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摘 要
在生活中家里的洗菜池有污物過濾網(wǎng)，但是需要人為定期清理污物，經(jīng)常會忘記清理導致污物流入下水道，即使是及時清理，也難免有一些污物流走，雖然每次進入下水道的污物比較少，但是時間長了，人數(shù)多了就會導致下水道堵塞，海水污染。
本次設計所研究的“下水道固液分離裝置設計”，比較全面的描述了下水道固液分離裝置設計的全過程，從固液分離的性能分析開始，相繼對裝置結(jié)構形式、分離裝置設計、葉輪模具設計等問題，系統(tǒng)的論述了下水道固液分離裝置的設計過程。設計中擬采用全三維結(jié)構設計技術，利用SolidWorks三維軟件對固液分離裝置進行三維建模，確定了分離裝置、傳動裝置、動力裝置的整體布局等，并進行了葉輪葉片的塑件工藝分析、成型零件設計、擬定模具結(jié)構、用CAD軟件繪制模具的二維圖，明了的展示了整體裝置的結(jié)構和葉輪葉片的模具結(jié)構 。
關鍵詞：固液分離；注塑模具；三維設計
ABSTRACT
In the life of the domestic vegetable pool has a dirt filter, but the need for regular cleaning of dirt, often forget to clean up the sewage into the sewer, even in time to clean up, it is inevitable that some dirt flow, although each into the sewer Of the dirt is relatively small, but a long time, the number will lead to more sewers blocked, sea water pollution.
The design of the "sewer solid-liquid separation device design", a more comprehensive description of the sewer solid-liquid separation device design of the whole process, from the solid-liquid separation of the performance analysis began, the device structure, separation device design, impeller Mold design and other issues, the system discussed the sewer solid-liquid separation device design process. The three-dimensional modeling of the device is carried out by means of SolidWorks three-dimensional software. The overall layout of the separation device, transmission device and power plant is determined, and the plastic parts of the impeller blade are analyzed and the forming parts are analyzed. Design, the development of mold structure, with CAD software to draw the mold of the two-dimensional map, clearly demonstrated the structure of the overall device and the blade blade mold structure.
Key words: solid-liquid separation; injection mold; three-dimensional design
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1.緒論 1
1.1應用價值 1
1.2發(fā)展趨勢 2
1.3本設計研究的內(nèi)容、方法及成果 3
2.下水道固液分離方案設計 5
2.1總體方案設計 5
2.2 固液分離裝置方案設計 5
2.3 下水道固液分離裝置機械機構模型 5
3.固液分離裝置的設計 7
3.1固液分離裝置的種類 7
3.2濾帶式固液分離裝置 8
3.2.1葉輪葉片的設計 8
3.2.2皮帶組的設計 9
3.2.3軸的校核 11
3.3總體裝置的裝配 14
4.葉輪葉片模具設計 16
4.1塑料基本理論及塑件的工藝分析 16
4.1.1塑料成型方法 16
4.1.2塑件的工藝分析 16
4.2成型零件設計 17
4.2.1成型零件的尺寸確定 18
4.2.2凸、凹模的結(jié)構設計及強度計算 19
4.3擬定模具結(jié)構 20
4.3.1確定型腔數(shù)量及排列方式 20
