1、3、 注塑模设计，张克惠主编 西北工业出版社4、 模具制造工艺，黄毅宏、李明辉主编5、 相关网站资料查寻注：此表由指导教师填写后发给学生，学生按此表要求开展毕业设计（论文）工作。三通管注塑模具设计 摘 要三通管作为一种连接件在日常生活中应用广泛，本文对塑料模具的设计方法及过程进行了阐述。通过用Moldflow模拟对其工艺分析，确立了合理的成型工艺参数。设计了三通管塑料模具中的各个系统如注射系统、温度调节系统、导向与定位机构、侧向分型与抽芯机构、脱模机构、分型面及排气槽。并对塑件的材料性能进行了分析。关键词：三通管；注射；模导；向型；脱模；顶出 Three pipe injection mold
2、 AbstractThree pipe as a connecting element is widely used in daily life, the design method of plastic mold and process are expounded. Through the analysis of the process is simulated by Moldflow, the molding process parameters to establish rational. The design of the three pipe plastic mould in var
3、ious systems such as injection system, temperature control system, the lateral guide and positioning mechanism, parting and core pulling mechanism, demoulding mechanism, the parting surface and exhaust slot. And on the material properties of plastic parts was analyzed。Keywords: three，pipe，injection，
4、mold，guide，type，demoulding，ejection 第一章 引言1.1 模具在加工工业中的地位模具是大批量生产同形产品的工具，是工业生产的主要工艺装备。模具工业是国民经济的基础工业。采用模具生产零部件，具有生产效率高、质量好、成本低、节约能源和原材料等一系列优点，已成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。现代工业品的发展和技术水平的提高，很大程度上取决于模具工业的发展水平。因此模具工业对国民经济和社会发展将起越来越大的作用。据统计，在家电、玩具等轻工行业，近90的零件是靠模具生产的；在飞机、汽车、农机和无线电行业，这个比例也超过60。例如飞机制造业，某型战斗机模具使用量超
5、过三万套，其中主机八千套、发动机二千套、辅机二万套。从产值看，20世纪80年代以来，美、日等工业发达国家模具行业的产值已超过机床行业，并且有继续增长的趋势。对模具的全面要求是：能生产出在尺寸精度、外观、物理性能等各方面都满足使用要求的公有制制品。以模具使用的角度，要求高效率、自动化操作简便；从模具制造的角度，要求结构合理、制造容易、成本低廉。模具影响着制品的质量。首先，模具型腔的形状、尺寸、表面光洁度、分型面、进浇口和排气槽位置以及脱模方式等对制品的尺寸精度和形状精度以及制件的物理性能、机械性能、电性能、内应力大小、各向同性性、外观质量、表面光洁度、旗袍、凹痕、烧焦等都有十分重要的影响。其次，
6、在加工过程中，模具结构对操作难易程度很大。在大批量生产塑料制品时，应尽量减少开模、合模过程和取制件过程中的手工劳动，为此常采用自动开合模自动顶出机构，在全自动生产时还要保证制品能自动从模具中脱落。另外模具对制品的成本也有影响。现代生产中，合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是必不可少的三项重要因素，尤其是模具对实现材料加工工艺要求、塑料制件的使用要求和造型设计起着重要的作用，产品的生产和更新都是以模具的制造和更新为前提的。由于制件品种和产品需求量很大，对模具也提出了越来越高的要求。因此促进模具的不断向前发展。1.2 模具的发展趋势“十二五”期间，中国模具业将进一步调整结构，开拓市场，苦练内功
