机器人足部零件塑料模具设计.docx
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机器人足部零件塑料模具设计
摘要
本文介绍了机器人足部零件塑料模具设计过程，在塑料零件的模具设计中确定了分型面的位置，浇注系统和排气系统等等部分的结构，模具导向机构，脱模机构，侧向分型抽芯机构，温度控制系统的设计方案，并对优化后的设计方案进行了合理选择。
该毕业设计的内容是机器人足部零件的注塑模具，材料为ABS，根据其结构形状特点以及通过对机器人足部零件成型工艺的正确分析，确定型腔的总体布局，选择分型面，确定脱模方式，设计浇注系统等；同时本文对注塑模具进行简要介绍，对注塑模具中的主要零件进行设计计算，在设计过程中着重考虑其生产实际中的经济性和合理性。
关键词：
注塑模具；注射成型；分型面
Abstract
Plasticmoldingproductsareplasticasthemainstructuralmaterial.Theprocessingofproducts.Referredtoastheplasticparts.plasticmoldingproductsarewidelyused.Especiallyintheelectronicinstrumentelectricalequipment,communicationtools,etctoobtainalargenumberofapplications.suchasallkindsofstressareshellstentsstructuredecoration.BasedprocessequipmentasthemainproductionofplasticproductsofABSmold.occupiesanimportantpositioninnationaleconomymouldtechnologyhasalsobecometomeasureanationalproductmanufacturelevelofimportantsymbol.Injectionmoldingplasticmoldingisanimportantmethod.itismainlysuitableforthermoplasticmolding.andcanbeacomplicatedshapeofprecisionplasticformingpartsistheadslsurfacehellaadesignmodel.Thispaperwillbeinjectionmoldrelatedknowledgeasthebasis.theoveralldesignprocessofplasticinjectionmouldareexpounded.
Keywords：
Plasticmold；injectionmolding；thepartingsurface
目录
诚信申明I
摘要II
AbstractIII
第一章前言1
1.1我国模具行业的发展方向和前景1
1.2模具的发展趋势1
1.3模具在加工工业中的地位1
第二章注塑件的设计2
2.1功能设计5
2.2材料分析7
2.3塑件的尺寸精度及表面质量9
第三章塑件3D建模及注射成型工艺分析10
3.1塑件的3D模型12
3.2塑件的注射成型工艺性分析13
3.3注塑机15
第四章模具结构设计16
4.1成型零部件的结构设计17
4.2成型零部件工作尺寸计算17
4.3成型零部件的强度与刚度计算17
4.4选用标准注射模架17
4.5定模板与动模板的设计18
第五章注射机的校核18
5.1最大注塑量的校核19
5.2锁模力的校核19
5.3模具外形尺寸校核19
5.4模具厚度校核20
5.5模具安装尺寸校核20
5.6开模行程校核21
第六章模具总装设计22
6.1模具装配及加工要求22
6.2模具工作原理22
结论23
参考文献24
致谢25
第一章前言
1.1我国模具行业的发展方向和前景
经过1990年代的高速发展，中国的模具产业已经达到一定的水平，生产能力也有了相当大的提高，模具市场的规模也正在逐步扩大。
过去十年，中国模具工业（主要集中在汽车、电子信息以及电器）以每年15%左右的增长速度快速发展。
到2005年，全国模具生产厂点已达3万多家，从业人员50多万人；模具销售总额高达610亿元，比上年增长25%；模具生产企业总体上任务饱满、订单充足。
