滑轮注塑模具的设计.docx
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滑轮注塑模具的设计
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1绪论
1.1塑料工业简介
塑料工业是当今世界上增长最快的工业门类之一。
自从聚氯乙烯塑料问世以来，随着高分子化学技术的发展以及高分子合成技术、材料改进技术的进步、愈来愈多的具有优异性能的高分子材料不断涌现，从而促进塑料工业的发展。
模具是利用其特定形状去成型具有一定形状和尺寸的制品的工艺装备或工具，它属于型腔模的范畴。
通常情况下，塑件质量的优劣及生产效率的高低，其模具的因素占80%。
然而模具的质量的好坏又直接与模具的设计与制造有很大关系。
随着国民经济领域的各个部门对塑件的品种和产量需求越来越大、产品更新换代周期越来越短、用户对塑件的质量要求也越高，因而模具制造与设计的周期和质量要求也相应提高，同时也正是这样促进了塑料模具设计于制造技术不断向前发展。
就目前的形式看，可以说，模具技术，特别是设计与制造大型、精密、长寿命的模具技术，便成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志。
按制品所采用的原料不同，成型方法不同，一般将模具分为塑料模具，金属冲压模具，金属压铸模具，橡胶模具，玻璃模具等。
因人们日常生活所用的制品和各种机械零件，在成型中多数是通过模具来制成品，就中国就有比较远大的市场，所以模具制造业已成为一个大行业。
在高分子材料加工领域中,用于塑料制品成形的模具,称为塑料成形模具,简称塑料模。
塑料模具的设计是模具制造中的关键工作。
通过合理设计制造出来的模具不仅能顺利地成型高质量的塑件，还能简化模具的加工过程和实施塑件的高效率生产，从而达到降低生产成本和提高附加价值的目的，塑料模的优化设计,是当代高分子材料加工领域中的重大课题。
塑料制品已在工业、农业、国防和日常生活等方面获得广泛应用。
为了生产这些塑料制品必须设计相应的塑料模具。
在塑料材料、制品设计及加工工艺确定以后，塑料模具设计对制品质量与产量，就决定性的影响。
首先，模腔形状、流道尺寸、表面粗糙度、分型面、进浇与排气位置选择、脱模方式以及定型方法的确定等，均对制品（或型材）尺寸精度形状精度以及塑件的物理性能、内应力大小、表观质量与内在质量等，起着十分重要的影响。
其次，在塑件加工过程中，塑料模结构的合理性，对操作的难易程度，具有重要的影响。
再次，塑料模对塑件成本也有相当大的影响，除简易模外，一般来说制模费用是十分昂贵的，大型塑料模更是如此。
现代塑料制品生产中，合理的加工工艺、高效的设备和先进的模具，被誉为塑料制品成型技术的“三大支柱”。
尤其是加工工艺要求、塑件使用要求、塑件外观要求，起着无可替代的作用。
高效全自动化设备，也只有装上能自动化生产的模具，才能发挥其应有的效能。
此外，塑件生产与更新均以模具制造和更新为前提。
塑料模是塑料制品生产的基础之深刻含意，正日益为人们理解和掌握。
当塑料制品及其成形设备被确定后，由此可知，推动模具技术的进步应是不容缓的策略。
尤其大型塑料模的设计与制造水平，常标志一个国家工业化的发展程度。
1.2我国塑料模现状
塑料模是现代塑料工业生产中的重要工艺装备，塑料模工业是国民经济的基础工业。
用塑料模生产成型零件的主要优点是制造简、材料利用率高、生产率高、产品的尺寸规格一致，特别是对大批量生产的机电产品，更能获得价廉物美的经济效果。
在模具方面，我国模具总量虽已位居世界第三，但设计制造水平总体上比德、美、日、法、意等发达国家落后许多，模具商品化和标准化程度比国际水平低许多。
在模具价格方面，我国比发达国家低许多，约为发达国家的1/3~1/5，工业发达国家将模具向我国转移的趋势进一步明朗化。
随着我国改革开放步伐的进一步加快，我国正逐步成为全球制造业的基地，特别是加入WTO后，作为制造业基础的模具行业近年来得到了迅速发展。
