喷油器塑料外壳注塑模具设计及加工工艺制定.docx
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喷油器塑料外壳注塑模具设计及加工工艺制定
本科毕业设计
(2014届)
题目:
喷油器塑料外壳注塑模具设计和
加工工艺制订
学院:
机电工程学院
专 业:
机械工程及自动化
班 级:
10机自本一
姓名:
徐石明
学号:
10113003336
指导老师:
孙树峰
完成日期:
2014年5月3日
喷油器塑料外壳注塑模具设计和加工工艺制订
摘要:
如今塑料在市场上的运用十分广泛,不仅价格低廉,绝热性能好,而且能熔融塑料根据模具的形状形成各种形状的塑料制品。
注塑模具是经久不衰的产业,大部分的塑料制品都是由注塑模具完成的。
汽车喷油器是汽车发动机的关键部件,在汽车上广为运用。
为了给企业设计和制造汽车喷油器塑料外壳模具提供一些参考,本毕业设计将采用PRO/E软件,设计一款汽车喷油器的塑料外壳,并设计出该塑料外壳零件的注塑模具,并对该模具零件进行加工工艺的制订,形成工艺文件。
在本文中,将围绕塑料外壳的设计,塑料模具设计及模具加工三个方面,进行详细的说明。
关键词:
喷油器塑料外壳;注塑模具设计;PRO/E;模具加工
Fuelinjectorplasticshellinjectionmolddesignandprocessingtechnologytodevelop
Abstract:
Nowadays,theuseofplasticinthemarketisverywide,notonlyforitslowprice,butalsoinsulationperformanceisgood,andcanonthebasisofthemoldtoformvariousshapesofplasticproducts.Mostoftheplasticproductsaremadebyinjectionmold,sowecansayinjectionmoldisenduringindustry.Asakeypartofautomobileengine,FuelInjectoriswidelyusedinthecar,inordertoprovidesomereferenceforcompaniesaboutdesigningandmanufacturingFuelInjectorplasticshellinjectionmold.PRO/Esoftwareisadoptedinthisgraduationdesign,itisusedtodesignacarFuelInjectorplasticshell,andalsousedtodesignedtheinjectionmold,Throughtheinjectorplasticshelltoformulatemoldpartsprocessingtechnology,finallyformingprocessfiles.Inthisarticle,itwillrevolvearoundthedesignoftheplasticshell,theplasticinjectormolddesignandmoldmadeprocessingthreeparts,fordetailedinstructions.
Keywords:
Injectorplasticshell;Injectionmolddesign;PRO/E;moldmade
引言
塑料从它的诞生到现在,已经有一个多世纪了,目前市场上的各种塑料产品层出不穷。
塑料的主要是由树脂和添加剂组成,在价格上,也较为低廉。
塑料因为有许多的良好的特点,所以用处十分广泛。
主要的特性有:
