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塑料件模具设计

成都航空职业技术学院

论文题目:

塑料件模具设计

专业：

模具设计与制造

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

二零一七年六月

摘要

塑料作为高分子化学和材料科学发展的重要成果，早已为人们熟悉，塑料产品已经成为人类生产和生活中不可缺少的重要组成部分。

多年来，塑料产品制造业一直在迅速发展，而当前全球范围的以塑料代替金属的趋势又进一步加速了这一发展速度。

塑料产品一般采用模塑成型方法生产，因而塑料模具早已成为一种重要的生产工艺装备，在国民经济中起着越来越重要的作用。

随着塑料产品在家电、电子、机械等产品和日常用品中越来越广泛应用。

为保证产品质量，对塑料成型工艺和塑料模具提出较高要求，采用UG三维软件进行注塑模具设计的方法更加适应产品更新换代和提高质量要求，同时便于后续的数控加工。

本文从分析塑料件的材料、形状等进行塑料成型工艺分析，对塑件增加拔模斜度等工艺参数，对塑件三维造型，计算塑件质量，初选注塑机；对塑件进行模具成型分析，对模具分型面、浇注口位置、主流道、分流道、浇口形式和冷料穴进行设计，结合产品生产批量，设计模具机构，对模具的成型零件和功能零件具体设计和布置，运用UG软件，设计模具的三维造型，绘出模具总装图纸；为保证计算产品质量和模具的强度等考虑。

计算成型零件的尺寸和公差，计算侧抽芯机构的参数，并对模具使用的注塑机进行校核，保证成型零件的强度、精度满足要求，并对注塑机校核，确保塑料量、推出距离、模具安装尺寸满足设计模具要求。

关键词：

塑料；UG建模；塑料模具；CAD

ABSTRACT

Plastic,astheimportantachievementofpolymerchemistryandmaterialscience,haslongbeenfamiliarwith.Plasticproductshavebecomeoneoftheindispensablecomponentsinhuman’sproductionanddailylife.Overtheyearstheplasticproductmanufacturingindustryhasbeendevelopment.Generallyplasticproductsaremanufacturedbymoldingthereforeplasticmoldshavebecomeanimportantproductiondeviceandplayanincreasinglyimportantroleinthenationaleconomy.Theuseofplasticproductsinhomeappliances,machineryandotherdailynecessitieshasbecomemoreandmorewideandtoensurethequality,thethree-dimensionalsoftwareforinjectionmolddesignhasadaptedtothehighdemandofproductupgradingandimproving.

Thispaperistoanalyzetheplasticmoldingprocessfromthematerial,shapeandETC.oftheshellofelectricappliance;toanalyzetheincreasedtaperandotherparametersofplasticparts,three-dimensionalshapeandthemasscalculationtoselectinjectionmoldingmachine;toanalyzethepartingline,nozzleposition,runner,gateformsandcoldslugcombinedwithproductionquantitiestodesignandorganizethemoldingpartsandfunctionalparts;touseUGsoftwareandthree-dimensionalmoldingofdesigntomaketheassemblydrawings;toensurecalculatingtheproductquality,moldstrengthandotherconsiderations.Inordertomakesuretheinjectionvolumeandtheextrusiondistancetomeettheproductrequirements,thedimensionsandtolerancesofmoldedpartsandthesidepumpingmechanismwillbecalculatedandalsotheinjectionmoldingmachinewillbechecked.

KeyWord:

plastic,modeling,injectionmold,CAD

第一章绪论

1.1塑料在轻工业上的应用

塑料是一种具有可塑性的人造高分子有机化合物（树脂），是指以有机合成树脂为主要成分，加入或不加入其他配合材料而构成的人造材料，它通常在加热、加压条件下可塑成具有一定形状的器件。

工程塑料的体积质量约为1.0-1.4，比水略重，比铝轻1/2，比钢轻3/4，约大多数有色金属体积质量的1/5-1/8。

正是由于工程塑料的优良性能，可代替金属作结构材料，在某些应用领域已成为其他材料无法代替的新型材料，因此被广泛应用于电子电器、汽车、机械设备等行业，在国民经济各领域中的地位显著。