塑料模的设计、制造技术、CAD技术、CAPP技术，已有相当规模的确开发和应用。
在设计技术和制造技术上与发达国家和地区差距较大，在模具材料方面，专用塑料模具钢品种少、规格不全质量尚不稳定。
模具标准化程度不高，系列化]商品化尚待规模化；CAD、CAE、FlowCool软件等应用比例不高；独立的模具工厂少；专业与柔性化相结合尚无规划；企业大而全居多，多属劳动密集型企业。
因此，我国要从一个制造业大国发展成为一个制造业强国，必须要振兴和发展我国的模具工业，努力提高模具工业的整体技术水平，提高模具设计与制造水平，提高国际竞争能力。
1.3塑料模发展趋势
塑料作为现代四大工业基础材料之一，越来越广泛地在各行各业应用。
其中注塑成型在塑料的各种成型工艺中所占的比例也越来越大。
随着社会的经济技术不段向前发展，对注塑成型的制品质量和精度要求都有不同程度的提高。
塑料制品的造型和精度直接与模具设计和制造有关系，对注塑制品的要求就是对模具的要求。
由于计算技术和数控加工迅速发展，使得CAD/CAM逐渐取代了过去塑料模的设计与制造技术，使传统的设计制造方法及组织生产的模式发生了深刻变化。
塑料模CAD/CAM的发展不仅可以提高塑料模质量，减少塑料模的设计与制造工时，缩短塑料模生产周期，加快塑件生产和产品的更新换代，而且更主要的是能满足当前用户对塑料模行业提出的“质量高、交货快、价格低”的要求。
塑料模以后的发展主要有以下几方面：
1、注射模CAD实用化；
2、挤塑模CAD的开发；
3、压模CAD的开发；
4、塑料专用钢材系列化。
2制品的分析
2.1制品（滑轮）的简介
制品的分析是对所要成型的产品有个初步的了解，在接受设计任务书以后就要对塑料的品种、批量的大小、尺寸精度与技术条件，产品的功用及工作条件有个整体概念，以便在设计模具时优选各种方式来成型塑件。
2.1.1对制品的分析
1）、产品尺寸精度及其图纸尺寸的正确性；
2）、脱模斜度是否合理；
3）、塑件厚度及其均匀性；
4）、塑件种类及其收缩率；
5）、塑件表面颜色及表面质量要求。
2.1.2本设计中塑件各项要求
1）、塑料名称：
聚甲醛（POM）；
2）、色调：
白色粉末，一般不透明；
3）、生产纲领：
大批大量。
2.2制品的工艺性及结构分析
2.2.1结构分析
该制品为一滑轮,表面有一阶梯,两外圆面分别在两个型腔成型,必须保证同轴度,所以在模具设计和制造上要有精密的定位措施和良好的加工工艺，以保证传动精度。
有一个深圆形孔，也给脱模带来困难。
图2.1塑件零件图
2.2.2成型工艺分析
1、精度等级：
采用一般精度6级
2、脱模斜度：
因本设计中采用的是瓣合模，所以不需要考虑脱模斜度，也就是说脱模斜度为零度。
2.2.3材料的性能分析
聚甲醛（POM）白色粉末，一般不透明，着色性好，它的力学、机械性能与铜、锌极其相似，可以在-40℃~100℃温度范围内长期使用，它的耐磨性和自润滑性也比绝大多数工程塑料优越，又有良好的耐油、耐过氧化物性能，但是不耐酸、不耐强碱和不耐日光紫外线的辐射。
2.3注射成形过程
对POM的色泽、细度和均匀度等进行检验。
塑料在注射机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的浇注系统进入模具型腔成型，其过程可以分为充模、压实、保压、倒流和冷却五个阶段。
2.3.1POM的注射工艺参
注射机：
螺杆式
喷嘴形式：
直通式
喷嘴温度:
230~240
预热：
80～100℃
料筒温度（
）：
前段160～170
中段170～180
后段180～190
模具温度（
）：
40～120
注射压力（
）：
80～130
保压压力（
）：
80～100
注射时间（s）：
2～5
保压时间（s）：
20~90
冷却时间（s）：
20~60
成形周期（s）：
50~160
2.3.2POM成型特点
POM熔体的流变性呈非牛顿型，其熔体的粘度对温度不敏感；对注塑而言，要增加流动性能，可以从增加注塑速率减小喷嘴尺寸等方面入手。
------POM的结晶度大，熔程窄，成型收缩大（可达3.5%）。
