0210-小電機外殼造型和注射模具設計及CAE分析【全套22張CAD圖】,全套22張CAD圖,電機,機電,外殼,造型,以及,注射,模具設計,cae,分析,全套,22,cad 外文翻譯： 注射模部件的小型化尺度問題 摘要： 注射模部件的小型化尺度問題引起了相關設計和及其過程參數(shù)的改變，結果產生了相關尺度效應，尺度效應可以是一階的或二階的。一階可以用標準模型來描述，而二階則不可。本文只針對注射模小型化所產生的一階尺度效應進行分析，通過注射模熱傳遞和流動過程的尺度分析，尺度效應對模具性能參數(shù)改變的分析，提出了在超薄壁零件和微型構件中消除或減少相關尺度模難題的方法。特別地提出了一種比例充填方法，并經實驗得到證實。 關鍵詞： 小型化 注射模 尺度分析 尺度效應 1、 概述 注射模部件在尺寸和重量方面的小型化已經成為一種不可阻擋的趨勢，例如電子器件的注射模設計，經歷了從標準模到薄壁模設計的轉變，對一些特殊的器件，應該用超薄壁模設計，電子部件的小型化需要在增加L/T比時降低零件厚度。對這些模具進行設計時L/T比在10到100之間或稍大。 塑料制品由于其自身的優(yōu)點使得在光電通訊、影像傳輸、生化醫(yī)療、信息存儲、精密機械等應用領域扮演著重要角色。為了能夠生產具有實用價值的微細組件，許多新興制造技術隨之產生，包括光刻，電鑄及脫模技術(LIGA)、紫外光蝕刻技術(UV)、放電加工(EDM)、微注射成型、精密磨削和精密切削等。微注射成型技術以容易實現(xiàn)低成本大規(guī)模生產具有精密微細結構零件的優(yōu)點成為世界制造技術的研究熱點之一。世界上目前有幾個大學和研究機構在進行研究，并且許多微細結構零件應用微注射成型已獲得成功。最近在深度X射線和微電子器件成型方面的研究進展使得制造0.5—100μm尺度和L/T在5—10之間的微型部件成為可能。然而高L/T注射模的設計仍然是一技術難題。 系統(tǒng)尺度減小時，常常引起主要相互作用力的改變，導致物質性能及其運動規(guī)律和原理的質的區(qū)別。許多現(xiàn)有的、成熟的注射成型技術和理論可能行不通，必須在理論和實踐上對微注射成型工藝的技術特點進行系統(tǒng)和徹底的研究與探討。注射模中需要解決的尺度相關問題是如何把標準件模成型設計的過程經過合適尺度化用于小型化部件。標準件注射模充填時間從十分之一秒到十分之幾秒，注射壓力從幾兆帕到大約200兆帕，周期從幾秒到幾十秒。這些注射成型條件由于采用的是標準件，型腔中塑料熔體均勻流動使得產品可以達到預想結果。通過分析模具工藝所存在的尺度限制、研究進展和方法，可以得出高L/T超薄壁注射模設計當前所存在的困難的解決方法。 小型化引起的尺度效應可以是一階的，也可以是二階的，一階尺度效應可以用連續(xù)介質力學理論進行預測，而二階則不可。注射模一階尺度效應的一個表現(xiàn)是部件厚度減少時澆口熱導增加。尺度效應可以使得微塑性成型的某些特性與傳統(tǒng)成型相比發(fā)生很大變化，對材料的塑性變形行為，流動變形規(guī)律和磨擦行為等均有較大的影響。 關于二階尺度效應的討論很多，本文主要關于一階尺度效應，由于它可以用經典的連續(xù)介質力學模型來研究。微成型件尺寸的不斷減少，成型件表面積與體積的比值大幅增加。單個晶粒對坯料的機械性能和變形行為的影響開始成為主導。然而，尺度所引起的質量問題很難預測。尺度減小時，部件應該完全填充并很好的滿足設計者的初衷。成型性，是需要關注的一個重要問題。由于成型直接受到型腔聚合物的流動和熱傳遞過程的影響，因而分析聚合物的流動和熱傳遞過程注射模的尺度效應時是有用的。在這篇文章中，首先用無因次分析來研究尺度效應對注射模流動和熱傳遞工藝的影響，成功地進行了模成型仿真。關于無因次分析在材料成型中的應用可以在有關書中找到（modeling in materials processing by Tucker and Dantzig ）。相關論述中提出無因次分析在尺度行為方面的研究。特別是提出了一種尺度充填方法，并經實驗得到證實。 2．無因次分析 薄壁腔和窄流道的聚合物熔體流動普遍采用廣義Hele-Shaw流動模型，通常近似假設流體在一恒定時間內達到穩(wěn)態(tài)流動，忽略其惰性效應，近似認為為牛頓流體，以一維流動分析為例，根據(jù)能量守恒定律，Hele-Shaw流動模型可以寫為： 式（1）z和x分別為厚度和流動方向，x是液層流動速率，P是壓力，η為黏度，牛頓流動模型的有效性可以用魏森貝格數(shù)（Weissenberg）證實。高的熔化溫度時，由于Weissenberg數(shù)較小，松弛時間較短，流體可以認為是純粘性的。下面的討論中，用于標準注射模成型中，型腔邊界假定無流動。 2．1等溫聚合物流動 假定不考慮熱交換，方程（1）可以寫成與厚度無關的形式，見式（2），H為制件厚度，x是標準化厚度后的流速。黏度與剪切速率和壓力相關。方程（2）表明相同的壓力作用于不同壁厚的模具型腔澆口時，具有相同的剪切速率和切向壓力，從而有相同的粘性。進而可推出等溫聚合物流體壓力相同時，L/T與制件壁厚無關。這只是當雷諾數(shù)與幾何尺寸匹配時，同等流量的一個特例。流動中處理尺寸問題時用相同的標準化平均速度是有用的。式（3）中ρ是流體密度，可以看到，雷諾數(shù)與制件厚度的平方成正比。Weissenberg數(shù)也可以用下面式子表示，見式（4），其中為標準化厚度后的流體長度，λ為黏彈性流體擠壓后產生彈應力的松弛時間?？梢钥吹搅魉傧嗤瑫r具有相同的Ws數(shù)。因此，Hele-Shaw流動模型對于小型化的型腔仍然適用。圖1：表面張力相對腔長度的變化對于同構幾何尺寸因子可以用于研究無因子群尺度效應，見式（5），其中H0 是初始厚度，H1 為小型化的厚度，比例定律對于雷諾數(shù)有式（6）， 對于Weissenberg數(shù)有式（7），可以看到Weissenberg數(shù)是與尺寸無關的。 2．2表面張力效應 型腔變薄時，熔體前沿表面張力將增加。對于細長型腔，由于表面張力熔化界面的對應壓力可由式（8）計算；γs是N/m單位上液體表面張力，θ是腔壁與液體的接觸角。另一方面，與粘應力有關的聚合物入口壓強可由下式表示：式（9）。上面關于表面張力Sur的定義是近似的，因為表面張力效應接觸角近似為非常小，cosθ≈0.對于一聚合物熔體有式（11）的關系.將式（11）帶入式（10）可得式（12）。假如考慮η=1000 Pa-s，ū=100/s，γs=0.05N/m.表面張力作為L的函數(shù)列于圖1?？梢钥闯鲂颓婚L度大于10μm時表面張力不到1%. 2.3 非等溫聚合物 向量-張力形式能量方程以下面形式給出：式（13），其中Cp為定壓比熱容，k為傳熱系數(shù)，б是張量，T為溫度，t為時間 貝克來數(shù)（Peclet）：代表對流強度和擴散強度的相對大小。Pe數(shù)定義為式（14），其中α為傳熱系數(shù)，對于聚合物，α≈10-7m2/s,取流速 =100/s, 一般尺寸的注射模有L=20cm,H=2mm,可以得到 Pe=4×105. 格雷茨數(shù)（Graetz）:是一個方向熱對流和另一方向對流的比值，這個無因次量用于主要對流方向和熱導方向不同且具有不同的特征長度。在注射模細長腔中主要對流方向為流體流動方向，而對流方向為壁厚方向。Gz數(shù)可由下式表示：（16），對于標準注射模，α≈10-7m2/s, =100/s,L=20cm,H=2mm,可得Gz=40。 布倫克曼數(shù)（Brinkman）:Br數(shù)可以表示成式（18）所示，流速 =100/s，η=1000Pa-s,L=20cm,k=0.2W/m-0C,T=1000C,可得Br數(shù)為2. 2.4凍結時間量度 從Gz數(shù)和Br數(shù)的尺度分析可以看出，比較厚度方向的熱導,對流和粘性耗散在能量方程中會很快減小。填充階段澆口溫度隨零件厚度的變化見圖2。對于大約2mm厚的標準零件，型腔內部溫度由于粘性加熱而增加。對于有0.5mm厚的薄壁零件，會有很強的熱對流使得平均溫度很快降低。 