航空杯注塑成型工藝及模具設計

航空杯注塑成型工藝及模具設計,航空,注塑,成型,工藝,模具設計 畢業(yè)設計（論文）譯文 · 一種面向對象的注塑模關聯(lián)冷卻水道設計工具 摘要 為了短期產品研發(fā)周期的需求，要求注塑模具設計師壓縮他們的設計時間和能適應更多的后期更改。本文介紹了一種嵌入在冷卻水道模塊內的模具設計軟件包內的關聯(lián)設計方法。它對冷卻回路提供了一系列全面的對象定義，還給出了平衡或不平衡的設計。這里將對已開發(fā)出的CAD算法進行了簡要說明。有了這種新方法，模具設計人員可以輕松地在模具板或插件與冷卻系統(tǒng)兩者之間做出改變而無需進行繁瑣的重復性工作。因此，這種方法可以有效地減少設計時間和后期設計更改的影響。 關鍵詞：冷卻回路 塑料模具設計 CAD/CAE關聯(lián)設計 設計自動化 ·1．引言 目前，大多數(shù)CAD系統(tǒng)還無法完全和明確地捕捉設計意圖。豐富的設計信息不能完全由CAD模型來描述，并在產品開發(fā)周期的后期的設計更改將引起大量的重復勞動。眾所周知，CAD的交互操作性應包括基于知識的工程系統(tǒng)的集成。然而，沒有任何機械能使設計意圖信息流通。在注塑模具設計中這種信息差距也是非常明顯的。模具設計人員面臨著越來越多的壓力來減少設計時間并且還要確保模具質量。 自20世紀70年代初以來各種設計注塑模具的CAD已經出現(xiàn)了，其中大部分集中在模流分析及優(yōu)化算法。近年來，模具子系統(tǒng)的設計一直是（研究）的焦點，例如凸凹模插件、流道、澆口位置和冷卻系統(tǒng)等。對于冷卻系統(tǒng)的設計王等﹝11﹞提出了一個三階段的策略，與一維近似、二維優(yōu)化設計、三維設計冷卻效果分析設計。他們已經開發(fā)出一種程序，使用三維邊界元法來分析三維熱傳導。所有上述提到的工具只能生成一般的幾何信息。豐富設計信息的表達和重復利用不同程度地沒有提到。 面向對象的軟件技術已經應用來滿足模具設計信息表示的差距。在復雜實體中對象的定義可以提供大量的幫助，特別是部分獨立部件和特征。然而，維持幾何實體之間的關系并使它們可定制還不是一個簡單的任務。可以持久實現(xiàn)幾何實體之間關系的CAD軟件發(fā)展方向被稱為相關設計方法。一種方法是在一個過程向導中建立一個CAD系統(tǒng)的設計意圖和過程知識，它基本上是一個應用程序的測試與用戶界面的設置結合，來引導用戶完成特定的計算機系統(tǒng)的相互作用構成。EDS公司的MouldWizard系統(tǒng)就是這樣一個基于流程的向導。本文介紹了應用于冷卻水道的相關設計方法的市場反饋，表明這一概念大大減少了人類知識和計算機一貫表示的差距。 在一個模具中冷卻系統(tǒng)不僅影響成型零件的質量而且還影響生產效率。在目前的實際生產中，在一套模具中至少有四個主要的冷卻回路。它們都位于型腔插件，插件的型芯，一個A板和B板。王和Singh等認識到，在設計冷卻系統(tǒng)中有很多參數(shù)和設計變量，如位置、冷卻管道類型和三維回路布局，通常需要頻繁的修改來解決部分后期設計中的變更以及模具的優(yōu)化設計。修改過程耗時且容易出錯，因為設計師需反復編輯和更新CAD模型。莫克等開發(fā)了可以自動檢索某些回路模式的冷卻系統(tǒng)，如直線型或U型冷卻回路，但對實體之間的幾何關系沒有論述。莫克等引入了一種冷卻系統(tǒng)的專家設計系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括了四個層次，布局設計、分析、評價和決策。一種決策模塊根據儲存在知識庫中的規(guī)則對冷卻水道的重新設計進行了評估。然而，沒有綜合與參數(shù)化的CAD系統(tǒng)。 總之，高效率和用戶友好型的冷卻系統(tǒng)設計工具是備受追捧的，這樣的系統(tǒng)可以達到令模具設計師從繁瑣的更新和保持設計模型一致中得到解放的預期，使模具設計周期的總時間縮短。本文介紹了提供冷卻和它們之間的散熱孔面回路所產生大量的相關鏈接的自動化的冷卻水道的設計工具。 1.1通用與把握設計意圖的相關問題 在工業(yè)生產中，通常冷卻水道是以冷卻回路的形式構成的，但孔特征作為CAD工具的代表。另一方面，經驗豐富的設計人員發(fā)現(xiàn)經常用圓柱體來代替冷卻水道。在后一種方法中當設計完成時所有的管道都連接起來形成一個冷卻回路。在CAE分析工具的幫助下用這種連接回路能對冷卻效果進行評估。這些不能轉化為孔直到設計工作完成的回路是為CAM工具路徑的產生做準備的。用這樣的表現(xiàn)形式，一個CAD系統(tǒng)可以顯示或繪制自視檢查的冷卻水道，而不顯示凸?；虬寄２寮湍＞甙宓募毠?jié)特征。與孔特征相比重新定位和修改實體需要更少的步驟。它能自動檢測冷卻水道和其它模塊之間的功能如型腔和銷孔碰撞。 然而，圓柱體冷卻水道的代表形式有幾個問題。首先，許多步驟仍需要一個簡單的通道，如創(chuàng)建一個圓柱體，在一個情況下的倒角中的盲孔盲端，并通過一系列的對話方塊的位置和朝向運行。通常，冷卻回路有很多的管道，所以它們的創(chuàng)建需要很多的重復命令。當需要修改時要再次對圓柱進行重復編輯。這種情況很容易出錯。其次，在冷卻水道中對自動傳熱分析或碰撞檢測是很重要的。第三，在用戶友好的操作方式中它們不能為插頭噴嘴或擋板插入冷卻水道提供方向信息。因此，模具設計師被繁瑣的步驟所困擾。 1.2冷卻系統(tǒng)中的語義定義 一種面向對象的軟件設計方法可用于解決上述一節(jié)中討論的問題。它提供獨立的冷卻系統(tǒng)動態(tài)更新的定義，對冷卻系統(tǒng)的驗證是必不可少的一種對象類型或種類的集合。在圖1中，顯示了簡化的冷卻系統(tǒng)結構及相關組件的類型。每個組件類型被定義為一個對象類。 冷卻水道被定義為其中包含冷卻液（在大多數(shù)情況下是水）的連續(xù)直孔。它可以包含在一個單一的模具組件（片或插件），或貫穿幾個。本文中“孔”是用來描述在一個單一的模具組件的冷卻水道中的幾何形狀，但其表現(xiàn)與傳統(tǒng)的孔特征是不同的（見下一節(jié)）。如圖2所示是冷卻回路的一個例子。1-5孔是冷卻水道。一個冷卻回路代表連接在入口和出口之間的冷卻水道。幾個冷卻回路形成一個冷卻系統(tǒng)。在圖2中孔1-5共同形成了一個冷卻回路。一個回路可有幾個不同方向的冷卻水道。這些管道由從不同模具板和插件面的鉆孔的冷卻孔組成。一個用于鉆孔的面稱為穿透面。當然，冷卻孔有一個穿透面和鉆孔量總從滲透面指向另一端。通常情況下，冷卻孔垂直穿透面。然而，為了適應某些特殊情況，這種限制是不影響本文目的的。 圖1冷卻系統(tǒng)的結構 圖2 冷卻回路的例子 在實際中，如圖3中的一個例子冷卻水道跨越了多個塊。它由幾個連接的共線散熱孔（孔1，孔 2，孔3）。這樣的管道被專門命名為彩色線性冷卻水道。 在許多情況下，多印象設計用于模具布局。有兩種方法來建立冷卻回路即：平衡和不平衡。如果同樣的冷卻回路模式適用于每一個印象，則冷卻系統(tǒng)被稱為均衡。否則，冷卻系統(tǒng)是不平衡的。通常，如果模具是一個平衡的多模式設計的印象[14]，設計者希望有印象的每個部分是相同的冷卻回路，則平衡的方法被使用。在這種情況下，因為每個回路設計主要用來滿足一個印象，來滿足傳熱要求的冷卻效果會更好控制。這是為特別復雜的成型件推薦的可利用仿真優(yōu)化包的冷卻方法[11]。采用這種方法，CAD的功能可以普遍滿足模具設計師在冷卻回路格局上的個人的變化需求。 圖3典型的共線冷卻管道 另一方面，設計者可以把模具作為一個整體看待而不考慮冷卻回路的印象模式設計，如果這樣的話，他可以采用不平衡的方法。 1.3詳細的陳述 在圖4中給出了冷卻系統(tǒng)的一個組成部分的詳細結構。用一條直線和一個任選的圓柱體代表一個洞。這種直線被稱為孔冷卻的引導線。更確切地說，一個冷卻的引導線是從冷卻透孔中心點到末端孔中心點出發(fā)的直線。在圖2中，AB是孔1的冷卻引導線，而CD是孔2的引導線。引導線包括鉆孔載體。 如圖5所示在每個散熱孔的開始和結束點，孔兩端可以選擇以下類型：（1）末端為通孔型（2）末端為盲孔型（3）臺階型末端（4）交叉盲孔型。這些幾何特征信息表示為附加屬性指引。如果它基于儲存在每個引導線中的信息，就可以隨時生成圓柱形實體。 