应用ProE设计注射器活塞柱注射模具.docx
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应用ProE设计注射器活塞柱注射模具
毕业设计（论文）正文
题目
应用Pro/E设计注射器活塞柱注射模具
专业
机械设计制造及其自动化
班级
机制0811班
姓名
周剑
学号
08316181
指导教师
职称
张俊教授
2012年05月25日
应用Pro/E设计注射器活塞柱注射模具
摘要：
本文以注射器活塞柱注塑模具设计为例，介绍了Pro/E注塑模具的设计方法与流程，包括注塑工程分析、塑件分型面位置的分析和确定，塑件型腔数量及排列方式的确定,注射机的选择及工艺参数的校核，成型零部件的设计及校核，以及浇注系统的设计。
采用EMX软件设计模架及水线，推杆等元素。
并介绍模架加载、脱模机构设计和冷却系统的设计，叙述了模具的工作过程。
叙述Pro/E对模具进行结构设计的优势，采用pro/E软件进行注射器活塞柱注塑模设计，可大大缩短设计时间，降低设计成本，提高设计精度和效率，对同类产品的设计具有一定的参考价值。
关键词：
Pro/E；流道；注射模
Applytopro/EPistonsSyringecolumninjectionmolddesign
Abstract：
Basedonthiscolumnsyringepistoninjectionmolddesign,introducedpro/Einjectionmolddesignmethodsandprocesses,includinginjectionmoldingengineeringanalysis,plasticanalysisofsub-surfacelocationandidentification,thenumberofplasticpartsandarrangementofcavityidentification,injectionmachineselectionandprocessparameterschecked,formingpartsofthedesignandidentification,andthegatingsystemdesign.UseEMXsoftwaredesignmoldsuchasthewaterline,puttingelements.Alsointroducedmoldloadedejectionmechanismdesignandcoolingsystemdesign,anddescribestheworkingprocessofthemold.Describesthepro/Eonthestructuraldesignofdieadvantagesofusingthepro/Esoftwaretothesyringepistoncolumninjectionmolddesign,cangreatlyshortenthedesigntime,reducedesigncosts,increasedesignaccuracyandefficiencyofthedesignofsimilarproductsonsomereferencevalue.
Keywords:
Pro/E；Runner；injectionmould
第1章概述
1.1设计项目概述
塑料是人类目前使用的第一大类材料，它的使用范围已远远超过其他原始材料的使用。
塑料工业发展，塑料制品的广泛应用方面，塑料模具起了不可缺少的作用，它是塑料工业中不可缺少的环节，是成型塑料制品的工具。
一次性塑料注射器采用优质的无毒高透明塑料制成，做出的产品透明度相当于玻璃注射器，临床用于预防接种和皮内、肌肉或静脉注射药液用及与麻醉包配置，用于硬脊膜外腔麻醉器械使用。
