斜齿轮注塑模设计

【摘要】

本文是对斜齿轮进行注射塑料模具设计，文中从制件和所用原材料分析入手，分析了滑轮的注射成型工艺，进行了型腔的尺寸计算，论述了斜齿轮模具结构设计，阐述了塑件分型面确定、型腔数量、排列方式、浇注系统和排气系统、塑件推出方式和位置、推出零件结构、浇注系统凝料推出方式、温度调节控制系统和成型零件及主要结构形式的设计过程。在设计中，考虑到本次所设计零件尺寸较小，精度要求不高，为提高生产率，故采用一模一腔。在此基本上，对主要零件进行了加工工艺分析并编制了工艺过程卡，通过模具设计、制造，实现了斜齿轮的注射成型。

关键词：注塑成型；分型面；模具设计；工艺性分析

Abstract and Keyword

This paper is carrying on designing the plastic injection mold with pulley. This article commence at spare parts and pulley ’ material. It has analyzed the pulley injection formation craft and calculated the size of the mode lumen, elaborated the mold of pulley structural design, elaborated how to determined the parting surface， the quantity of mode lumens ，the arrangement way, the casting system，the exhaust gas system, the sprinkle way，position of design, the structure of sprinkle parts, how to sprinkle the casting system congeal material ,the temperature control system ,the formation parts and the main structural design process. In the design, because the spare parts size is small and the accuracy request isn't high, in order to rise the rate of production, we adopted one mould and 8 mode lumens. In this paper, it has carried on the processing craft analysis of the major parts, and established the technological process card, through the mold design and the manufacture, the pulley injection formation has realized.

Keyword：injection molding；parting surface；mold design；craft analysis

前言

在现代塑料制品生产中, 普谝采用了模塑成型的方法, 有效提高了制件的质量和生产率,获得了显著的经济效益。

塑料成型模具是塑料模成型过程中不可缺少的工艺装备,对实现塑料成型工艺要求,塑料制品使用要求起主要作用,随着工业技术的发展,塑料模在生产中的主要地位和作用被越来越多的人们所共识。

本次进行的塑料模毕业设计是在学完《机械制图》、《互换性与测量技术基础》、《材料力学》《塑料成型工艺及模具设计》、《模具设计制造及其工艺》、《材料成型设备》、《机械原理》、《机械设计》等基础课程和专业课的基础上,参阅各设计资料而进行的一次综合性设计,起目的是为了检验学生对所知识的掌握程度和综合应用能力.通过本次设计,使同学对所学的知识进一步巩固和提高,进而能独立完成一副塑料成型模具的设计。

塑料模具的设计步骤主要包括:

1. 制品的成型工艺分析

2. 成型零件工作尺寸的计算

3. 选择注射机

4. 确定成型方案

5. 模具各零件的结构设计

6. 绘制装配图

7. 绘制各非标准零件图

8. 型芯、型腔加工等

我国塑料模具工业和技术今后的主要发展方向将包括：

（1）提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计制造水平及比例。这是由于塑料模成型的制品日渐大型化、复杂化和高精度要求以及因高生产率要求而发展的一模多腔所致。

（2）在塑料模设计制造中全面推广应用CAD/CAM/CAE技术。CAD/CAM技术已发展成为一项比较成熟的共性技术,近年来模具CAD/CAM技术的硬件与软件价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度,为其进一步普及创造了良好的条件;基于网络的CAD/CAM/CAE 一体化系统结构初见端倪,其将解决传统混合型CAD/CAM系统无法满足实际生产过程分

工协作要求的问题;CAD/CAM软件的智能化程度将逐步提高;塑料制件及模具的3D设计与成型过程的3D分析将在我国塑料模具工业中发挥越来越重要的作用。

（3）推广应用热流道技术、气辅注射成型技术和高压注射成型技术。采用热流道技术的模具可提高制件的生产率和质量,并能大幅度节省塑料制件的原材料和节约能源,所以广泛应用这项技术是塑料模具的一大变革。制订热流道元器件的国家标准,积极生产价廉高质量的元器件,是发展热流道模具的关键。气体辅助注射成型可在保证产品质量的前提下,大幅度降低成本。目前在汽车和家电行业中正逐步推广使用。气体辅助注射成型比传统的普通注射工艺有更多的工艺参数需要确定和控制,而且其常用于较复杂的大型制品,模具设计和控制的难度较大,因此,开发气体辅助成型流动分析软件,显得十分重要。另一方面为了确保塑料件精度,继续研究发展高压注射成型工艺与模具以及注射压缩成型工艺与模具也非常重要。

