塑料模具课程设计(带模流分析)

景德镇陶瓷大学

专业课程设计

题目：铅笔盒注塑模设计学号：

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前言 (3)

第一章塑料制件的工艺性分析 (3)

1.1制件原料的工艺性 (3)

1.2塑料制件的结构工艺性 (3)

第二章初步选择注射机 (4)

2.1制品ABS的注塑成型参数 (4)

2.2计算制件的体积和质量 (4)

2.3选择注射机 (5)

2.4确定型腔数量 (5)

2.5确定分型面 (6)

2.6型腔的布局 (6)

第三章浇注系统设计 (7)

3.1主流道的设计 (7)

3.2分流道的设计 (9)

3.3浇口的设计 (9)

3.4冷料穴的设计 (9)

第四章冷却系统设计 (10)

4.1冷却系统的设计准则 (10)

4.2冷却系统参数的计算 (10)

4.2.1冷却介质 (10)

4.2.2冷却水体积流量的计算 (10)

4.2.3冷却管道直径 (10)

4.2.4冷却回路所需的总表面积 (10)

第五章铅笔盒模流分析模拟 (12)

5.1网格分析 (12)

5.1.1模型的导入 (12)

5.2.1 网格划分 (12)

5.2最佳浇口位置分析 (14)

5.3成型窗口分析 (15)

5.3.1区域分析 (15)

5.3.2制件质量分析 (15)

5.3.3注射压力分析 (16)

5.3.4最低流动前沿温度分析 (16)

5.3.5最大剪切应力分析 (17)

5.3.6最大冷却时间分析 (17)

5.4充填分析 (18)

5.4.1充填时间分析 (18)

5.4.2气穴位置分析 (18)

5.4.3熔接痕 (19)

5.4.4流动前沿处的温度 (20)

5.4.5充填分析过程信息 (20)

第六章成型零件设计 (22)

6.1成型零件的结构设计 (22)

6.1.1凹模的结构设计 (22)

6.2成型零件工作部分尺寸的计算 (22)

6.2.1型腔径向尺寸 (22)

6.2.2型芯径向尺寸 (23)

6.2.3型腔深度尺寸 (23)

6.2.4型芯高度尺寸 (23)

6.3模具型腔侧壁和底板厚度的计算 (24)

6.3.1模具型腔壁厚度的计算 (24)

6.3.2模具型腔底板厚度计算 (24)

6.4合模导向机构设计 (24)

6.5推出机构的设计 (26)

6.5.1脱模力的计算 (26)

6.5.2 推出机构的设计 (26)

6.6 模架专用零件选取 (26)

6.6.1 定模座板 (26)

6.6.2 定模板 (26)

6.6.3动模板 (26)

6.6.4垫块 (26)

6.6.4动模座板 (27)

6.6.5推板 (27)

6.6.6推杆固定板 (27)

6.7 注射机模具安装尺寸的校核 (27)

6.7.1喷嘴尺寸的校核 (27)

6.7.2定位环尺寸校核 (27)

6.7.3模具厚度校核 (27)

6.7.4开模行程的校核 (27)

6.7.5注射机与模具安装尺寸的校核 (27)

6.7.6最大注射量校核 (28)

6.7.7注射压力校核 (28)

6.7.8塑件在分型面上的投影面积校核 (28)

6.7.9锁模力的校核 (28)

6.7.10顶出装置的校核 (29)

第七章模具的工作过程 (29)

7.1模具合模与锁紧 (29)

7.2模具成型过程 (29)

7.3 模具开模过程 (30)

7.4模具复位过程 (32)

结论 (32)

参考文献 (34)

前言

现今我国模具工业呈现新的发展特点与趋势，结构调整等方面取得了不少成绩，信息社会经济全球化不断发展进程，模具行业发展趋势主要是模具产品向着更大型、更精密、更复杂及更经济快速方面发展。伴随着产品技术含量不断提高，模具向着信息化、数字化、精细化，自动化方面发展；模具企业向着技术集成化、设备精良化，产品品牌化、管理信息化、经营国际化方向发展。

随着汽车、IT电子、航空等相关行业领域高速发展，我国模具行业日新月异、高技术含量模具成为“十二五”发展重点。未来中国将重点发展高技术含量模具，模具产品向轻巧、精美、快速高效生产、低成本与高质量方向发展。

