“喇叭体”塑料模具的设计
[摘要]塑料注射成型模具的特点是：能一次成型外形复杂、尺寸精密的塑料制品，对各种塑料的适应性强，成型周期短，生产效率高，产品质量稳定，易于实现生产自动化。因此，应用计算机辅助塑料模具设计，对缩短模具设计时间，提高塑料制品质量和生产效率有很大意义。
本设计主要针对喇叭体塑件，应用计算机辅助模具设计。设计中首先根据塑料制品要求拟定成型工艺方案、初选成型设备、确定模具结构方案，设计浇注系统并进行模流分析、选用模架、选择和校核注射机，完成模具型腔设计并对模具主要零件设计计算，然后应用UG软件，完成整副模具的三维设计，并对模具进行了虚拟装配和试模，针对其中出现的问题，对模具进行了修改，最后导出模具二维工程图。
[关键词] 塑料制品；注射模具；计算机辅助设计；UG
1 绪论
模具工业是国民经济的基础工业，被成为“工业之母”。而塑料模具又是整个模具行业中的一枝独秀，发展极为迅速。自从1927年聚氯乙烯塑料问世以来，随着高分子化学技术的发展以及高分子合成技术、材料改性技术的进步，愈来愈多的具有优异性能的高分子材料不断涌现，从而促使塑料工业飞跃发展。
在现代化工业生产中，69%~90%的工业产品需要使用模具加工，模具工业已成为工业发展的基础，许多新产品的开发和生产在很大程度上都依赖于模具生产，特别是汽车、轻工、电子、航空等行业尤为突出。我国自改革开放以来，塑料工业发展很快，表现在不仅塑料增加而且其品种更为增多，其产量已上升到居世界第四位，由此可见，塑料工业已在我国国民经济的各个部门中发挥了愈来愈大的作用。
在模具方面，我国模具总量虽已位居世界第三，但设计制造水平总体上比德、美、日、法、意等发达国家落后许多，模具商品化和标准化程度比国际水平低许多。在模具价格方面，我国比发达国家低许多，约为发达国家的1/3~1/5，工业发达国家将模具向我国转移的趋势进一步明朗化。
我国塑料模的发展迅速。塑料模的设计、制造技术、CAD技术、CAPP技术，已有相当规模的确开发和应用。在设计技术和制造技术上与发达国家和地区差距较大，在模具材料方面，专用塑料模具钢品种少、规格不全质量尚不稳定。模具标准化程度不高，系列化商品化尚待规模化；CAD、CAE、Flow Cool软件等应用比例不高；独立的模具工厂少；专业与柔性化相结合尚无规划；企业大而全居多，多属劳动密集型企业。因此努力提高模具设计与制造水平，提高国际竞争能力，是刻不容缓的。
近年来，随着科学技术的进步以及对塑件质量要求的提高，塑料模塑成型技术正向高精度、高效率、自动化、大型、微型、精密、高寿命的方向发展，具体表现在以下几个方面：
1、塑料成型理论研究的进展。
2、新的成型方法不断涌现。
3、塑件更趋向精密化、微型化及超大型化。
4、开发出新型模具材料。
5、模具表面强化热处理新技术应用。
6、模具CAD/CAM/CAE技术发展迅速。
7、模具大量采用标准化。
将塑料成型为制品的生产方法很多，最常用的有注射，挤出，压缩，压注，压延和吹塑等。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，几乎的有的热塑性塑料都可以采用此方法成型。它具有成型周期短，能一次成型外形复杂、尺寸精度较高、易于实现全自动化生产等一系列优点。因此广泛用于塑料制件的生产中，其产口占目前塑料制件生产的30%左右。但注射成型的设备价格及模具制造费用较高，不适合单件及批量较小的塑料件的生产。
传统的注塑方法是在正式生产前，由于设计人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕后，通常需要几次试模，发现问题后，不仅需要重新设置工艺参数，甚至还需要修改塑料制品和模具设计，这势必增加生产成本，延长产品开发周期。