工程塑料具有易加工、易制造（成型）的特点，即使制品的几何形状相当复杂，只要能从模具中脱模，都比较容易制作，因而其效率远胜于金属加工，特别是注塑成型制品，经过一道工序，即可制造出很复杂的成品；可根据需要随意着色，或制成透明制品，利用塑料可制作五光十色、透明美丽的制品，提高商品的价值，并给人一种明快的感觉；也可制作为轻质高强度的产品，与金属、陶瓷制品相比，质量轻、机械性能好；特别是填充玻璃纤维后，更可提高其强度；另外，由于塑料质量轻，可节约能源，在未来塑料制品将轻量化。

1.2工程塑料ABS的性能及应用

ABS是由丙烯晴、丁二烯、苯乙烯三种单体共聚而成的。

三组分的各自特性，使ABS具有良好的综合力学性能。

丙烯晴使ABS有良好的耐化学腐蚀性及强度、表面硬度；丁二烯是ABS坚韧，有弹性（即冲击值高）；苯乙烯使它有良好的加工性、介电性和染色性能。

从改进PS性能角度看，ABS显著提高了抗冲击强度和表面硬度，其热变形温度比PS、PVC、PA（约高10℃）等都高，具有良好的尺寸稳定性，化学稳定性和电气性能。

三组分配比调整可获得性能不同的材料。

根据应用不同可分为超高冲击型、高冲击型、中冲击型、低冲击型和耐热型等。

ABS五毒、无味，呈微黄色、透明、成型件有较好的光泽。

ABS在较宽的范围内，有极好的抗冲击强度，良好的机械强度（硬、韧、钢）和一定的耐磨性、耐寒性、耐油性、耐水性。

ABS易于成型加工。

经过调色可配成任何颜色，色泽鲜明，可电镀。

其缺点是耐热性不高，连续工作温度（即耐热温度）为70℃左右，热变形温度约为93℃左右。

耐候性差，特别是耐紫外线性能不好。

在紫外线作用下容易变硬发脆，老化。

由于以上优点：

ABS在机械工业上用来制造齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管道、电机外壳、仪表壳、仪表盘、水箱外壳、蓄电池槽、冷藏库和冰箱村里等。

汽车工业上用ABS制造汽车挡泥板、扶手、热空气调节导管、加热器等，还有用ABS夹层板制小轿车车身。

还可用来制作水表外壳、纺织器材、电器零件、文教体育用品、玩具、电子琴及收录机壳体、食品包装容器、农药喷雾器及家具等。

电视机、收录机外壳、旋钮、电话机壳、话筒、铰链、塑料铭牌等。

ABS颗粒表面极易吸湿使表面出现斑痕、云纹等，成型前必须进行干燥处理。

比热（cal/℃）较聚烯烃低，加热快，故塑化效率高，在模具中冷却也快，故成型周期短。

ABS升温时粘度增高，成型压力较高，塑料上的脱模斜度宜稍大；还易产生熔接痕，模具设计时注意尽量减小浇注系统对料流的阻力；粘度强烈依赖于剪切速率，所以模具设计中大都采用点浇口形式。

ABS为非结晶型高聚物，所以成型收缩率小。

熔融温度低，熔融温度范围宽。

在正常的成型条件下，壁厚、熔料温度及收缩率影响极小（收缩率稳定），流动性对压力要敏感些。

要求塑件精度高时，模具温度可控制在50~60℃，要求塑件光泽和耐热时，应控制在60~80℃。

1.3注塑成型原理

塑料成型的方法很多，主要有注射成型、压缩成型、压注成型、挤出成型、气动成型等。

这些成型方法都有各自的特定及适应范围。

注塑成型成为一项速度快、自动化程度高的生产技术，能一次成型形状复杂，尺寸精确的制品，在整个塑料制品生产行业占有非常重要的地位，大多数塑料掷瓶都可以采用注塑成型的方法来进行生产。

