塑料锥齿轮注塑模设计.docx
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塑料锥齿轮注塑模设计
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论文作者签名:
2013年6月10日
河南工程学院毕业设计(论文)原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文,是本人在指导教师指导下,进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名:
2013年6月10日
河南工程学院
毕业设计(论文)任务书
题目塑料锥齿轮模具设计
专业机械设计制造及其自动化学号姓名
主要内容、主要要求、主要参考资料等:
一、主要内容:
采用理论与实践相结合的方式,运用所学理论知识,以及几次课程设计的经验,在辅导老师的指导和帮助下完成本次毕业设计。
在开始设计阶段,收集和查阅有关本次设计的相关资料;分析设计制品的结构,初步完成该制品模具设计的基本结构;学习和熟练掌握CAD和Pro/E软件,完成本次模具设计的3D开模图和2D的总装图以及若干零件图,完成毕业论文的写作。
二、主要要求:
模具结构的设计既是重点又是难点,主要包括成型位置的及分型面的选择,模具型腔数目的确定,型腔的排列,流道布局,浇口位置的选择,模具工作零件的结构设计,分型及抽芯机构的设计,推出机构的设计,拉料杆的形式选择,排气方式设计,冷却系统设计等。
三、主要参考资料:
1黄锐,塑料成型工艺学,2010年2月第2版第13次印刷,中国轻工业出版社
2张维合,注塑模设计使用教程,2010年8月北京第1版第5次印刷,化学工业出版社,13-23,102,67.
3金杨福钱欣,MoldflowInsight2010注射成型分析基础,2010年2月北京第1版第1次印刷,化学工业出版社,1,102,139.
完成期限:
2012年12月15日至2013年6月12日
指导教师签名:
专业负责人签名:
年月日
塑料锥齿轮模具设计
摘要
目前,随着塑料工业迅猛发展,塑料制品已遍布现代工业和日常生活的每个角落。
塑料模具工业已经得到了空前的发展,塑料制品给人们的生活带来了诸多影响。
为了解塑件的制造过程、模具设计过程及学习有关知识,本论文参考有关书籍,结合实际的塑料齿轮制品,系统的分析了注射模的设计过程,并广泛的应用了模具的设计与制造的强大三维CAD工具Pro/E软件进行零件的绘图与装配。
本设计根据制品的图纸及其用途性能,选择了塑料的牌号及注射模成形的方法,利用Pro/E软件对工件进行了三维绘图;分析了塑件的性能、尺寸及设计的有关注意事项;阐述了塑料的性能、成形特性以及工艺参数。
根据制品的注射量及注射压力选择了成形设备,分析了塑件的成形工艺过程;根据模具材料选择的具体原则,选择了模具各个部件的材料;通过对塑件结构形状分析,确定了其成形位置,设计了分型面;论文重点讨论了模具结构设计的详细过程,包括进料系统设计、成形零件的工作尺寸计算以及结构设计与强度计算、侧向抽芯结构设计、合模导向结构设计、顶出脱模结构设计、排气结构设计、冷却系统设计。
关键词塑件/注射模/Pro/E/结构设计
INJECTIONMOLDDESIGNOFPLASTIC
BEVELGEAR
ABSTRACT
Atpresent,withtherapiddevelopmentofplasticindustry,plasticproductshavebeenallovereverycornerofmodernindustryanddailylife.Plasticmoldindustryhasobtainedtheunprecedenteddevelopment,plasticproductsbroughtmanyinfluencestopeoplelife.Inordertounderstandthemanufacturingprocess,systematicanalysisofthedesignprocessoftheinjectionmould,drawingandassemblyandwidelyusedinmoulddesignandmanufacturingofthepowerfulCADsoftwarePro/Eparts.
Accordingtothedesigndrawingsandusetheperformanceofproducts,thegradesandinjectionmouldforplasticforming,tocarryoutworkonthethree-dimensionaldrawingusingPro/Esoftware;analysisofthemattersneedingattentionindesign,sizeprecisionandperformanceoftheplasticparts;analyzedtheformingprocessofplasticparts;accordingtothespecificprinciplesofmoldmaterial
selection,selectallcomponentsmoldmaterial;throughtheanalysisofplasticpartsofthestructureshape,thediestructuredesign,includingthedesignoffeedsystem,formingpartssizecalculationandstructuredesignandstrengthcalculation,lateralcorepullingstructuredesign,moldguidestructuredesign,strippingstructuredesign,structuredesign,exhaustcoolingsystemdesign.
