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塑料模具设计

HousingKnobbie注塑模具设计

工程技术学院机械电子工程系李启明

学号：

2002111026

【摘要】针对某制造企业的实际塑胶产品，本文叙述了其注塑模具设计的一般流程。

主要运用了3D软件UnigraphicsNX3.0及其MoldWizard模块来完成整个设计工作，此外还利用了Pro/E软件中的PlasticAdvisor模块对塑件进行模流分析。

【关键词】注塑模具设计；UGNX3.0；塑件；CAD/CAE

DesignofInjectionMouldforHousingKnobbie

【Abstract】Thispaperdescribedthegeneraldesignprocessofinjectionmouldforanactualplasticsproductofsomemanufacturingcompany.Itmainlyused3DsoftwareUnigraphicsNX3.0andtheMoldWizardmoduleinsidetocompletethewholedesign.TheMouldPlasticAdvisormoduleofPro/Engineerwasalsousedtomakemoldflowanalysisoftheproduct.

【KeyWords】injectionmoulddesign；UGNX3.0；plasticsproduct；CAD/CAE

1.引言

MoldWizard是EDS公司提供的运行在Unigraphics软件基础上的一个智能化模具设计模块，专门用于注塑模具的设计，是一个功能强大的注塑模具软件。

注塑模具设计中的分模、添加模架、镶块、滑块、顶杆和定位环，为复杂型芯、型腔创建电火花加工的电极，创建模具中的浇注系统和冷却系统等都可以使用MoldWizard很容易地完成。

MoldWizard不但有强大的自动处理功能，而且还可以分析模具设计过程中的一些错误，引导设计者更好地完成设计任务[1]。

利用UGNX3.0及其MoldWizard模块辅助设计可以方便地对塑件完成从模型到绘制工程图样整个流程的注塑模具设计。

2.塑件分析

2.1塑件工艺分析

（1）塑件材料分析

塑件HousingKnobbie所用材料为PA66，是化学名称叫聚酰胺俗称尼龙的一个品种。

聚酰胺无毒、无味，外观为半透明或透明的乳白色或淡黄色粒料，有较好的耐气候性。

聚酰胺密度为1.03～1.04g/cm3,PA66的收缩率为1.5～2.2％[2]。

聚酰胺具有优异的力学性能，表面硬度大，耐冲击，较好的韧性和耐磨耗性能，吸湿性强，对气体的阻隔性能较好，还有较好的成型加工性，成型温度范围较宽等性质[3]。

所以，在设计上应注意模具分型面、配合面的精度要高，脱模斜度宜取大些等一些相关问题。

（2）塑件几何结构分析

如图1所示的塑件三维模型，该塑件的开模方

向为竖直向上，在此方向上设计了1°脱模斜度。

塑件大致的尺寸（长×宽×高）为111×70×68（

mm），壁厚为2.5mm。

大多数尺寸的公差为±0.1，

只有少数为+0.05和±0.2，精度比较高。

表面粗

糙度为Ra=3.15μm，表面比较粗糙，可看出对外

观要求不是太高。

塑件上的孔与槽一共有16个，

形状也比较复杂，而且这些孔都比较深.