7、，提升水平，使中国模具业在整体上再上一个新台阶，而这并不只是模具业的“一家之事”。模具业与其他行业的发展可以用唇齿相依来形容，因而模具业整体水平的提升与相关行业的发展息息相关。（1）半导体封装模具走向自动化半导体封装模具业对模具的要求是：一是要求精加工模具，目前电子产品不断集成化、小型化，产品趋向高端，尺寸也越来越小，封装体越来越薄，这对封装要求越来越高，对模具精度要求很高。如今封装技术正不断发展。芯片尺寸缩小，芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，I/O数增多、引脚间距减小。封装技术的发展离不开先进的电子工模具装备，多注射头封装模具（MGP）、自动冲切成型系统、自动封装系统等高科技新产品适应
8、了这一需求，三佳也陆续推出这些产品。今后半导体封装模具发展方向是向更高精度、更高速的封装模具自动封装模具发展。自动塑封系统是集成电路后工序封装的高精度、高自动化装备。系统中设置多个塑封工作单元，每个单元中安装模盒式MGP模，多个单元按编制顺序进行封装，整机集上片、上料、封装、下料、清模、除胶、收料于一体。该项技术国外发展较快，已出现了贴膜覆盖封装、点胶塑封等技术，可满足各类高密度、高引线数产品的封装。随着微电子技术飞速发展，半导体后工序塑封成型装备应用技术不断提高，自动化作业已成必然趋势。三佳作为国内第一家模具行业的上市公司，将紧盯世界先进技术，发展电子模具国产化进程。2、设备、标准化发展更上
9、层楼中国模具业虽然有了长足的发展，取得了巨大进步，但在模具业的上下游配套环节中，加工设备大都依赖进口，而机床是一薄弱环节。据罗百辉了解，2004年进口加工设备中机床约60亿美元，而其中模具业应用机床占据了大部分，这也反映国内在这一领域还待加油。中国模具工业协会副秘书长秦珂认为，国内厂商应重视装备制造业重视模具业的需求，目前国内设备厂商如沈阳机床集团公司等已意识到模具机床的“增值”潜力，着重在加工中心、数控机床等设备的研发与生产。而机床朝着高速化、精密化、高性能专业化、系统化、复合化方向发展也给国内厂商带来新课题。在模具标准件领域，国内已有较大产量的模具标准件主要是模架、导向件、冲头等，汽车模具
10、用含油导板、斜楔等。据罗百辉了解，目前中国模具标准件在模具中的使用覆盖率只有40%，而在欧美等国则达到了70%。罗百辉指出，标准化成为模具业发展的新趋势，模具业要扩大模具标准件的品种，提高其精度，提高生产集中度，实现大规模生产。1.3研究内容1）利用Moldflow注塑模具分析软件，针对三通管塑料模具进行填充、保压、冷却等流动方案分析，并进行工艺参数、浇口位置、冷却系统等方面的设计；2）研究分析结果，综合分析其合理性；3）对产品成型方案进行工艺参数、浇口位置、冷却系统等的优化并加以加以比较，确定最佳成型方案；4）利用UG和AutoCAD绘制三通管盖模具图和成型零件图。第二章 工艺方案分析2.1
11、 塑件分析三通管工件如图1所示。它是一种常见的塑料工件，从工件本身来看，属特小型件，其抽芯脱模机构较为复杂，侧向抽芯技术是本课题的难点，零件直通管的成型采用侧向抽芯机构。因此本次毕业设计主要是针对以上问题进行模具设计，以解决实际生产中存在的问题。 塑料制件主要是根据使用要求进行设计，由于塑件有特殊的机械性能，因此设计塑件时必须充分发挥其性能上的优点，补偿其缺点，在满足使用要求的前提下，塑件的形状尽可能地做到简化模具结构，符合成型工艺特点，在设计时必须考虑： 1）、塑件的物理机械性能，如强度、刚性、韧性、弹性、吸水性等；2、塑料的成型工艺性，如流动性；3、塑料形状应有利于充模流动、排气、补缩，同
