汽车活塞托架注塑模设计.docx
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汽车活塞托架注塑模设计
密级：
学号：
本科生毕业设计（论文）
汽车活塞托架注塑模设计
学院：
机械工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
学生姓名：
指导老师：
完成日期：
2016年4月20日
摘要
注塑模作为在当今的社会上发展最快的塑料工业门类，研究注塑模具对提高产品的质量和了解塑料产品的生产过程固然也就非常重要了。
本设计着重介绍了汽车活塞托架的注塑模设计中的设计原则、模具的工作原理、模具结构、模具浇注系统，分型面选择、温度调节系统以及推出机构等的设计过程及方法，并对零部件基本尺寸做出详细的计算。
最后用UG软件画出产品的三维图。
通过这次的论文设计，对注塑模具有了一个初步的了解与认识，也观察到了其中的很多细节性的问题，了解模具的基本结构及原理。
关键词：
注塑模；汽车活塞托架；UG
Abstract
Caststhemoldisdevelopmentquicktypeofplasticindustry,therefore,it’simportanttounderstandtheplasticproducttheproductionprocessandquality.Thisdesignintroducedtheprofiletoinjectthestructureandtheprincipleofwork,tocasttheproducttoproposethebasicprinciple;Introducedindetailthecoldflowchannelinjectionevilspiritmoldpoursthesystem,thetemperaturecontrolsystemandgoesagainstthesystemandsoonthedesignprocess,andtocalculateofthebasicdimensions.Throughthisdesign,maytothemoldtohaveapreliminaryunderstanding,notesinthedesigncertaindetailquestion,andunderstandsthemoldtheprincipleofwork.
Keyword:
Caststhemold;automobilepistonbracket；UG.
第1章绪论
1.1塑料行业的发展趋势
塑料行业目前是国民经济中的一个重要行业，塑料行业增长速度与国民经济的增长速度有着高度的相关。
改革开放以来，我国的塑料行业快速发展，甚至比GDP平均增速还要高出3-5个百分点。
我国已然成为世界塑料大国，塑料制品的年产量居世界第二位，从塑料制品的人均消费量的角度，我国人均消费量在达12公斤左右，而发达国家的人均消费将近30－100公斤，在世界平均人均消费量达18公斤，因此，我国塑料行业的发展仍有一定的发展前景的。
1.2模具行业发展趋势
以控制或者限制（液、固态）材料的流动而形成所需要的形体的工艺是为模具工艺。
模具是制造业的一种基本的工艺装备，被广泛应用于制造业中，而一般用模具来制造零件，效率高，成本低，质量好，而且材料消耗低。
模具的主要类型有冲模、压模、塑料模，锻摸，玻璃模，以及粉末冶金模，陶瓷模、橡胶模等等。
模具工业是一种国际上公认的关键工业，是国民经济的基础工业。
模具工业已经成为高新技术产业中的一个重要组成部分，同时，也是高新技术产业化中最重要的领域。
模具制造重要性往往体现在它的市场的需求上，汽车，摩托车行业或者电子及通讯，家电，建筑等等其他行业都需要非常大的模具市场。