在超薄壁模和微模成型中，填充階段熔體的凍結時間可以由簡單一維熱傳導方程求得，基于方程（19），凍結時間tf可以由整個聚合物熔體達到凍結溫度Tg的時間來預測，見式（20），其中Ti為注射溫度，Tw為模具型腔溫度， 3 、成型尺度分析 塑料原料如何更好的流動和注入型腔成型可以參照壓力—流體長度曲線，填充長度采用L/T比可以更好的得到理解，對于恒定粘性等溫流體的細長腔，可以用下面的方程預測，式（21），從方程中可以看出，成型性與尺度因子是無關的，因此零件尺度減小時成型性并不會改變。 聚碳酸酯被作為塑料原料，注射溫度設為2650C，同時采用1200C注射溫度的成型環(huán)境做比較，并把2650C環(huán)境仿真等溫成型環(huán)境（等溫環(huán)境下填充過程由于粘性耗散效應實際上并不是等溫的），兩種環(huán)境下流速分別為=1000/s和100/s，第一個流速為快速注射速度而第二個為標準注射速度，仿真過程采用細長型腔，四種不同厚度的零件（2.5mm，0.5mm，0.1mm，0.02mm），其寬厚比保持恒定為10.仿真結果見圖4-7，這些結果會在下面進行討論。 3.1冷模腔尺度填充 冷模腔是指成型溫度設定為1200C的成型。L/T比與注射壓力的關系見圖4和圖5，從仿真結果可以看出，在冷模腔填充過程簡單的功率定律對并不適用。 上面用冷腔模定性地分析了其結果，當制件厚度減至0.25mm時塑料原料的冷卻溫度為十分之一秒。因而注射時間接近臨界冷卻時間時，需要大量的注射壓力。對于標準制件，冷卻時間大約10s。 3.2 等溫模條件填充 等溫模條件成型結果見圖6和圖7，通過和冷模條件下結果對比可以看到與等溫模條件下填充有很大的不同。首先，填充同樣幾何尺寸所需要的注射壓力相對很小。其次，注射速度的變化引起注射壓力的變化完全不同。在冷模填充過程中，注射速度加快時薄壁和超薄壁零件的注射壓力也增加（如圖4和圖5）。第三點不同是冷模下的填充過程和等溫聚合物的填充過程區(qū)別相當?shù)拿黠@，特別是注射速度很低時。 對于真正的等溫填充，所有的曲線應該完全重合。實際中出現(xiàn)偏離的原因在于聚合物中真正的溫度場并非等溫的，由于流動過程中的剪切發(fā)熱，聚合物內部的溫度高于等溫模的溫度，零件厚度增加時聚合物內部溫度也增加，除了厚度，注射速度在成型中也扮演了很重要的角色，當注射溫度降低時剪切發(fā)熱效應降低，尺度變化的流體可以由低的填充速度得到。比較圖6和圖7可以看到流速為100/s時剪切溫度的升高遠小于流速為1000/s時的情況。等溫環(huán)境下對于超薄壁模和微模成型，注射速度為100/s左右時尺度填充是有效的。 4．微尺度填充的實驗研究 低注射速度下的微尺度填充通過采用Boy 30M的注射機加以驗證，實驗采用Bayer聚碳酸酯CD2000作為塑料原料,三個不同深度的流道（25μm，150μm，1mm）如圖8所示，1mm深的流道用于薄壁模成型，150μm深的流道用于超薄壁模成型，25μm深的流道用于微模成型。三個流道被連接在同一個橫截面為0.5in.×0.5in.，深度為0.25in.的熔體管上，熔體被加熱至2650C，注射速度調至注射機最大速度的30%，填充時間設為3s，保壓設為80Bar,保壓時間設為3s，注模階段完成后，用一晚的時間來冷卻。這么長的冷卻時間可以認為對流體長度是沒有影響的，因為流體長度直接跟填充過程有關。圖9所示為不同流體厚度與L/T比值的相對關系。 在同類研究中，如文獻[22]采用快速熱模成型研究超薄和微細結構的成型，結果表明：等溫條件下填充過程，通過設定低的注射速度可以實現(xiàn)微尺度填充。 5．結論 注射模零件的小型化尺寸問題引起了相關設計和過程參數(shù)的改變，本文分析了成型過程中零件小型化時所帶來的一階尺度效應，通過對幾個無因次量進行分析，控制方程的有效性和影響流體流動過程中熱傳遞的幾個因素均得到了證實，只要流體長度遠大于壁厚，超薄壁模和微模成型過程的表面張力可以認為是影響很小的，CAE的應用，使得可以通過控制注射壓力、注射速度和零件厚度來控制成型過程。經實驗證明，等溫條件下填充過程，通過設定低的注射速度實現(xiàn)了微尺度填充。不過對于具有標準厚度的零部件，對流和多孔滲透的介質流的影響是很大的，它們會迅速下降當零部件厚度減小時。對于超薄和微細結構的部件，厚度方向上的熱導在能量方程中起很重要的作用。在薄壁模中，快速注射用于 致謝 對國家自然科學基金提供的經濟上的幫助表示感謝！同時文中所有觀點、發(fā)現(xiàn)和建議均代表作者自己的意思，并不代表國家自然科學基金會的觀點。 參考文獻（略） 減小成型的難度，而超薄和微細結構的成型則采用熱模來完成填充。 第 6 頁 共 6 頁 小電機外殼造型和注射模具設計及CAE分析 摘要：注射模具是生產各種工業(yè)產品的重要工藝裝備，是現(xiàn)代生產制造行業(yè)的核心，在大多數(shù)國家，注射模具設計與制造技術已經成為衡量一個國家生產制造技術先進與否的關鍵。 本設計以目前最先進的三維高端軟件UG為核心，實現(xiàn)對小電機外殼的三維造型。通過對電機外殼的工藝、材料分析，選用適當?shù)淖⑸錂C，并擬定合理的注射成型工藝方案。在模具設計中，采用一模兩腔的布局，二板式的模架結構。并通過對分型面、澆注系統(tǒng)、成型零部件、頂出脫模機構、冷卻系統(tǒng)的設計，選用適合的標準模架及標準件，完成對電機外殼的一套完整的模具設計方案。 另外，為得到合格的塑件制品，在模具加工前，在計算機上對整個注塑成型過程進行模擬（CAE）分析，幫助分析潛在的問題，優(yōu)化模具結構、工藝參數(shù)，以便及時修改制件和模具設計。結果表明，同傳統(tǒng)的模具設計相比，CAE技術無論在提高生產率、保證產品質量，還是在降低成本、減輕勞動強度等方面，都具有很大優(yōu)越性。 關鍵詞： 注射模具 三維造型 CAE分析 Micromotor shell modeling and injection mold design and CAE analysis Abstract: Injection mold is an important tooling for industry products ,it is the core of the modern manufacturing industry and in most countries injection mold design and manufacturing technology have become the keywords of measuring it’s production technology. Based on the present advanced 3D software UG , This paper realized the 3D modeling for the micromotor shell, analyzed the process and material of Micromotor shell, choosed the proper injection machine ,and roughcast reasonable injection mold design scheme .In the design process ，it used the configuration of two cavity in one plate and architecture of double-plate mould base. And through designing the parting line , running gate system, modeling parts , ejection stripping mechanism , cooling system , choosing adaptive standard mould base and standard parts ,it finished the whole mold design scheme for the Micromotor shell。 