质量轻,化学稳定性比较好,不会生锈,缓冲性好,有较好的透明性和耐磨耗性,绝缘性好,导热性低,着色性好,加工成本低,容易燃烧、变形、老化。
常用的塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS等普通塑料,还有聚碳酸酯、PA、POM、PSU等工程塑料,还有其他的特种塑料如PPS等。
喷油器的外部由一层塑料包裹,需要有注塑机将熔融的塑料注入模具中形成。
作为汽车发动机的关键部位,我国在该方面的生产水平还跟不上一些发达国家,目前汽车喷油器主要由国外生产厂家(德国博世、美国德尔福、日本电装等)生产。
本课题将以设计一款新型喷油器的塑料外壳为目标,更进一步的去了解喷油器塑料带来的作用,同时设计出更为合适的喷油器塑料外壳。
如果研究顺利,将为中国一些汽车喷油器生产商带来一些参考,如果有更多有识之士参与进来,对中国的一些喷油器行业将带来很大的推动作用。
喷油器的塑料外壳在设计中存在着许多的难点,在参阅了一些参考资料的情况下,了解了喷油器的工作环境,安装情况,组成部分和使用情况等,这样才能对喷油器的塑料外壳从材料选择,到外形设计上有更加明确的目标。
在明白塑料材料的情况下,更加确定塑料的收缩率和流动性,便对熔融塑料充入模具中时,对填充问题有了更加明确的了解。
在对国内外一些相关的技术文件还有一些专业的设计软件进行简单分析之后,本文将会采用美国的CAD/CAE/CAM软件PRO/E对喷油器的塑料外壳进行造型设计,并且通过设计的塑料外壳进行注塑模具的设计,最后将模具的零件进行加工工艺的制订。
1概况
1.1喷油器概况
喷油器是发动机电控燃油喷射系统中的一个关键的执行器,在汽车发动机中起到了举足轻重的作用,喷油器主要是考电磁阀控制的,所以全称为电磁喷油器,英文名为Injector,简称INJ。
按喷油嘴可将喷油器分为针轴式和孔轴式两种。
按针轴式的喷油器来说主要有塑料外壳、滤网、插座、电磁线圈、衔铁、轴针、阀针、上下密封圈组成。
由于柴油机压缩比高,压缩终了时,气缸内的空气压力达到3.5-4.5Mpa,温度可以达到750-1000K,而汽油机的稍微低一点,压缩比为0.6-1.2Mpa,温度达到600-700K。
而对于喷油器来说,一般的工作温度为-30~125℃,储存温度为-40~60℃。
1.2塑料外壳材料的选择
表1.1常用工程塑料特性对比
材料简称
抗冲击性
收缩率%
耐酸碱性
使用温度
易燃性
ABS
强
0.4-0.7
好
-40~100℃
易
PC
强
0.5~0.8
耐弱酸,不耐强碱
-60~120℃
自熄性
PVC
差
0.6-1.5
耐盐酸、硫酸、中低浓度硝酸及20%以下的烧碱
下限温度-15℃~30℃
阻燃
PP
差
1.0-2.5
耐强酸,耐强碱
100度左右
PMMA
差
0.5-0.7
耐碱、稀酸、水溶性无机盐、烷烃和油脂
-40~80℃
易
PS
差
0.6-0.8
可以被多种有机溶剂溶解,会被强酸强碱腐蚀,不抗油脂。
长期使用温度0~70℃但脆,低温易开裂。
易
PE
1.5-3.6
耐大多数酸碱的侵蚀(不耐具有氧化性质的酸)
最低使用温度可达-70~-100℃
PA
强
PA60.8-2.5%
耐化学性好,耐溶剂型好,耐油性好,但溶于强极性的剂。
-40~105℃
不燃
POM
很强
1.2-3.0
不耐酸,不耐强碱
-40~100°C
易
通过上面的表格可以看出PA材料抗冲击性强,而且耐化学性好,使用温度也适合,同样在高温的时候,不会因为高温而燃烧。
在工程上,喷油器的塑料外壳是选用添加了玻璃纤维的PA6,添加玻璃纤维对尼龙的影响很大,让PA6更能耐高温。
同样添加了玻璃纤维,收缩率下降,强度和刚性也会很大的提高。
1.3工艺流程
本设计将参照以下流程图进行:
