薄壁凸臺套筒注塑模具設計及CAE分析設計

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1、蘇州大學本科生畢業(yè)論文（設計） 薄壁凸臺套筒注塑模具設計及CAE分析 摘要 本文主要介紹了薄壁凸臺套筒注塑模具的設計過程，以Pro/E、CAD等繪圖工具為基礎，對注塑模具的結構進行了詳細設計，完成了模具的裝配圖以及主要零件的零件圖。設計過程中，分析了塑件的結構、成型工藝可行性，介紹了模具的基本工作原理，并對注塑機的選擇、澆注系統(tǒng)、型腔布置、成型零件、脫模機構、導向機構、頂出系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、以及相關參數的設計及校核作了詳細的計算。除了設計之外，本文還通過模流分析軟件moldflow對模具澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及流動系統(tǒng)進行了模擬分析，基本完成了模具的整個設計過程。 關鍵

2、詞：薄壁、注塑、模具、moldflow Abstract This paper applies the design precedure of the injection mold of thin-walled convex sleeves. Based on Pro/e and CAD, detailed design of the structure of the injection mold is carried out. The assembly drawing and some part

3、drawings of the main parts are completed. During the process of the design, the structure of the plastic part and the feasibility of forming technolohy are analysed, with the basic operation principle of the mould introduced, and detailed calculation of the choice of injection molding machine、pourin

4、g system、design of cavity、molding parts、demoulding mechanism、steering mechanism、ejection mechanism、exhaust system、cooling system、design and check of related parameters are provided. Besides, the simulation of the feed system、cooling system and running system is given out through moldflow. The entire

5、 process of the design is mostly completed. Keywords: thin-walled、injection、mould、moldflow 2 蘇州大學本科生畢業(yè)論文（設計） 前言 在實際生產過程中，經常會遇到加工各種不同類型的薄壁零件，在加工過程中容易變形。對其內在外在引起變形的根源進行分析，在加工薄壁類零件時，找到如何防止其變形，從而達到零件圖紙的設計要求，達到各項技術指標和穩(wěn)定性要求的處理方法的探索是非常必要的。薄壁零件已日益廣泛地應用在各工業(yè)部門，因為它具有重量輕，節(jié)約材料，結構緊湊等特點。但由于薄壁零件剛性差，強度弱，給加工

6、過程帶來了各種技術上的問題。 塑料制品通常簡稱為塑件，研究塑件的結構設計工藝性具有重要意義。結構良好的塑件對模塑過程、減少缺陷、獲得更快的充模速度等方面有良好作用。以壁厚為例,如果僅從滿足使用性能考慮而使壁厚產生劇烈變化以及在長的窄通道末端存在著厚壁均將影響模腔充填,使制品產生缺陷。要在不改變結構的情況下解決這種流動不良的現象,就需要更高的注射溫度和壓力,以及更長的保壓時間,因而延長了模塑周期。 薄壁塑料制品的結構工藝性直接影響制品本身的性能指標、成型工藝的實施和模具結構的復雜程度。因此,模具設計人員必須熟悉與設計模具有關的塑料制品結構工藝性方面的要求,以便在滿足使用要求的前提下,考慮塑

7、件在模具中成型的特點,充分發(fā)揮所用塑料在性能上的優(yōu)勢,達到簡化塑件及模具結構、降低生產成本的目的。 在塑料材料、制品設計及加工工藝確定以后，塑料模設計對制品質量與產量，就具有決定性的影響。首先，模腔形狀、流道尺寸、表面粗糙度、分型面、進澆和排氣位置選擇、脫模方式以及定型方法的確定等，均對制品（或型材）尺寸精度和形狀精度以及塑件的物理力學性能、內應力大小、表觀質量與內在質量等，起著十分重要的影響。其次，在塑件加工過程中，塑料模結構的合理性，對操作的難易程度，具有重要的影響。再次，塑料模對塑件成本也有相當大的影響，除簡易模具外，一般說來制模費用十分昂貴，大型塑料模更是如此。 塑料模是塑料制品生