傳統(tǒng)上，冷卻線也被用來表示一個冷卻回路[11]，但它們是從被包含的實體中分離出來的，例如模具板和插件。本文中的設計思路之一是每一個引導線的開始和結束點都與穿透和退出的面相關，除了末端為盲孔的終點。因此，如果這些面的位置改變了，相應的點將得到很大的更新和變化。換句話說，冷卻引導線總是與穿透和退出的面有關。 圖5冷卻管末端類型 在冷卻回路中所有的內孔的冷卻引導線作為指導路徑進行分組。在圖 2中有五條引導線AB型CD型EF型GH型和IJ型，形成引導路徑。在本文中，如圖4所示，引導路徑完全代表一個冷卻回路冷卻時可以有一定的準則來描述冷卻孔類型直徑等的屬性。 事實上，冷卻圓柱體僅在需要時進行查看檢查不同功能/組件的物理碰撞或創(chuàng)建基于板或插件的功能時生成。這些冷卻固體可以去除來簡化，只要引導導路徑可行，這些冷卻固體就可以再生。稍后階段，在確認冷卻系統(tǒng)的設計中，CAM應用程序或組件的結構細節(jié)仍然需要幾何孔。它們可以通過減去其相應的冷卻板/插入機構的固體來獲得。 一個引導路徑也用來維護其線路之間的連接。在指導路徑中定義了一種驗證和核實這一條件的一個“特殊”的方法。這個共線冷卻水道是創(chuàng)建的“特殊對象類型”。從圖4中可以看出，一個冷卻回路包含可共線的冷卻水道以及簡單的管道。每個通道都可以由一組被叫做共線指引的引導線來表示。顯然，它的元素引導線必須從頭部到尾部不斷沿著一條直線連接起來。在圖3中，AB型，CD型及EF型形成路徑和代表共線的通孔1（臺階型通孔）通孔2盲孔3?？梢钥闯?，在一個冷卻回路中冷卻元件相關聯(lián)，因為它們是可以立即進行任何改變的。 如圖4所示，回路的內容和對象根據上下文和用戶的選擇變化，例如，一個回路可以作為一個相互關聯(lián)的引導線或作為一個圓柱體集。一個冷卻回路能在豐富的屬性形式中自行確定幾何與非幾何的信息。 總之，在此對象的結構設計中，冷卻水道及其相關模具板或插件可以自動更新如果諸如穿透面或鉆孔元素的某些類型能在后面的設計階段進行修改。由于所有的冷卻水道用相關聯(lián)的方法創(chuàng)建，在一個回路中如滲透面鉆孔方向可以嵌入CAD模型和持久存儲。 2執(zhí)行方面 2.1嵌入鏈接和參數(shù) 在這個模塊冷卻設計集中，引導線最初是通過用戶界面創(chuàng)建的。為了把每個引導線的開始和結束點與滲透和退出面及盲孔聯(lián)系在一起就出現(xiàn)了一個智能點。一個智能點在表面上是和內核與數(shù)據庫面相關的點。它能與相應面保持持續(xù)的聯(lián)系。在這里“智能”一詞表示一個實體關聯(lián)到其它相關實體的性質。由于這些引導線是建立于智能終點上的那么連通引導線也稱為智能線。它們每個都是由一個（盲孔）或兩個（通孔）連接在一起的。 一個冷卻圓柱體可以沿著一個圓形掃描的智能方針自動生成，對于盲孔錐孔需增加。對于冷卻回路圓柱體作為固體的代表。這些幾何特征代表引導線的屬性。這些相關屬性包括末端的類型、冷卻孔直徑深度和臺階直徑部分。它們用于冷卻孔的編輯和冷卻孔的再生。 2.2功能和算法 已經開發(fā)出的這個模塊的主要功能是滿足冷卻系統(tǒng)的設計，在這里列出的要求： a． 增加形成引導路徑的智能引導線 b． 修改或重新定位引導線 c． 刪除引導路徑回路 d． 創(chuàng)建冷卻固體 e． 修改冷卻固體 f． 刪除冷卻固體 g． 建立平衡或不平衡的冷卻固體印象模具設計 2.3創(chuàng)建和編輯一個冷卻回路的智能引導路徑 要創(chuàng)建一個引導路徑的第一引導線，用戶需要在預期的固體上選擇一個面作為穿透面（平面）的回路入口（見圖2）。一個平面方程可以提供出選定的平面。在面上最初的引導路徑的啟動點把用戶的指示點為基礎，然后創(chuàng)建一個智能點。引導第一次降溫過程生成的默認方向的相反方向能在圖形窗口中顯示。用戶可以由圖6所示的界面活性變化的引導線的方向，交互地修改初始點的位置。 然后，用戶可以動態(tài)拖動冷卻線或輸入一個盲孔的引導線的長度值或選擇另一面說明通孔結束的面。在后一種情況下，在引導線的終點另一個智能點會被創(chuàng)建。在創(chuàng)建第一引導線時，一個序號“1”會顯示在它附近。 為創(chuàng)建下一個引導線（見圖2），一個鉆孔是必需的。用戶可以顯示底部滲透在p點的面，然后，下一個指引方向將設置在選定的面扭轉法線方向上。在這項工作的實施中向量的起點C的確定是參照前面的AB引導線和最近點到用戶的P點來表示的一個嵌入式規(guī)則。為了使向量定義的用戶友好，很多這樣的潛在 “規(guī)則”適用于協(xié)助指導創(chuàng)建。在這種情況下，當定義CD引導線和以前的AB引導線時，它能自動延長到底部鉆孔的C點。智能點是建立在與引導線相關的面上的C點上。同樣，序列號“2”顯示在引導線的附近。用戶還可以通過選擇一個工作定義坐標方向+X,－X，+Y, －Y,+Z,－Z然后指示出引導線的下個起點。用類似的方法，一個完整的指引路徑可以被定義。當確認所有的指引路徑的引導線時，路徑的連續(xù)性可以在這種方法中驗證（見圖4）。該指引路徑被當作一個單一的實體。正如預期的那樣，引導線可以創(chuàng)建或加入一個由CAD功能的引導路徑?，F(xiàn)有的引導線也很容易被刪除。 在互動的定義引導線之間，在相應的分支機構的算法中用戶的輸入參數(shù)和序列是不同的。例如，要創(chuàng)建一個簡單的盲孔，用戶可以選擇的序列可以是下列三個選項之一：（a）僅僅是一個滲透面（b）滲透面和現(xiàn)有的垂直于參考的散熱孔，以及（c ）僅僅是現(xiàn)有的共線冷卻孔。在每個選項下，用戶的選擇序列是有區(qū)別的，必要的調整能使引導線達到保持引導路徑連接的預期目的及友好的用戶界面設計。如圖6冷卻后的引導線，它的性質包括它的長度都顯示在同一用戶界面上。這些是可以改變和更新的。事實上，當引導線被選中，其指導路徑也就確定。這是因為在一個引導路徑中所有的引導路線是連續(xù)性的約束。如果引導路徑入口點的位置被移動，則整個路徑也相應的變化。用戶可以通過有關項目從編輯界面中選擇安全刪除引導路徑。 2.4創(chuàng)建和編輯冷卻固體 在定義一個引導路徑時，則冷卻固體基于個體引導線的屬性生成。冷卻固體僅當用戶需要它們時創(chuàng)建。如圖4所示冷卻水道可以有不同的孔類型。這些類型可以表示為首端和末端相關的冷卻固體的特征。如圖7所示的用戶界面實現(xiàn)了這一目的。最初，用戶界面的設置，如啟動類型、結束類型、孔直徑等參數(shù)用默認類型分配，并在用戶界面上配置文件中的預設值。然后，他們以用戶的輸入為基礎更新。當用戶重復操作時在此配置文件中的值始終在與用戶的首選值寫在它“接受”的用戶界面對話框中，以便使用戶界面的設置可以被更新。由于對話框的不同，也有對預設條件驗證領域的項目，例如，臺階孔的直徑必須大于孔徑。這是當用戶調用點擊“確定”按鈕時，在這種方法中這些檢查函數(shù)稱為冷卻固體的“驗證”（見圖4），。如果輸入驗證不被接受，就會出現(xiàn)一些錯誤信息的提示。這些屬性一旦得到證實通過點擊“顯示冷卻水道關系”按鈕可以自動生成冷卻固體的CAD的API功能。 冷卻固體可以在任何時候被刪除，但類型和參數(shù)仍繼續(xù)將其作為個體指引線的附加屬性，因此冷卻固體可在任何時候可再生。然而，如果用戶刪除一切引導路徑，則冷卻回路就被完全刪除。在更多的細節(jié)上，實體生成算法建立了以下六種孔的類型：簡單盲孔、簡單通孔、臺階孔、臺階在通孔一端、臺階在通孔兩端、通孔，最后，共線固體冷卻水道能穿過多個固體。其它編輯和刪除冷卻水道的算法很簡單。 對于一個共線冷卻水道，有個別孔由共線連接獲得。圖3說明了它們是如何關聯(lián)的。假設孔1（從左到右）的創(chuàng)建是通過“選擇兩個平面創(chuàng)建臺階孔（兩端）”從A點開始“綁住”面1和結束點B“綁住”面2則面1和面2是固體1的一部分。這些面的任何修改都將會影響孔的深度如抵消它們。 創(chuàng)建孔2有更多的靈活性。用戶可以創(chuàng)建以下兩種方法。在第一種方法中面3和面4（屬于固體2）可作為參考選擇，因此啟動點C和結束點D分別是面3和面4上的點。因為這個孔應是共線管道的其中一部分，面2與孔1的結束點B相關，也與面3有關。