电池盒盖塑料模具数字化设计与制造本科毕业设计论文Word格式.docx
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中文摘要...............................................................................................................Ⅰ
英文摘要...............................................................................................................Ⅱ
1绪论
1.1塑料注射模具的发展
塑料工业是新兴的工业，塑料作为一种新的工程材料，发展势头极其迅猛，跻身于金属、纤维材料和硅酸盐三大材料之列，已经广泛用于工业和日常生活。
因此，塑料的加工和成型工艺越来越得到重视，新技术、新工艺不断涌现。
目前，塑料成型种类包括注射成型、压铸成型、吸塑成型、吹塑成型、发泡成型、挤压成型等，其中注射成型是最常用的方法，几乎所有的塑料都可以注射成型[1]，按重量比计算，实际生产有32%的塑料是靠注射成型的[2]。
塑料工业的发展，推动了中国塑料模具产业的发展步伐，近年来塑料模具市场发展相当快，2002年已猛增到140亿元左右[3],2004年塑料模具在整个模具行业中所占比例已上升到30%左右，在未来几年中还将保持较高速度发展。
当前国内塑料模具市场以注塑模具需求量最大，其中发展重点为工程塑料模具。
随着中国汽车、家电、电子通讯以及各种建材的迅速发展，预计在未来模具市场中，塑料模具占模具总量的比例仍将逐步提高，且发展速度将快于其他模具。
电冰箱、洗衣机和空调的年产量均超过1000万台，彩电的年产量已超过3000万台，家电行业所需模具量年增长率约为10%。
汽车工业近年来增长速度惊人，因此汽车模具潜在市场巨大。
每种型号的汽车都需要几千副模具，价值上亿元，汽车的各种功能性零部件都要靠模具成型，制造一款普通轿车约需200多件内饰件模具，还有制造保险杠、仪表盘、油箱、方向盘等所需大量的塑料模具。
在建筑领域，塑料建材大量替代传统材料是大势所趋，国家己明令禁止使用铸铁管道，代之以塑料管材。
塑料建材不仅能大量代钢、代木、替代传统建材，而且具有节能、节材、保护生态、改善居住环境、提高建筑功能与质量、降低建筑自重、施工便捷等优点，将在今后得到越来越多的应用。
2005年建筑用塑料制品约400万吨，占总产量16%，预计2010年全国新建住宅室内排水管80%及城市供水50%将采用塑料管。
同时，国家正在大力发展塑料门窗，根据建设部等五个部门的要求，2000年塑料门窗的普及率达到15%，塑料排水管的市场占有率超过30%，预计到2010年塑料门窗和塑料管的普及率将达到30%-50%,塑料排水管的市场占有率将超过50%。
因此，塑料模具的增长速度加快，应用潜力是不可低估的。
1.1.1现代模具制造技术的发展趋势
1.模具的标准化
加快模具的标准化、商品化发展，适应大规模成批生产的需要，可以提高模具的制造质量、缩短模具的制造周期。
2.新材料、新技术、新工艺的研究和应用
研究开发模具新材料，进一步提高模具钢材的耐磨、耐蚀、综合机械性能、加工性能和抛光性能，是提高模具质量的稳定性和使用寿命的主要途径和发展趋向。
模具CAD/CAE/CAM技术是模具设计、制造技术的又一次革命，其优势越来越明显。
普