8、產的基礎之深刻含義，正日益為人們理解和掌握。當塑料制品及其成型設備被確定之后，塑件質量的優(yōu)劣以及生產效率的高低，模具因素約占80%。由此可知，推動模具技術的進步是刻不容緩的策略。尤其大型塑料膜的設計技術與制造水平，常常可標志一個國家工業(yè)化的發(fā)展程度。 第一章 塑件可行性分析 1.1 外形尺寸及精度等級 該塑件外徑φ5.98mm，長度14mm，最大壁厚0.45mm，尾部鎖緊扣尺寸，長度0.3mm，單邊高度0.15mm。其中尺寸φ5.08，φ5.98，14mm存在公差，查表可知公差等級為IT11，未注公差取自由公差等級。 圖1-1 薄壁凸臺套筒 1

9、.2 塑件的材料及其性能 PS聚苯乙烯，熱塑性材料，流動性較好，抗拉強度高，化學性能穩(wěn)定，成型性能好，適合于點澆口。（具體參數如表1-1） 表1-1 PS主要性能參數 密度 1.04~1.06 g/cm 收縮率 0.5~0.6 % 抗拉屈服強度 35~63 MPa 拉伸彈性模量 2800~3500 MPa 抗彎強度 61~98 MPa 沖擊韌性 0.54~0.86 kJ/m 熱變形溫度 65~96 C 硬度 M65~80 HB 1.3 分型面和脫模斜度的確定 由于零件尾部鎖緊扣錐度方向與抽芯方向相反，而且型腔深度較深，不便

10、于加工，所以選擇分型面時綜合分析，將分型面設在零件大端面。 考慮到零件尾部鎖緊扣尺寸較小（單邊尺寸0.15mm），根據使用用途，塑件變形后可以回彈不影響功能，故將芯軸按照零件內型加工，留出收縮量，并在芯軸外圓上加工多道臺階，臺階高度雙邊0.1mm，寬度1mm，可將注塑后零件從型腔中抽出，再使用退料板將零件從芯軸上推下，可實現注塑過程。 PS（聚苯乙烯）的成型性能良好，成型收縮率較小，根據參考文獻查表，選擇塑件上型芯和凹模的統(tǒng)一脫模斜度為1度。 1.4 型腔數量和排列方式的確定 該塑件要求月產量200萬件，屬于大批量生產，在保證塑件質量前提下，盡可能采用一腔多?；蚋咚僮詣踊a，

11、以縮短生產周期，提高生產率。按照一臺注塑機兩班生產，每模6件計算，則月產量為35萬件，遠遠不滿足生產要求。由于塑件精度等級較低，體積小，不需要側抽芯機構，在保證塑件質量的前提下，為了提高設備的利用率，考慮模具采用1腔32模進行設計。排列方式如圖1-2所示 圖1-2 一模32腔 第二章 注塑機的選擇 2.1 塑件體積和其他參數的計算 1.單個塑件的體積和質量計算 根據塑件形狀進行大致計算，得到塑件體積V1=105mm=0.105cm， 塑件材料聚苯乙烯（PS）的密度取ρ=1.04~1.06g/cm，則單個塑件的質量為m=0.1g。 2.模具所需塑

12、料熔體注射量計算 V=n*V1+V2 式中，V —— 一副模具所需塑料的體積（cm）； n —— 初步選定的型腔數量； V1 —— 單個塑件的體積（cm）； V2 —— 澆注系統(tǒng)的體積（cm）。 對于流動性較好的普通精度塑件，澆注系統(tǒng)凝料約為塑件體積的15%-20%，考慮深長型薄壁零件，設計時以0.6nV1作為預測估算，即注射V=1.6n*V1=5.376 cm 3.鎖模力計算 A=n*A1+A2 Fm=（n*A1+A2）*p 式中，A —— 塑件及流道凝料在分型面上的投影面積（mm）； A1 —— 單個塑件在分型面上的投影面