1.4注射成型的工艺参数
要取得良好的塑件,能够顺利充模、冷却和定型,从而成产出质量优良的塑料制件,而影响最大的为温度、压力和时间三个要素。
温度
温度主要是三个部分,料筒温度、喷嘴温度和模具温度。
料筒温度料筒温度主要是根据塑料的品种和特性进行选择。
料筒温度如果过高,塑料容易产生低分子化合物和分解产生气体,产品的性能将急剧下降。
温度如果过低,那么熔融的塑料流动性比较差,会产生熔接痕等。
最适合的料筒温度应该在粘流温度或熔点温度θf和热分解温度θd之间。
喷嘴温度喷嘴温度一般略低于料筒中最高的温度。
如果喷嘴温度过高,则会产生流涎现象,若温度过低,那么塑料融化不够,形成硬块,从而堵住喷嘴。
模具温度模具温度对塑件的质量有直接影响,涉及到充模时间、成型的速度和产品的质量。
在模具里面,一般都会设计冷却水道,目的就是控制模具的温度。
一般模具的温度要低于玻璃化温度。
一般要求是,在满足注射要求的温度下,尽量降低模具温度。
根据查阅资料,玻纤增强PA6选用螺杆式注射机,螺杆转速20~40r/min,直通式喷嘴,喷嘴温度为250~260℃,料筒前段温度为260~270℃,中段为260~290℃,后段温度230~260℃,模具温度为100~120℃。
压力
注塑机中,主要涉及的三个压力,分别是塑化压力、注射压力和保压压力。
塑化压力塑化压力是螺杆头部溶料在螺杆转动时受到的压力。
在其他条件不变的情况下,塑化压力的增到,会提高溶料的温度,顺利将塑料中的空气排除,使得塑料的综合性能会有所增加,但是过高的塑化压力会降低塑化的速率,使得成型的时间加长。
注射压力注射压力是指柱塞或螺杆轴向移动时其头部对塑料熔体所施加的压力。
注射压力对塑料的流动性影响较大,较大的注射压力会溢料、溢边,易产生反应力,塑件也比较容易变形。
压力低的时候,塑件的流动性比较小,气泡堆积比较多,产品的质量会严重受损。
保压压力型腔充满之后,继续对模内溶料施加压力称为保压压力。
溶料在注塑机里完成充型之后,温度降低会使得塑件的形状变小,在塑件成型之后,注塑机施加保压压力,能够实现对塑件的补缩,对部分进行塑件补充,从而生产出合格的塑件。
保压压力过大会产生飞边等,如果不足,则塑件成型不足。
根据查阅资料,玻纤增强PA6塑料通常使用的注射压力为80~130MPa,保压压力为40~50MPa。
时间
时间指的是模具从开模到下一次开模所经历的时间,就是一个模具时间周期。
主要指的模具合模时间、喷嘴注射时间、塑料保压时间以及塑件在模内冷却时间,还有其他时间。
控制模具的各个运动的时间,能够有效的提高成产效率。
玻纤增强PA6的注射时间3~5s,保压时间19~49s,冷却时间19~39s,成型周期控制为49~100s。
1.5注射机有关参数的校核
根据单个塑件的体积和排样方式可以确定,四个塑件的体积和浇注系统凝料的体积之和约为27.4cm3(其中单个塑件的体积约为5.496cm3,凝料的体积约为5.42cm3),选取XS-Z-60型塑料注射成型机。
该成型机的技术参数如表1所示:
表1.2XS-Z-60型塑料注射成型机参数表
额定注射量/cm3
60
螺杆直径/mm
38
注射压力/MPa
122
注射行程/mm
170
注射方式
柱塞式
锁模力/kN
500
最大成型面积/cm2
130
最大开(合)行程/mm
180
模具最大厚度/mm
200
模具最小厚度/mm
70
喷嘴球头半径/mm
SR12
喷嘴孔直径/mm
4
顶出方式
中心机械顶出
动、定模固定板尺寸/mm
330×340
拉杆空间/mm
190×300
合模方式
液压-机械
液压泵流量/L·min-1
70,12
液压泵压力MPa
6.5
电机功率/kW
11
加热功率/kW
2.7
机器外形尺寸