2 塑件成型工艺分析
2.1 概述
注塑件的设计是注塑制品加工工序中必不可少的一个步骤。但不同的模具公司，不同的设计人员，采用不同的CAD软件进行模具辅助设计，都有自己的一套设计过程。本毕业设计主要是AutoCAD软件进行模具的设计的。
2.2 零件的材料和注塑工艺
2.2.1 材料ABS
丙烯腈-丁二烯-烯聚合物（ABS）是为无定型的热塑性塑料，热塑性塑料的分子结构呈链状或枝状，常称之为线性聚合物，这些分子通常互相缠绕但并不连接在一起，受热后具有可塑性。ABS具有韧性，硬性，刚相均衡的优良力学性，耐化学腐蚀性电绝缘性优良，尺寸稳定性，表面光洁性好，易涂装和着色，但耐热性差。密度为1.02~1.05g/CM3
2.2.2 注射成型工艺分析
根据产品三维模型，分析塑件的工艺性对模具设计的要求。开始设计之前，应根据塑件的技术图样和使用要求对其进行仔细地分析研究，并结合注射成型的工艺程序综合考虑成型的难易程度，以便能在保证塑件质量和使用要求的前提下尽量选用比较简单的模具结构，以便减小模具制造难度和降低加工成本。如果塑件的工艺性确实有问题，或者塑件成型需要极为复杂的模具结构，并因此导致模具制造非常困难或经济上极不利时，则应和塑件设计部门及时协商解决有关问题。
查有关资料初步确定注射成型工艺参数如表2.1所示。
表2.1 塑件的注射成型工艺参数
前段
200～
210
螺杆转速/r·min-1 30～60
喷嘴温度/°C 180～190
后处理方法
红外线灯烘
箱
模具温度/°C 60～80 温度70°C
注射压力/MPa 70～90 时间2～4 h
2.3 性能指标
1.无定型料，吸水性大，成型前必须充分干燥。.
2.ABS流动性好，成型收缩量较小，比热容较低，在料筒中塑化效率高，在模具中凝固较快，成型周期短，但是保压时间相对较长.
3.加热时间不宜过长,否则会发生分解,灼伤.
4.软质塑件有较浅的侧凹槽时,可强行脱模.
5.成型采用螺杆式注塑机，直通式喷嘴，模具温度（50~70）c，选用较低的注射压力，保压时间及冷却时间不宜过长，模具主流道锥度应大（便于脱模时脱出，不沾留在浇口套中），浇口应厚，ABS可采用任何类型的浇口.
2.4 零件的三维图
图2-1 塑件图
2.5 喇叭体的结构与精度分析
喇叭体的总体形状为圆形，零件的顶部有圆形的孔
喇叭体的精度方面，尺寸精度取MT5级；因此，该喇叭体的精度要求高。 喇叭体的表面质量方面，要求无明显流纹、凹陷等不良现象；表面粗糙度均为为成型后直接达到0.63a R 。总体而言，喇叭体的表面质量要求比较容易实现。 2.6 塑料制品的几何形状
1．脱模斜度
为了便于塑料制品脱模，以防止脱模时摩擦制品表面，与脱模方向平行的制品表面一般应具有合理的脱模斜度。其大小主要取决于塑料的收缩率、塑料制品的形状和壁厚以及制品的部位。
为了使塑件在开模时留在动模上及顺利脱模，喇叭体应具有一定的脱模斜度。喇叭体周边不存在对脱模产生影响的结构
2．塑料制品圆角
塑料制品上所有转角应尽可能采用圆弧过渡。采用圆弧过渡的好处在于避免应力集中，提高强度，改善熔体在型腔，便于脱模。在制品结构上无特殊要求时，制品的各连接处的圆角半径应不小于0.5~1mm 。对于使用要求必须以尖角过渡或分型面处和型芯与型腔配合不便制成圆角时，侧仍以尖角过渡。 2.7 注射机的选择
根据创建好的实体模型，利用UG 的分析功能，从中快速计算出喇叭体的体积为101.0033
cm ；浇注系统凝料和废料按塑件注射量的0%6~0%4计算，即浇注系统凝料的体积为203cm 。
图2-2 塑件体积计算
因喇叭体的结构较简单，体积不大，采用一模两腔的模具结构。喇叭体的材料为
cm，则模具每次所需的注射量为：
PE，取其密度为1．02～1.05／3
101
20
(≈
)
+
?