简单的举个例子，例如汽车，摩托车行业，工业发达的国家，几乎汽车与摩托车行业就占了整个模具市场的一半。
2005年汽车基本的车型达170多种，计算一下，汽车的一种车型就需要几千副模具，总价值就达上亿元。
目前的市场需求越来越发展，汽车的换型也不断更新，而汽车换型基本80%的模具都需要更换。
此外，中国摩托车产量在世界上排名是第一位，据统计，中国摩托车的型号就有一千多种，每一辆摩托车的零件约有两千多种，一半以上的零件需要模具生产，摩托车的一种型号需要的模具就要一千多幅，总价值将近1000多万。
1.3UG在注塑模设计中的应用
UG是通用机械CAD/CAM/CAE一体化软件,起源于美国MD公司，UG是集CAD、CAE和CAM于一体的机械工程辅助系统，它广泛应用于航空航天器、汽车、通用机械以及模具等的设计、分析及制造工程。
UG是世界上最先进的CAD/CAE/CAM集成技术的大型软件，功能十分强大，利用UG软件进行设计，能直观、准确地反映出零部件的形状与装配关系，可以实现产品开发的设计、工艺、制造无纸化生产，还可以使产品设计、工装设计、工装制造等工作并行开展，这将大大缩短了生产周期，非常有利于多品种产品的设计、开发、制造。
近年来，UG三维技术在机械工程领域的应用越来越广泛。
UG软件基于特征化的、全参数化，实现了CAD/CAE/CAM中的各种功能，并且它涵盖在了机械设计中的各个领域，UG三维技术在机械产品的设计制造及改进过程中起着非常重要性的作用。
1.4设计思路
模具是各类产品的母体。
模具是注塑、冲压、锻造、挤压等各种工艺的最重要的成型部件。
目前，各类采用模具制造的工业产品已经广泛应用于机械、医疗、电子、汽车、船舶、航天等相关产业。
所以，如何快速并有效的设计模具，如何对模具的成型工艺进行预判已经成为模具设计中最重要的工作。
本文是以汽车活塞托架作为研究对象的，本文中利用UG对其设计过程及充型过程进行了详细的分析。
该模具的三维图如图1-1所示：
图1-1汽车活塞托架三维图
本次设计的基本设计思路是：
搜集查阅相关资料，通过二维图对零件的结构及工艺性和工艺特点进行全面分析，大致确定模具设计的基本方案。
最后利用UG导出零件的二维工程图，并对模具结构进行虚拟装配。
第2章分型面及浇注系统的设计
2.1分型面的选择
分型面是在动模与定模的接触处，它的作用是为了取出塑件和浇注系统的凝料。
分型面的形式有平面、斜面、阶梯面以及曲面。
分型面会受到多种因素的影响,例如模具中塑件的成型位置及镶嵌位置，塑件的结构工艺性及精度，塑件形状及推出方式，浇注系统设计及模具制造等。
分型面的选择原则是：
（1）分型面必须要取在塑件截面的最大处；
（2）必须要有利于塑件脱模；（3）要满足塑件的一切精度要求，例如平行度，同心度，同轴度等；（4）要求满足塑件的外观要求；（5）应尽量减少塑件在分型面上面的投影面积；（6）必须有利于模具的排气。
如图2-1所示，活塞托架的水平面积最大的地方设计为本模具的分型面。
图2-1模具分型面的设计
2.2浇注系统的设计
浇注系统由主流道（连接喷嘴与型腔或者分流道的进料通道）、分流道（介于主流道与浇口之间的通道，单腔注塑模可以没有分流道）、浇口（分流道与型腔之间的最狭窄的那一部分，目的是使熔体流速产生加速度，防止倒流等优点）、冷料穴（储存前锋冷料）四部分组成。
浇注系统设计原则：
（1）要了解塑料的成型性能；
（2）要尽量避免产生熔接痕；（3）要使得型腔中的气体很好的排出；（4）要能够防止型芯的变形以及嵌入体的位移；（5）要尽量采用比较短的流程来充满型腔，并准确无误的校核流动比。
2.2.1主流道及分流道的设计
浇注系统的设计是模具设计中最重要的一个环节，如图2-2所示：
在塑件动模上设计了四个较简单的推杆作为其脱模机构。
为保证塑件的表面质量，模具设计为单分型面注射模。