及和提高CAD/CAE/CAM技术的应用，是模具设计制造走向现代化的必由之路。
以高速铣削为代表的高速切削加工技术代表了模具外表面粗加工的的发展方向。
成型面的加工向精密、自动化方向发展，光整加工技术向自动化方向发展。
以三坐标测试仪和快速原型制造技术为代表的制模技术，是模具制造技术的重大发展，尤其是用于反向制造工程和复杂模具的制造，对缩短制造周期有着非常重要的作用。
节能、优质、高速、绿色热处理工艺是模具零件热处理的主导方向[4]。
3.现代生产制造方式
在完全实现模具标准件、通用件的生产专业化，供应商品化的基础上，利用现代IT技术，组成局域通信网络，将计算机设计完成的各成型面、配合面数字化，并编成代码直接输入数控机床或CNC加工中心进行自动编程，继而完成自动加工。
加工过程中能够完成自动检测和结果的自动显示，从而实现产品设计、模具设计以及模具制造的自动化和智能化并以此提高设计和制造的速度和质量，减少人为的多层次失误造成的缺陷，从而缩短模具生产周期，提高模具质量以及使用的可靠性和寿命。
4.塑料制件的精密化、微型化、超大型化
为了满足各种产品越来越高的使用要求，塑料模具和塑料成型技术正朝着精密化、微型化和超大型化方向发展[5]。
1.2我国塑料模具的发展状况
自二十世纪以来，我国模具工业已经走过了半个多世纪。
改革开放后，我国模具工业发展迅猛，截至2006年底已拥有3万家模具生产企业。
“十五”期间，我国模具工业以年均20%的速度持续快速增长。
2001年全国模具工业总产值达300亿元人民币，我国模具年产值位居世界第四。
至2005年，我国模具销售额达610亿元，同比增长25%，已跃居世界第三，仅次于日本和美国。
2006年，我国模具销售额720亿元，直接带动实现工业产值2.4万亿元。
当前，中国模具市场容量已达800亿元人民币左右，“十一五”期间中国模具业市场份额将达1200亿元。
在区域分布上，广东、重庆、浙江形成了国内模具行业的“三足鼎立”，广东是当前我国最主要的模具市场，中国最大的模具出口与进口省。
目前，深圳周边及珠江三角洲地区已经成为我国模具工业最为发达、科技含量最高的区域。
与全国塑料加工业区域分布相类似，珠三角、长三角的塑料制品加工业位居前列，浙江、江苏和广东塑料模具产值在全国模具总产值中的比例也占到70%。
要想成为世界制造业大国，没有先进的模具工业是不行的。
我国的加工成本相对较低，模具加工行业日趋成熟，技术水平不断提高，人员素质大幅提高，国内投资环境越来越好，各种有利因素使越来越多的国外企业选择我国作为模具加工基地。
近年来，外资对我国模具行业投入量增大，工业发达国家将模具向我国转移的趋势进一步明朗化，国际模具制造巨头在中国投资设厂的新一轮扩张，这代表着我国模具行业迎来新一轮的发展机遇，也代表着面临国外先进技术和高品质制品的挑战，模具行业在“十一五”期间将面临再次腾飞的契机。
当今世界正进行着新一轮的产业调整，一些模具制造逐渐向发展中国家转移，中国正成为世界模具大国。
德国海拉吉林落户;
日本丰田模具天津设厂:
芬兰贝尔罗斯公司投资兴建深圳模具制造厂，专为电信、保健、电子、汽车等行业提供高档模具产品。
目前，我国模具业规模仅次于日本和美国，但大多集中在中低档领域，总体技术水平和附加值偏低。
我国制造业急需的精密、复杂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，还大量依靠进口，模具产品仍然存在进出口逆差[6]。
1.3主要差距
