水龙头设计.docx

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水龙头设计

塑料水龙头开关旋钮模具设计

摘要：

近年来，我国工业的高速发展对模具工业，尤其是塑料模具提出了越来越高的要求，塑料模具在整个模具行业中所占比例已上升到30%左右，据有关专家预测，在未来几年中，中国塑料模具工业还将持续保持年均增长速度达到10%以上的较高速度的发展。

国内塑料模具市场以注塑模具需求量最大，其中发展重点为工程塑料模具。

注射成型是塑料成型的一种重要方法，它主要适用于热塑性塑料的成型，可以一次成型形状复杂的精密塑件。

本课题就是将塑料水龙头开关旋钮作为设计模型，将注射模具的相关知识作为依据，阐述塑料注射模具的设计过程。

本设计对塑料水龙头开关旋钮进行的注塑模设计，利用CAD软件对塑件进行了实体造型，对塑件结构进行了工艺分析。

明确了设计思路，确定了注射成型工艺过程并对各个具体部分进行了详细的计算和校核。

如此设计出的结构可确保模具工作运用可靠，保证了与其他部件的配合。

最后用autoCAD绘制了一套模具装配图和零件图。

关键词：

塑料模具注射成型模具设计

Plasticknobandtheswitchofthemolddesigning

Abstract:

Inrecentyears,rapiddevelopmentofChina'sindustrialtoolingindustry,inparticular,plasticmoldhigherandhigherdemands,theentiremoldplasticmoldindustrysharehasrisento

30%,accordingtotheexpertsforecastinthenextfewyears,Chinaplasticmoldindustrywillcontinuetomaintainanaverageannualgrowthrateof10%ormoreofthehighspeeddevelopment.Thedomesticmarketinordertoinjectionmoldplasticmoldhighestdemand,whichwillfocusonthedevelopmentofplasticmolds.

Injectionmoldingisanimportantmethodofplasticmolding,whichismainlyappliedtothermoplasticmolding,canbeacomplexshapeformingofprecisionplasticparts.Thisissueisaplasticfaucetknobdesignmodel,willinjectionmold-relatedknowledgeasabasistoexplaintheprocessofplasticinjectionmolddesign.

Thedesignoftheplasticfaucetknobfortheinjectionmolddesign,plasticpartsusingCADsoftwareforthemodeling,thestructureoftheplasticpartsoftheprocess.Cleardesignideas,determinetheinjectionmoldingprocessandtospecificpartsofadetailedcalculationandverification.Thestructureofsuchadesigncanbeusedtoensurethedieisreliable,toensurecoordinationwithothercomponents.Finally,autoCADdrawingamoldassemblydrawingsandpartsdrawing.

Keywords:

plasticmold；injectionmolding；molddesign

引言

塑料工业是一门新兴产业，自塑料问世后几十年，塑料来源丰富，制作方便及成本低廉、金属零件塑料化的发展很快，在机械电子、国防、交通、通讯、建筑、农业、轻工业和日常生活用品等行业中都得到了广泛的应用，对塑料模具要求量增加，大多数应用模具成型。

因此，产品对模具的精度要求越来越高、越来越普及。

其产品在人们的生产生活中的作用越来越大[1]。

塑料模具是利用其特定形状去成型具有一定形状和尺寸的塑料制品的工具，它对塑料零件的制造质量和成本起着决定性影响，所以对塑料模具的设计要求还是比较高的，从产品的角度讲，能生产出尺寸精度、外观、物理性能等各方面均满足使用要求的优质产品；从模具使用的角度讲，要求效率高、自动化并且操作简单；从模具制造角度讲，要求模具结构合理，制造容易，成本低廉。

模具设计过程一般是设计收缩率、毛坯尺寸、型腔布局，然后进行分模，创建型芯型腔、滑块和镶块、添加模架和标准件，最后设计浇注系统，冷却系统和建腔，生成材料清单和模具图。