第一章塑料制件的工艺性分析

1.1制件原料的工艺性

ABS是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种化学单体合成。ABS的特性主要取决于三种单体的比率以及两相中的分子结构。这就可以在产品设计上具有很大的灵活性，并且由此产生了市场上百种不同品质的ABS材料。这些不同品质的材料提供了不同的特性，例如从中等到高等的抗冲击性，从低到高的光洁度和高温扭曲特性等。 ABS材料具有超强的易加工性，外观特性，低蠕变性和优异的尺寸稳定性以及很高的抗冲击强度。

干燥处理：ABS材料具有吸湿性，要求在加工之前进行干燥处理。建议干燥条件为80~90C 下最少干燥2小时。材料温度应保证小于0.1%。熔化温度：210~280C；建议温度：245C。模具温度：25…70C。（模具温度将影响塑件光洁度，温度较低则导致光洁度较低）。注射压力：500~1000bar。注射速度：中高速度。

1.2塑料制件的结构工艺性

图1-1零件图

图1-2 铅笔盒三维图

1脱模斜度

塑件冷却时的收缩会让塑件抱紧住模具型芯或型腔中的凸起部分，因此，为了方便从塑件中抽出型芯或从型腔中脱出塑件，防止脱模时拉伤塑件，在设计时，必须使塑件内外表面沿脱模方向留有足够的斜度，在模具上即称为脱模斜度。脱模斜度取决于塑件的形状、壁厚及塑料的收缩率。查《塑料模计手册》，查得ABS的脱模斜度为30′-1°。

2外形尺寸

铅笔盒塑件是一个结构简单无规则产品。铅笔盒高18mm，长188mm，宽70mm，壁厚2mm，铅笔盒有一个通孔。所有尺寸都未标注公差，建意采用公差等级MT5。外观要求没有缺陷、飞边、毛刺。塑料件没有特别的表面质量要求，故比较容易实现。

经过以上分析可知，只要在合理的工艺参数下注射时，成型塑件的质量跟性能都能保证。

第二章初步选择注射机

2.1制品ABS的注塑成型参数

注射机类型：螺杆式

螺杆转速(r/min)：20~40

喷嘴形式：直通式

料筒温度：前2180~220℃

中265~180℃

后150~170℃

模具温度：75~85℃

2.2计算制件的体积和质量

使用三维画图软件UG6.0对塑件进行质量属性分析，得出塑件的体积V为63.45cm3。使用材料ABS的密度为1.05g/cm3。根据公式得出塑件质量为m=1.05g/cm3×63.45cm3=66.62g。浇注系统

的凝料体积根据经验，按塑件体积的0.2~1倍计算。由于塑件外形尺寸较小，且大批量生产，为了生产效率，采用一模两腔形式。流道相对较短，所以凝料的体积按0.2倍计算。即v’=12.69cm3，凝料质量m’=13.32g。v总=63.45×2+12.69=139.59cm3。m总=139.59×1.05=146.57g。

2.3选择注射机

根据额定注射量和ABS的注射压力选用注射机：综合考虑后选用国产XS-ZY-250立式注射机。其主要参数如表所示：

表2-1 XS-ZY-250注射机的主要参数

项目参数数值项目参数数值额定注射量/cm3250 最大成型面积/mm2550、500 螺杆直径/mm 50 最大开（合）模行程500

注射压力/MPa 130 模具最大厚度/mm 350

注射行程/mm 160 模具最小厚度/mm 200

注射方式螺杆式喷嘴圆弧半径/mm 18

锁模力/KN 1800 喷嘴口直径/mm 4

2.4确定型腔数量

由注射机的最大注射量确定型腔数量n

N≤

12 )

(

m m

Km

N -

=

(0.825012.69)

63.45

?-

=2.95

式中K——注射机最大注射量的利用系数，一般取0.8

m N——注射机允许的最大注射量(g或cm3)

m2——浇注系统所需塑料质量或体积（g或cm3）

m1——单个塑件的质量或体积（g或cm3）

即N<3。每增加一个型腔，由于型腔的制造误差和成型工艺误差的影响，塑件的尺寸精度要降低约4%~8%，因此多型腔模具（n>4）一般不能生产高精度塑件。该零件结构比较简单，但表面积较小，而且要大批量生产，所以采用一模两腔。

2.5确定分型面

模具上用以取出塑件或取出浇注系统凝料的可分离的接触表面称为分型面。分型面是决定模具结构形式的重要因素。它与模具的整体结构和模具的制造工艺有密切关系，并且直接影响着塑料熔体的流动充填性及制品的脱模，分型面的位置也影响着成型零部件的结构形状，型腔的排气情况也与分型面的开设密切相关。因此，分型面的选择是注射模设计中的一个关键内容。