独特的设计，滑动性能好于普通注射器，阻力低，可以代替玻璃注射器，因为玻璃注射器容易破碎，本产品不易破碎能保证医护人员使用安全。
本设计以注射器活塞柱为例，介绍了应用pro/E的注塑模具设计流程，该流程包括工艺分析，选择注塑机，确定成型方案，并对该注塑机进行必要的工艺参数分析，成型零件的设计与分析以及模架及其各个部件的选取。
而设计工具pro/E的选取，使设计更加方便、快捷。
Pro/engineer是由美国PTC公司研制开发的一款集CAD/CAM/CAE于一体的软件，具有强大的曲面造型功能，能够方便地完成三维实体造型，直观地体现设计思想。
该设计在浇注系统环节采用了热流道浇注系统，对流道内部进行加热，使流道中的塑料始终处于熔融状态，这样在脱模时就不需要将流道内的塑料进行脱模，流道内的原材料便可直接进行下次注射使用。
热流道的采用大大节省了原材料，节约能源，这一技术的采用对与环境日益恶化，能源短缺的当今有着重大意义。
1.2模具工业在国民经济中的地位
在现代工业中，模具工业已成为制造业的基础。
而在模具行业中塑料模具又是重中之重，这类模具占模具行业总份额的50％以上。
在工业相对比较发达的国家里，模具工业被形象地喻为“工业基石”、“关键工业”、“促进社会繁荣富裕的原动力”。
这些定义明确地说明了模具工业在他们国家所处的地位，也表明了模具在社会发展中的显要位置。
随着全球经济一体化进程的不断加快，世界各国对建筑材料、电子通信等诸多领域的塑料制品需求量正在逐年增加，这为模具工业的发展奠定了坚实的基础，它既是社会进步、科技发展的基石，也是进入富裕社会的原动力。
模具技术集合了机械、电子、化学、光学、材料、计算机、精密检测和信息网络等诸多学科，是一个综合性高学科的系统工程。
模具技术的发展趋势主要是模具产品向着更大型、更精密、更复杂及更经济快速的方向发展。
模具产品的技术含量不断提高，模具制造周期不断缩短，模具生产朝着信息化、无图化、精细化、自动化的方向发展，模具企业向着技术集成化、设备精良化、产品品牌化、管理信息化、经营国际化的方向发展。
1.3我国模具技术的现状及发展趋势
（1）我国模具技术现状:
中国模具工业产值仅次于日本和美国，排在世界前三位。
中国经济的高速发展同样对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大的空间。
现今，国内的模具生产厂家已增至2万余家，模具制造从业人员已超过50多万人，模具的年产值达到534亿元人民币。
近10年来，国内模具在数量、质量、技术等方面有了很大的跨跃；现正以每年15%左右的增长速度稳步发展。
鉴于模具工业的特点和重要性，我国对模具产业的发展极为重视。
20世纪80年代以来，我国模具工业发展迅速。
自1997年以来，相继把模具及其加工技术和设备列入了《当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录》和《鼓励外商投资产业目录》，并对全国部分重点专业模具厂实行增值税返还70%的优惠政策；1999年，国家又把有关模具技术和产品列入国家计委和科学技术部发布的《当前国家优先发展的高新技术产业化重点领域指南（目录）》。
目前中国模具工业产值仅次于日本和美国，排在世界前三位。
中国经济的高速发展同样对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大的空间。
我国模具工业虽然有了长足的发展，但总体水平仍比工业发达国家要落后15~20年，这与我国制造业发展的要求相比差距还很大。
与发达国家的模具工业相比，我国在精密、大型、复杂、长寿命的高档模具方面依然存在着较大的差距，每年仍需从模具强国大量进口精密、大型、复杂、长寿命的高档模具；与国外模具同行相比，我国在模具设计理念、制造工艺、生产周期等方面还存在着较大的差异，这阻碍着我国向模具强国的发展。