12、时能适应高效冷却硬化（塑性塑料）或快速受热固化（热固性塑料）；4、塑件在成型后收缩情况及各向收缩率差异；5、模具总体结构，特别是抽芯与脱出塑件的复杂程度；6、模具零件的形状及制造工艺。除此之外，还应考虑塑件设计原则：1、在满足性能和使用条件下，尽可能使结构简单、壁厚均匀、连接可靠、装使用方便；2、结构合理，用简单的加工方法就能完成模具的制作；3、减小成型加工后的辅助加工。图2.1 三通管零件2.2 材料特征三通管所用的材料是ABS，名称Acrylonitritle-Butadiene-Styrene copolymer,全称丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物。它将PS，SAN，BS的各种性能有机地统一起
13、来，兼具韧，硬，刚相均衡的优良力学性能。ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。ABS工程塑料一般是不透明的，外观呈浅象牙色、无毒、无味，兼有韧、硬、刚的特性，燃烧缓慢，火焰呈黄色，有黑烟，燃烧后塑料软化、烧焦，发出特殊的肉桂气味，但无熔融滴落现象。它的使用性能方面：综合性能好，冲击强度高，化学稳定好、电性能良好，尺寸稳定性好、抗化学药品性、染色性，成型加工和机械加工较好。ABS树脂耐水、无机盐、碱和酸类，不溶于大部分醇类和烃类溶剂，而容易溶于醛、酮、酯和某些氯代烃中。与372有机玻璃的熔接性良好，可制成双色塑料，且可表面镀铬。还有其它主要技术指标
14、是熔点（）：130160；抗拉屈服强度（Mpa）：50；拉伸弹性模量（Mpa）：1.8103；弯曲强度（Mpa）：80；冲击强度（kj/m2）：261（无缺口时）、11（有缺口时）；体积电阻率为（cm）：6.91016。ABS工程塑料的缺点：热变形温度较低，可燃，耐候性较差。因而ABS适用于制作一般机械零件、减摩耐磨零件、传动零件和电讯零件。第三章 注射机的选择及校核3.1注射机的选择由于塑件形状不规则，可通过UG对其进行体积分析，分析得其体积为： V件=33.69cm3=1.021.06g/cm3浇注系统的体积取塑件的20%，则：V浇注= 4V件20%=33.620%=26.952cm3V总
15、=4V件+ V浇注=161.28cm3其总质量为： M总= V总=161.281.05=169.34g为了保证制件的质量，又可充分发挥设备的能力，注射模一次成型的塑料重量应在注射机理论注射量的50%80%之间为好，则：V注=V总80%=211.68m3初选注射机型号：XZY-300 其相关数据见表3.1。表3.1 XS-ZY-125型注射机相关数据注塑机型号XZY-300额定注射量320cm3螺杆（柱塞）直径60mm注射压力77.5Mpa注射行程150mm注射方式螺杆式锁模力1500KN最大成型面积最大开合模行程340mm模具最大厚度355mm模具最小厚度285mm喷嘴圆弧半径R12mm喷嘴孔
16、直径4 mm顶出形式两侧设有顶杆，机械顶出动、定模固定板尺寸620X520mm拉杆空间400X300mm 合模方式液压、机械液压泵流量103.9、12.1L/min压力7Mpa电动机功率17KW加热功率6.5 KW机器外形尺寸5300X9400X1850mm3.2型腔数目的确定及校核因型腔数量与注射机的塑化速率、最大注射量及锁模量等参数有关，因此有任何一个参数都可以校核型腔的数量。一般根据注射机料筒塑化速率确定型腔数量； （3-1）式中 注射机最大注射量的利用系数，一般取0.8；注射机最大注塑量，g；浇注系统所需塑料质量，单个塑件的质量，。式中、也可以为注射机最大注射体积（cm3）、浇注系统凝
17、料体积（cm3）、单个塑件的体积（cm3）。塑料ABS的密度为1.03g/cm3，收缩率为0.4%0.7%，取平均收缩率为0.5。按照塑件零件图所示的尺寸，用三维制图软件UG近似计算如图3-1所示 图3.2朔件体积由上图的数据可知，单个塑件的体积V1=33681.530mm3。估算浇注系统的体积：V= 26952 mm3 注射机最大注射体V3=320 cm3由此可求出： n4 本设计实例采用一模两腔的型腔布局。故取n=4满足要求。3.3 锁模力的校核锁模力又称合模力，是指注射机的合模机构对模具所能施加的最大夹紧力。当熔体充满型腔时，注射压力在型腔内所产生的作用力总是力图使模具沿分型面胀开，为此
