或脱模机构）。

推出机构的作用包括推出、取出两个动作，即首先将塑件和浇注系统凝料等与模具分离，称为脱出，然后把其脱出物件从模具内取出。

由于本产品在头部有两个突起的原点，故无法正常脱模，需采用斜顶机构和推杆装置共同完成。

8.1斜顶机构

如示意图8.1所示

图8.1斜顶机构示意图

推杆推出机构由推杆、复位杆、拉料杆和推杆固定板等构成，当开模到一定的距离时，注射机推出装置推动推板并带动所有推杆、拉料杆和复位杆一道前进，将塑件和浇注系统一起推出模外。

合模时复位杆首先与定模边的分型面接触，而将推板和所有的推杆一道推回复位。

8.2推杆复位装置

推出机构用可用多种方式复位，如弹簧复位，强制回位和回针复位，一般模具设计追求安全可靠，同时采用这三种方法。

复位杆应对称布置，长取2~4根，长度与推杆相同。

弹簧复位是一种简单复位方法，它具有先行复位功能，数跟弹簧装在动模板与推板之间，推出塑件时弹簧被压缩，当注射机的顶杆后退，弹簧即将推板推回。

强制回位是有一根强制回位杆分别连接顶针固定板和注塑机的液压系统上，和模前由液压系统强制回位，回针是在分模面上有四根回位针，其固定在顶针固定板上，和模时先是回针和模面接触把顶针强制带回，避免顶针碰花模仁。

其结构如下图8.2所示

图8.2结构图

8.3抽芯机构的选择

斜顶抽芯是应用比较广泛的分型抽芯机构，它借助顶出机构完成侧向抽芯，结构简单，制造方便，动作可靠。

斜顶做为成型镶件安装模仁中不方便脱模的地方，其在顶出机构的推动下，能沿着垂直于分模方向移动，故能使产品很好的脱模，斜顶与模仁的滑行面于开模运动方向成斜角安装，，开模或推出时斜顶和模仁发生相对运动，斜顶产生一侧向运动，使产品顺利脱模。

本设计采用斜顶抽芯机构

8.4斜顶抽芯机构的设计

斜顶抽芯机构主要由斜顶、限位螺丝、导针块和顶针等零部件组成。

如图8.3

图8.3示意图

斜顶的设计

（1确定抽芯距抽芯距一般应大于障碍部分深度，本设计中倒钩的深度为0.385mm，另加2~3mm的抽芯安全系数，可取抽芯距S为3.35mm。

（2确定倾斜角

斜顶的倾斜角a是斜抽芯机构的主要技术数据之一，它与顶出力以及抽芯距有直接关系，，本设计取a=5o

（3顶出距离的计算

图8.4示意图

由于斜顶本身就是成型部件，故斜顶的长度基本确定，现定为和模仁一样高，所以能让产品顺利脱模只能在顶出距离上保证

图8.5草图

由图8.5可得