2.2计算塑件的体积和质量

由前面塑件材料性能可知，聚酰胺密度为1.03～1.04g/cm3,PA66的收缩率为1.5～2.2％。

其平均密度为1.035g/cm3，平均收缩率为1.85％。

使用UG软件的分析测量体功能可以自动计算出塑件的体积为

，则

。

3.DFM（基于制造的设计）

DesignForManufacturing是现代大多数模具公司在对塑件进行模具设计之前的一初步构思。

其主要对象是模仁的部分如何设计才能满足塑件要求的一个方案设定。

而其内容主要是成型的浇口、分型面，侧抽芯的构思。

如图2。

图2DFM样板

（1）浇口设计：

通过Pro/E中的PlasticAdvisor对塑件进行浇口位置及其填充性能分析，可找出适合进胶的位置。

由于浇口点设置在塑件的外形表面，需要尽量减少浇注时留下的痕迹，又考虑到模具可以自行拉断流道的废料，因此采用点进胶。

如图2所示。

（2）分型面的选择：

塑件HousingKnobbie的开模方向是垂直向上，而且设置了1°的脱模斜度。

分型面应选择在塑件底面，这样有利于脱模而且不会影响塑件的外观质量，还可以利用其间隙和型芯、顶针、入子等间隙排气。

为了加工的方便，提高精度，在塑件侧面的钩槽使用入子来成型。

这样可使分型面的形状为一平面，更为方便。

如图2所示。

（3）抽芯机构设计：

仔细观察塑件的三维模型，可发现有一处槽位需要用滑块成型后才便于开模。

需采用斜导柱滑块侧向分型抽芯机构。

如图2所示。

4.模仁部分的设计

4.1分型前准备

MoldWizard设计过程的第一步就是加载产品和对设计项目初始化。

在初始化的过程中，MoldWizard将自动产生一个模具装配结构，该装配结构由构成模具所必需的标准元素组成。

把塑件加载进去，设置好工作坐标系，选择材料PA66及相应的收缩率。

4.2型腔布局

根据经验值数据确定模仁的尺寸大小（长

165mm，宽120mm，高120mm）。

从前面塑件的工

艺分析可知塑件的形状复杂，尺寸小精度高。

虽

不知产量如何，但为了提高生产效率，降低成本

而又想模具简单降低加工难度。

决定采用一模两

腔的设计。

如图3所示。

4.3补孔

分模过程就是做出一个面，然后用此面将模

仁分割为型芯和型腔两部分，但这样的面要让UG

这个软件识别出来，首先要把面上开放的孔和槽覆盖起来，那些需要覆盖的孔和槽就是需要修补的地方，因此修补零件是分模以前需要完成的工作。

修补包括实体修补和片体修补。

在实际操作中，注意总结经验，灵活地运用各种方法，才能更好地完成设计工作[1]。

塑件上一共有15个孔和槽是必须要修补的，侧面的钩槽是为了简化分型线而去修补的，不补也是可以分型的。

在不断学习软件和尝试各种修补方法的过程中，经过许多次失败和经验的累积，做出了两种可以成功分模的方案。

如图4、图5所示。

图4（方案一）图5（方案二）

4.4分型

根据前面DFM的构思，以底面为分型面创建出型芯和型腔，如图6和图7。

图6（方案一）的型芯和型腔

图7（方案二）的型芯和型腔

对比（方案一）和（方案二）所创建出来的型芯和型腔。

请注意（方案一）的型腔图上用方格框起来的地方，都是一些凸形的形体，而且其长度与截面积的比值比较大，即俗话说比较深。

这些部位给加工带来一定的难度，最重要的是在大量注塑产品时，又容易损坏，使得型芯、型腔容易报废。

为了便于更换，这些部位也应设计成入子。

所以采用（方案二）分模得出的型芯和型腔。

在此基础上将所有实体补块设计成入子或滑块，从而完成所有成型零件的设计。

如图8是型芯、型腔、入子及其装配关系的示意图。

型芯部分

型腔部分

图8型芯、型腔、入子及其装配关系

5.初选注塑机

注塑机的选择是根据塑料制品的体积或质量等参数来确定的。

因此，在选择注塑机之前

要对型腔内塑料的体积和质量进行估算。