In addition ,for getting the qualitative plastic products, before the molding the CAE analysis was been done ,this assist on analyzing the potential problem , optimizing mold structure, technological parameter, so that the mold design could be modified in time. Results proved that CAE technology have great benefits in the field of improving the production efficiency, ensuring the product quality , reducing the cost and the intensity of labor. Keywords: Injection Mold 3D Modeling CAE Analysis 第 2 頁 共 2 頁 畢業(yè)設計（論文）任務書 I、畢業(yè)設計(論文)題目： 小電機外殼造型和注射模具設計及CAE分析 II、畢 業(yè)設計(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設計技術要求： 一、原始資料： 小電機外殼，UG-NX及設計所涉及的相關軟件。 二、技術要求： 1．分析零件的工藝性，完成產品的UG建模并繪制產品圖； 2．設計的注射模具應生產出符合圖紙要求的產品并滿足大批量生產要求； 3. 選用國產SZ系列臥式注射機。 III、畢 業(yè)設計(論文)工作內容及完成時間： 1．查閱資料，學習并熟悉設計中所需軟件。 3.21～4.06 2．翻譯外文資料，完成開題報告。 4.06～4.16 3．建立產品模型，確定注射工藝和模具結構。 4.16～5.06 4．繪制模具總裝圖和零件圖。 5.06～5.31 5. 進行數(shù)值模擬撰寫畢業(yè)論文。 5.31～6.15 Ⅳ 、主 要參考資料： 1．UGNXCAD快速入門指導， 清華大學工業(yè)出版社 2003年 2．塑料模具設計， 秦蕊編， 西北工業(yè)大學出版社 1992年 3．模具結構圖冊， 鄭大中等編 機械工業(yè)出版社 1992年 4．模具設計與制造簡明手冊 上海科學技術出版社 1985年 5．Donggang Yao, Scaling Issues in Miniaturizaton of Injection Molded Parts Journal of Manufacturing Science and Engineering. November 2004, Vol.126/733 6. The Thickness Profile of Ultra-High Molecular Weight Polythene Films During Sequential Biaxial Drawing .Polymer Engineering and Science ,January 2003.Vol.43 , No.1. 目 錄 1 引言 3 1.1 塑料簡介 3 1.2 注塑成型及注塑模 3 2 塑料材料分析 5 2．1 塑料材料的基本特性 5 2．2 塑件材料成型性能 6 2．3 塑件材料成型條件 7 3 塑件的工藝分析 7 3．1 塑件的結構設計 8 3．2 塑件尺寸及精度 9 3．3 塑件表面粗糙度 9 3．4 塑件的體積和質量 10 4 注射成型工藝方案及模具結構的分析和確定 10 4．1 注射成型工藝過程分析 10 4．2 澆口種類的確定 11 4．3 型腔數(shù)目的確定 11 4．4 注射機的選擇和校核 11 4.4.1 注射量的校核 12 4.4.2 塑件在分型面上的投影面積與鎖模力的校核 12 4.4.3 模具與注射機安裝模具部分相關尺寸校核 13 5 注射模具結構設計 14 5．1 分型面的設計 14 5．2 型腔的布局 15 5．3 澆注系統(tǒng)的設計 15 5．3．1 澆注系統(tǒng)組成 15 5．3．2 確定澆注系統(tǒng)的原則 16 5．3．3 主流道的設計 16 5．3．4 分流道的設計 17 5．3．5 澆口的設計 18 5．3．6 冷料穴的設計 19 5．4 注射模成型零部件的設計 19 5．4．1 成型零部件結構設計 19 5．4．2 成型零部件工作尺寸的計算 20 5．5 排氣結構設計 20 5．6 脫模機構的設計 21 5．6．1 脫模機構的選用原則 21 5．6．2 脫模機構類型的選擇 21 5．6．3 推桿機構具體設計 21 5．6．4 脫模動作原理 22 5．7 模具總裝圖 23 5．8 注射模溫度調節(jié)系統(tǒng) 24 5．8．1 溫度調節(jié)對塑件質量的影響 24 5．8．2 冷卻系統(tǒng)之設計規(guī)則 24 5．9 模架及標準件的選用 25 5．9．1 模架的選用 25 5．9．2 標準件的選用 25 6 模具材料的選用 26 6．1 成型零件材料選用 26 6．2 注射模用鋼種 26 7 注射成型工藝過程模擬分析 27 總結 32 致謝 32 參考文獻 33 1 引言 模具制造是國家經濟建設中的一項重要產業(yè)，振興和發(fā)展我國的模具工業(yè)，日益受到人們的重視和關注。“模具是工業(yè)生產的基礎工藝裝備”也已經成為廣大業(yè)內人士的共識。在電子、汽車、電機、電器、儀器、儀表、家電和通信等產品中，60%～80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生產制件所具備的高精度、高復雜程度、高一致性、高生產率和低消耗，是其它加工制造方法所不能比擬的。模具又是“效益放大器”，用模具生產的最終產品的價值，往往是模具自身價值的幾十倍、上百倍。模具工業(yè)是制造業(yè)中的一項基礎產業(yè)，是技術成果轉化的基礎，同時本身又是高新技術產業(yè)的重要領域。 1.1 塑料簡介 塑料是以樹脂為主要成分的高分子材料，它在一定的溫度和壓力下具有流動性。可以被模塑成型為一定的幾何形狀和尺寸，并在成型固化后保持其既得形狀而不發(fā)生變化。塑料有很多優(yōu)異性能，廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)和日常生活，它具有密度小，質量輕，比強度高，絕緣性能好，介電損耗低，化學穩(wěn)定性高，減摩耐磨性能好，減振隔音性能好等諸多優(yōu)點。另外，許多塑料還具有防水、防潮、防透氣、防輻射及耐瞬時燒蝕等特殊性能[1]。塑料以從代替部分金屬、木材、皮革及無機材料發(fā)展成為各個部門不可缺少的一種化學材料，在國民經濟中，塑料制作已成為各行各業(yè)不可缺少的重要材料之一。 1.2 注塑成型及注塑模 將塑料成型為制品的生產方法很多，最常用的有注射，擠出，壓縮，壓注，壓延和吹塑等。其中，注射成型是塑料成型加工中最普遍采用的方法。除氟塑料外，幾乎的有的熱塑性塑料都可以采用此方法成型。它具有成型周期短，能一次成型外形復雜、尺寸精度較高、易于實現(xiàn)全自動化生產等一系列優(yōu)點。因此廣泛用于塑料制件的生產中，其產口占目前塑料制件生產的30%左右。但注射成型的設備價格及模具制造費用較高，不適合單件及批量較小的塑料件的生產。 要了解注射成型和注射模，首先得了解注射機的一些基本知識，注射機是注射成型的主要設備，依靠該設備將粒狀塑料通過高壓加熱等工序進行注射。?注射機為熱塑性或熱固性塑料注射成型所用的主要設備，按其外形可分為立式、臥式、直角式三種，由注射裝置、鎖模裝置、脫模裝置，模板機架系統(tǒng)等組成。 注射成型是根據(jù)金屬壓鑄成型原理發(fā)展而來的，其基本原理是利用塑料的可擠壓性和可模塑性。首先將松散的粒狀或粉狀成型物料從注射機的料斗送入高溫的機筒內加熱熔融塑化，使之成為粘流態(tài)熔體，然后在柱塞或螺桿的高壓推動下，以很大的流速通過料筒前端的噴嘴注射進入溫度較低的閉合模具中，經過一段保壓冷卻定型時間后，開啟模具便可以從模腔中脫出具有一定形狀和尺寸的塑料制品。 