对注塑厚制品而言，要注意保压和补料，以免造成收缩孔太大而报废。
------POM的热稳定性差，温度过高或时间过长，均会引起分解；特别是温度超过250℃，分解速度会加快，并溢出强烈刺激眼睛的甲醛气体，严重时制品会产生气泡或变色，严重者会引起爆炸。
因此，必须严格控制温度和停留时间；另外，还需加入抗氧化剂和双氰胺甲醛吸收剂。
------POM的冷凝速度快，制品易产生表面缺陷如折皱、斑纹及熔接痕等，为此应用提高注塑速度和提高模具温度等方法解决。
------POM制品易产生内应力，后收缩也较大，应进行后处理。
后处理的条件为：
厚度6mm以下，温度100℃，时间0.25~1h；厚度6mm以上，温度120~130℃，时间4~6h。
------POM的吸水率不高，但干燥处理可提高制品的表面光泽度。
干燥条件为：
温度110~120℃，时间3~5h。
2.3.3POM的主要性能指标
表2.1POM的主要性能指标
密度g/cm³
1.41
弹性模量MPa
2.5×10³
比容cm³/g
0.71
弯曲强度MPa
104
吸水率%（24h）
0.12~0.15
抗拉屈服强度MPa
69
收缩率%
1.5~3.0
熔点°C
180~200
2.3.4POM主要用途
POM强度高，质轻，常用来代替铜、锌、锡、铅等有色金属，广泛用于工业机械、汽车、电子电器、日用品、管道及配件、精密仪器和建材等部门。
3拟订模具的结构形式
模具的结构形式，是指设计过程中的注射机的确定，浇注系统的形式和浇口位置的选择，成型零件的设计，脱模推出机构的设计，侧向分型与抽芯机构的设计，合模导向机构的设计，温度调节系统的设计及各个零件的设计和装配图设计。
3.1确定型腔数量及排列方式
当塑料制件的设计已经完成，并选定所用塑料后，就需要考虑是采用单型腔模还是多型腔模。
与多型腔模相比，单型腔模具有以下优点：
1）、塑料制件的形状与尺寸精度始终一致；
2）、工艺参数易于控制；
3）、模具结构简单、紧凑，设计制造、维修大为简化。
一般来说，精度要求高的小型制品和中大型制品优先采用一模一腔的结构，但对于精度要求不高的小型制品（没有配合精度要求），形状简单，又是大批量生产时，若采用多型腔模具可提供独特的优越条件，使生产效率大为提高。
由以上分析初步定为一模两腔，如图3.1所示。
图3.1型腔分布示意图
3.2模具结构形式的确定
3.2.1多型腔单分型面模具
制品外观质量要求不高，尺寸精度要求一般的小型制品，可采用此结构。
3.2.2多型腔多分型面模具
制品外观质量要求高，尺寸精度要求一般的小型制品，可采用此结构。
该制品外观质量要求较高，分析该制品样品采用的浇口位置、分型面位置、推出机构的痕迹，可知浇口为一般侧浇口，并可初步拟定采用两型腔双分型面的模具结构形式，其中双分型面为：
水平、垂直分型面。
3.3注塑机型号的确定
注射模是安装在注射机上使用的工艺装备，因此设计注射模是应该详细了解注射机的技术规范，才能设计出符合要求的模具。
注射机规格的确定主要是根据制品的大小及型腔的数目和排列方式，在确定模具结构型式及初步估算外形尺寸的前提下，设计人员应对模具所需的注射量、锁模力、注射压力、拉杆间距、最大、最小模具厚度、推出型式、推出位置、推出行程、开模距离等进行计算。
根据这些参数选择一台和模具相匹配的注塑机，倘若用户已提供了注射机的型号和规格，设计人员必须对其进行校核，若不能满足要求，则必须自己调整或与用户取得商量调整。
3.3.1注射机的选用原则
1）、计算塑件及浇道凝料的总容量（体积或重量）应小于注射机额定容量（体积或容量）的0.8倍；
2）、模具成型时需用的注射压力应小于所选用注射机的最大注射压力；
3）、模具型腔注射时所产生的压力必须要小于注射机的锁模力；
4）、模具的闭模高度应在注射机最大，最小闭合高度之间；
5）、模具脱模取出朔件所需的距离应小于所选注射机的开模行程；
