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摘 要
對塑料蓋注塑模進行設計，首先通過測量，利用UG軟件進行三維建模，并進行初步模具設計。然后，分析塑件塑件的工藝性, 選擇塑件材料并對材料性能進行分析，按照注射模具設計的一般步驟進行相關計算，如注射機的選用、分型面和型腔數(shù)量及布置的確定、澆注系統(tǒng)的設計、成型零件的計算、抽芯機構的設計等。此外，為了提高模具設計質量和效率,運用MPI(Moldflow Plastics Insight)對塑料蓋模具進行模流分析，并根據(jù)分析結果，對設計結果進行改善。最后，根據(jù)以上計算和分析結果，在CAD2010環(huán)境下，繪制模具裝配圖和零件圖。
關鍵詞 蓋 注射模 冷卻系統(tǒng) 優(yōu)化與分析
I
Abstract
Plastic cap injection mold design, first by measuring the three-dimensional modeling using UG software, and a preliminary mold design. Then, the analysis of plastic parts plastic parts of the process, plastic materials and material properties analysis, in accordance with the general steps of the injection mold design and related calculations, such as the selection of the injection machine, the parting surface and cavity number and arrangement to determine gating system design, calculation of the molded part, the pulling mechanism design. In addition, in order to improve the quality and efficiency of the mold design, the use of MPI (Moldflow Plastics Insight) on the plastic cover mold mold flow analysis, and results of the analysis, the design results to improve. Finally, according to the above calculation and analysis of results, CAD2010 environment, drawing mold assembly drawings and part drawings.
Key words: Moldflow； Injection mold； Cooling system； Optimization and Analysis；
目錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1冷卻系統(tǒng)重要性及簡介 1
1.2設計思想 2
第二章 塑件成型工藝性分析 3
2.1、塑件的分析 3
2.3 注射成型過程 4
2.3.1注射成型過程 4
2.3.2注射工藝參數(shù) 4
第三章 模具結構形式的擬定 5
3.1分型面位置的確定 5
3.2模具結構形式的確定 5
3.2.1 型腔數(shù)量的確定 5
3.2.2 型腔排列形式的確定 5
3.2.3 模具結構形式的確定 5
第四章 注射機型號的確定 6
4.1注射機選用原則 6
4.2注射機的初選 6
4.2.1 計算塑件的體積 6
4.2.2澆注系統(tǒng)凝料體積的初步估算 6
4.2.3選擇注射機 6
4.3型腔數(shù)量及注射機的相關參數(shù)的校核 7
4.3.1 型腔數(shù)量校核 7
4.3.2 注射量的校核 7
4.3.3 注射壓力的校核 7
4.3.4 鎖模力的校核 8
第五章 澆注系統(tǒng)的設計 9
5.1主流道的設計 9
5.1.1主流道的尺寸 9
5.1.2主流道的凝料體積 9
5.1.3主流道的當量半徑 10
5.1.4主流道剪切速率校核 10
5.2分流道的設計 11
5.2.1分流道的布置形式 11
5.2.2分流道的長度 11
5.2.3分流道的當量直徑 11
5.2.4分流道的截面形狀 常用的分流道截面形狀有圓形、梯形、U形、六角形等，為了便于加工和凝料的脫模，分流道設在定模板上，采用圓形截面。 11
5.2.5分流道截面尺寸 11
5.2.6凝料體積 11
5.2.7校核剪切速率 11
5.2.8分流道的表面粗糙度和脫模斜度 12
5.3澆口的設計 12
5.3.1達到頂出溫度的時間對比如圖5-2、5-3所示 12
5.3.2氣穴分布對比如圖5-4、5-5所示 13
5.3.3熔接痕對比如圖所示 14
5.3.4點澆口尺寸的確定 15
5.3.5澆口剪切速率的校核 15
第六章 成型零件的結構設計及尺寸計算 16
6.1成型零件的結構設計 16