4.3.4標準模架的選定 22
5.環(huán)保分析 24
6．總結(jié) 25
參 考 文 獻 26
附錄： 27
42
1.緒論
1.1應用價值
水對我們有著重要的意義 ,它既是生命的源泉，也是人類生活和發(fā)展的必不能少的最重要的物質(zhì)資源之一。人的生命永遠也離不開水,水是人生命組成最主要的元素。在現(xiàn)代工業(yè)中,沒有一個工業(yè)部門是不用水的。也沒有一項工業(yè)不和水直接或間接發(fā)生關系。更多的工業(yè)是利用水來冷卻設備或產(chǎn)品,例如鋼鐵廠等。水還常常用來作為洗滌劑,如漂洗原料或產(chǎn)品,清洗設備或地面,每個工廠都要利用水的各種作用來維護正常生產(chǎn),幾乎每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都有水的參與。
在生活中,家里的洗菜池有污物過濾網(wǎng),但是需要人為定期清理污物,經(jīng)常會忘記清理導致污物流入下水道,即使是及時清理,也難免有一些污物流走,雖然每次進入下水道的污物比較少,但是時間長了,次數(shù)多了就會導致下水道堵塞。而校園等公共場所的下水道堵塞時間更是時有發(fā)生,主要應為是公共財產(chǎn),所以大家都不以為然,從而引起了資源的浪費和環(huán)境的污染。
固液分離是一種重要的單元操作,從液相中除去固體一般采用篩或沉淀方法,水處理中有微濾、澄清和深床過濾等方法?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)固液分離技術主要集中在壓濾、過濾、重力沉降等方面,它廣泛的應用于醫(yī)藥衛(wèi)生、造紙、環(huán)境保護、食品、發(fā)酵等各大行業(yè)。在許多生產(chǎn)過程中,過濾分離機構是重要設施之一,其技術水平的程度,品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響到許多過程完成工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的可能性、工藝過程的先進性和可靠性、制品質(zhì)量和能耗、環(huán)境維護等經(jīng)濟和社會效益。全球水資源急劇短缺,生存環(huán)境日益惡化,人們因此對固液分離裝置也提出了更高的要求,世界各國的許多研究者在這方面的也有很多深入的研究。
本論文所研究“機械式下水道固液分離裝置”結(jié)構中，對固液分離分離裝置進行結(jié)構設計，使用SolidWorks繪制固液分離裝置的三維圖，使用人員可以可視化的環(huán)境中確定結(jié)構的參數(shù)，并直接生成裝置零件的實體、裝配體、以及工程圖。確定結(jié)構設計對結(jié)構中的葉輪進行模具設計，模具圖紙的尺寸標注宜采用坐標尺寸標注，可使圖紙尺寸齊全、正確、清晰，尺寸線分布合理，而且有利于模具的生產(chǎn)加工。
綜上所述，本次畢業(yè)設計的研究工作，用于解決現(xiàn)代生活中下水道因為雜物堵塞所造成的困擾有較高的利用價值。模具設計可以在日趨激烈的商品經(jīng)濟條件下，低沉本、高效率、短周期的競爭中的推廣實施使用和制造有較高的理論意義和應用推光價值。
1.2發(fā)展趨勢
近十幾年來, 隨著物料固液分離技術應用領域的擴大, “ 固液分離” , 尤其是 “過濾” 已幾乎存在于各個工業(yè)領域和環(huán)保過程。很多要求固液分離的漿體中的固形物顆粒粒度都很細。且有越來越細之勢, 而且總的發(fā)展趨勢是要求濾液的高澄清度和濾渣的低含濕量, 以減少干燥和進一步處理的工作量、 降低固液分離成本。這就使得固液分離技術面臨前所未有的挑戰(zhàn), 同時也就促使整個固液分離技術和設備圍繞這些挑戰(zhàn)而迅速發(fā)展。
當前除常用的固液分離設備與技術如真空過濾機和壓濾機, 過濾和沉降離心機, 普通沉降濃密機 (強化和高效濃度機), 普通澄清機, 有預涂層的過濾機、 壓濾機和深層床過濾機, 上向式分離的氣浮機, 篩分、 水力旋流器、 磁分離、 泡沫浮選以及凝聚和絮凝、 助濾劑、 洗滌、 過濾介質(zhì)及其選擇等以外, 面對微細料漿的微濾和膜濾, 則是近十年來重要的研究和發(fā)展方向。
目前國內(nèi)外的發(fā)展趨勢主要有4種：
(1)在不太增加能耗的前提下發(fā)展和改進各種壓濾機
為降低濾渣的濕含量和降低脫水總成本, 促進各式壓濾機的發(fā)展, 同時基于對濾餅尤其是可壓縮濾餅性質(zhì)的深入研究, 更加重視和發(fā)展濾餅的壓榨或壓縮技術。 間斷式板框壓濾機仍在材料、 板框結(jié)構、 進出口布置、 過濾介質(zhì)、提高和合理采用過濾壓力以及過濾機理等多方面進行研究和改進。
(2)為提高濾渣固含量和濾液澄清度, 沉降離心機還有許多潛力
沉降離心機和過濾離心機是固液分離的重要設備, 用途異常廣泛, 發(fā)展快、 品種多, 國內(nèi)外的廠家都相當多。除轉(zhuǎn)鼓和螺旋結(jié)構外, 離心機在機械傳動、 檢測、 指示、自動控制以及密封等方面。
(3)復合技術正在實踐中發(fā)展
復合技術在過濾脫水中的應用已經(jīng)越來越普遍,下面就舉幾個例子：