3160×850×1550
1)型腔数量的校核
根据注塑机一定时间内的塑化量确定所需的型腔数量,如公式1-1:
(1-1)
式中:
n——模具型腔数量;
m1——单件塑件的质量或体积大小,g或cm3;
m2——流道上凝料的质量或体积大小,g或cm3;
K——注射机最大注射量的利用系数,一般取0.8左右;
M——该类型注射机的塑化量的额定值,g/h或cm3/h;
T——成型周期s;
根据以上公式,最大注射量计算如公式1-2为:
(1-2)
2)最大注射量的校核
该注塑机在空注射情况下,注射螺杆或柱塞作一次最大行程的注射,所能流出最大化的熔融塑料的量称为最大注射量。
校核公式如1-3:
(1-3)
式中:
n——型腔数量;
m——单件塑件的质量或体积大小,g或cm3;
mj——流道上凝料的质量或体积大小,g或cm3;
mn——该注射机所能达到的最大注射量,g或cm3;
k——注射机最大注射量的利用系数,一般取0.8左右;
3)锁模力的校核
在塑料熔体里所有的压力是通过锁模力进行控制的,同样锁模力还能有效的保证塑料的质量。
塑件在分型面上的投影面积之和(不和浇注系统重合的面)乘以型腔内塑料压力,即为涨模力。
为了保证在注射的时候,不发生塑件产生飞边和涨模现象,涨模力应小于注射机的额定锁模力Fn(公式1-4)。
(1-4)
式中:
n——型腔数量;
——塑件在分型面上的投影面积之和cm2;
——浇注系统上的凝料在分型面上的投影面积之和cm2;
p——型腔压力MPa,型腔压力为注射压力的80%左右;
Fn——锁模力kN。
根据Pro/E计算得塑件在分型面上的投影面积为2.766cm2,凝料在分型面上的投影面积为11cm2,模腔内压力取20MPa,所取的型腔数量为4,所以该注塑机的锁模力满足要求。
4)开模行程校核
开模行程主要是有塑件的高度和推出系统的行程决定的,如1-5所示:
(1-5)
式中:
——最大开模距离;
=180mm
——推出距离;
=30mm
——产生的塑料总高度(包括浇注系统上的凝料);
=60mm
由上式得:
;左边
右边,所以该注塑机的开模行程满足要求。
2塑料外壳设计
2.1塑料外壳设计过程
喷油器不是纯塑料制品,在设计塑料外壳的时候,必须的知道喷油器的金属外表面的形状及需要进行包裹的部分。
在本设计中,首先用PRO/E设计了一款喷油器,然后根据装配效果及喷油器的安装情况,进行塑料外壳的设计。
装配效果图如图2.1、图2.2:
图2.1.无塑料外壳喷油器装配图
图2.2无塑料外壳、无密封圈的喷油器装配图
根据上图所示的装配图,对喷油器塑料外壳进行如下设计,如图2.3、图2.4所示(灰色部分为塑料外壳)。
图2.3.喷油器外观图
图2.4.喷油器外观图
根据装配情况和安装的情况,塑件的设计尺寸图,如图2.5~2.9所示
图2.5.主视图
图2.6.左视图图2.7.B向局部视图
图2.8.C向局部视图图2.9.A向局部视图
2.2塑料外壳的排样
根据在概述上的校核,型腔的数量可以选择4个,而且根据塑料外壳的尺寸和注射机的选择,塑料的排样方式有如下两个方式:
图2.10排样方式一
该图中灰色的表示需要住注塑的塑件,塑件在x向之间的距离为60mm,在y向之间的距离为120mm。
该排布在一般的塑件中比较常见,优点有:
节省空间,浇注系统比较好设计,推出时,力比较均匀,能够顺利脱模。
唯一的缺点就是抽芯是斜抽芯,在加工和设计上加大难度,对斜导柱侧向抽芯还好,对于其他的抽芯方式比较困难。
装配模具图如图2.11。
图2.11模具效果图
图2.12排样方式二
图2.13模具装配效果图
塑件的第二种排样方式如图2.12所示,图2.12的塑件排列主要是以DTM104、DTM105为对称面。