6.1.1凹模的結構設計 16
6.1.2凸模的結構設計（型芯） 16
6.2成型零件鋼材的選用 16
6.3成型零件尺寸計算 16
6.4成型零件尺寸及動模墊板厚度的計算 17
6.4.1側壁S計算 17
6.4.2底部厚度T計算 19
第七章 模架的選取 20
7.1各模板尺寸的確定 20
7.2模架各尺寸的校核 20
第八章 排氣系統(tǒng)的設計 22
8.1概述 22
8.2排氣系統(tǒng)設計原則 22
8.3排氣系統(tǒng)設計 22
第九章 脫模推出機構的設計 23
9.1 推出方式的確定 23
9.2 脫模力的計算 23
9.3 推桿尺寸確定及校核 23
第十章 模具冷卻系統(tǒng)的計算 25
10. 1 冷卻介質 25
10. 2 冷卻系統(tǒng)計算 25
第十一章 基于moldflow環(huán)境下冷卻系統(tǒng)設計與優(yōu)化 27
11.1冷卻系統(tǒng)簡介 27
11.2 產品分析 27
11.3 冷卻系統(tǒng)設計準則 28
11.4 冷卻方案的制定 29
11.5 設計流程 30
11.6分析流程 31
11.6.1冷卻方案一 32
11.6.2 冷卻方案二 38
11.6.3 冷卻方案三 43
11.6.4數(shù)據(jù)歸納 49
11.6.5數(shù)據(jù)修改方案 50
結 論 51
致 謝 52
參考文獻 53
- 3 -
第一章 緒論
1.1冷卻系統(tǒng)重要性及簡介
塑料產品從設計到成型生產是一個十分復雜的過程，它包括了幾部分：塑件設計、模具結構設計、模具加工制造和模塑生產等幾個主要方面，他需要產品設計是、模具設計師、模具加工工藝師及熟料操作工人協(xié)同努力來完成，他是一個設計、修改、再設計的反復迭代、不斷優(yōu)化的過程。
模具是生產各種工業(yè)產品的重要工藝裝備，隨著塑料工業(yè)的迅速發(fā)展，一家塑件在航空。航天、電子、機械、船舶和汽車燈同業(yè)部門的推廣應用，對模具設計的要求也越來越高，傳統(tǒng)的模具設計方法已無法適應當今的要求。與傳統(tǒng)的模具設計相比，計算機輔助工程（CAE）技術無論是在提高生產效率、保證產品質量方面，還是在降低成本。減輕勞動強度方面，都具有極大的效用。[1] 陳艷霞 陳如春 吳盛金 moldflow完全自學與速查手冊 電子工業(yè)出版社 2010.8:25
1]
在塑料成型的過程中冷卻時間占據(jù)了絕大部分的時間，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，在注射成型過程中，約有5%的時間用于注射，而15%的時間用于推出塑件，剩下80%的時間為冷卻時間，所以冷卻系統(tǒng)的設計優(yōu)劣決定了生產效率和生產成本，所以冷卻系統(tǒng)的設計是不容忽視的；采用計算機輔助技術，運用Moldflow軟件進行模具設計后的仿真模擬并進行分析可以獲得設計中存在的問題并進行及時的修改優(yōu)化，最終得出最優(yōu)方案。
Moldflow的設計分析解決方案是全球塑料注射成型行業(yè)中使用最廣泛、技術最先進的軟件產品。傳統(tǒng)的注塑模具設計基本憑借設計個人的只是和經驗，模具設計、加工完畢后，需要花大量的時間進行調試、修改，甚至可能由于無法換回的一點失誤使得整個設計報廢，模具設計、加工的成本很高。MPL/COOL是Moldflow的一部分，注塑模冷卻系統(tǒng)的設計不凡對塑件的精度，變形、耐應力開裂性、表面質量等影響較大，在注塑模冷卻系統(tǒng)的設計通常被認為是次要部分，對于冷卻系統(tǒng)的尺寸和結構設計都沒有給予足夠的重視，往往將冷卻系統(tǒng)的設計作為模具結構設計的最后一道工序來做，這樣的冷卻設計很難滿足客戶對生產效率和高質量產品的要求，如果冷卻系統(tǒng)設計不合理會造成模具生產效率低，影響產品質量，甚至會導致模具直接報廢，所以必須對冷卻系統(tǒng)的設計進行充分的分析。
影響注射模冷卻的因素很多，如塑件的形狀，冷卻介質的種類、溫度、流速，冷卻管道的幾何參數(shù)及空間布置，模具材料、熔體溫度、塑件要求的頂出溫度和模具溫度、塑件和模具間的熱循環(huán)交互作用等，這些參數(shù)之間互相聯(lián)系，荷香影響，有這些參數(shù)的合理組合才能獲得理想的效果，但靠傳統(tǒng)的經驗和簡化公式是很難確定的，只有通過Moldflow分析才能得到理想的結果。MPI/cool采用邊界元法（boundary element method）對模具的溫度進行三維模擬，塑件厚度方向上采用解析來計算其溫度分布，并通過塑件的熱流量將二者完全耦合進行迭代計算求解，一般塑件進行冷卻分析時迭代設計要耗時約，而且對計算機CPU和內存要求非常高。MPI/cool能夠模擬冷卻管道（包括隔板管、噴流管、連接軟管）、鑲塊、多種模具材料、普通流到和熱流道、分型面及模具邊界對模具和制造溫度的影響，從而為優(yōu)化冷卻系統(tǒng)提供可靠的依據(jù)。MPI/Cool不僅能對中性面模型和fusion模型進行冷卻分析，而且能夠對3D模型進行冷卻分析。此外，MPI/Cool、MPI/Flow和MPI/Warp等相結合，可以得到十分完美的動態(tài)注射過程模擬流態(tài)分析。[2] 童曉闖 Moldflow注塑模冷卻系統(tǒng)的設計 上海中華職業(yè)技術學院