浇注系统的设计是否合理，不仅与塑件的成型生产效率，塑件利用率息息相关，对塑件的结构，尺寸，性能，质量等也有很大的影响。
图2-2脱模机构
方案：
它的最大面积3.14×62×62=12070.16㎜²
主流道是模具中连接注射机喷嘴至分流道的一段通道，是一段从热的塑料熔体到相对较冷的模具的流动长度的过渡。
主流道的形状，尺寸等会直接影响塑料熔体的充满型腔的流动速度与充型的时间，必须保证其把熔体能送到最远的距离并且使熔体在型腔的压力和温度都降到最低。
主流道的顶部呈凹形是为了便于与喷嘴衔接。
另外主流道的进口直径应略大于喷嘴的直径（0.8mm）以用来避免溢料，并且防止了两者因衔接不准而发生的各种堵截。
主流道的进口直径应根据制品大小来定的，一般为4-8mm。
主流道的直径应向内扩大呈3度~5度的角度，为防止流道赘物阻碍脱模。
对于一般的零件，是根据质量来计算浇口和流道的面积：
浇口面积a=0.18M,主流道面积A=3a。
如图2-3为主流道的设计草图。
图2-3主流道的设计草图
L——主流道长度
D——主流道大端直径
d——主流道小端直径
SR——主流道球面半径
因为这里采用的是一腔一模的注射模具，没有分流道。
2.2.2浇口的设计
浇口即进料口，是连接流道与型腔的通道，浇口的作用是防止熔体的过度倒流，提高塑料的流动速度，以便充型，以及使塑件成形后便于与浇注系统分离。
在注塑模设计中，常用的浇口形式有11种，其中点浇口尤其适用于圆桶形，壳形及盒形塑料制品。
而且点浇口位置限制相对小，浇口痕迹相对较小，有利于自动化操作，开模时浇口可自动拉断，所以此处选择点浇口的形式，如图2-4所示为点浇口的设计草图：
图2-4点浇口的设计草图
2.2.3冷料穴和拉料杆的设计
冷料穴一般设在是分流道末端,主流道的对面或者是在熔接痕外侧的一个空穴里，用途是用以捕集喷射嘴端部两次注射之间所产生出来的冷料，从而达到防止分流道或浇口的堵塞的目的。
若冷料一旦混入到型腔里面，所制的制品中就很容易有内应力的产生。
因为这里采用的是一腔一模的注射模具，没有分流道，交口也是采用的点浇口形式，相对阻力较小，速度快，流程短。
塑件是一个简单的对称零件，不会产生熔接痕。
塑件材料的流动性好，不会产生温度较低的冷料进入型腔，所以此处不需要冷料穴。
2.2.4排溢系统的设计
排气不良会阻碍塑料熔体正常快速冲模；气体压缩所产生的热量也很有可能会将塑料烧焦；另外，在充模速度大、温度很高、塑料过厚、注射压力大以及物料粘度低的情况下，气体会趁机浸入塑件内部，造成气孔和组织等的疏松等众多缺陷。
模内的气体主要来源于型腔和浇注系统中存在的空气；塑料分解时产生的空气；塑料原料中含有水分，在注射温度下蒸发而成的水蒸气；以及塑料中某些化学反应或者某种添加剂发挥所产生的气体。
排气的方式主要有用分型面排气和用型芯与模板配合间隙排气。
这里，由于塑件是小型件，模具中顶杆数量较多，因此模具中的气体可以通过分型面与推杆之外的间隙直接排出，所以无需再添加排气装置。
2.2.5浇注系统的参数
查《塑料模设计手册》得：
注射机喷嘴直径=12mm；喷嘴球面半径=4mm；球面配合高度h=3~5mm；
主流道小端直径d=25mm；主流道锥角=2~6；主流道大端直径D=d+2tga/2；
主流道尺寸=15.8mm。
浇口尺寸的确定：
d=0.8~2.0mm最大不超过2mm
a=60~90mm
a1=12~30
L=0.8~1.2mm
L1=0.5~1.5mm
L0=1.0~2.5mm
制品采用PA1010塑料，该材料耐磨性好、耐酸耐碱、耐压、耐水、自润滑性好。
符合要求。
该塑件壁厚2mm
查表d取1.5mmL取1.5mm
第3章模具设计方案论证
3.1型腔的布局与型腔数
型腔的布局应使每个型腔从浇注系统总压力中得到的压力均匀平等，以此使型腔内的质量达到均一稳定，并保证了塑件熔体同时并均匀的充满各个型腔。
