行星齿轮的注塑模具设计.doc
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引言
伴随着全世界范围内机械加工技术的发展和计算机技术的进步,模具工业已是高新技术产业化的重要领域。
例如，在电子产品生产中，制造集成电路的引线框架的精密级进冲模和精密的集成电路塑封模，计算机的机壳、插件和许多元件器件的制造中的精密塑料模具、精密冲压模具等，都是产品生产不可或缺的工具装备。
精密模具已使模具行业成为一个与高新技术产品互为依托的产业。
1996年至2002年间，我国模具制造业的产值年平均增长14%左右，2003年增长25%左右，沿海一带城市的增长在25%以上。
而近几年来，我国模具技术有了很大发展，模具技术有了很大的提高。
生产的模具有些已接近或达到国际水平。
大型、精密、复杂、高效和长寿命模具又上了新台阶。
虽然在很多方面我国的模具有了很大的发展，但仍有很比较突的问题。
目前模具设计及模具制造大都依靠设计的经验进行设计。
模具的好坏完全由个人的平时累计的经验控制。
这样使得模具设计的周期长，效率低且模具的质量也难以保证。
模具工业除需要“高技艺”的从业人员外，还需要更多的“高技术”来保证。
本文就是以提高模具设计效率，缩短设计周期，降低模具成本，保证模具质量为目的，试探性的研究三维技术在冲压模具中的应用与开发。
1
全套CAD图纸等，联系
2绪论
2.1模具概述
塑料，Plastic,是以高分子合成树脂为主要成分，在一定的温度和压力下，可塑成一定形状且在常温下保持形状不变的材料。
模具，mould，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具。
成型塑料制品的模具叫做塑料模具。
对塑料模具的全面要求是：
能生产出在尺寸精度、外观、物理性能等各方面均能满足使用要求的优质制品。
从模具使用的角度，要求高效率、自动化、操作简便；从模具制造的角度，要求结构合理、制造容易、成本低廉。
注射成型生产中使用的模具称为注射成型模具，简称注射模，也称为注塑模。
注射模主要适用于热塑性塑料的成型加工，近年来也逐渐用于加工部分热固性塑料塑料制件。
注射模具有很多优点，如对塑料的适应性较广，塑料制件的外观质量较好，生产效率特别高，易于实现自动化生产等，广泛用于塑料制件的生产中。
注射模具的结构由塑件的复杂程度及注射机的结构形式等因素决定。
注射模具可分为动模和定模两大部分，定模部分安装在注射机的固定模板上，动模部分安装在注射机的移动模板上，注射时动模与定模闭合构成浇注系统和型腔，开模时动模与定模分离，由推出机构推出塑品。
根据模具上各个零部件所起的作用注塑模具一般有以下几部分组成：
定模机构、动模机构、浇注系统、导向装置、顶出机构、抽芯机构、冷却和加热装置、排气系统等。
注塑成型全过程分为：
塑化过程、充模过程、冷却凝固过程、脱模过程，由这四个过程就形成了一个循环，完成了一次成型一个乃至数十个塑件的过程。
1.1.1我国模具业存在的问题
1、模具水平落后
在模具制造水平上，虽然我国有些设备已达到或接近世界先进水平，但总体上要比德、美、日、法、意等，发达国家落后许多。
国内模具的使用寿命只有国外发达国家的1/2至1/10，甚至更短。
模具生产周期却比国际先进水平长许多。
此外，开发能力较差，经济效益欠佳；与国际水平相比，模具企业管理上的差距更大。
标准化、专业化、商品化程度低，模具材料及模具相关技术落后，也是造成与国外先进水平差距大的重要原因。
模具材料性能、质量和品种是影响模具质量、寿命和成本的重要因素。
国产模具钢品种、规格不齐全，低档次产品多，高质量、高性能的高端产品少，加工高端模具所需的模具钢相当部分依赖进口，加工模具所需的其他材料诸如塑料、板材的性能也不如人意，加之工艺设备落后，直接影响国产模具水准的提高。
2、装备水平落后
近年来，我国机床行业已经能够为模具制造业提供比较成套的精密加工设备，但与国外装备相比，差距仍然较大。