這是保證共線管道的對象的驗證方法。因此，第一個孔可以沿著面2滑動通過創(chuàng)建兩個對齊孔不打亂中間的孔。在第二種方法中，第一個孔是用來作為參考，那么起點C的結束是孔1的終點，由于B點的連接，則沿著面2滑動的第一個孔被修改則中間孔將隨著變化。一旦C點移動則面3也將更新。這兩個孔之間的智能連接由嵌入式的多個共線冷卻水道固體建立。同樣，在圖3中第三盲孔由左到右建立，共線的冷卻水道由三個相關的冷卻孔獲得。 2.5處理平衡和非平衡冷卻回路 在本文中，模具元件由裝配樹結構組成，當用戶初始化一個新的模具設計項目時它會自動創(chuàng)建。原來的塑料部分被分配到裝配上的一部分，被稱為產品的一部分（生產部分）（見圖8）。印象儲存在產品的一部分作為實例化組件與布局模式（凸模/凹模插件）。這是一個在裝配上專門用于冷卻固體自動創(chuàng)建的部分。它被稱為冷卻線（CL）部分。 為了解決平衡與非平衡冷卻回路的設計問題，突變實體的概念必須被先介紹。這項功能可為幾何實體例如：實體、面、線、點等，以便使在裝配中的不同部分相關聯(lián)。這是通過復制從一部分到另一部分具有持續(xù)關聯(lián)的實體獲得的。這些復制的實體被稱為突變實體。當一個源實體被修改，其相應的突變實體也會自動更新。源實體被稱為原型實體。圖9中所示了一些在裝配中可能突變的面。假設原型面A是元件1的一部分，則它可以創(chuàng)建一個相應的突變面A1，面A1對它的原型面（子對母），或A2面對面A1（子對子）。在一個裝配建模環(huán)境下，另外一個需要解釋的概念是工作的一部分，這將被看作是定義在創(chuàng)建新的實體的一部分。因此，用戶必需明確地選擇工作的一部分，以便在其中創(chuàng)建新的實體。 圖8在模具裝配樹中的冷卻線 圖9在裝配中兩種可能的突變面 在本文中建立平衡的冷卻回路，工作部分被設置在圖8的產品部分中。當用戶在凸模/凹模插件中選擇一個面去創(chuàng)建一個冷卻引導線時，一個突變面（子部分對母部分）被創(chuàng)建，在產品中的部分所有的冷卻實體，包括智能點、引導路徑和冷卻固體在這部分也被創(chuàng)造了。與此同時，在冷卻線部分與此相關的引導路徑和固體（子部分對子部分）也被創(chuàng)建。冷卻實體，根據印象模式被復制。該合成的冷卻系統(tǒng)在不同的印象模式中會自動平衡。在圖10中用了一個與均衡冷卻回路的四印象模式的實例來說明。 圖10平衡冷卻回路的例子 當創(chuàng)建不平衡冷卻水道時，工作的一部分被設置在冷卻線的一部分（見圖8）。當用戶從插件部分選擇一個面，則在冷卻線的一部分（子部分對子部分）的突變副本被創(chuàng)建。然后，所有相關的原型，如智能點、引導路徑和冷卻實體在冷卻線部分被創(chuàng)建。因此，如果冷卻實體的參考面在不同的插件上被改變則在冷卻線部分的冷卻實體可以自動更新。這兩種方法都是可用的，裝配樹結構使設計在很大程度上得到了減少。 3.未來整合專家系統(tǒng) 顯然，這個模塊的功能可以進一步擴展。由于其是面向對象的設計，它極有可能將這項可以納入冷卻水道設計規(guī)則的模塊與專家系統(tǒng)整合。對其中的一些邏輯規(guī)則進行了討論【10,11,15】。作者認為，這應該是今后的研究方向。 4.結論 本文提出了在冷卻水道設計工具中的一種相關的設計方法。重點被放在獨特的引導路徑和冷卻水道固體交涉上，并在冷卻水道和模具板或插件之間的幾何相關上。相比用于【10,11,15】中的方法，這種方法的優(yōu)點是模具設計人員可以更容易的在整個設計生命周期中進行修改。豐富的信息包括冷卻回路成員之間的鉆孔方向、定位和連接被嵌入相關的CAD模塊中。這些資料可以支持在高水平知識規(guī)則下的相關冷卻回路，從表面成型、碰撞檢查到最近距離的互動。這種方法能有效和高效的應用在模具設計中。 ·致謝本文的目的僅是報道研究的方法。作者承認他們的研究工作正在進行，本文中主要由在新加坡制造技術研究所（SIMT）工作的主編完成。一個SIMT項目團隊實施軟件產品。R&D工程師得到在美國Cypress，CA的EDS公司提供的密切技術支持。Unigraphics系統(tǒng)（UG）和模具導向在EDS公司注冊商標。 本文摘譯自： 中原工學院圖書館Springer-Link外文期刊數(shù)據庫，論文名稱為《An object-oriented design tool for associative cooling channels in plastic-injection moulds》。 11 哈 爾 濱 理 工 大 學 畢 業(yè) 設 計 題 目：航空杯注塑成形工藝及模具設計 院 、 系： 姓 名： 指導教師： 系 主 任： 年 月 日 哈爾濱理工大學學士學位論文 航空杯注塑成形工藝及模具設計 摘 要 本設計是航空杯塑料零件的注塑模具設計，在結合了傳統(tǒng)的機械設計后把CAD/CAM技術應用在注塑模具的設計上，在CAD系統(tǒng)實行了模型和注塑模具的設計。本文介紹了我國當前模具技術的發(fā)展狀況以及CAD/CAM在模具上的應用，其中包括AUTOCAD。主要的機械部分設計，其內容包括塑料注塑模具的工作原理及應用，設計準則。塑料注塑模的設計計算，包括模具結構設計，注塑機的選用，澆注系統(tǒng)的設計，動、定模，澆注系統(tǒng)，脫模機構，頂出機構，冷卻系統(tǒng)等設計等方面。如此設計出的結構可確保模具工作運行可靠。 關鍵詞 ：CAD；CAM；注塑模；工藝 - V - 哈爾濱理工大學學士學位論文 Forming process and die design of airline cup injection Abstract It is to design the holder injection mould, references to the traditional mechanical design, focus on the CAD/CAM application in the plastic mould design, that is to say to apply the CAD system in model and plastic injection mould design. This artic introduces the mould technology and the CAD/CAM application of mould in china nowadays. Including AUTOCAD，MASTERCAM. While main mechanical designs content the principle and application of the plastic mould, design standards. The calculation of the plastic mould design concerns about the mould construction design, choosing Injection Molding Machine, injection system ,the move mould, immobility mould, the irrigating system, the doffing mould organ, the goring organ, the cooling system’s design and so on. The structure designed in such way can ensure the reliable running of the mould. Key words: CAD;CAM;PLASTIC INJECTION;MOULD 哈爾濱理工大學學士學位論文 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第1章 緒 論 1 1.1 模具的作用與地位 1 1.2 本次設計研究目的及意義 1 1.3 CAD發(fā)展概況 1 1.4 注塑模CAD內容 2 第2章 塑件的工藝分析 4 2.1 塑件的工藝性分析 4 2.1.1 塑件的原材料分析 4 2.1.2 PS的性能分析 5 2.1.3 PS的注射成型過程及工藝參數(shù) 5 2.2 