滚轮注射模具设计设计.docx
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滚轮注射模具设计设计
滚轮注射模具设计
摘要
本设计是关于塑料制件的模具设计。
综合材料成型的各种工艺方式，本课题设置为注射模具设计。
其中包括注射模的成形零件、工作零件、各种定位机构及导向结构的设计等。
随着塑料的应用领域扩大化，塑料零件的注射模具已成为工厂推崇的产品之一。
产品的寿命及性能也是厂商的重要考虑因素。
模具零件的标准化使用频率越来越高，及标准模具的选用越来越多。
模具标准化程度在一方面体现了社会商品的交换程度。
这也是本次设计重点考察因素之一。
塑料的性能，如此处ABS的应用，在一定程度上反应塑料的适用范围。
本设计的制品是滚轮。
对滚轮结构的合理分析是设计模具的基础。
科学合理的选择有利的分型面及成型方案是本设计应该纳入的核心问题。
此外，设计者的独特设计风格为以后设计提供参考。
设计参考一些前辈们的设计理念以及相关资料的数据。
互联网及书本是本设计重要的参考资料。
老师的指正及学生们的讨论让设计渐渐完善。
模具设计的技术交流是模具设计空间提升的重要方式。
经济全球化离不开技术交流。
关键词：
模具，塑料，滚轮，标准化，技术交流
TrolleyWheelPlasticMoldDesign
ABSTRACT
Thissubjectismainlyaboutmolddesign,whichisusedtoproduceproductsmadeinplastic.Comparedwithmanykindsofformingtechnology,thissubjectisaimedatinjectionmolddesign.Thisdesignincludesthesetopics,likeformingparts,workingparts,allkindsofdetentmechanismandpositioningstructuredesign,andsoon.
Withtheexpansionofapplicationdomain,injectionmoldtoproduceplasticgoodshasbecomeoneofmoreandmorepopularproductsinfactories.Theageandfunctionofmoldissomeofimportantfactors.Theapplicationofmoldstandardizationappearsinfactoriesfrequently,andtheselectionofstandardmoldismoreandmoreconsidered.Thelevelofmoldstandardizationimpliesthefrequencyabouttheexchangeofsocialcommodities.Thistopicisalsooneofsignificantconsiderations.
Theapplicationdomainofplastic,liketheapplicationofABSinthissubject,respondstothefunctionofplasticinsomeareas.Thegoodsinthissubjectaretrolleywheel.Thereasonableanalysisisthebaseofthemolddesign.Howtoselectreasonablejointfaceandformingtechnologyshouldtakeintoaccountinthekeytopicofthedesign.Besides,thespecialstyleofdesignercanoffersomereferenceinthelaterdesign.
Thisdesignconsultsmanydesignideasofpredecessorsandsomedataaboutthesubject.Internetandbooksareimportantreferencematerial.Thedesignisbecomingmoreperfectunderthehelpofteachersandthediscussionbetweenstudents.Theexchangeoftechnologyexperienceisanimportantwaytoimprovethemolddesignlevel.Economicglobalismcanneverrealizewithouttheexchangeoftechnology.