其中塑件中心轴和DTM104的夹角为42°,在y方向上,两个插头面之间的距离为120mm,为流到预留了宽20mm的距离;在x方向上,两个插头之间的距离为88mm,为流道留出了38.6mm长。
采用该布局后,模具装配效果图如2.13所示,该布局抽芯在模具边缘,抽芯变得十分方便,同样因为布局比较匀称,在推出的时候,也能比较容易顺利脱模。
2.3注塑塑料外壳时的定位
在本毕业设计中,塑料外壳是在喷油器外部的,在模具注塑前,就必须要将装配的喷油器放入模具中,该喷油器放入在模具中,定位问题是一个很重要的问题。
定位是否到位,注塑出来的塑件是否和喷油器同心,很大程度上在注塑前,喷油器的定位的问题。
同样因为插头部分形状比较复杂,如果在合模之前,将带插头的部分定位准确,保证不会因为合模受到影响而发生偏心。
在合模前,将插头放入加工好的侧滑块,并将侧滑块定位。
当合模之后,开始注射,当成型之后,并且保压之后,开模。
侧滑块往外拉,推杆推出,这样塑件就能取出来了。
在每次合模之前,需要保证的就是侧滑块能够在原位,这样的话才能实现将装配好的喷油器放入模具中,实现对塑料外壳的注射成型。
在目前考虑中的主要有两个方向对侧滑块进行控制:
第一个是采用气缸对侧滑块进行抽芯,气缸来说相对简便,同时气缸也比较容易控制,这样的话就能对侧滑块进行随时控制,但是气缸进行操作也有一些缺点,就是气缸控制抽芯没有机械控制抽芯稳定,同时气缸抽芯可能会造成不同步的问题,在某些方面会增加成本,需要增设一些气动装置还有电磁阀和接近开关等对于气缸的规格的选择,主要根据脱模力还有抽芯的距离进行确定。
第二种方法是,采用可拆卸式的抽芯部分,能够和侧滑块进行分开,刚开模的时候,侧滑块和抽芯部分组成一体,开模的同时,实现抽芯,当抽芯完毕并将塑件推出之后,抽芯部分自动弹回到原位或者手工使其到原位,手工到原位的由于耗时多,而且模具较热,不太方便。
在本次设计中,将会从气缸抽芯和可拆卸抽芯部分进行一个细致考虑,在接下来的模具设计中会涉及。
塑料外壳在喷油器的进油端和插线部分的定位如图2.14所示:
图2.14装配定位图
3注塑模具设计
3.1模具总体设计
本设计所用的注塑机为立式注塑机,立式注塑机方便嵌件的放置。
标准模架选择规格是296×346,模架为推杆推出机构:
定模两板、动模单板式(A1型)。
模具的总体布局如图3.1所示。
图3.1模架的布局
在这个模架中,主要包括有,绝缘板、定模固定板、主流道衬套、定位环、定模板、动模板、垫块、推杆固定杆、推板、动模座板、侧滑块、斜导柱、导杆、推杆和复位杆等结构。
其中本次设计的模具中,采用了5根推杆和4根复位杆。
各个模板的尺寸图如下图3.2所示。
图3.2模具厚度
3.2分型面的选择
分型面在模具的设计中至关重要,是决定模具结构的一个很重要的因素。
在分型面的设计中,首先应该知道模具型腔的数量和排布情况,在上一节概述中已经讲到,本次模具型腔数量定为4个。
在设计型腔数量及排布前,一般会考虑注塑机的参数,适合一模几腔。
分型面的选择有以下原则:
1.分型面应选在塑件外形最大处;2.分型面能够让塑件顺利完成脱模;3.分型面不会影响塑件的尺寸精度;4.分型面便于实现机械加工;5.分型面能够顺利排气。
喷油器的塑料外形还不算复杂,根据以上原则,设计两个分型面就能完成对塑料的分型。
喷油器塑料外壳的模具分型面的设计如图3.3所示。
图3.3模具分型面
该模具分型面有五个分型面,其中四个为侧向抽芯,一个为主要分型面。
3.3浇注系统的设计
从浇口套的进料口到模具型腔之间的直接通道叫做浇注系统,在通到里形成的塑料称作凝料。
浇注系统主要有主流道、分流道、浇口和冷料穴四个部分。
在设计之前,我们必须要懂得塑料的成型性能,这样才能保证该浇注系统能够生产出合格的产品。