塑件的結構和尺寸精度及表面質量分析 6 2.2.1 結構分析 6 2.2.2 尺寸精度分析 6 2.2.3 表面質量分析 6 2.3 計算塑件的體積和質量 6 第3章 注射機的選擇及校核 7 3.1 注射機的選擇 7 3.2 型腔數(shù)目的確定及校核 8 3.3 鎖模力的校核 9 3.4 開模行程的校核 9 第4章 澆注系統(tǒng)的設計 11 4.1 分型面的選擇 11 4.2 主流道的設計 12 4.3 分流道設計 12 4.4 澆口設計 13 4.4.1 剪切速率的校核 14 4.4.2 主流道剪切速率校核 14 4.4.3 澆口剪切速率的校核 15 第5章 成型零部件設計 16 5.1 成型零件校核 16 5.2 型腔零件剛度和強度校核 17 5.3 型腔側壁厚度計算 17 第6章 合模導向機構設計 19 第7章 頂出系統(tǒng)機構設計 21 7.1 推桿推出機構 21 7.2 推件板推出機構 22 7.3 推出機構的導向與復位機構設計 22 第8章 溫度調節(jié)系統(tǒng)設計 25 8.1 對溫度調節(jié)系統(tǒng)的要求 25 8.2 冷卻系統(tǒng)設計 25 8.2.1 設計原則 25 8.2.2 冷卻時間的確定 26 8.2.3 塑料熔體釋放的熱量 26 8.2.4 高溫噴嘴向模具的接觸傳熱 26 8.2.5 注射模通過自然冷卻傳導走的熱量 27 8.2.6 冷卻系統(tǒng)的計算 28 8.2.7 凹模冷卻系統(tǒng)的計算 28 第9章 模具工作原理說明 31 總 結 32 致 謝 33 參考文獻 34 哈爾濱理工大學學士學位論文 第1章 緒 論 1.1 模具的作用與地位 模具是指工業(yè)生產上通過注塑、壓鑄或鍛壓等方式生產產品所用的各種模型和工具，是工業(yè)生產中極其重要而又不可或缺的特殊基礎工藝裝備，被稱為“工業(yè)之母”。其生產過程集精密制造、計算機技術和智能控制為一體，既是高新技術載體，又是高新技術產品。由于使用模具批量生產制件具有的高生產效率、高一致性、低耗能耗材，以及有較高的精度和復雜程度，因此已越來越被國民經濟各工業(yè)生產部門所重視，被廣泛應用于機械、電子、汽車、信息、航空、航天、輕工、軍工、交通、建材、醫(yī)療器械、五金工具、生物、能源、日用品等制造領域，據資料統(tǒng)計，利用模具制造的零件數(shù)量，在飛機、汽車、摩托車、拖拉機、電機、電器、儀器儀表等機電產品中占80%以上；在電腦、電視機、攝像機、照相機、錄像機、傳真機、電話及手機等電子產品中占85%以上；在電冰箱、空調、洗衣機、微波爐、吸塵器、電風扇、自行車等輕工業(yè)產品中占90%以上；在槍支等兵器軍工產品中占95%以上。為我國經濟發(fā)展、國防現(xiàn)代化和高端技術服務做了重要貢獻。模具工業(yè)是重要的基礎工業(yè)。工業(yè)要發(fā)展，模具須先行。沒有高水平的模具就沒有高水平的工業(yè)產品。現(xiàn)在，模具工業(yè)水平已經成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的重要標志，在國民經濟中占有重要的地位，模具技術也已成為衡量一個國家產品制造水平的重要標志之一。 1.2 本次設計研究目的及意義 (1).調查研究中外文獻檢索和閱讀能力； (2).綜合運用專業(yè)理論和知識分析、解決實際問題的能力； (3).設計、計算與繪圖的能力，包括使用計算機的能力； (4).掌握模具設計方法和步驟，了解模具的加工工藝過程； (5).邏輯思維與形象思維相結合的文字及口頭表達能力； (6).撰寫設計說明書（論文）的能力； (7).養(yǎng)成嚴肅、認真、細致地從事技術工作的優(yōu)良作風。 1.3 CAD發(fā)展概況 計算機輔助設計(CAD-ComputerAidedDesign)指利用計算機及其圖形設備幫助設計人員進行設計工作。CAD的應用，使得設計人員在設計過程中，能充分發(fā)揮計算機的強大算術邏輯運算功能、大容量信息存儲與快速信息查找的能力，完成信息管理、數(shù)值計算、分析模擬、優(yōu)化設計和繪圖等項任務，并通過設計人員進行創(chuàng)造性的設計以實現(xiàn)最優(yōu)方案。 CAD(ComputerAidedDesign）誕生于20世紀60年代，是美國麻省理工大學提出了交互式圖形學的研究計劃，由于當時硬件設施的昂貴，只有美國通用汽車公司和美國波音航空公司使用自行開發(fā)的交互式繪圖系統(tǒng)。70年代，小型計算機費用下降，美國工業(yè)界才開始廣泛使用交互式繪圖系統(tǒng)。80年代，由于PP機的應用，CAD得以迅速發(fā)展，出現(xiàn)了專門從事CAD系統(tǒng)開發(fā)的公司。CAD最早的應用是在汽車制造、航空航天以及電子工業(yè)的大公司中。隨著計算機變得更便宜，應用范圍也逐漸變廣。通用的CAD件是AutoCAD，但AutoCAD是一種通用的繪圖軟件，對機械行業(yè)針對性差，不過幸運的是，AutoCAD是個開放性軟件，可以對它進行二次開發(fā)，如采用ADS，ARX語言等。由于二次開發(fā)的深入，加強了參數(shù)化設計、智能化設計等，這樣充分發(fā)揮了計算機的強大的搜索功能和運算功能。 CAD技術的發(fā)展與應用對于徹底改變塑料模具設計與制造的傳統(tǒng)方法與落后面貌，提高模具的設計質量與設計效率，縮短模具的設計制造周期，具有重要作用。世界上第一套塑料模具CAD軟件是澳大利亞MOLDFLOW公司于1976年推出并以公司名字命名的MOLDFLOW。目前MOLDFLOW已經發(fā)展得比較完善，能夠為設計人員、模具制作人員、工程師提供指導，通過仿真設置和結果闡明來展示壁厚、澆口位置、材料、幾何形狀變化如何影響可制造性。實現(xiàn)了對注塑過程的模擬、設計原理的應用和精確計算，并逐步優(yōu)化模擬過程，使設計工程師在產品設計階段可以在計算機上“制造”塑料產品。據美國Protetype&PlasticMold公司統(tǒng)計，該公司使用CAD系統(tǒng)后一年內生產效率提高了一倍，節(jié)省了35%的準備時間，制造周期平均縮短了30%，材料節(jié)省了10%，模具成本降低了10%～30%。模具CAD/CAM/CAE技術是模具設計制造的發(fā)展方向。隨著微機軟件的發(fā)展和進步，普及CAD/CAM/CAE技術的條件已基本成熟，各企業(yè)將加大CAD/CAM技術培訓和技術服務的力度；進一步擴大CAE技術的應用范圍。計算機和網絡的發(fā)展正使CAD/CAM/CAE技術跨地區(qū)、跨企業(yè)、跨院所地在整個行業(yè)中推廣成為可能，實現(xiàn)技術資源的重新整合，使虛擬制造成為可能。塑料模具CAD的應用帶來了巨大的社會效益和經濟效益。 1.4 注塑模CAD內容 在模具設計中，模架及某些零件，如導柱、導套、推桿、支撐塊、澆口套、定位圈等分別已形成廠標、行標或國標。對于這些標準的或本單位采用的模架及零件可在通用的二維工程圖CAD系統(tǒng)中建立模架、零件庫，以被設計時調用。對于澆注系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、模架結構強度計算等內容，已有一些較成熟的計算方法或經驗計算方法，可設置這些計算公式的模塊，以便設計人員進行快速計算。注塑模CAD的內容有以下幾點： 1.注塑制品的幾何造型 2.模腔面形狀的生成 3.模具結構方面的設計 4.標準模架選擇 5.部裝圖及總裝圖的生成 6.模具零件圖的生成 7.常規(guī)計算和校核。 - 33 - 哈爾濱理工大學學士學位論文 第2章 塑件的工藝分析 該塑件是航空杯產品，其零件圖如圖所示。本塑件的材料采用PS，生產類型為大批量生產。 圖2-1 航空杯圖 2.1 塑件的工藝性分析 2.1.1 塑件的原材料分析 （1） 外形尺寸 該塑件壁厚為3mm，塑件外形尺寸一般，塑料熔體流程不太長，適合于注射成型。 （2） 精度等級 按實際公差MT5進行計算。 （3） 脫模斜度 PS屬于無定型塑料，成型收縮率較小，參考表2-10選擇該塑件上型芯和凹模的統(tǒng)一脫模斜度為1°。 