分型面的选择应注意以下几点：

（1）分型面应选在塑件外形最大轮廓处

（2）保证制件的精度和外观要求

（3）考虑满足塑件的使用要求

（4）考虑注塑机的技术规格，使模板间距大小合适

（5）考虑锁模力，尽量减小塑件在分型面的投影面积

（6）确定有利的留模方式，便于塑件顺利脱模

（7）不妨碍制品脱模和抽芯

（8）分型面应使模具分割成便于加工的部件，以减少机械加工的困难。

根据塑件的结构形式，本设计分型面设置在铅笔盒开口最大轮廓处A-A处，如图2-1所示。

图2-1分型面

2.6型腔的布局

型腔的排布应使每个型腔都通过浇注系统从总压力中均等地分得所需的足够的压力，以保证塑料同时均匀地充满每个型腔，使各型腔的塑件内在质量均一稳定。这就要求型腔与主流道之间距离尽可能最短。合理的型腔排布可以避免塑件尺寸的差异、应力形成及脱模困难等问题。由于成型同一尺寸及精度要求制件，所以型腔布局决定采用平衡式，其特点是从主流道到各型腔浇口的分流道的长度、截面形状及尺寸均对应相同，可实现均匀进料和同时充满型腔的目的。如图2-2为型腔布局图。

图2-2 型腔布局

第三章浇注系统设计

浇注系统是引导塑料熔体从注射机喷嘴到模具型腔的进料通道，具有传质、传压和传热的功能，对塑件质量影响很大。它分为普通流道浇注系统和热流道浇注系统。

对浇注系统进行总体设计时，一般应遵循如下基本原则：

a)、塑料成型特性：设计浇注系统应适应所用塑料的成型特性的要求，以保证塑件质量。

b)、模具成型塑件的型腔数：设置浇注系统还应考虑到模具是一出二腔或一模多腔，浇注系统需按型腔布局设计。

c)、塑件大小及形状：根据塑件大小，形状壁厚，技术要求等因素，结合选择分型面同时考虑设置浇注系统的形式、进料口数量及位置，保证正常成型，还应注意防止流料直接冲击嵌件及细弱型芯受力不均以及应充分估计可能产生的质量弊病和部位等问题，从而采取相应的措施或留有修整的余地。

d)、塑件外观：设置浇注系统时应考虑到去除、修整进料口方便，同时不影响塑件的外表美观。

e)、冷料：在注射间隔时间，喷嘴端部的冷料必须去除，防止注入型腔影响塑件质量，故设计浇注系统时应考虑储存冷料的措施[6]。

该模具采用普通流道浇注系统，包括主流道、分流道、浇口和冷料穴。

3.1主流道的设计

据相关资料，查得XS-ZY-250型注射机喷嘴的相关尺寸为：

喷嘴圆弧半径为16mm，喷嘴口直径为3mm。

根据模具主流道与喷嘴的关系得到：

主流道进口小端孔直径d=注射机喷嘴口直径+(0.5~1)mm，设计取d=4mm；

主流道进口端球面半径SR=注射机喷嘴圆弧半径+(1~2)mm，设计取S R=18mm；

主流道的长度L=97mm；

主流道大端直径D=d+2Ltan(α/2)=3.5+2*75*tan(2/2)=7.28mm；

为了将凝料从主流道中拔出，将主流道设计成圆锥形，其斜度α=2°。同时，为了使熔料顺利进入分流道，在主流道出料端设计圆弧过渡，r一般取1~3mm,这里取得r=2mm。

模具的主流道部分常设计为可拆卸更换的主流道衬套式（俗称浇口套），以便有效地选用优质钢材单独进行加工和热处理。一般采用碳素钢如T8A、T10A等，热处理要求淬火53～57HRC。浇口套设置在模具的对称中心位置，尽可能保证与相连接的注射机喷嘴为同一轴线。浇口套的形状及尺寸设计采用推荐尺寸的常用浇口套。为了能与塑料注射机的定位圈相配合，采用外加定位环的方式。

图3-1主流道尺寸示意图

图3-2 定位环

图3-3浇口套

3.2分流道的设计

分流道是指主流道末端与浇口之间这一段塑料熔体的流动通道。它是浇注系统中熔融状态的塑料由主流道流入型腔前，通过截面积的变化及流向变换以获得平稳流态的过度段，因此，要求所设计的分流道应能满足良好的压力传递和保持理想的填充状态，使塑料熔体尽快地流经分流道充满型腔，并且流动过程中压力损失及热量损失尽可能小，能将塑料熔体均衡地分配到各个型腔。