（4）开发新的塑料成型工艺和快速经济模具。以适应多品种、少批量的生产方式。

（5）提高塑料模标准化水平和标准件的使用率。我国模具标准件水平和模具标准化程度仍较低,与国外差距甚大,在一定程度上制约着我国模具工业的发展,为提高模具质量和降低模具制造成本,模具标准件的应用要大力推广。为此,首先要制订统一的国家标准,并严格按标准生产;其次要逐步形成规模生产、提高商品化程度、提高标准件质量、降低成本;再次是要进一步增加标准件规格品种。

（6）应用优质模具材料和先进的表面处理技术对于提高模具寿命和质量显得十分必要。

（7）研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程。采用三坐标测量仪或三坐标扫描仪实现逆向工程是塑料模CAD/CAM的关键技术之一。研究和应用多样、调整、廉价的检测设备是实现逆向工程的必要前提。

第一章塑件成型工艺性分析

1.1塑件的分析

因为模具的型腔设计是根据塑件决定的，所以首先必须分析塑件图和技术要求。分析塑件的几何形状，壁厚的均匀程度，工艺圆角，脱模斜度及成形孔的分布等。

塑件的几何形状分析：

塑件的几何形状与成型方法，模具的分型面选择，塑件是否能顺利成型和出模有直接关系。因此，设计时要使塑件的几何形状能满足其成形工艺要求。

1.脱模斜度

为了便于塑件从模具型腔中取出或从塑件中抽出型芯，在设计时沿脱模方向均应有足够的脱模斜度。

根据塑件材料聚甲醛推荐的脱模斜度为40＇～1°30＇。聚甲醛属硬脆类塑料，且属厚壁大的塑件，因此脱模斜度可取大值。根据塑件几何形状，按照塑件的收缩规律，一般向心收缩，所以内表面脱模斜度要比外表面大,由塑件的精度等级可确定脱模斜度，内表面取1°30＇，外表面取1°。

2.塑件的壁厚

壁厚与流程有密切关系，且成比例关系，根据聚甲醛属流动性中等。

可得：Ｔ=（Ｌ／100＋0.8）×0.7

Ｔ=〈(42+16π)/100+0.8〉×0.7=1.5≈2 即厚度≥2 即可；由于塑件最薄处为4mm，因此符合要求，同时可判断流程短，对注射成型有利。

3.圆角

在塑件设计过程中，为了避免应力集中，提高塑件强度，及提高脱模，常采用圆弧过渡。根据塑件圆角都取R=0.5mm。

4.精度等级

每个尺寸的公差不一样，有的属于一般精度，有的属于高精度，就按实际公差进行计算。

1.2聚甲醛（POM）的性能分析

塑料的种类繁多，性能有差异,在从事塑料应用技术工作时，首先应对所选用的塑料(聚甲醛)组成，类型以及有关性能有所了解，即掌握必要的塑料应用基础知识。

塑料是以合成树脂为基础，再加入增塑剂，填充剂，染料，润滑剂，稳定剂等材料组成。

在一定温度和压力条件下，通过成型加工，可以将塑料制成具有某种形状，在常温下保持形态不变的塑料制品。

1.2.1常用塑料

塑料可分为热固性塑料和热塑性塑料。

常用热固性塑料有酚醛塑料，氨基塑料，环氧树脂，DAP塑料等等。

常用热塑性塑料有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、苯乙烯-丁二烯-丙烯腈共聚体（ABS）、聚甲醛（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚砜（PSF）等等。