13、積（mm）； A2 ——流道凝料（包括澆口）在分型面上的投影面積（mm）； F —— 模具所需的鎖模力（N）； p —— 塑料熔體對型腔的平均壓力（MPa）。 對于多型腔模的統(tǒng)計分析，流道凝料（包括澆口）在分型面上的投影面積A2大致是單個塑件在分型面上的投影面積A1的0.2-0.5倍，因此可用0.35nA1來估算，計算得，A≈1213 mm。 查表2-1 部分塑料所需的注射壓力（伍先明《塑料模具設計指導》），對于難流動的薄壁窄澆口件，聚苯乙烯所需的注射壓力P1=120~150MPa，而成型時塑料熔體對型腔的平均壓力p，其大小一般為注射壓力的30%

14、~65%。計算得，p≈36~97.5MPa，取80MPa。 所以，鎖模力F=A*p≈97KN 2.2 注塑機的型號和規(guī)格的初步選擇 注射機的最大注射量（額定注射量G）和額定鎖模力F應滿足： G≥V/α=6.72（α取0.8），F＞Fm=97KN 根據計算的各項參數，選擇注塑機型號為SZ-100/80，注塑機各項參數如表:2-1所示。 表2-1注塑機主要參數 型號 SZ-100/80 螺桿直徑/mm 35 最大注射容量/cm 100 注射壓力/MPa 170 鎖模力/kN 800 最大模具厚度/mm 300 最小模具厚度/mm 170 拉桿內間距

15、/mm 320*320 模板行程/mm 305 噴嘴圓弧半徑/mm 10 噴嘴孔徑/mm 3 注射速率g/s 95 螺桿轉速r/min 0~200 塑化能力g/s 40 第三章 澆注系統(tǒng)的設計 3.1 模具澆注系統(tǒng)的設計原則 普通澆注系統(tǒng)由主流道、分流道、澆口和冷料井組成。澆注系統(tǒng)的設計時注塑模具設計的一個重要環(huán)節(jié)，在設計澆注系統(tǒng)之前必須明確塑件成型位置，這對注塑成型周期和塑件質量（如外觀、物理性能、尺寸精度）都有著直接的影響，設計時應遵循如下原則： （1）.型腔布置和澆口開設部位對稱，防止模具承受偏載而造成

16、溢流現象； （2）.型腔和澆口的排列盡可能地減少模具外形尺寸； （3）.系統(tǒng)流道應盡可能短，斷面尺寸相當，盡量減少彎折，使熱量和壓力損失盡可能??； （4）.多型腔應盡可能使塑料熔體在同一時間內進入各個型腔，分流道盡可能平衡布置； （5）.滿足型腔充滿的前提下，澆注系統(tǒng)容積盡量小，以減少塑料的消耗量； （6）.澆口位置適當，盡量避免沖擊型芯，防止型芯變形，澆口殘痕不應影響塑件的外觀。 3.2 主流道的設計 主流道的長度： 對于小型模具L應盡量小于60mm，這里取值50mm； 主流道小端直徑 d=注射機噴嘴尺寸+（0.5~1）mm=3+（0.5~1）mm=4mm； 主

17、流道大端直徑 D=d+L*tanα=7.5mm，（其中α≈4）； 主流道球面半徑 SR=注射機噴嘴球頭半徑+（1~2）mm=10+2=12mm； 球面的配合高度 h=3mm。 主流道凝料體積 V主=1338 mm 圖3-1 澆口套（詳細參數見零件圖） 3.3 分流道的設計 分流道是主流道和澆口之間的通道，一般開在分型面上。本模具中采用梯形流道。查表可知聚苯乙烯分流道斷面直徑范圍為3.5~10mm，這里取值10mm（主流道大經為8mm），梯形高度5mm。每節(jié)分流道比下一節(jié)分流道大10%~20%左右，表面粗糙度一般取0.63~1.6um左右即可。 圖3-2 分流道

18、 圖3-3第一到第四節(jié)分流道的截面形狀 3.4 點澆口的設計 點澆口位置尋在分型面上，以便于模具加工及使用時的清理，根據零件的特點，澆口位置設置在尾部斷面中心。澆口截面面積約為分流道截面面積額的3%~9%，直徑常為0.5~1.8mm，澆口長度0.5~2mm。此模具中，塑件分型面處尺寸較小，故都取值為0.5mm。 圖3-4 點澆口 3.5 冷料穴的設計 冷料穴的目作用是儲存因兩次注射間隔而產生的冷料頭以及熔體流動的前鋒冷料，以防止冷料進入型腔。冷料穴一般設置在主流道的末端，當分流道較長時，在分流道的末端有時也開設冷料穴。 本設計中將冷料穴設置在各個分流道末端，詳見圖