2006年，业界预测中国汽车的年度销售数量将会比前一年增长15%，年度销售数量将会达到640万台。
而汽车零部件市场比汽车整车的市场更大，可以预测汽车相关模具产业将会有高速发展。
与2004年相比，2005年中国的模具生产值增加了125%，以610亿人民币居世界第三位。
其中，出口比前一年增加了150%，达到了7.4亿美元。
目前，国内模具行业正随着我国制造业特别是汽车和电子产业的持续高速发展而逐渐步入“黄金期”。
近年来，模具行业结构调整步伐加快，主要表现为大型、精密、复杂、长寿命模具和模具标准件发展速度高于行业的总体发展速度；塑料模和压铸模比例增大；面向市场的专业模具厂家数量及能力增加较快。
随着经济体制改革的不断深入，“三资”及民营企业的发展较快。
在注塑模具方面，2006年，注塑模具比例进一步上升，热流道模具和气辅模具水平进一步提高，注塑模具在量和质方面都有较快的发展，我国最大的注塑模具单套重量已超过50吨，最精密的注塑模具精度已达到2微米。
在CAD/CAM技术得到普及的同时，CAE技术应用越来越广，CAD/CAM/CAE一体化得到发展，模具新结构、新品种、新工艺、新材料的创新成果不断涌现，专利数量增多。
据业内人士分析，未来我国模具发展趋势包括10个方面：
（1）模具日趋大型化。
（2）模具的精度将越来越高。
10年前精密模具的精度一般为5微米，现已达到2-3微米，1微米精度的模具也将上市。
（3）多功能复合模具将进一步发展。
新型多功能复合模具除了冲压成型零件外，还担负叠压、攻丝、铆接和锁紧等组装任务，对钢材的性能要求越来越高。
（4）热流道模具在塑料模具中的比重也将逐渐提高。
（5）随着塑料成型工艺的不断改进与发展，气辅模具及适应高压注塑成型等工艺的模具也将随之发展。
（6）标准件的应用将日益广泛。
模具标准化及模具标准件的应用将极大地影响模具制造周期，还能提高模具的质量和降低模具制造成本。
（7）快速经济模具的前景十分广阔。
（8）随着车辆和电机等产品向轻量化发展，压铸模的比例将不断提高。
同时对压铸模的寿命和复杂程度也将提出越来越高的要求。
（9）以塑代钢、以塑代木的进程进一步加快，塑料模具的比例将不断增大。
由于机械零件的复杂程度和精度的不断提高，对塑料模具的要求也越来越高。
（10）模具技术含量将不断提高。
从应用趋势方面分析，受用户要求模具的生产周期缩短影响；快速经济模具的开发将被重视，模具标准件的应用将日渐广泛，且采用计算机控制和机械手操作的快速换模装置、快速试模装置技术也会得到发展和提高。
1.2模具的发展趋势
随着工业的发展，模具工业也在飞速发展着，针对当今社会的工业发展状况，模具的发展主要体现在一下几个方面：
（1）模具的加工与制造的自动化程度将会继续提高。
（2）结构零部件的材料的制造费用将会慢慢下降，同时加工结构零部件的设备的精度将会提高很多。
（3）模具的样式将会越来越多，从单工序模具到复合模具，一次性成型复杂工件的模具将会越来越多地被应用和生产。
（4）热流道模具在模具工业中的位置和作用将会越来越突出，应用的领域也将会越来越广泛。
（5）工业的发展将会引领高压铸模具也不断地发展，模具生产工艺和加工工艺也会逐渐走向自动化。
（6）模具的结构领部件将会更多地利用标准零件来代替非标零部件，这样就增加了模具之间的互换性。
同时，也可以更好地保证模具加工出来的产品的精度，维修和使用也更加方便快捷。
（7）随着社会的发展和工业的进步，车辆的不断增多，所以压铸模具，冲压模具也将会越来越普遍地应用到各个生产加工领域。
从单工序模到复合模的过渡是模具发展的必然趋势。
1.3模具在加工工业中的地位
在当今社会，工业越来越发达，模具产业也在不断地飞速发展着，随着科技的发展，模具工业的进步，模具在当今工业化大生产中起到了越来越重要的作用。
因为有了模具，使工业产品的加工精度和效率得到了保障，大大减少了人工繁杂的劳动强度，提高了工业的发展进程。
第二章注塑件的设计
2.1功能设计
功能设计是要求塑件应具有满足使用目的功能,并达到一定的技术指标.该塑件是鼠标底座,承受外力的几率不大,如冲击载荷,振动,摩擦等情况比较少;塑件的工作温度是室温,这使得在材料选择时对热变形温度,脆化温度,分解温度的要求降低;作为一种日用品,生产批量应该是中批中量或大批大量生产,这样,就必须考虑生产成本和模具寿命,在材料的选择时要综合各种因素。