在现代塑料制品的生产中，合理的加工工艺，高效的设备，先进的模具是必不可少的三项重要因素。

尤其是塑料模具对实现塑料加工工艺的要求，塑料制品使用要求和造型设计起着重要的作用。

高效的全自动设备只有配上想适应的模具才能发挥作用，随着塑料制品的品种和产量需求量的增加，对塑料模具也提出了越来越高的要求，促使塑料模具不断的向前发展。

AutoCAD是最常用的工程制图软件。

由Pro/ENGINEER产生的工程图纸不规范，所以后期需要导入AutoCAD2006进行完善。

塑料模具CAD技术是一种全新的设计技术，有助于提高产品及模具设计的质量和实现产品的最佳性能。

塑料模具CAD的工作主要在于理解注塑过程模拟的分析结果，判读数据并做出合适的变更设计抉择，熟悉CAD技术并有效地应用于模具设计也有赖于设计人员的素质和经验。

塑料模具CAD的难点在于建立丰富的材料性能数据库，以及模具零件的标准化。

模具市场全球化是当今模具工业最主要的特征之一，模具的购买者和生产商遍布全世界，模具工业的全球化发展使生产工艺简单、精度低的模具加工企业向技术相对落后、生产率较低的国家迁移，发达国家的模具生产企业则定位在生产高水准的模具上，模具生产企业必须面对全球化的市场竞争，同时模具生产厂家不得不千方百计地加快生产进度，努力简化和废除不必要的生产工序，模具的生产周期将进一步缩短。

多品种小批量生产时代的到来，人们要求模具的生产周期越短越好，因此快速经济模具将有广阔的发展前景。

预计21世纪，用各种超塑性材料来制作模具、用环氧、聚酯或在其中填充金属、玻璃等增强物制作简易模具等生产方式占工业生产的比例将达到75%以上。

快速经济模具主要包括快速原型制造技术、表面成形制模技术、浇铸成形制模技术、冷挤压及超塑成形制模技术、无模多点成形技术、KEVRON钢带冲裁落料制模技术、模具毛坯快速制造技术等。

中国塑料模具行业和国外先进水平相比，主要存在以下问题：

（1）发展不平衡，产品总体水平较低。

虽然个别企业的产品已达到或接近国际先进水平，但总体来看，模具的精度、型腔表面的粗糙度、生产周期、寿命等指标与国外先进水平相比尚有较大差距。

包括生产方式和企业管理在内的总体水平与国外工业发达国家相比尚有10年以上的差距。

（2）工艺装备落后，组织协调能力差。

虽然部分企业经过近几年的技术改造，工艺装备水平已经比较先进，有些三资企业的装备水平也并不落后于国外，但大部分企业的工艺装备仍比较落后。

更主要的是，企业组织协调能力差，难以整合或调动社会资源为我所用，从而就难以承接比较大的项目。

（3）大多数企业开发能力弱，创新能力明显不足。

一方面是技术人员比例低、水平不够高，另一方面是科研开发投入少；更重要的是观念落后，对创新和开发不够重视。

模具企业不但要重视模具的开发，同时也要重视产品的创新。

（4）供需矛盾短期难以缓解。

近几年，国产塑料模具国内市场满足率一直不足74%，其中大型、精密、长寿命模具满足率更低，估计不足60%。

同时，工业发达国家的模具正在加速向中国转移，国际采购越来越多，国际市场前景看好。

市场需求旺盛，生产发展一时还难以跟上，供不应求的局面还将持续一段时间。

（5）体制和人才问题的解决尚需时日。

在社会主义市场经济中，竞争性行业，特别是像模具这样依赖于特殊用户、需单件生产的行业，国有和集体所有制原来的体制和经营机制已显得越来越不适应。

人才的数量和素质也跟不上行业的快速发展。

在信息化带动工业化发展的今天，我们既要看到成绩，又要重视落后，要抓住机遇，采取措施，在经济全球化趋向日渐加速的情况下，尽快提高塑料模具的水平，融入到国际市场中去，以促进中国模具行业的快速发展，有两方面应予以重视：