2.1.2 PS的性能分析 （1） 使用性能 綜合性能好，沖擊強度、力學強度較高，尺寸穩(wěn)定，耐化學性，電氣性能良好；易于成型和機械加工，其表面可鍍鉻，適合做一般機械零件、剪摩零件、傳動零件和結構零件。 （2） 成型性能 1) 無定型料，吸濕性強，含水量應小于0.3%，必須充分干燥，要求表面光澤的塑件要求長時間預熱干燥。 2) 流動性中等，溢變料0.04mm左右 3) PS的主要性能指標 表2-1 PS的主要性能指標 塑料名稱 PS 密度 g/cm 1.02-1.08 比容 cm/g 0.86-0.98 吸水率 ％ 0.2-0.4 收縮率 ％ 0.4-0.7 熔點 C 130-160 比熱容 1470 屈服強度 MPa 50 拉伸彈性模量 MPa 1.4 抗彎強度 MPa 80 抗壓強度 MPa 53 彎曲彈性模量 MPa 1.4 2.1.3 PS的注射成型過程及工藝參數(shù) （1） 注射成型過程 1) 成型前的準備。對PS的色澤、粒度和均勻度等進行檢驗，由于HIPS吸水性較大，成型前應進行充分的干燥。 2) 注射過程。塑件在注射機料筒內經過加熱、塑化達到流動狀態(tài)后，由模具的澆注系統(tǒng)進入模具型腔，其過程可分為充模、壓實、保壓、倒流和冷卻五個階段。 3) 塑件的后處理。處理的介質為空氣和水，處理溫度為60~75℃，處理時間為16~20s。 （2） 注射工藝參數(shù) 1）注射機：螺桿式，螺桿轉數(shù)為30r/min. 2）料筒溫度（℃）：后段150~170； 中段165~180； 前段180~200. 3）噴嘴溫度(℃):170~180 4）模具溫度(℃):50~80 5）注射壓力(MPa):60~100 6）成型時間（s）:30(注射時間取2.2，冷卻時間19.8，輔助時間8). 2.2 塑件的結構和尺寸精度及表面質量分析 2.2.1 結構分析 從零件圖上分析，該零件總體形狀為圓形。在凸臺上,孔對稱分布,因此,模具設計,該零件屬于中等復雜程度. 2.2.2 尺寸精度分析 從塑件的壁厚上來看,壁厚最大處為3mm,壁厚均勻,，在制件的轉角處設計圓角，防止在此處出現(xiàn)缺陷，由于制件的尺尺寸中等。 2.2.3 表面質量分析 該零件的表面除要求沒有缺陷﹑毛刺，內部不得有雜質外，沒有什么特別的表面質量要求，故比較容易實現(xiàn)。 綜上分析可以看出,注塑時在工藝控制得較好的情況下,零件的成型要求可以得到保證. 2.3 計算塑件的體積和質量 計算塑件的質量是為了選用注塑機及確定模具型腔數(shù)。 計算塑件的體積：由PRO/E軟件測得為234580.45 采用一模兩件的模具結構，考慮其外形尺寸，注塑時所需壓力和工廠現(xiàn)有設備等情況，初步選用注塑機XS—ZY—125型。 哈爾濱理工大學學士學位論文 第3章 注射機的選擇及校核 3.1 注射機的選擇 設計模具時，應詳細地了解注射機的技術規(guī)范，才能設計出合乎要求的模具，應了解的技術規(guī)范有：注射機的最大注射量、最大注射壓力、最大鎖模力、最大成型面積、模具最大厚度和最小厚度、最大開模行程以及機床模板安裝模具的螺釘孔的位置和尺寸。 公稱注塑量；指在對空注射的情況下，注射螺桿或柱塞做一次最大注射行程時,注塑成型過程所需要的時間稱為裝置所能達到的最大注射量,反映了注塑機的加工能力。 注射壓力；為了克服熔料流經噴嘴,澆道和型腔時的流動阻力,螺桿(或柱塞)對熔料必須施加足夠的壓力,我們將這種壓力稱為注射壓力。 注射速率；為了使熔料及時充滿型腔,除了必須有足夠的注射壓力外,熔料還必須有一定的流動速率,描述這一參數(shù)的為注射速率或注射時間或注射速度。常用的注射速率如表所示。 表3-1 注射速率 注射量/CM 125 250 500 1000 2000 4000 6000 10000 注射速率/CM/S 125 200 333 570 890 1330 1600 2000 注射時間/S 1 1.25 1.5 1.75 2.25 3 3.75 5 塑化能力；單位時間內所能塑化的物料量.塑化能力應與注塑機的整個成型周期配合協(xié)調,若塑化能力高而機器的空循環(huán)時間長,則不能發(fā)揮塑化裝置的能力,反之則會加長成型周期. 鎖模力；注塑機的合模機構對模具所能施加的最大夾緊力,在此力的作用下模具不應被熔融的塑料所頂開. 合模裝置的基本尺寸；包括模板尺寸,拉桿空間,模板間最大開距,動模板的行程,模具最大厚度與最小厚度等.這些參數(shù)規(guī)定了機器加工制件所使用的模具尺寸范圍. 開合模速度；為使模具閉合時平穩(wěn),以及開模,推出制件時不使塑料制件損壞,要求模板在整個行程中的速度要合理,即合模時從快到慢,開模時由慢到快在到停. 空循環(huán)時間；在沒有塑化,注射保壓,冷卻,取出制件等動作的情況下,完成一次循環(huán)所需的時間. 選擇螺桿式注塑機的型號為：XS-ZY-500，其主要技術參數(shù)如下： 表3-2 注射機參數(shù) 注塑機型號 XS-ZY- 額定注射量 500cm3 螺桿（柱塞）直徑 85mm 注射壓力 121Mpa 注射行程 260mm 注射方式 螺桿式 鎖模力 4500KN 最大成型面積 1800cm2 最大開合模行程 700mm 模具最大厚度 700mm 模具最小厚度 300mm 噴嘴圓弧半徑 R18mm 噴嘴孔直徑 Φ7.5mm 頂出形式 兩側設有頂桿，機械頂出 動、定模固定板尺寸 900X1000mm 拉桿空間 650X550mm 合模方式 中心液壓、兩側機械頂桿 液壓泵 流量 200、18L/min 壓力 614Mpa 電動機功率 40KW 加熱功率 14KW 機器外形尺寸 7670X1740X2380mm 3.2 型腔數(shù)目的確定及校核 根據市場經濟及生產效率的要求，本模具采用一模2腔型腔結構，即型腔數(shù)目。因型腔數(shù)量與注射機的塑化速率、最大注射量及鎖模量等參數(shù)有關，因此有任何一個參數(shù)都可以校核型腔的數(shù)量。一般根據注射機料筒塑化速率確定型腔數(shù)量； (3-1) 式中——注射機最大注射量的利用系數(shù)，一般取0.8； ——注射機最大注塑量，g； ——澆注系統(tǒng)所需塑料質量，； ——單個塑件的質量，。 式中、、也可以為注射機最在注射體積（cm3）、澆注系統(tǒng)凝料體積（cm3）、 單個塑件的體積（cm3）。 故取滿足我們設計要求。 3.3 鎖模力的校核 注射成型時，塑件在模具分型面上的投影面積是影響鎖模力的主要因素，其數(shù)值越大，需要的鎖模力也就越大。注射成型時，模具所需的鎖模力與塑件在水平分型面上的投影面積有關，為了可靠地鎖模，不使成型過程中出現(xiàn)溢料現(xiàn)象，應使塑料熔體對型腔的成型壓力與塑件和澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積之和的乘積小于注射機額定鎖模離，即： 模具的鎖模力通常應該滿足下式 (3-2) F為鎖模力，K為系數(shù)取1.1-1.2，為模腔壓力可取35Mpa，A為塑件在分型面上的投影面積，由PRO/E軟件測得為234580.45 ，代入上式可得 F=9031.347KN≤10000KN (3-3) 符合要求 3.4 開模行程的校核 注射機開模行程是有限的，開模行程應該滿足分開模具取出塑件的需要。因此，塑料注射成型機的最大開模距離必須大于取出塑件所需的開幕距離。為了保證開模后既能取出塑件又能取出流道內的凝料，對于雙分型面注射模具，需要滿足下式： (3-4) 式中—模具開模行程； —推出距離（脫模距離） —塑件高度；（H2） —定模板與中間板之間的分開距離。 則=291mm<500mm (3-5) 小于注射機最大開合模行程，故滿足要求。 哈爾濱理工大學學士學位論文 第4章 澆注系統(tǒng)的設計 澆注系統(tǒng)是引導塑料熔體從注射機噴嘴到模具型腔的進料通道，具有傳質、傳壓和傳熱的功能，它分為普通流道澆注系統(tǒng)和熱流道澆注系統(tǒng)。該模具采用普通流道澆注系統(tǒng)，包括主流到，分流道、冷料穴，澆口。 澆注系統(tǒng)的設計是注塑模具設計的一個重要環(huán)節(jié)，它對注塑成型周期和塑件質量（如外觀、物理性能、尺寸精度等）都有直接影響，故設計時要使型腔布置和澆口開始部位力求對稱，防止模具承受偏載而產生溢料現(xiàn)象，而澆口的位置也要適當，盡量避免沖擊嵌件和細小的型芯，防止型芯變形，澆口的殘痕不影響塑件的外觀。