[3] 李明輝 王俊峰 UG NX6 注塑模具設計培訓教程 清華大學出版社 2010.3
[4] 葉久新 王 群 塑料成型工藝及模具設計 機械工業(yè)出版社 2010.8
[5] 單 巖 蔡玉俊 羅曉燁 管愛枝 徐勤雁 moldflow立體詞典：塑料模具成型分析與優(yōu)化設計2011.1
[6] 王衛(wèi)衛(wèi) 材料成型設備 機械工業(yè)出版社 2010.6
[7] 張榮清 模具制造工藝 高等教育出版社 2006.1
[8] 許建文 劉斌 基于Moldflow注塑模冷卻系統(tǒng)的設計與優(yōu)化 華僑大學模具技術研究中心 1005-3360（2008）
[9] 吳生緒 塑料成型模具設計手冊 機械工業(yè)出版社 2008.1
[10] 鐘平福 蔣忠 胡偉 AutoCAD注塑模具2D排位設計技巧與實例 化學工業(yè)出版社 2009.8
[11] 黃振昌 互換性與測量技術 華南理工大學出版社 2009.8
[12] 孫壽云 王輝 基于CAE技術的注塑制品冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化 合肥工業(yè)大學 230009
[13] 李志剛，夏巨諶.中國模具設計大典. 電子版. 中國機械工程協(xié)會，2003
[14] 黃曉燕. 塑料模典型結構100例. 第1版. 上?？茖W技術出版社，2008
[15] 陳智勇. Moldflow6.1注塑成型從入門到精通．北京：電子工業(yè)出版社．2009]
2]
1.2設計思想
基于Moldflow環(huán)境下注塑模冷卻系統(tǒng)的設計與優(yōu)化，其主要的設計要求是針對塑料模具冷卻系統(tǒng)的設計與優(yōu)化，此次作為優(yōu)化的對象塑件為PC+ABS的塑料蓋；設計思路如下;
1. 首先針對塑件的外形進行分析，由于塑件的外形往往決定了模具的設計的難度，通過分析可以了解蓋塑料蓋的設計要求從而制定合理的設計方案。
2. 選擇合適的成型材料，透過分析確定塑料蓋的成型工藝。
3. 對塑料蓋模具的整體設計，通過計算及查表，制定出模具的整體結構，通過合理的修改，不斷完善該模具的結構最終達到最優(yōu)化。
4. 通過Moldflow軟件進行成型模擬，驗證模具的可行性，首先確定澆口位置，再設計其流道系統(tǒng)，通過模擬確定該流道系統(tǒng)的是否存在問題點。然后通過冷卻系統(tǒng)的建模，分析冷卻系統(tǒng)在模具成型過程的效果，及存在的問題，根據(jù)初次方案的修改優(yōu)化制定出優(yōu)化方案二方案三。通過各個方案的對此最終得出最優(yōu)方案，再通過修改可控因子調整冷卻系統(tǒng)的效果，以達到最佳狀態(tài)。
第二章 塑件成型工藝性分析
2.1、塑件的分析
該塑件（蓋），塑件不允許有裂紋、變形等缺陷。根據(jù)對塑件的分析要求，同時考慮原材料價格要低廉，現(xiàn)決定選用工程塑料ABS。
（1）外形尺寸 該塑件壁厚為1mm，塑件外形尺寸較適中，塑料熔體流程不太長，適合于注射成型，如題目圖紙所示。
（2）精度等級 每個尺寸的公差不一樣，按圖紙的實際公差進行計算，未標注的按MT5進行計算。
（3）脫模斜度 由于原材料為ABS屬無定型材料，成型收縮率較小，參考表1，選擇該塑件小型芯和凹模的脫模斜度為
2.2ABS的性能分析
（1） 使用性能 綜合性能好，沖擊強度、力學強度高，尺寸穩(wěn)定，耐化學性，電氣性良好；易于成型和機械加工。
（2） 成型性能
1) 無定型塑料。其品種很多，各品種的機電性能及成型特性也各有差異，應按品種來確定成型方法及成型條件。
2) 吸濕性強。 含水量應小于3%（質量），必須充分干燥，要求表面光澤的塑件應要求長時間預熱干燥。
3) 流動性中等。溢邊料0.04mm左右。
4) 模具設計時要注意澆注系統(tǒng)，選擇好進料口位置、形式。推出力過大或機械加工時表面呈現(xiàn)白色痕跡。
（3） ABS的主要性能指標 其性能指標見表1
表2-1 ABS的性能指標
密度/
1.02~1.08
屈服強度/Mpa
50
比體積/
0.86~0.98
拉伸強度/Mpa
38
吸水率(%)
0.2~0.4
拉伸彈性模量/Mpa
熔點/
130~160
抗彎強度/Mpa
80
計算收縮率(%)
0.3~0.8
抗壓強度/Mpa
53
比熱容/
1470
彎曲彈性模量/Mpa
2.3 注射成型過程
2.3.1注射成型過程
1) 成型前的準備。對ABS的色澤、粒度和均勻度等進行檢驗，由于ABS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)進入模具型腔成型，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。
2.3.2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1.8，冷卻時間20.4，輔助時間8）。
第三章 模具結構形式的擬定
3.1分型面位置的確定
通過對塑件結構分析，確保分型線不影響塑件外觀，也便于脫模，分型面形式為平面分型面，設在塑件脫模方向最大的投影邊緣部位。
3.2模具結構形式的確定
3.2.1 型腔數(shù)量的確定
