控制柜旋鈕注射模具設計【一模三腔】【側抽芯】【說明書+CAD】

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The mold design is characterized by the use of one lateral core-pulling and modular core and integral cavity.The article introduces the mold structure design,including the working theory and application of the plastic injection mold,the design princible ,and the introducing of the production.The design calculation of the plastic mold is including the design of the structure of the mold,the selecting of the plastic injection mold machine,and the pour system design etc. Designed by Pro / ENGINEER application of the model is more intuitive, while the use of AutoCAD also drawing more convenient.Key Words: Auto CAD,Plastic,Plastic injection mold,Plastic injection mold machine.前 言模具是工業(yè)生產(chǎn)的主要工藝裝備，模具工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎工業(yè)。隨著工業(yè)飛速發(fā)展，帶來了塑料工業(yè)的迅猛發(fā)展；石油工業(yè)的發(fā)展又為塑料工業(yè)插上了騰飛的翅膀。塑料制品已進入到人們生活的各個領域，幾乎所有的電器都有塑料制品，快餐盒、塑料袋等都是塑料制品。塑料以其密度小、機械性能好等優(yōu)點獨領風騷，未來的世界必將是塑料的世界，而模具是塑料工業(yè)的基石。模具設計具有廣闊的發(fā)展前景。本次畢業(yè)設計，就瞄準這一發(fā)展前景，在蔣育華老師的精心指導下，通過對基座注射模的設計，掌握了注射模具設計的一般方法、模具制造的專用設備及注射機的工作原理，為今后工作打下堅實的基礎。本次設計歷時5周，進程如下：第一周、在指導老師的帶領下去工廠參觀，了解產(chǎn)品的注塑過程和模具的制造方法，初步知道在設計過程中所需注意的問題；第二周、徹底弄清自己的具體工作，設計所要達到的要求。計算數(shù)據(jù)，確定每個零件用什么材料、熱處理。第三周、用Proe對產(chǎn)品進行開模，完成三維造型。第四周，對各個零件出工程圖，整理資料并編寫設計說明書；第五周、交指導教師審閱，并作修改，最后定稿。最后，由于水平有限，加之經(jīng)驗不足，疏漏和錯誤之處在所難免，懇請各位老師指正。 目 錄 第1章 設計課題及設計目的 11 設計內容.4 12 設計目的.4 第2章 模具設計 21 確定塑料件的有關參數(shù). 5 22 注射機的選擇.5 23 型腔的排布.7 24 分型面的確定.7 25 澆注系統(tǒng)設計.7 26 排溢系統(tǒng). 7 27 型腔、凹模設計.8 28 型腔、凹模工作尺寸的計算.8 29 型腔壁厚計算.92. 10 側向分型與抽芯機構設計.10 211 導向機構的設計 .11212 脫模與復位機構設計 12 213 冷卻系統(tǒng)設計.12 214 整體設計13 結束語.14 參考文獻 .15第1章 設計內容及設計目的11本次設計內容： 控制柜旋鈕注射模，對下圖產(chǎn)品設計一副注射模。12本次設計的目的：1、掌握注射模設計的一般方法。2、了解注射機的工作原理。3、了解模具加工方法。4、進一步掌握設計的一般方法，熟練設計的一般過程。 第2章 模具設計21 確定塑料件的有關參數(shù)211 塑件特性分析 所設計產(chǎn)品為控制柜旋鈕，其材料為ABS全稱為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。英 文名全稱Acrylonitrile-butadiene-styrene，收縮率為0.30.8%，密度為1.021.05g/cm3。