字盘注塑模具毕业设计.docx
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字盘注塑模具毕业设计
字盘注射模具设计
摘要
介绍了字盘注射模具的设计，根据PC塑料成型的工艺特性和产品的使用要求，对产品进行详细的工艺分析。
并在设计工作前进行资料搜集汇总，将搜集的资料结合字盘的特点，列出可行的几个草案，和考虑各方案将面临的问题。
并最终敲定可行性最高的草案作为实行方案，然后开始着手于模具设计。
其中包括利用Pro/E软件对字盘进行三维造型，分析测量其基本属性，包括体积和平面投影面积；利用模流分析软件对工件进行注塑工艺分析,寻找最佳浇口和成型条件；之后完成注塑机的选用和校核、模具设计和型腔的排布，侧抽芯机构的的设计和模具总体结构的设计等；之后按选定方案在CAD中初步绘制模具的二维装配图，再利用三维软件绘制模具立体图，通过更直观的方式观察模具，以改进其结构，使方案进一步完善；最后将三维模型导出至二维零件图，添加标注、公差及技术要求，并编写说明书，完成一套完整的模具设计过程。
关键词：
注射模具字盘三维造型侧抽芯机构
LetterpressWheelInjectionMouldDesign
Abstract
Thisarticleismainlyintroducetheandmanufacturing,accordingtothePCplasticmoldingprocesscharacteristicsandusingrequirements,adetailedtechnicalanalysiswascarriedoutontheproducts.SeekandgatherdatabeforestartingtheworkthencombinethesedatawiththecharacteristicsofLetterpressWheelandListsseveralfeasibleprotocols,selectthebestoneasschemebyconsiderthepotentialproblemsineveryprotocol.Thenembarkonmolddesign.Thedesignisincluding3DmoldingbyPro/Eandprocessanalysistoseekforbestinjectionspotandinjectionconditionbymoldflow.Afterthat,finishtheassignmentofselectionandverificationofinjectionmoldingmachine,molddesigningandcavityarrangement,sidecore-pullingmechanismdesigningandoverallstructuredesigningtodrawingthe2Dassemblydrawing.Designthe3Dmodelwithassemblydrawing.Wecanseethestructureclearlyby3Dandeasytoimprovethedefect.Atlast,exportthe3Dmodelto2Ddrawing,adddimensions,deviationsandtechnicalrequirementtoitandwritethedirectionstogenerateacompletesetofmolddesignprocess.
Keywords：
Injectionmould;LetterpressWheel;3Dmolding;Sidecore-pullingmechanism