为便于机械加工及凝料脱模，分流道大多设置在分型面上，常用的分流道截面形状一般可分为圆形、梯形、U形、半圆形及矩形等。

分流道截面形状及尺寸应根据塑料制件的结构、采用塑料的工艺性、成型条件等因素有关。本套设计产品结构简单，采用圆形截面分流道，分流道尺寸为8mm。

图3-4 分流道的梯形截面尺寸

3.3浇口的设计

该模具设计采用的是一模两腔侧浇口进浇，宽度L=2 mm其深度H=1.0mm。

图3-5侧浇口结构尺寸示意图

3.4冷料穴的设计

冷料穴位于主流道正对面的模板上，或者处于分流道的末端，防止冷料进入模具型腔而影响制品质量。根据需要，冷料穴设在主流道的末端，冷料穴截面如图3-6所示。

图3-6 冷料穴尺寸

第四章 冷却系统设计

4.1冷却系统的设计准则

塑料在成型过程中，模具温度会直接影响到塑料的充模、定型、成型周期和塑件质量。所以，我们在模具上需要设置温度调节系统以到达理想的温度要求。

一般注射模内的塑料熔体温度为200℃左右，而塑件从模具型腔中取出时其温度在60℃以下。所以热塑性塑料在注射成型后，必须对模具进行有效的冷却，以便使塑件可靠冷却，便于取出产品。

4.2冷却系统参数的计算

4.2.1冷却介质

ABS 的成型温度和模具温度分别为215oC ～255oC 、40oC ～80oC 。用普通水作为介质冷却的方法称之为水冷。它是通过普通自来水提压后流经模具并循环流动带走热量。因为水的热容量大、传热系数大、成本低，水冷在塑料模具中应用最多，是常用的冷却方式。本次设计采用常用温水对模具进行冷却，冷却介质选用冷却水。

4.2.2冷却水体积流量的计算

如果忽略模具因空气对流、热辐射以及注射机接触所散发的热量，不考虑模具金属材料的热阻，可对模具冷却系统进行初步的和简略的计算。

冷却水的体积流量：

)(6021θθρ-=c mQ q V =)

2526(100010002.46010486.05-??????=3104.1-?m 3/min 式中 v q ——冷却水体积流量（m 3/min ）；

m ——单位时间注射入模具内的树脂质量（kg/min ），经过估算约为0.86kg/min ；

Q ——单位时间内树脂在模具内释放的热量(J/kg)，取4.0×105J/kg ；

c ——冷却水的比热容[J/(kg ?K)]；

ρ——冷却水的密度（kg/m 3）；

θ1——冷却水出口处温度（°C ）；

θ2——冷却水入口处温度（°C ）；

4.2.3冷却管道直径

为使冷却管道处于湍流状态，取d=8mm 。

冷却水道的流速

s m d q v v /30.060

)01.0(14.3104.14423

2=????==-π 4.2.4冷却回路所需的总表面积

)

(3600w m k mQ A θθ-=

式中 A ——冷却回路总表面积（m 2）；

m ——单位时间注射入模具内的树脂质量（kg/min ），经过估算约为51.624kg/h ；

Q ——单位时间内树脂在模具内释放的热量(J/kg)，取4.0×106J/kg ；

K ——冷却水的表面传热系数[W/(m 2?K)]

θm ——模具成型表面的温度（°C ）；

θw ——冷却水的平均温度（°C ）；

其中

1915)

01.0()30.01000(95.7)(2.08

.02.08.0=??=Φ=d v k ρ[w/(m 2?K)] 式中 ρ——冷却水在该温度下的密度，kg/m 3；

v ——冷却水的流道，m/s ；

d ——冷却水孔直径，m ；

Φ——与冷却水温度有关的物理系数，取7.95

所以)(3600w m k mQ A θθ-==235109.11)

2550(19153600104624.51m -?=-???? 从计算结果看，模具塑料释放的总热量、冷却回路所需的总表面积和冷却水体积流量都很小。铅笔盒是小型薄壁制件，考虑模具设计要求结构简单以及模具加工成本因素，本设计采用简单路冷却。

第五章铅笔盒模流分析模拟

5.1网格分析

5.1.1模型的导入

使用UG软件建立铅笔盒的三维模型，然后保存为STL格式文件。方可导入MoldFlow分析软件。如图5-1所示。

图5-1零件图

5.2.1 网格划分

用MoldFlow自动划分网格。网格类型为Fusion(双平面)；网格面积为402.565cm2网格体积为63.4572cm3；连通域个数为1；配向不正确单元个数为0；交叉边个数为0；最大纵横比为9.8；最小纵横比为1.16；网格匹配率为94%，如图5-2所示。