概括說來，需要注意以下問題： 1.適應塑料的工藝性； 2.流程要短； 3.排氣良好； 4.避免料流直沖型芯或嵌件； 5.澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積應盡量??； 6.澆注系統(tǒng)的位置盡量與模具的軸線對稱； 7.修整方便，保證制品外觀質量； 8.防止塑件變形。 4.1 分型面的選擇 分型面是模具結構中的基準面，選擇模具分型面時通常考慮如下有關問題： 1根據塑件的某些技術要求，確定成型零件在動模和定模上的配置； 2塑件的生產批量； 3結合塑件的流動性確定澆注系統(tǒng)的形式和位置； 4型腔的溢流和排氣條件； 5模具加工的工藝性。 圖4-1 分型面圖 4.2 主流道的設計 主流道是指澆注系統(tǒng)中從注射機噴嘴與模具接觸處開始到分流道為止的塑料熔體的流動通道，是熔體最先流經模具的部分。在臥式注射機上主流道垂直于分型面，為使凝料能順利拔出，設計成圓錐形，主流道通常設計在主流道襯套（澆口套）中，為了方便注射，主流道始端的球面必須比注射機的噴嘴圓弧半徑大1～2mm，防止主流道口部積存凝料而影響脫模，通常將主流道小端直徑設計的比噴嘴孔直徑大0.5～1mm。其中，澆口套主流道大端直徑D應盡量選得小些。如果D過大模腔內部壓力對澆口套的反作用也將按比例增大，到達一定程度澆口套容易從模體中彈出。 4.3 分流道設計 分流道是指主流道末端與澆口之間的一段塑料熔體的流動通道。多型腔模具一定設置分流道，大型塑件由于使用多澆口進料也需設置分流道。分流道的作用是改變熔體流向，使其平穩(wěn)的流態(tài)均衡地分配到各個型腔。設計時應注意盡量減少流動過程中的熱量損失與壓力損失。 1.分流道的設計要點 分流道的設計要點是： （1）流經分流道的熔體溫度和壓力的損失要少。為此，分流道一要短，二要使粗糙度降到最低，三是容積要小，四是少彎折。 （2）要使分流道的固化時間稍慢于制品的固化時間，以利保壓、補縮和壓力傳遞。 （3）要使熔料能迅速而又均勻地進入各型腔，故在多型腔設計時，在保證模具結構強度前提下，力求采用平衡進料，而且在保證模具結構強度前提下，力求緊湊、集中。 （4）便于加工，便于使用標準刀具，免于制造專用刀具。 2.分流道的截面形狀 分流道的截面類型有圓形、梯形、U形、半圓形等，根據塑件的材料流動性較好，長度較短，無側抽，可以采用圓形分流道且呈輻射狀布置。由于分流道中與模具接觸的外層塑料迅速冷卻，只有中心部位的塑料熔體的流動狀態(tài)較為理想，因此分流道的內表面粗糙度Ra并不要求很低，一般取1.6μm左右既可，這樣表面稍不光滑，有助于塑料熔體的外層冷卻皮層固定，從而與中心部位的熔體之間產生一定的速度差，以保證熔體流動時具有適宜的剪切速率和剪切熱。 3.分流道的布置 分流道的布置取決于型腔的布局，兩者互相影響。分流道的布置形式分平衡式和非平衡式兩種。 （1）平衡式布置 平衡式布置要求從主流道至各個型腔的分流道，其長度、形狀、斷面尺寸等都必須對應相等，達到各個型腔的熱平衡和塑料流動平衡。因此各個型腔的澆口尺寸可以相同，達到各個型腔同時均衡進料。 （2）非平衡式布置 非平衡式布置的主要特點是主流道至各個型腔的分流道長度各不相同（或加上型腔大小不同）。為了使各個型腔同時均衡進料，各個型腔的澆口尺寸必定不相同。 本塑件的分流道采用了平衡式布置。 4.4 澆口設計 澆口又稱進料口，是連接分流道與型腔之間的一段細短流道，澆口是連接分流道與型腔的通道，它是澆注系統(tǒng)最關鍵的部分，它的形狀、尺寸、位置對塑件的質量有著很大的影響。它的作用主要有以下兩個：一是作為塑料熔體的通道，二是澆口的適時凝固可控制保壓時間。 常用的澆口形式有直接澆口、側膠口、側膠口、輪輻澆口、潛伏澆口等。由于不同的澆口形式對塑料熔體的充型特性、成型質量及塑件的性能會產生不同的影響。而各種塑料因其性能的差異對于不同的澆口形式也會有不同的適應性。 在模具設計時，澆口位置及尺寸要求比較嚴格，它一般根據下述幾項原則來參考： 盡量縮短流動距離； 澆口應開設在塑件壁最厚處； 必須盡量減少或避免熔接痕； 應有利于型腔中氣體的排除； 考慮分子定向的影響； 避免產生噴射和蠕動； 不在承受彎曲或沖擊載荷的部位設置澆口； 澆口位置的選擇應注意塑件外觀質量。 圖4-2 澆口位置圖 4.4.1 剪切速率的校核 生產實踐表明，當注射模主流道和分流道的剪切速率R=5.8×10~5×10S、澆口的剪切速率R=10~10S時，所成型的塑件質量最好。對一般熱塑性塑料，將以上推薦的剪切速率值作為計算依據，可用以下經驗公式表示： R= (4-1) 式中 q——體積流量（CM/S）；R——澆注系統(tǒng)斷面當量半徑（CM）。 4.4.2 主流道剪切速率校核 Q=0.8Q/T =338.2÷1.5=225.5 （CM/S） (4-2) T注射時間：T=2.5（S）； R主流道的平均當量截面半徑：R==0.538（CM） (4-3) d 主流道小端直徑 ， d=0.63 （CM）； d主流道大端直徑，d=1.2（CM） (4-4) R== 3.1×158.9/(3.14×0.2783)=1.47×10 S (4-5) 5×10＜1.47×10＜5×10 (滿足條件) 4.4.3 澆口剪切速率的校核 R= =3.67×152/(3.14×0.423)=1.45×103 S (4-6) 其中：澆口面積S=/4×(D22-D12),當量面積S=R 所以R=7mm。 單從計算上看，交口剪切速率偏小。但由于模具比較特殊，為一模1腔，無分流道，壓力損失少，進料速度快，成型比較容易，，傳遞壓力好，所以澆口的剪切速率是合適的。 從以上的計算結果看，流道與澆口剪切速率的值都落在合理的范圍內，證明流道與澆口的尺寸取值是合理的。 哈爾濱理工大學學士學位論文 第5章 成型零部件設計 本成型零件工作尺寸計算時均采用平均尺寸、平均收縮率、平均制造公差和平均磨損量來進行計算。查表得PP收縮率為Q=1～2.5%，故平均收縮率為Qcp=（0.3+0.8）%/2=2%，考慮到工廠模具制造的現(xiàn)有條件，模具制造公差取z=△/3。 模具中決定塑件幾何形狀和尺寸的零件稱為成型零件，包括凹模、型芯、鑲塊、成型桿和成型環(huán)等。成型零件工作時，直接與塑料接觸，塑料熔體的高壓、料流的沖刷，脫模時與塑件間還發(fā)生摩擦。因此，成型零件要求有正確的幾何形狀，較高的尺寸精度和較低的表面粗糙度，此外，成型零件還要求結構合理，有較高的強度、剛度及較好的耐磨性能。 設計成型零件時，應根據塑料的特性和塑件的結構及使用要求，確定型腔的總體結構，選擇分型面和澆口位置，確定脫模方式、排氣部位等，然后根據成型零件的加工、熱處理、裝配等要求進行成型零件結構設計，計算成型零件的工作尺寸，對關鍵的成型零件進行強度和剛度校核。 工作尺寸是零件上直接用以成型塑件部分的尺寸，主要有型腔和型芯的徑向尺寸，型腔深度和型芯高度尺寸和中心距尺寸等。 PS的成型收縮率為0.4%--0.7%所以平均收縮率取 s=0.55%。 塑件尺寸公差按SJ1372--78標準中的5級精度成型。 5.1 成型零件校核 （a）采用臺肩固定的形式， （b）塑件的尺寸公差源自《塑料成型工藝與模具設計》的塑件公差 數(shù)值表3.1。塑件尺寸， (5-1) (5-2) 式中 s——塑料的平均收縮率，PS為0.005； ——塑件外徑尺寸； ——修正系數(shù)（取0.75）； ——塑件尺寸公差，見上塑料尺寸公差值； ——模具制造誤差，其他誤差忽略，當尺寸小于50mm時，；當塑件尺寸大于50mm 時，。 （a）采用臺肩固定的形式，下底面用模珂與動模壓緊。 （b）塑件的尺寸公差源自《塑料成型工藝與模具設計》的塑件公差數(shù)值表。 塑件尺寸 ，。 (5-3) (5-4) 式中各符號同前。 5.2 型腔零件剛度和強度校核 由于塑件成型部分采用模仁，再從模板上開框把模仁鑲入，用螺絲吃緊。成型部分離模仁有滿足條件的規(guī)定距離（20～25mm），而模仁離模板四周也有滿足條件的規(guī)定距離，所以成型時型腔零件完全滿足強度和剛度的要求，在這里就不一一校核。在動模板上，由于成型壓力很大部分垂直壓在其上，底部為了節(jié)約材料不打算采用支撐板。 