一是政府相关政策对促进模具工业的发展起着非常重要的作用。

从国际上看，各国模具工业在发展初期都得到了政府的大力扶持。

就中国实际情况看，应降低国内不能生产的进口精密模具生产设备的关税、执行好国家对部分专业模具厂的优惠政策等，通过政策引导作用可加快行业的发展和进步。

二是随着市场的发展，塑料新材料及多样化成型方式今后必然会不断发展，因此对模具的要求也越来越高。

为了满足市场需要，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，而且这种发展必须跟上时代步伐。

展望未来，下列几方面发展趋势预计会在行业中得到较快应用和推广：

（1）超大型、超精密、长寿命、高效模具将得到发展。

（2）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。

（3）为各种快速经济模具，特别是与快速成型技术相结合的RP/RT技术将得到快速发展。

（4）模具设计、加工及各种管理将向数字化、信息化方向发展CAD/CAE/CAM/CAPP及PDM/PLM/ERP等将向智慧化、集成化和网络化方向发展。

（5）更高速、更高精度、更加智慧化的各种模具加工设备将进一步得到发展和推广应用。

（6）更高性能及满足特殊用途的模具新材料将会不断发展，随之将产生一些特殊的和更为先进的加工方法。

（7）各种模具型腔表面处理技术，如涂覆、修补、研磨和抛光等新工艺也会不断得到发展。

（8）逆向工程、并行工程、复合加工乃至虚拟技术将进一步得到发展。

（9）热流道技术将会迅速发展，气辅和其它注射成型工艺及模具也将会有所发展。

（10）在可持续发展和绿色产品被日益重视的今天，“绿色模具”的概念已逐渐被提到议事日程上来。

在科学发展观指导下，国内模具企业将进一步深化改革，下功夫搞好科技进步与创

新，坚持走新型工业化道路，将速度效益型的增长模式逐步转变到质量和水平效益型的轨道上来，模具工业必将得到又好又快的发展。

第1章塑件的工艺性分析

1.1塑件的原材料分析[2]

　　塑件的材料采用聚甲基丙烯酸甲酯，属热塑性塑料，该塑料具有如下的成型特性：

（1）无定形料、吸湿性大、不易分解。

（2）质脆、表面硬度低。

（3）流动性中等，溢边值0.03mm左右，易发生填充不良、缩孔、凹痕、熔接痕等缺陷。

（4）宜取高压注射，在不出现缺陷的条件下宜取高料温、模温，可增加流动性，降低内应力、方向性，改善透明度及强度。

（5）模具浇注系统应对料流阻力小，脱模斜度应大，顶出均匀，表面粗糙度应好，注意排气。

（6）质透明，要注意防止出现气泡、银丝、熔接痕及滞料分解、混入杂质。

　图1.1塑件结构

1.2塑件的结构和尺寸精度及表面质量分析

1.2.1塑件的结构分析

　　该零件的总体形状为圆形，结构比较简单。

1.2.2塑件尺寸精度的分析

该零件的重要尺寸，如，30.9±0.09mm的尺寸精度为3级，次重要尺寸3.75±0.07mm的尺寸精度为4级，其它尺寸均无公差要求，一般可采用8级精度。

由以上的分析可见，该零件的尺寸精度属中等偏上，对应模具相关零件尺寸的加工可保证。

从塑件的壁厚上来看，壁厚最大处为4.5mm，最小处为2.25mm，壁厚差为2.25mm，较为均匀。

1.2.3表面质量的分析

该零件的表面要求无凹坑等缺陷外，表面无其它特别的要求，故比较容易实现。

综上分析可以看出，注射时在工艺参数控制得较好的情况下，零件的成型要求可以到保证。

1.3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＝9132mm3

计算塑件的质量：

公式W＝Vρ（1-1）

　根据设计手册查得聚甲基丙烯酸甲酯的密度为ρ＝1.18kg/dm3，故塑件的重量为：

W＝Vρ

　　　　　　　　＝9132×1.18×10-3

　　　　　　　　＝10.776g

　　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：

SZ－60/40型注塑成型机，该如下表所示[3]