模具企业总的工艺装备水平比国外发达国家落后，特别是设备数控化率、CAD/CAM应用覆盖率要比国外企业相差许多。
3、高端模具依赖进口
我国技术含量低的模具已供过于求，市场利润空间狭小，而技术含量较高的中、高档模具还远不能适应国民经济发展的需要，精密、复杂的冲压模具和塑料模具、轿车覆盖件模具、电子接插件等电子产品模具等高档模具仍有很大一部分依靠进口。
近五年来，我国平均每年进口模具约11.2亿美元，2003年就进口了近l3.7亿美元的模具，这还未包括随设备和生产线作为附件带进来的模具。
国内模具自配率只有70%左右。
其中，市场上中低档模具供大于求，而中高档模具自配率只有50%。
4、出口太少
近几年，世界模具市场总量一直保持在600亿-650亿美元，美国、日本、法国、瑞士等国一年出口的模具约占本国模具总产值的1/3，而我国模具的出口量极少，虽已向香港、东南亚地区出口模具标准件，但其数量极为有限。
5、专业化水平低
我国的模具行业，能被称作龙头企业的少之又少。
长期以来，我国企业受大而全、小而全的影响，企业内部设一个模具生产车间，生产的模具为自己企业服务，这就造成了模具专业厂很少，即使有专业模具厂，规模也不大。
汽车工业正在高速发展，市场又急需精密、性能稳定的大型模具，虽然有一汽模具制造公司等几家大型模具公司的努力，对行业有所带动，但其真正的龙头作用，很难体现。
6、税负过重
模具行业是增值率高、增值税负较重的基础产业。
据国家税务总局对l万多家工业企业流转税平均负担率的统计，模具行业比其他行业高出5.07个百分点，这与现代模具产业高投入的产业特点不协调，制约了模具工业的发展。
1.1.2促进我国模具业发展的措施
为缩短与国际先进水平的差距，中国模具工业协会副秘书长周永泰认为，制定和完善模具标准，组织模具标准件大批量、规模化生产，提高模具标准件使用覆盖率，加快人才培养，争取国家的政策扶持，提高制造装备水平等，是促进我国模具发展的当务之急。
其主要措施是：
（1）培养模具人才；
（2）注重结构调整；
（3）促进模具标准化；
（4）发展精密模具；
（5）加大设备投资。
1.1.3我国模具业的发展趋势
目前，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。
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，而且一定会逐步向模具制造强国的行列迈进。
“十一五”期间，中国模具工业水平不仅在量和质的方面有很大提高，而且行业结构、产品水平、发创新能力、企业的体制与机制以及技术进步的方面也会取得较大发展。
模具技术集合了机械、电子、化学、光学、材料、计算机、精密监测和信息网络等诸多学科，是个综合性多学科的系统工程。
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、产批品牌化、管理信息化、经营国际化的方向发展。
我国模具行业今后仍需提高的共性技术有：
建立在CAD/CAE平台上的先进模具设计技术，提高模具设计的现代化、信息化、智能化、标准化水平。
建立在CAH/CAPP基础上的先进模具加工技术与先进制造技术相结合，提高模具加工的自动化水平与生产效率。
模具生产企业的信息化管理技术。
例如PDH（产品数据管理）、ERP（企业资源管理）、HIS（模具制造管理信息系统）及INTERMET平台等信息网络技术的应用、推广及发展。
高速、高精、复合模具加工技术的研究与应用。
例如超精冲压模具制造技术、精密塑料和压铸模具制造技术等。
提高模具生产效率、降低成本和缩短模具生产周期的各种快速经济模具制造技术。
先进制造技术的应用。
例如热流道技术、气辅技术、虚拟技术、纳米技术、高速扫描技术、逆向工程、并行工程等技术在模具研究、开发、加工过程中的应用。
原材料在模具中成形的仿真技术。
先进的模具加工和专有设备的研究与开发。
模具及模具标准件、重要辅件的标准化技术。
模具及其制品的检测技术。
优质、新型模具材料的研究与开发及其正确应用。
模具生产企业的现代化管理技术。