由前面塑件分析

已知V塑=67cm3，M塑=69.345g，又因采用一模两腔的设计，

流道的形式如图9所示设计。

先假设分流道是半圆柱形，

其它流道为圆柱形来估算流道体积和质量，估算的值最好

比实际值要偏大。

各流道直径取分流道直径值，其直径可

按公式D=0.2654W1/2L1/4计算，W——塑件质量，g；L——分

流道长度，mm[4]。

则

然后查教材选定注塑机型号为：

JPH120B[1]。

注塑机参数如下：

注塑机最大注塑量：

200cm3；锁模力：

1200KN；注塑压力：

165MPa；

最小模厚：

160mm；模板行程：

540mm；注塑机定位孔直径φ=120mm；

喷嘴前端孔径：

φ=3mm；喷嘴球面半径：

SR10mm；

注塑机拉杆的间距：

410×360/mm×mm。

6.浇注系统设计

为了使塑料熔体在同一时间内进入各个型腔的深处和角落，浇注系统形式如图9，采用了平衡式布置。

（1）主流道设计：

根据注塑机参数喷嘴前端孔径φ=3mm；喷嘴球面半径SR10mm。

根据模具主流道与喷嘴R=SR+（1～2）mm及P=d+（0.5～1）mm，取主流道球面半径R=11mm,小端直径P=3.5mm，为了便于将凝料拔出，设置主流道有1°的脱模斜度。

（2）分流道设计：

主分流道的截面形状采用梯形，因为其加工较容易，且热量损失与压力损失均不大，需开设在A板顶面。

次分流道的截面形状采用圆形，因为其比表面积（流道表面积与其体积之比）最小，在温度较高的塑料熔体和温度相对较低的模具之间提供较小的接触面积，温度下降少，阻力亦小，流道的效率最高。

次分流道的起始位置与主分流道末端留有一段距离，这样可以利用主分流道末端存储冷料。

（3）浇口设计：

浇口类型采用前面DFM提到的点浇口，其直径取d=1mm，长度L=2mm。

7.抽芯机构设计

7.1确定抽芯距

将型芯从成型位置抽至不妨碍塑件脱模的位置，型芯或滑块所移动的距离称为抽芯距。

一般来说，抽芯距等于侧孔深度加2mm～3mm的安全距离。

测得侧孔深度最大为3.055mm。

可取抽芯距S抽=6.1mm。

7.2确定斜导柱倾角

倾斜角的大小关系到斜导柱所承受的弯曲力和实际达到的抽拔力，也关系到斜导柱的长度、抽芯距和开模行程。

倾角增大，开模行程及斜导柱有效工作长度均可减小，有利减小模具的尺寸，但斜导柱所受的弯曲力和开模阻力均增大，斜导柱受力情况变差。

综合考虑，一般倾角α=15°～20°，不宜超过25°。

选取α=17°。

7.3确定斜导柱直径

塑件在模具中冷却定型时，由于体积收缩，而将型芯或凸模抱紧，塑件在脱模时，必须克服这一抱紧力及抽芯机构所产生的摩擦力才能抽出活动型芯。

抽拔力F可用下式计算：

[4],式中：

斜导柱受的弯曲力为：

[4]

斜导柱直径可用材料力学推导出来的计算公式计算：

，式中：

斜导柱的有效工作长度

弯曲许用应力

对于碳钢可取140MPa。

把数据代入公式计算得：

，选取d=10mm。

8.冷却系统设计

假设模具平均工作温度为90℃，用常温20℃的水作为模具冷却介质，其出口温度为30℃，产量为（1套/min）即151g×60＝9kg/h。

塑件在硬化时每小时释放的热量Q3,查《型腔模具设计与制造》表3-24[5]得PA66的单位热流量为75×104J/kg，即Q3=9×75×104=67.5×105J/kg。

冷却水的体积流量可根据公式

[5]计算，式中：

模具每分钟所需得冷却水体积流量较大，需设置冷却水道系统。

查《型腔模具设计与制造》表3-25[5]，取冷却流道直径d=8mm。

根据一些经验原则，本套模具冷却水孔中心线与型腔壁的距离取14mm，为了使得塑件冷却的效果达到较佳，尽量使水孔离塑件都保持为20mm左右，塑件高度大概62mm，所以采用三条冷却水道成环形包围塑件，具体结构如图10所示。