該旋鈕產(chǎn)品的體積為1.97103mm3，質量為2.07g，屬工程材料。該塑件形狀較為復雜，其表面有凹凸，需要抽芯，但型腔鑲件結構較簡單，但其尺寸小，要求要有較高的強度，需用電極加工。因此在設計時應保證產(chǎn)品性能、質量以及互換性的同時，重點考慮模具加工的成本、加工時間。212 ABS成型條件注射機類型：柱塞式、螺桿均可密度 ：1.031.05g/cm3收縮率 ：0.0030.008預熱 ：8085C料筒溫度：前段 150170C 中段 165180C 后段 180200C 噴嘴溫度：170180C 模具溫度：5080C 注射壓力：60100Mpa 成型時間：注射時間 ：2090s 高壓時間 ：05s 冷卻時間：20120s 總周期 ： 50220s 22 注射機的選擇 一個產(chǎn)品的質量為2.07克,根據(jù)以下公式，選擇注射機的最大注射量： K G公NG件+G廢 式中 K=0.8 N為型腔數(shù)量G公為注射機公稱注射量G件為產(chǎn)品重量G廢為各部分冷料的質量 由于根據(jù)設計要求和加工的經(jīng)濟性取N=3，通過proe得到G廢=5.628g G公（32.07+5.628）1.25 =14.81（g） 也就是說注射機的注射量要大于14.81克。參照模具設計與制造簡明手冊選擇公稱注射量為603的注射機，機型為XS-Z-60，也就是說這臺注射機的公稱注射量為大約為60克。 XS-Z-60注射機參數(shù)如下： 柱塞直徑： 38 注射容量：603 注射壓力：122Mpa 鎖模力：500KN 最大注射面積：1302 模具厚度： 最大200 最小 70 模板行程：180 噴嘴： 球半徑R12孔直徑D4 定位孔直徑：D50 0+0.06 頂出（中心孔）直徑：D50下面校核各部分參數(shù)：1、注射量KG公 =0.860=48(g) NG件+G廢=32.07+5.628 =11.838(g)很明顯 KG公N G件+G廢，符合條件2、注射壓力校核P公=122MPa產(chǎn)品要求注射壓力P注在60100MPa之間3、鎖模力校核 F鎖=K損P注A分式中 F鎖注射機額定鎖模力（N） P注塑件所須的實際注射壓力（Pa） K損注射壓力達到型腔的壓力損失系數(shù)，一般取0.340.67 A分塑件及澆注系統(tǒng)等在分型面上的投影面積 通過計算得A分=524.25mm20.0005243F鎖=500KNK損P注A分=0.51001060. 0005243 所以F鎖K損P注A分，符合條件4、模板安裝尺寸330440的最大安裝尺寸完全可以安裝196146的模具5、模具厚度 所設計的模具厚度為107，小于模具的最大厚度200mm。 23 型腔的排布該產(chǎn)品是用來對控制柜起開關作用的旋鈕。由于其尺寸小，應采用一模多腔，現(xiàn)確定取一模3腔。為了使每個型腔通過澆注系統(tǒng)從總壓力中均等地分得所需的足夠壓力，以保證塑料溶體同時均勻地充滿每個型腔，使各型腔的塑件內在質量均一穩(wěn)定。這就要求型腔與主流道之間的距離盡可能最短，同時采用平衡的流道和合理的澆口尺寸以及均勻的冷卻等。為使模具整體達到平衡穩(wěn)定，因此選擇直線形排布。 24 分型面的確定為了能順利的出模并保證塑件平滑的外觀和精度要求，使塑件開模時能夠留在動模一側，并且在塑件脫模前留在滑塊中，分型面應設在該產(chǎn)品的中間部位。 這樣就可以利用彈簧的彈力使動模板同時把3個塑件推出，使每個塑件受力均勻而不會產(chǎn)生大的變形。因此該分型面為雙分型面。垂直于開模方向。具體情況見總裝圖。25 澆注系統(tǒng)設計 251 主流道設計主流道是澆注系統(tǒng)中從注射機噴嘴與模具相接觸的部位開始，到分流道為止的塑料熔體的流道通道。由于選的是臥式注塑機，主流道垂直于分型面。為使凝料能從其中順利拔出，把其設計成圓錐形，錐角為4，其表面粗糙度為Ra0.8。主流道部分在成型過程中，其小端入口處與注射機噴嘴及一定溫度、壓力的塑料熔要冷熱交替地反復接觸，屬易損件，對材料的要求較高，因而模具的主流道部分常設計成可拆卸更換的主襯套式，以便有效地選用優(yōu)質鋼材單獨進行加工和熱處理。 252 分流道設計分流道是指主流道末端與澆口之間這一段塑料熔體的流動通道。它是澆注系統(tǒng)中熔融狀態(tài)的塑料由主流道流入型腔前，通過截面積的變化及流向變換以獲得平穩(wěn)態(tài)的過渡段，因此要求所設計的分流道應能滿足良好的壓力傳遞和保持理想的填充狀態(tài)，使塑料熔體盡快地流經(jīng)分流道充滿型腔，并且流動過程中壓力損失及熱量損失盡可能小，能將塑料熔體均衡地分配到各個型腔。