KEYWORDSplastic/injectionmould/Pro/E/designofstructure
1引言
随着现代工业发展的需要,塑件制品在工业农业以及日常生活等各个领域的应用越来越广泛,塑料是继钢铁、木材、水泥之后,当代新兴的第四大类工业材料[1]。
我国塑料模具的质量、技术和制造能力近年来确实发展很快,有些已达到或接近国际水平,总体上供不应求,特别是大型、精密、复杂、长寿命塑料模产需矛盾十分突出,满足率只有60%左右[2]。
尤其是为工程塑料配套的模具,目前满足率只有40%左右。
我国塑料模具行业与其发展需要和国外先进水平相比,主要存在几方面的问题:
发展不平衡,产品总体水平较低;工艺装备落后,组织协调能力差;开发能力不强,管理技术落后;市场需求量大,但是通过国内外的交流和全行业的通力合作会逐步得到解决的。
随着经济的发展,各行各业对各类模具的需求不断增加,所需品种也越来越细化。
据预测,国内模具发展的趋势:
(1)CAD/CAE/CAM技术在模具设计与制造中的应用;
(2)热流道模具在塑料模具中的比重将逐渐提高;
(3)高速加工、复合加工、新工艺、新技术的发展;
(4)标准件的应用将日渐广泛;
(5)快速经济模具的发展前景十分广阔;
(6)以塑代钢、以塑代木的进程进一步加快,塑料模具的比例将不断增大;
(7)模具技术含量将不断提高、中、高档模具比例将不断增大。
1.1设计目的
(1)掌握注射模设计的一般方法;
(2)正确的设计塑料模具;
(3)了解注射机的基本构造;
(4)进一步掌握设计的一般方法,熟练设计的一般过程。
1.2设计意义
塑料,作为高分子聚合物,它的性能和应用可以说是无穷无尽的,同时,塑料的生产成本比金属要低,使得塑料制品在一些领域逐渐代替金属材料,农业、包装、运输、电气、化工、建筑、航空航天、仪表以及日用品都离不开塑料。
现在对于“模具是工业生产的基础工艺装备”这一点已经取得了共识[3]。
在电子、汽车、通讯等产品中,60%~80%的零件都要依靠塑料模具,尤其是注射模具来成型。
用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗,是其他加工制造方法所不能比拟的。
而塑料齿轮是近五十年来才发展起来的一种质量轻、惯性小、噪声低、自润滑性能好等特点的新型非金属齿轮。
这种齿轮采用模塑成型工艺,生产效率高和制造成本低,已广泛使用于汽车电装、家用电器、办公文仪、食品和环卫、钟表和玩具等产业领域。
近年来,随着高强度、高耐磨等高性能工程塑料研发和改性的成功,特别是在全球工业飞速发展和军备竞赛等的驱动下,塑料齿轮的开发和应用已取得了长足进步。
现在塑料齿轮已经在汽车电装备产品中成功取代了传统的金属齿轮,近年来有成功应用于小型航空器上控制表层稳定的动力螺旋器、军用领域中的陀螺仪表及操纵系统装置中。
塑料齿轮主要有以下特性:
采用塑料齿轮可以有效的减小传动装置的体积、质量,缩短生产工艺流程和降低制造成本,还可以达到啮合传动减震降噪的目的,其最大的优势在于它的制造工艺许多被原金属齿轮设计师所不看好和难以采纳的某些传统结构和齿轮几何形状,均可以通过模塑齿轮来突破,大大扩展了齿轮轮系设计的自由度[5]。
而且可以对塑料齿轮进行着色处理,使模塑齿轮具有各种美丽鲜艳的色彩。
在电动玩具、石英钟表等产品中采用这样的齿轮既美观大方又方便生产和装配操作。
2产品分析
2.1塑料制品与成形
目前世界上塑料的体积产量已经超过了钢铁,成为当前人类使用的一大类材料。
中国的塑料工业正在飞速发展,塑料制品的应用已经深人到国民经济的各个部门。