美國生產(chǎn)的 J-VAP 壓濾機, 將蒸發(fā)、 真空技術結(jié)合在板框壓濾機上, 使濾餅水分幾乎達到干燥的水平, 可在55%～ 99%固含量范圍內(nèi)選擇。 其過濾室很窄, 所以初步過濾階段的時間很短, 只是排除自由水, 接著就用65～ 80℃的熱水壓縮濾室, 并引入真空, 以使殘存的水分能蒸發(fā)。
Larox、 Scheibler 兩個過濾公司共同開發(fā)的過濾機很有特色, 利用了微米和亞微米顆粒能附著在過濾介質(zhì)的纖維上的吸附現(xiàn)象, 盡管這些顆粒的粒度足以通過介質(zhì)的孔隙,但這樣的料漿通過這種壓濾機后其濾液極清, 固體顆粒濃度僅百萬分之幾, 而且完全不需要助濾劑。 過濾機用耐腐蝕、 耐高溫的材料制作, 過濾面積可達 720m2 。 在實踐上可作為濃密機溢流中固體物的再回收。
Hydroflow 公司在離心過濾機中采用濾芯可以提高過濾去除微細顆粒的能力;美國的 Heinkel 公司推出的加壓過濾離心機的離心力可達 2000g, 通過后續(xù)的壓榨和吹氣脫水,濾餅水分可降低至 0.008%, 而且設備尺寸小、 工作周期短、 能耗低。
(4)膜濾技術蓬勃發(fā)展
由于需要脫水的物料的固形物顆粒越來越小, 納米級料漿的脫水成為突出的課題 , 過濾正在蓬勃發(fā)展, 包括濾膜和設備。
1.3本設計研究的內(nèi)容、方法及成果
由于本裝置屬于創(chuàng)新型產(chǎn)品，考慮到如何投放日常生活中的各個角落，如何發(fā)揮本產(chǎn)品的優(yōu)勢，加強在生產(chǎn)生活的優(yōu)勢。本次設計對下水道固液分離裝置設計研究，重點解決下述幾個方面的問題：
1)分離裝置和葉輪葉片的性能研究
機械設計角度及動力學特征分析。對葉輪-分離裝置進行力學分析，研究選用合適的分離裝置及葉輪。
2)整機結(jié)構設計
①分離裝置設計
綜合考慮總體布局，經(jīng)濟學，可靠性等因素，分離裝置采用濾帶式固液分離裝置。濾帶式固液分離裝置能夠完美適應下水道工作，不占太大體積，不需要較多力去傳動。十分適合我的選題。
②傳動裝置設計
綜合考慮總體布局，經(jīng)濟性，可靠性和傳動力矩的大小等因素，傳動裝置采用帶傳動，二級加速。
③動力裝置設計
在本裝置中沒有外在能源供給，又因為本裝置的位置特殊性，可采用水能裝置。在下水道中可以將水能充分利用。
3)葉輪葉片設計及模具設計
① 塑料成型工藝（原材料，結(jié)構和尺寸）分析；
② 計算塑料的體積和重量包括注塑機型號；
③ 塑料注塑工藝的參數(shù)確定；
④ 注塑模的結(jié)構設計，選擇分型面，確定型腔數(shù)量和排列方式，澆注系統(tǒng)的設計成型零件結(jié)構尺寸等；
⑤ 模具設計的有關計算包含注塑機有關參數(shù)的校核等。
為解決上述問題，實現(xiàn)項目研究的目標，本文采取下述研究方法對項目所涉及的多個方面內(nèi)容展開項目研究：
1)固液分離裝置
分離裝置結(jié)構設計，并繪制分離裝置二維裝配圖，分離裝置三維設計及分離裝置零件設計和零件圖繪制。
2)葉輪葉片模具設計
模具設計，并繪制模具零件圖，模具三維設計及零件設計和零件圖繪制。
按照裝置設計的程序與方法，本文從對固液分離的性能分析開始，相繼對裝置結(jié)構形式、分離裝置設計、葉輪模具設計等問題進行了較詳盡的研究分析，并取得了如下研究成果：
(1)完成固液分離裝置三維裝配圖一張；
(2)完成裝置工程圖一套、模具工程圖一套、說明書一份。
此次設計工作的目的運用SolidWorks軟件對產(chǎn)品進行實體造型，掌握較專業(yè)的結(jié)構設計全過程，參數(shù)式的設計理論，為今后的設計工作累計經(jīng)驗。
本次設計研究的主要內(nèi)容為：全面描述下水道固液分離裝置設計及葉輪葉片模具設計的全過程。從裝置的結(jié)構分離裝置設計、傳動裝置設計、動力裝置設計、模具的塑件工藝分析、成型零件設計、擬定模具結(jié)構，系統(tǒng)地論述了下水道固液分離裝置的設計過程。
2.下水道固液分離方案設計
2.1總體方案設計
目前，基本沒有針對下水道分離垃圾的機械裝置應用到實際生活中。裝置具有操作方便簡單等特點。裝置生產(chǎn)后主要是用于下水道垃圾較多的場所比如學校宿舍、居民屋等地方，通過裝置的作用實現(xiàn)下水道固液分離。從而便于下水道廢物的分離減輕員工工作負擔。
本設計主要設計流程如下所示：
（1）固液分離裝置：固液分離裝置顧名思義，是將固體和液體分離的裝置。有多重結(jié)構如：濾帶式固液分離裝置，滾筒式固液分離裝置等，最簡單的當然是自然沉淀法。綜合考慮上述方法：本設計擬采用濾帶式固液分離方式來實現(xiàn)固液分離。
（2）動力裝置：從下水道廢棄物中分離出水以后，可以利用水降落時產(chǎn)生的動能為整個裝置提供動力。水力裝置有多種多樣，有葉輪、筒車燈裝置。本文直接采用葉輪為動力裝置。這方法有效的利用了能源，為節(jié)能減排做出有效的方案。
（3）傳動裝置：將葉輪中的動能傳遞到固液分離裝置可以使用帶輪傳動，加大傳動比，可以更有效的利用所獲得動能。
本章的工作內(nèi)容主要包括對上述過程中的固液分離裝置、動力裝置模塊以及傳動裝置進行設計研究。
2.2 固液分離裝置方案設計