由于該產(chǎn)品為圓形結構，而該產(chǎn)品是用來起開關作用，其要有較高的強度，為了減少熔接痕的產(chǎn)生，降低產(chǎn)品的強度，在設計流道時應設計為切向進料。其截面為U型。由于所設計模具型腔為整體式。因此在滿足其型腔強度的前提下。使流道最短。為了減少塑料熔體的熱量損失，從主流道分三根分流道。這樣既能保證塑件的填充時間，又能節(jié)省模具加工的加工時間。流道不應加工的太光滑，讓塑件熔體和流道有點摩擦，這樣可以使塑件熔體放出熱量，從而使其更不易凝固。若是流道加工的太光滑。這樣反而使熔體更易凝固。一般流道粗糙度為Ra0.81.6。U型截面尺寸的確定，取R=2、H=4。查模具設計與制造簡明手冊253 澆口設計澆口亦稱進料口，是連接分流道與型腔的通道，根據(jù)該產(chǎn)品的結構以及采用的一模3腔的多腔模具，所以選用點澆口。采用點澆口成型塑件，去除澆口后殘留痕跡小，易取得澆注系統(tǒng)的平衡，也有利于自動化操作，但壓力損失小，收縮大，塑件易變形，同時在定模部分需另加一個分型面，以便澆口凝料脫模。點澆口的直徑取1.0mm，圓柱孔長L取1.0 mm。點澆口引導部分長度為9 mm，錐度1230 ，與分流道用圓弧連接。 為了塑件熔體能快速地充滿型腔，澆口表面粗糙度很小，一般為Ra0.4以下,現(xiàn)取Ra0.4作為澆口的表面粗糙度。這樣不致產(chǎn)生較大的摩擦阻力，有利于充型。26 排溢系統(tǒng)排溢是指排出充模冷料中的前鋒冷料和模具內的氣體等。廣義的注射模排溢系統(tǒng)應包括澆注系統(tǒng)部分的排溢和成型部分的排溢。通常指的排溢是指成型部分的排溢。模具充型過程程中，除了型腔內原有的空氣外，還有塑料受熱或凝固而產(chǎn)生的低分子揮發(fā)氣體，尤其是在高速注射成型時，必須考慮如何將多余的氣體排出模外，否則被壓縮的氣體產(chǎn)生高溫引起塑件局部炭化，或使塑件產(chǎn)生氣泡的工藝缺陷。為了解決該問題,必要時可開設排氣槽等辦法.但是對于ABS這種材料,排氣間隙不得高于0.0 5。為了能快速充滿型腔。得到質量合格的產(chǎn)品。27 凹模和型腔設計2，71 設計凹模的結構形式 1.凹模結構設計由于模具采用一模三腔，所以采用整體式，凹?？赏ㄟ^電火花成型進行加工。這種結構形式具有以下優(yōu)點：加工效率高，減少裝配難度，可節(jié)約優(yōu)質鋼材，減少加工量。2.型腔結構設計 由于模具采用一模三腔，所以型腔采用鑲拼式，鑲件可以通過電火花成型進行加工。這種結構形式具有以下優(yōu)點：加工效率高，裝拆方便，便于及時更換鑲件。272 凹模和型腔設計1）、凹模和型腔徑向尺寸按以下公式計算D=1+dx式中D行腔的內形尺寸d塑件外形基本尺寸 塑件公差塑料平均收縮率成形零件制造公差,取。2)、凹模和型腔深度尺寸按以下公式計算=式中型腔深度 塑件外形高度尺寸 塑件公差塑料平均收縮率成形零件制造公差,取 3）由于該產(chǎn)品不是透明的，所以型腔和凹模的表面粗糙將決定產(chǎn)品的外觀，因此型腔和凹模的表面粗糙度則要求較高，一般取Ra0.80.4。在本次設計中，型腔取Ra0.8。 4）X綜合修正系數(shù)（考慮塑料收縮率的偏差和波動，成型零件的磨損等因素），塑件精度低、批量較小時，X取1/2；塑件精度高、批量比較大，X取3/4，根據(jù)設計要求取X為0.5。28 凹模和型腔工作尺寸的計算要計算凹模和型腔的工作尺寸，必先確定塑件的公差及模具的制造公差。根據(jù)要求塑件精度取五級精度。根據(jù)塑料制件公差數(shù)值表（SJ137278）塑件在五級精度下，基本尺寸對應的尺寸公差如下：基本尺寸公差基本尺寸公差30.16360.186100.2010140.2214180.2418240.2824300.3230400.3640500.4050650.4665800.52801000.601001200.68 1、凹模：d=11；取=0.5%（以下收縮率都取0.5%） D=（1+0.005）110.50.32=10.9 2、凹模深度：H=12 ; X=0.4 H=(1+0.005) 12+0.40.18=12.13 3、型腔：d=6；取=0.5%（以下收縮率都取0.5%） D=（1+0.005）110.50.32=5.87 4、型腔深度：H=13 ; X=0.4 H=(1+0.005) 12+0.40.18=13.13529 型腔壁厚計算1.