同时,我国的模具生产量依然供不应求，无法满足模具市场的需求。
而其中主要的模具缺口类型仍集中于精密、大型、复杂、长寿命的高档模具领域。
在生产能力、生产技术等几方面，我国还未达到国际先进水平，与国际模具的综合竞争能力上还存在着较大的差距。
相对国外模具而言我国生产的模具在价格上较具竞争力。
自加入WTO后，已积累了多年的丰富的模具制造经验和技术，树立了中国模具的良好口碑，在国际市场中具有较强的影响力。
在这有利于中国模具发展的外部环境下，进一步拓展海外市场，增加模具出口量，树立中国模具品牌将是当前的首要任务。
（2）我国模具发展趋势:
我国经济仍处于高速发展阶段，国际上经济全球化发展趋势日趋明显，这为我国模具工业高速发展提供了良好的条件和机遇。
一方面，国内模具市场将继续高速发展，另一方面，模具制造也逐渐向我国转移以及跨国集团到我国进行模具采购趋向也十分明显。
目前我国随着科学技术的飞速进步，使模具技术及制造方式发生了根本性的变化，已经从传统的手工设计，从有经验的钳工师傅为主导的技艺型生产方式转变到了以数字化、信息化、自动化生产为特征的现代模具工业生产时代。
因此，放眼未来，国际、国内的模具市场总体发展趋势前景看好，预计中国模具将在良好的市场环境下得到高速发展，我国不但会成为模具大国，而且一定逐步向模具制造强国的行列迈进。
第2章 塑件分析
2.1塑件特点
图2-1塑件结构图
该塑件为注射器活塞柱,一次性注射器活塞柱（下简称活塞柱）结构形式,截面为十字筋结构,筋宽1.2mm,制品材料为聚氯乙烯.在活塞柱前端另装有橡胶活塞.然后插入外筒中形成一个完整的注射器产品.这种注射器由于附有橡胶恬塞.使密封性得以充分保障,提高了使用过程的安全与可靠性.该结构较同类产品具有一定的先进性.从而决定了其在模具设计与制造上有突出的特点.其表面要求一定的光泽度及质感，并且其材质要求具有一定的强度、刚度、耐热和耐磨损等性能,同时还必须满足绝缘性，在一定温度范围内要求具有良好的抗冲击强度。
据此，目前国内外的一次性医疗器械普遍使用PVC为原料，该材料密度小，它的力学性能如屈服强度、抗张强度、抗压强度及硬度等均优于低压聚乙烯，并有很突出的刚性，耐热性较好。
可在100℃以上使用。
若不受外力，则温度升到150℃也不变形。
有较好的化学稳定性，除对浓硅酸、浓硝酸外，几乎都很稳定。
高频电性能优良，且不受温度影响，成形容易。
缺点是耐磨性不够高，成形收缩率较大，低温呈脆性。
热变形温度亦较低。
影响塑件公差的主要因素是:
模具制造误差及磨损误差，尤其是成型零件的制造和装配误差以及使用中的磨损、塑料收缩的波动、注射工艺条件的变化、塑件的形状和飞边厚度的波动、脱模斜度及成型后塑件的尺寸变化。
根据原料PVC的特性，该塑件收缩率设置为0.5%。
图2-2塑件收缩率的设定
创建塑件注射器活塞柱造型：
根据现实中20ml注射器活塞柱的样品，塑件最大尺寸为长110mm，宽22mm，密度为1.45g/mm
。
并对一些部位给予修改以达到最佳效果，完全对称形式，使得活塞柱的形状完全垂直。
在pro/E的零件模块下灵活运用各建模命令创建如图2-1所示的塑件三维图形。
（1）脱模斜度 。
设计脱模斜度的目的是便于塑件的脱模，避免在脱模过程中拉伤塑件表面，其大小取决于塑料的收缩率。
脱模斜度的取向要根据塑件的内外型尺寸而定。
塑件外形以型腔大端为准，尺寸要符合要求，斜度沿形状减小方向。
要求开模后塑件留在定模上，塑件内表面的脱模斜度应小于外表面的脱模斜度。
根据PVC的性能，型芯的脱模斜度取1.5°。
（2）塑件的壁厚 。
选择pro/E软件中工具条中的分析栏，可测得该塑件的平均厚度为1.2mm。
2.2PVC的性能及其注射工艺分析
聚氯乙烯材料（PVC）是以聚氯乙烯树脂为主要原料，加入适量的抗老化剂、改性剂等，经混炼、压延、真空吸塑等工艺而成的材料。