注塑成型的过程多是将经过干燥处理后的塑料颗粒置于注塑机料筒中，由螺旋杆或柱塞将其推入到加热的料筒中，塑料颗粒在料筒中加热到一定的成型温度成为熔融状态，待模具合模结束以后，启动注塑机活塞推动料筒的螺杆以一定的注射力推挤塑料熔体通过浇注系统，注入到闭合的模具型腔。

待塑料充满型腔后使其在型腔内冷却固化。

冷却固化后开启模具取出塑件。

注塑成型不仅可以在高生产率下制得高精度、高质量的制品，而且可加工的塑料品种多、用途广，因此注塑是塑料加工中重要的成型方法之一。

塑料成型的原理与铸造成型的过程非常相似，但由于树脂的熔融粘度极高，仅仅是把其熔融并使之自然地流入模具中固化，是不可能制成完好的制品。

为了是熔融的树脂充分地流入模具中型腔的各个角落而获得具有复杂的形状，且其表面上没有缩痕，内部没有空洞的制品，必须在成型时对熔融树脂加上很高的压力才行。

完整的成型工艺过程包括：

成型前的准备——注塑过程——塑件后处理。

（一）成型前的准备

原材料准备包括检验及工艺性能测定、浮染色、染色粉料挤出造粒、预热干燥；装备准备包括料筒清洗、嵌件准备预热；辅料准备主要是准备脱模剂。

（二）注射过程

包括加料、塑化、注射、冷却和脱模几个步骤。

加料要定量，过多会过热降解，功率损耗大，过少会缺少传压介质生产缺陷；塑化：

塑料在料筒中加热，由固体颗粒转换成粘流态并且有良好的可塑性的过程。

塑化要求：

熔体进入型腔前要充分塑化，既要达到规定的成型温度，又要使塑化料温均匀一致，还要控制热分解物含量最低的足够熔融塑料供给连续生产。

塑化质量与塑料特性、工艺条件及设备有关。

注射：

熔融塑料填充满模具并增压使组织致密，同时保压保证补缩，螺杆几乎不动压实；柱塞开始后退，压力降至很小进行减压；型腔内尚具流动性物料向浇注系统倒流、喷嘴止逆导致浇口冻结；冷却：

浇口已冻结柱塞继续回退，加入新料，同时模具通冷水冷却；脱模，推出塑件。

（三）塑件的后处理

脱模后或机械加工后处理，消除内应力、改善性能、提高尺寸稳定性。

退火处理：

目的是注射制品在成型过程中，由于塑化不均，工艺条件波动，模腔内制品各向冷却速度不一样，会导致制件产生不均匀的结晶取向、收缩和残余内应力，对于厚壁件及带有嵌件和结晶性塑料制品尤为突出。

从而降低了制品尺寸、位置精度和力学性能，表面出现银纹、变形开裂等。

这时可通过退火处理解决。

调湿处理：

将钢脱模的塑件放在热水中以隔绝空气，防止塑件氧化，加快吸湿平衡速度，使制件的颜色、性能及尺寸得到稳定。

尼龙类塑件尤其有必要。

还有一些后处理用作塑件进行修饰，如抛光和表面涂镀。

第二章塑件的结构工艺分析

塑件的成型工艺性与模具设计有直接的关系，只有塑件的设计能适应成型工艺性的要求，才能设计出合理的模具结构，才能保证塑件顺利成型，从而达到提升产品性能、提高生产效率、降低生产成本的目的。