18、，注射机的合模力必须大于型腔内熔体压力与塑件及浇注系统在分型面上的投影面积之和的乘积，即 （3-2）注射机的公称锁模力（N）；模内平均压力（型腔内的熔体平均压力Mpa）；塑件、流道、浇口在分型面上的投影面积之和（），见表4-1；注射压力在型腔内所产生的作用力（N）。表4 模内的平均压力制品特点模内平均压力（Mpa）举例容易成型制品24.5PE、PP、PS等壁厚均匀的日用品一般制品29.4在模温较高下成型的薄壁容器类制品中等黏度塑料盒有精度要求的制品34.3ABS、PMMA等有精度要求的工程结构件，如壳件、齿轮等。加工高黏度塑料、高精度、充模难的制品39.2用于机器零件上高精度的齿轮或凸轮等利用
19、三维制图软件UG计算塑件总投影面积近似为： =38.45查表4-1得 则 =34.39.2100=315960N=315.96KN所选用的注射机的公称锁模力=1500KN,故注射机满足要求。3.4 开模行程的校核注射机开模行程是有限的，塑件从模具中取出时所需的开模距离必须小于注射机的最大开模行程，否则塑件无法从模具取出。为了保证开模后既能取出塑件又能取出流道内的凝料，对于单分型面注射模具，需要满足下式： （3-3 ） 注射机最大开模行程；（S=300mm）推出距离（脱模距离，H1=78mm）塑件高度；（H2=76mm） 则 故满足要求。第四章 Moldflow模流分析4.1 网格划分及诊断修复
20、首先在UG软件中，将制件模型转换成igs格式并导入MPI中，对其进行网格划分，初试划分结果和网格统计结果及网格诊断如下图4.01和图4.02所示： 图4.01： 网格统计 图4.02：纵横比诊断进行网格修复的网格统计如下图： 图4.03修复后的纵横比显示4.2 最佳浇口位置分析网格处理好后，选择的材料为ABS,然后对其进行最佳浇口位置的分析，浇口的设计主要包括浇口的数目、位置、形状和尺寸的设计。浇口的系列变化都会对塑件熔体的填充产生很大影响。浇口设计应保证提供一个快速、均匀、平衡、单一方向流动的充填模式，避免射流、滞留。凹陷等现象的发生。所以在确定成型方案之前，对制品进行最佳浇口位置的预分析，
21、其结果如下图4.14所示。由图4.04显示可以看出，浇口设置的最佳区域在蓝色区域，绿色区域为较好区域，淡黄色区域为较差区域，红色区域为最差区域。 图4.04浇口位置分析4.3 浇注方案的设计综合考虑到最佳浇口位置及朔件形状特征，最终确定了以下两种浇注方案浇注方案一的设计 图4.05 方案一浇注方案二的设计 图4.06 方案二4.4不同浇注方案的Moldflow流变分析结果及其比较流变分析的目的是通过对熔融体流经流道，浇口填充型腔的过程的模拟，预测和显示熔体流动前沿的推进方式、填充过程中的压力和温度变化、气穴和熔接痕的位置，并且优化模腔的布局。流变分析包括填充分析和保压分析。虽然填充分析过程只是
22、整个成型周期中的一小部分，但它确实非常重要的过程，如果填充不充分，则不能进行保压和冷却过程，因此，为了保证制件质量，塑料熔融体必须确保填充充分。填充分析结果主要包括填充时间、气穴位置、熔接痕、锁模力、熔融体流动前沿温度。（1） 填充时间填充时间指的是熔融体填满整个型腔所需的时间，两种方案的分析结果分别如图4.07、图4.08所示。 图4.07 充填时间（方案一） 图4.08充填时间（方案二）从上图可以看出，两种方案都能将制件充满，方案一的填充时间为1.750s，方案二的填充时间为1.670s，两种方案的填充时间都相差0.09s，就充填时间而言，两个方案都差不多。（2） 气穴位置气穴是指在塑料熔
23、融体注射充填过程中，模腔内除了原有空气外，还有塑料含有的水分在注射温度下蒸发而成的水蒸气，塑料局部过热分解产生的低分子挥发性气体等。两种方案气穴位置的分析结果如下图4.09和图4.10所示。 图4.09 气穴位置（方案一） 图4.10 气穴位置（方案二）由上图可以看出，方案一比方案二所形成的气穴略少，但所处易于设置排气，所以就气穴位置来说，两种浇注方案都满足要求。（3） 熔接痕熔接痕是由模具不同位置浇口处流出的熔融塑料汇聚时形成的交接痕迹。熔接痕的形成原因是由于各浇口流出熔料经过形状复杂的型腔到达汇聚处时各自的温度、压力和速度不完全一致产生的。在塑料制品成型中，熔接痕不但影响制品的外观，而且易