由于我国的模具行业起步较晚，与国外相比仍存在不小的差距，我国现在的模具开发制造水平比国际先进水平至少落后10年，特别是大型、精密、复杂、长寿命模具的产需矛盾十分突出，已成为严重制约我国制造业发展的瓶颈。
我国的塑料模具中，汽车和家电的大型注塑模具，集成电路的精密塑料模具，电子信息产业和机械及包装的多层、多腔、多材质、多色精密注塑模，新型建材及节水农业的塑料异型材挤出模及管路和喷头模具等，虽然已有相当技术基础并正在快速发展，但技术水平与国外仍有较大差距。
1.行业创新能力薄弱整体效率低
我国模具行业产需矛盾突出，无论是数量还是质量都无法满足国内市场的需要，只达到70%左右。
模具行业是技术密集、资金密集的产业，随着时代的进步和技术的发展，能掌握和运用新技术的人刁‘异常短缺’。
我国模具企业技术人员比例较低，水平也较低。
由于不重视产品开发，在市场中常处于被动地位。
我国每个职工平均每年创造模具产值约合1万美元左右，而模具工业发达国家大多是15-20万美元，有的甚至达到25-30万美元。
我国模具企业经济效益差，大都微利，国有企业总体亏损，缺乏后劲。
高级模具钳工及企业管理人刁‘非常紧缺，高素质的模具技术人刁’缺乏，产品的综合开发能力还急需加强。
由于模具企业效益欠佳及对科研开发和技术攻关不够重视，因而模具行业在科研开发和技术攻关方面投入太少。
中国塑料模具企业不仅要加快产业集群化，发挥规模效应，还要注重模具产业链的前端研发、人才建设、产业链后端的检测以及信息服务，尽快缩短技术、管理、工装水平与国际水准的差距。
这是塑料模具企业在发展中必须解决的重要问题。
2.企业组织结构、产品结构、技术结构不合理
我国模具生产许多是在各主机厂的模具分厂或车间内，其中一半以上是自产自用，模具的商品化程度低，而国外70%以上都是专业模具厂，且走的是“小而精”的道路。
国内模具总量中，属大型、精密、复杂、长寿命模具的比例只有30%左右，国外在50%以上。
欧、美等国家的模具企业，大部分也是30-50人的小企业，但CAD/CAE/CAM的应用水平高，数控加工设备多，模具零部件的精度靠先进的加工设备保证，工人严格按工艺操作，每个模具零件的加工都很到位，最后钳工的装修工作量很小，一个50人左右的模具厂，装配钳工一般只有2-3人。
3.产品水平和生产工艺水平低
产品水平和生产工艺水平总体上比国际先进水平低，而模具生产周期却要比国际先进水平长。
产品水平低主要表现在尺寸精度、型腔表面粗糙度、寿命及模具的复杂程度上，这几项指标与国外先进水平相比差距十分明显。
工艺水平低主要表现在设计、加工、工艺装备等方面，模具工业的整体装备水平相对落后、利用率低。
虽然国内许多企业采用了先进的加工设备，但总的装备水平仍比国外企业落后许多，特别是设备数控化率和CAD/CAA应用覆盖率要比国外企业低得多。
由于体制和资金等方面原因，引进设备不配套，设备与附、配件不配套现象十分普遍，设备利用率低的问题长期得不到较好的解决。
装备水平低，带来我国模具企业钳工比例过高等问题。
模具标准化水平和模具标准件使用覆盖率低，也对模具质量、成本有较大影响，特别是对模具制造周期有很大影响。
国内模具标准件使用覆盖率只有35%左右，而国外先进国家模具标准化程度为70%--80%[7]。
如能广泛应用模具标准件，将会缩短模具设计制造周期25%-40%，并可大大减少由于自制模具零件而造成的工时浪费。
4.模具材料技术落后
模具材料性能、质量和品种往往会影响模具质量、寿命及成本，国产模具钢与国外进口钢相比还有较大差距。
塑料、板材、设备等性能差，也直接影响模具水平的提高[8]。