2.2材料分析
机器人足部零件的零件图如下图所示，该塑件的材料为ABS，我们知道，ABS材料的表面光泽度较好，且没有毒，颜色呈淡黄色，没有气味，非常适合成为人们日常需要经常接触到的产品的材料。
从相关资料可知，ABS材料轻盈，密度小，所以操作起来很方便，不费力，随着模具工业的发展，ABS材料在模具产品的制造中占有不可替代的地位。
相信不久的将来，塑料工业的发展也会带来ABS材料的进一步发展，包括它的力学性能，表面光泽度等等各个方面。
2.3塑件的尺寸精度及表面质量
2.3.1尺寸精度
影响制品精度的因素较多。
首先是模具的制造精度和模具的磨损量，其次是成型工艺条件的变化所引起的塑料收缩率的波动。
另外，成型后的时效率变化和模具结构形状对尺寸精度也有一定的影响。
因此，对塑料制品的精度要求不能太高，应在保证使用功能的条件下，尽可能选择低精度等级。
该产品零件图所有尺寸为未注公差尺寸，根据国家推荐标准（GB/T14486-93）规定的MT5级精度选取作为塑料制品的尺寸公差等级。
已注尺寸公差等级也在ABS/PC的一般精度等级MT3范围内。
所以该产品注射成型能够达到此精度要求。
表2-3-3是国家推荐标准的工程塑料模塑塑件尺寸公差，该表只取了在产品尺寸范围内的数据。
2.3.2塑件的表面质量
塑件的表面粗糙度，除了在成型时从工艺上尽可能避免冷疤，波纹等疵点外，主要的由模具的表面的粗糙度决定。
塑件的表观缺陷是其特有的质量指标，包括缺料，溢料与飞边，凹陷与缩瘪，气孔，翘曲等。
模具的腔壁表面粗糙度是塑件表面粗糙度的决定性因素，通常要比塑件高出一个等级。
由于该制品为一般日常生活用品，对表面粗糙度要求不高，取塑件表面粗糙度为0.8
m。
第三章塑件3D建模及注射成型工艺分析
3.1塑件的3D模型
运用UG绘图软件绘制塑件的3D图，如图3.1所示下：
图3.1机器人足部零件
3.2塑件的注射成型工艺性分析
3.2.1初步分析
⑴通过UG对3D模型质量属性分析
分析结果：
单件体积=10450.45㎜3单件投影面积=15741.3㎜2
密度=0.86g/cm3单件质量=0.014kg
3.2.2塑件注射成型工艺性CAE分析
利用Moldflow对塑件进行最佳浇口分析，塑料流动性分析，冷却质量分析，缩痕分析等。
初始条件：
ABS在Moldflow中搜索到此材料，可以查看材料的一些具体信息。
以这些信息作为分析的初始条件。
其中模具温度为
，熔化温度为
，材料融化温度范围：
，模具温度范围：
，塑料固体密度为1.05㎜3，融化密度为1.03㎜3，最大剪切应力为0.26MPa。
3.3注塑机
3.3.1注塑成型工艺参数
查模具设计手册可知ABS料注射成型的主要工艺参数如下表3-1
表3-1ABS料注射成型的主要工艺参数
工艺参数
规格
工艺参数
规格
预热和干燥
温度t/℃:
80～95
成型时间/s
注射时间
0～5
时间
/h:
4～5
保压时间
15～30
料筒温度t/℃
后段
150～170
冷却时间
15～30
中段
165～180
总周期
40～70
前段
180～200
螺杆转速n/（
）
30～60
喷嘴温度t/℃
170～180
后处理
方法
红外线灯烘箱
模具温度t/℃
50～80
温度t/℃
70
注射压力p/Mpa
60～100
时间
/h
2～4
3.3.2注塑机的选择
由公称注射量选定注射机
由3.2.1分析已得出单个塑件体积V=15144㎜3，流道凝料V’=4545㎜3实际注射量为:
V
=15144×2+4545=34.833cm
；
根据实际注射量应小于0.8倍公称注射量原则,即：
0.8V
≧V
V
=V
/0.8
=34.833÷0.8
=43.541cm
；
由上计算初步确定注塑机为SZ-60/60，查模具设计手册注塑机主要技术参数如下表3-2。
表3-2国产注射机SZ-60/60技术参数表
特性
内容
特性
内容
结构类型
卧
拉杆内间距（mm）
320×520
理论注射容积（cm
）
60
移模行程（mm）
300
螺杆直径（mm）
40
最大模具厚度（mm）
350
注射压（MP
）
145
最小模具厚度（mm）
170
注射速率（g/s）
锁模形式（mm）
液压
塑化能力（g/s）
11.7
模具定位孔直径（mm）