注射成型生產中使用的模具叫注射模，它是實現(xiàn)注射成型生產的工藝裝備。 注射模的種類很多，其結構與塑料品種、塑件的復雜程度和注射機的種類等很多因素有關，其基本結構都是由動模和定模兩大部分組成的。定模部分安裝在注射機的固定板上，動模部分安裝在注射機的移動模板上，在注射成型過程中它隨注射機上的合模系統(tǒng)運動。注射成型時動模部分與定模部分由導柱導向而閉合。一般注射模由成型零部件、合模導向機構、澆注系統(tǒng)、側向分型與抽芯機構、推出機構、加熱和冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)及支承零部件組成[2] 。 注射模、塑料原材料和注射機通過注射成型工藝聯(lián)系在一起。注射成型工藝的核心問題就是采用一切措施以得到塑化良好的塑料熔體，并把它注射到型腔中去，在控制條件下冷卻定型，使塑件達到所要求的質量。注射機和模具結構確定以后，注射成型工藝條件的選擇與控制便是決定成型質量的主要因素。 注射成型有三大工藝條件，即：溫度、壓力、時間。在成型過程中，尤其是精密制品的成型，要確立一組最佳的成型條件決非易事，因為影響成型條件的因素太多，有制品形狀、模具結構、注射裝備、原材料、電壓波動及環(huán)境溫度等。 塑料模具的設計不但要采用CAD技術，而且還要采用計算機輔助工程（CAE）技術。這是發(fā)展的必然趨勢。注塑成型分兩個階段，即開發(fā)/設計階段（包括產品設計、模具設計和模具制造）和生產階段（包括購買材料、試模和成型）。 傳統(tǒng)的注塑方法是在正式生產前，由于設計人員憑經驗與直覺設計模具，模具裝配完畢后，通常需要幾次試模，發(fā)現(xiàn)問題后，不僅需要重新設置工藝參數(shù)，甚至還需要修改塑料制品和模具設計，這勢必增加生產成本，延長產品開發(fā)周期。 目前國際市場上主要流行的，運用范圍最廣的注射模流動模擬分析軟件有澳大利亞的MOLDFLOW、美國的CFLOW、華中科技大學的H-FLOW等。其中MOLDFLOW軟件包括三個部分：MOLDFLOW PLASTICS ADVISERS （產品優(yōu)化顧問，簡稱MPA），MOLDFLOW PLASTICS INSIGHT （注射成型模擬分析，簡稱MPI），MOLDFLOW PLASTICS XPERT （注射成型過程控制專家，簡稱MPX）。 采用CAE技術，可以完全代替試模，CAE技術提供了從制品設計到生產的完整解決方案，在模具制造加工之前，在計算機上對整個注射成型過程進行模擬分析，準確預測熔體的填充、保壓、冷卻情況，以及制品中的應力分布、分子和纖維取向分布、制品的收縮和翹曲變形等情況，以便設計者能盡早發(fā)現(xiàn)問題，及時修改制件和模具設計，而不是等到試模以后再返修模具。這不僅是對傳統(tǒng)模具設計方法的一次突破，而且對減少甚至避免模具返修報廢、提高制品質量和降低成本等，都有著重大的技術經濟意義[3]。 2 塑料材料分析 2．1 塑料材料的基本特性 中國目前小孩比例甚多，市場也看中了這一點，為了適應小孩的需要，很多廠家開始生產以小孩為主要消費者的各種玩具，本次設計就是以此為基點，設計生產一套小電機外殼造型的注射模具，該電機外殼類似電吹風，玲瓏小巧，握在掌心，在炎熱夏季做清涼解暑之用，頗受小孩子喜歡，具有廣闊的市場前景。設計中利用CAD/CAE技術進行模具設計和成型工藝分析。首先，在三維高端軟件UG·NX上進行產品3D造型，然后使用Auto CAD繪制注射模具總裝圖和模具零件圖，最后將產品三維圖轉入MOLDFLOW軟件中進行注射工藝過程模擬分析，確定最佳的注射工藝參數(shù)，同時分析制品缺陷的原因及解決辦法。 圖（1）塑件三維造型圖 塑件三維造型如圖（1）所示，顯示的是塑件的三維等軸側視圖，外殼分為左右兩部分，整體上呈對稱結構，邊側開個小孔，用于伸出小電動機的轉軸部分，近側壁一方裝有類似肋板的電機固定裝置，下部伸出部分各有一個锪平孔，用于裝配玩具風扇手柄。且一方開一小槽，用于電池與電機的聯(lián)接。外殼兩部分互設有配合邊緣，四周設有四個導向裝置，便于快速裝配使用。該電機外殼外表光滑，呈透明狀。故選用材料為聚苯乙烯PS，它是一種優(yōu)良的熱塑性工程材料。 2．2 塑件材料成型性能 塑件材料對注射工藝和模具結構的適應能力叫做注射成型性能，注射成型性能的好壞直接影響到成型加工的難易程度和制品質量的優(yōu)劣，同時還影響生產效率的高低和設備的輻射能損耗等。 PS成型性能主要有： 聚苯乙烯（Polystyrene）簡稱PS。其世界產量僅次于PE、PVC、PP居世界第四位，后來高抗沖級的PS產生（簡寫HIPS）拓寬了PS的用途范圍。 PS為無定型、非極性線性高聚物。由于在分子鏈上有苯環(huán)取代基，分子的不對稱性增加，內旋轉受到限制，為此，呈現(xiàn)剛性，性脆。玻璃化溫度較高，為80～100，分子量一般在5萬～20萬。 PS的密度為1.054，為無色透明粒狀熱塑性樹脂。具有良好的化學穩(wěn)定性，它能溶解于苯、四氯化碳、甲苯、氯仿、除丙酮以外的酮類、酯類等。能耐一般酸、堿、鹽的腐蝕。 熱穩(wěn)定性好，成型溫度范圍寬，在粘流態(tài)下溫度的少許波動不會影響注射過程。吸濕性極小，只有0.02%～0.06%，所以在加工前，可以不干燥，又其比熱較低，所以塑化效率高，在模具中固化快，成型周期短。PS收縮率低，只有0.4%～0.7%，對模制品影響不大。 PS具有一定的力學強度，化學穩(wěn)定性及電氣性能都較優(yōu)良，透光性好，達88%～92%，僅次于有機玻璃，折光率為1.59～1.60，具有優(yōu)良的電絕緣性能，一般不受溫度、濕度的影響。著色性佳，并易于成形。它的特點是差不多完全能耐水。缺點是耐熱性較低，而且其制品由于內應力容易碎裂，僅能于低負荷和不高的溫度(60～75℃)下使用，所以在成型中一定要注意這個問題，清除內應力除調節(jié)工藝參數(shù)、模具結構等之外，還可將制品進行后處理以消除內應力，如將其置于60～75℃熱水浴中或烘箱中，“退火”處理1～3小時。冷卻定型溫度應小于50℃，可使制品表面光亮、平滑。 處于粘流態(tài)的聚苯乙烯，其粘度對剪切速率和溫度都比較敏感，在注射成型中無論是增大注射壓力或升高溫度都會使熔融粘度顯著下降。因此，聚苯乙烯既可用于螺桿式也可用于柱塞式注射機成型。在此選用柱塞式注射機。料筒溫度控制在140～260℃之間，噴嘴溫度為170～190℃，注射壓力為60～150MPa，為了使制品順利脫模，模壁斜度應增大至1～2度。 PS主要用于各種儀表外殼，骨架，儀表指示燈，燈罩，汽車燈罩，化工貯酸槽、酸輸送槽(特別如氫氟酸)，化學儀器零件，電訊零件，由于透明度好，還可用于制造光學儀器零件及透鏡[4]。 2．3 塑件材料成型條件 確定注射工藝條件時，需要根據(jù)塑料品種選擇適當?shù)墓に噮?shù)，知道了塑料的工藝參數(shù)還能選擇合適的注射機，使機型的規(guī)格大小及性能參數(shù)的范圍盡量與注射工藝參數(shù)接近，只有這樣才能在保證制品質量的前提下，獲得最高的生產效率和經濟效益。 PS的注射工藝條件參數(shù)見表1、2和3。 表1 PS的注射工藝參數(shù) 注射機類型 預熱溫度℃ 噴嘴溫度℃ 料筒溫度℃ 模具溫度℃ 前段 后段 柱塞式 60～75 160～170 170～190 140～160 20～60 表2 PS的注射工藝參數(shù) 注射壓力MPa 成型時間S 冷卻時間S 成型周期 S 后處理介質 后處理溫度℃ 后處理時間S 60～100 15～45 15～30 40～90 熱水浴或 鼓風烘箱 70 2～4 表3 PS的熱處理條件 塑料 熱處理介質 處理溫度℃ 制件厚度mm 處理時間min PS 空氣或水 60～70 30～60 70～77 120～360 3 塑件的工藝分析 在模具設計之前需要對塑伯的工藝性如形狀結構、尺寸大小、精度等級和表面質量要進行仔細研究和分析，只有這樣才能恰當確定塑件制品所需的模具結構和模具精度。 