表1.1注塑机的各参数

理论注射量/cm3

60

移模行程/mm

180

螺杆直径/mm

30

最大模具厚度/mm

280

注射压力/Mp

150

最小模具厚度/mm

160

锁模力/KN

400

喷嘴球半径/mm

15

拉杆内间距/mm

295×185

喷嘴口孔径/mm

φ3.5

1.4塑件的注射工艺参数的确定

　　根据情况，聚甲基丙烯酸甲酯的成型工艺参数可作如下选择，在试模时可根据实际情况作适当的调整。

　　注射温度：

包括料筒温度和喷嘴温度。

　　料筒温度：

后段温度t1选用180℃

　　　　　　　中段温度t2选用200℃　

　　　　　　　前段温度t3选用220℃

　　喷嘴温度：

选用220℃

　　注射压力：

选用100MP

　　注射时间：

选用20s

　　保压时间：

选用2s

　　保压：

80MP

　　冷却时间：

选用28s

　　总周期：

50s

第2章型腔数的确定及浇注系统的设计

2.1分型面的选择

图2.1塑料开关水龙头旋纽

　　该塑件为，表面质量无特殊要求，端部因与人手指接触因此形成自然圆角，此零件可采用上图所示的分型面比较合适[4]。

2.2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（2-1）

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0.6G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＝0.6V进行计算。

　　　　n2=0.6G/1.6V=0.375G/V=（0.375×60）/90132=2.46

由以上的计算可知，可采用一模两腔的模具结构。

2.3确定型腔的排列方式

　　本塑件在注射时采用一模两件，即模具需要两个型腔。

综合考虑浇注系统、模具结构

的复杂程度等因素，拟采用下图所示的型腔排列方式。

图2.2两个型腔

2.4浇注系统的设计

2.4.1主流道的设计

　　根据设计手册查得SZ－60/40型注射机喷嘴有关尺寸如下[5]：

　　喷嘴前端孔径：

d0=φ3.50mm

喷嘴前端球面半径：

R0＝15.00mm

　　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=φ3.5+1＝φ4.50mm

　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2°。

经换算

得主流道大端直径D＝φ8.5mm,为使熔料顺利进入分流道，可在主流道出料端设计半径ｒ＝5.00m圆弧过渡。

主流道的长度L一般控制在60mm之内，可取L＝55.00mm。

2.4.2冷料穴与拉料杆的设计

　对于依靠推件板脱模的模具常用球头拉料杆，当前锋冷料进入冷料穴后紧包在拉料杆

的球头上，开模时，便可将凝料从主流道中拉出。

球头拉料杆固定在动模一侧的型芯固板

上，并不随脱模机构移动，所以当推件板从型芯上脱出制品时，也将主流道凝料从球头料

杆上硬刮下来。

.

2.4.3分流道的设计

分流道在设计时应考虑尽量减小在流道内的压力损失和尽可能避免熔体温度的降低，同时还要考虑减小流道的容积。

圆形和正方形流道的效率最高，当分型面为平面时一般采用圆形的截面流道，但考虑到加工的方便性，可采用半圆形的流道[6]。

一般分流道直径在3－10mm范围内，分流道的截面尺寸可根据制品所用的塑料品种、重量和壁厚，以及分流道的长度由《中国模具设计大典》第2卷中图9.2－12所示的经验曲线来选定，经查取D’=5.60mm较为合适，分流道长度取L＝20mm从图9.2－14中查得修正系数fL=1.02，则分流道直径经修正后为D＝D’fL=5.6×1.02=5.712，取D＝6.00mm。

2.4.4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[7]。

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。

确定浇口深度和宽度的经验公式如下：

h=nt（2-2）

W=nA1/2/30（2-3）

式中：

h——侧浇口深度（mm）中小型制品常用h=0.5－2mm，约为制品最大壁厚的1/3－2/3,　　取1.5mm

　　　t——制品的壁厚（mm），3.38mm

　　　n——塑料材料的系数，查表得0.8

　　　W——浇口的宽度（mm）

　　A——型腔的表面积（mm2），计算得2940mm2

将以上各数据代入公式得：

h=1.5mm，W=1.5mm,L取0.5mm。

计算后所得的侧浇口截面尺寸可用r=6q/（Wh2）≥104s-1作为初步校验[8]。

制品的体积V＝9.132cm3，设定充模时间为1s，于是：

q=9.132/1=9132.00mm3/s

r=6q/Wh2=（6×9132）/（1.5×1.52）=1.60×104＞104s-1

所以符合要求。

第3章排气、冷却系统的设计与计算

3.1排气系统的设计[9]