由于本裝置是創(chuàng)新型產(chǎn)品，考慮到如何投放日常生活中的各個角落，如何發(fā)揮本產(chǎn)品的優(yōu)勢，加強在生產(chǎn)生活中的優(yōu)勢而且安裝在下水道下方，體積不宜過大，基本原理是通過裝置中濾帶過濾固體引流液體使下水道廢棄物在運送過程中達到固液分離的作用。通過帶輪降速，達到提高牽引力的作用。最下方安裝葉輪葉片通過水的自由落體達到提供重力的效果。
2.3 下水道固液分離裝置機械機構模型
由于本裝置安裝在下水道中，應該小巧又實用，沒有持續(xù)的能量補充，只能使用水自由落體是產(chǎn)生的重力勢能，故確定分離裝置和動力裝置。
本設計利用SolidWorks軟件完成對下水道固液分離裝置的零部件繪制以及裝置總體的裝配，裝置的總體裝配示意圖如圖2-1所示：
圖2-1分離裝置總體裝配圖
3.固液分離裝置的設計
3.1固液分離裝置的種類
固液分離裝置有多種多樣，能應用在本裝置上的有如下兩種：
（1）濾帶式固液裝置如圖（3-1）所示：它是借助于濾帶過濾廢棄物，濾帶不斷運動帶走廢棄物，從而達到過濾的作用。
圖3-1濾帶式固液分離裝置
（2）滾筒式固液分離裝置如圖（3-2）所示：它的主要借助于離心機告高速旋轉(zhuǎn)將固體和液體分離，從而達到過濾的作用。結(jié)構簡單、操作反面，但是必須要使用離才能操作，缺點是能耗高、噪音高。
圖3-2滾筒式固液分離裝置
經(jīng)過上述幾種類型的固液分離裝置比較，綜合考慮，本裝置中要求的固液分離裝置具有能在狹小的空間工作，所需的動力小，操作簡單易學特點。綜上比較本研究中采用濾帶式固液分離裝置。
3.2濾帶式固液分離裝置
3.2.1葉輪葉片的設計
水在裝置中有著至關重要的作用，決定著該裝置能否運行，運行時的處理量等結(jié)果。為了保證水流的重力作用，本次設計采用勺形扇葉，可以更好的利用少量的水流量獲得更大的動能使能使機構運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化效率高，并使用六片葉輪，一直在進行通過對一般水龍頭的調(diào)查，結(jié)合實際情況的要求確定水龍頭的流量為0.5㎡/s,水龍頭直徑一般為2厘米。可根據(jù)公式求得流速：
Q=πr2×v
Q=1.57×10-4m3/s
葉輪葉片應該結(jié)合實際情況確定，結(jié)合實際情況暫定本次葉輪葉片半徑為25cm受沖擊面面積為：S=πr2=0.196m2
那么葉輪功率就為：
P葉輪=mgh/t=1.57×10-4×103×9.8×0.5=0.7693W
葉輪轉(zhuǎn)速根據(jù)實驗得出20r/s，擬采用16:1的傳動比降速。
結(jié)合實際情況工作時上面的雜物重量一般為50g，傳送帶摩擦系數(shù)μ=0.25，
P傳=Fv=0.25×0.05×9.8×0.625×π×0.04=0.009625W
P葉輪?P傳
故裝置可行
勺形葉扇設計扇葉尺寸和下水管道內(nèi)徑相同，收集更多水以帶動裝置運轉(zhuǎn)如圖3-4裝置中的葉輪
圖3-4裝置中的葉輪
3.2.2皮帶組的設計
皮帶組在本裝置中起著傳送力的作用，所以采用兩組“小帶大”的傳動方式，可以獲得較大的力矩，根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速本設計采用單根Y型V帶傳動。
葉輪的轉(zhuǎn)速為20r/s
第一組帶輪：
由于本產(chǎn)品功率小，載荷變動小使用時間不長所以KA=1
Pca=KAP=0.7693W
選用Y型V帶查《機械設計》表8-9得選用d1=20mm帶輪
帶速：
v=2πrω=0.628m/s
傳動比為4:1，故大帶輪d2=id1=80mm
應該適當選用中心距，中心距大可以增加帶的壽命，但會降低裝置的穩(wěn)定性。故中心距應該在下式范圍內(nèi)：
0.7（d1+d2）≤a0≤2（d1+d2）
50mm≤a0≤200mm
故選用a0=96mm
計算帶長：
Ld1=2a0+πd1+d22+d2-d124a0=358mm
驗算包角：
α1=180°-d2-d157.3°a=144°≥120°
確定帶的初拉力：
F0=500（2.5-Kα）PcaKαzv+qv2=1.078N
軸向壓力：
Fp=2zF0sinα2=2.05N
第二組：
選用Y型V帶查《機械設計》表8-9得選用d3=20mm帶輪
帶速：
v=2πrω=0.1570m/s
傳動比為4:1，故大帶輪d4=id3=80mm
應該適當選用中心距，中心距大可以增加帶的壽命，但會降低裝置的穩(wěn)定性。故中心距應該在下式范圍內(nèi)：
0.7（d3+d4）≤a0≤2（d3+d4）
50mm≤a0≤200mm
故選用a0=200mm
計算帶長：
Ld2=2a0+πd3+d42+d4-d324a0=561mm
驗算包角：
α2=180°-d4-d357.3°a=173°≥120°
第三組
由于要用于傳送垃圾，設計成兩個等直徑的平帶帶輪。中心距為a0=100mm，兩帶輪直徑相等d5=d6=40mm，傳送帶寬為98mm
如圖3-5皮帶組示意圖（圖中大輪與小輪的半徑比越4/1）：
圖3-5皮帶組示意圖
而如果本產(chǎn)品用于其他公共場合則可以適當減小傳動比，已獲得更快的轉(zhuǎn)速，處理更多污物。