质量轻、隔热、保温、防潮、阻燃、耐酸碱、抗腐蚀、稳定性、介电性好，耐用、抗老化，易熔接及粘合。
抗弯强度及冲击韧性强，破裂时延伸度较高。
通过捏合、混炼、拉片、切粒、挤压或压铸等工艺极易加工成型，可满足各种型材规格的需要，表面光滑、色泽鲜艳的特点而受到人们的青睐。
2.2.1注射成型过程
（1）成型前的准备。
对PVC的色泽、细度和均匀度进行检查，由于PVC易吸水，成形加工前应进行干燥处理。
（2）注射过程。
塑料在注射机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后，有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5个阶段。
（3）塑件的后处理。
采用调湿处理，其热处理条件参照参考文献[2]中的表13-3有处理方法红外线灯、烘箱，处理温度为70℃。
2.2.2PVC的注射工艺参数
（1）注射机类型：
螺杆式。
（2）螺杆转速（r/min）：
48。
（3）料筒温度（℃）：
后段160～180；
中段180～200；
前段200～220。
（4）预热温度（℃）：
80～100。
（5）模具温度（℃）：
80～90。
（6）注射压力（MP
）：
70～100。
（7）成型时间（s）：
注射20～60；高压0～3；冷却20～90；总周期50～160。
2.2.3PVC成型塑件的主要缺陷及消除措施
PVC在升温时黏度增高，所以成形压力交高，塑件上的脱模斜度宜稍大；PVC易吸水，成形加工前应进行干燥处理；易产生熔接痕，设计模具时应该注意尽量减少小浇注系统对料流的阻力；在正常的成形条件下，壁厚、熔件温度及收缩率影响极小。
要求塑件精度高时，模具温度可控制在80-90℃，要求塑件光泽和耐热时，应该控制在80℃。
第3章分型面及型腔数目的确定
分模是注射模具设计的最重要的一环，它是用分型面将包含模具型腔的体积块分开成动模型芯和定模型腔，而分型面就是动模型芯和定模型腔的接触面。
分模一般按以下步骤进行：
选取塑件的各个面与整体的拉伸面合成生成分模面，分模得到动模型腔和定模型腔。
分型面是产品的最大轮廓线合围产生而成。
该塑件分型面可以通过搜索选全好的塑件的各个面组合获取。
分型面是以产生的最大轮廓线为基础采用拉伸面、边界面或者其他创建面方法获得。
设置参照模型和定义成型工件后，在【模具】菜单管理器中选择【分型面】-【拉伸】可得到工件的分型平面，如图3-1所示。
图3-1拉伸后的分型面
在塑件设计时,必须考虑成型时分型面的形状和位置，为了以后更方便的设计流道和浇口。
本模具的分型面选择在塑件的大平面处，即注射器活塞柱的最大截面处。
模具上用以取出塑件和冷凝料的可分离的接触表面称为分型面。
分型面的设计合理与否直接影响到塑件的质量；模具的整体结构；工艺操作的难易程度及模具的制造成本。
分型面的选择原则如下：
（1）分型面应选择在塑件外型的最大轮廓处。
（2）分型面的选择应考虑有利于塑件的脱模。
（3）分型面的选择要保证塑件的精度要求。
（4）分型面的选择还应考虑模具的侧向抽拔距。
（5）分型面作为主要的排气渠道，应将分型面设计在熔融塑料的流动末端，以利于模具型腔内气体的排出。
（6）选择分型面时应使模具零件易于加工。
根据以上原则，本模具的分型面选择在塑件的大平面处。
拉伸后的平面与选取各个模腔的元件选取面合并可得整个模具的分型面。
在塑件分型面确定之前，就需要考虑型腔数目的采用，由于该塑件为注射器活塞柱，其对于表面质量及精度要求都相对不太高，且形状较为简单，为了提高生产效率和节约模具资源。
还有，为了使得整个模具处在平衡对称状态下。
故本设计中决定初步拟定采用一模四腔的模具形式。
图3-2一模四腔分布图