塑料蓋外觀質量要求一般，采用大批量生產，可采取一模多腔的結構形式，同時，考慮到塑件尺寸、模具結構尺寸的大小關系，以及制造費用和各種成本費等因素，初步定為一模2腔結構形式。
3.2.2 型腔排列形式的確定
多型腔模具型心可采用平衡式排列布置，且力求緊湊，并與澆口開設的部位對稱。由于該設計選擇的是一模2腔，故采用直線對稱排列，如圖3-1所示。
圖3-1 型腔布局
3.2.3 模具結構形式的確定
從上面分析可知，本模具設計為一模兩腔，對稱直線排列，根據(jù)塑件結構形狀，推出機構擬采用推桿推出的推出形式。設計澆注系統(tǒng)時，流道采用對稱平衡式，澆口采用點澆口，開設兩個分型面。
第四章 注射機型號的確定
4.1注射機選用原則
模具只有與合適的注射機相配，生產才能正常進行。因此在模具設計時，除了應當了解注射成型的工藝過程外，還應對所選用注射機的有關技術規(guī)范和性能參數(shù)有全面的了解。從模具設計的角度考慮，需了解的注射機技術規(guī)范的主要項目有：注射機的類型、最大注射量、最大注射壓力、最大鎖模力、模具安裝尺寸及開模行程等。
注射機的選用包括兩方面的內容：一是確定注射機的型號，使塑料、塑件、注射模及注塑工藝等所要求的注射機的規(guī)格參數(shù)在所選的規(guī)格參數(shù)可調的范圍內；二是調整注塑機的技術參數(shù)至所需的參數(shù)。
4.2注射機的初選
4.2.1 計算塑件的體積
根據(jù)制件的三維造型，利用三維軟件直接求得塑件的體積為：=3.347，塑件質量：
（4-1）
式中參考表2-1可取1.02-1.08。
4.2.2澆注系統(tǒng)凝料體積的初步估算
澆注系統(tǒng)的凝料在設計之前是不能確定準確數(shù)值，根據(jù)經驗按照塑件體積的0.2～0.1倍估算。本次取0.1，所以一次注入模具型腔塑料熔體的總體積為
（4-2）
4.2.3選擇注射機
根據(jù)第二步計算，一次注入模具型腔的塑料總質量=，結合， 則有：
= （4-3）
式中，V：一副模具所需塑料的體積（）；
：初步選定的型腔數(shù)量；
：單個塑件的體積（）；
：澆注系統(tǒng)的體積（）；
：注射機公稱注射量（）。
根據(jù)以上計算，初步選定公稱注射量為，注射機號為SZ-60/40立式注射機，其主要技術參數(shù)見表4-1。
表4-1 注射機主要技術參數(shù)[4]
理論注射容量/
60
移模行程/mm
260
螺桿直徑/mm
30
最大模具厚度/mm
280
注射壓力/MPa
150
最小模具厚度/mm
160
鎖模力/kN
400
噴嘴口孔徑/mm
3.5
拉桿內間距/mm
295*185
噴嘴球半徑/mm
15
4.3型腔數(shù)量及注射機的相關參數(shù)的校核
4.3.1 型腔數(shù)量校核
（4-4）
所以2符合要求。
4.3.2 注射量的校核
（4-5）
所以，注射量合格。
4.3.3 注射壓力的校核
查表4-1可知，ABS所需注射壓力為70~90MPa，取=100MPa該注射機的公稱注射壓力=150MPa,注射壓力安全系數(shù)=1.25~1.4，這里取=1.3，則：
（4-6）
所以注射壓力合格。
式中，：ABS成型所需壓力（MPa）；
：注射機的公稱注射壓力（MPa）；
4.3.4 鎖模力的校核
塑件在分型面上的投影面積，由三維軟件測量得1962.5。
澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積，可以按照多型腔模的統(tǒng)計分析來確定。是每個塑件在分型面上的投影面積的0.2~0.5倍。這里取。
塑件和澆注系統(tǒng)在分型面上總的投影面積：
1962.5=4710 （4-7）
式中，：塑件和澆注系統(tǒng)在分型面上總的投影面積（）；
：每個塑件在分型面上的投影面積（）；
：澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積（）；
：模具型腔內的脹型力（MPa）；
471035N=164.5kN （4-8）
式中，型腔的平均計算壓力值（MPa），查表4-2取35 Mpa，查表4-1可得該注射機的公稱鎖模力=400N，鎖模力安全系數(shù)為=1.1~1.2，這里取=1.2。
< （4-9）
所以，注射機鎖模力合格。
對于其他安裝尺寸的校核要等到模架選定，結構尺寸確定后方可進行。
表4-2 常用塑料注射時型腔的平均壓力
塑件特點
舉 例
型腔平均壓力（MPa）
容易成型塑件
PE、PP、PS等薄厚均勻的日用品、容器類
25
一般塑件
在模溫較高下，成型壁薄容器類
30
中等粘度塑料及有精度要求的塑件
ABS、POM等有精度要求的零件，如殼體等
35
高粘度塑料及高精度、難充型塑料
高精度的機械零件，如齒輪、凸輪等
40
第五章 澆注系統(tǒng)的設計
澆注系統(tǒng)是指從注射機的噴嘴起到型腔入口為止的塑料熔體在模具中的流動通道。它的作用是將塑料熔體順利地充滿型腔的各個部分，并在填充及保壓過程中，將注射壓力傳遞到型腔的各個部分，以獲得組織致密、外形輪廓清晰、內在質量優(yōu)良的塑件。澆注系統(tǒng)在模具中占有非常重要的地位。它影響塑件的內在和外在質量，它的布置和安排影響塑件成型難易程度和模具的復雜程度。因此正確設計澆注系統(tǒng)十分重要。這也要求模具設計者除了研究模具結構和加工技術之外，還必須對成型技術有較深刻的理解，這樣才能使模具制造技術與成型工藝有機地結合在一起，生產出既經濟又高質量的產品。