模具行业在“十一五”期间需要解决的重点关键技术应是模具信息化、数字化技术和精密、超精、高速、高效制造技术方面的突破。
随着国民经济总量和工业产品技术的不断发展，各行各业对模具的需求量越来越大，技术要求也越来越高[2]。
虽然模具种类繁多，但其发展重点应该是既能满足大量需要，又有较高技术含量，特别是目前国内尚不能自给，需大量进口的模具和能代表发展方向的大型、精密、复杂、长寿命模具。
模具标准件的种类、数量、水平、生产集中度等对整个模具行业的发展有重大影响。
因此，一些重要的模具标准件也必须重点发展，而且其发展速度应快于模具的发展速度，这样才能不断提高我国模具标准化水平，从而提高模具质量，缩短模具生产周期，降低成本。
由于我国的模具产品在国际市场上占有较大的价格优势，因此对于出口前景好的模具产品也应作为重点来发展。
根据上述需要量大、技术含量高、代表发展方向、出口前景好的原则选择重点发展产品，而且所选产品必须目前已有一定技术基础，属于有条件、有可能发展起来的产品。
2.2计算机软件概述
AutoCAD是美国 Autodesk公司开发研制的一种通用计算机辅助设计软件包，它在设计、绘图和相互协作等方面展示了强大的技术实力。
由于其具有易于学习、使用方便、体系结构开放等优点，因而深受广大工程技术人员的喜爱。
其有七个特点：
（1）具有完善的图形绘制功能。
（2）有强大的图形编辑功能。
（3）可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。
（4）可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力。
（5）支持多种硬件设备。
（6）支持多种操作平台
（7）具有通用性、易用性，适用于各类用户此外，从AutoCAD2000开始，该系统又增添了许多强大的功能，如AutoCAD设计中心（ADC）、多文档设计环境（MDE）、Internet驱动、新的对象捕捉功能、增强的标注功能以及局部打开和局部加载的功能，从而使AutoCAD系统更加完善,已经集平面作图、三维造型、数据库管理和渲染着色等功能于一体，并提供了丰富的工具集。
所有这些功能使得用户不仅能够轻松快捷地进行设计工作，还能方便地复用各种已有的数据，从而极大地提高了设计效率。
如今，AutoCAD在机械、建筑、电子、纺织、地理和航空等领域得到了广泛的使用。
AutoCAD在全世界150多个国家和地区广为流行，占据了近75％的国际CAD市场。
全球现有近千家，AutoCAD授权培训中心，每年约有10多万名各国的工程师接受培训。
此外，全世界大约有十多亿份DWG格式的图形文件在被使用、交换和存储。
其他大多数CAD系统，也都能够读人DWG格式的图形文件。
可以这样说，AutoCAD已经成为二维CAD系统的标准，而DWG格式文件已是工程设计人员交流思想的公共语言
2.3本设计工作
本设计的工作分三大部分：
第一，设计了行星齿轮的注塑模具及其结构；第二，用计算机以及Pro/E,AutoCAD等专业软件绘制了各零部件的图形，及总装配图；第三，完成说明书的编写。
3零件分析及模具结构设计
3.1零件的作用
题目所给零件为一带金属嵌件的塑料行星齿轮，其用于家用或办公用机械，功率很小，但要求传动平衡，低噪音或无噪音，以及能在少润滑或无润滑状态下正常工作。
该零件在其受力较大的部位镶入金属嵌件，这样可以对塑料齿轮起到增强作用，并由于金属嵌件的加入，塑料齿轮的成型收缩也将减小，齿轮精度提高。
该零件尺寸较小，同轴度要求精度较高，按照其工作要求，其精度等级可选用一般精度等级。
3.2材料的选择
根据零件工作要求及其精度等级，该零件选用PA66塑料成型。
其中，PA为聚酰胺的缩写，又名尼龙。
PA66齿轮具有较高的力学强度和刚性，优良的耐磨性，自润滑性、耐疲劳性及耐热性，可在中等载荷、较高温度无润滑或少润滑下使用。
根据[1]表2-20塑料精度等级的选用，PA66的一般精度要求为5级。
3.3塑料成型特点及条件
PA66熔体粘度低、流动性好，容易产生飞边。