=
G05
.1
.
g
127
05
根据一次注射量分析，以及考虑到塑料的品种、塑件结构、生产批量及注射工艺参数、注射模具尺寸大小等因素，参考设计手册，初选XS-ZY-500型螺杆式注射机，记录下XS-ZY-500型注射机的主要技术参数如表下所示。
XS-ZY-500型注射机相关数据
注塑机型号XS-ZY-500
额定注射量500cm3
螺杆（柱塞）直径65mm
注射压力145Mpa
注射行程200mm
注射方式螺杆式
锁模力3500KN
最大成型面积1000
最大开合模行程500mm
模具最大厚度450mm
模具最小厚度300mm
喷嘴圆弧半径R18mm
喷嘴孔直径Φ3.5.6.8mm
顶出形式两侧设有顶杆，机械顶出
动、定模固定板尺寸700X850mm
拉杆空间540X440mm
合模方式液压-机械
液压泵流量200、25L/min
压力 6.5Mpa
电动机功率22KW
加热功率14 KW
机器外形尺寸6500X1300X2000mm
3 模具总体结构设计及零部件的设计
3.1 型腔数目的确定
按注塑机的最大注射量确定型腔数目，型腔数目n 根据公式
n
j km m nm ≤+可得
m m km n j
n
≤ 式中 k ——注射机最大注射量利用系数，一般取0.8；
n
m ——注射机最大注射量3cm 或g ;
j
m ——浇注系统凝料量,3
cm 或g ;
m ——单个塑件的体积或质量3
cm 或g 。
本课题考虑模具分型取出塑料的难易程度，n 取1，即型腔数目为1。 3.2 分型面的设计
分型面的设计在注射模的设计中占有相当重要的位置，分型面的设计合理与否直接影响塑件质量、模具的整体结构及工艺操作难度及模具的制作成本。分型面可以为一个也可以为多个。
分型面选择的原则：
(1)分型面应选择在塑件外形最大轮廓处，以利于塑件从定模顺利脱模。
(2)应有利于塑件脱模，一般模具的脱模机构通常设置在动模一侧，模具开模后塑件应该停留在动模一边，以便于模具顺利脱模。
(3)要保证塑件的精度要求，塑件光滑表面不能作为分型面，以避免影响外观质量，塑件中要求同轴度的部分要放在分型面的同一侧，以保证塑件同轴度的要求。
（4）作为主要大气排气渠道，应将分型面设置在熔融料的流动末端，以利于模具型腔内气体的排除。
（5）考虑模具加工难度，要使模具利于加工，工艺要力求简单。
图3-1 分型面选择
从喇叭体的结构上分析可知需要分型面。遵照分型面的设计原则应设置在零件的底部位置，以便于喇叭体顺利脱模。
3.3 浇注系统的设计
浇注系统设计是否合理不仅对塑件性能、结构、尺寸、内外在质量等影响很大，而且还与塑件所用塑料的利用率、成型生产效率等相关，因此浇注系统设计是模具设计的重要环节，对浇注
系统进行总体设计时，一般应遵循以下基本原则：
(1)适应技术的塑料;
(2)过程是短;
(3)良好的排气;
(4)避免物料流直在核心或插入;
(5)浇注系统的投影面积的分型面应尽可能小;
(6)位置和模具浇注系统的对称轴线尽量;
(7)保证了产品的外观质量;
(8)以防止变形的塑料零件。
3.3.1 主流道
1．主流道尺寸
主流道指浇注系统中从注射机喷嘴与模具接触处开始到分流道为止的塑料熔体的流动通道，是熔体最先流经模具的部分。
主流道垂直于模具分型面。主流道设计在模具的浇口套中，如图3.2所示。为了让主流道凝料能顺利从浇口套中拔出，主流道设计成倒圆锥形，其锥角α为30，小端直径d=3.5mm。由于小端的前面是球面，半径SR=12+1=13mm，其长度初选为65mm。流