19、3-2。 第四章 成型零件的設計 注：PS收縮率為0.5%~0.6%，這里取0.5%。尺寸公差＜0.1mm，徑向尺寸修正系數x取0.8，軸向尺寸修正系數x取0.65。詳細尺寸及技術要求見零件圖。 凸模型芯的尺寸計算 塑件尺寸 型芯尺寸 h1=3.1mm 3.12mm *h2=10.4(0，-1)mm 11.10(0，-1)mm d1=Φ2.2mm Φ2.21mm *d2=Φ5.08(+0.06，0)mm Φ5.15(0，-0.06)mm 凹模型腔的尺寸計算 塑件尺寸 型腔尺寸 H1=3mm 3.02mm *H2=11

20、(0，-1)mm 10.45(+1，0)mm D1=Φ2.9mm Φ2.91mm *D2=Φ5.98(0，-0.08)mm Φ5.95(+0.08，0)mm 第五章 脫模機構的設計 為將零件從芯軸上退下，模具采用推件板將塑件取下，推件板內孔與芯軸間隙為0.06mm。由于鎖緊扣的存在和，芯軸在設計過程中需要加工多道臺階，詳見芯軸零件圖。 單個塑件（以薄壁圓筒計算）的脫模力計算F=250.9N； 單個塑件在推件板推出時的推出面積A=7.818 mm 則，推出應力σ=F/A=32.09MPa＜35Mpa（抗拉屈服強度），合格。

21、 第六章 模架型號和相關尺寸的確定 6.1 模架的選取 根據模具型腔布局的中心距可以算出型腔所占平面尺寸為80mm*174mm， 條件（1）80≤W3-10，即W3≥90mm， 查表得W3=110，故W=180，D2=12。 條件（2）174≤L2-D2-30，即L2≥174+12+30=216， 查表得L2=208，故L=250。 所以，所選模架為W*L=180*250，DB型模架 6.2 各模板尺寸的確定 1.A板尺寸：A板為定模型腔板，包含（分流道凝料厚度5mm、澆口深

22、度、塑件高度14mm），這里取25mm。 2.B板尺寸：B板是型芯固定板，按模架標準板厚取25mm。 3.C板（墊板尺寸）：墊板=推出行程+推板厚度+推桿固定板厚度+（5~10）mm =14+15+20+（5~10）=54~59mm，初步選定60mm。 4.其余尺寸（H1、H2、H3等）均為標準模架厚度，查表可得。 6.3 模架尺寸的校核 1.模具平面尺寸230mm*250mm＜320mm*320mm（拉桿內間距）； 2.模具高度尺寸230mm，170mm＜230mm＜305mm（模具最大、最小厚度）； 3.開模行程S=H1+H2+（5~10）mm=14+65+

23、(5~10)=84~89mm＜305mm。 故，模架各尺寸均合格。 第七章 導向和定位機構的設計 注射模的導向機構用于動、定模之間的開合模導向和脫模機構的運動導向。按作用分為模外定位和模內定位。模外定位是通過定位圈與注射機相配合，使模具的澆口套能與注射機噴嘴精確定位（由于本模具的定模座板和推料板尺寸較小，澆口套未采用標準件，定位方式如下圖，詳細尺寸公差及技術要求見零件圖）。 而模內定位機構則通過導柱導套進行合模定位。本模具所成型的塑件比較簡單，模具定位精度要求不是很高，因此可采用模架本身所帶的定位機構。 圖7-1 澆口套的定位

24、 第八章 排氣和冷卻系統(tǒng)的設計 塑料熔體在填充模具的型腔過程中同時要排出型腔及流道原有的空氣，除此之外，塑料熔體會產生微量的分解氣體，這些氣體需及時排出。否則，被壓縮的空氣會產生高溫，引起塑件局部碳化燒焦，或塑件產生氣泡，亦或是塑件熔接不良引起強度下降，甚至沖模不滿。由于該模具為小型模具，且分型面位置事宜，推件板與芯軸之間存在0.1mm的設計間隙，可作為氣體排出方式，故無需設計排氣槽。 由于塑件型腔以4*8排列，每個型腔間距24mm，冷卻回路按照圖8-1設置，冷卻水口口徑為6mm，每節(jié)水管長度24mm。 圖8-1 冷卻水管的分布