型腔的強度及剛度要求塑料模具型腔的側壁和底壁厚度計算是模具設計中經(jīng)常遇到的問題，尤其對大型模具更為突出。目前常用的計算方法有按強度條件計算和按剛度條件計算兩類，但塑料模具要求既不許因強度不足而發(fā)生明顯變形，甚至破壞，也不許剛度不足而變形過大的情況，因此要求對強度和剛度加以考慮。對于型腔主要受到的力是塑料熔體的壓力，在塑料熔體的壓力作用下，型腔將產(chǎn)生內應力及變形。如果型腔側壁和底壁厚度不夠。當型腔中產(chǎn)生的內應力超過材料的許用應力時，型腔發(fā)生強度破壞，與此同時，剛度不足則發(fā)生彈性變形，從而產(chǎn)生溢料現(xiàn)象，將影響塑件成型質量，所以模具對強度和剛度都有要求。但是，實踐證明，模具對強度和剛度的要求并非同時兼顧，對大型腔，按剛度條件，對小型腔則按強度條件計算即可。（在本設計中按強度條件來計算）1）對圓形整體式凹模底板厚度：h=r式中p型腔內塑料熔體的壓力（MPa）r型腔內半徑（mm）材料彎曲許用應力。材料為45#鋼，取100Mpa 根據(jù)條件：r=5.5mm；p=100Mpah = 5.5(0.75100/100)1/2 4.76（mm）由于模具的型腔與定模板為一整體，現(xiàn)確定定模板厚為22mm?？梢詽M足型腔的強度要求。2）確定型腔的壁厚圓形型腔內壁直徑2r整體式型腔壁厚s=Rr 40 204050255060306070357080408090459010050100120551201406014016065如未用淬硬鋼，應乘以系數(shù)1.21.5根據(jù)上表，s=R1=20 R=20+13=33由于在生產(chǎn)中，兩型腔同時充滿塑料熔體，受到大小相等的壓力，形成作用力與反作用力?，F(xiàn)取型腔中心到定模板的中心的距離為50mm是可以滿足型腔的強度要求。210 側向分型與抽芯機構的設計根據(jù)該塑件的特征，模具應設計一個側抽芯機構。根據(jù)抽拔力，側抽芯機構應設計為彎銷延時抽芯機構。側抽芯機構的設計 在保證側抽芯機構順利運行的同時盡量使模具結構簡單，該側抽芯機構為彎銷固定在定模上、滑塊固定在滑塊座上的彎銷延時抽芯機構。（1）彎銷抽芯機構的結構設計 彎銷抽芯機構的結構特點是強度高，可采用較大的傾斜角，一般采用矩形截面，抗彎截面系數(shù)比斜導柱大，并且可以延時抽芯。彎銷的抽芯機構的主要工作零件是軸線方向與模具開模方向成一定角度的彎銷和滑塊。彎銷伸入滑塊的斜孔之中，為了保證抽芯和合模動作準確可靠，還設有限位擋塊和鎖緊楔。其工作原理為：開模時，開模力通過彎銷作用于滑塊，迫使滑塊帶動側向型芯在滑塊座的導滑槽內向外側移動，當彎銷全部脫離滑塊上的斜孔后，側向型芯便完全從塑件中抽出，完成抽芯動作。限位擋塊、螺釘、彈簧構成滑塊的定位裝置，使滑塊保持在抽芯完成后的最終位置，以便合模時彎銷能準確地進入滑塊的斜孔，將側向型芯復位。鎖緊楔用以防止成型時滑塊因受到側向注射壓力而發(fā)生位移。（2）抽芯距的計算將活動型芯從成型位置移動到不妨礙塑件脫模位置所移動的距離稱為抽芯距。抽芯距通常比側孔或側凹大23mm。這里，抽芯距S=5.5+23=8mm。（3）彎銷的邊長 考慮到抽拔力不大和傾斜角不大，選擇彎銷尺寸：邊長a=12mm。（4）最小開模行程和彎銷工作部分長度 最小開模行程：H=5.5 彎銷工作部分長度：L=11。（5）滑塊的設計為了便于加工，滑塊采用整體式，即側向型芯在滑塊上進行加工?；瑝K的導滑形式：該模具采用組合式導滑槽，導滑槽整體為“T形”，滑塊與導滑槽之間的導滑部位采用H7/f7或H7/h8的間隙配合。為保證再次合模時斜導柱能準確地插入斜滑塊中，抽芯動作完成后斜滑塊必須有準確的位置。該模采用擋塊定位形式。211 導向機構的設計導向機構主要包括導柱和導套，主要作用是在動模與定模合模時保證型芯與型腔的精確定位。導向零件應合理地均勻分布在模具的周圍或靠近邊緣的部位，其中心至模具邊緣應導套尺寸：公稱直徑d=12mm，D=16mm。導柱的尺寸為：公稱直徑d=12mm，D=16mm。有足夠的距離，以保證模具的強度，防止壓入導柱和導套后發(fā)生變形。根據(jù)模具的形狀和大小，一副模具一般采用4到8根導柱。在此設計中采用了4根導柱。加工4個導柱、導套孔時，應將定模板、滑塊座、動模板合在一起，一次性加工出來，以保證孔的同心度，然后再在定模板、動模板上加工沉頭孔。212 脫模與復位機構設計2121 脫模機構設計塑件冷卻后由于有少量的收縮，所以在脫出產(chǎn)品時不象沖壓件那樣可以自動脫落。這樣，我們必須設計推出機構將塑件頂出，推出機構設計時我們考慮的是要使塑件各部分受力均勻，在此設計中，由于采用了一模多腔的結構。