成型加工前必须进行干燥处理；易吸潮，塑件尺寸变化较大；壁厚和浇口厚度对成型收缩率影响很大，所以塑件壁厚要均匀，防止产生缩孔，一模多件时，应注意使浇口厚度均匀化；成型时排出的热量多，模具上设计冷却均匀的冷却回路；熔融状态的尼龙热稳定性较差，易发生降解使塑件性能下降，因此不允许尼龙在高温料筒内停留时间过长。
PA66的成型条件如下表2.1：
表2.1PA66的成型条件
密度
计算收缩率
（%）
加热前料筒温度（）
模具温度
成型压力
预热
后处理
宜用注射机类型
1.15
1.5～2.2
喷嘴
料筒前部
料筒中部
料筒后部
80
70～120
温度
时间
方法
温度
时间
宜用螺杆式注射机，螺杆带止回环，喷嘴宜用自锁式
265
260
250
240
100～110
12～16
油、水、盐水
90～100
4
3.4模具结构设计
因为该制品的同轴度要求精度较高，因此，对结构中的各个零部件的设计与加工都必须相应地提出尺寸与形状的公差精度。
特别是定模板、动模板、动模垫板、前垫板和推杆固定板等上的型孔、导孔以及定位孔等，均要求靠精密坐标镗床加工。
制品中的冶金粉末嵌件与主型销配合，由于其配合精度需要高，为保证产品能在被推管顶出型腔后能取出，又不至影响下个成型周期前将嵌件套入，故主型销的前段比定位段（嵌件长度的三分之二左右）的配合精度低一个等级。
由于该制品尺寸很小，故将其型腔另外做成齿腔镶圈，并把镶圈设计成镶块嵌入，以便其线切割或插齿加工。
2.5单分型面注射模的工作原理
模具合模时，在导柱和导套的导向定位下，动模和定模闭合。
型腔由定模板上的型腔与固定在动模板上型芯组成，并由注射机合模系统提供的锁模力锁紧。
然后注射机开始注射，塑料熔体经定模上的浇注系统进入型腔，带熔体充满型腔并经过保压、补塑和冷却定型后开模。
开模时，注射机合模系统带动动模后退，模具从动模和定模分型面分开，塑件包在型芯上随动模一起后退，同时，拉料杆将浇注系统的主流道凝料从浇口套中拉出。
当动模移动一定距离后，注射机的顶杆接触推板，推板机构开始动作，使推杆和拉料杆分别将塑件及浇注系统凝料从型芯和冷料穴中推出，塑件在浇注系统凝料一起从模具中落下，至此完成一次注射过程。
合模时，推出机构靠复位杆复位并准备下一次注射
4注射机的选用及校核
3.1注射机的选用
注射机是塑料注射成形所用的设备。
3.2制品的体积估算
将该行星齿轮塑件的体积分成四部分：
冶金粉末嵌件中间凹陷处、塑件中间圆环及塑件两边齿轮、。
如图3.1
图3.1行星齿轮子
3.3根据体积选注射机
则由[2]表5-1常用热塑性塑料注射机型号和主要技术规格初选型注射机
如下表二所示：
表3.1注射机主要技术参数
理论注射容积
螺杆直径
注射压力（）
模板行程
模具最大厚度
顶出行程
喷嘴孔直径
实际注射量
锁模力KN（）
模具最小厚度
定位孔直径
喷嘴球半径
58
26
160
220
240
40
4
53
400
130
12
3.4注射机的校核
4.4.1注射量的校核
则：
在一个注射成型周期内，需注射入模具内的塑料熔体的质量，应为制件和浇注系统两部分质量之和，即：
根据生产经验，注射机的最大注射量是其额定注射量的80%，即：
式中：
——一个成型周期内所需注射的塑料质量；
——型腔数目，取；
——单个塑件的质量；
——浇注系统凝料和飞边所需的塑料质量取；
——注射机额定注射量；
则有：
4.4.2锁模力的校核
由于高压塑料熔体充满型腔时，会产生一个沿注射机轴向的很大的推力，这个力应小于注射机的公称锁模力，否则将产生溢料现象
锁模力是在成型时锁紧模具的最大力。
成型时高压熔融塑料在分型面上显现的涨力应小于锁模力，即：
式中：
——注射机的额定锁模力；
——塑料制品与浇注系统在分型面上的总投影面积；
——熔融塑料在型腔内的平均压力；对于螺杆式注射机，其型腔内平均压力一般为，取；
——安全系数，常取；
其中：
塑料制品在分型面的投影面积为:
主流道在分型面的投影面积为:
分流道在分型面的投影面积为:
故总投影面积为:
则有:
故满足条件.