KEYWORDS:
mold，plastic，trolleywheel，standardization，exchangeoftechnology
目 录
前 言
随着塑料的应用广泛，新材料的不断涌现，掌握一种材料的成型方式是本专业学习者应有的能力。
本课题通过一定的生产实际任务的设定，逐步培养设计者的解决问题的能力。
除了具备基础的模具设计知识外，设计者仍要具备相关的制图、零件加工及市场调研分析等知识。
通过此次课题的选择，设计者初步形成自己的设计风格，并为以后的相关设计打下基础。
本课题以塑料中的ABS为材料成型应用面比较广的滚轮为研究任务，培养设计者以小见大的思维模式，在借鉴传统的同时，又要求设计者有一定的自主创新能力。
本课题为设计者进一步发展自我提供了锻炼能力的平台。
认真完成本课题是设计者达到一定设计高度的基础。
模具标准化已覆盖全球，模具设计成本的降低已是模具设计的重要内容。
在生产率极高的现代，时间已贵如黄金。
随着劳务（特别是工程师的）成本提高，减少设计时间已成为研究降低成本主要方向。
相关软件的开发和利用，不仅节省物质成本，而且缩短了设计者的设计周期，如注射模CAD/CAM系统的应用、HSCAD3.0软件的开发、Origin及Ansys软件分析、外文参考资料提到的CQSIM模型等。
它们都在一定功能上节约了设计成本。
随着产品的更新速度加快以及技术的换代周期缩短，未来不再单纯地靠材料降低成本，而是结合市场需求尽可能在设计周期上降低成本。
此外，模具的标准化将在全球普及，便于提高材料的利用率，即可对一些结构进行更换，同时通过经济效益性采购加快经济合作。
本课题主要借鉴前辈的设计方案和一些相关资料，需要在老师及经验人的有效指导下完成相关任务。
课题根据设计者的思维习惯进行设计，如根据制件先考虑分型面及型腔等核心问题、再通过模具总体结构分析定模具设计方向、然后深入到注射机的选择及结构的设计计算等、最后校核并完善模具图纸、完成模具估价及使用等相关内容的任务。
最主要的问题是设计者的能力提升及设计结构的有效判断。
这需要经验及严谨的设计理念。
从实际出发，生产与市场相结合是提升设计者设计能力有效办法。
由于设计者经验有限，内容仅作为一个阶段的参考，大家一起进步。
第1章前期准备
1.1了解设计任务书
1.1.1接受任务书
根据学校的培养计划，每个课题在本科毕业前下发到相关专业学习者手上。
课题的选择与任务书的制定都是培养者及指导老师协商而来。
相关专业的学习者就是本课题所谈到的设计者，也就是我。
设计者在2012学年末向指导老师寻求任务书。
任务书的内容如下：
（1）主要研究目标（或研究内容）：
设计滚轮塑料零件注塑模具。
（2）课题要求、主要任务及数量（指图纸规格、张数，说明书页数、论文字数等）：
学生在老师的指导下，独立完成一套中等复杂程度的塑料模具设计，完成总装图、主要零件的零件图设计，合计总图纸量不少于3张0号图，其中一张手工画成。
完成设计说明书一份，字数不少于8000字。
（3）进度计划：
第5周，毕业设计实习；第6、7周，零件的工艺性分析、绘制模具总装图草图；第8、9、10、11周，绘制塑料零件图，进行必要的设计计算；第12、13、14周，绘制模具总装图、模具零件图；第15、16周，编写设计说明书。
（4）主要参考文献。
1.1.2任务书分析
结合任务书，设计者可知本课题的任务量以及设计期限。
设计课题及相关内容在计划的任务中。
设计者需要发挥主观能动性，根据老师的指点查询相关内容，如参考资料及相关的外文文献等。
同时，设计者针对本课题的相关任务提出自己的疑问，及时与老师沟通解决。
1.1.3资料准备及时间安排
1.资料准备