采用網(wǎng)狀傳送帶，多段設計（由于軟件問題圖中并未畫出，作品用竹排代替效果不錯），可以在實現(xiàn)傳送帶圓弧處運轉(zhuǎn);并帶有側(cè)翼，更好的實現(xiàn)污物的收集，并保證沒有“漏網(wǎng)之魚”，再加上一清掃刷（圖中未標示）便能很好清理網(wǎng)帶。（通過改善傳送帶面的斜度現(xiàn)設計為5°~8°，也能有效的提高傳送帶的傳送效率）如圖3-5皮帶組示意圖。
3.2.3軸的校核
已知參數(shù)：
P1=0.7693W，n1=10r/s，F(xiàn)t=1.26N，F(xiàn)r=2.05N。
①求最小安全直徑
d1min=A03P1/n1=11230.7693×10-3/10=4.76mm
故選用5mm的軸
②軸的結(jié)構設計
根據(jù)軸上零件位置，主動軸與從動軸均設計為過盈配合。
P3=P1=0.7463W
主動軸如圖3-6主動輪位置：
圖3-6第一軸動輪位置
受力簡圖如圖3-7受力分析所示：
圖3-7第一軸的受力分析
c為危險截面，將c的值列于下表3-1危險截面處的主要數(shù)值
表3-1危險截面出的主要計算數(shù)值
載荷
水平面H
垂直面V
支撐反力F
彎矩M
總彎矩
扭矩T
按彎矩合成校核該軸的強度：
=1.51MPa
查表得45號鋼的[]=60MPa，故安全
由于<<[]，故之后的軸計算省略。
3.3總體裝置的裝配
在傳送帶運轉(zhuǎn)的時候即可達到收集污物的目的簡單有效。也可以將本裝置直接連入垃圾桶，便可省去人工操作。如圖3-8收集在處理裝置
圖3-8收集再處理裝置
如圖3-9工作原理所示，我們假設一杯有茶葉的茶水倒入洗菜池，下一步水和茶葉流經(jīng)下水道到達網(wǎng)狀傳送帶，此時茶葉將被傳送帶網(wǎng)擋住，水則漏過傳送帶被下方漏斗所收集，繼續(xù)流入下方下水管，此時茶水沖擊勺形葉扇處，由于具有一定的勢能，將帶動葉扇旋轉(zhuǎn)，從而啟動傳動系統(tǒng)，進而傳送帶轉(zhuǎn)動運行，將茶葉（污物）帶動至收集處，完成污物收集。
圖3-9下水道固液分離裝置工作原理
本設計產(chǎn)品有如下幾點優(yōu)勢：
1）采用網(wǎng)狀帶側(cè)翼傳送帶，可以實現(xiàn)帶側(cè)翼傳送帶的運轉(zhuǎn)；更好實現(xiàn)污物收集處理；
2）采用勺形葉扇，更好利用重力勢能提供動力 ；
3）使用皮帶傳動系統(tǒng)，更好適應不同場所傳動需求。；
4）帶有小刷子，幫助清理皮帶，清除污物更徹底，減少更換皮帶的次數(shù)；
5）帶有限位水孔可以防止堵塞后不能及時處理時產(chǎn)生的積水過多的情況；
6）適用于各種下水道需要分離污物的場所；
7）不耗電，節(jié)能環(huán)保，方便。
在全國各大中城市，無論是家庭還是公共場所都可以應用本裝置，且本裝置結(jié)構相對也不是很復雜，基本所有家庭都有能力消費，而且節(jié)能環(huán)保，政府部門也會給予相應支持，應用前景廣泛，讓城市更美好。
4.葉輪葉片模具設計
4.1塑料基本理論及塑件的工藝分析
4.1.1塑料成型方法
塑料模塑成型方法有很多,它主要包括注射模塑、壓縮模塑、傳遞模塑、成型模塑、擠出模塑、吹塑模塑和注塑等方法。其中主要的模塑成型方法有:
(1)注射成型
熱塑性材料產(chǎn)品的成型主要使用注射成型來完成。優(yōu)點是周期短,能直接產(chǎn)出尺寸和外形要求高的塑料產(chǎn)品,生產(chǎn)高效,適合自動化生產(chǎn)。
(2)壓縮成型
熱固性材料產(chǎn)品的成型主要使用壓縮成型來完成。優(yōu)點是模具構造不復雜,消耗低,可制造面積較大的塑料制品,但尺寸等精度不能太高,其生產(chǎn)周期也長。
4.1.2塑件的工藝分析
經(jīng)過調(diào)查資料和向老師咨詢,該塑件可以選用軟質(zhì)聚氯乙烯(Polyvinyl chloride),成性比較容易,它屬熱塑性塑料,是一種白色粉末狀樹脂,形同白粉。
表4-1軟質(zhì)聚氯乙烯（PVC）注射成型工藝參數(shù)與性能表
名稱
軟質(zhì)PVC
收縮率（%）
1.0-3.0
密度（g/cm3）
1.16-1.35
熔融溫度（℃）
150-180
成型模溫（℃）
20-40
注射成型壓力（MPa）
56-100
線長比
100
結(jié)晶性
非結(jié)晶性
射速
中等
葉輪葉片結(jié)構示意圖和三維立體圖如下4-1、4-2
圖4-1葉輪葉片結(jié)構示意圖
圖4-2葉輪葉片三維立體圖
由上面兩幅圖可知：該塑料制品形狀如勺提，中間成凹陷，有延伸把手，外殼壁較薄，產(chǎn)品體積較小，表面較為光滑，是一個相對較為簡單的零件。
4.2成型零件設計
成型零件的工作尺寸是指型腔(凹模)和型芯(凸模)直接構成塑件的尺寸。凹、凸模工作尺寸的精度直接影響塑件的精度。通常,凹、凸模的工作尺寸根據(jù)塑料的收縮率,凹、凸模零件的制造公差以及磨損量三個因素確定。
4.2.1成型零件的尺寸確定
① 凹模工作尺寸計算
凹模是成型塑件外行的模具零件，其工作尺寸屬包容尺寸，在使用過程中凹模的磨損會使包容尺寸逐漸的增大。所以，為了使得模具的磨損留有修模的余地以及裝配的需要，在設計模具時，包容尺寸盡量取下限尺寸，尺寸公差取上偏差。具體計算公式如下：
凹模的徑向尺寸計算公式：
式中：—塑件的外形公稱尺寸；
k—塑件的平均收縮率，k=0.02；
—塑件的尺寸公差；
凹模的深度尺寸計算公式：
H=[ （1+k）-（2/3）]