1.零件分析
1.1零件结构分析
塑料件为记录仪或仪器上的刻字字盘，所用材料为PC，收缩率为1.005。
外观要求：
字体清晰，无明显缺陷，外形如图1.1所示。
图1.1制件图
以上为字盘二维尺寸图及三维图，从外形看，字盘为直壁结构，较为简单。
但是周向有24个外凸字体，字体高度1mm，精度要求较高。
根据要求构建三维模型，设计拔模斜度10，在Pro/E5.0中利用分析测量工具测得字盘的体积为16.1cm3，平面投影面积为27.42cm3。
1.2零件材料及其特性分析
1.2.1零件的材料及特点
此零件的材料是PC，即聚碳酸酯，为五大工程塑料之一，为非结晶性热塑性塑料，无色透明，耐热，抗冲击，阻燃能达到BI级，有良好的机械性能，成形收缩率低、精度高，尺寸安定性良好，密度约为1.2g/cm3。
1.2.2注射成型工艺参数
（1）模具温度：
50～80℃；
（2）注射压力80～145Mpa；
（3）收缩率：
0.4～0.6%；
（4）适用注塑机类型：
螺杆式
2.方案规划
2.1模具结构要素
一般注射模具包含以下几类机构:
（1）浇注系统
（2）成型零件
（3）分型与抽芯机构
（4）导向机构
（5）排气系统
（6）冷却和加热装置
（7）固定和支承机构
2.2主要结构问题
字盘的模具结构也大体由以上各机构组成，本次设计关键的设计部位在于抽芯机构，如果制件有多个方向上的侧抽芯，一般采用周向抽芯机构。
在本设计中，字盘有24个外凸字体，形成一个圆周，字体要随时能更换，所以需要相对应的24个可拆卸侧抽芯，对脱模机构的设计要求很高，另外字盘较小，使得24个脱模机构会相对紧凑，在顺利脱模的同时如何保证模板强度也是个需要考虑的问题。
2.3方案的论证和初步确定
2.3.1方案一：
斜导柱+滑块
这种机构滑块更换方便，成型精度也有保证，但是滑块的外侧复位机构也需要24个，而且需要均与排布，在矩形的模架上的排布缺少可行性，如图2.1所示
图2.1斜导柱+滑块
2.3.2方案二：
斜滑块（顶杆+梯形滑块）
该种方案采用梯形滑块抽芯，滑块上开导滑槽，利用推杆推动滑块，依靠弹簧复位。
但是因为制件形状较小，24个滑块和它的复位弹簧在模板上形成的环形分圆周布非常密集，导致滑块尺寸过小，并会极大地削弱模板强度，如图2.2所示。
图2.2斜滑块
2.3.3方案三：
斜顶（斜梢+楔杆）
这种机构通过楔杆推动斜梢，完成脱模动作，运动稳定性很高，更换型芯方便，而且模具的强度也有保证。
符合要求，如图2.3所示。
图2.3斜顶
综上考虑，采用方案三。
与上两种方案相比，虽然制造要求相对较高，但制造可行高，能保证模具强度和字头成型质量，并且能随时更换字头。
3.注塑机选择及校核
3.1注塑体积估算
（1）计算零件体积
因为该零件带有字体，非可测量尺寸，制作三维模型后，利用Pro/E5.0的分析功能求出字盘体积约为16.1cm3
（2）估算流道的体积（根据参考文献[1]公式6-2）
V2=0.06V塑（式3.1）
=0.06×16.1cm3
≈0.966cm3
（3）估算总注射量
M=ρ×（V1+V2）（式3.2）
=1.05×（16.67+1）cm3
≈17.07cm3
3.2注塑机的选择
3.2.1选择注射机
已知PC的注射压力为80～145Mpa，宜用螺杆式注射机，考虑到本制件非大量生产，并且为了提高制件成型质量，本设计中选用立式注塑机。
这里选用东莞铭辉塑胶机械的MH-35T型注塑机
3.2.2注塑机参数
（1）螺杆直径：
ø28
（2）最大理论注射量：
71cm3
（3）注射压力：
142MPa
（4）开模行程：
215mm
（5）螺杆行程：
116mm
（6）模具厚度：