電動機外殼如圖（2）所示，具體結構和尺寸詳見圖紙，該塑件結構并不太復雜，只是幾何形狀有點不規(guī)則，外輪廓線由圓弧和直線組成。 圖（2）玩具小電動機外殼平面視圖 3．1 塑件的結構設計 （1）、脫模斜度 由于注射制品在冷卻過程中產生收縮，因此它在脫模前會緊緊的包住模具型芯或型腔中突出的部分。為了便于脫模，防止因脫模力過大拉傷制品表面，與脫模方向平行的制品內外表面應具有一定的脫模斜度。脫模斜度的大小與制品形狀、壁厚及收縮率有關。斜度過小，不僅會使制品尺寸困難，而且易使制品表面損傷或破裂，斜度過大時，雖然脫模方便，但會影響制品尺寸精度，并浪費原材料。通常塑件的脫模斜度約取0.5～1.5，根據(jù)文獻[1]，塑件材料PS的型腔脫模斜度為35～130/，型芯脫模斜度為30/～1 （2）、塑件的壁厚 塑件的壁厚是最重要的結構要素，是設計塑件時必須考慮的問題之一。塑件的壁厚對于注射成型生產具有極為重要的影響，它與注射充模時的熔體流動、固化定型時的冷卻速度和時間、塑件的成型質量、塑件的原材料以及生產效率和生產成本密切相關。一般在滿足使用要求的前提下，塑件的壁厚應盡量小。因為壁厚太大不僅會使原材料消耗增大，生產成本提高，更重要的是會延緩塑件在模內的冷卻速度，使成型周期延長，另外還容易產生氣泡、縮孔、凹陷等缺陷。但如果壁厚太小則剛度差，在脫模、裝配、使用中會發(fā)生變形，影響到塑件的使用和裝配的準確性。選擇壁厚時應力求塑件各處壁厚盡量均勻，以避免塑件出現(xiàn)不均勻收縮等成型缺陷。塑件壁厚一般在1～4，最常用的數(shù)值為2～3。該小電機外殼壁厚均勻，周邊和底部壁厚均為2。殼內凸出部件的壁厚均為1 （3）、塑件的圓角 為防止塑件轉角處的應力集中，改善其成型加工過程中的充模特性，增加相應位置模具和塑件的力學角度，需要在塑件的轉角處和內部聯(lián)接處采用圓角過度。在無特殊要求時，塑件的各連接角處均有半徑不小于0.5～1的圓角。一般外圓弧半徑大于壁厚的0.5倍，內圓角半徑應是壁厚的0.5倍。 該小電機外殼表面圓角半徑為2，內部轉彎處圓角半徑為1 （4）、孔 塑料制品上通常帶有各種通孔和盲孔，原則上講，這些孔均能用一定的型芯成型。但當孔太復雜時，會使熔體流動困難，模具加工難度增大，生產成本提高，困此在塑件上設計孔時，應盡量采用簡單孔型。由于型芯對熔體有分流作用，所以在孔成型時周圍易產生熔接痕，導致孔的強度降低，故設計孔時孔時孔間距和孔到塑件邊緣的距離一般都尖大于孔徑，孔的周邊應增加壁厚，以保證塑件的強度和剛度。本設計中孔都在側面或邊緣，能采用型芯直接加工成型。 3．2 塑件尺寸及精度 塑料制品外形尺寸的大小主要取決于塑料品種的流動性和注射機規(guī)格，在一定的設備和工藝條件下流動性好的塑料可以成型較大尺寸的制品，反正成型出的制品尺寸就比較小。從節(jié)約材料和能源的角度出發(fā)，只要能滿足制品的使用要求，一般都應將制品的結構設計的盡量緊湊，以便使制品的外形尺寸玲瓏小巧些。該塑件的材料為PS，流動性較好，適用于不同尺寸的制品。 塑件的尺寸精度直接影響模具結構的設計和模具的制造精度。為降低模具的加工難度和模具的制造成本，在滿足塑件要求的前提下盡量把塑件的尺寸精度設計得低一些。由于塑料與金屬的差異很大，所以不能按照金屬零件的公關等級確定精度等級。根據(jù)我國目前的成型水平，塑件尺寸公差可以參照文獻[2]表3-2塑件的尺寸與公關（SJ1372-1978）的塑料制件公差數(shù)值標準來確定。根據(jù)文獻[2]，選用一般精度等級，PS的精度等級一般為四級，可在文獻中查到相應的公差值。 3．3 塑件表面粗糙度 塑件的表面要求越高，表面粗糙度越低。這除了在成型時從工藝上盡可能避免冷疤、云紋等疵點來保證外，主要是取決于模具型腔表面粗糙度。塑料制品的表面粗糙度一般為Ra 0.02～1.25之間，模腔表壁的表面粗糙度應為塑件的1/2，即Ra 0.01～0.63。模具在使用過程中由于型腔磨損而使表面粗糙度不斷增加，所以應隨時給以拋光復原。 該塑件外部需要的表面粗糙度比內部要高許多，為Ra0.4，內部為0.8。外部接手柄區(qū)域粗糙度加大，主要是為了裝配牢固和方便，且增加摩擦力以便小孩拿緊該小電扇。 3．4 塑件的體積和質量 用UG·NX軟件對該小電機外殼進行三維實體造型，然后用分析模塊對其進行質量特性分析，輸入材料密度（的密度為），即可以得出該塑件制品上半部分的體積為，質量為克。下半部分體積為，質量為克。 4 注射成型工藝方案及模具結構的分析和確定 4．1、注射成型工藝過程分析[5] 根據(jù)塑件的結構、材料及質量，確定其成型工藝過程為： 第一步：為使注射過程順利和保證產品質量，應對所用的設備和塑料作好以下準備工作。 （1）、成型前對原材料的預處理 根據(jù)注射成型對物料的要求，檢驗物料的含水量，外觀色澤，顆粒情況并測試其熱穩(wěn)定性，流動性和收縮率等指標，對原材料進行適當?shù)念A熱干燥，PS材料吸水率極低，成型前一般不必進行干燥處理。如有需要，可在70 ～ 80 ℃下干燥2～4 h。 （2）、料筒的清洗 在初用某種塑料或某一注射機之前，或者在生產中需要改變產品、更換原料、調換顏色或發(fā)現(xiàn)塑料中有分解現(xiàn)象時，都需要對注射機（主要是料筒）進行清洗或拆換。 柱塞式注射機料筒的清洗常比螺桿式注射機困難，因為柱塞式料筒內的存料量較大而不易對其轉動，清洗時必須拆卸清洗或者采用專用料筒。對螺桿式通常是直接換料清洗，也可采用對空注射法清洗。 （3）、脫模劑的選用 脫模劑是使塑料制件容易從模具中脫出而敷在模具表面上的一種助劑。一般注射制件的脫模，主要依賴于合理的工藝條件與正確的模具設計。在和產上為了順利脫模，常用的脫模劑有：硬脂酸鋅，液體石蠟（白油），硅油，對PS材料，可選用硬脂酸鋅，因為此脫模劑除聚酰胺塑料外，一般塑料都可使用。 第二步: 注射成型過程 完整的注射過程表面上共包括加料、塑化、注射入模、穩(wěn)壓冷卻和脫模幾個步驟，但實際上是塑化成型與冷卻兩個過程。 第三步：制件的后處理 注射制件經脫模或機械加工后，常需要進行適當?shù)暮筇幚恚康氖菫榱讼嬖诘膬葢Γ愿纳坪吞岣咧萍男阅芗俺叽绶€(wěn)定性。制件的后處理主要有退火和調濕處理。該塑料制件材料為PS，就采用退火處理1～3小時。 4．2 澆口種類的確定 注射模的澆注系統(tǒng)是指模具中從注射機噴嘴開始到型腔為止的塑料流動通道。其作用是將塑料熔體充滿型腔并使注射壓力傳遞到各個部分。澆注系統(tǒng)設計的好壞對塑件性能、外觀及成型難易程度影響很大。它由主流道、分流道、澆口及冷料穴組成。其中澆口的選擇與設計恰當與否直接關系到制品能否完好的成型。 由于本設計中塑件小電機外殼外表面質量要求較高，不允許出現(xiàn)澆口痕跡，所以選用潛伏式澆口。潛伏澆口有自外直接接塑件表面和從內側接于塑件的不外露部分，或從內側接于推桿上，而在推桿上做出進料通道。 潛伏澆口的側傾角可以在較大的范圍內依塑件的具體形狀選擇。其直徑與點澆口相同。引入的圓錐角α約在10°左右。潛伏式澆口具有開模時自動切斷、澆口痕跡小、結構相對簡單（采用兩板式模具結構）并且塑料流動平衡等優(yōu)點， 可以有效提高生產效率，縮短成型周期，節(jié)約成型材料和塑件去澆口清理等工作，尤其是對外形尺寸較小的產品。 4．3 型腔數(shù)目的確定 因為本設計中采用潛伏式澆口，且塑件的尺寸較小，電機外殼分為上下兩部分，為保證一次加工過程中各種參數(shù)均衡，利于配合使用，提高塑件成功概率，并從經濟型的角度出發(fā)，節(jié)省生產成本和提高生產效率，采用一模兩腔，裝載兩部分零件，進行加工生產。 4．4 注射機的選擇和校核 由于兩個塑件的體積和質量相差不大，故采用體積較大的塑件（3.22 ）作為參考由于采用一模兩腔，需要至少注射量為6.44 ，再根據(jù)工藝參數(shù)（主要是注射壓力），綜合考慮各種因素，選定注射機為。