μ。
道表面粗糙度Ra取0.8m
图3-2 主流道形状及其与注射机喷嘴的关系
1—注射机喷嘴；2—浇口套；3—定模板
2．主流道衬套的形式
主流道小端入口处与注射机喷嘴反复接触，属易损件，对材料要求较严，因而模具主流道部分常设计成可拆卸更换的主流道衬套形式，即浇口衬套，以便有效的选用优质钢材单独进行加工和热处理。浇口衬套都是标准件，只需去买就行了。常用浇口衬套分为有托浇口衬套和无托浇口衬套，有托浇口衬套用于配装定位圈。浇口衬套的规格有Φ12，Φ16，Φ20 等几种。由于注射机的喷嘴半径为12mm，所以浇口衬套的为R13，浇口衬套如图3.3所示。
图3-3 浇口套
3.3.2 分流道
在多型腔或单型腔多浇口（塑件尺寸大）时应设置分流道，分流道是指主流道末端与浇口之间这一段塑料熔体的流动通道。
分流道的设计主要有；截面形状设计；尺寸设计；以及分流道在分型面上的布置等等。
（1）分流道的形状
分流道截面的形状可以是圆形、半圆形、矩形、梯形和U形等，。圆形和正方形截面流道的比面积最小（流道表面积于体积之比值称为比表面积），塑料熔体的温度下降小，阻力小，流道的效率最高。但加工困难，而且正方形截面不易脱模，所以在实际生产中较常用的截面形状为梯形、半圆形及U形。
综合各方面考虑，本次选择的截面形状为圆形。
（2）分流道的尺寸
因为各种塑料的流动性有差异，所以可以根据塑料的品种来粗略地估计分流道的直径。现初步选择，b=6mm。
3.3.3 浇口
合理选择浇口的位置是提高塑件质量的重要环节，浇口位置不同，也将直接影响模具的结构。
本次设计采用轮辐浇口，开设在零件侧面上，其截面形状为半圆形。采用此种形状的浇口减少了浇注系统塑料的消耗量，去除浇口容易。
图3-4 浇口形式
3.4 冷却及排气系统设计
3.4.1 排气系统的设计
本模具可以利用配合间隙排气，通常中小型模具的简单型腔，可利用推杆、活动型芯以及双支点的固定型芯端部与模板的配合间隙进行排气，这里不再单独设计排气槽。
3.4.2 冷却系统的设计
该塑件为大批量生产，应尽量缩短成型周期，提高生产率；加上PE塑料为结晶型塑料，成型时需要充分冷却，冷却要均匀分布。因此，该模具在定模板上开出冷却水道，采用冷却水进行循环冷却型腔。
图3-5 冷却水道的设计
3.5 型腔的分布
模具型腔在模板上的排列方式通常有圆形排列、H 形排列、直线排列、对称排列及复合排列等。综合考虑模具设计为一模1腔。 3.6影响塑件尺寸精度的因素
影响塑件尺寸精度的因素很多，概括的说，有塑件材料、塑件结构和成型工艺过程，模具结构、模具制造和装配、模具使用中的磨损等因素，其中塑件材料方面的因素主要是指收缩率的影响。在模具设计中，应根据塑件的材料、几何形状、尺寸精度等级及影响因素等进行设计计算。
1．塑料收缩率波动
塑件成型后的收缩变化与塑件的品种以及塑件的形状、尺寸、壁厚、成型工艺条件、模具的结构等因素有关，工艺条件、塑件批号发生的变化会造成塑料收缩率的波动，由此引起的塑件尺寸误差s δ可用公式表示为
s s L S S )(min max -=δ[3]
式中 max S ——塑件的最大收缩率，%； min S ——塑件的最小收缩率，%； s L ——塑件的基本尺寸。
实际收缩率与计算收缩率会有差异，按照一般的要求，由塑料收缩率波动所引起的塑件尺寸误差小于塑件公差的31，即3?=s δ。
2．模具成型零件的制造误差
模具成型零件的制造精度越低，塑件尺寸精度也越低。一般成型零件工作尺寸的制造公差z δ取塑件公差的31，即3?=z δ。