式中：——塑件縱向的公稱尺寸。
本次設計的塑件材料為聚氯乙烯（PVC），平均收縮率為2%。
凹模有關尺寸的計算
徑向尺寸
=[80（1+0.02）-（3/4）×1.2]
=80.7
深度尺寸
H =[ （1+k）-（2/3）]
=[50.5（1+0.02）-（2/3）×0.2] =51.51
②凸模的工作尺寸計算
凸具體計算公式如下：
凸模的徑向尺寸計算公式：
=[（1+k）+（3/4）]
凸模的深度尺寸計算公式：
=[（1+k）+（2/3）]
式中：——塑件高度方向的公稱尺寸。
本設計凸模有關尺寸的計算
徑向尺寸
=[（1+k）+（3/4）]
=[79（1+0.02）+（3/4）×1.0]
=81.33
深度尺寸
=[（1+k）+（2/3）]
=[49（1+0.02）+（2/3）×0.2]
=50.11
4.2.2凸、凹模的結(jié)構設計及強度計算
凹模是成型塑件外形的,一般要求表面光潔,盡量減少有拼縫,它一般裝在定模板上,有整體式和組合式兩種形式。
凹模由整塊材料加工制造而成,模具結(jié)構簡單,在塑料制品上無縫痕跡,牢固、不易變形。
拔模斜度為：20′。
材料：采用45鋼。
剛度計算如下：
由于模具的特殊性，剛度條件應從以下三個方面考慮。
（1） 模具型腔不產(chǎn)生溢料或飛邊，可根據(jù)表4-1查得：
表4-1PVC推薦[δ]值
塑料名稱
最小溢料間隙（mm）
推薦的[δ]（mm）
軟質(zhì)PVC
0.055～0.08
0.05～0.07
[δ]：型腔的剛度條件（許用變形量）
（2）保證塑料制品的尺寸精度
凹模的側(cè)壁剛度條件應為制品尺寸及其公差值（△i）的函數(shù)，其允許變形值[δ]可由經(jīng)驗公式確定：
表4-2經(jīng)驗公式表
塑料制品的尺寸（mm）
經(jīng)驗公式[δ] （mm）
>200～500
△i/[10（1+△i）]
[δ]：=△i/10（1+△i） = 3.6×7/10×（1+3.6×7）=0.096
凹模壁厚的計算公式：
式中：t——凹模壁厚（mm）；
p——凹模壓力，一般取25～45Mpa；
L——凹模側(cè)壁的長邊長度（mm）；
E——彈性模量，鋼為2.1×10Mpa；
c——為常數(shù)，由公式c=3（L /）/2[48+（L/H）]確定；
H——受壓力部分的側(cè)壁高度（mm）；
δ——允許變形量（mm）；
將數(shù)值代入解得：t=28.40～34.55mm
實際設計最小厚度為：300-193.35=106.65＞t
結(jié)論：剛度完全滿足使用條件。
4.3擬定模具結(jié)構
4.3.1確定型腔數(shù)量及排列方式
從模具制造經(jīng)驗來講,一模單腔的結(jié)構主要用于精度要求高的塑件;一模多腔可用于精度和外形要求不高塑件,又是生產(chǎn)批量高,可以讓生產(chǎn)效率有效的提高。所以型腔的數(shù)量可以依據(jù)具體情況而定。
型腔的數(shù)量是由塑件尺寸及生產(chǎn)量決定,考慮到本產(chǎn)品的結(jié)構比較簡單, 尺寸偏小,因此我設計的葉輪葉片模具為一模四腔。
如圖4-3所示：
圖4-3型腔結(jié)構示意圖
4.3.2模具結(jié)構形式的確定
因為塑件外形、尺寸精度和裝配精度需求低,因此我設計的模具計劃使用側(cè)澆口。考慮到本塑件結(jié)構比較簡單,以及一模多腔的結(jié)構,需要采用二次頂出機構,以完成自動切斷,實現(xiàn)自動化高效率生產(chǎn)。在此采用先推出塑件后推出澆口中凝料的結(jié)構形式。
4.3.3分型面位置的確定
如何確定分型面,許多因素并不能簡單的思考。分型面需要從以下幾點分析:塑件在模具中所在的方位、表面復雜度的要求及推出方案、模具澆口形式設計及生產(chǎn)時的問題等原因的影響。與上述分析相結(jié)合,選擇一個更合適的方案,從所有方案時,選擇一個合適的分型面。所以在采用分型面方案時一般有以下幾項注意事項:
(1)方便塑件在脫模時并簡化模具整體構造:為了便于推出機構推出模具的行動,一般選擇的分型面必須在完成制造后留在動模一邊。
(2)應放在塑件外形最大的地方:面積越大越利于塑從型腔中脫落。
滿足塑件的外觀需求:如果在塑件上留下溢料痕跡或拼合縫的痕跡,就不能使用。挑選的分型面不能對產(chǎn)品外觀有影響。
如圖4-4所示
圖4-4葉輪葉片分型面示意圖
4.3.4標準模架的選定
模具結(jié)構采用一摸一腔二版式結(jié)構，根據(jù)塑料制品結(jié)構、尺寸，選擇長×寬×高為600×600×410mm的模架，具體尺寸見裝配圖SXG2009-06。模架型號：5060-C-I-120-120-120，如圖4-3所示，具體尺寸見裝配圖SXG2009-06：
圖4-5葉輪葉片裝配圖
1.定模底板，2定模板，3.型芯，4動模板，5頂板，6.固定套
5.環(huán)保分析
目前，人們對環(huán)境保護越來越重視，各國都在制定十分嚴格的環(huán)境保護法和制造標準。環(huán)境保護的重要性已經(jīng)對企業(yè)的影響力有了重要的作用。
固液分離裝置在工作過程中，沒有任何的資源浪費。通過水流的重力勢能帶動整個裝置，屬于再生能源，使本裝置自動運動，無需任何其他能源，對環(huán)境的影響降到了最低。