注射方式為柱塞式，其有關性能參數(shù)為： 額定注射量: 30 注射壓力: 119 注射行程: 130 注射時間: 2.9 合模力: 250 最大成型面積: 90 最大開模行程: 160 模具最大厚度: 180 模具最小厚度: 60 模板最大距離: 340 合模方式: 液壓-機械式 4.4.1 注射量的校核 模具設計時，必須使得在一個注射成型的塑料熔體的容量或質量在注射機額定注射量的80%以內。校核公式為： 式中 --型腔數(shù)量 --單個塑件的體積（） --澆注系統(tǒng)所需塑料的體積（） 本設計中： 3.22 =2.27 30 注射量符合要求 4.4.2 塑件在分型面上的投影面積與鎖模力的校核 注射成型時塑件的模具分型面上的投影面積是影響鎖模力的主要因素。如果這一數(shù)值超過了注射機所允許的最大成型面積，則成型過程中會出現(xiàn)漲模溢料現(xiàn)象，必須滿足以下關系。 式中 n --型腔數(shù)目 --單個塑件在模具分型面上的投影面積 --澆注系統(tǒng)在模具分型面上的投影面積 --注射機允許使用的最大成型面積 n=2 =13.57 =3.38 =90 =2 投影面積符合要求 注射成型時為了可靠的鎖模，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力。即： （）P < F 式中： P—塑料熔體對型腔的成型壓力（MPa） F—注射機額定鎖模力（N） 其它意義同上 根據(jù)文獻[2]表5-1，聚苯乙烯推薦使用的型腔壓力為15～22 MPa，在此取P= （）P= 鎖模力符合要求 4．4．3、模具與注射機安裝模具部分相關尺寸校核 （1）、模具厚度（閉合高度） 模具閉合高度必須滿足以下公式 式中 --注射機允許的最大模厚 --注射機允許的最小模厚 本設計中 符合要求 （2）、開模行程（S）的校核 模具開模后為了便于取出制件，要求有足夠的開模距離，所謂開模行程是指模具開合過程中動模固定板的移動距離。 注塑機的開模行程是有限的，設計模具必須校核所選注射機的開模行程，以便與模具的開模距離相適應。對于液壓-機械式合模機構的注射機，其開模行程與模具厚度無關，對于單分型面注射模應有： 式中 --推出距離 --包括澆注系統(tǒng)凝料在內的塑件高度 本設計中 =160 = 15 mm = 15 mm 經計算，符合要要求。 （3）、頂出裝置的校核 在設計模具推出機構時，需校核注射機頂出的頂出形式，要注意在兩側頂出時模具推板的面積應能覆蓋注射機的雙頂桿，注射機的最大頂出距離要保證能將塑件從模具中脫出。 XS-Z-30型注射機為兩側推出機構。經檢查能滿足將模具脫出的要求。 5 注射模具結構設計 5．1 分型面的設計 將模具適當?shù)胤殖蓛蓚€或幾個可以分離的主要部分，它們的接觸表面分開時能夠取出塑件及澆注系統(tǒng)凝料，當成型時又必須接觸封閉，這樣的接觸表面稱為分型面，它是決定模具結構的重要因素，每個塑件的分型面可能只有一種選擇，也可能有幾種選擇。合理地選擇分型面是使塑件能完好的成型的先決條件。 選擇分型面時，應從以下幾個方面考慮： 1）分型面應選在塑件外形最大輪廓處； 2）使塑件在開模后留在動模上； 3）分型面的痕跡不影響塑件的外觀； 4）澆注系統(tǒng)，特別是澆口能合理的安排； 5）使推桿痕跡不露在塑件外觀表面上； 6）使塑件易于脫模。 綜合考慮各種因素，并根據(jù)本模具制件的外觀特點，受用平面分型面，并選擇在塑件的最大平面處，開模后塑件留在動模一側，如圖（3）所示 圖（3）分型面的選擇 5．2 型腔的布局 型腔的布局與澆注系統(tǒng)的布置密切相關,型腔的排布應使每個型腔都通過澆注系統(tǒng)從總壓力中均等的分得所需的壓力,以保證塑料熔體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短，同時采用平衡流道。型腔布局由圖（4）所示。由于本設計中塑件是上下兩部分配合裝配使用，需要心可能相同的注射工藝參數(shù)，以達到高的成功率，模具采用潛伏式澆口，設置在手柄安裝處推桿上，并采用對稱式布局，以求達到良好的澆注質量。 圖（4）型腔布局方式 5．3 澆注系統(tǒng)的設計 澆注系統(tǒng)是指注射模中從主流道始端到型腔之間的熔體進料通道，澆注系統(tǒng)可分為普通流道澆注系統(tǒng)和無流道凝料澆注系統(tǒng)兩類，本設計中采用普通流產澆注系統(tǒng)。正確設計澆注系統(tǒng)對獲得優(yōu)質的塑料制品極為重要。 5．3．1 澆注系統(tǒng)組成 普通流道澆注系統(tǒng)的組成一般包括以下幾個部分，如圖（5）所示。 1－主澆道 2－第一分澆道 3－第二分澆道 4－第三分澆道 5－澆口 6－型腔 7－冷料穴 圖（5）普通流道澆注系統(tǒng) 5．3．2 確定澆注系統(tǒng)的原則 在設計澆注系統(tǒng)時應考慮下列有關因素： a)、塑料成型特性：設計澆注系統(tǒng)應適應所用塑料的成型特性的要求，以保證塑件質量。 b)、模具成型塑件的型腔數(shù)：設置澆注系統(tǒng)還應考慮到模具是一模一腔或一模多腔，澆注系統(tǒng)需按型腔布局設計。 c)、塑件大小及形狀：根據(jù)塑件大小，形狀壁厚，技術要求等因素，結合選擇分型面同時考慮設置澆注系統(tǒng)的形式、進料口數(shù)量及位置，保證正常成型，還應注意防止流料直接沖擊嵌件及細弱型芯受力不均以及應充分估計可能產生的質量弊病和部位等問題，從而采取相應的措施或留有修整的余地。 d)、塑件外觀：設置澆注系統(tǒng)時應考慮到去除、修整進料口方便，同時不影響塑件的外表美觀。 e)、冷料：在注射間隔時間，噴嘴端部的冷料必須去除，防止注入型腔影響塑件質量，故設計澆注系統(tǒng)時應考慮儲存冷料的措施[6]。 5．3．3 主流道的設計 不流道是澆注系統(tǒng)中從注射機噴嘴與模具相接觸的部分開始，到分流道為止的塑料熔體的流動通道。 （1）、主流道的尺寸 設計中選用的注射機為XS-Z-30，其噴嘴直徑為4，噴嘴球面半徑為12，根據(jù)圖（6），主流道各具體尺寸如下： 圖（6）主流道尺寸示意圖 （2）、主流道襯套的形式 選用如圖（7）所示類型的襯套，這種類型可防止襯套在塑料熔體反作用下退出定模。將主流道襯套和定位球設計成兩個零件，然后配合固定在模板上，襯套與定模板的配合采用。 圖（7）主流道襯套及其固定形式 （3）、主流道襯套的固定 用嵌入式定位環(huán)壓住主流道襯套大端，定位環(huán)與注射機模板上的定位孔之間的配合采用。 5．3．4 分流道的設計 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，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)。本設計中由于塑件排布比較緊湊,且采用潛伏式澆口，在推桿上削去一小塊作為流道進行注射。在主流道設計好以后，推桿位置離它很近，故無需設置分流道而直接經澆口注入推桿而使熔體充滿型腔。如圖（8）所示。 圖（8）主流道和澆口的位置 5．3．5 澆口的設計 澆口出叫進料口，是連接分流道與型腔的通道。它有兩個功能：一是對塑料熔體流入型腔起著控制作用；另一個是當注射壓力撤銷后封鎖型腔，使型腔中尚未固化的塑料不會倒流。常向的澆口形式有直接澆口，側澆口，潛伏式澆口，扇形澆口，圓盤式澆口，環(huán)形澆口等。 澆口的位置選擇原則： 澆口的位置與塑件的質量有直接影響。在確定澆口位置時，應考慮以下幾點： 1. 熔體在型腔內流動時，其動能損失最小。要做到這一點必須使 1)流程(包括分支流程)為最短； 2)每一股分流都能大致同時到達其最遠端； 3)應先從壁厚較厚的部位進料； 4)考慮各股分流的轉向越小越好。 2. 有效地排出型腔內的氣體。 根據(jù)澆口選用原則和為保證塑件表面質量及美觀效果，采用潛伏式澆口。 澆口一般尺寸如圖（9）所示，根據(jù)此圖結合實際選用適當值。澆口中心線偏離水平位置。澆口角度，的值取為1.6 圖（9）潛伏澆口的尺寸示意圖 5．3．6 冷料穴的設計 主流道的末端需要設置冷料穴以往上制品中出現(xiàn)固化的冷料。因為最先流入的塑料因接觸溫度低的模具而使料溫下降，如果讓這部分溫度下降的塑料流入型腔會影響制品的質量，為防止這一問題必須在沒塑料流動方向在主流道末端設置冷料穴以便將這部分冷料存留起來。 