故利用推板把產(chǎn)品同時推出，這樣每個產(chǎn)品的受力相同且均勻。結合產(chǎn)品的精度要求，在加工推板時其表面要平整，光滑。現(xiàn)取平行度8級，粗糙度Ra0.8。2122 復位機構確定注射機上液壓機構將推板推出之后，塑件也被完全頂出但是模具要合模， 要使模具恢復到原來的位置，而不會影響下一周期的正常生產(chǎn)。在模具中，為了節(jié)省材料，可以不需要加復位桿。在合模時可以利用壓縮彈簧推動，從而達到合模的目的。具體結構見總裝圖。213 冷卻系統(tǒng)設計冷卻系統(tǒng)對產(chǎn)品成型周期有很大的關系，對產(chǎn)品質量也有比較大的影響,所以要對模具的冷卻系統(tǒng)加以計算，使之有利于成型要求。考慮到模具的具體結構，安裝冷卻水通道是一個既實惠又簡單的解決方法。 在此設計中，每次所要注射的量只有12.648g，由此可以得到注射一次所放出的熱量： Q=GH焓式中 Q熔融塑料所放出的熱量（J）； G每次注射的塑料量（包括澆注系統(tǒng)在內，）；H焓塑料從熔融狀態(tài)進入型腔的溫度到塑件冷卻后的脫模溫度的焓之差；Q=0. 0127x1470x(190-60) =2426.97(J/h)由此可以看出該每次所放出來的熱量是很少的，模具本身就可以散發(fā)出。但為了防止型腔受熱變形，在定模板加兩跟水道。這樣可以保證產(chǎn)品精度。而塑件傳給推件板的熱量，則在每次開模時，推件板可以散發(fā)出去，不需要對其加冷卻裝置。214 整體設計 模具整體設計也就是模體的設計。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，模體設計已接近標準化，可以從市場上購買相應的模體。標準模體一般包括定模板、動模板、滑塊、滑塊座、導柱、導套等。標準模架有12種結構，15876種規(guī)格。在本次設計中,澆口套、導柱、導套都采用的標準件,可以外購。該模具總體結構如下圖所示。采用一模三腔，分型面為平面；定模座板和動模座板的長為196mm寬為146mm 下面確定模板的厚度各模板厚度總和應小于200mm，這是注射機的要求。定模座板、動模座板厚度都為15mm，而定模板厚度取22mm，動模板的厚度為20 mm，滑塊座的厚度為15 mm，滑塊厚度為20 mm，可以保證產(chǎn)品能順利的脫模。根據(jù)以上選取，模具的厚度H=15+15+22+20+15+20=107（mm）200（mm），符合條件。結 束 語 經(jīng)過這次畢業(yè)設計，我覺得自己學到了不少東西。歸納起來，主要有以下幾點：1、大學四年的時間都是在學習機械理論基礎知識，并未真正地去應用和實踐。平時很少接觸設計，加工，生產(chǎn)。但是在這次畢業(yè)設計，我在指導老師的帶領下多次深入工廠了解產(chǎn)品的注塑方法和模具的加工過程。在參觀學習中，發(fā)現(xiàn)了自己很多不足之處。我還體會到了所學理論知識的重要性：知識掌握得越多，設計得就更全面、更順利、更好。2、了解進行一向設計必不可少的幾個階段。畢業(yè)設計能夠從理論設計和工程實踐相結合、鞏固基礎知識與培養(yǎng)創(chuàng)新意識相結合、個人作用和集體協(xié)作相結合等方面全面的培養(yǎng)學生的全面素質。我經(jīng)過這次系統(tǒng)的畢業(yè)設計，熟悉了對模具進行設計、生產(chǎn)的詳細過程。這些對我在將來的工作和學習當中都會有很大的幫助和啟發(fā)。3、學會了怎樣查閱資料和利用工具書。平時課堂上所學習的知識不夠全面，作為機械專業(yè)的學生，由于專業(yè)特點自己更要積極查閱資料吸取別的在設計，加工中的寶貴經(jīng)驗。一個人不可能什么都學過，什么都懂，因此，當你在設計過程中需要用一些不曾學過的東西時，就要去有針對性地查找資料，然后加以吸收利用，以提高自己應用的能力，而且還能增長自己見識，補充最新的專業(yè)知識。4、畢業(yè)設計對以前學過的理論知識起到了回顧作用，并對其加以進一步的消化和鞏固。5、畢業(yè)設計培養(yǎng)了嚴肅認真和實事求是的科學態(tài)度。而且培養(yǎng)了吃苦耐勞的精神以及相對應的工程意識，同學之間的友誼互助也充分的在畢業(yè)設計當中體現(xiàn)出來了。在這里，我要感謝我的指導老師，他給了我許多的幫助。我還要感謝畢業(yè)設計過程中所有給我真誠幫助的老師和同學。 參考文獻：1、馮炳堯、韓泰榮、蔣文森 編，模具設計與制造簡明手冊，上?？