澆注系統(tǒng)一般可分為普通澆注系統(tǒng)和無流道澆注系統(tǒng)兩類。普通澆注系統(tǒng)一般由主流道、分流道、澆口和冷料穴四部分組成。
5.1主流道的設計
根據(jù)表4-1， SZ-60/40型的注射機噴嘴的有關尺寸：
噴嘴前段孔徑：d0=Φ3.5mm；
噴嘴前段球面半徑：SR0=15mm。
5.1.1主流道的尺寸
1）在保證塑料良好成型的前提下，主流道L應盡量短，否則將增多流道凝料，且增加壓力損失，使塑料降溫過多而影響注射成型。通常主流道長度由模板厚度確定，一般取L≤60mm。主流道長度由模板厚度與標準澆口套尺寸決定L=50mm
2）為了防止主流道與噴嘴處溢料，主流道對接處緊密對接，主流道對接處應制成球半形凹坑，其半徑R= R0 +（1～2）mm，其小端直徑d=d0+（0.5～1）mm ；主流道小端直徑按照標準選取4㎜，SR選17㎜；
3）主流道大端直徑：，式中主流道圓錐角α＝2°~4°，取。
5.1.2主流道的凝料體積
（5-1）
5.1.3主流道的當量半徑
（5-2）
5.1.4主流道剪切速率校核
計算主流道體積流量
（5-3）
由經驗公式 （5-4）
主流道的剪切速率處于主流道最佳剪切速率之間，所以，分流道內熔體的剪切速率合格。
主流道小端入口處與注射機噴嘴反復接觸，屬易損件，對材料要求較嚴格，因而模具主流道部分常設計成可拆卸更換的主流道襯套形式，以便有效地選用優(yōu)質鋼材單獨進行加工和熱處理，一般采用碳素工具鋼 T8A、T10A等，故選用T10A。對小型模具可將主流道澆口套與定位圈設計成整體式，如圖7-1所示。
圖4-1 澆口套結構形式和尺寸
5.2分流道的設計
5.2.1分流道的布置形式
考慮盡量減少在流道內的壓力損失和盡可能避免熔體溫度降低，同時還考慮減小分流道的容積，保證壓力平衡，因此采用平衡式分流道。
5.2.2分流道的長度
由于留到設計簡單，根據(jù)兩個型腔的結構設計，分流道較短，故設計時可適當選小一些。單邊分流道長度取45mm，
5.2.3分流道的當量直徑
因為該塑件的質量根據(jù)式（3-1） ，分流道的當量直徑為
（5-5）為方便制造取4mm。
5.2.4分流道的截面形狀 常用的分流道截面形狀有圓形、梯形、U形、六角形等，為了便于加工和凝料的脫模，分流道設在定模板上，采用圓形截面。
5.2.5分流道截面尺寸
由于分流道采用圓形截面，所以其截面面積為
（5-6）
5.2.6凝料體積
分流道長度
L=45×2=90 （5-7
分流道截面面積
凝料體積
（5-8）
5.2.7校核剪切速率
計算分流道體積流量
（5-9）
分流道的剪切速率
（5-10）
分流道的剪切速率處于分流道的最佳剪切速率之間，所以，分流道內熔體的剪切速率合格。
5.2.8分流道的表面粗糙度和脫模斜度
分流道的表面粗糙度要求不是很低，一般取Ra1.2~2.5um即可，此處取Ra1.6um。另外，脫模斜度一般在之間，這里取脫模斜度為。
5.3澆口的設計
根據(jù)在moldflow環(huán)境下的模流分析確定澆口位置，外觀表面質量一般；根據(jù)塑件達到頂出溫度的時間、氣穴分布、及熔接痕的分析確定澆口方式。
5.3.1達到頂出溫度的時間對比如圖5-2、5-3所示
圖5-2 達到頂出溫度的時間
圖5-3 達到頂出溫度的時間
由圖可知兩個交口方案，在moldflow分析中，達到頂出溫度的時間相差不大，冷卻時間較長的位置都是在塑件厚壁處。
5.3.2氣穴分布對比如圖5-4、5-5所示
圖5-4 氣穴
圖5-5 氣穴
由圖可知頂部采用點澆口氣穴出現(xiàn)在靠近分型面附近，可以通過加強分型面的排氣來達到消除氣穴的問題，而采用側澆口則氣穴分布不均，多數(shù)出現(xiàn)在遠離分型面的加強筋上。難以采用加強排氣的方法達到消除氣穴的問題
5.3.3熔接痕對比如圖所示
圖5-6 熔接痕
圖5-7 熔接痕
由圖可知采用頂部點澆口熔接痕主要出現(xiàn)在分型面處，且數(shù)量少而短，可采用提高型腔表面的質量減少熔體流動時的速度損耗和壓力降，同時加強排氣。而側澆口熔接痕分布不均，而且多而長，主要分布在塑件的上表面外形凹凸處，難以加工處理。
綜合上述結論，本次設計采用上部點澆口形式進行進澆，如圖5-2所示
圖5-8 澆口位置
5.3.4點澆口尺寸的確定
計算點澆口的直徑，根據(jù)公式，可得點澆口直徑d計算公式為
（5-11）
式中，t為塑件最小壁厚，這里t為1mm，n是塑料成形系數(shù)，對于ABS，其成形系數(shù)為n=0.7。澆口深度根據(jù)經驗數(shù)據(jù)取1mm。
5.3.5澆口剪切速率的校核
點澆口的體積流量為：
（5-12）
由點澆口的經驗公式得，剪切速率為：
（5-13）
該點澆口的剪切速率出于澆口與分流道的最佳剪切速率為104s-1～105s-1,所以，剪切速率校核合格。
第六章 成型零件的結構設計及尺寸計算
6.1成型零件的結構設計
6.1.1凹模的結構設計
凹模是成型塑件的外表面的成型零件。按凹模結構的不同可將其分為整體式、整體嵌入式、組合式和鑲拼式四種。根據(jù)對塑件的結構分析，為便于加工，采用整體式凹模。
6.1.2凸模的結構設計（型芯）