由于对塑件表面的要求相对较高，因此会影响其表面质量，其侧抽心的行程相对较小，容易达到侧抽心的效果，因此前面提到型腔的分型面是在活塞托架水平面积最大的地方即工件的对称中心处。
因为本设计中塑件体积质量较小，生产批量少，塑件形状相对复杂，故而可以选择单型腔，采用一模一腔注射模具。
3.2成型零部件的结构设计
成型零件包括凹模、凸模镶块、成型杆等，是模具中决定了塑件几何形状和尺寸的零件，成型零件的设计应根据塑件的结特性等要求，选择分型面的位置和浇口位置，还有确定型腔结构、脱模方式等等。
根据成型零件的装配和加工以及热处理要求来进行成型零部件的结构设计，还有计算、校核成型零件的工作尺寸及刚度、强度。
成型零部件的结构设计有整体式和组合式两种成型方式，其中整体式的结构是由整块钢材直接加工而成，结构简单，对零件的数量要求少，容易组装，模具刚性好而且很坚固，制品表面无零件镶嵌痕迹，可缩小模具整体尺寸，易于选材等优势，所以此处对型腔和型芯都采用整体式的结构。
如图3-1和图3-2分别为该模具的型腔和型芯的设计草图：
图3-1型腔的设计草图
图3-2型芯的设计草图
加工出来的模型即型件如图3-3所示：
图3-3型件
因其与塑料直接接触，因此承受了塑料熔体高压、料流冲刷，脱模时与塑件间有摩擦。
所以，对成型零部件要求有正确的几何形状、高尺寸精度、低表面粗糙度。
还要求结构合理，强度、刚度高以及耐磨性能要好。
3.3推出机构的设计
塑件从成型零件上脱出的机构称为推出机构。
推出机构主要由推出部（推杆、拉料杆、复位杆、推出固定板、推杆垫板，限位钉），推出导向部件（推杆导柱、推杆导套）和复位部件（复位杆）组成。
注射机推出机构有手动、机动和液压（气动）推出三种。
其中等模具开模后，再由人工操纵机构推出塑件的为手动推出，一般情况塑件留在定模的一侧是用这种方式推出；机动推出利用了注射机开模的推迟机构来实现塑件的自动脱模；而液压（气压）推出主要依靠了折射机上的专用液压（气动）装置把塑件从模具中吹出来。
下面总结出了推出机构的一些基本设计原则：
（1）推出机构的动作是注射机顶杆来驱动的，所以推出机构要求设在动模的一侧。
也是因为这样，在分型面设计的时候，塑件应该尽量留在动模的一侧。
（2）在推出机构的设计过程中，应该仔细分析塑件对模具产生的包紧力和粘附力的大小，从而选择合适的推出方式及推出位置，保证塑聚不因推出而发生变形损坏。
（3）此推出机构较简单、动作可靠、机构本具备有足够的强度、硬度及刚度来承受推出过程中所有各种力的作用，这样确保了塑件能够顺利的脱模成功。
（4）要求有良好的塑件外观。
对于推出塑件位置的要求应尽量设在塑件的内部，这样以免推出的痕迹严重影响塑件的整体外观及质量。
（5）合模的时候要能够正确复位，而且保证不会与其他的模具零件互相干涉。
从效率的角度出发，该注塑模具应该选用推杆推出机构，如图3-4所示：
图3-4推出机构设计草图
推杆推出的特点：
该机构具有结构简单，制造很方便，对提高精度有很大益处；位置的选择比较灵活等特点；此外它的特点还有损坏后能够及时更换；推杆的推出力作用面积非常小，易发生局部应力而让推杆顶穿塑件或者可以让塑件发生了严重性的变形。
推杆材料：
T8或T10
推杆热处理：
50~54HRC65Mn；46~50HRC
推杆的基本设计要点有以下几点：
（1）推杆的位置应该设在推出阻力最大的地方，推杆不能和型芯离的太近，否则会影响凹、凸模的强度；
（2）在塑件推出阻力在每个位置都相同时，推杆应该均匀分布；（3）塑件有局部的凸台时，推杆设在凸台底；（4）推杆位置不宜设置在塑件薄壁处，特殊情况可适当增大推杆的面积来达到改善塑件受力情况的目的；（5）对塑件表面有无痕迹要求时时，可以用推出耳形式。
3.4温度调节系统设计
3.4.1模具加热与冷却的目的
热固性塑料的交联反应需要较高的模温来促使，而个别热塑性塑料需80º以上模温，大型模具需预热。