该塑件通过pro/E软件中的创建分型面处理得到分型面，选择好图3-1上方的零件所有面，选择【复制】-【粘贴】，然后同时选取拉伸平面和粘贴所在的面，选择【合并】，同理，与另外三个参照元件【合并】，即可得到所需的分型面，如图3-3所示。
图3-3分型面
第4章注射机型号和规格的选择与校核
4.1选择注射机所需参数计算
（1）注射量的计算
从pro/E软件中的分析功能中可以得出该活塞柱塑件的体积V
=4×4304.566mm
，其质量m
为4×6.24g，流道凝料的体积还是一个未知数，可按塑件体积的0.6倍来估算，因为从上述分析中确定为一模一腔，所以塑件成型所需注射量为V
=1.6×V
=25749.224mm
。
结合生产实际，注射机的最大注射量是其额定注射量的80%，所以注射机的额定注射量为V≥V
/0.8=34436.53mm
≈34.437cm
（2）锁模力（F）的计算
模具设计时应使注射机的额定锁模力大于胀模力，即F≥P
A，F为注射机额定锁模力（N）；P
为塑料熔体在型腔内的平均压力（MP
）；A为制品和浇注系统在分型面上的垂直投影面积（mm
）。
因为是一模一腔，所以浇注系统在分型面上的垂直投影面积和制品的部分投影面积重合，制品的投影面积估算为
A=A
+A
=1.2A
=1.2*1545.43*4=7418.064mm
A
塑件的在分型面上的投影面积；
A
为流道内的原料在分型面上的投影。
塑件成型时所需的注射压力P
通常为80～110MP
。
因为所采用材料为PVC，其为中等粘度，精度高，考虑压力损失，根据查表应选择P
=100MP
。
所以锁模力F≥P
A=100MP
×7418.064mm
=741.8KN
4.2选择注射机
注射机规格的确定主要是根据塑件制品的大小及生产批量，选用注射机时，通常是以某塑件（或模具）实际需要的注射量初选某一公称注射量的注射机型号，然后依次对该机型的公称注射压力、公称锁模力、模板行程以及模具安装部分的尺寸一一进行校核。
以实际注射量初选某一公称注射量的注射机型号；为了保证正常的注射成型，模具每次需要的实际注射量应该小于某注射机的公称注射量。
根据以上初步的注射量和锁模力的计算，在此初步选择注射机型号为XS-ZY-125。
表3-1XS-ZY-125型注射机主要技术参数
理论注射容量/cm
100
锁模力/KN
900
螺杆直径/mm
42
拉杆内间距/mm
440*340
注射压力/MP
119
移模行程/mm
300
注射速度/（g/s）
60
最大模厚/mm
300
塑化能力/（g/s）
5.6
最小模厚/mm
200
螺杆转速/（r/min）
14～200
模板最大距离/mm
600
喷嘴球半径/mm
12
喷嘴孔直径/mm
4
4.3.1校核注射机有关工艺参数
4.3.1由注射机料筒塑化速率校核模具的型腔数n。
校核型腔数目：
n≤（kMt/3600-m
）/m
=（0.8×5.6×3600×60/3600-0.6×6.24*4）/24.96
=10.2>>4（式4-1）
型腔数校核合格。
式中m
=24.96g
m
=0.6m
=0.6×24.96≈14.976g；
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（5.6g/s）；
t——成型周期，取60秒。
4.3.2注射压力Pe的校核。
Pe≧kp
=1.3×110
=143Mpa（式4-2）
而所选注射机Pe=150Mpa,注射压力校核合格。
式中k——注射压力安全系数，取1.3；
P
——取110Mpa.（塑件成型时所需要的注射力）。
4.3.3锁模力F校核。
F≧k
AP
=1.2×348.68*4
=418.42KN（式4-3）
而该注射机的锁模力F=900KN,锁模力校核合格
其他安装尺寸的校核要待模架选定,结构尺寸确定以后才可进行。
式中P
——塑料熔体对型腔的平均压力；
A——塑件和流道在分型面上的投影面积；
k