冷料穴一般開設在主流道對面的動模板上，其標稱直徑與主流道直徑相同或略大一些，這里取為，最終要保證冷料體積小于冷料穴體積。冷料穴的形式有多種，這里采用倒錐形的冷料穴拉出主流道凝料的形式。它與推桿配用，開模時倒錐形的冷料穴通過內部的冷料先將主流道凝料拉出定模，最后在推桿的作用下將冷料和和主流道凝料隨制品一起被頂出動模。如上圖（8）所示。 5．4 注射模成型零部件的設計[7] 模具閉合時用來填充塑料成型制品的空間稱為型腔。構成模具型腔的零部件稱成型零部件。一般包括凹模、凸模、型環(huán)和鑲塊等。成型零部件直接與塑料接觸，成型塑件的某些部分，承受著塑料熔體壓力，決定著塑件形狀與精度，因此成型零部件的設計是注射模具的重要部分。 成型零部件在注射成型過程中需要經常承受溫度壓力及塑料熔體對它們的沖擊和摩擦作用，長期工作后晚發(fā)生磨損、變形和破裂，因此必須合理設計其結構形式，準確計算其尺寸和公差并保證它們具有足夠的強度、剛度和良好的表面質量。 5．4．1 成型零部件結構設計 成型零部件結構設計主要應在保證塑件質量要求的前提下，從便于加工、裝配、使用、維修等角度加以考慮。 1）、凹模的設計 凹模也稱為型腔，是用來成型制品外形輪廓的模具零件，其結構與制品的形狀、尺寸、使用要求、生產批量及模具的加工方法等有關，常用的結構形式有整體式、嵌入式、 鑲拼組合式和瓣合式四種類型。 本設計中采用整體式凹模，其特點是結構簡單，牢固可靠，不容易變形，成型出來的制品表面不會有鑲拼接縫的溢料痕跡，還有助于減少注射模中成型零部件的數(shù)量，并縮小整個模具的外形結構尺寸。不過模具加工起來比較困難，要用到仿形加工或電火花加工。 2）、凸模的設計 本設計中零件結構較為簡單，塑件中只有電機夾板處較為復雜，深度較大，但經過對塑件實體的仔細觀察研究發(fā)現(xiàn)，塑件采用的是整體式凸模，也叫型芯，雖然有些部位加工、維修不易，但成型后的塑件質量好，在塑件內表面也不會形成接縫，溢料痕跡，加工精度較高，成型效果好。型芯與動模板的配合可采用。 5．4．2 成型零部件工作尺寸的計算 成型零部件工作尺寸是指成型零部件上直接決定塑件形狀的有關尺寸，主要有型腔和型芯的徑向尺寸，型腔的深度尺寸和型芯的高度尺寸，型芯和型芯之間的位置尺寸，以及中心距尺寸等。 在模具設計時要根據(jù)塑件的尺寸及精度等級確定成型零部件的工作尺寸及精度等級。影響塑件尺寸精度的主要因素有塑件的收縮率，模具成型零部件的制造誤差，模具成型零部件的磨損及模具安裝配合方面的誤差。這些影響因素也是作為確定成型零部件工作尺寸的依據(jù)。 由于按平均收縮率、平均制造公差和平均磨損量計算型芯型腔的尺寸有一定的誤差（因為模具制造公差和模具成型零部件在使用中的最大磨損量大多憑經驗決定），這里就只考慮塑料的收縮率計算模具盛開零部件的工作尺寸。 塑件經成型后所獲得的制品從熱模具中取出后，因冷卻及其它原因會引起尺寸減小或體積縮小，收縮性是每種塑料都具有的固有特性之一，選定PS材料的平均收縮率為0.6%，剛計算模具成型零部件工作尺寸的公式為： 式中 A — 模具成型零部件在常溫下的尺寸 B — 塑件在常溫下實際尺寸 成型零部件工作尺寸的公差值可取塑件公差的1/3～1/4，或取IT7～8級作為模具制造公差。在此取IT8級，型芯工作尺寸公差取IT7級。模具型腔的小尺寸為基本尺寸，偏差為正值；模具型芯的最大尺寸為基本尺寸，偏差為負值，中心距偏差為雙向對稱分布。各成型零部件工作尺寸的具體數(shù)值見圖紙。 5．5 排氣結構設計 排氣是注射模設計中不可忽視的一個問題。在注射成型中，若模具排氣不良，型腔內的氣體受壓縮將產生很大的背壓，阻止塑料熔體正?？焖俪淠?，同時氣體壓縮所產生的熱使塑料燒焦，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會滲入塑料制件內部，造成氣孔、組織疏松等缺陷。特別是快速注射成型工藝的發(fā)展，對注射模的排氣系統(tǒng)要求就更為嚴格。 在塑料熔體充模過程中，模腔內除了原有的空氣外，還有塑料含有的水分在注射溫度下蒸發(fā)而成的水蒸氣、塑料局部過熱分解產生的低分子揮發(fā)性氣體，塑料中某些添加劑揮發(fā)或化學反應所生成的氣體。常用的排氣方式有利用配合間隙排氣，在分型面上開設排氣槽排氣，利用推桿運動間隙排氣等。 由于本次設計中模具尺寸不大，本設計中采用間隙排氣的方式，而不另設排氣槽，利用間隙排氣，以不產生溢料為宜，其值與塑料熔體的粘度有關。 5．6 脫模機構的設計 塑件從模具上取下以前還有一個從模具的成型零部件上脫出的過程，使塑件從成型零部件上脫出的機構稱為脫模機構。主要由推出零件，推出零件固定板和推板，推出機構的導向和復位部件等組成。 5．6．1 脫模機構的選用原則 （1） 使塑件脫模時不發(fā)生變形（略有彈性變形在一般情況下是允許的，但不能形成永久變形）； （2） 推力分布依脫模阻力的的大小要合理安排； （3） 推桿的受力不可太大，以免造成塑件的被推局部產生隙裂； （4） 推桿的強度及剛性應足夠，在推出動作時不產生彈性變形； （5） 推桿位置痕跡須不影響塑件外觀； 5．6．2 脫模機構類型的選擇 推出機構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，液壓和氣動推出機構。根據(jù)推出零件的類別還可分為推桿推出機構、套管推出機構、推板推出機構、推塊推出機構、利用成型零部件推出和多元件綜合推出機構等。 本設計中采用推桿推出機構使塑料制件順利脫模。 5．6．3 推桿機構具體設計 （1）、推桿布置 該塑件共采用了7根大小推桿，其分布情況如圖（10）所示，這些推桿設置在脫模阻力較大的地方及強度剛度較大處，使制品所受的推出力均衡。 圖（10）推桿布置 （2）、推桿的設計[7] 本設計中采用臺肩形式的圓形截面推桿，設計時推桿的直徑根據(jù)不同的設置部位選用不同的直徑，其中一個為4mm，四個為３mm，兩個為２mm，見圖（１0）。推桿端平面不應有軸向竄動。推桿與推桿孔配合一般為，其配合間隙不大于所用溢料間隙，以免產生飛邊，PS塑料的溢料間隙為。 （3）、推桿固定和復位 如圖（11）所示 圖（11）推桿固定和復位 5．6．4 脫模動作原理 本設計中潛伏式澆口設計在動模部分，開模時塑件包在動模型芯上隨動模一起移動，推出機構工作時，大小推桿將塑件從凸模上推出，同時澆口被切斷，塑件自動脫落。如圖（12）所示。 圖（12）塑件脫模動作圖 5．7 模具總裝圖[8] 圖（13）注射模具三維裝配圖（線框式） 5．8 注射模溫度調節(jié)系統(tǒng) 在注射模中，模具的溫度直接影響到塑件的質量和生產效率。由于各種塑料的性能和成型工藝要求不同，對模具溫度的要求也不相同。一般注射到模具內的塑料粉體的溫度為左右，熔體固化成為塑件后，從左右的模具中脫模、溫度的降低是依靠在模具內通入冷卻水，將熱量帶走。對于要求較低模溫（一般小于）的塑料，如本設計中的聚苯乙烯PS，僅需要設置冷系統(tǒng)即可，因為可以通過調節(jié)水的流量就可以調節(jié)模具的溫度。 模具的冷卻主要采用循環(huán)水冷卻方式，模具的加熱有通入熱水、蒸汽，熱油和電阻絲加熱等。 5．8．1 溫度調節(jié)對塑件質量的影響 注射模的溫度對于塑料熔體的充模流動、固化成型、生產效率以及制品的形狀和尺寸精度都有影響，對于任一個塑料制品，模具溫度波動過大都是不利的。過高的模溫會使塑件在脫模后發(fā)生變形，若延長冷卻時間又會使生產率下降。過低的模溫會降低塑料的流動性，使其難于充模，增加制品的內應力和明顯的熔接痕等缺陷。冷卻系統(tǒng)的外形結構如圖（14）（15）所示。 圖（14）注射成形機的典型冷卻系統(tǒng) 圖（15）與模板連接之冷卻孔道 5．8．2 冷卻系統(tǒng)之設計規(guī)則 設計冷卻系統(tǒng)的目的在于維持模具適當而有效率的冷卻。冷卻孔道應使用標準尺寸，以方便加工與組裝。設計冷卻系統(tǒng)時，模具設計者必須根據(jù)塑件的壁厚與體積決定下列設計參數(shù)： 冷卻孔道的位置與尺寸、孔道的長度、孔道的種類、孔道的配置與連接、以及冷卻劑的流動速率與熱傳性質。 (1) 冷卻管路的位置與尺寸 　　塑件壁厚應該盡可能維持均勻。冷卻孔道最好設置是在凸模塊與凹模塊內，設在模塊以外的冷卻孔道比較不易精確地冷卻模具。 　　通常，鋼模的冷卻孔道與模具表面、模穴或模心的距離應維持為冷卻孔道直徑的1~2倍，冷卻孔道之間的間距應維持3~5倍直徑。冷卻孔道直徑通常為10~14 mm（7/16~9/16英吋），在此取12mm。 5．9 模架及標準件的選用 5．9．1 模架的選用 根據(jù)以上的設計，再結合模具的強度和剛度以及所選注射機，各模板的代號及尺寸如下： 下模板 GB4169.8-84 230 推桿墊板 GB4169.7-84 20011011 推桿固定板 GB4169.7-84 20011013 墊塊 GB4169.6-84 2006033 動模墊板 GB4169.8-84 20018030 定模固定板 GB4169.8-84 20018020 上模板 GB4169.8-84 23018020 動模固定板 GB4169.8-84 20018020 5．9．2 標準件的選用 為了便于模具的裝配，減少繁重的設計和制造工作量，縮短生產準備時間和降低成本，一些模具都選用標準零件，本設計中的標準零件選用如下： 導柱 GB4169.4-84 146318 4個 導套 GB4169.2-84 1418 4個 推桿 GB4169.1-84 390 3個 復位桿 GB4169.1-84 1233 4個 內六角螺釘 GB70-85 M 1467 4個 M 1022.5 4個 M 1421 4個 M 511 4個 6 模具材料的選用 正確選用模具各部分零件的材料，是注射模具設計過程中的一項重要工作，它直接影響模具的使用壽命，加工成本以及制品的成型質量。選擇模具材料時，需要根據(jù)模具工作條件，從使用性能和加工性能兩方面對材料提高要求。 6．1 成型零件材料選用 成型零件材料選用的要求如下： （1）、機械加工性能良好 （2）、拋光性能良好 注射成型零件工作表面，多需拋光達到鏡面，，要求鋼材硬度35～40HRC為宜，過硬表面會使拋光困難。 （3）、耐磨性和抗疲勞性能好 （4）、具有耐腐蝕性能 6．2 注射模用鋼種 熱塑性注射模成型零件的毛坯，凹模和主型芯以板材和模具供應，常用50和55調質鋼，硬度為250～280HB，易于切削加工。 型芯和鑲塊以棒材供應，采用淬火變形小，淬透性好的高碳合金鋼，經熱處理后在磨床上直接研磨至鏡面。常用9CrWMn、Cr12MoV和3Cr2W8V等鋼種,淬火后回火HRC55，有良好的耐磨性。 參考文獻[2]表11-1、11-2，本設計模具材料選用情況如下： 塑料模具鋼材選用，PS塑料適用鋼種PMS，SM2。其它模具選材見表（4) 模具零件 使用要求 模具材料 熱處理 導柱、導套 表面耐磨、有韌性、抗曲、不易折斷 T8（A） 表面淬火 成型零部件 強度高、耐磨性好、熱處理變形小，有時還要求耐腐蝕 Cr12MoV 淬火 中溫回火 主流道襯套 耐磨性好，有時還要求耐腐蝕 45鋼 表面淬火 推桿、拉料桿等 一定的強度和耐磨性 T8（A） 淬火 低溫回火 各種模板、推板、固定板、模座等 一定的強度和剛度 45鋼 調質 表（4）本設計模具選材情況 7 注射成型工藝過程模擬分析 高質量的塑件需要優(yōu)秀的產品設計、高水平的模具和優(yōu)化的成型工藝三者的有機結合，傳統(tǒng)的方法大多數(shù)是根據(jù)經驗進行反復的試模，現(xiàn)在應用專業(yè)的模流分析軟件MOLDFLOW進行注射流動模擬分析，大大減少了試模次數(shù)，縮短了產品開發(fā)周期，降低生產成本并提高了產品質量。 這里采用的是一種應用較多的CAE軟件-- MOLDFLOW PLASTICS ADVISERS （產品優(yōu)化顧問）在計算機上對整個注射過程進行模擬分析，將分析結果反饋到以上的設計中，對各種參數(shù)進行優(yōu)化。 分析步驟如下： 1、從UG中將塑件的三維模型到 MPA 中 2、澆注系統(tǒng)設計并設置進料口 3、選用合適的材料PS 4、設置工藝參數(shù)，這里選擇注射壓力119 MPa，模具溫度45度，熔體溫度220度。 5、進行充模和流動分析 充模分析結果如下： SUMMARY Release Level: 6.0 Part Revision: 5 Material Supplier: Polystyrene Australia Material Grade: Austrex 112 Max Injection Pressure: 119.00 MPa Mold Temperature: 45.00 deg.C Melt Temperature: 220.00 deg.C Model Suitability: Part model was highly suitable for analysis. Moldability: Your part can be easily filled but part quality may be unacceptable. View the Quality plot and use the Dynamic Adviser to get help on how to improve the quality of the part. Confidence: Medium Injection Time: 0.38 sec Injection Pressure: 7.92 MPa Weld Lines: Yes Air Traps: Yes Shot Volume : 3.22 cu.cm Filling Clamp Force: 0.43 tonne Packing Clamp Force Estimate @20%: ( 1.58 )MPa 0.14 tonne Packing Clamp Force Estimate @80%: ( 6.34 )MPa 0.58 tonne Packing Clamp Force Estimate @120%: ( 9.51 )MPa 0.87 tonne Clamp Force Area: 8.93 sq.cm Cycle Time: 7.88 sec 塑件的透明模型圖及初選澆口位置的放置如圖（16） 圖（16）Glass Model 充模時間圖（17）從下的充填時間可以看出，在0.38秒內塑件全部充滿。模型端部不是同時充滿，說明澆口位置不夠合理。 圖（17）Fill Time 注射壓力分布圖（18），熔融體對模腔的最大壓力為7.92 MPa，所選注射機能滿足注射和保壓要求。 圖（18）注射壓力（Injection Pressure）分布圖 圖（19）為Quality Prediction質量（品質）預測圖，結果表明，注射結果中等，塑件總體質量良好。 圖（19）質量（品質）預測 圖（20）為熔接痕（Weld Lines）分布圖，從圖可以看出熔接痕集中在塑件端部，而且不是很多，能保證塑件的外觀要求和強度。熔接痕的消除辦法有提高模具溫度，提高注射壓力和速度，增設排氣槽等。 圖（20）熔接痕分部圖 圖（21）為氣泡缺陷（Air Traps）分布圖，產生氣泡的原因很多，主要原因有產生揮發(fā)性氣體或熔體流動性差造成的，也可以通過提高塑料及模具溫度，提高注射速度等方法來加以解決。 圖（21）氣泡分布圖 圖（22）中藍色部分為最佳澆口位置，選擇這些位置設置澆口，對塑料的流動及填充，得到高質量的塑件，有著重要的借鑒意義。 圖（22）Best Gate Location 根據(jù)CAE分析結果，本次模具設計方案基本能滿足塑件的質量要求，不過有些地方還需要適當?shù)母倪M（比如澆口位置）。多輸入幾次不同的成型工藝參數(shù)，比較所得的模擬分析結果就能確定出最佳的成型工藝條件，減少經濟損失，并獲得高質量的塑件制品。 總結 本次塑料模具設計，全面考慮了塑料成型性能，模具結構特點，注射工藝參數(shù)，塑件表面粗糙度以及制造精度等，在理論分析和數(shù)據(jù)計算生產操作上論證該設計是