145～360mm
（7）锁模力：
343000N
（8）模板尺寸：
500×340mm
顶出行程:
35mm
3.3模架初选
根据制件的大小及初选的注塑机型号，以及之后的型腔及侧抽芯排布需要，初选用龙记2325-CI-A50-B70大水口模架
3.4注塑机的校核
（1）最大注塑量效核（根据参考文献[2]公式5.4）
V塑件+V流道≤V机×80%（式3.3）
16.67+1≤71×80%，符合要求
（2）注射压力的效核
PS的注塑压力为80～145MPa，注塑机最大注射压力142Mpa符合要求。
（3）锁模力效核（根据参考文献[2]公式5.3）
型腔压力：
Pc=KP=0.3×142Mpa=42.5MPa（式3.4）
（P为注射压力；K为压力损耗系数，通常为0.25～0.5）
额定锁模力：
KPcA=1.1×42.5Mpa×29.06cm3=123.5KN（式3.5）
（T为额定锁模力：
343KN）
（A为塑件和流道系统在分形面上的投影面积：
29.06cm2）
（K为安全系数，通常取1.1～1.2）
T >KPcA成立！
符合要求
（4）模具厚度校核
根据初选的标准模架，模具厚度大约在220～280mm左右，在该注塑机要求的模具厚度范围为（145～360mm）之内。
符合要求
（5）开模行程的效核
开模取出塑件所需的开模距离必须小于注塑机的最大开模行程。
对于单形面的注塑模具，其开模行程按下式效核：
（根据参考文献[2]公式5.6）
S机-（H模-H最小）≥H1+H2+（5～10）（mm）（式3.6）
S为注塑机的最大行程：
215mm；
H模为模具高度；
H最小为注塑机最小闭合厚度；
H1为塑件的脱模距离：
35mm；
H2为包括流道在内的塑件高度：
取50mm；
215-（250-145）≥35+50+10（mm），符合要求
通过以上各方面的效核可知该注塑机MH-35T符合使用要求。
3.5成型腔数的确定
（1）从模具结构上考虑，制件虽然不大，但是考虑到为周向抽芯机构，不适合一模多腔，应采用一模一腔的模具结构；
（2）从制件产量考虑，这是一个不常见的产品，记录仪器的产量决定了字盘的产量不需要很高，一模一腔已能满足要求，成本也小；
（3）从制件成型质量来考虑，一模一腔比一模多腔的成型质量高，有利于提高冲印字头的成型质量。
综上所述，采用一模一腔结构。
4.浇注系统的设计
4.1浇注系统的组成
浇注系统组成是：
主流道、分流道、浇口、冷料井。
4.2浇注系统的要求
设计浇注系统一般有一下几点要求：
（1）能迅速填充满型腔；
（2）尽可能同时填满各型腔；
（3）减少料流的热量损失；
（4）节约塑料粒子；
（5）有利于型腔内气体排出；
（6）流道应便于与制件分离
（7）浇口痕迹小。
4.3浇注系统的设计
4.3.1主流道和浇口套设计
主流道通常位于模具的入口处，其作用是将注塑机的喷嘴注出的塑料熔体导入分流道以及型腔，这里选用的注入口直径为3mm。
浇口套进口的直径d应比注射机喷嘴孔d1直径大1～2mm。
浇口套和定位圈的安装如图4.1所示。
图4.1浇口套和定位圈的安装
4.3.2分流道设计
分流道的截面形状：
常用的分流道截面形状有圆形截面、梯形截面、六角形截面和U字型截面等。
考虑制件尺寸大小和塑件形状，分流道放置在制件中心的凹槽出，因为制件不大，选用4mm半圆形分流道
4.3.3浇口设计
综合考虑塑件的形状，为保证制件表面质量和减少中孔毛刺，采用潜伏式浇口，并安排在字盘内侧卡槽较长的方向，如图4.2所示。
图4.1流道和浇口排布示意图
5.成型零件结构设计
5.1分型面的设计
5.1.1分型面的分类
（1）型腔完全在上模
（2）型腔完全在下模