评价一个塑件设计的好坏，不仅在于其是否能够满足使用性能，其结构工艺性也是一个很重要的评价标准。

为了保证在生产过程中制造出理想的塑件，除应合理选用塑件材料外，还必须分析塑件的结构工艺性。

2.1塑件的几何形状分析

熟读塑件的样图，在头脑中建立清晰的塑件三维形状。

零件图形如图2.1所示，三维造型如图2.2所示。

图2.1

图2.2

从图中可以看出，该塑件外形简单规则，高度方向上有圆角台阶塑件。

无侧孔不需要侧抽芯。

2.2塑件原材料的成型特性分析

ABS是聚苯乙烯的改性产品，是日前产量最大、应用最广的工程塑料。

ABS具有突出的力学性能，坚固、坚韧、坚硬：

具有一定的化学稳定性和良好的介电性能；具有较好的尺寸稳定性，易于成型和机械加工，成型塑件表面有较好的光泽，经过调色可配成任何颜色，表面可镀铬。

其缺点是耐热性不高，连续工作温度（即耐热温度）为70℃左右，热变形温度约为93℃左右。

耐候性差，特别是耐紫外线性能不好。

在紫外线作用下易变硬发脆。

ABS可以采用注射、挤出、压延、吹塑、真空成型、电镀、焊接及表面涂饰等多种成型计算加工方法。

ABS成型性能如下：

（1）易吸水，成型加工前应进行干燥处理，表面要求高的塑件应长时间预热干燥。

（2）流动性中等，溢边值为0.04mm左右。

（3）壁厚和熔料温度对收缩率影响极小，塑件尺寸精度高。

（4）比热容低，塑化效率高，凝固也快，故成型周期短。

（5）表现黏度对剪切速率的依赖性很强，因此模具设计中大都采用点浇口形式。

（6）顶出力过大或机械加工时塑件表面会留下白色痕迹，脱模斜度宜取℃以上。

（7）易产生熔接痕，模具设计时应注意尽量减少浇注系统对料流的阻力。

（8）宜采用高料温、高模温、高注射压力成型。

在要求塑件精度高时，模具温度可控制在50~60℃；而在强调塑件光泽和耐热时，模具温度应该控制在60~80℃。

2.3塑件的结构工艺性分析

设计通常要符合公司实际的工艺条件，研究制品材料及其工艺参数、选择设备。

接着便要对塑件结构工艺性分析，塑件结构好坏直接关系到模具设计、零件缺陷情况。

为了尽量减少成型制品产生熔接痕、留痕、形变、裂纹等不合格产品缺陷，提高效率，得到力学性能优良、尺寸精度高的成型制品。

改善成型工艺条件、获得优质塑件是结构工艺设计的目的。

结构包括：

尺寸和精度、表面粗糙度、塑件形状、壁厚、加强筋、支撑面、圆角、孔、螺纹、齿轮、嵌件、文字、符号及标记等。

2.3.1塑件的尺寸精度分析

该塑件的尺寸精度都属于一般精度要求：

外形尺寸分别为：

100

、60

、8

、20

孔尺寸：

φ10

孔边距及中心距：

φ40

、φ60

2.3.2塑件的表面质量分析

塑件的表面粗糙度Ra一般为0.8~0.2μm,取决于模具型腔质量和与塑件结构

2.3.3塑件的成型工艺分析

该塑件形状不规则，上表面由多个曲面组成，四周圆角过度且无尖角存在，壁厚均匀；在内侧方有一个加强筋，要考虑内侧向分型抽芯装置；在塑件侧方有两个孔要考虑用外侧抽芯装置，为使塑件能顺利脱模，该塑件要增设1~2°的拔模斜度。

2.3.4塑件的生产批量

塑件的生产类型对注射模具结构、注射模具材料使用均有重要的影响。

在大批量生产中，由于注射模具价格在整个生产费用中所占比例较小，提高生产效率和注射模具寿命问题比较突出，所以可以考虑使用自动化程度较高、结构复杂、精度寿命高的模具。