6）、模具的外形尺寸及安装尺寸必须与所选注射机模板适应，既模具最大外形尺寸安装时应不受拉杆间距的影响，模具安装用的定位环尺寸应与机床定位孔直径相配合；模具的模板各安装孔应与注射机固定模板的安装孔相对应、机床喷嘴孔径和球面半径应与模具进料孔相对应，注射机的开模行程应满足脱件条件。
3.3.2有关制品的计算
根据零件图提供的样品，便可以根据样品测绘得出制品体积，同时也可以借助计算机辅助软件（如：
Pro/E软件等）建立制品模型（对于没有提供样品的设计，也可以由所提供的制品图样建立模型），这样既便于较精确的计算制品的各个参数，又更为直观、形象。
因条件所限,本设计是由测绘所的体积：
1）制品的体积为：
V1=2.535（cm³）
质量为：
m=1.41g/cm³
2.535cm³=3.574g
2）初步估计浇注系统的体积约为塑件的0.7倍：
V2=3.574
0.7=2.5018（cm³）
本设计中取V2=2.5（cm³）
3）该模具一次注射共需塑料的体积约为：
V0=2V1+V2=7.57（cm³）
3.3.3注射机型号的确定
根据以上的计算初步选定型号为XS—Z—60的注射机。
近年来我国引进注射机的机型很多，国内注射机生产厂的新机型也日益增多。
掌握使用设备的技术参数是注射模设计和生产所必需的技术准备。
在设计模具时，最好查阅注射机生产厂家提供的“注射机使用说明书”上标明的技术参数。
根据以上的计算初步选定型号为XS—Z—60的注射机，其主要技术参数如表3.1。
表3.1XS—Z—60注射机主要技术参数
额定注射量（cm³）
60
螺杆（柱塞）直径（mm）
38
注射压力（MPa）
122
注射行程（mm）
170
注射时间（s）
2～5
锁模力（kN）
500
最大成型面积（cm²）
130
最大开合模行程（mm）
180
模具最大厚度（mm）
200
模具最小厚度（mm）
70
合模方式
液压—机械
喷嘴球头半径（mm）
SR12
顶杆中心距（mm）
中心推出
喷嘴孔径（mm）
4
3.3.4注射机及各个参数的校核
1）、注射压力的校核：
该注射机的注射压力为122MPa，由于塑件较简单，所以取P=90Mpa。
所以能够满足要求。
2）、由注射机料筒塑化速率校核型腔数量n：
上式右边=6.15
2（符和要求）
式中K——注射机最大注射量的利用系数，一般取0.8
M——注射机的额定塑化量（g/h或cm³/h）
T——成形周期
M2——浇注系统所需塑料质量和体积（g或cm³）
M1——单个制品的质量和体积（g或cm³）
3）、按注射机的最大注射量校核型腔数量n：
=15.95
15.95
2（符合要求）
式中Mn——注射机允许的最大注射量（g或cm³）
4）、按注射机的锁模（合模）力的校核：
注射模从分型胀开的力（锁模力）应小于注射机的额定锁模力，既
F
P（nA1+A2）
式子的右面为225792.8（符合要求）
式中F——注射机的额定锁模力（N）
A1——单个制品在模具分型面上的投影面积（mm²）
A2——浇注系统在模具分型面上的投影面积（mm²）
p——塑料熔体在模腔内的平均压力（MPa），通常模腔内的压力为20~40Mpa；成型一般制品为24~34Mpa；精密制品为39~44Mpa。
本设计中取模腔内的平均压力为40Mpa。
n——型腔个数
5）、开模行程的校核：
Smax
S=H1+H2+5～10
上式右边S=16+（6+46）+7=75mm
而注射机的最大开模行程是180mm，所以（符合要求）
式中Smax——注射机最大开模行程（mm）
H1——推出距离（脱模距离）（mm）
H2——包括浇注系统在内的制品高度（mm）
3.4分型面位置确定
模具上用以取出制品和（或）浇注系统凝料的，可分离的接触表面称之为分型面。
分型面的选择不紧关系到塑件的正常成型和脱模具,而且涉及模具结构与制造成本.在制品设计阶段，就应考虑成形时分型面的形状和位置，否则无法用模具成形。
在模具设计阶段，应首先确定分型面的位置，然后才选择模具的结构。
分型面设计是否合理，对制品质量、工艺操作难易程度和模具的设计制造都有很大影响。
因此，分型面的选择是注射模设计中的一个关键因素。
分型面的选择原则