1.2.2 聚甲醛（POM）塑料

1、聚甲醛（POM）的工艺性能

热塑性塑料在恒温压力下，根据受热温度的差别，存在三种状态，即玻璃态、高弹态和粘流态。处于粘流态的塑料，可采用注射成型和挤出成型等加工方法来制作塑料制品，而聚甲醛就是在粘流态情况下成型成制品。聚甲醛流动性中等，主要由其温度压力，模具结构来决定其流动性。聚甲醛不是透明的结晶塑料。且不属于吸湿性塑料，因此，在成型前可不用预热处理，因为聚甲醛是热敏性塑料。因此，模具设计选择注射及成形时都应注意，应选用螺杆式注射机，浇注系统截面应大，模具和料筒应镀铬，不得有死角滞料，必须严格控制成型温度，模温，加热时间，螺杆转速及背压等。

2、聚甲醛（ＰＯＭ）的成型特性

a．结晶性塑料熔融范围很窄，熔融或凝固速度快，结晶化速度快，料温稍低于熔融温度即发生结晶化，流动性下降。

b．热敏性强极易分解（但比聚氯乙烯稍弱，共聚比均聚稍弱）分解温度为240℃,但200℃中滞溜30分钟以上即发生有刺激性分解时产生有刺激性，腐蚀性气体。

c．流动性中等，溢边值为0.04毫米左右，流动性对温度不敏感，但对注射压力变化敏感。

d．结晶度高，结晶化时体积变化大，成型收缩范围大，收缩率大。

e．吸湿性低，水分对成型影响极小，一般可不干燥处理，但为了防止树脂表面附粘水分，不利成型，加工前可进行干燥并起预热作用，特别对大面积薄壁塑料件，改善塑件表面光泽有较好效果，干燥条件一般用烘箱加热，温度为90～100℃,时间4小时,料层厚度30毫米。

f．摩擦系数低，弹性高，浅侧凹槽可强迫脱模，塑件表面可带有皱纹花样，但易产生表面缺陷，如毛斑、折皱、熔接痕、缩孔、凹痕等弊病。

g．宜用螺杆式注射机成形，余料不宜过多和滞留太长，一般塑件质量（包括主流道、分流道）不应超过注射机注射量的75%，或取注射容与料筒容量之比为1：6～1：10，料筒喷嘴等务必防止有死角，间隙而滞料，预塑时螺杆转速宜取低，并宜用单头，全螺纹，等距，压缩突变型螺杆。

h．喷嘴孔径应取大，并采用直通式喷嘴，为防止流涎现象喷嘴孔可呈喇叭状，并设置的加热装置，以适当地控制喷嘴温度。

i．模具浇注系统对料流阻力要小，进料口宜取厚，要尽量避免死角积料，模具浇注系统对料流阻力要小，进料口宜取厚，要尽量避免死角积料，模具应加热，模温高应防止滑动配合部件卡住，模具应用耐磨，耐腐蚀材料，并淬硬，镀铬，要注意排气。

j．必须严格控制成形条件，嵌件应预热（一般100～150℃），余料一般储存5～10个塑件重量的物料即可，料温取稍高于熔点（一般170～190℃）即可，不宜轻易提高温度，模温对塑件质量影响较大，提高模温可改善表面凹痕，有助于融了料流动，塑件内外均匀冷却，防止缺料，缩孔，皱折，模温对结晶度及收缩也有很大影响，必须正确控制，一般取75～120℃，小于4毫米的取75～90℃，宜用高压，高速注射，塑件可

在较高温度时脱模，冷却时间可短，但为防止收缩变形，应力不均，脱模后应将塑件放在90℃左右的热水中缓冷或用整形夹具冷却。

k．在料温偏高，喷嘴温度偏低，高压对空注射易发生爆炸性伤人事故，分解时有刺激性气体，料性易燃应远离明火。

3、聚甲醛（ＰＯＭ）的成型条件

查《塑料模设计手册》得：

表1-1

注射成型机类型螺杆式比重（g／cm） 1.41～1.43

计算收缩率(%) 1.2～3.0 注射压力(kg/cm) 800～1000

喷嘴温度(℃) 170～180 螺杆转速(r/min) 28

模具温度(℃) 90～120 适用注射机类型螺杆式

预热

温度

（℃）

时间

（小时）

80～100

3～5

料筒温

度（℃）

后断

中断

前断

160～170

170～180

180～190

成型时间（秒）注射时间

高压时间

冷却时间

总周期

20～90

0～5

20～60

50～160

（小）

后

处

理

方法

温度（℃）

时间

（小时）

红外线灯

鼓风烘箱

140～145

4

注：塑料模具应加热为宜。

4、聚甲醛

聚甲醛也是一种重要的工程塑料，它的抗疲劳强度较高，尺寸稳定，吸湿性远比尼龙小。制品可在-40～100℃范围内长期使用，并能保持较高的硬度，耐磨性，刚度和强度。和其它塑料对比，聚甲醛还能耐反复扭曲，而且有突出的回弹能力，故还可用作塑