如果是小批量生产，则应采用结构简单、制造容易的注射模具，以降低注射模具成本。

该塑件生产类型属于大批量生产。

2.4初选注射机

（1）根据塑件本身的几何形状及生产批量确定型腔数目

由于该塑件尺寸有一般精度要求，不易采用太多型腔数目，所以考虑采用一模两腔，型腔平衡布置在型腔板两侧，浇口排列和模具的平衡。

（2）计算塑件的体积和质量

通过三维造型可以计算出该塑件的体积V＝56189.1956mm

；（两件）

浇注系统的体积V=4095.039mm

；

ABS的密度为ρ=1.03g/cm

；

所以塑件加废料的总质量为M=ρ·V=1.03g/cm

x60284.2346mm

≈62.1g

（3）确定注射成型的工艺参数

根据该塑件的结构特点和ABS的成型性能，查有关资料初步确定塑件的注射成型工艺参数，如表2.1所示。

表2.1塑件的注射成型工艺参数

（4）确定模具的温度及冷却方式

ABS为非结晶型塑料，流动性中等，壁厚高，因此在保证顺利脱模的前提下应尽可能降低模具温度，缩短冷却时间，从而提高生产效率。

所以模具应该考虑采用适当的循环水冷却，成型模具温度控制在60~80℃。

（5）确定成型设备

根据以上的注射量分析以及考虑到塑料品种、塑件结构、生产批量及注射工艺参数、注射模具尺寸大小等因数，参考设计手册查阅如表2.2注射机注射规格参考。

初选XS-Z-80型柱塞式注射机（经后面中注射机的校核，XS-Z-80型柱塞式注射机能满足锁模力、安装尺寸与开模行程等各项要求，故最终选定XS-Z-80型柱塞式注射机）。

如表2.2注射机注射规格参数

2.5本章小结

本章主要对塑件零件进行了成型工艺分析。

成型工艺分析首先应该从零件的形状开始，确定所有尺寸及其精度，其次分析ABS材料的成型特征，最后计算塑件的质量，初选注射机，得出了一下结论：

（1）分析塑件的形状，可以初步确定模具的大概结构；

（2）对塑件的尺寸精度、表面质量和生产批量等分析，对塑件增加拔模斜度等设计，便于开模，对塑件三维造型，计算塑件质量，初选注塑机。

第三章塑件模具结构的设计

3.1分型面的选择

将模具适当地分成两个或几个可以分离的主要部分，这些可以分离部分的接触表面分开始能够取出塑件及浇注系统凝料，当成型时又必须接触封闭，这样的接触表面称为模具的分型面。

分型面是决定模具结构形式的重要因素，它与模具的整体结构和模具的制造工艺有密切关系，并且直接影响着塑料熔体的流动填充特性及塑件的脱模，因此，分型面的选择是注射模设计中的一个关键。

如何确定分型面，需要考虑的因素比较复杂。

由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件的结构工艺性及精度、嵌件位置、形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种因素的影响，因此在选择分型面时应综合分析比较，从几种方案中优先选出较为合理的方案。