根据老师提供的材料，设计者及同组设计者向学校的工具书库借阅有关资料，主要方面有模具的材料、模具设计工具、模具设计图例、标准件查阅手册等相关内容。
根据学校要求，论文内含有外文参考翻译，设计者可根据自己所看重的内容在网络寻找相关资料。
根据设计要求，设计者在学校网站下载相关文件及模板。
必要时，设计者可以寻找相关课题的往届设计资料。
根据制件及模具设计工艺，设计者需要在网络查阅与设计相关的内容。
2.时间安排
根据学校要求、任务书以及自身情况，列如下研究进度：
（1）第1~2周，查阅相关资料，学习塑料模具的设计方法，草拟开题报告。
（2）第3~7周，根据任务书要求，对塑件进行分析，确定模具的设计方案，画出模具的装配结构草图。
完善开题报告。
（3）第8~13周，按步骤进行设计计算，确定工艺参数，并确定草图中各零件的结构、尺寸、材料、公差和技术要求，画出模具装配图和所有零件的零件图，书写设计说明书，交给指导教师审查。
（4）第14~15周，按指导教师的要求对设计说明书和图的电子稿进行修改，修改后交给指导教师审核。
（5）第16周，指导教师审核通过后，打印、装订毕业设计，准备答辩。
第2章分析工艺方案的制定依据
2.1制件应用领域
2.1.1滚轮的使用环境
滚轮的种类有许多种，如轴承滚轮、导轨滚轮、金刚石修正滚轮、沾尘滚轮、皮带滚轮、鼠标滚轮、飞机滚轮以及窗帘滚轮等。
由于滚轮的结构简单实用，它被用于许多领域，如航天航空、工业生产、日常生活以及医学农业等行业。
本课题所涉及的滚轮主要应用于窗帘。
根据窗帘的安装情况可以简单分析滚轮的使用环境如下：
（1）常温下使用，温度变化不大。
（2）酸碱度适合居住（除特殊房间外）。
（3）无阳光直射。
（4）滚轮使用频繁。
（5）不需要经常更换，安装位置较高。
（6）使用过程中，滚轮出现微小裂纹可以继续使用。
2.2制件工艺性分析
2.2.1材料分析
1.材料选择
根据课题相关的图纸可知所设计的材料是塑料。
塑料的种类很多。
根据合成树脂的分子结构和受热时的行为可分为热塑性塑料和热固性塑料，根据塑料应用可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料等。
那么结合滚轮的应用环境与有经验人士的指导，滚轮选用属于工程塑料的ABS。
ABS属于常用塑料的一种，由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物。
这三种组分的各自特性，使ABS具有“硬、韧、刚”的综合性能。
ABS无毒、无味，呈微黄色，成型塑件光泽性好。
密度为1.02—1.05g/cm3。
ABS有良好的机械强度和一定的耐磨性、耐寒性、耐油性、耐水性、化学稳定性和电气性能。
其尺寸稳定性好，易于成型加工。
水、无机盐、碱、酸类对ABS几乎无影响。
其缺点是：
耐热性不高，连续工作温度只有70℃左右；耐气候性差，在紫外线作用下易变硬而脆。
故而，ABS用于滚轮是比较好的。
ABS原料易吸水，成型加工前应进行干燥处理。
ABS在升温时粘度增高，所以成型压力较高。
所以,一定温度调节有利于成型。
ABS流动温度较宽，但熔体粘度较大，模具的流道、浇口应适当放大，而且注射机应采用螺杆式。
ABS属于无定型塑料，成性收缩率较小，一般为0.4%到0.7%，在结构分析时，选择平均收缩率，取0.55%。
不同类型的ABS塑料注塑工艺条件略有不同，如表2-1。
表2-1ABS塑料注射成型工艺参数
型号
通用型
高流动型
电镀型
耐寒型
耐热型
机筒温度/℃
190～250
180～190
200～250
200～250
200～250
喷嘴温度/℃
190～220