模塑的周期主要取决于其定型时间（约占80%），而提高生产效率主要是通过降低模温来缩短冷却时间的。
3.4.2模温对塑件的影响：
模具中模温过低的话容易造成塑件轮廓模糊，塑料流动性差，表面光泽性不高；热固性塑料容易造成固化不足和性能下降等等。
模具中模温过高的话容易造成塑件脱模困难、溢料粘模，变形大；模温不均的话会造成型芯和型腔的温差太大，会使塑件收缩不均，塑件变形，内应力增大，尺寸不稳定。
3.4.3模具加热与冷却装置的设计：
塑料模具加热的方法主要有气体加热，工频感应加热和电阻加热三种，其中电阻加热是最常用的。
模具冷却的方式主要依靠冷却介质，例如水，压缩空气，冷冻水，油等。
对于要求较低的塑料，仅需要设置冷却系统，通过调节通入水量来调节模温。
此次设计中，模具的冷却主要依靠循环水的作用。
考虑到由于产品的形成会受温度的不同而产生塑性变形，因此为了设计出高质量的产品，对于该系统的设计有以下几个注意事项：
（1）对于简单的模具，可以先设定冷却水的温度，再进行计算冷却水的质量以及冷却管道的直径。
（2）浇注系统需要加强冷却，可以通入温度较低的冷却水；冷却系统的设计要先与推出系统。
（3）要优先考虑的是冷却管位置，再考虑零件布置、镶块结构。
（4）要保证实现冷却管道中冷却水有足够的水压、以及冷却水的湍流状态流速和流量。
出水温度与进水温度的温差不能太大，一般在5度左右。
（5）冷却管道选在距离型腔12至15毫米处，距离过大会导致冷却不均匀，距离过小则会使得孔壁承受过大的高压，这样的话会因为剪切应力、变应力及综合变形等的各种作用，会在孔中央出现型腔壁压塌现象。
（6）冷却管道的直径取8~25mm之间。
管道需要定期清理或者用软水对孔壁做磷化处理，因为管道中残留的水垢和铁屑会使冷却效率变低，所以管道直径过小即管道过细会使加工和清理变得困难。
（7）要注意凹模和型芯的热平衡。
本文对模具冷却系统的设计，主要以型腔部分进行设计，在型腔周围距离内壁5mm处的地方设置冷却水道，其成型效果如图3-5所示：
图3-5型腔部分冷却水道三维图
3.5合模导向机构的设计
合模导向机构的作用主要是定位和导向零件，并承受一定的侧压力它的形式主要有导柱（导套）导向和锥面定位两种，导柱导向是最常用的合模导向机构，但当侧压力很大时宜采用锥面定向机构。
这里注塑件形状简单，侧压力小，故采用导柱导向机构。
3.5.1导柱
导柱的导滑部分需要加工出油槽，以便于集尘和润滑，并提到导向机构的使用寿命。
下面列出导柱的一些设计参数：
（1）导柱长度：
为避免导柱末导的正方向比型芯最先进入型腔，导柱的导向部分长度要比型芯的断面的高度高出约8~12mm。
（2）导柱直径：
为保证同轴度，导柱固定端直径与导套固定端直径相等，并且，导柱应避开型腔板应力最大处。
（3）导柱的形状：
为了便于导柱导向，导柱的先导部分应做成球状或锥状。
（4）导柱材料：
导向零件应具有足够的耐磨性，因此要求导向材料具有外硬内韧的性质，故导向材料应选择（导柱：
20渗碳淬火或T8AHRC56~60：
导套：
20渗碳淬火或T8AHRC50~55），导柱的固定地方的表面粗糙度一般为0.8um，而导柱的导向部分表面粗糙度为0.8~0.4um。
（5）导柱的配合精度：
一般情况下导柱固定端与模板间的配合为H7/k6或者H7/m6的过度配合，而一般情况下导向部分的为H8/f7或者H7/f7的间隙配合。
（6）导柱的大小数量及布置：
一幅塑料模导柱数量一般为2~4个。
这里，导柱的位置应均匀合理的分布在分型面的四周，为了保证模具的强度，导柱的中心距离导柱边缘必须要求要保持一定的距离，而且，通常状况下，导柱中心距离模具边缘的距离应为导向机构中导柱直径的1~1.5倍。
导柱的布置可以采用等直径不对称的布置或对称不等直径的布置，以保证模具合模时模具只能按一个方向进行合模，如图3-6所示：