在选择分型面时一般应遵循以下几项原则：

（1）分型面应选择在塑件外形最大轮廓处；

（2）确定有利的留模方式，便于塑件顺利脱模；

（3）保证塑件的精度要求；

（4）满足塑件的外观质量要求；

（5）便于模具加工制造；

（6）要考虑对成型面积的影响；

（7）要考虑排气效果；

（8）要考虑对侧抽芯的影响。

不论塑件的机构如何一致采用何种设计方法，都必须首先确定分型面，应为模具结构很大程度上取决于分型面的选择。

为了保证塑件能顺利分型，主分型面应首先考虑选择在塑件外形的最大轮廓线处。

最好的分型面为最大轮廓线处，如图

3.2浇注系统的设计

浇注系统是指模具中由注射机喷嘴到型腔之间的通道。

或说是引导熔融塑料填充型腔的通道。

是模具设计的重要环节，设计的成功与否直接影响成型质量（包括内在与外观）、成型效率，是模具设计者十分重视、认真研究的技术问题。

浇注系统是由主流道、分流道、浇口、冷料穴四个组成部分。

主流道垂直于模具的分型面或开模方向同向；分流道平行于分型面或垂直于开模方向；浇口处于浇道的末端与型腔相连的部分；冷料穴容纳起始注射时最先注入模具内的冷料空穴。

浇注系统设计是否合理不仅对塑件的性能、结构、尺寸、内在质量等影响很大，而且还与塑件所用的利用率、成型生产效率等相关，因此浇注系统设计是模具设计中重要的环节。

对浇注系统进行总体设计时，一般应遵循如下基本规则。

（1）了解塑料的成型性能和塑料熔体的流动特性；

（2）采用尽量短的流程，以减少热量与压力损失；

（3）浇注系统设计应有利于良好的排气；

（4）防止型芯变形和嵌件位移；

（5）便于修整浇口以保证塑件外观质量；

（6）浇注系统应结合型腔布局同时考虑；

（7）流动距离比和流动面积比的校核。

因为本塑件不是大型或薄壁塑料制件，所以无需进行流动距离和流动面积比的校核。

考虑到塑件的外观要求较低，以及一模两腔的布置、ABS对剪切速率较为敏感等因素，浇口采用方便加工修整、凝料去除容易所以采用侧浇口，模具采用单分型面结构两板模，模具制造成本比较容易控制在合理的范围内。

3.2.1浇注口位置的选择

模具设计时，浇口的位置及尺寸要求比较严格，初步试摸之后有时还需要改浇口尺寸。

无论采用什么形式的浇口，其开设的位置对塑件的成型性能及成型质量影响很大，因此合理选择浇口的开设位置是提高塑件质量的重要环节，同时浇口位置的不同还影响模具结构。

一般在选择浇口的开设位置时，需要根据塑件的结构工艺特征、成型质量和技术要求，并综合分析塑料熔体在模内的流动性、成型条件因素。

以下几项原则可以参考。

（1）尽量缩短流动距离，对于大件，尤其注意充满型腔要求较长时间时考虑增加浇口数改善流程，保证质量；

（2）浇口应开设在塑件最大壁厚处，可避免形成气泡或缩孔，有利于流动，否则充模困难；

（3）必须尽量减少或避免熔接痕，可在熔接线处开设增溢流槽；

（4）应有利于型腔中气体的排除，必要时开设排气槽，不同的材料排气槽深度不同；

（5）减少制品变形，考虑分子定向的影响；

（6）避免生产喷射和蠕动熔体破裂；

（7）不在承受弯曲或冲击载荷的部位设置浇口，避免直冲型芯造成变形、松动；

（8）浇口位置应符合外观要求。

综上所述，如图3.2所示。

图3.2浇口位置

3.2.3分流道的设计

分流道的作用是改变熔体的流向，以平稳的流态均衡的分配到各个型腔。

设计要点如下：

（1）阻力小，同时流道料少，要考虑到热量与压力的损失，阻力小充满快，要求分流道截面大些且短些；为减少浇注系统回料量，又不可过短过粗，过粗还使分流道冷却慢，增长成型周期。

而流道料要求少，又要求截面小。

所以在保证是足够压力充填条件下，断面与长度尽量小。

（2）要保证均衡进料，且分流道的断面积应等于或大于各浇口或分流道断面面积的总和；非均衡时，要考虑相适应。

（3）分流道表面不必要分光，大于1.6μm。

利于熔融塑料的面层冷却固定，达到保温绝热作用。

（4）分流道较长时，末端应开设冷料穴，以容纳流道冷料，保证质量。

（5）分流道设置一般在动模或定模一边，流动性差的塑料两边都设，考虑设计拉料。

分流道的形状有圆形、梯形、U形、半圆形、矩形浇道截面。

形状选取原则：

尽量选取表面积最小（流道表面积/体积）。

从热损失角度讲，圆形可以以最短的周长、最小的体积获得最大的表面积，即散热面积最小，熔体向模具散热慢，利于流动，所以圆形的最好。

但要分设于两块模板，吻合制造麻烦，应用并不多。

从制造来讲，梯形加工工艺性最好，且热、压损失也较小，最常采用。

而U形优缺点近于梯形；半圆形需要有球头铣刀，表面积略大于梯形和U型，因此仅少量采用；矩形表面积大，流动阻力大，故极少采用。

本案例采用的是半圆形截面分流道，在一块模板上，切削加工容易实现，且表面积适中，热量损失和阻力不太大。

查阅有关经验表格得ABS得分流道推荐直径为φ4.8~12mm，取φ10mm，据此，该模具的分流道设计如下图3.5所示，分流道高为6mm。

图3.