170～180
200～220
200～220
200～250
模具温度/℃
40～80
40～80
40～80
40～80
40～80
注射压力/MPa
70～110
60～100
70～110
70～110
70～110
2.2.2结构分析
该任务的所给图形如图2-1所示：
图2-1任务图纸及零件3D形状的图片
该制件类似工字型零件，也是圆环的一种。
根据塑件的图样，滚轮的3D形状图片被Pro/E软件形象生动的表达。
根据三维形状可以判断模具设计重点考虑的部位：
内孔和周边曲度的成型。
结合类似制件的成型模具图，如图2-2，本课题制件的成型原理与其相似。
图2-2其他制件成型不同选择的模具结构图
由Pro/E软件可测的该制件的体积为1495.54mm3，可得质量大约1.5克。
通过相关软件或手工计算，可得制件投影面积301.44mm2。
由图可知，制件的特殊结构会涉及分型面的选择，即不可能仅一个分型面可以成型。
同时，该制件的孔成型需要型芯凸模，而且孔径的变化使得型芯选择时进行对比。
这将在分型面中提出。
脱模机构和浇注系统等都是根据分型面及型腔的设计而设计。
那么分型面的选择以及型腔的布局是本课题设计的核心问题。
当然，模架标准化选择等是结合制件总体设计而选择的。
这里不再一一分析，下面将仔细提到。
关于生产，该结构的特殊性使生产时有一定自动化难度。
不同的模具设计是生产的效率不同。
由于现代化进程比较大，该结构的复杂性可辅助其他机械设备完成，如机械手或机器人等。
生产效率是根据需求量及劳务费用而定。
不同的模具设计适合不同的生产环境。
这里，设计者以最先进的生产环境设计模具。
标准模架的参考、标准零件的选择以及结构尽可能自动化等为高效率、低采购成本的客户服务。
本课题所设计的模具抽芯活动是在模内完成的。
当然，本课题会略微提高模外手动抽芯。
模外手动抽芯严重影响之间的生产率，所应用的环境范围狭小。
第3章核心设计及注射机初选
3.1选择分型面
3.1.1分型面的设计方案
分型面决定塑件在模具中的位置。
它的设计依据是塑件的结构、精度要求、浇注系统形式、排气方式、脱模方式及模具制造工艺等因素。
它要综合考虑这些因素，根据塑件的结构合理设计。
分型面设计是否合理直接影响塑件质量、模具使用可靠性及模具寿命等，进而影响产品的经济效益。
分型面的种类有四种，如图3-1所示。
采用第一类分型面时，制件全部在动模内成形；采用第二类分型面时，制件全部再定模内成形；采用第三类分型面时，制件同时在动定模内成形；采用第四类分型面时，制件在多个瓣合模块中成形。
此外，分型面按其位置与注射机开模运动方向可分为：
分型面垂直于注射机开模运动方向，平行于开模方向，倾斜于开模方向。
按分型面的形状来分类：
平面分型面，曲面分型面，阶梯分型面和斜面分型面。
在一套模具中分型面可以是一个也可以是多个。
在模具常见分型面中，一般单分型面模具其分型面与开模方向垂直；双分型面模具是为去除塑件和浇注系统冷凝料开设一个以上分型面；在瓣合模具中，为取出塑件，除主分型面Ⅰ外，还需增设侧向分型面Ⅱ。
具体结构不在用图表示，可以参看《塑料成型工艺与模具设计》中的图案。
图3-1分型面种类
根据本课题制件的结构，可设计两种分型面方案：
垂直分型面，两侧抽芯（即主分型面Ⅰ外，还需增设侧向分型面Ⅱ）成型制件，主要用到侧向抽芯结构，如图3-2左侧图片；垂直分型面和平行分型面综合利用（即主分型面Ⅰ外，还需增设水平分型面Ⅱ），主要用到瓣合模块的镶拼结构，如图3-2右侧图片。
图3-2不同的分型面设计方案
3.1.2分型面的确定
由上述两种方案，并根据设计分型面的基本原则选择一种更为合理的分型面，这是模具设计的核心问题。