3．模具成型零件的磨损
磨损的结果使型腔尺寸变大，型芯尺寸变小，磨损的程度与塑料的品种和模具材料及热处理有关。为简化计算，凡与脱模方向垂直的表面不考虑磨损，与脱模方向平行的表面考虑磨损。
生产批量小，磨损量取小值，甚至可以不考虑磨损量；热塑性塑料摩擦系数小，磨损量可取小值；模具材料耐磨性好，可取小值；对于中小型塑件，最大磨损量可取塑件公差的61；对于大型件，最大磨损量应取塑件公差的61以上。
3.7模具零件工作尺寸的计算
该塑件尺寸精度无特殊要求，大部分尺寸为自由尺寸，可查常用塑料制品公差等级表[1]，可得PE 塑料未注公差尺寸精度等级为5MT ，按5MT 查取公差
型腔直径按平均收缩率计算（单位：mm ）
因为PE 的收缩率为收缩率为0.250%。于是根据上列平均收缩率来计算下列成型零件的尺寸。型腔直径平均收缩率计算（单位=mm ）。
平均收缩率为：Scp=0.025 1. 凹模的內形尺寸：
()()3
[13/4]L L k δ
+=+-?凹 （3-6）
式中：L 凹为型腔內形尺寸(mm)；
L 塑为塑件外径基本尺寸(mm),即塑件的实际外形尺寸； K 为塑料平均收缩率(%)，此处取0.25%
Δs 为塑件公差，查表知PE 塑件精度等级取5级；塑件基本尺寸在3~6mm 范围内取0.24mm;18~24mm 范围内取0.24mm;80~100mm 范围内取1.00mm;在100~120mm 公差取 1.14mm ；在140~160mm 公差取 1.44mm;在200~225mm 公差取 1.92mm;在280~350mm 公差取2.5mm;在315~355mm 公差取2.8mm
所以型腔尺寸如下：
L1=[77×(1+0.025)-(3/4)×0.86]
3
86
.0+=78.2729
.00
+ L2=[180×(1+0.025)-(3/4)×1.60]
3
60
.1+=183.4248
.00
+
型腔深度的尺寸计算：
h 凹=[h 塑(1+k)-(2/3)Δ]3δ
+ （3.7）
式中： h 凹模/型芯高度尺寸(mm)；
h 塑为塑件內形深度基本尺寸(mm),即塑件的实际內形深度尺寸； Δs 、K 含义如（1）式中。
H1=[80×(1+0.025)-(2/3)×0.86]
3
86
.0+=81.3529
.00+
2）凸模的外形尺寸计算： L 凸=[L 塑(1+k)+(3/4) Δ]
3δ
- （3.8）
式中： L 凸模/型芯外形尺寸(mm)；
L 塑为塑件內形基本尺寸(mm),即塑件的实际內形尺寸； Δs 、k 含义如（1）式中。 所以型芯的尺寸如下：
L1=[8×（1+0.025）+（3/4）×0.28]3
28.0-=8.39009.0-
L2=[66×（1+0.025）+（3/4）×0.86]386.0-=68.30
29.0-
型芯的深度尺寸计算：
H 凸=[h 塑(1+k)+ (2/3)Δ]
3δ
- （3.9）
式中： h 凸为凸模/型芯高度尺寸(mm)；
h 塑为塑件內形深度基本尺寸(mm),即塑件的实际內形深度尺寸； Δs 、k 含义如（1）式中型芯的高度为：
H1=[140×(1+0.025)+(2/3)×0.28]3
28.0-=9.220
09.0-
4 合模导向机构的设计
4.1 导向机构的总体设计
(1)导向零件应合理地均匀分布在模具的周围或靠近边缘的部位，其中心至模具边缘应有足够的距离，以保证模具的强度，防止压人导柱和导套后变形。