图3-6合模导向机构设计
3.5.2导套
（1）导套的形状：
合模时为了使导柱能够顺利并且快速准确无误的进入导套，我们可以在导套的前端应倒圆角，而且为了便于排出腔内空气及残渣废料，导柱的导柱孔最好设计成圆形的；如果是模板比较厚的话，导柱孔要求盲孔，此时可在盲孔侧面打一个排气孔。
（2）导套的固定形式及配合精度：
I型导套采用H7/r6配合锲入模板，II型导套采用H7/m6或者H7/k6锲入模板。
（3）导套材料：
前面导柱材料中已经提过，导套的材料为20渗碳淬火或T8AHRC50~55，
采用的材料和导柱材料相同，或者也可以用铜合金等耐磨性材料制造，为了防止导柱、导套拉毛，一般要求导套材料的硬度要比导柱的硬度低。
而且一般情况下导套的固定部分的表弥漫粗糙度和导滑部分的表面粗糙度为Ra=0.8um。
第4章主要零部件的设计计算
4.1成型零部件工作尺寸计算
4.1.1成型零部件参数设计
模具材料的热处理和选择：
确定注射模具的结构比较复杂,一套模具的零件也是各种各样的，而其中各个零件在模具中的作用、位置、以及对材料性能的要求都是不相同的。
所以选择一种合理的材料是为了保证模具质量的最基本因素。
对模具材料的要求主要有一下几个特点：
（1）良好的加工性能；
（2）足够的韧性和强度；（3）足够的耐磨性和表面硬度（4）抛光行良好；（5）热处理性好；（6）表面加工性和耐腐蚀型好等特点。
在这里取普通的45钢使用淬火、低温回火，≧55HRC。
4.1.2成型零部件工作尺寸的计算
规定：
对塑件的尺寸和成型零件的尺寸偏差统一按“入体”原则标注，即：
包容面的尺寸（即型腔和塑件内表面尺寸）采用单向正偏差标注；
被包容面的尺寸（即型芯和塑件外表面尺寸）采用单向负偏差标注；
中心距的尺寸采用双向对称偏差标注。
平均值法：
是当成型零件的制造公差、磨损量、塑料收缩率均为平均值时，计算出成型零部件的平均尺寸。
按平均值法计算，塑料PA1010的平均收缩率2.25%，塑件公差按5级精度公差值选取。
型腔径向尺寸
设：
模具最大磨损量为
；模具的制造公差为
；取x=0.5，塑件外形基本尺寸（即模具型腔的最大尺寸）为Ls；型腔基本尺寸（即模具型腔的最小尺寸）为
；S为塑料的平均收缩率；Δ为塑件的制造公差。
则有塑件平均尺寸为
，型腔平均尺寸为
，型腔磨损为最大值的一半
。
则：
Δ=0.76S=2.25%Ls=124
=Ls（1+s）—xΔ
得：
=126.72
计算出型腔径向尺寸为126.72+0.25=126.97
型腔深度尺寸
设：
模具最大磨损量为
；模具的制造公差为
；取x=0.5，型腔深度最小尺寸为
，塑件高度的最大极限尺寸为
，Δ为塑件的制造公差。
则有：
得：
=31.775
计算出型腔深度尺寸为：
31.775+0.147=31.922
型芯径向尺寸
设：
模具最大磨损量为
；模具的制造公差为
；取x=0.5，模具型芯的最大尺寸为Ls，塑料的平均收缩率为S，塑件的制造公差为Δ。
则有：
Ls=120Δ=0.64S=2.25%
=Ls（1+S）Ls+xΔ
得：
=123.32
计算得型芯径向尺寸为：
123.32-0.21=123.11
型芯高度尺寸
设：
模具最大磨损量为
；模具的制造公差为
；取x=0.5，型腔深度最小尺寸为
，塑料平均收缩率为S，塑料深度最小尺寸为
，Δ为塑件的制造公差。
则有：
得：
计算得型芯高度尺寸为：
20.7-0.13=20.57
4.2锁模力的确定
注射机在合模时，机构施加给模具的最大的夹紧力为模具的锁模力。
型腔内塑料熔体压力：
P=K×P0
K为压力损失系数，取K=0.2~0.4
P0=75~117Mpa
故：
P=
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