设计者必须慎重考虑。
下面介绍选择设计分型面的基本原则，首先应考虑的分型面分在塑件端面轮廓的最大位置。
接着还要考虑以下因素：
（1）便于脱模并简化结构。
（2）塑件的技术要求。
（3）不影响塑件外观及工作面。
（4）有利于排气。
（5）便于模具零件加工。
（6）注射机的技术参数。
（7）有利成形，防止溢料。
结合以上选择因素，综合比较两种分型方案。
设计者选择第二种，即图3-2右侧模格式。
图片所对应的动定模被设计为两个瓣合模块镶拼结构即滑块的一种，具体设计分型面，如图3-3。
选择的原因是侧向抽芯涉及到斜滑块结构。
因为采用图例分型结构时需要增强锁模作用，斜滑块受力成形时过大易出飞边。
为防止溢料及定位不精确，模具设计者多采用瓣合模块，上下抽芯。
图3-3分型面设计
在上面已提到有两个型芯设计，图2-2已列出类似的对比情况。
那么，本课题中的两个孔径大小不同，一个直径是18mm，一个直径是14mm。
那么主型芯的选择也是确定分型面的一个重要细节。
由不同孔径对应的夹角对比可知，进而对两者对应的抽拔力[Q=lhp（f9cosθ-sinθ）]进行定性分析，可得直径为18mm的型芯比直径14mm的型芯更易脱模。
故而直径端部为18mm的型芯留在定模中更有利于制件脱模。
同时两圆台间的4mm与直径为14mm的连为一体设计成型芯在动模中。
另一个理由是较细的型芯留在动模中，故分型面如图3-3。
有时，为了使制件易从模具内推出，设计者会在设计时给定足够斜度，以保证塑件脱模。
该制件的需要脱模高度仅10mm，其中6mm都有斜度，在生产中脱模斜度设定问题可以忽略不计。
由于之迹那要求精度不高，本课题中的模具不讨论脱模斜度。
这里就不再详细介绍了。
3.2型腔设计
3.2.1型腔的数目
影响型腔数目设计的因素有注射机的锁模力，注射机的注射量，制件精度及制件结构等。
这里主要考虑制件结构因素。
由于制件所涉及的成形模具结构复杂，模具不便于设计，并且瓣合凹模由定位销等组成限位结构分别设计位于模架的两侧，故而选择一模两腔。
3.2.2型腔的布置
型腔的布局为以浇口套为中心，两型腔分别对称分布在左右两侧。
型腔布置在瓣合凹模内，固定在凹模固定板上。
3.3装配草案初定
3.3.1分析设计总结构
注射模由动模和定模两大部分组成。
根据模具各个零件的不同功能可分为以下七个系统和结构：
（1）成型零部件，如型腔、型芯及镶件等（用于成型塑件）。
（2）浇注系统，由主流道、分流道、浇口和冷料穴等组成（用于进料）。
（3）导向与定位机构，如导柱、导套、螺钉及销等（保证精确度）。
（4）脱模机构，由推杆、推杆固定板、拉料杆等组成（用于脱模）。
（5）侧向分型与抽芯机构，由滑块、斜导柱等组成（用于成型侧孔等）。
（6）温度调节系统，由冷却水道、水管、介质等组成（控制温度）。
（7）排气系统，由排气槽、推杆间间隙等构成（用于排气）。
那么，根据滚轮以及分型面的基本确定，参考《塑料成型工艺与模具设计》中相关的模具图案，如图3-4。
本课题的模具工作如图中相似。
所涉及到的结构与系统也是基本相同。
分析该图的开闭模状态及结构设计可以为接下来的装配草案图做准备。
图中模具的瓣合模块设计及定位销设计的限位设置是本课题需要参考的。
两个分型面设计及对应结构是本课题重点参考资料。
图3-4相关模具的开闭幕状态参考图片
该模具设计是模内抽芯，机械化生产效率高。
相对来说，模外抽芯模具设计，如图3-7，比较适用于实验和手工作坊。
模外抽芯成本低，而且适应性强，对工人技能要求不高，不适应大批量生产。
图3-7模外抽芯的例子
3.3.2绘制装配初稿
如图3-5，草绘初稿。
工作过程：