塑料工程通常指塑料制造和改性,塑料成形及制品后加工。
塑料制品与模具设计是塑料工程的重要组成部分,是塑料工业中不可少的环节。
2.1.1塑料制品
塑料的密度低,又具有耐蚀和绝缘性能,有较多品种,有的减摩或耐磨性能好,有的防震性能优异,有的耐疲劳性能突出,这使得塑料制品在国民经济的各个行业无论是机械电子仪表或电子电器,还是建筑、包装和交通工具等领域内得到广泛应用。
塑料可加工性强,可以用来注塑、挤塑、热成形和压延等方法高效地生产各种制品[6]。
它又改善制品所需的某些性能。
在塑料制品生产中,工程技术人员必须熟悉制品设计的有关理论方法结构和造型。
塑料制品设计又于成形模具的设计制造和应用密切相关。
本产品为一个小型锥齿轮,参照日本KNK公司制造齿轮选定的模型,其三维模型图如下图所示
图2-1塑料锥齿轮三维造型
锥齿轮标准参数为:
模数:
m=1.5
齿数:
30
配对齿轮齿数:
20
齿宽:
3mm
压力角:
20°
内孔直径:
20mm
材料:
PC
2.2塑件的分析
主要内容如下几个部分:
根据齿轮的齿顶圆尺寸较小的情况确定所需模具为小模具;根据图纸精度要求查出了齿轮各个部分的公差,用Pro/E设计了齿轮三维图,直观的了解塑件,为了便于脱模,对塑件的壁和孔都选择了一定的脱模斜度,分析塑件的成型工艺。
2.2.1塑料制品的分析
这里的尺寸是指制品的总体尺寸,而不是壁厚、孔径等结构尺寸。
由于塑料流动性的限制,对于流动性差的塑料或薄壁制品进行注塑模塑时,制品尺寸不宜过大,以免熔体不能充满型腔或形成熔接痕,从而影响制品外观和强度。
此外,注塑模塑制品的尺寸受到注塑机的公称注射量、合模力和模板尺寸的限制。
2.2.2脱模斜度
为了使塑件在开模时留在动模上及顺利脱模,防止脱模时擦伤制品表面,齿轮的轴套孔以及筒壁都应有一定的脱模斜度。
其大小主要取决于塑料的收缩率、塑料制品的形状壁厚以及制品的部位。
轴套孔长度小于筒壁,其斜度小于筒壁内孔斜度,由于齿为工作部分,其强度要求高,所以不能有脱模斜度,以免影响齿轮的工作性能[7]。
齿轮的尺寸虽然很小但精度要求也较高,所以脱模斜度选小些。
所以脱模斜度选为:
筒壁部分,外壁5′,内表面10′;齿轮部分,外壁0′,内表面5′。
2.2.3塑料制品的圆角
塑料制品上所有转角都应尽可能采用圆弧过渡。
采用圆弧过渡的好处在于可以避免应力集中现象,提高制品强度,改善熔体在型腔中的流动状况,有利于使塑料充满型腔,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1mm。
对于使用上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,则仍以尖角过渡[8]。
齿轮的棱角主要有轴套部分,如果夹用圆弧过渡,则型腔型芯不易加工,所以没有需要采用圆弧多度的部分。
2.3塑件制品的公差
影响塑料模制品公差的因素有:
模具制造误差及磨损,尤其是成形零件的制造和装配误差以及使用中的磨损,塑料收缩率的波动,模塑工艺条件的变化,塑料制品的形状,飞边厚度的波动,脱模斜度及成形后制品的尺寸变化等[9]。
塑料制品分为八个精度等级,根据塑料品种的不同,每一种塑料可选择其中的三个等级。
模具制造的精度一般比塑料制品的精度高出1到2个等级。
2.4塑件制品的表面质量
塑料制品表面质量包括凹痕、起泡、变色、条纹等缺陷,还有表面光泽性和表面粗糙度。
表面缺陷必须要避免,表面光泽和表面粗糙度应根据塑料制品使用要求而定。
根据上面的要求,对所给定的塑料制品精度定为MT4,模具精度为IT6[10]。