图10冷却水道图

9.模具结构与总装设计

图11为模具的总装结构示意图。

（1）顶出方式采用顶针顶出。

顶针是最简单，最变通的顶出装置。

其针和孔都易于加工，因此已被作为标准件广泛使用。

顶针的布置尽量均衡，在骨位和槽位附近设置多一点顶针，使用φ3和φ6两种型号的顶针。

（2）顶针顶出塑件后，必须回到顶出前的初始位置，才能进行下一循环的工作。

本套模具采用弹簧回程。

弹簧套在回程杆上，直径需大于模架的回程杆的直径。

弹簧设计长一点嵌入垫板底面有15mm左右，确保弹簧的稳定和定位。

（3）本套模具的开模过程设计成能将浇注系统凝料自动脱开。

模具开模后有三个分型面，动模板、定模板之间打开脱出塑件，定模座板、剥料板和定模板之间的两个分型面开启脱出浇注系统凝料。

使用限位钉、尼龙扣实现开模的顺序。

开模时，先从定模板与剥料板之间分开，通过在定模板上的限位钉12、拉料杆拉住剥料板和浇注系统凝料，定模板通过尼龙扣的作用与动模一起运动，则拉料杆会拉断点浇口，当浇注系统凝料离开定模板有足够的空间时，通过限位钉26的作用同时拉动剥料板和定模板，使得主流道凝料脱离唧嘴，达到一定距离时，限位钉12、26都固定后，定模板继续打开脱离尼龙扣直至定模板、动模板之间有足够距离顶出塑件。

图11模具总装结构图

1－顶针固定板；2－顶针；3－垫板；4－动模板；5－滑块耐磨板；6－滑块；7－斜导柱；

8－锁紧块；9－斜导柱固定板；10－定模板；11－剥料板；12－限位钉；13－定位环；

14－浇口套；15－拉料杆；16－定模座板；17－凹模；18－凸模；19－回程杆；20－弹簧；

23－推板；24－动模座板；25－尼龙扣；26－限位钉；29－定位销；30－支架；33－入子

21，28，32－导套；22，27，31－导柱

10.注塑机参数校核

10.1最大注塑量校核

注塑机的最大注塑量应大于制品的质量或体积（包括流道及浇口凝料和飞边），，通常注塑机的实际注塑量最好在注塑机的最大注塑量的80％。

所以，选用的注塑机最大注塑量应

[4]，式中：

所以该注塑机注塑量满足要求。

10.2锁模力校核

[4]，式中：

所以该注塑机锁模力满足要求。

10.3模具与注塑机安装部分相关尺寸校核

（1）模具闭合高度长宽尺寸与注塑机模板尺寸和拉杆间距相适合：

模具长×宽＜拉杆面积[4]；

模具的长×宽为400×300（mm×mm）＜注塑机拉杆的间距410×360（mm×mm）；故满足要求。

（2）模具闭合高度校核：

模具实际厚度H模=490mm；

注塑机最小闭合厚度H最小=160mm；

即H模≥H最小,故满足要求。

10.4开模行程校核

此处所选用的注塑机的最大行程与模具厚度有关，故注塑机的开模行程应满足下式[4]：

式中：

故该注塑机满足要求。

11.结束语

随着CAD/CAE/CAM技术在塑料模设计制造中全面推广，UGNX软件作为其中的代表者，以其强大和不断完善的功能帮助设计者快速、准确地完成塑料模具设计工作。

大大缩短了注塑模设计的周期，提高注塑模设计制造的质量，降低成品及灵活适应市场要求的目的。

如何更好的结合计算机辅助技术是今后发掌的方向。

【参考文献】

[1]康鹏工作室.UGNX2模具设计[Z].北京：

机械工业出版社，2005.2.

[2]史铁梁.模具设计指导[Z].北京：

机械工业出版社，2003.8.

[3]何华妹,杜智敏,吴柳机.UGNX3注塑模具设计实例精解[Z].北京：

清华大学出版社，2005.9.

[4]朱光力,万金保等.塑料模具设计[Z].北京：

清华大学出版社，2002.

[5]章飞,陈国平.型腔模具设计与制造[Z].北京：

化学工业出版社，2003.7.