環(huán)保型工程首先采用能再生利用的材料和資源，在各系統(tǒng)及部件設計中所選用的材料主；應是可回收，易分解，能再生，且在加工過程中對環(huán)境無害的材料，特別是結(jié)構件的設計應盡可能采用比較容易裝配和分解的大模塊化結(jié)構和無毒材料，提高工程機械材料的再生率。盡量采用低環(huán)保負荷材料，在零部件設計中應盡可能不使用含氟里昂，含氯橡膠，樹酯及石棉等有害材料。
本裝置工作幾乎不產(chǎn)生噪音，但長久使用后難免一些部件松動產(chǎn)生噪音，只要對設備進行適當?shù)恼{(diào)試后即可消除。
6．總結(jié)
本文主要圍繞下水道固液分離裝置的關鍵技術開了系統(tǒng)性的研究，其中主要對下水道固液分離裝置中的固液分離裝置及葉輪葉片模具進行了設計。對環(huán)境保護能源利用做出了貢獻。固液分離裝置主要包括對固液分離裝置結(jié)構進行了設計；對動力裝置進行了設計。葉輪葉片模具主要包括成型零件設計；模具結(jié)構設計；注塑設備設計。
其中本文的主要結(jié)論如下：
（1） 對不同的固液分離裝置進行分析，計算了帶輪大小，使用兩對20mm、80mm的帶輪進行傳動。設計了軸，在下水道固液分離裝置中采用了濾帶式固液分離裝置，。并用CAD繪制了二維工程圖并對本裝置進行三維實體造型。
（2） 對葉輪葉片進行分析，設計了葉輪葉片的注塑模具的定模板和動模板。并繪制了模具的二維工程圖。
參 考 文 獻
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附錄：
外文翻譯
關于塑料注塑模具成型的綜合仿真系統(tǒng)的開發(fā)
程學文，李德群，周華民
（國家重點實驗室塑性成形模擬及模具技術，華中理工大學，武漢430074 ，中國）
摘要：注塑成型的數(shù)值模擬研究已成功地預測出聚合物熔體在極其復雜的幾何形狀下的行為。當前的大部分數(shù)值解決方案都是以有限元，有限差分，邊界元，數(shù)量控制的方法及表面模型為基礎的。本文詳細論述了用于注塑成型的綜合CAE系統(tǒng)的開發(fā)，介紹了用于注塑磨具中灌裝，包裝， 冷卻，應力和翹曲等數(shù)值模擬的數(shù)學公式。最后本文介紹了名為HsCAE3D的先進系統(tǒng)。
關鍵詞：注射成型；數(shù)值模擬；CAD / CAE / CAM系統(tǒng)；面向?qū)ο蠓治雠c設計
1引言
為了改善塑料零件和模具在注塑成型中的設計及控制過程，設計工作者對CAD / CAE / CAM系統(tǒng)的依賴性已經(jīng)越來越強。在商業(yè)上可用于注塑成型過程的計算機仿真包現(xiàn)在成為設計師和過程工程師的常用工具[ 1 ] 。采用CAD / CAM技術等傳統(tǒng)設計過程可以用圖 1（a）說明 。① 采用CAD工具設計； ②采用CAM工具進行數(shù)控過程； ③循環(huán)檢查結(jié)果，修改計劃直至足夠滿意為止。這樣也會帶來很多不利因素：設計師不能預測方案可能發(fā)生的沖突，就是說只有沖突發(fā)生時才會發(fā)現(xiàn)其中存在的問題。無論是對于生產(chǎn)組件的制造商還是安裝設備組件的制造商，塑料部件的質(zhì)量問題都是常見的[ 2 ] 。另一方面，注塑模具CAE系統(tǒng)為設計師提供有關流動性的設計，制造過程的成本，產(chǎn)品質(zhì)量等分析結(jié)果。這是為了確保設計的塑料零件和模具在注塑成型過程中能夠被制造[ 3 ] 。采用CAD / CAE / CAM的先進處理可以用例圖1（b）說明。
預防缺陷的基本原則已經(jīng)被忽視。質(zhì)量的建立應該是基于產(chǎn)品設計、模具設計和成型過程參數(shù)化設計?，F(xiàn)代CAE模擬軟件為分析塑料注塑成型提供五種軟件模塊： ①充填分析； ②包裝分析； ③冷卻分析； ④應力分析； ⑤翹曲分析[ 3 ] 。本文討論注塑成型灌裝，包裝， 冷卻，應力和翹曲的簡單數(shù)學公式數(shù)值模擬。重點強調(diào)注塑模具CAE系統(tǒng)的開發(fā)。最后也介紹了現(xiàn)有的商業(yè)計算機仿真軟件包HsCAE3D。
圖1 模具的設計和過程與CAD/CAE/CAM的工具
2系統(tǒng)設計
2.1模塊化
組織大型系統(tǒng)模塊的選擇會影響可理解性、分工性、可修改性 、可積分性和可測性。其中，可理解性是影響軟件項目能否成功開發(fā)的最重要因素之一。因此，模塊化對大部分軟件概念的連貫性起重要作用。通過機器輔助重組改善連貫性是一個恰當?shù)难芯糠较颉?
綜合注塑模具CAE系統(tǒng)包括三個基本單元：前期處理， 數(shù)值模擬和后期處理。 前期處理模塊包括四個結(jié)構：①網(wǎng)格生成；②供應系統(tǒng)的設計；③冷卻電路設計；④處理參數(shù)設計。數(shù)值模擬模塊包括六個過程 ：①快速填充分析；②詳細填寫分析；③包裝分析；④冷卻分析；⑤應力分析；⑥翹曲分析。后期處理模塊提供三個流程：①顯示流動前沿，焊接線空調(diào)陷阱，溫度，壓力，剪切場，速度，收縮率，密度，應力和翹曲變形；②專業(yè)知識；③報告和發(fā)電機。這個模塊化可以用圖2說明。
圖2 模塊化的注塑模CAE系統(tǒng)
2.2面向?qū)ο蠓治?