模架如圖4.1所示： 圖5-1 模架 5.3 型腔側壁厚度計算 (1)凹模型腔側壁厚度計算 凹模型腔為組合式型腔，按強度條件計算公式 S≥R-r=r[([σ]/[σ]-2p)1/2]-1進行計算。 式中各參數(shù)分別為： p=50Mpa(選定值)； [δ]=0.05mm； [σ]=160MPa r=28mm S≥R-r=r[([σ]/[σ]-2p)1/2]-1 (5-5) =28[(160/160-2×50)1/2]-1 ≈16.8mm 一般在加工時為了加工方便，我們通常會取整數(shù)，所以凹模型腔側壁厚度為17。 (2)凹模底板厚度計算 按強度條件計算，型腔地板厚為： p=50 Mpa r=28mm [σ]=160MPa h≥{1.22pr2/[σ]}1/2 (5-6) ≥{1.22×50×282/160}1/2 ≥17.3mm 一般在加工時為了加工方便，我們通常會取整數(shù)，所以凹模型腔側壁厚度為18mm。 哈爾濱理工大學學士學位論文 第6章 合模導向機構設計 導向機構是保證動模和定模上下模合模時，正確定位和導向的零件。合模導向機構主要有導柱導向和錐面定位，本設計采用導柱導向定位。導向機構除了有定位和導向作用外，還要承受一定的側向壓力。塑料熔體在充型過程中可能產生單面?zhèn)葔毫?，或者由于成型設備精度低的影響，使導柱承受了一定的側向壓力，從保證模具的正常工作。導柱的結構形式可采用帶頭導柱和有肩導柱，導柱導面部分長度比凸模端面高出8～12㎜，以避免出現(xiàn)導柱未導正方向而型芯先進入型腔。導柱材料采用T10，HRC50～55，導柱固定部分表面粗糙度Ra為0.8μm，導向部分Ra為0.8～0.4μm，本設計采用？根導柱，固定端與模板間采用H7/m6 導套常采用T10A，Ⅱ型導套，采用H7/m6配合鑲入模板。具體結構如下圖所示： 導柱：國家標準規(guī)定了兩種結構形式，分為帶頭導柱和有肩導柱，大型而長的導柱應開設油槽，內存潤滑劑，以減小導柱導向的摩擦。若導柱需要支撐模板的重量，特別對于大型、精密的模具，導柱的直徑需要進行強度校核。 導套：導套分為直導套和帶頭導套，直導套裝入模板后，應有防止被拔出的結構，帶頭導柱軸向固定容易。 設計導柱和導套需要注意的事項有： （1）合理布置導柱的位置，導柱中心至模具外緣至少應有一個導柱直徑的厚度；導柱不應設在矩形模具四角的危險斷面上。通常設在長邊離中心線的1/3處最為安全。導柱布置方式常采用等徑不對稱布置，或不等直徑對稱布置。 （2）導柱工作部分長度應比型芯端面高出6~8 mm，以確保其導向與引導作用。 （3）導柱工作部分的配合精度采用H7/f7，低精度時可采取更低的配合要求；導柱固定部分配合精度采用H7/k6；導套外徑的配合精度采取H7/k6。配合長度通常取配合直徑的1.5~2倍，其余部分可以擴孔，以減小摩擦，降低加工難度。 （4）導柱可以設置在動?；蚨?，設在動模一邊可以保護型芯不受損壞，設在定模一邊有利于塑件脫模。本書模具設置四個標準帶頭導柱配合標準直導套作為導向系統(tǒng)，導柱設置在動模上，以保護型芯不受損壞。導套和導柱結構如下： 導柱：國家標準規(guī)定了兩種結構形式，分為帶頭導柱和有肩導柱，大型而長的導柱應開設油槽，內存潤滑劑，以減小導柱導向的摩擦。若導柱需要支撐模板的重量，特別對于大型、精密的模具，導柱的直徑需要進行強度校核。 導套：導套分為直導套和帶頭導套，直導套裝入模板后，應有防止被拔出的結構，帶頭導柱軸向固定容易。 第7章 頂出系統(tǒng)機構設計 塑件在從模具上取下以前，還有一個從模具的成型零件上脫落的過程，使塑料件從成型零件上脫落的機構為推出機構。推出機構的動作是通過裝在注射機合模機構上的頂桿或者液壓缸來完成的。 推出機構可按其推出動作的動力來源分為手動推出機構、機動推出機構、液壓和氣壓推出機構。手動推出機構是模具開模后，由人工操縱的推出機構推出塑件，一般多用于塑件滯留在定模一側的情況；機動推出機構利用注射機的開模動作驅動模具上的推出機構，實現(xiàn)塑件的自動脫模；液壓和氣動推出機構是依靠設置在注射機上的專用液壓和氣動裝置，將塑件推出或者從模具中吹出。推動機構還可以根據推出零件的類別分類，可分為推桿推出機構、推管推出機構、凹?；虺尚屯茥U（塊）推出機構、多元綜合推出機構等。另外還可以根據模具的結構特征來分類，如：簡單推出機構、動定模雙向推出機構、順序推出機構、二級推出機構、澆注系統(tǒng)凝料的脫模機構；帶螺紋塑件的脫模機構等等。 推出機構的設計原則： 推出機構應盡量設置在動模一側。 保證塑件不因推出而變形損壞。 機構簡單動作可靠。 良好的塑件外觀。 合模時的正確復位。 7.1 推桿推出機構 由于設置推桿位置的自由度較大，因而推桿推出機構是最常見的推出機構，常被用來推出各種塑件。推桿的截面形狀根據塑件的推出情況而定，可設計成圓形、矩形等等。其中圓形最為常用，因為使用圓形推桿的地方，較容易達到推桿合模板或型芯上推桿孔的配合精度，另外圓形推桿還具有減少運動阻力、防止卡死現(xiàn)象等優(yōu)點，損壞后還便于更換。 合理地布置推桿的位置時推出機構設計中的重要工作之一，推桿的位置分布得合理，塑件就不致于變形或被頂壞。推桿位置分布應注意： 1.應設在脫模阻力大的地方； 2.推桿應均勻布置； 3.推桿應設在塑件強度剛度較大處； 4.推桿的直徑； 5.推桿的形狀及固定形式。 7.2 推件板推出機構 推件板推出機構是由一塊于凸模按一定配合精度相配合的模板，在塑件的整個周邊端面上進行推出，因此，作用面積大。推出力大而均勻，運動平穩(wěn)，并且塑件上無推出痕跡。但如果型芯合推件板的配合不好，則在塑件上會出現(xiàn)毛刺，而且塑件有可能會滯留在推件板上。 結合以上這幾項設計原則和各種推出機構的特點，和經過對塑件的分析，本人在此提出了兩種塑件推出方案，這兩種方案的特點分別如下： 方案（一）： 采用推桿推出，如圖3.5.1所示，利用塑件的兩個凸臺安置推桿，還有頂部可安置一根。 圖7-1 推桿推出形式 方案（二）： 采用推板推出，如圖7.2所示，用推板將塑件推出。 經過對塑件的分析，因為塑件壁厚只有3㎜，如果采用推板推出的話，將會使得塑件變形，所以本人采用方案（一）推桿推出塑件。 圖7-2 推板推出形式 7.3 推出機構的導向與復位機構設計 為了保證推出機構在工作過程中靈活、平穩(wěn)，每次合模后，推出元件能回到原來的位置，通常需要設計推出機構的導向與復位裝置。 （1）、導向零件 推出機構的導向零件，通常由推板導柱與推板導套組成，簡單的小模具也可由推板導柱直接與推板上的導向孔組成。導向零件使各推出元件得以保持一定的配合間隙，從而保證推出和復位動作順利進行。有的導向零件在導向的同時還起支承作用。常用的導向形式如圖3.5.3 a～c所示。圖 3.5.3 a中推板導柱固定在支承板上，圖3.5.3 b為推板導柱兩端固定形式，圖3.5.3 a、b均為推板導柱與推板導套相配合的形式，而且推板導柱除了起導向作用外，還支承著動模支承板，從而改善了支承板的受力狀況，大大提高了支承板的剛性，圖3.5.3 c為推板導柱固定在支承板上的結構，且推板導柱直接與模板上的導線孔相配合，推板導柱也不起支承作用，這種相似用于生產較小批量塑件的小型模具。當模具較大時最好采用圖3.5.3 a、b的結構。推板導柱的數(shù)量根據模具的大小而定，至少要設置兩根，大型模具需要四根。 (a) (b) (c) 圖7-3 導向形式 在分析了幾種形式的推板導向機構后，本人決定采用圖 7.3 a形式的推板導向機構，不過其具體結構有一點改變，其設計如圖7.4所示： 圖7-4 改進后推板導向形式 （2）、復位桿復位 為了使推出元件合模后能回到原來的位置，推桿固定板上同時裝有復位桿，如圖所示。常用的復位桿均采用圓形截面,一般每副模具設置四復位桿，其位置近來能夠設在固定板的四周，以便推出機構合模時復位平穩(wěn)，復位桿端面與所在動模分型面平齊。 （3）、彈簧復位 彈簧復位時利用彈簧的彈力使推出機構復位。 彈簧復位與復位桿復位的主要區(qū)別是：用彈簧復位時，推出機構的復位先于合模動作完成，所以，通常為了便于活動鑲件的安放而采用彈簧先復位機構。 在本模具設計中，沒有活動鑲件，所以使用復位桿復位已經滿足設計要求，而且復位桿復位將會使得模具加工方便，所以在設計中選用復位桿復位。 哈爾濱理工大學學士學位論文 第8章 溫度調節(jié)系統(tǒng)設計 模具成型過程中，模具溫度會直接影響到塑料熔體的充模、定型、成型周期和塑件質量。