125
螺杆转速（r/min）
20~200
喷嘴球半径（mm）
35
锁模力（KN）
600
喷嘴口直径（mm）
4
第四章模具结构设计
4.1成型零部件的结构设计
成型零部件是注塑模具设计中起到决定因素的一部分，产品的外观，综合力学性能，精度，表面光洁度等等方面都是依靠成型零部件的精度来控制的，例如型腔、型芯、凹模板，垫板等等都属于成型零部件，在注塑模的设计中，成型零部件的作用非常重要，把握好成型零部件之间的配合，精度等等因素是决定一副模具好与坏的根本所在，其中，成型零部件的设计主要包括以下几个方面：
1）型腔结构设计
根据课题我们知道，型腔的结构形式就决定了鼠标底壳外部的结构形式，通过分析鼠标底壳这个产品，我们可以选择整体镶入式型腔，因为整体镶入式型腔可以有效地节约成型零部件的制作成本，并且其力学性能满足工况要求，更换方便快捷。
2）型芯及镶件结构设计
我们知道，型芯和镶件主要是用来成型鼠标底壳内部结构的成型零部件，通过分析鼠标底壳这个产品，我们知道，其内部凸台较多，所以我们可以选择把凸台做成较大的镶件来减少模具钢的使用率，从而进一步来节省原材料，降低成本。
4.2成型零部件工作尺寸计算
1）成型零部件性能
成型由于成型零件直接与高温高压的塑料熔体接触，它必须有以一些性能：
1、必须具有足够的强度、刚度，以承受塑料熔体的高压；
2、有足够的硬度和耐磨性，以承受料流的摩擦和磨损；
3、通常进行热处理，使其硬度达到HRC45。
以上；
4、切削加工性能好，热处理变形小，可淬性良好；
5、熔焊性能要好,以便修理；
5.2.2型腔、型芯工作部位尺寸计算
经查有关资料可知ABS塑料的收缩率是0.3%～0.8%
平均收缩率为:
S=（0.3%+0.8%）/2=0.55%
型腔工作部位的尺寸：
型腔径向尺寸
型腔深度尺寸
型芯径向尺寸
型芯高度尺寸
中心距尺寸
式中L—塑件外型径向基本尺寸的最大尺寸（mm）
l—塑件内型径向基本尺寸的最小尺寸（mm）
H—塑件外型高度基本尺寸的最大尺寸（mm）
h—塑件内型径向基本尺寸的最小尺寸（mm）
C—塑件中心距基本尺寸的平均尺寸（mm）
x—修正系数，取0.5～0.75
△—塑件公差（mm）
—模具制造公差，取（1/3～1/4）△。
各工作部位尺寸计算结果详见相应零件图纸所标明
4.3成型零部件的强度与刚度计算
为了方便加工和热处理，其型芯整体镶嵌式，型腔为整体镶嵌式。
因此，型腔的强度和刚度按型腔整体式计算。
由于型腔壁厚计算比较麻烦，也可参考经验推荐数据。
1）强度、刚度计算
设计好一套模具，必须考虑到它的强度和刚度方面，因为模具是在高温下面作业的，并且高压，所以校核各个结构零部件的强度和刚度是必须的。
只有这样，才能更好地使模具应用的时间长，使用方便，维修少。
（1）塑件成型过程中不产生溢料
粘度特性
塑料品种
允许变形值[δ]
中粘度塑料
ABS
≤0.05
（2）保证塑件的尺寸精度
塑件尺寸
经验公式[δ]
<10
Δi/3
>10～50
Δi/[3（1+Δi）]
>50～200
Δi/[5（1+Δi）]
（3）保证塑件顺利脱模
[δ]〈tS=1.4×0.8%=0.0112
式中[δ]—保证塑件顺利脱模的型腔允许弹性变形量；
t—塑件壁厚，mm;
S—塑件的收缩率。
2）型腔的侧壁和底板厚度的计算
（1）组合式矩形型腔侧壁厚度的计算
对于小尺寸的模具型腔，在发生大的弹性变形前，其内应力往往超过了模具材料的许多应力，因此，强度不够是主要矛盾，设计型腔侧壁厚应以强度为准。
δmax=pHl4/32Ehs3
s=12.7mm
设允许最大变形量为δmax≤[δ]，其壁厚按刚度条件的计算式为：
s=
s=25mm
（2）组合式矩形型腔底板厚度的计算
按强度条件，型腔底板厚度计算式为：
h=
式中：
h————矩形底板的厚度（mm）
B————底板总宽度（mm）
L————双支脚间距（mm）
P————型腔内塑料熔体压力（MPa）
[σ]————模具材料的许用应力（MPa）
h≥25mm
4.4选用标准注射模架
（1）初选注射机
1）注射量：
该塑料制件单件重量m=20.06g
浇注系统重量的计算可以根据浇注系统尺寸先计算浇注系统的体积
V=1.888
粗略计算浇注系统重量为
1.888×1.035
1.95g
总体积V塑件=（19.38+1.95）=21.33
总重量M=21.33×1.035≈22.08g