开模时，上型芯随定模与制件脱离，同时，冷料穴内的残余料可将制件固定在动模上，然后，制件在推出装置作用下使瓣合模块分开，制件脱模。
该草稿有待指导老师审阅。
图3-5装配草案图
3.3.3修改草稿定方向
根据老师指正的装配图草案，设计者重新画一幅图，如图3-6。
该图为接下来的设计奠定了基础，更为整个设计定了方向。
图3-6装配草案修改图
3.4注射机的初选
3.4.1注射机的种类及结构
注射机根据注射合模装置的排列方式可分为立式注射成型机，卧式注射成型机，角式注射成型机等。
注射成型机由注射装置、合模装置、液压传动系统、电气控制系统等部分组成。
注射装置主要形式有柱塞式、螺杆预塑式和往复螺杆式（简称螺杆式）。
目前采用最多的是往复螺杆式，其次是柱塞式。
注射机顶出机构大致可分为：
（1）中心顶杆机械顶出，如卧式60、350，立式30，角式45、60等。
（2）两侧双顶杆机械顶出，如卧式30、125等。
（3）机械顶杆与中心液压顶杆联合，如卧式250等。
（4）中心液压顶出与其他联合作用，如卧式XS—ZY—1000（与其辅助油缸联合作用）。
3.4.2注射机初定
根据制件的体积V=1495.54mm3，以及一模两腔的布局，可知一次注射量的大小。
据统计，每个制品所需浇注系统体积是制品体积的0.2到1倍。
当物料粘度高、制品体积小或型腔数目多，浇注系统的体积甚至更大。
这里选择2倍，大概估算注射量为6cm3。
根据注射机正常工作所需的注射量不大于最大注射量的80%（对于热敏性材料，最小注射量不低于20%，此处可以不考虑），设计者可以计算注射机最小公称注射量为7.56cm3。
因此，根据《中国模具设计大典》表9.9-3可查的表内注射机全符合条件。
这里初定为SZ-10/16.对应的数据如下：
（1）理论注射容量10cm3。
（2）注射压力150MPa。
（3）锁模力160kN。
（4）拉杆内间距180mm。
（5）最大模具厚度150mm。
（6）最小模具厚度60mm。
（7）模具定位孔直径55mm。
（8）喷嘴球半径SR10mm。
（9）喷嘴口孔直径3mm。
（10）中心顶杆直径50mm。
（11）移模行程130mm。
根据注射机进行下一步设计。
最终注射机尺寸在校核时确定。
第4章模具结构设计
4.1凸凹模结构设计
4.1.1凸模（型芯）设计
如图3-3所示，型芯的结构形式是整体嵌入式。
嵌入式凸模主要是指模具小型芯或成型镶块。
这种结构采用过渡配合将型芯压入模具，型芯底部用凸肩固定，适合于长径比较小的圆形型芯。
该结构减少模具零件的切削加工量和便于加工，小型芯单独加工制造后嵌入模具安装孔内。
4.1.2瓣合凹模（滑块）设计
如图3-4，瓣合式凹模属于镶拼组合式凹模结构的一种。
组成凹模的每一个镶块都通过T形槽与凹模固定板形成动连接，如图4-1。
它们在塑件的成型过程中被固定板箍合在一起；而在脱模过程中，瓣合凹模可从固定板中脱出并向侧面打开，从而使带有侧凹的塑件可靠地从模具中脱出。
此处，瓣合模块数目等于二，可将他们所组成的注射模成为哈夫模。
图4-1T形槽导滑及瓣合凹模固定
同时，瓣合凹模（斜滑块）的装配有一定要求。
为使斜滑块合模时拼合紧密，同时避免注射成形产生溢料飞边，斜滑块装配时与模套底部及端面之间均要留0.2到0.5mm间隙，如图4-2。
这样斜滑块（瓣合凹模）与导滑槽（凹模固定板）之间有了一定摩擦后，通过修磨斜滑块（瓣合凹模）端面，继续保持拼合的紧密性。
图4-2斜滑块（瓣合凹模）装配
4.2浇注系统及排溢系统的结构设计
4.2.1流道的设定
浇道分为主流道和分流道。
1.
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