模具溫度過高，成型收縮大，脫模后塑件變形大，并且還容易造成溢料和粘膜；模具溫度過低，則熔體流動性差，塑料輪廓不清晰，表面會產生明顯的銀絲或流紋等缺陷；當模具溫度不均勻時，型芯和型腔溫差過大，塑料收縮不均勻，導致塑料翹曲變形，會影響塑件的形狀和尺寸精度。綜上所述，模具上需要設置溫度調節(jié)系統(tǒng)以達到理想的溫度要求。PP推薦的成型溫度為160-220℃，模具溫度為40~80℃ 。 8.1 對溫度調節(jié)系統(tǒng)的要求 （1） 根據塑料的品種確定是對模具采用加熱方式還是冷卻方式； （2）希望模溫均一，塑件各部同時冷卻，以提高生產率和提高塑件質量； （3）采用低的模溫，快速，大流量通水冷卻效果一般比較好； (4)溫度調節(jié)系統(tǒng)應盡可能做到結構簡單，加工容易，成本低廉； (5)從成型溫度和使用要求看，需要對該模具進行冷卻，以提高生產率。 8.2 冷卻系統(tǒng)設計 8.2.1 設計原則 （1）盡量保證塑件收縮均勻，維持模具的熱平衡； （2）冷卻水孔的數(shù)量越多，孔徑越大，則對塑件的冷卻效果越好； （3）盡可能使冷卻水孔至型腔表面的距離相等，與制件的壁厚距離相等，經驗表明，冷卻水管中心距B大約為2.5~3.5D，冷卻水管壁距模具邊界和制件壁的距離為0.8~1.5B。最小不要小于10。 （4）澆口處加強冷卻，冷卻水從澆口處進入最佳； （5）應降低進水和出水的溫差，進出水溫差一般不超過5℃ （6）冷卻水的開設方向以不影響操作為好，對于矩形模具，通常沿寬度方向開設水孔。 （7）合理確定冷卻水道的形式，確定冷卻水管接頭位置，避免與模具的其他機構發(fā)生干涉。 8.2.2 冷卻時間的確定 在對冷卻系統(tǒng)做計算之前，需要對某些數(shù)據取值，以便對以后的計算作出估算；取閉模時間3S，開模時間3S，頂出時間2S，冷卻時間30S，保壓時間20S，總周期為60S。 其中冷卻時間依塑料種類、塑件壁厚而異，一般用下式計算： t=㏑[·] =62/(3.142×0.07)㏑[8/3.142×(200-50)/(80-50)] (8-1) = 73（S） 式中：S——塑件平均壁厚，S取6mm； ——塑料熱擴散系數(shù)(mm/s)，=0.07； T——成型溫度160-220℃，T取200℃； T——平均脫模溫度，T取80℃； T——模具溫度40~80℃，T取50℃。 由計算結果得冷卻時間需要73 S，這么長的冷卻時間顯然是不現(xiàn)實的。本模具型芯中的冷卻管道擴大為腔體（如下圖），使冷卻水在型芯的中空腔中流動，冷卻效果大為增強。參照經驗推薦值，冷卻時間取30S即可。 8.2.3 塑料熔體釋放的熱量 Q =nG C(t－t) = 60×217.6×10×1.9×（220－60） (8-2) = 3969.02KJ/h 式中：n——每小時注射次數(shù)， n=60 （次）； G——每次的注射量(KG)， G=217.6×10； C——塑料的比熱容(KJ/KG·℃)， C=1.9 ； t——熔融塑料進入型腔的溫度℃，t=220； t——塑件脫模溫度℃，t=60。 8.2.4 高溫噴嘴向模具的接觸傳熱 Q=3.6A(t－t) =3.6×4069×10×140×（220－50） (8-3) =348.63 KJ/h 式中：A——注塑機的噴嘴頭與模具的接觸面積（m），A=4069×10m（A=4R =4×3.14×18=4069×10m，R=18mm注塑機噴嘴球半徑，）； ——金屬傳熱系數(shù) =140(W/ m℃)； t——模具平均溫度℃ t=50 ； t——熔融塑料進入型腔的溫度℃ t=220。 8.2.5 注射模通過自然冷卻傳導走的熱量 （1）對流傳熱 Q=hA( t－t) =5.35×0.203×（50－20） (8-4) =112 KJ/h 式中：h——傳熱系數(shù)（KJ/ m h ℃），h=5.35（h=4.187(0.25+)= 4.187×（0.25+）= 5.35）； A——兩個分型面和四個側面的面積m2，A=0.203【A=（A）+ (A)n = 0.097+0.22×0.48=0.203，A=2BL=2×220×220×10=0.097 m； A=4BH =4×220×250×10=0.22m）；B模具寬度m m，B=220； L模具長度m m，L=220，開模率n= =（60-31.5）/60=0.48】； t——模具平均溫度℃，t=50； t——室溫℃，t=20。 （2）輻射散發(fā)的熱量 Q=20.8 A[()－()] =20.8×0.22×0.8×[（）－（）] (8-5) =128.7 KJ/h 式中: ——輻射率，一般表面=0.8~0.9； A=0.22； （3）工作臺散發(fā)的熱量 Q=hA( t－t) h (8-6) = 502×0.0484×（50—30） =485.94 KJ/h 式中:傳熱系數(shù)——h=502KJ/(mh℃)； A ——模具與工作臺的接觸面積m，A=0.0484； [A=bl= 220×220×10=0.0484;b模具與工作臺接觸寬度m m，b=220;模具與工作臺接觸長度m m,l=220。] 從計算的結果看，工作臺散發(fā)的熱量比塑料熔體釋放的熱量還多，這顯然是不正確的，說明了Q的計算結果錯誤。這是因為有關Q的計算參考資料很少，計算中有很多地方不規(guī)范。簡單的計算以塑料熔體釋放出的熱量Q為總熱量，這些熱量全部由冷卻介質帶走，這些熱量應分別由凹模和型芯的冷卻系統(tǒng)帶走，實驗表明，約1/3的熱量被凹模帶走，其余由型芯帶走。模具應由冷卻系統(tǒng)帶走的熱量： Q=（Q+ Q）－（Q+ Q+ Q） (8-7) 由于現(xiàn)在無法得到Q的正確值，所以計算以簡單計算原則，取Q= Q。 8.2.6 冷卻系統(tǒng)的計算 型腔內發(fā)出的總熱量（KJ/h）： Q= n G Q (8-8) =60× 217.6×10×300 =3916.8 （1）每次需要的注射量（KG）——G=217.6×10 （2）確定生產周期（S）——t=60 （3）塑料單位熱流量（KJ/h）——Q=280~350； 取Q=300 （4）每小時的注射次數(shù)——n=60 從計算結果看，Q與Q相差不多但不相等，這是因為Q涉及的因素較多，所以應該應該取Q來計算。 8.2.7 凹模冷卻系統(tǒng)的計算 （1）凹模的冷卻水體積流量 q= (8-9) = 763×103/[103×4.187×103×（25-20）×60] = 0.61×10 m/min 式中： Q=1/3 Q=1/3×2289=763 KJ/h ——水的密度10KG/m； C——水的比熱容4.187×10 J/KG℃； T——水管出口溫度，T取25℃； T——水管入口溫度，T取20℃。 （2）冷卻水管的平均流速： V= (8-10) =4×0.61×10/（3.14×0.0082） =12.14 m/min =0.202 m/s 式中：d——冷卻水管直徑，取d=8 mm 查冷卻水的穩(wěn)定湍流速度與流量得，管徑為8mm的冷卻水管所對應的最低流速為1.66 m/s時才能達到湍流狀態(tài)，故冷卻水在凹模冷卻管道中的流動未達到湍流。 （3）冷卻水管壁與水交界面的傳熱膜系數(shù) = (8-11) =7.6×（1000×0.202）0.8/0.0080.2 =1395 (w/mk) 式中：是與冷卻介質溫度有關的物理系數(shù)，取7.6。 （4）凹模冷卻管的傳熱面積 A= (8-12) =763×103/[3600×1395×（50-22.5）] =5.52×10 m 式中：T——模具與冷卻介質平均溫度， T=27.5℃（T= T－（T+T）/2 =50－（20+25）/2 =22.5 ℃）。 （5）冷卻水孔總長L L= (8-13) =763×103/[3600×3.14×7.6×（1000×0.202×0.008）0.8×（50-22.5）] =0.22m （6）模具上應開設的冷卻水孔圈數(shù) n=L/B =0.22÷（4×0.076） =0.72，所以冷卻水孔數(shù)位1根（如下圖）。 式中：B為開一圈冷卻水道時冷卻水道長度。 （7）冷卻水流動狀態(tài)校核 R= (8-14)