凸模是成型塑件內表面的成型零件，通?？煞譃檎w式和組合式兩種類型。通過對塑件結構分析可知，該塑件的凸模只有一個大的圓臺，由于沒有特別的形狀所以直接加工即可。
6.2成型零件鋼材的選用
根據(jù)對成型塑件的綜合分析，該塑件的成型零件要有足夠的剛度、強度、耐磨性及良好的抗疲勞性能，同時考慮它的機械加工性能和拋光性能。又因為該塑件為大批量生產，所以凹模選用45鋼，而對于成型內部的型芯而言，需散發(fā)的熱量比較多，磨損也比較嚴重，因此也采用45鋼。
6.3成型零件尺寸計算
采用平均收縮法，計算公式如下[1]：
凹模（型腔）徑向尺寸 （6-1）
凹模（型腔）深度尺寸 （6-2）
凸模（型芯）徑向尺寸 （6-3）
凸模（型芯）深度尺寸 （6-4）
塑件的平均收縮率 （6-5）
式中， ：系數(shù)，查表可知一般在0.5~0.8之間，取0.6； ：相應尺寸制造公差（mm）；Δ ：制件公差（mm）；下標s、m：分別代表塑件和模具。
根據(jù)材料ABS的特性查表2-1可知，收縮率是0.4-0.7，由制件成型工藝分析，收縮率（Scp）取0.5%。根據(jù)制件精度等級為4級查表[1]，可取塑件公差Δ的1/3~1/6，為使公差規(guī)范化，通過查標準公差數(shù)值[6]，確定各尺寸，并計算模具尺寸公差如表6-1所示：
表6-1 成型零件各尺寸計算結果 單位（mm）
尺寸部位
塑件尺寸
Δ
計算公式
模具尺寸規(guī)范公差
凹模徑向尺寸
標準
5
7
10
15
50
0.12
0.14
0.16
0.19
0.37
0.03
0.04
0.04
0.05
0.09
4.95+0.03
6.95+0。04
9．95+0。04
14．96+0。05
50．03+0.12
凹模深度尺寸
22
0.32
0.08
21.92+0.08
型芯徑向尺寸
11
43
0.16
0.42
0.04
0.11
1096-0.04
42.96-0.11
型芯深度尺寸
11
0.16
0.04
10.96-0.04
6.4成型零件尺寸及動模墊板厚度的計算
6.4.1側壁S計算
本設計選用的為整體式矩形型腔，結構如圖5-1和5-2所示，其側壁的厚度按剛度條件為：
（6-6）
圖5-1 矩形凹模整體式力學計算尺寸
式中 ，；
；
；
P : 凹模型腔內塑料熔體的最大壓力（MPa），為35 Mpa；
: 矩形型腔的長邊長度（㎜）,為300㎜；
h : 塑件的高度（㎜），為22 ㎜；
: 凹模的允許變形量（㎜）；
E : 鋼的彈性模量，取2.10×105 MPa。
h/=1.48>0.41，按強度計算為：
（6-7）
式中， ：模具強度計算的許用應力(MPa)，一般中碳鋼160MPa。
通過剛度與強度綜合計算，取S=20mm。
多腔模具的型腔與型腔之間的壁厚由經驗公式 （6-8）
計算并取整需大于20㎜。
6.4.2底部厚度T計算
按強度條件計算底板厚度為
（6-9）
圖5-2 矩形多型腔側壁結構
按剛度計算底板厚度為
(6-10）
綜合以上計算，由于厚度過小不符合實際說以T取整為50mm。
第七章 模架的選取
根據(jù)型腔的布局可以看出，型腔分布尺寸為180×100，又根據(jù)型腔側壁最小厚度為20mm，所以，凹模最小的尺寸為300×180×70；
模具的大小主要取決于塑件的大小和結構。對于模具而言，在保證足夠強度和剛度的條件下，結構越緊湊越好，可以以塑件布置在推桿推出的范圍之內及復位桿與型腔保持一定距離為原則來確定模架大小，可以大致按下列經驗公式來計算：
（7-1）
（7-2）
式中， ：塑件在分型面上的投影寬度（mm）；
：塑件在分型面上的投影長度（mm）；
：推板寬度（mm）；
：復位桿在長度方向的間距（mm）；
：復位桿直徑（mm）。
根據(jù)以上兩式求得=110mm，=212.5mm。
再考慮到導柱、導套及連接螺釘布置應占的位置和推出機構等各方面問題，確定選用模架結構為A2（200×300）的形式[1]。
7.1各模板尺寸的確定
A板尺寸。A板是定模型腔板，塑件高度為22mm，再考慮凹模底部深度T=18mm，故A板厚度為70mm。
B板尺寸。取50mm。
C板（墊板）尺寸。墊塊=推出行程+推板厚度+推桿固定板厚度5～10mm=25+15+20+（5~10）=65~70mm，選C板高為70mm。
經過上述計算，模架尺寸已經確定為模架結構形式為CI型，其外形尺寸：寬×長
×高=200×300×266mm。如圖6-1所示。
7.2模架各尺寸的校核
根據(jù)所選注射機來校核模具設計的尺寸。
模具平面尺寸156×275<295×185（拉桿間距），校核合格。
模具高度尺寸266mm，200<266<300，校核合格。
模具開模行程
（7-3）
（開模行程），校核合格。
所以選擇標準模架，其尺寸參數(shù)如下：
表6-1 CI型標準模架尺寸
定模A
200×300×70
導柱
Ф20
動模B
200×300×50
閉合
高度
266
動定模座板
/
推板
116×300×15
C板
200×300×70
推桿固定板
116×300×20
第八章 排氣系統(tǒng)的設計
8.1概述
注射模的排氣是模具設計中不可忽視的一個問題，特別是恰注射成型工藝對注射排氣的要求更加嚴格。注射模內的氣體有以下幾個來源：
(1)進料系統(tǒng)和型腔中存有的空氣；
(2)塑料含有水分在注射溫度下蒸發(fā)而成的水蒸氣；
(3)由于注射溫度過高，塑料分解所產生的氣體；