料弹簧制品。缺点是热稳定性较差，成型过程中易因温度控制不当而分解。此外，收缩率较大，约为1.0～2.5%，长期于大气中暴晒会加速聚甲醛老化。

在工业中，除了选用聚甲醛作为某些有色金属的代用品之外，还广泛应用于汽车、机床、化工、机械、电器、农业机械等行业制造零部件。

第二章 模具结构形式的拟定

2.1 分型面位置的确定

通过对塑件结构形式的分析，分型面应选在端盖截面积最大且利于开模取出塑件的

底面上其位置如图2-1所示。

图2-1

2.2注射机型号的确定

1、注射量的计算

通过三维软件建模设计分析计算得 塑件体积： 3656.25cm V =塑

塑件质量： ?==66.25pV 塑塑m 1.41=36.2g 式中，p 参考表1-1可取1.421*-cm g 。 2、浇注系统凝料体积的初步估算

浇注系统的凝料在设计之前是不能确定准确的数值，但是可以根据经验按照塑件体积的0.2—1倍来估算。由于本次采用的流道简单并且较短，因此浇注系统的凝料按照

塑件体积的0.2倍来估算，故一次注入模具型腔塑料熔体的总体积（即浇注系统的凝料和塑件体积之和）为

3

?

V=

=

1

=）

（

2.0

+

V

.

79

25

30

2.1

.

66

cm

塑

总

3、选择注射机

根据上面计算所得出一次注入模具型腔的塑料总质量，初步选用XS—ZY—125型卧式注塑机较合适，其主要技术参数见表2-1.

根据XS—ZY—125型注塑机可查得：

表2-1

螺杆直径30 最大理论注射量104g

注射压力119Mpa 锁模力900KN

最大注射面积320㎝2最大模具厚度300

模板最大距离600 最小模具厚度200

模板行程300 喷嘴孔径 4

喷嘴圆弧半径12 喷嘴移动距离210

拉杆内间距260×290 锁模形式双曲肘

2.3 型腔数目的决定

注射模的型腔数目，可以是一模一腔，每一次注射生产一个塑件，也可以是多腔，每一次注射生产多个塑件。由此型腔数目的决定可以从多方面考虑, 从塑件尺寸精度考虑，型腔数越多，精度也相对较底，则该塑件精度不高，可多型腔数。从模具制造成本，多型腔模的制造成本省于单型腔模，但从塑件成本中所占的模具费比例来看，多型腔比单型腔要低。从注塑成型的生产效益来看，多型腔模从表面上看，比单型腔模经济效益高，从制造的难度来看，多型腔比单型腔制造难度大，从整体考虑，可以从注射机的注射能力来确定型腔数。

为了更正确的确定型腔数目，可以以注射能力为基础来校核一下，以按每次注射量不超过注射机最大注射量的80%。即：

N=﹙0.8·S－W浇／W件

N－—型腔数

Ｓ－—注射机注射量（g）

Ｗ浇－—浇注系统的重量

Ｗ件－—塑件重量

Ｓ＝104×1.42＝147.6g

Ｗ浇＝7.3 W件＝36.2g

代入得：

N＝(0.8×177.5－7.3)／36.2

＝3.06>1

即取一腔许可。

第三章浇注系统的设计

浇注系统设计时应从多方面考虑，结合塑料，浇注系统需按一模一腔分布设计，POM 的成型特性而知，进料口应取厚尽量避免死角积料。在保证工作顺利的条件下，容积应取最小，以充分利用材料，减小材料损耗。