（3）各有一部分在上下模
5.1.2分型面的选择原则
（1）塑件脱模方便；
（2）模具结构简单；
（3）排气顺利；
（4）保证塑件质量；
（5）保证塑件外观；
（6）充分利用设备。
5.1.3分型面的确定
鉴于以上要求和字盘直壁形状的特点，分型面取在字盘的上平面，便于开模取件，和侧抽芯的排布，也简化了上模的加工。
5.2型腔的分布
抽芯机构一般为便于运动会设计在下模，从制件外形看，为使成型质量有保证，不产生飞边等缺陷，型腔部分最好安排在抽芯同一侧，另外抽芯机构的运动依赖于下模顶出板的运动，所以型腔设计在下模。
5.3凹模的结构设计
凹模按其结构的可分为整体式、整体嵌入式、局部镶嵌式和四壁镶嵌式。
该模具有24个侧抽芯，型腔结构较为复杂，为便于加工和拆卸侧抽芯，采用整体嵌入式型腔。
为了保证模具精度，镶嵌式采用钢材为3Cr2Mo（P20），这种钢材经过预硬化处理，能直接使用，避免了热处理引起的模具变形。
若要大量生产，可通过淬火+低温回火加硬型腔，以提高其耐磨性和寿命。
5.4凸模的结构设计
凸模用于成型塑件的内表面，又称型芯、阳模。
凸模按结构一般可分为整体式和镶拼组合式两类。
由于该塑件凸模侧只做合模平面，故采用整体式即可。
5.5成型零件工作尺寸的计算
影响模具尺寸和精度的因素主要包括以下几个方面：
（1）成形收缩率
（2）成形零件制造误差
（3）零件磨损和配合间隙
模腔工作尺寸的计算方法有平均收缩率法和公差带法两种。
其中平均收缩率法以平均概念进行计算，从收缩率的定义出发，按塑件收缩率、成形零件制造公差、磨损量都为平均值的计算
收缩率计算：
（根据参考文献[2]公式7.4）
Scp=（0.4+6.5）%/2=0.5%（式5.1）
型腔的尺寸计算：
（根据参考文献[2]公式7.6）
D=[d（1+Scp）-（0.5～0.75）Δs]+δz（式5.2）
型腔的尺寸计算：
（根据参考文献[2]公式7.7）
D=[d（1+Scp）+（0.5～0.75）Δs]-δz（式5.3）
根据塑件的尺寸公差的要求，模具的制造公差取δz=Δs/3。
根据GB-T14486-93常用材料模塑胶公差等级选用，精度等级要求较高的PC件取MT2级公差精度。
尺寸计算见表5.1；成型零件尺寸编号见图5.1。
表5.1成型零件尺寸计算
编号
塑件尺寸
计算公式
型腔或型芯尺寸
型芯尺寸
D1
φ20
D1=（20+20×0.005+3/4×0.20）-0.20/3
φ20.25+0-0.07
D2
8
D2=（8+8×0.005+3/4×0.14）-0.14/3
8.15+0-0.04
D3
30
D3=（30+30×0.005+3/4×0.22）-0.22/3
30.32+0-0.07
型腔尺寸
D4
φ60
D4=（60+60×0.005-3/4×0.3）+0.3/3
φ60.07+0.10-0
D5
4.8
D5=（4.8+4.8×0.005-3/4×0.12）+0.12/3
4.83+0.04-0
D6
66
D6=（66+66×0.005-3/4×0.34）+0.34/3
66.17+0.09-0
D7
6
D6=（6+6×0.005-3/4×0.14）+0.14/3
6.02+0.05-0
图5.1成型零件尺寸编号
5.6型腔板的设计和校核
塑料模具型腔在成型过程中受到熔体的高压作用，应有足够的强度和刚度本模具的凹模采用的是整体嵌入式型腔，因此可用整体式圆形型腔壁厚计算公式来确定型腔的侧壁厚度S和型腔的底板厚度t，如图5.2所示。
r——型腔的半径，取值为33mm；
h——型腔的高度，取值为6mm；
S——型腔侧壁厚度，mm；
t——型腔底板厚度，mm。
图5.2圆形型腔校核
尺寸校核：