(2)该模具采用4根导柱，其布置为等直径导柱不对称布置。
(3)该模具导柱安装在支承板和模套上，导套安装在定模固定板上。
(4)为了保证分型面很好的接触,导柱和导套在分型面处应制有承屑槽,即可削去一个面或在导套的孔口倒角，该模具采用后者。
(5)在合模时，应保证导向零仵首先接触，避免凸模先进人型腔，导致模具损坏。
(6)动定模板采用合并加工时，可确保同轴度要求。
4.2 导柱设计
导柱应具有坚硬而耐磨的表面、坚韧而不易折断的内芯。多采用低碳钢经渗碳淬火处理或碳素工具钢T8A、T10A经淬火处理,硬度为50HRC以上或弱钢经调质、表面淬火、低温回火，硬度为50HRC以上。
图4-1带头导柱
4.3 导套设计
导套与安装在另一半模上的导柱相配合，用以确定动、定模的相对位置，保证模具运动导向精度的圆套形零仵。导套常用的结构形式有两种：直导套(GB/T4169.2—1984)、带头导套(GB/T4169.3-1984)。
（1）结构形式。采用带头导套(I型),如图所示。
图4-2 带头导套
(2)导套的端面应倒圆角，导柱孔最好做成通孔,利于排出孔内剩余空气。
(3)导套孔的滑动部分按H8/夕或H7/f,的间隙配合,表面粗糙度为0.4μm。导套外径与模板一端采用H7/k6配合；另一端采用H7/e7配合镶入模板。
(4)导套材料可用淬火钢或铜(青铜合金)等耐磨材料制造,该模具中采用T8A。
5 脱模推出机构的设计
注射成型每一循环中，塑件必须准确无误地从模具的凹模中或型芯上脱出，完成脱出塑件的装置称为脱模机构，也常称为推出机构。
5.1推杆推出机构
每次注射模在注射机上合模注射结束后，都必须将模具打开，然后把成型后的塑料制件及浇注系统的凝料从模具中脱出，完成推出的脱模的机构称为推出机构。因此，设计时要合理。
本设计中的顶出系统采用推板顶出机构，将顶杆设立在动模部分配合准确的导向机构使得推出机构不仅准确的完成推出制件而且保证了产品的外观质量要求。本设计采用复位杆进行推杆。
优点：推板模具结构简单，模具的配合精度高，推出的力量大，平横，在零件的表面无顶针痕迹等，易于保证其互换性，并且易于更换，而且它还具有滑动阻力小，不易于卡滞等。结构形式如图所示
图5-1推板顶出
5.2 推出机构的复位
在推杆固定板上安装复位杆，复位杆在装配后其端与动模分型面其平，推出机构推出后，复位杆便高出分型面一定距离，合模时，复位杆先于推杆与定模分型面接触，在动模向定模逐渐合拢时，推杆机构被复位杆顶住，从而与动模产生相对移动直至分型面合拢时，推出机构就回复到原来的位置。最后完成合模过程，准备下次的注射成型。
6 模架的设计
6.1 模架概述
模具设计主要是形成产品外形的凹、凸模零件以及开模和脱模方式的设计，模具上的大部分零部件可以直接选购由专门厂家生产的标准件，尤其是模架的直接选购，大大节约了模具制造时间和费用。现在，厂家设计制造出一套中等复杂程度的注塑模具，10天左右的时间即可完成。
6.2 模架的分类
按进料口（浇口）的形式模架分为大水口模架和小水口模架两大类.大水口模架共有A、B、C、D四种型式；小水口共有DA、DB、DC、DD、EA、EB、EC、ED八种型式，其中以D字母开头的四种型号适用于自动断浇口模具的模架[3]。
6.3 模架的选择
模架是设计制造塑料注射模的基础部件，模架已有国家标准，由专业厂家生产，中小型模架的周界尺寸范围不大于560 mm×900 mm，并规定其模架结构形式为品种型号，其基本型号有A1、A2、A3、A4四个品种。
图6-1 模架