　排气槽的截面积可用如下公式进行计算：

F＝25m1（273+T1）1/2/tP0　　（3-1）

　式中：

F——排气槽的截面面积（m2）

m1——模具内气体的质量（kg）

　　　　P0——模具内气体的初始压力（Mp）取0.1Mp

　　　　T1——模具内被压缩气体的最终温度（℃）

t——充模时间（s）

模内气体质量按常压常温20℃的氮气密度ρ0＝1.16kg/m3计算，有

m1=ρ0V0（3-2）

　式中：

V0——模具型腔的体积（m3）[10]

　应用气体状态方程可求得上式中被压缩气体的最终温度（℃）

T1＝（273+T0）（P1/P）0.1304-273　　（3-3）

式中：

T0——模具内气体的初始温度（℃）

　由V＝9132mm3，充模时间t=1s

被压缩气体最终排气压力为P1＝20MPa

　　由（4-3）式得：

T1＝（273+20）（20/0.1）0.1304-273=311.70℃

模具内的气体质量由（4-2）式得：

　m1=V0ρ0=9.132×10-6×1.16kg=1.06×10-5kg

将数据代入（4-1）式得：

所需排气槽的截面面积为：

　　　　　F=[25×1.06×10-5（273+311.7）1/2]/（1×0.1×106）=0.064mm2

　　查取排气槽高度h=0.03mm，因此排气槽的总宽度为：

　　　　　W’’=F/h=0.064/0.03=2.13mm

　　为了便于加工和有利于排气，运用镶拼式的型芯结构，与整体式型芯相比，镶拼型使

加工和热处理工艺大为简化[11]。

3.2冷却系统的设计与计算

　　冷却系统设计的有关公式：

　qv=WQ1/ρc1（θ1-θ2）（3-4）

式中：

qv——冷却水的体积流量（m3/min）

　　　　　W——单位时间内注入模具中的塑料重量（kg/min）

　　　　　Q1——单位重量的塑料制品在凝固时所放出的热量（kJ/kg）

　　　　　ρ——冷却水的密度0.98×103kg/m3

　　　　　c1——冷却水的比热容4.187kJ/（kg.℃）

　　　　　θ1——冷却水的出口温度25℃

　　　　　θ2——冷却水的入口温度20℃

Q1可表示为：

Q1=[c2（θ3-θ4）+u][12]

式中：

c2——塑料的比热容1.465kJ/（kg.℃）

Q3——塑料熔体的初始温度200℃

θ4——塑料制品在推出时的温度60℃

u——结晶型塑料的熔化质量焓（kJ/kg）

Q1=[c2（θ3-θ4）+u]=1.465（200-60）=205.1kJ/kg

将以上各数代入（3-4）式得：

qv=（0.013×205.1）/[0.98×103×4.187（25-20）]m3/min

=0.13×10-3m3/min

　　上述计算的设定条件是：

模具的平均工作温度为40℃，用常温20℃的水作为模具的

冷却介质，其出口温度为25℃，产量为0.013kg/min[13]。

由体积流量查表可知所需的冷却水管的直径非常小，体积流量也很小，故可不设冷却

系统，依靠空冷的方式即可。

但为满足模具在不同温度条件下的使用，可在适当的位置布

置直径d为8mm的管道来调节温度。

第4章模具工作零件的设计与计算

4.1模具的结构

凹模的结构采用整体嵌入式，这样有利于节省贵重金属材料。

　　型芯采用镶拼式结构，有利于加工和排气。

（如下图所示）

　　　图4.1型腔图4.2型芯图4.3小型芯

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PMMA的成型收缩率为0.005，模具的制造公差取z=Δ/3。

型腔型芯工作尺寸的计算。

4.1表行腔和型芯的计算[14]

类别

塑件尺寸

计算公式

模具尺寸

型

腔

计

算

型腔板

φ35.250-1.0

Lm=（Ls+Ls.Scp%-3/4Δ）0+δz

φ34.6800.33

R7.5±0.64

R7.0600.21

19.20±0.44

Hm=（Hs+Hs.Scp%-2/3Δ）0+δz

18.7100.15

推件板

φ30.9±0.09

Lm=（Ls+Ls.Scp%-3/4Δ）0+δz

φ30.8800.06

型

芯

计

算

主型芯

φ26.2500.96

27.100-0.32

R2.25±0.24

Lm=（Ls+Ls.Sc