茖W技術出版社，1998年第二版；2、黨根茂、駱志斌、李集仁 編著 模具設計與制造 西安電子科技大學出版社 2001年3、塑料模具設計手冊編寫組 編， 塑料模具設計手冊，機械工業(yè)出版社，2000年第二版；4、陳萬林 編， 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Tang , Y.M. Kong, S.M. Sapuan, R. Samin, S. Sulaiman摘要：本文介紹注塑模具設計生產(chǎn)翹曲測試樣本以及為了獲得殘余熱應力的影響在模具中執(zhí)行熱分析。這項技術、理論、方法在注射模具設計中必須被考慮運用。在商業(yè)計算機上使用13.0版本的計算機輔助設計軟件UG進行模具的設計。使用商用有限元分析軟件LUSAS分析家分析發(fā)現(xiàn)并揭示由于試樣的冷卻不均勻使塑件存在殘余熱應力的分析報告。該軟件提供模型的溫度等高線分布圖并通過注塑周期時間響應曲線繪制溫度變化曲線。結果表明與其它區(qū)域相比收縮更可能會發(fā)生在冷卻渠道附近。模具這種不平衡的冷卻效果有助于不同區(qū)域翹曲的產(chǎn)生。關鍵詞：注塑模具 設計 熱分析1 引言塑料工業(yè)被列為一個數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)，是世界上增長最快的行業(yè)之一。在日常生活中幾乎所有的用品都離不開塑料，而大多數(shù)這些塑料都可以用注塑的方法生 1 。 眾所周知注塑成型加工是以較低的成本生產(chǎn)各種形狀復雜的幾何體產(chǎn)品 2 。注塑成型加工是一個循環(huán)過程。在注塑過程中有四個重要的階段。這四個階段是加料階段、保壓階段、冷卻階段和頂出頂出。塑料注塑成型加工首先是往注射機料斗中添加樹脂和適當?shù)奶砑觿?，并加熱塑料注射機的料斗到噴嘴部分 3 。在注射溫度下模具型腔充滿熱聚合物熔體，在模具型腔填滿后的保壓階段，更高壓力下更多的聚合物熔體裝入型腔，以補償前期聚合物凝固引起的收縮。接下來是模具的冷卻階段，塑件在排出前被冷卻到足夠的強度。最后一步是頂出階段，模具開模同時頂出塑件， 然后模具再次合上并開始下一個周期。事實證明設計和制造理想性能的高分子注塑成型零件是一個昂貴的工程，包括反復修改加工，在模具設計任務中，設計模具明確附加幾何結構，核心方面通常包括相當復雜的凸凹面5。為了設計模具必須考慮許多重要的設計因素。這些因素分別是模具的尺寸、型腔數(shù)、型腔的布局、澆注系統(tǒng)、澆口系統(tǒng)、收縮和頂出機構 6 。在模具的熱分析中，其主要目的是分析影響殘余熱應力或壓力對產(chǎn)品尺寸的影響。熱誘導應力主要發(fā)生在注塑成型的冷卻階段，主要是因為其熱傳導性低以及熔融樹脂與模具之間的溫差。在冷卻期間產(chǎn)品的冷卻腔周圍溫度存在不均衡 7 。在冷卻時，冷卻管道附近的冷卻效果比遠離冷卻管道區(qū)域的冷卻效果好。不同的溫度導致不同的收縮，不同的收縮導致熱應力而顯著的熱應力可能會導致翹曲問題。因此，在冷卻階段對注射工件進行殘余熱應力模擬分析是非常重要的 8 。通過了解熱應力的分布特點，可以預測殘余熱應力引起的變形。本文介紹了注塑模具設計生產(chǎn)翹曲試樣以及為了獲得殘余熱應力影響而在模具中執(zhí)行熱分析。2. 方法2.1 設計翹曲測試樣本本節(jié)說明了用于注塑模具的翹曲測試樣品的設計。很顯然翹曲的主要問題存在于產(chǎn)品的薄殼特征。因此，產(chǎn)品開發(fā)的主要目的是設計一個塑件，以確定注塑工件薄殼翹曲問題的有效因素。翹曲測試樣本是薄殼塑料。樣本的總體尺寸長120mm，寬50mm,厚1mm. 用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）作為材料，在注射溫度為210，壓力為60MPa,持續(xù)3s時間生產(chǎn)翹曲測試樣本。圖1顯示了翹曲測試樣本的制作圖1 翹曲測試樣本制作2.2 翹曲測試樣本注塑模具的設計本節(jié)介紹了設計生產(chǎn)翹曲測試標本時，在模具的設計方面和其他方面的考慮因素。用于生產(chǎn)翹曲測試樣本注塑模具的材料是AISI1050碳鋼。在模具設計時考慮了四個構思，其中包括：i. 三板式模具（構思1 ）有一個型腔兩個分型面。由于成本高，所以不適用。ii. 兩板式模具（構思2 ）有一個型腔一個分型面但無澆注系統(tǒng)。由于單位時間內注射生產(chǎn)量低，不適用。iii. 雙板模具（構思3 ）有一個分型面和兩個型腔，帶澆注和頂出系統(tǒng)。