1）、分型面应选择在制品的最大截面处,无论塑件以何方位布置型腔,都应将此作为首要原则；
2）、有利于保证制品的外观质量,分型面上型腔壁面稍有间隙,熔体就会在塑件上产生飞边；
3）、尽可能使制品留在动模一侧,因为在动模一侧设置和制造脱模机构简便易行；
4）、有利于保证制品的尺寸精度；
5）、尽可能满足制品的使用要求；
6）、尽量减少制品在合模方向上的投影面积,以减小所需锁模力；
7）、长型芯应置于开模方向,当塑件在相互垂直方向都需设置型心时,将较短的型心设置在4侧抽芯方向,有利于减小抽拔距离；
8）、有利于排气；
9）、有利于简化模具结构,应尽量避免侧向分型或抽芯；
10）、在选择非平面分型面时，应有利于型腔加工和制品的脱模方便。
对于该设计，在进行制品设计时已经充分考虑了上述原则，从所提供样品采用的分型面可知：
第一分型面与开模方向垂直；进行模具设计时，在充分考虑上述原则的基础上，可得出：
第二分型面与制品推出方向平行。
3.5浇注系统的设计
浇注系统是引导塑料熔体从注射机喷嘴到模具型腔为止的一种完整的进料通道，具有传质、传压和传热的功能，对制品质量影响很大。
他的作用是将塑料熔体顺利地充满到模具行腔深处,以获得外形轮廓清晰,内在质量优良的塑料制件。
它分为普通流道浇注系统和热流道浇注系统。
该模具采用普通流道浇注系统，其包括：
主流道、分流道、冷料穴、浇口。
3.5.1浇注系统设计原则
1）、浇注系统与塑件一起在分型面上,应有压降,流量和温度的分布的均衡布置；
2）、结合型腔布置考虑，尽可能采用平衡式分流道布置；
3）、尽量缩短熔体的流程，以便降低压力损失、缩短充模时间；
4）、浇口尺寸、位置和数量的选择十分关键，应有利于熔体流动、避免产生湍流、涡流、喷射和蛇形流动，有利于排气和补缩，且应设在塑件较厚的部位，以使熔料从后断面移入薄断面，以利于补料；
5）、避免高压熔体对模具型芯和嵌件产生冲击，防止变形和位移的产生；
6）、浇注系统凝料脱出应方便可靠，凝料应易于和制品分离或者易于切除和整修；
7）、熔接痕部位与浇口尺寸、数量及位置有直接关系，设计浇注系统时要预先考虑到熔接痕的部位、形态，以及对制品质量的影响；
8）、尽量减少因开设浇注系统而造成的塑料凝料用量；
9）、浇注系统的模具工作表面应达到所需的硬度、精度和表面粗糙度，其中浇口应有IT8以上的精度要求；
10）、设计浇注系统时应考虑储存冷料的措施；
11）、尽可能使主流道中心与模板中心重合，若无法重合应使两者的偏离距离尽可能小。
3.5.2主流道的设计
主流道通常位于模具中心塑料熔体的入口处，它将注射机喷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。
1、主流道尺寸
1）主流道小端直径d=注射机喷嘴直径+0.5～1
=4+0.5～1取d=4.5（mm）
这样便于喷嘴和主流道能同轴对准,也能使的主流道凝料能顺利脱出
2）主流道球面半径
主流道入口的凹坑球面半径R,应该大于注射机喷嘴球头半径的2～3mm.反之,两者不能很好的贴合,会让塑件熔体反喷,出现溢边致使脱模困难.
SR=注射机喷嘴球头半径+2～3
取SR=12+2=14（mm）
3）主流道长度L
一般按模板厚度确定，但为了减小充模时压力降和减少物料损耗，以短为好，小模具控制在50之内在出现过长流道时，可以将主流道衬套挖出深凹坑，让喷嘴伸入模具。
本设计中结合该模具的结构
取L=42（mm）
4）主流道大端直径
D=d+2Ltgα（锥角α为2°～6°，取α=4°）
≈10
取D=10（mm）
2、主流道衬套的形式及尺寸
图3.2浇口套
主流道小端入口处与注射机喷嘴反复接触，属易损件，对材料要求较严，因而模具主流道部分常设计成可拆卸更换的主流道衬套形式即浇口套，以便有效的选用优质钢材单独进行加工和热处理，常采用碳素工具钢，如T8A、T10A等，热处理硬度为50～55HRC。
由于该模具主流
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