(4)塑料中某些添加劑揮發(fā)或化學反應所生成的氣體。
在排氣不良的模具中，氣體經受很大的壓縮作用而產生反壓力，這種反壓力會阻止熔融塑料的正常快速充模；而且，氣體壓縮所產生的熱也能使塑料燒焦。在充模速度大、溫度高、物料黏度低、注射壓力大和塑件過厚的情況下，氣體在一定的壓縮程度下能滲入塑料內部，造成氣孔、疏松空洞等缺陷。模具積存的空氣所產生的氣泡，常分布在與澆口相對的部位上；分解氣體產生的氣泡，則沿著塑件的厚度分布；水蒸氣產生的氣泡，則不規(guī)則地分布整個塑件上。從塑件上氣泡分布的狀況，不僅可以判斷氣泡的性質，而且也可以判斷模具的排氣部位是否選擇得正確。
8.2排氣系統(tǒng)設計原則
排氣槽位置和大小的選定，主要依靠經驗。通常將排氣槽開設在比較明顯的部位，經過試模后再修改或增加但基本的設計要點如下：
(1)排氣要保證迅速、完全，排氣速度要與充模速度相適應；
(2)排氣槽晝設在塑件較厚的成型部位；
(3)排氣槽應晝設在分型面上，但排氣槽溢料產生的飛邊應不妨礙塑件脫模；
(4)排氣槽盡量設在料流的終點，如流道、冷料穴的末端；
(5)為了模具制造和清模的方便，排氣槽應盡量設在凹模的一面；
(6)排氣槽的排氣方向不能朝向操作面，防止注射時漏料燙傷人；
(7)排氣槽不應有死角，防止積存冷料。
8.3排氣系統(tǒng)設計
本模具是小型模具，可利用分型面排氣，這是最簡單的方法，另外，由于此模具的設計中型腔采用組合的方式，有利于派排氣，同時，推桿的間隙也可以排氣，故本模具不單獨設計排氣槽來排氣，利用分型面和配合間隙已經能夠達到排氣的目的。
第九章 脫模推出機構的設計
9.1 推出方式的確定
本設計采用推桿推出機構實現(xiàn)塑件脫模。因為該塑件的分型面簡單，有一定壁厚，結構也不復雜，采用推桿推出的脫模機構可以簡化模具結構，給制造和維護帶來方便。
9.2 脫模力的計算
塑件在模具中冷卻定型時，由于體積收縮，其尺寸逐漸縮小，而將型芯或凸模包緊，在塑件脫模時必須克服這一包緊力，若制件不帶通孔，脫模時還要克服大氣壓力。
動模大型芯脫模力計算
由于塑件是錐形，所以大型芯的截面形狀是三角形。錐形的邊長分別為，根據(jù)，于是塑件可視為薄壁塑件，根據(jù)公式可計算該部分的脫模力，有[1]：
（9-1）
其中，E是材料彈性模量（MPa），查表值為1800Mpa。
S是塑料平均收縮率，;
L是被包型芯的長度（mm），為11mm；
是脫模斜度，此處；
是ABS材料與鋼材的摩擦系數(shù)，；
是塑料泊松比，；
一個無因次數(shù)，。
A是塑件在與開模方向垂直的平面上的投影面積（），
9.3 推桿尺寸確定及校核
（1）推桿的尺寸、數(shù)量和布置[1]
（9-2）
式中，d是推桿直徑（mm）；L是推桿長度（mm），L=105.5mm；E是推桿材料的彈性模量(Mpa)，為1.8Mpa，推桿選用45鋼；n是推桿數(shù)量；k是安全系數(shù)，取k=1.5
（2）強度校核[1]
校核合格 （9-3）
式中，是推桿材料的許用壓應力（Mpa），為53Mpa
第十章 模具冷卻系統(tǒng)的計算
10. 1 冷卻介質
ABS屬于中等黏度材料，其成型溫度不太高，為200，模具溫度為50-80?，F(xiàn)模具溫度初步選定為50，同時由于水的比熱容大、傳熱系數(shù)高、成本低，所以決定選用常溫水對模具進行冷卻。
10. 2 冷卻系統(tǒng)計算
1）單位時間內注入模具中的塑料熔體的總質量W
①塑料塑件的體積 [1]
（10-1）
②塑料塑件的質量[1]
（10-2）
③塑件的壁厚為1mm，查塑料成型工藝及模具設計表4-34可以確定其冷卻時間，取注射時間，脫模時間。因此，注射周期[1]
（10-3）
由此得每小時注射的次數(shù)：N=(3600/12.4)次=290次。
④單位時間內注入模具中的塑料熔體的總質量[1]：
（10-4）
2）確定單位質量的塑件在凝固時所放出的熱量
查塑料成型工藝及模具設計表4-35知PP的單位熱流量的值為。
3）計算冷卻水的體積流量[1]
設冷卻水道入水溫度為，出水口的水溫為，取水的密
，水的比熱容。則根據(jù)公式可得：
（10-5）
4）確定冷水路的直徑d [1]
根據(jù)，通過查塑料成型工藝及模具設計表4-30可確定模具冷去水孔直徑為0.008mm。
5）冷卻水在管內的流速
（10-6）
6）求冷卻管壁與水交界面的膜傳熱系數(shù)h
因為平均水溫為23.5,查塑料成型工藝及模具設計表4-31可得（按插值法確定）,則有[1]：
（10-7）
（7）計算冷卻水通道的導熱總面積A[1]
（10-8）
8）計算模具所需冷卻水管的總長度L[1]
（10-9）
9）冷卻水路的根數(shù) 設每條水路的長度為160mm，則冷卻水路的根數(shù)為：
（10-10）
由上述計算可以看出，一條冷卻水道對于模具來說顯然是不合適的，因此應根據(jù)具體情況加以修改。為了提高生產效率，凹模和型芯都應得到充分的冷卻。
53
第十一章 基于moldflow環(huán)境下冷卻系統(tǒng)設計與優(yōu)化
11.1冷卻系統(tǒng)簡介
塑料熔體在進入型腔內的流動情況可以分為四個階段，分別為充填、壓實、倒流和澆口凍結。