由于塑件的是薄殼的，頂桿可能破壞工件，所以不適用。iv. 雙板模具（構思4 ）有一個分型面和兩個型腔帶澆注系統(tǒng)，只用拉料桿為頂出機構，避免頂出時破壞塑件。翹曲測試樣本模具設計的第四個構思被應用。在模具設計中，還有許多因素需要考慮。首先，根據(jù)注塑機使用的壓板尺寸設計模具。注塑機行程是有限的，通過兩個拉桿間的距離確定注射機的最大行程。注射機兩個拉桿間的距離為254mm，因此，最大模板寬度不應超過254mm這個距離。此外在模具和兩連桿中留出4mm的間隙便于模具的拆裝。這最終使模具最大寬度250mm。250X250的標準模架最終被使用。其他有關模板的尺寸則列于表1成分規(guī)格（ mm ）寬高度厚度頂端夾緊板定模座板動模座板支承板推桿固定板推板夾緊板底250 250 25200 250 40200 250 4037 250 70120 250 15 120 250 20250 250 25模具已設計了夾緊壓力，鎖模力應高于內部腔力（反作用力）以避免飛邊的發(fā)生。以提供的標準模架尺寸為根據(jù)，凹模的寬度和高度的分別是200和250毫米，使得模板上的這些尺寸有足夠的空間設計兩個水平的型腔，而凸模只需留有固定澆口套的空間以便注入溶融塑料。因此，在產(chǎn)品的表面只設計了一個分型面。在開模的時候，塑件和流道在分型面上被分開。模具設計了直接澆口或側澆口。澆口位于流道和塑件之間。為了便于注入塑料澆口底部設計了一個20的錐角斜度和0.5mm的壁厚。為了熔融塑料的流入，還設計了4mm寬，0.5mm厚的澆口。在模具設計時，選定了拋物面類型的流道。在這種情況下，它的優(yōu)點是僅需簡單的加工模具凸模部分。然與圓形截面類型相比，這種類型的流道有不利之處，如更多的熱量損耗和廢料。這可能會導致熔融塑料更容易固化。所以在設計時應縮短流道長度并增大流道直徑至少有6mm。材料或熔融塑料在同一溫度同一壓力下同時被送到個模腔對于流道設計來說是很重要的一點?；谶@點，模腔的布局一般都是對稱的。另一個設計方面是考慮到了氣孔設計。凹模和凸模配合面之間有非常好的修整，以防止飛邊的發(fā)生。然而當模具閉合時，可能會導致空氣閉于型腔內，導致塑件注射不足或不完整。設計足夠多的通風孔以確保型腔內的空氣可以被釋放，避免不完整的塑件發(fā)生。為了讓冷卻更均勻，冷卻系統(tǒng)沿著模具型腔水平設置。在紊流的情況下，冷卻渠道提供了足夠的冷卻水冷卻模具。圖2顯示了在凸模上氣孔和冷卻管道的布局。圖2 凸模上氣孔和冷卻管道的布局在此模具設計中，頂出系統(tǒng)只由推桿固定板、拉料桿，澆口套組成。拉料桿設置與凸模的中心位置，在模具打開時不僅承擔拉著塑件到適當?shù)奈恢茫以陧敵鲭A段，作為推桿從模具中推出塑件。因為生產(chǎn)的產(chǎn)品僅有1毫米非常薄的，所以沒有額外推桿被使用或設置。在頂出階段額外的推桿可能會造成塑件產(chǎn)生孔或破壞塑件。最后，為補償材料的收縮足夠的尺寸偏差被考慮。 圖3顯示三維實體造型，以及利用UG開發(fā)的模具的線框模型圖3 三維實體造型以及利用UG開發(fā)的模具的線框模型3結果和討論3.1塑件的制作生產(chǎn)及調整從模具設計和制作的角度看，在試運行階段制作的翹曲測試樣本存在缺陷。該缺陷是注射不足，飛邊和翹曲。飛邊后來通過在型腔角上銑削額外的氣孔讓空氣排除的方法解決。同時，通過減小注塑機壓力減少了飛邊的產(chǎn)生。通過控制注射時間、注射溫度、熔融溫度等不同參數(shù)，控制翹曲變形。經(jīng)過這些修改，模具在低成本的情況下生產(chǎn)出了高質量的翹曲測試樣本，這些試樣還需要修整。圖4顯示修整后的模具，這是加工額外的排氣孔可以消去注射不足。圖4 加工額外的排氣孔可以消去注射不足3.2.模具和產(chǎn)品詳細分析在塑料注射成型過程中，熔融ABS在210 C溫度下通過凹模上的澆口襯套直接注射到模具型腔，經(jīng)過冷卻，塑件就成型了。塑件的生產(chǎn)周期需要花35秒，包括20秒冷卻時間。用于生產(chǎn)翹曲測試樣本材料的是ABS在注射溫度、時間、壓力分別為210，3秒和60MPa。用于生產(chǎn)翹曲測試樣本注塑模具的材料是AISI1050碳鋼。運用有限元軟件分析材料性能在決定溫度上非常重要。表2列出了ABS以及AISI 1050碳鋼的性能。模具分析主要是凹模和凸模，因為他們是形成塑件的地方。因此，使用13.5版本的商用有限元分析軟件LUSAS分析家研究不同時段溫度的分布。使用二維熱分析研究殘余熱應力在不同區(qū)域對模具的影響。