由于两个方向的溶料在交接的时候有一定的温度差,而且注射进去的料温度都比较低,所以容易产生熔接痕,设计合理的流道能够减少或消除熔接痕。
溶料在进入浇注系统的时候,需能够顺利的排气。
为了减少温差,产出合格的产品,在模具的浇注系统流程应该尽量短。
对于一些大型的或者壁比较薄的零件,在设计浇注系统的时候,需要对流动距离比进行校核。
3.3.1主流道设计
主流道是指从喷嘴开始到分流道的这一段流道,主流道是主通道,形状和尺寸对塑料的充模速度和充模压力有较大的影响。
主流道一般都从浇口套开始,为了使塑件顺利脱模,一般设计成圆锥形,锥角在2°~6°之间,流道的表面粗糙度应该控制在Ra≤0.8μm,浇口套的加工要求为使用碳素工具钢制造,热处理淬火到53~57HRC。
浇口套的设计如图3.4和图3.5。
图3.4浇口套三维图
图3.5浇口套尺寸图
在本设计中,浇口套选用的是标准件,在pro/e软件的模架选择中类型为Z51r。
浇口套和模板之间通常采用H7/m6的过渡配合,那么配合尺寸为Φ18H7/m6。
浇口套和定位圈则采用H9/f9的间隙配合,配合尺寸为Φ18H9/f9。
3.3.2分流道设计
分流道是指从主流道末端到浇口部分的通道。
分流道的作用主要是改变塑料的流向,能将溶料平衡的分配到各个型腔。
分流道的形状有很多种,主要有圆形、梯形、U型、半圆形和矩形。
其中圆形的比表面积比较小,损失小,梯形和U型比较容易加工,比较常用,矩形用的比较少。
在本毕业设计中,选用圆形的截面,根据经验所得,D=4~8mm为宜,这里我们取第一阶段的分流道截面直径为5mm,在每一节流道比下一节大10%~20%的原则,可以确定第二节的流道可以取4~4.5mm左右,这里我们取第二节的分流道直径为4mm。
根据浇口位置选择的原则,型腔呈现出矩形布局,那么分流道采用“非”型布局。
将分流道布局如图3.6。
图3.6分流道分布示意图
其中第一节分流道的长度为60mm,第二节分流道的长度为18.8mm。
分流道和模具接触的外层塑料迅速冷却,流动状态要理想,所以表面粗糙度设计在1.6μm左右。
3.3.3浇口的设计
浇口也就是通常所说进料口,是从分流道到型腔之间的直接通道。
浇口有两种类型一种是限制性浇口;另一种是非限制性浇口。
在浇注系统里面,限制性浇口的尺寸是最小的,当截面突然变小时,熔体的压力和流速会突然增大,这样就能让熔体快速的充入型腔,不会产生太大的充型不足的问题。
而非限制性浇口相反,是截面最大的部分,主要是起引料和进料后施压作用。
按照结构特点,也可以细分为直接浇口、侧浇口、环形浇口、轮幅式浇口、点浇口、潜伏式浇口和爪型浇口。
查阅资料得到,对于塑料PA可以选择用直接浇口、侧浇口、点浇口和潜伏式浇口。
对于喷油器的结构来说,不适合直接浇口,而喷油器塑料外壳表面结构复杂,点浇口没有侧浇口的补缩好,最终决定使用侧浇口。
侧浇口形状一般都为矩形,宽度和深度的计算公式如公式3-1和公式3-2所示:
(3-1)
(3-2)
式中:
b——侧浇口的宽度,mm;
A——塑料外表面积,mm;
T——侧浇口深度,mm;
δ——侧浇口处塑料的壁厚,mm。
对于中小型的塑件,一般壁厚取0.5~2mm,这里取1.5mm。
用PRO/E软件分析,塑件的表面积大约为4000mm2左右。
所以
,这取b=1.5mm。
浇口长度l一般为0.8~2.0mm左右,这里取浇口长度l为2mm。
浇口位置的选择对成型的塑件品质会有较大的影响,浇口位置选的不好,有些塑件将可能出现填充不满或者熔接痕明显等缺陷。
浇口的设计有如下注意要点:
1.流动距离尽量短;2.浇口位置应在壁较厚的地方;3.减少熔接痕;4.考虑分子定向的影响;5.避免熔体破裂现
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