25、 第九章 模具總裝圖 圖9-1 裝配圖 1.動模座板；2.內六角螺釘；3.內六角螺釘；4.彈簧墊圈；5.擋環(huán)；6.墊塊； 7.支承板；8.動模板；9.推件板；10.定模板；11.推料板；12.直導套； 13.帶頭導套；14.內六角螺釘；15.澆口套；16.定位圈；17.定模座板； 18.帶頭導套；19.導柱；20.內六角螺釘；21.復位桿；22.推桿固定板； 23.推板；24.拉料桿；25.型芯。 第十章 模流分析的前期工作 10.1 Pro/E建立塑件模型 要進行模流分析，首先必須將待

26、分析件的模型建立出來，同時并轉換成Moldflow可以識別的格式。 如圖所示，將Pro/E模型轉換成stl格式： 圖10-1 轉換stl格式 10.2 網格劃分 圖10-2 網格劃分 網格統(tǒng)計結果： 圖10-3 網格統(tǒng)計 第十一章 最佳澆口位置分析 圖11-1 最佳澆口位置 最佳澆口的分析結果如圖11-1所示，可以看出，最佳澆口位置位于套筒外圓面中見部位，與原設計略有差異。因為考慮到大

27、批量生產，為簡化模具，仍選取原方法。 第十二章 填充與翹曲分析 12.1 填充時間分析 圖12-1 填充時間 由圖中可以看出，充填所需時間約為0.1秒，時間偏短，可以通過調節(jié)注射壓力、調節(jié)注射速度來調節(jié)充填時間。 12.2 體積收縮率分析 圖12-2 體積收縮率 由圖中可以看出，底部中間處的體積收縮率較小，澆口處收縮率很大，整體收縮相對來說不大（若是比較大，則需增大保壓壓力）。 12.3 零件變形分析 圖12-3 所有因素（取向、收縮、冷卻等）引起的變形 由圖中可以看出，塑件大端面處

28、變形較大，可能的因素是保壓壓力不足或者是保壓時間不足，可以適當地增加保壓壓力和延長保壓時間。 12.4 氣穴位置分析 圖12-4 氣穴的位置 從圖中可以看出，氣穴的位置集中在端面部位，這和熔料的流動有關，因為熔料從中間向兩側填充。分析結果顯示氣穴還比較多，所以需要適當在氣穴附近開一些排氣孔，同時增加注塑壓力。 12.5 熔接痕位置分析 圖12-5 熔接痕位置分析 由圖可以看出，熔接痕的位置也在突起部位，跟氣穴所在位置接近，熔接痕在很大程度上就是由氣穴造成的。所以，要消除熔接痕首先要消除氣穴，就是要增加排氣孔，同

29、時適當增加注塑壓力、保壓壓力等。 12.6 注射處壓力分析 圖12-6 注射位置處壓力 圖中可以看出，注塑分兩個階段，填充過程時間太短，注射壓力較大，整個充填過程中壓力較穩(wěn)定，保壓結束后壓力釋放，歸零。 第十三章 冷卻與流動分析 13.1 體積溫度分析 圖13-1 未加冷卻回路時的體積溫度 圖13-2 加冷卻回路后的體積溫度 由圖中可以看出，由于加了冷卻回路，接水盒的溫度明顯降低。由于零件不大，且壁厚t=0.5mm，冷卻效果很明顯，整體體積溫度都降低。 13.2 凍結時間分析 圖13-3 凍結時間