2.5塑料成形技术
所谓注塑成型(InjectionMolding)是指,将已加热融化的材料喷射注入到模具内,经由冷却与固化后,得到成形品的方法。
具有生产效率高,生产周期短,能一次成型形状复杂、尺寸精确的塑料制件等特点。
由于塑料制品不同于金属零件,很少采用高聚物的溶液状态进形加工,也极少采用刀具进行切削加工。
绝大多数高聚物的加工成形都经过熔体的流动和变形,通过模具加工成形制品。
塑料成形加工及其模具技术是一门不断发展的综合学科,不仅随着计算机技术、数字模拟技术等在塑料成形加工领域的渗透而快速进步,而且随着高分子材料合成技术的提高、成形设备和成形机械的改革、成形工艺的成熟而高速发展。
塑料加工是将原材料转变为制品的关键环节。
模具是塑料成形加工的一种重要的工艺装备,因此,模具工业是国民经济的基本工业,被称为“工业之母”,模具生产技术水平的高低,已成为衡量一个国家产品制造业水平高低的重要标志[11]。
模具一般可分为塑胶模具与非塑胶模具。
塑胶模具根据生产工艺和生产产品的不同可分为:
注射成型模,压缩成型模,挤压成型模,热成型模等。
注塑成形作为一种重要的成形加工方法,生产的制件具有精度高、复杂度高、一致性强、生产率高和消耗低等特点,有很大的市场需求量和良好的发展前景。
但由于注塑制品合成型模具结构方案的千变万化,所以传统的注塑模具设计多以人工经验为主进行设计。
模具是一种生产塑料制品的工具,需要几组零件部分才能构成个模具整体,成形模腔是这个组合中最重要的部件。
整个模具被安装在注塑机上的,注塑时,成形模腔内被注入熔触塑料,并在腔内冷却定形,接着上下模分开,此时制品被项出系统从模腔顶出离开模具,最后模具再闭合进行下一次注塑。
整个过程以循环方式进行。
注塑模具是由若干块钢板配合各种零件组成的,基本分为:
成形装置,定位装置,固定装置,冷却系统,恒温系统,流道系统,顶出系统等组成。
根据浇注系统形式的不同可将模具分为三类:
大水口模具,细水口模具,热流道模具。
(1)注塑成型机
注塑机通常由注射系统、合模系统、液压传达动系统、电气控制系统、润滑系统、加热及冷却系统、安全监测系统等组成。
(2)模具
模具(Mold)是指,将树脂材料射入金属模型后得到具有一定形状的制品的装置。
已溶解的材料通过主流道,再经由流道与流道口填充到模槽内。
接下来则经由冷却工程与开模成型机脱模杆上的模具脱模板,推顶出成形品。
(3)成形品
成形品是由流入融化树脂的浇口、导入模槽的流道与产品部分构成。
(4)使用回料
成形品中的浇口与流道并不属于产品。
因此该部分往往被废弃,甚至粉碎后再度用作成形专用材料,这就称为回料。
回料不能单独作为成形专用材料来进行使用,通常都是配合造粒才能予以使用。
由于会经过成形工程,因此可让树脂做出各种特性的变化。
回料之配方比例的上限为30%左右,若配方比例过高就有可能会损害到树脂的原有性质[12]。
(5)成形条件
所谓成形条件是指,为了获得所需的成形品,而利用成型机的汽缸温度、射出速度、模具温度等组合成很多个设定条件。
由于可获得的成形品外观、尺寸、机械物理性能会因成形条件而异,因此要找出最佳的成形条件,就必须仰赖熟练的技术与经验。
(6)CAD/CAM的技术现状
模具CAD/CAM技术日益深入人心,并发挥着越来越重要的作用。
基于网络化的CAD/CAM使得分工更加协调,图形处理速度快,但价格却十分昂贵,这在一定程度上限制了CAD/CAM技术的推广。
2.6注射成型的基本过程及制品分析