1.4本课题研究的背景和意义
数字化设计制造是当今世界制造业发展的大趋势，是中国制造业实现跨越式发展的重要机遇。
数字化设计及制造技术是指利用计算机软硬件及网络环境；
实现产品开发全过程的一种技术，即在网络和计算机辅助下通过产品数据模拟，全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等过程。
本课程通过对典型塑料产品进行数字化设计制造的过程，使学生能够基本了解产品数字化开发、设计、制造的全貌，进而掌握数字化设计与制造的核心技术，为毕业后从事制造业专业技术工作奠定良好基础。
1.5本课题的主要研究内容
本课题塑件为电气产品壳体类零件，生产数量：
50万件；
材料：
PC；
生产方式：
注射成型。
外侧表面光洁，不能有杂点，缩水痕等。
研究的主要内容有：
（1）应用Pro/E对产品进行结构分析，确定其模具形式和总体结构；
（2）应用Modelflow软件进行模流分析，确定其最佳浇口位置，并设计浇注系统和相关模具零件、以及冷却系统等；
（3）选取标准模架进行模具装配；
（4）模具总体装配的建立和相应参数的校核计算；
（5）利用CAXA软件对模具成形零件进行数控加工编程和加工仿真。
2塑件的结构和工艺分析
2.1塑件的材料分析
聚碳酸酯（PC）为无色透明粒料，密度为1.02-1.05g/cm3。
聚碳酸酯是一种性能良好的热塑性工程材料，韧而刚，抗冲击性在热塑性塑料中名列前茅，成型零件可达到良好的尺寸精度并在很宽的温度范围内保持其尺寸的稳定性，成型收缩率恒定为0.5%-0.8%，抗蠕变、耐磨、耐热、耐寒，催化温度在-100℃以下，长期工作温度达120℃，聚碳酸酯吸水率较低，能在较宽的温度范围内保持较好的电性能，聚碳酸酯是透明材料，可见光的透光率接近90%。
聚碳酸酯的缺点是耐疲劳强度较差,成型后塑件的内应力较大，容易开裂，用玻璃纤维增强聚碳酸酯则可克服上述缺点，使聚碳酸酯具有良好的力学性能、更好的尺寸稳定性、更小的成型收缩率，并可提高耐热性和耐药性，降低成本。
虽然吸水性小，但高温时对水分比较敏感，会出现银丝、气泡及强度下降现象，所以加工前必须干燥处理，而且最好采用真空干燥法；
熔融温度高，溶体粘度大，流动性差，所以成型时要求有较高的温度和压力；
熔体粘度对温度十分敏感，一般采用提高温度的方法来增加熔融塑料的流动性[9]。
2.2塑件的结构和工艺性分析
塑件如图2.1和图2.2，由图可知：
图2.1塑件背面图2.2塑件正面
（1）该塑件为薄壁制件，壁厚为0.9mm，分布较均匀，脱模斜度可取3°
；
（2）塑件整体尺寸较小，且形状较复杂，应选用小型模具；
（3）塑件外侧有卡槽、内有孔，成型后不易取出制件，应用侧抽机构；
（4）塑件内部的卡槽不易脱模，可以考虑用斜顶机构，具体脱模方案见图2.3。
图2.3脱模方案
2.3塑件的表面质量分析
该塑件为电气产品壳体类零件，要求外侧表面光洁，不能有杂点，缩水痕等。
由零件图知，配合面公差等级MT3，未注公差等级MT5；
对其表面粗糙度无特殊要求，故可取内表面Ra3.2，外表面Ra1.6。
2.4本章小结
由于该制件相对较小，并且结构弯曲复杂，因此在脱模机构的设计中，应尽量考虑到滑块的大小、位置和移动位移对整体结构的影响；
该制件所需侧抽机构较多，应考虑合并某两个滑块从而减少多个侧抽所引发的误差；
该塑件翘曲部分在制模时应考虑它的变形性和其对应表面质量;
由于该制件相对较小,考虑到产量和生产周期应采用一模多腔生产,为此,我们选择一模两腔的生产方式.