4.4.3最大注射压力的校核
塑件成型所需的最大注射压力应小于注射机的额定锁模力，即：
式中：
——注射机的最大注射压力；
——成型塑件所需的注射压力；
注射机的额定注射压力为160；
而PA66材料的注射压力为70～120；
故有：
4.4.4注射机安装模具部分的尺寸校核
4.4.4.1喷嘴尺寸
模具主流道衬套的小端孔径D和球面半径R要与塑料注射成型机喷嘴前端孔径d和球面半径r满足下列关系：
保证注射成型时在主流道衬道处不形成死角，无熔料积存，并便于主流道凝料的脱模。
故有：
4.4.4.2定位孔尺寸
模具与注射机上定位孔为，两者按配合实现定位，以保证模具主流道的轴线与注射机喷嘴轴线重合。
4.4.4.3模具厚度与注射机模板闭厚度
模具闭合时的厚度在注射机动、定模固定板之间的最大闭合高度和最小闭合高度之间，即：
式中：
——注射机允许的最小模具厚度；
——模具闭合厚度；
——注射机允许的最大模具厚度；
其中模具闭合厚度为：
故有：
4.4.5开模行程的校核
注射机的开模行程是有限制的，塑件从模具中取出时所需的开模距离必须小于注射机的最大开模距离，否则塑件无法从模具中取出。
开模距离一般可分为两种情况:
一是当注射机采用液压机械联合作用的锁模机构时，最大开模行程由连杆机构的最大行程决定，并不受模具厚度的影响即注射机最大开模行程与模具厚度无关；二是当注射机采用液压机械联合作用的锁模机构时，最大开模行程由连杆机构的最大行程决定，并受模具厚度的影响即注射机最大开模行程与模具厚度有关。
对于单分型面注射模，其最大开模行程应满足：
式中：
——注射机最大开模行程；
——塑件脱模距离；
——包括浇注系统凝料在内的塑件高度；
则有：
其中：
注射机最大开模行程与模具厚度无关。
5浇注系统设计
浇注系统的设计需要考虑到以下几点：
1。
考虑塑料的流动性，保征流体流动顺利，快，不紊乱。
2。
模穴的配置（排部）尽量采用平衡配置，模穴与浇口的位置力求平衡，以防止模具承受偏载，而产生溢料现象。
3。
避免熔体正面冲出小直径型芯或脆弱的金属镶件。
4。
进料口的位置和形状要结合塑件的形状和技术要求确定。
5。
流道末端必须设计冷料井，以防止冷料随流道系统进入型腔造成成品成型缺陷。
6。
一模多腔时，防止大小相差悬殊的制件放一模内。
7。
结合线的位置，主要是由浇注系统的设计决定的，在成品上额外加肉厚，减肉厚及辅助流道。
可以在补调整浇口位置的情况下，改变结合线的位置
8.浇注系统的距离应尽量的短，以减小塑胶流动过程中的压力降和成型的周期。
9.浇注系统的体积应尽量小，以减少成本上浪费
10.进浇中心与顶出中心要同心
5.1主流道设计
主流道是指从注射机的喷嘴与模具接触的部位起到分流道为止的一段流道。
主流道横截面形状采用圆形截面。
为了便于流道凝料的脱出，主流道设计成圆锥形，其锥度为，取，内壁光滑，表面粗糙度小于。
主流道大端与分流道相接处应有过渡圆角（通常取，选用）以减少料流转向时的阻力。
对于小型注射模具，直接利用主流道衬套的台肩作为模具的定位圈，定位圈与浇口套一体，压配于定模板内，能防止从定模板内顶出。
且因定位圈直径D为注射机定位孔配合直径，应按选用注射机的定位孔直径确定。