由于對稱性，只要通過凸模的垂直斷面或在注射階段當凸凹模合在一起時的側面圖建立模型執(zhí)行熱分析。圖5所示的是模板的熱分析模型。圖5 模具熱分析建立模型包括分配各部分的性能以及模型的循環(huán)周期。這樣可以用有限元分析軟件用造型模擬模具模型進行分析，還可以繪制時間響應曲線顯示再某段時間內特定區(qū)域的溫差變化。對試樣分析，使用13.5版本的LUSAS分析家進行雙向拉伸應力分析。一般只需在試樣的一端施加拉力另一端則固定住，然后慢慢增加拉力一直到達塑性極限。圖6所示的是分析的負載模型。圖6 負載模型分析的產(chǎn)品。3.3. 模具及試樣分析的結果及討論模具分析過程對不同時間段的熱量分布作了觀測。圖7所示是在一個完整的注塑周期中不同時間段的二維等高線熱量分布圖。圖7 不同時段溫度分布圖對模具進行二維分析后，可繪制出時間響應曲線以分析殘余熱應力對制件的影響。圖8所示是繪制時間響應曲線所選的節(jié)點。圖8 繪制時間響應曲線所選的節(jié)點圖9到圖17顯示了在圖8中被標注的不同節(jié)點的溫度分布曲線 圖9節(jié)點284溫度分布圖10 節(jié)點213溫度分圖11 節(jié)點302溫度分布圖12 節(jié)點290溫度分布圖13 節(jié)點278溫度分布圖14 節(jié)點1838溫度分布圖15 節(jié)點1904溫度分布圖16 節(jié)點1853溫度分布圖17 節(jié)點1866溫度分布從圖917中很顯然被選擇用來繪制曲線的每一個節(jié)點的溫度都是遞增的,也從室溫到高于室溫，然后再次溫度下保持一段時間。這些溫度上升是由于塑料溶液注入到了塑件的型腔內造成的。經(jīng)過一段時間后，溫度進一步上升直至達到最高溫度，然后保持在最高溫度下。由于保壓階段涉及高壓導致溫度上升。溫度保持不變直到冷卻階段開始，從而導致模具溫度減小到一個低值，然后保持該低值。繪制的曲線是不平滑的，因為注入熔融塑料的速率和冷卻速率是相應的。繪制的曲線圖僅僅顯示了在周期內溫度能達到的最大值。冷卻階段是決定殘余熱應力的最關鍵階段。這是因為冷卻階段，材料冷卻從上面到下面玻璃化轉變溫度。物質的不均勻收縮可能產(chǎn)生熱應力從而引起翹曲。如圖9-17中所示冷卻階段后的溫度，很明顯在冷卻管道附近的塑件由于溫度減小的更多，塑件獲得了更好的冷卻而遠離冷卻管道區(qū)域的塑件冷卻效果差。冷卻效果好、冷卻速度快意味著在該區(qū)域發(fā)生更多的收縮。最遠的區(qū)域節(jié)點284，雖然遠離冷卻管道，但由于向空氣中散熱冷卻更快。因此，冷卻通道設在產(chǎn)品型腔的中心，造成冷卻管道附近和其他區(qū)域間產(chǎn)生溫差。由于發(fā)生收縮使得在塑件的中心區(qū)域產(chǎn)生壓應力以及由于發(fā)生不均衡的收縮導致翹曲。然而，在冷卻后不同節(jié)點的溫差很小，翹曲變形也不是很明顯。對設計師來說設計一副殘余熱應力效果小和高效的冷卻系統(tǒng)是非常重要的。對于產(chǎn)品分析,從被實行開始到分析塑料產(chǎn)品,在產(chǎn)品上不同載荷因素的狀態(tài)下的應力分配情況可以通過觀察生成的二維曲進行線分析。圖1821顯示了不同荷載增量下的等效應力圖。圖18 荷載增量1下的等效應力圖圖19 荷載增量14下的等效應力圖圖20 荷載增量16下的等效應力圖圖21 荷載增量23下的等效應力圖 在關鍵的127節(jié)點，選定產(chǎn)品的最大拉應力進行分析。應力應變曲線和應力負載增量曲線。如圖22和23圖22 應力應變曲線圖23 應力與負載增量曲線參考負載應力曲線如圖23,它很清楚表明產(chǎn)品在增加拉力載荷，直到它達到了23的負載因數(shù),這意謂產(chǎn)品能抵抗的1150 N的拉力。由圖23可知,對產(chǎn)品的固定端以施加最大應力3.27 107 Pa時損壞可能發(fā)生在其附近區(qū)域。該產(chǎn)品應力分析資料十分有限，因為生產(chǎn)產(chǎn)品的目的是為了翹曲測試，所以沒必要進行拉伸負載分析。但是在未來，應當確定產(chǎn)品情況，以便在其他各種負載情況下執(zhí)行進一步的分析。4結論經(jīng)過翹曲測試試樣的分析確定影響翹曲的參數(shù)來設計的模具已經(jīng)使產(chǎn)品質量達到最高。生產(chǎn)測試試樣所需的成本很低而且只需經(jīng)過很少的表面處理。通過注塑模的熱分析得出殘余熱應力對試樣的影響，對加載拉應力的分析也可以預測到翹曲測試試樣所能承受的最大拉力。鳴謝作者要感謝馬來西亞博特拉大學工學部發(fā)行出版了本文。參考文獻附件2：外文原文（復印件）