聚苯乙烯的密度为1.054g/cm3，ABS的密度为1.02～1.05g/
满足注射量V机≥V塑件/0.80
式中V机—额定注射量（
）
V塑件—塑件与浇注系统凝料体积和（
）
≈26.66
或满足注射量M机≥M塑件
式中M机—额定注射量（g）
M塑件—塑件与浇注系统凝料的重量和（g）
—聚苯乙烯的密度（g/cm3）
—塑件采用塑料的密度（g/cm3）
g
2）注射压力：
P注≥P成型
经查有关资料可知ABS塑料成型时的注射压力P成型=70～90MPa
3）锁模力：
P锁模力≥1.3pF
式中p—塑料成型时型腔的压力，ABS塑料的型腔压力p=30MPa
F—浇注系统和塑件在分型面上的投影面积和（
）
各型腔及浇注系统及各型腔在分型面上的投影面积
F=5541.26
PF=1.3×30×5541.26=216109.14K
根据以上的分析、计算，查相关资料初选注射机型号为：
XS-Z-30,其有关技术参数如下：
理论注射容量（cm³）30
螺杆直径（mm）48
注射压力（MPa）319
注射行程（㎜）330
注射方式注塞式
锁模力（KN）650
拉杆内向距（mm）550
移模行程（mm）200
最大模具厚度（mm）600
最小模具厚度（mm）250
喷嘴圆弧半径（mm）12
喷嘴孔直径（mm）3.5
最大开合模行程（mm）160
动、定模板尺寸（㎜）320×301
拉杆空间（㎜）435
4）选标准模架
根据以上分析、计算以及型腔尺寸及位置可确定模架的结构形式和规格。
通过调用AutoCAD的燕秀工具箱模架选用。
定模板厚度：
A=15㎜
动模板厚度：
B=20㎜
垫块厚度：
C=20㎜
模具厚度：
H模=185㎜
模具外形尺寸：
1850㎜×120㎜×150㎜
4.5定模板与动模板的设计
本模具的模架是AutoCAD的燕秀工具箱调出拉，已经设计好动定各模板的相关参数。
具体看图6-1模架参数
第五章注射机的校核
5.1最大注塑量的校核
根据生产经验，注射机的最大注射量是其额定注射量的80%。
所以，一个周期内所需的塑料溶体的总量必须在注射机的额定注射量的80%以内。
V
=34.833cm
V
=60mm
（见注塑机参数表）
V
×80%=60×0.8=48cm
>V
，校验合格。
5.2锁模力的校核
在确定了型腔压力和分型面面积之后，可以按下式校核注塑机的额定锁模力：
F＞F
=KA
·P
A
=5954㎜2；P
=30MPa；
K安全系数，通常取1.1~1.2，取K=1.2。
F
=KA
·P
=1.2×5954×30=214.344KN
可知F=600KN，所以F>F
锁模力满足要求。
5.3模具外形尺寸校核
注塑模外形尺寸应小于注塑机工作台面的有效尺寸。
模具长宽方向的尺寸要与注塑机拉杆间距相适应，模具至少有一个方向的尺寸能穿过拉杆间的空间装在注塑机的工作台面上。
由表3-2可得注塑机的拉杆间距为320×520mm，而模板Z座的尺寸为250×450mm，故满足要求。
5.4模具厚度校核
模具厚度必须满足下式：
H
H
H
150
270
350满足要求。
式中H
——所设计的模具厚度270mm；
H
——注塑机所允许的最小模具厚度150mm；
H
——注塑机所允许的最大模具厚度350mm；
5.5模具安装尺寸校核
注塑机的动模板，定模板台面上有许多不同间距的螺钉孔或“T”形槽，用于安装固定模具。
模具固定安装方法有两种：
螺钉固定，压板固定。
采用螺钉直接固定时（大型模具常用这种方法），模具动，定模板上的螺孔及其间距，必须与注塑机模板台面上对应的螺孔一致；采用压板固定时（中，小模具多用这种方法），只要在模具的固定板附近有螺孔就行，有较大的灵活性。
该模具外形尺寸为200×200属小型模具，所以采用压板固定法。
5.6开模行程校核
所选注塑机为全液压式锁模机构，最大开模行程受模具厚度影响。
此时最大开模行程S
等于注塑机移动、固定模板台面之间的最大距离减去模具厚度。
S
≧H
+H
+（5~10）mm
300≧20+104+10
300≧134满足要求。
式中S
——注塑机移模行程300mm；
H
——推出距离20mm；
H
——流道凝料与塑件高度104mm。
第六章模具总装设计
6.1模具装配及
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