（根据参考文献[2]公式7.34～7.37）
型腔壁强度：
=23.34mm（式5.4）
型腔壁刚度：
=7.93mm（式5.5）
型腔底板强度：
=11.72mm（式5.6）
型腔底板刚度：
=4.56mm（式5.7）
——模具钢的弹性模量，预硬化塑料模具钢E=2.2×105Mpa；
——许用变形量
——型腔内最大熔体压力，可取注射成型压力的25%~50%，P取50Mpa；
——许用应力，预硬化塑料模具钢
=300Mpa；
故型腔壁厚度S≥23.34mm，型腔底板厚度t≥11.72mm
综合考虑，型腔尺寸初步设计为130mm×130mm×30mm。
如图5.3所示
图5.3型腔尺寸
6.导向与脱模机构的设计
6.1导向机构的作用和设计原则
6.1.1导向机构的作用
导向机构是保证塑料注射模具的动模与定模合模时正确定位和导向的重要零件，通常采用导柱导向，包括导柱和导套。
具体作用有：
（1）定位的作用
（2）导向的作用
（3）承载的作用
（4）保持平稳的作用
定位的作用
6.1.2导向机构的设计原则
（1）导柱（导套）排布应能保证一定的模具强度和防止模板变形；
（2）导柱（导套）的直径应根据模具尺寸或模架选定，应有足够的抗弯强度；
（3）导柱固定端的直径和导套的外径应尽可能相等，并有利于加工；
（4）导柱和导套应有足够的耐磨性，保证使用寿命；
（5）导柱应优先装在定模板上，以便于塑料制品脱模，但有时也要装在动模板上。
6.2导柱、导套的设计
导柱导向是指导柱与导套（导向孔）采用间隙配合使导柱在导套（导向孔）内滑动，配合间隙一般采用H7/h6级配合。
（1）导柱的设计
导柱的结构形式有两种：
一种为单节式导柱，另一种为台阶式导柱。
小型模具采用单节式导柱，大型模具采用台阶式导柱。
在导柱的工作部分上开设油槽，可以改善导向条件，减少摩擦，故导柱采用加油槽的直通式导柱
根据模架及国家标准选用直径为20mm长度为115mm的导柱，如图6.1所示。
图6.1导柱
（2）导套的设计
由于导柱已选定，由塑料模具设计与制造可查得与之相配的导套为I型带头导套，其直径为20mm，长度分别为50mm，如图6.2所示。
图6.2导套
（3）导向孔的总体布局
导向零件的分布应合理安排在模具的周围靠近边缘的部位，其中心距模具边缘应有一定的距离，得以保证模具的强度。
根据标准模架，导向孔位置分布如图6.3所示。
图6.3导向孔布局
6.3脱模机构的确定
常见推出机构包括的推杆、推管、推板、推块和活动镶块等。
但本方案中，制件较小，周向的抽芯机构限制了型腔尺寸和推杆的排布，考虑到制件成型要求较高，所以采用较为小型的推杆推出。
6.4顶杆的确定与校核
（1）顶杆横截面直径的确定
选用龙记标准推杆，推杆的直径为d=3mm。
（2）顶杆横截面直径的校核
脱模阻力的计算（根据参考文献[8]公式6.33）
P1=ChP0（式6.1）
C---型芯成型部分断面的平均周长：
这里C=335.12mm（80.83mm）；
h---型芯被塑料包紧部分的长度，这里h=6mm；
P0---单位面积的包紧力，一般可取7.85～11.77Mpa；
所以P1=ChP0=0.083m×0.006m×9Mpa=4.482KN
推杆直径的校核：
（根据参考文献[8]公式4.26）
（式6.2）
d为顶杆直径，mm；
Φ为安全系数，此处取1.5；
L为顶杆长度,L=124mm；
Q为脱模阻力，N；
n为顶杆根数，n=4；
E为弹性模量，取8000Mpa
由于d=4mm，对推杆进行强度校核如下：
（根据参考文献[8]公式4.30）
б=4Q/nπd2≤[б]（式6.3）
б为：
杆所受的应力，MPa；
[б]：