图5-2 网格数据实际网格如图5-3所示：

图5-3 实际网格

5.2最佳浇口位置分析

首先利用Moldflow来分析塑件的最佳浇口位置，将分析类型设为最佳浇口，材料采用ABS

塑料（模具表面温度为60 oC，熔体温度为260 oC），设置注塑机参数，进行分析，结果如图5-4

所示，图中蓝色区域为较好的浇注位置。

图5-4最佳浇口位置

通过MoldFlow的分析，得出了浇口位置颜色分布区域，结合该零件的形状特点及实际生产设计，将最佳浇口位置设置在该零件的产品边缘（侧进浇），节点N6046和N5834，坐标为（25，50，0）及（25，-50，0），如图5-5所示：

图5-5 确定最佳的浇口位置

注射成型工艺的核心问题，就是采用一切措施以得到塑化良好的塑料熔体，并把它注射到型腔中去，在控制条件下冷却定型，使塑件达到所需要求的质量。影响注射成型工艺的重要参数是塑化流动和冷却温度、压力以及相应的各个作用时间。

注射成型过程中需控制的温度有料筒的温度、喷嘴的温度和模具温度。注射模塑化过程中的压力包括塑化压力和注射压力。完成一次注射成型过程所需的时间成为成型周期，它包括注射时间、模内冷却时间及其他时间。

5.3.1区域分析

图5-6区域分析

由图分析可知，模温范围是60°C-850°C，熔体温度范围是220°C-280°C，注射时间为10.52s。

5.3.2制件质量分析

图5-7 制件质量分析

由图可知，在熔体温度220°C，注射时间0.3500s条件下，模具温度越高，制件质量越好。

图5-8 注射压力分析

由图可知，在熔体温度220°C，注射时间0.3500s条件下，模具温度越高，注射压力越小，所以适当的提高模具温度有助于采用较小的注射压力。

5.3.4最低流动前沿温度分析

图5-9 最低流动前沿温度分析

由图可知，在熔体温度220°C，注射时间0.3500s条件下，模具温度越高，最低流动前沿温度越小，两者呈线性反比例关系。

5.3.5最大剪切应力分析

图5-10最大剪切压力分析

由图可知，在熔体温度220°C，注射时间0.3500s条件下，剪切应力随着模温的提高而降低。而剪切应力影响到塑件收缩率的变化，剪切应力太小会导致收缩率的变大，剪切应力太大又会导致保压和冷却时间变长，所以应适当选取剪切应力。

5.3.6最大冷却时间分析

图5-11最大冷却时间分析

由图可以看出，在熔体温度220°C，注射时间0.3500s条件下，随着模具温度升高，最大冷却时间随之增大。这就会使生产周期变长，所以不能选择过高的模具温度。

成型窗口推荐的工艺参数：

图5-12成型窗口推荐参数

综上分析，选模具温度为79.44°C，熔体温度为275.86°C，注射时间为2.28s。

5.4充填分析

5.4.1充填时间分析

充填时间是指熔融体填满整个型腔所需的时间，分析结果如图5-13所示：

图5-13 充填时间

图中蓝色区域为开始浇注的区域，红色为最后浇注的区域,充填时间为1.534s。

5.4.2气穴位置分析

在塑料熔体注射充填型腔过程中，模腔内除了原有空气外，还有塑料含有的水份在注射温度下蒸发而成的水蒸气，塑料局部过热分解产生的低分子挥发性气体等。这些气体如果不能通过排气系统顺利排出模腔，将会影响制品成型以及脱模后的质量。它将会受到熔体的压缩并因此对熔体产生反压力，从而导致制品出现填充不足或制品中产生气泡以及组织疏松等，从而产生气穴。MoldFlow 对铅笔盒塑件气穴的位置分析如图5-14所示：

图5-14 气穴的位置

如图所示，气穴在塑件的底部产生，气体都可通过分型面的间隙排出。从熔体整个充填过程看，让气体有充足的时间排出型腔。

5.4.3熔接痕

熔接痕是由于来自不同方向的熔融树脂前端部分被冷却、在结合处未能完全融合而产生的。一般情况下，主要影响外观，对涂装、电镀产生影响。严重时，对制品强度产生影响（特别是在纤维增强树脂时，尤为严重）。熔接痕的位置如图5-15所示：

图5-15 熔接痕的位置