3注射机的选取和标准模架的确定
3.1注射量和锁模力计算
（1）塑件质量、体积计算
由Pro/E得：
塑件体积
（取PC的密度为1.2g/cm3），流道凝料的质量
还是未知数，按塑件质量的0.2倍来估算，又因为是一模两腔，所以注射量为：
（2）塑件和流道凝料在分型面上的投影面积及所需锁模力的计算
流道凝料在分型面上的投影面积A2，在模具设计前是个未知值，根据多型腔模的统计分析，A2是每个塑件在分型面上的投影面积A1的0.2倍～0.5倍，因此可用
来计算估计，所以：
固模具所需锁模力
式中型腔压力
取35MPa
3.2注射机选取和相关参数的校核
3.2.1选取注射机
根据以上每一生产周期的注射量和锁模力的计算值
由
初选SYS—30型
3.2.2型腔数量及注射机有关参数的校核
1.型腔数量校核
表3-1SYS-30注射机技术参数
项目
参数
理论注射量/cm³
30
模板行程/mm
180
选用模内压力/Mpa
38.4
拉杆空间（长×
宽）
190×
300
最大注射面积/cm²
130
定位孔直径/mm
55
锁模力/KN
500
喷嘴球半径/mm
12
最大模具厚度/mm
200
喷嘴孔径/mm
3
最小模具厚度/mm
75
顶出孔径/mm
50
（1）按注射机的最大注射量校核型腔数量:
6.75＞2,固型腔数校核合格。
式中：
----注射机最大注射量的利用系数，无定型塑料一般取0.8；
---注射机允许的最大注射量（g或cm³
），该注射机为30cm³
;
----单个塑件的质量或体积（g或cm³
）,m1＝3.3576g;
---浇注系统所需塑料质量或体积（g或cm³
）,取0.2nm1。
（2）按注射机的额定锁模力校核型腔数量：
4.14＞2，固该注射机符合设计要求。
式中：
F-----注射机的额定锁模力（N），该注射机为5×
105N
----一个塑件在模具分模面上的投影面积（mm²
）,A1＝2948.88mm²
----浇注系统（一腔）在模具分型面上的投影面积（mm²
）A2＝0.35nA1
=2064.216×
10-6
---塑料熔体对型腔的成型压力（MPa）,该处取35MP。
2.注射机工艺参数的校核：
（1）注射量校核：
注射量以容积表示，最大注射容积为
----模具型腔和流道在注射压力下所能注射的最大容积（cm³
）;
------指定型号与规格的注射机注射容积（cm³
）,该注射机为30cm³
------注射系数，取0.75-0.85，无定型塑料可取0.85，结晶塑料可取0.75，该处取0.80。
倘若实际注射量过小，注射机的塑化能力得不到发挥，塑料在料筒中停留时间就会过长[10]。
所以最小注射溶剂
。
固每次注射的实际注射量容积V应满足
而
，则符合要求。
（2）锁模力校核：
在前面已进行，符合要求。
3.3标准模架的选取
由模具型腔的布局以及相互的位置关系的分析得选模型号为：
A2325--25×
25×
70GB/T12555—2006
具体尺寸见下表：
表3-2所选模架的尺寸
MxL
W1
W2
W3
A（定模）/B（动模）
C（垫块）
230×
250
280
43
140
25
70
H1动模底板
H2动模板
H3推件板
H4定模座
H5推板固定板
H6推板
35
15
20
W4复位杆宽距
L2复位杆长距
W5
L1
W6
L3
106
220
120
230
184
174
L4
W7
D1
D2
M1
M2
224
185
4×
M14
M8
3.4本章小结
由于在校核计算中大多都是以经验值或者经验比例计算的，因而，在计算的结果上有时不够精确，最好采用现代分析方法CAE进行数据分析再对照所选的注射机进行对比校核，并最终确定设计的合理性，具体分析见后面章节。
4注射模具总体结构的设计
4.1成型零件的结构设计
成型零件包括型芯和型腔，型芯形成制品的内表面形状，凹模形成制品的外表面形状。
合模后，型芯和凹模便构成了模具的型腔，如图4.1和图4.2分别表示型芯和凹模，按工艺和制造的要求，有时型芯或凹模由若干拼块组合而成，有时做成整体，仅在易损坏、难加工的部位采用镶块，本次设计型芯和凹模采用镶块的
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