顶杆材料的许用应力，MPa。
由上式得出б=3565.1/cm2<[б]=8000N/cm2，所以推杆满足强度要求。
（3）顶杆的形式
顶杆可以分为普通顶杆、成形顶杆、锥面顶杆，该模具的顶杆形式选择普通顶杆，如图6.4所示。
图6.4顶杆
顶杆长度的计算顶杆总长度为
H杆=[h下+X1]-h型腔+h垫块-h顶固（式6.4）
h下下模厚度；
h型腔型腔的深度；
h垫块垫块高度；
h顶固为顶杆固定板的厚度；
X1为富裕量，顶杆端面比型腔平面高出长度，一般为（0.05～0.1）mm；
根据以上公式计可得，顶杆的总长度为124mm。
6.5复位杆的结构设计
（1）复位杆的作用
反推杆的作用是使推出机构恢复原位，当开模时推杆在推板的推动下将塑料制品推出，反推杆也同时凸出模板表面。
当再次注射时，在模具闭合过程中，定模表面与反推杆接触，并使反推杆推动推出机构一起返回原始位置。
（2）复位杆的结构
由《模具设计与制造简明手册》查的反推杆的结构如图6.5所示。
图6.5复位杆
6.6推板导柱导套的结构设计
推板导柱导套
推板导柱为推板动作导向，成滑动配合；推板导套与推板导柱配合，为了防止推板导套的磨损，应制成便于更换的淬火套。
由《模具设计与制造简明手册》查的推板导柱导套的结构如图6.6及图6.7所示。
图6.6顶板导柱
图6.7顶板导套
7.侧向分型与抽芯机构的设计
7.1活动抽芯的设计原则
（1）活动型芯通常比较小，并牢固装在滑槽或滑动机构上，以防止运动时滑脱。
活动型芯与滑块连接要能保证一定的强度及刚度；
（2）活动型芯在滑槽中滑动应平稳，不能发生卡住，脱离等现象；
（3）活动型芯的限位装置要可靠，能保证开模后活动型芯在一定位置上停止；
（4）活动型芯的推动机构要定位可靠，并保证运动的稳定性；
（5）活动型芯在完成开模后应不影响制件的取出；
（6）活动型芯的位置排布应不影响到推杆和复位杆的运动；
（7）在合模时，活动型芯应能定位稳定并紧密，防止料流溢出。
7.2抽芯机构的选用
抽芯机构一般分为手动抽芯机构、机动抽芯机构和液压抽芯机构。
其中机动抽芯机构最为常见，可细分为：
斜导柱抽芯、斜滑块抽芯、弯销抽芯、斜导槽抽芯、楔块抽芯齿轮齿条抽芯、斜槽抽芯、弹黄抽芯八种形式。
由于该模具侧抽芯较多，且模具尺寸小，故采用斜顶侧抽芯机构。
7.3抽芯机构的设计
7.3.1抽芯距及角度设定
抽芯距指型芯从成型位置抽至不妨碍脱模的位置时，型芯或滑块在抽芯方向所移动的距离。
因为字盘上文字突出的距离不大（1cm），故抽抽芯稍加侧移便不会干扰开模。
暂取开模抽芯距2mm。
由于抽芯距较小，在装配图中可以看出楔杆的活动距离约为30mm，在设计斜梢角度时，斜梢的角度越小，受力情况越好（活动时受到的弯曲力和抽拔阻力越小），这对于尺寸较小的斜梢来说有利于保证它们的寿命。
因为初定抽芯距为2mm，除去楔杆和斜梢的配合部分，楔杆的可移动距离为24mm左右，此处由三角关系可求得，当斜角为5°时，楔杆运动23mm，抽芯侧移恰约为2mm。
故取斜角为5°。
斜梢的安装示意图如图7.1所示。
图7.1
7.3.2斜梢尺寸的设计
（1）宽度：
为了在成型过程中，刻字头不出现飞边，斜梢宽度应大于刻字头的宽度，字头宽度为4.8mm，故取斜梢宽度为6mm。
（2）厚度：
厚度方向只需能保证斜梢的强度。
暂取为5mm。
（3）长度：
合模时，斜梢顶侧与上模紧靠，底侧与楔杆导向板紧靠。
故斜梢长度为
（4）H斜梢=H下模–H楔导=70mm-10mm=60mm。
（式7.1）
（5）其他尺寸：
顶部为防止溢料产生飞边，垂直边长度取为9
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