24、于产生应力集中，影响制品的总体强度。两种方案所形成的熔接痕的位置分别如图4.11和图4.12所示。 图4.11 熔接痕（方案一） 图4.12 熔接痕（方案二）由上图可以看出，方案一所形成的熔接痕比方案二多，且更严重。因此，就熔接痕而言，方案二比方案一好。4）锁模力锁模力即为在进行注塑时闭合模具所需要的力。锁模力：XY图表示锁模力随时间而变化的情况。计算锁模力时把XY平面作为分型面，锁模力根据每个单元在XY平面上的投影面积和单元内的压力进行计算。锁模力会随着型腔的充填而逐渐变化，要降低锁模力的最大值，最重要的是设法降低充填所需压力。两种方案的锁模力分析结果如图4.13和图4.14所示。方案一的最
25、大锁模力约为7.4吨，发生在填充时间为1.70s的时候；方案二的最大锁模力约为1.9吨，发生在填充时间为1.68s的时候，大大低于方案一，因此，就锁模力而言，方案二较好。 图4.13锁模力（方案一） 图4.14锁模力（方案二）（5）熔融体流动前沿温度熔融体流动前沿温度指的是熔融体流动前沿到某一节点的温度。在制件比较薄的地方，如果这一温度太低，则会造成滞流、短射现象的发生。如果这一温度太高，则会使塑料聚合体发生降解，造成制件的表面缺陷。两种方案的熔融体流动前沿温度的分析结果如图4.15和图4.16所示。 图4.15 流动前沿温度（方案一） 图4.16 流动前沿温度（方案二）由上图可以看出，方案一
26、和方案二的熔融体流动前沿温度都比较均匀，绝大部分与设置的模温260C相近。因此，对熔融体流动前沿温度而言，方案二比较好。4.5 设计方案的选定 由4.4方案分析的比较得方案二和方案相比；充填时间，方案二略好；气穴与熔接痕两者相差不多；但方案二的锁模力和流动前沿温度比方案一好，且方案二的模架比方案一的模架更简易，故而此次设计选用方案二。4.6 浇注系统的设计4.6.1 分型面的选择分型面是模具结构中的基准面，选择模具分型面时通常考虑如下有关问题：1根据塑件的某些技术要求，确定成型零件在动模和定模上的配置；2塑件的生产批量；3结合塑件的流动性确定浇注系统的形式和位置；4型腔的溢流和排气条件；5模具
27、加工的工艺性。分析零件特点后，发现零件的外表面有比较高的精度要求，简易分型面示意图如下图4.17所示： 图4.17分型面4.6.2 主流道的设计主流道是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。主流道通常设计在模具的浇口套中，在卧式注射机上主流道垂直于分型面，为使凝料能顺利拔出，设计成圆锥形，选用材料为P20，热处理要求淬火5357HRC。主流道各部分尺寸如下图4.18所示： 图4.18 主流道个部分尺寸按照前面所选取的注射机的参数和设计要求主流道各部分尺寸计算如下： 主流道小端直径 主流道球面半径 主流道锥角 26，为了方便拉出主流道
28、，这里取2 主流道长度 L100 主流道大端倒圆角：为使融料顺利进入分流道，可在主流道出料端设计半径r=2mm的圆弧过渡。4.6.3 主流道衬套的设计 因为在浇注成型时，主流道要与高温熔料体和注塑机喷嘴反复接触和碰撞，所以本设计不将主流道直接开在定模板上，而是设计成独立的主流道衬套，然后将它嵌入到定模座板中。它的优点是对主流道的加工和热处理以及衬套本身的选材等工作带来很大的方便，而且在主流道损坏以后，也便于修整和更换，符合生产经济效益。 本次设计所选用的浇口套为把浇口套与定位圈设计成整体形式，浇口套与模板间的配合采用H6/M6的过渡配合，用螺钉定位于定模座板上，此种设计一般只用于小型注射模，如下图4.19所示： 图4.19浇口套4.6.4 分流道的设计在设计中考虑到，在保证成型质量的前提下尽量缩短流程，减少断面积以缩短充填及冷却时间，缩短成型周期，减少浇注系统损耗的朔料，因为梯形截面分流道加工叫容易，且热量损失与压力损失均不大，为常用形式，故本次设计选梯形分流道截面。梯形截面分流道的尺寸可按下面经验公式确定： B= =0.2654140.111/2181/4=6.6mmH=2/3B=2/36.6=4.4其中，B梯形的大底边宽度（mm）