30、 由圖中可以看出，由于零件較小，壁厚較薄，總體凍結時間較短，從中間澆口位置開始到外側冷卻時間逐漸增大。 13.3回路冷卻介質溫度分析 圖4-15回路管壁溫度 由圖中可以看出，冷卻介質的溫度不一樣，入口處的溫度最低，然后越來越高，出口處的溫度最高。 13.4 制品溫度分析 圖4-18 制品溫度 由于冷卻回路的作用，制品的溫度較低，且溫度分布也較為均勻。 13.5 螺桿速度分析 圖4-19 推薦螺桿速度 有圖中可以看出，螺桿速度越大，制品溫度越高，因為螺桿

31、速度越快，熔料流動就越快，冷卻就不均勻，溫度就越高。 總結 本論文主要介紹了薄壁凸臺套筒注塑模具的設計過程，并對注塑過程進行了簡單模擬，給出了分析過程中的部分圖片。 設計過程中，綜合考慮了塑件材料的安全性、流動性、可塑性，塑件的質量要求，模具的制造成本，模具的可加工性等要素，本著一切從實際出發(fā)的原則，針對提高生產效率和產品質量兩個方面進行設計。 從第二章起詳細介紹了模具各部件的設計計算過程，并給出了重要部件的零件圖和部分詳細尺寸，模具總裝圖則直觀地展示了模具的整體構架。第十章起結合moldflow對相關的熔體流動進行模擬和分析，通過對注塑的最佳澆口位置及注塑過程中翹曲、變形、收

32、縮、冷卻等各種情況的研究，查出了一些缺陷并給出了相應的優(yōu)化方案，消除缺陷或將缺陷控制在范圍內。這對模具后期調試提供了參考，縮短了生產周期，節(jié)約了勞動成本。 本文的設計已經基本完善，但是仍然存在一定的缺陷，比如模具的校核做得不夠詳細，模流分析做得還不夠成熟，這些都需要在以后的工作中加以改進。 要做出一個合格的模具，合理的數據計算、校核和零部件的設計是為關鍵的環(huán)節(jié)，如何使模具以最簡單的結構達到較高的成產要求，是對設計者最大的考驗。通過這次的畢業(yè)設計，對我們之前所學的基礎專業(yè)知識進行了一次系統(tǒng)的鞏固和知新，進一步扎實了我們的理論知識和實踐經驗，為我們以后步入工作或者更深入的學習打下了堅實的基礎。

33、 參考文獻 [1]伍先明，張蓉等.塑料模具設計指導（第二版）.國防工業(yè)出版社.2011. [2]李建軍，李德群.模具設計基礎及模具CAD.機械工業(yè)出版社.2011. [3]韓進宏.互換性與技術測量.機械工業(yè)出版社.2011. [4]朱輝，唐保寧等.畫法幾何及工程制圖.上海科學技術出版社.2009. [5]李德群，唐志玉.中國模具工程大典，第3卷，塑料與橡膠模具設計.電子工業(yè)出版社.2007. [6]李學志.計算機輔助設計與繪圖（AutoCAD2007中文版）（第二版）.清華大學出版社.2007 [7]陳智勇.Mol

34、dflow 6.1 注塑成型從入門到精通.電子工業(yè)出版社.2009. 致謝 逝者如斯夫，不舍晝夜，四年的時光就這樣不知不覺的過去了。在蘇州大學的四年時光我永生難忘，學校嚴謹的學風，融洽的氛圍，老師的精心指導和無私奉獻的精神，都給予我很大的幫助。 在這四年中，我從課堂上學習到了很多專業(yè)知識，同時，我利用課余時間拓展了很多課外知識。這些都為本論文的寫作打下了扎實的基礎，學校圖書館大量的文獻資料也為本文提供了廣泛的空間，在此表示感謝。 完成畢業(yè)設計的過程鍛煉了我自我學習，參閱資料，編寫論文的能力，也開拓了視野，了解了國內外一些先進的技術與理念。 這里還要特別感謝楊宏兵老師，本畢業(yè)論文正是在楊老師的指導之下完成的，在這一學期的時間里，如果沒有楊老師的督促與指導，本論文也就無法完成。 另外，也要感謝與我同組的所有同學，我們平時互幫互助、相互討論、發(fā)現問題、解決問題，一起學習、探討才能使畢業(yè)設計踏踏實實一步一步完成。 末尾，再次感謝在完成本論文過程中幫助過我的老師與同學。 29