冷卻系統(tǒng)設計與優(yōu)化主要的方向就是針對澆口凍結后的冷卻階段，該階段是指在澆口塑料完全凍結時起到塑件從型腔中頂出時為止。這一階段型腔內的熔體不斷的冷卻同時內應力也迅速的下降，從而使塑件在脫模時達到足夠的剛度順利脫模同時不會導致變形。在這一階段，由于型腔內熔體還具有一定的流動性，導致產品溫度、壓力和體積上仍有改變，導致型腔的內應力與外界不同，他們的差值稱為殘余應力。殘余應力的正負都會影響產品的質量。理想情況下殘余應力為零時產品的脫模及質量才能達到最優(yōu)值。
冷卻階段產品的冷卻不均容易導致產品的收縮不均直接影響產品的質量；而即使冷卻均勻的情況下由于冷卻過程中的玻璃化溫度的速度快于分子構象轉變的速率，也會導致產品出現(xiàn)內應力。
為了減少注塑過程中型腔內的溫度不均，開設冷卻系統(tǒng)來調節(jié)型腔溫度，從而使型腔溫度均勻穩(wěn)定。
而在進行磨具的冷卻系統(tǒng)設計時，必須先確定設計參數(shù)，其包括：冷卻管道的位置、冷卻管道的尺寸、冷卻管道的類型、冷卻廣島的布局與連接、冷卻管道賄賂長度、冷卻介質的流動速率。
而衡量注塑模冷卻系統(tǒng)設計是否合理的兩個標準分別為：注射磨具成型冷卻時間最短；注射塑件表面溫度均勻。
影響注射成型冷卻系統(tǒng)的因素很多，包括注射塑件的幾何形狀、冷卻介質、流速、溫度、冷卻管道的不知、磨具材料、熔體溫度、蘇鑒定出溫度、磨具溫度等；我們可以通過moldflow設計優(yōu)化冷卻系統(tǒng)從而減少試模的次數(shù)，提高產品質量，縮短成型周期，提高生產效率。
11.2 產品分析
該產品為塑料蓋三維造型如圖11-1所示，產品外形尺寸為，該塑件的結構特點表現(xiàn)為塑件壁厚不均，最厚處為5mm，薄壁處厚度為1mm，拔模斜度為。由于后壁處的厚度較大。這將導致該位置的冷卻較為困難，冷卻時間延長，該處的溫度過大及收縮嚴重所以必須在該處加強冷卻，而產品為小零件，這也大大的增加了冷卻系統(tǒng)設計與優(yōu)化的難度。
圖11-1 三維造型
該塑料蓋的成型材料為PC+ABS其推薦工藝如下圖10-2所示
圖11-2 工藝參數(shù)
11.3 冷卻系統(tǒng)設計準則
1.冷卻水道的設置 動定模和型腔的四周應均勻布置冷卻水通道，不可只布置在模具的一側（動模或定模），否則脫模后塑件兩側溫度不均，進一步冷卻后會發(fā)生翹曲變形。
2.冷卻水孔設置 冷卻水孔間的距離越小，直徑就越大，塑料冷卻越均勻。理想情況下管壁間距離不能超過管徑的五倍，水管壁離型腔表面不能太近，但也不能太遠，以12-15mm為宜。水孔與相鄰型腔表面距離相等，水孔的排列與型腔的形狀盡量吻合，當塑件的壁厚不均時應在壁厚處開設距離塑件較近、管間距離較小的冷卻管道。
3.采用并流流向 加強澆口處的冷卻，熔體充模時澆口附近的溫度較高，因此在澆口處應加強冷卻，采用與熔體大致并流的流向，并將冷卻回路的入口設在澆口附近，出口設在流動末端。
4.降低進水溫度差 普通模具進出水溫度在之內，精密模具在左右，如果進出水溫差過大，會是模具溫度不均，特別是塑件型腔和模板尺寸很大時，為使塑件的冷卻速度基本一致，可以改變冷卻水管排列形式。為防止漏水，鑲塊間拼接處不應設置冷卻通道，并注意睡到穿過型芯、型腔與模板接縫處的密封以及水管與水嘴連接處的密封，同時水管接頭部位的設置應不影響操作，通常在注射機背。
5.冷卻通道要避免接近塑件產生熔接痕的位置及熔體最后填充的部位，以免減低蘇家強度影響充填效果。冷卻通道內不應有存水和產生回流的部位，避免貴大的壓力降。其直徑的選擇要易于加工和清理，一般為6-12mm。
6.冷卻睡到的進出口接頭盡量不要高出模板平面，既要埋入模板內以免吊裝時碰壞，同時要對各接口加以標識。冷卻水道要易于清洗和加工。
11.4 冷卻方案的制定
由塑件的結構與特點，結合冷卻系統(tǒng)的設計原則，制定如下幾個冷卻系統(tǒng)方案進行對比，如圖11-3、11-4、11-5所示：
圖11-3 方案一
圖11-4 方案二
圖11-5 方案三
11.5 設計流程
使用moldflow打開塑件的STL文件，首先對塑件進行網格劃分，查看網格日志查看縱橫比是否符合要求一般要達到八一下的分析要求，匹配度是否高于85%的分析要求。通過分析，我們可以知道導入的三維模型縱橫比過大匹配度也不符合要求，所以必須對三維模型進行調整，以便提高分析的準確性。如圖10-6所示
圖11-6 網格參數(shù)
設置流道及澆口的位置及大小，如圖11-7所示
圖11-7 流道及澆口
11.6分析流程
根據(jù)之前擬定的冷卻系統(tǒng)方案在moldflow環(huán)境下進行分析，對比方案一、二、三冷卻效果優(yōu)劣，最終選取合適方案。
11.6.1冷卻方案一
冷卻管道橫向分布對產品進行多級式的冷卻，管道直徑為8mm，管壁離型腔表面12mm，管道中心距為24mm如圖所示
圖10-8 方案一
通過在moldflow環(huán)境下分析得出的分析結果如下：
1.回路冷卻介質溫度如圖圖11-9所示
圖11-7 回路冷卻介質溫度
冷卻介質溫度為，這個結果顯示了冷卻液流進冷卻管道時的溫度變化。一般情況下回路冷卻介質溫度的升高不要超過。所以方案1冷卻系統(tǒng)的溫度變化符合要求。
2.回路流動速率如圖圖11-8所示
圖11-8 回路流動速率
由圖中數(shù)據(jù)可知回路中沒有出現(xiàn)流動速率不均勻的現(xiàn)象。如果存在流動速率不均衡的現(xiàn)象，而且速率過低有可能導致冷卻液的流動速率過低而導致冷卻效