注塑成型CAE系統(tǒng)是一個復雜的產(chǎn)品。在幾十年里它已經(jīng)得到了不斷的升級和支持。要想改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，先進的分析、設計技術和方法十分必要。
在軟件工程領域，面向?qū)ο蠓治雠c設計（OOAD）已被證明是建模、分析和設計系統(tǒng)方面的一個強大的技術。用這種方法，支持再利用軟件模塊和和縮短軟件系統(tǒng)的開發(fā)周期都是非常顯著的特點[ 4 ]。發(fā)揮面向?qū)ο蠓治雠c設計的優(yōu)勢對于開發(fā)注塑模CAE系統(tǒng)是一個很好的辦法。對象模型如例圖3所示。（專題1 ， 2 ，3 ，第4和第5 ，在該模型里分別為前處理，管理分析，專家系統(tǒng)，后處理和數(shù)據(jù)接入管理）。
圖3對象模型的注塑模CAE系統(tǒng)
2.3關鍵技術
要開發(fā)注入CAE 系統(tǒng)應恰當采用以下關鍵技術：
（1）網(wǎng)格生成：系統(tǒng)必須提供CAE技術模型分析業(yè)務，即在CAE系統(tǒng)創(chuàng)建或?qū)隒AD模型，必須在分析前先模型網(wǎng)格化。Delauny三角是CAD模型網(wǎng)絡化的最好方法[ 5 ] 。
（2）圖形平臺：近年來，OpenGL是最流行的三維立體圖形平臺。作為一個在圖形硬件方面的軟件界面，OpenGL能把多維物體呈現(xiàn)成為一個framebuffer 。微軟執(zhí)行的Windows作業(yè)系統(tǒng)OpenGL是業(yè)界標準的圖形軟件，程序員用它仍然可以創(chuàng)造高品質(zhì)的和三維立體的彩色動畫圖像。該顯示屏可以簡單便捷地在CAE系統(tǒng)中操縱使用OpenGL。
（3）數(shù)據(jù)存?。哼@是使用數(shù)據(jù)庫技術易于管理的數(shù)據(jù)支持（如塑料材料的數(shù)據(jù)，成型機器的數(shù)據(jù)和模具材料的數(shù)據(jù)）。另外，用檔案系統(tǒng)儲存項目數(shù)據(jù)很方便，因為項目數(shù)據(jù)的數(shù)量很大而很少被訪問。（4）專家系統(tǒng)：專家系統(tǒng)是其中一個主要模塊，用于改善技術參數(shù)設置，結(jié)果分析和專門知識。
（5）數(shù)值模擬：數(shù)值仿真是CAE技術制度的主要模塊。大部分的電流數(shù)值解是基于有限元法、有限差分法和邊界元素法及數(shù)量控制法。也就是說有限元法、有限差分法和邊界元素法及數(shù)量控制法是用于灌裝和包裝的，邊界元法用于冷卻，有限差分法用于加壓，有限元法用于翹曲。下一節(jié)介紹用于數(shù)值模擬的數(shù)學公式。
3數(shù)學公式
3.1填補方程
填補方程可被寫入為[1] ，[6] ? [10]
其中b是厚度腔的半徑，x和y是表面腔的平面坐標系同時z 是gapwise的坐標，而軸u 、v和 、是速度和平均流速在x和y方向組成的部分，并且P，T，η，ρ，Cp，k分別所代表的壓力，溫度，粘度，密度，具體的熱和熱導率的聚合物熔體。
此外，在邊界條件gapwise方向可以被定義為[1] ，[6] ? [ 0] 訪問。
是恒定的常溫。
3.2包裝方程
包裝方程是除連續(xù)性方程和填補方程相同的，但能和連續(xù)性方程可被寫入為[4] ? [8]
我們可以推斷出以下的主要壓力方程從（2） （3）及（7） [1] ，[6] ? [10]
但是 ，分別代表密度固體和熔體聚合物，同時z是位于熔體和固體聚合物之間的物質(zhì)。
3.3冷卻方程
冷卻方程可被寫入為[11] ，[12]
其中T是模具的溫度，x ，y ，z是模具三個坐標的某一點，t指的是時間，K ， ρ，c分別代表熱電導率，密度和熱容量模具。
初始條件和對流邊界條件可以被界定為[11] ， [12]
其中是初始溫度， h表示熱傳熱系數(shù)，Tc是冷卻液溫度
3.4應力分析方程
應力分析方程可被寫入為[13] ，[14]
其中 ，分別是應力和應變，、是材料的時間，z是三重坐標（x ， y ， z ），是依賴熱膨脹系數(shù)的溫度，T是溫度，R是一個輔助的彈性模量，可寫成[13] ，[14]
其中k是體積彈性模量，是剪切放寬彈性模量。
3.5翹曲變形方程
翹曲變形分析方程可被寫入為[13] ，[14]
其中[F]是等效負載的所有節(jié)點， [d] 元素的位移， [k] e是元素剛度矩陣，可被寫為
其中V是量的部分，[b]是元素衍生算子矩陣，[d]是彈性矩陣。
4 HsCAE3D
根據(jù)以往的數(shù)學理論和系統(tǒng)開發(fā)技術，在過去幾十年作者已成功開發(fā)現(xiàn)有的商業(yè)計算機仿真軟件包HsCAE3D （顯示在圖4 ）。
注釋：
b 厚度
x，y， z 坐標
u，v， w 速度
,, 平均流速
圖4 HsCAE3D接口
p 壓力
T 溫度
η 粘度
ρ 密度
Cp 具體熱
k 熱導率
壁溫
, 密度固體和熔融聚合物
z ? 此時的立場之間的熔體和
t 時間
初始溫度
h 傳熱系數(shù)
冷卻液溫度
c 熱容量
n 正常向量
應力
應變
, 材料的時間
溫度依賴系數(shù)熱膨脹
r 輔助模
中剪切松弛模量
[F] 等效負載
[d] 位移
[k] 剛度矩陣
v 貨量
[B] 中衍生算子矩陣
[d] 彈性矩陣