直径一般比注射机定位孔直径小，以便于装模，故选浇口套上D为：
，浇口套结构与尺寸参数如零件图所示。
5.2冷料井设计
在每个注射成型周期开始时，最前端的料接触低温模具后会降温，变硬被称为冷料。
为了防止在下一次注射成型时，将冷料带进型腔而影响塑件质量，一般在主流道或分流道的末端设置冷料井，以储藏冷料并使熔体顺利地充满型腔。
为了使主流道凝料能顺利地从主流道衬套中脱出，往往使冷料井兼有开模时将主流道凝料从主流道拉出而附在动模一边的作用。
先选用Z形拉料杆的冷料井，其结构尺寸如下图4.1所示：
图4.1Z形拉料杆的冷料井
5.3分流道设计
分流道是主流道与型腔浇口之间的一段流道。
它是熔体由主流道流入型腔的过渡通道。
对于多型腔模需设分流道，为使各型腔内能同时填充，分流道采用平衡式布置。
比较不同截面形状分流道的性能，采用U形分流道，其热量损失小，加工性能容易。
U形分流道宽度可在内选取，
半径，
深度，
；
斜度
取：
；；
；；；
5.4浇口设计
浇口是料流进入型腔最狭窄部分，也是浇注系统中最短的一段。
浇口尺寸狭小且短，目的是使由分流道流进的熔体产生加速，形成理想的流动状态而充满型腔，又便于注射成型后的塑件与浇口分离。
其浇口位置选取原则为：
1、考虑定向对塑件性能的影响；一般来说，沿分子取向方向的收缩率、强度和应力开裂要大于垂直方向。
应用如：
采用多浇先或改变位置来改善翘曲以及利用取向设计铰链等。
2、避免熔体破碎现象在塑件上产生缺陷；
喷射：
当熔体进行高速充模时，受离模膨胀影响，造成熔体表面粗糙，且在模内形成蛇形流动，甚至产生熔体破碎（挤出时，随的增加，大分子链被完全拉直，呈现出较大的弹性性质，也导致熔体无法保证稳定的层流而呈失稳状态，此时出模料会变得粗细不均，粗糙无光泽、如再增加，则熔体呈波浪形，甚至断裂成碎片即熔体破碎）
喷射的形成：
主要是小浇口正对大型腔的情况。
造成的缺陷：
（1）造成折叠，产生波浪状痕迹。
（2）喷出的高度定向细丝或很快变硬的断裂物不能很好与后进的熔体熔合，形成缺陷。
（3）使腔中气体难于顺序排出，形成气泡或焦痕。
其避免措施为：
（1）增大浇口断面尺寸。
（2）避免小浇口正对大型腔。
（3）护耳式。
3、有利于流动、排气和补料；——熔体流动原则：
充满阻力最小的空间。
因此：
尽量开设在截面嘴厚处，同时也有利于补缩，浇口位置也与排气系统相配合。
有加强筋时可利用加强筋（沿料流方向开设）来改善流动。
4、减少熔接痕增加熔接牢度；
（1）减少浇口数（保证充填及质量）——减少熔接痕，如圆环式和轮辐式
（2）开设冷料井——增加熔接牢度
5、防止将型芯或嵌件挤歪变形；
6、校核流动距离比。
尽量缩短流动距离
本设计中浇口形式采用侧浇口，其形状简单，便于加工，而且尺寸精度容易保证；适用于一模多件，能提高生产效率；试模时，如发现不适当，容易及时修改；能相对独立地控制充填速度与封闭时间。
侧浇口截面形状为矩形，其尺寸参数如下：
式中：
——浇口深度，通常；
——塑件在浇口位置处的壁厚；
——系数，对于PA，；
——浇口宽度；
——浇口长度；
——浇口半径；
则有：
；
取：
；；
为去浇
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