——锁模力安全系数，一般取1.1～1.2。
由以上的校核，可以确定该注射机的选择合格。
第5章成型零件的工作尺寸计算及校核计算
5.1成型零件的结构设计
直接与塑料接触构成塑件形状的零件称为成型零件，其中构成塑件外形的成型零件成为凹模，构成塑件内部形状的成型零件成为凸模。
在通过pro/E生成分型面之后，可通过分型工具，创建型腔，pro/E会根据产品及分型面的相关尺寸处理完成，生成型腔。
图5-1合模示意图
凹,凸模的结构设计
图5-2型腔三维效果图
图5-3凹模三维效果图
5.2成型零件工作尺寸及其校核
5.2.1成形零件的工作尺寸设计
成型零件的工作尺寸涉及到材料的热胀冷缩，计算复杂，要运用大量公式，在pro/E中，pro/E软件根据塑件及分型面的相关尺寸自动处理完成，生成型腔。
在型腔生成之后，我们再对其进行校核。
5.2.2模具型腔侧壁和底板强度、刚度的校核
塑料模具型腔在成型过程中受到塑料熔体的高压作用，应具有足够的强度和刚度，如果型腔侧壁和底版厚度过小，可能因强度不够而产生塑性变形甚至破坏；也有可能因为刚度不足而产生扰曲变形，导致溢料飞边，降低塑件尺寸精度并影响顺利脱模。
因此，应通过计算来确定型腔的壁厚，尤其对于精度要求高的型腔，不能单纯凭经验来确定其尺寸。
型腔侧壁所受的压力应以型腔内所受最大压力为准。
此型腔的内外截面接近矩形形状，其刚度要求低于矩形型腔，在此皆按照整体式矩形型腔计算公式计算。
（1）型腔侧壁厚度S计算
S=
=
（式5-1）
式中S——型腔侧壁厚度；
a——型腔侧壁受压高度；
P——型腔压力（取35MP
）；
E——模具材料的弹性模量（取2.1×10
MP
）；
——任一自由边中点的允许变形量（mm）；
C——为常数，由L/a的数值确定，可由以下近似公式计算。
C=
=1.48105（式5-2）
式中L——为型腔长边长度；
a——为型腔侧壁受压高度。
经过测量得型腔长边长度L=270mm，型腔侧壁受压高度a=13.6mm。
=25i=25×1.1689
m=29.22
m=0.0292mm（式5-3）
式中i=0.35W
+0.001W=0.8926
m
W——为型腔最长边。
所以计算得型腔厚度S=
=
=13.8537mm
而由pro/E自动生成的成型零件，可测得型腔侧壁厚度s=18.1180mm>13.8537mm,则型腔侧壁厚度满足要求。
（2）型腔底板厚度计算公式为
T=
（式5-4）
式中T——为整体式矩形型腔底板厚度（mm）；
P——为型腔压力（取2.1×10
MP
）；
b——为矩形板受力短边长度（mm）；
L——为矩形板受力长边长度（mm）；
E——为模具材料的弹性模量（取2.1×10
MP
）；
[
]——为允许变形量；
C
——由L/b决定的常数，可由近似公式计算。
C
=
=0.036（式5-5）
经过测量pro/E中自动生成型腔的相关尺寸为L=110mm，b=105mm,
=25i=0.0223mm（式5-6）
式中i=0.35W
+0.001W=0.6846
m；
W——影响模具变形最大尺寸；
计算得型腔底板厚度为T=16.8534mm。
而由pro/E自动生成的成型零件，可测得型腔底版厚度T=20.6867mm>16.8534mm，则型腔底版厚度满足要求。
5.3成型零件材料的选用
塑料制品在以化学性腐蚀塑料为原料时，模具需具有防腐蚀性能，一般采用耐蚀钢制造模具，此时还要求有较好的耐磨性。
常用的钢种为4Cr13（420）、9Cr18、17－4PH。
为了改善这类钢的切削加工型，国外近年开发出易切削预硬耐蚀塑料模具钢，如GS2083S、168S。
PCR是我国开发的一种耐蚀塑料模具钢。
4Cr13和9Cr18为马氏体不锈钢，1724PH和P
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