3.1 主流道的设计

主浇道是与注射机喷嘴直接连接部分，它是最先进入模具的通道，它与喷嘴在同一轴心线上，故熔料在主流道内并不改变流动方向。主流道的形状大多为圆锥形，也呈圆形或扁形。为了便于拉出流道中的冷料，通常将主流道设计成圆锥形，锥角为2～7℃，内壁粗糙值等于或小于0.8 mm。圆锥孔小头直径为4～8mm，但必须比注射机喷嘴大0.5～1mm。主流道的长度由定模板厚度确定。另外，由于其与高温塑料熔体及注射机喷嘴反复接触，因此设计中常设计成可拆卸更换的浇口套。

确定主浇道各部分尺寸：

①确定喷嘴处孔径ｄ,由XS-ZY-125型注射机查得：

嘴喷孔径为4mm, 从聚甲醛成形特性看嘴喷处孔径应取大些,并采用直通式喷嘴。

d=喷嘴孔径＋1mm

d=5 mm

②确定浇口处喷嘴球半径,由XS-ZY-125型注射机查得：

球半径R为12mm,

R=喷嘴球半径＋（2～3）mm 可取3mm。

R=12＋3=15mm

③其他尺寸,

α=2°～5°, 可取α=3°。

r=1～3mm, 可取r=2mm。

H=（1/3-2/5）R=5～10mm, 可取H=R/3=5mm。

④确定主浇道直径，可由经验公式得：

D=

R

V

π4 D ——主浇道大头直径 V ——流经主浇道熔体体积

K ——常数（ POM 可取2.1） 代入得： D=

62.51

.2)

1042(44=?+?=ππR V

≈6mm

即只需大于6mm 即可。 D=d+tg α/2·L

=5+2.62=7.62mm ≥6mm 。 因此符合要求。

3.2 浇口的设计

浇口的位置尺寸、形状、直接关系塑件的内在质量与外在质量。如果采用不当，容易招致填充不良、气泡、融合痕、翘变形、密度不均匀的弊病。聚甲醛塑料其结晶速度快，流速增高，并且摩擦使料温也增高，有利于其填充型腔。且还可以缩短成型周期，残余应力小，可防止塑件破裂，翘曲，变形易进行浇口痕迹的后加工。

选择浇口对塑件的质量有直接关系，主要从塑件形状和要求来确定。由于塑件是一工程塑件，长筒形，外形有齿轮，内孔要与轴相互配。因此，不可能在内壁外侧开浇口，因此选择圆薄片状浇口较适合。因此其流程短，排气条件好，不易产生熔接痕，且对筒形中间通孔塑件更适合，只能适用于型腔，但浇口去除困难。其进料口厚度一般取0.2～1.2 毫米。

3.3 主流道浇口套的形式

主流道衬套为标准件可选购。主流道小端入口处与注射喷嘴反复接触，易磨损。

对材料的要求较严格，因而尽管小型注射模可以将主流道浇口套与定位圈设计成一个整体，但考虑上述因素通常仍然将其分开来设计，以便于拆卸更换。同时也便于选用优质

钢材进行单独加工和热处理。设计中常采用碳素工具钢（T8A或T10A），热处理淬火表面硬度为50—55HRC，如图3-1所示。

图3-1

3.4 浇口的设计

该塑件要求不允许有裂纹和变形缺陷，表面质量要求较高，采用一模一腔注射，为了便于调整充模时的剪切速率和封闭时间，采用直接浇注。浇口的位置尺寸、形状、直接关系塑件的内在质量与外在质量。如果采用不当，容易招致填充不良、气泡、融合痕、翘变形、密度不均匀的弊病。聚甲醛塑料其结晶速度快，流速增高，并且摩擦使料温也增高，有利于其填充型腔。且还可以缩短成型周期，残余应力小，可防止塑件破裂，翘曲，变形易进行浇口痕迹的后加工。

选择浇口对塑件的质量有直接关系，主要从塑件形状和要求来确定。由于塑件是一工程塑件，长筒形，外形有齿轮，内孔要与轴相互配。因此，不可能在内壁外侧开浇口，因此选择圆薄片状浇口较适合。因此其流程短，排气条件好，不易产生熔接痕，且对筒形中间通孔塑件更适合，只能适用于型腔，但浇口去除困难。其进料口厚度一般取0.2～1.2 毫米。