注射成型是把塑料原料(一般经过造粒、染色、添加剂等处理之后的颗粒)放入到注射机(柱塞或螺杆)的料斗中,经过加热溶化使之成为粘流态,在柱塞或螺杆推力作用下,溶入模具的型腔中经过冷却、凝固,最后从模具中脱出,成为塑料制品。
2.6.1加料过程
定量的往料筒中加入塑料不能过多也不能过少:
加料过多会使塑料受热时间过长同时增加注射机的功率损耗,加料过少会引起型腔中塑料熔体压力降低,容易引起收缩、凹陷和填充不足等缺陷。
2.6.2塑化过程
塑化过程是塑料在料筒中进行加热、有固体颗粒转变成具有良好的可塑性粘流态的过程。
注射机大多采取螺杆式的塑化设备,塑料原粒从送料斗以定容方式送入料筒,通过料筒外的点加热装置和料筒内的螺杆旋转所产生的摩擦热,使物理熔化达到一定的温度后即可注射。
2.6.3注射过程
熔体自注射机的喷嘴喷出来后,进入模具的型腔内,将型腔内的空气排出,并充满型腔,然后升到一定压力,使溶体的密度增加,充实型腔的每一个角落。
充模过程是注射成型的最主要的过程,由于塑料溶体的流动是非牛顿流动,而且粘度很大,所以在压力损耗,粘度变化,多般汇流等现象左右塑件的质量,因此充模过程的关键问题----浇注系统的设计就成为注射模具设计过程的重点,现代的设计方法已经运用了计算机辅助设计以解决浇注系统设计中疑难问题。
2.6.4冷却凝固过程
热塑性塑料的注射成型过程是热交换过程,即:
塑化——注射充模——固化成型;
加热——理论上绝热——散热
热交换效果的好坏决定了塑件的质量,模具设计时,散热交换也要充分考虑,在现代设计方法中也采用了计算机辅助设计来解决问题。
2.7脱模过程
塑件在型腔内固化后,必须采取机械的方式把它从型腔内取出,这个动作由脱模机构来完成。
不合理的脱模机构对塑件的质量影响很大,但塑件的几何形状是千变万化的,必须采用最有效和最好的脱模方式。
因此,脱模机构的设计也是注射模具设计的一个主要工作环节,由于标准化的推广,许多标准化的脱模机构零部件也有商品供应。
2.8后处理
主要用于解决注塑过程中由于塑料在型腔内结晶、取向和冷却不同而产生的一些内应力,从而导致塑件在使用中产生变形或开裂。
为解决这些向题,需要对塑件进行适当的后处理,一般采用的方法是退火和调湿处理。
3塑件材料和注塑机的选择
合适的材料和加工手段是制造合格产品的基础本节将详细讨论材料和注塑机的选择。
3.1材料的选择
(1)齿轮分析
本设计注塑零件是齿轮,要求其承受循环载荷强度要高,耐磨性好,疲劳强度好。
目前所常用的热塑性材料主要有:
聚甲醛、聚碳酸醋等。
聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。
从流动性上比较,聚乙烯、聚丙烯流动性好,聚甲基丙烯酸甲醋、聚醛属于中等类,而聚氯乙烯则是最差。
同时,聚乙烯的流动性受温度变化的影响很小。
虽然,低压聚乙烯也具有硬,耐磨,耐腐蚀的性能,但其在高温下易老化,且其用途仅限于承载不高的零件。
齿轮是机械传动中运用最为广泛的一种,其结构紧凑,传动比稳定。
塑料齿轮更具有金属齿轮所不具有的高耐磨性、质量更轻,而且对润滑的要求相对要低。
而塑料齿轮的成型方法也使得可以进行大批量生产,同时不必考虑齿轮结构的复杂程度。
另一方面,塑料齿轮有其不可避免的缺陷。
由于塑料对温度比较敏感,成型时具有收缩性,因此塑料齿轮精度较差,对环境要求高,强度也不高,使用寿命短。
(2)主要的高分子材料
聚乙烯低压聚乙烯分子质量、结晶度和密度较高,硬耐磨耐蚀耐热绝缘性好。
在热光、氧气的作用下易老化。
主要用于塑料管塑料绳及受载不高的零件。
聚丙烯屈服强度、抗拉强度、抗压强度和硬度及弹性较聚乙烯好,很强的抗疲劳强度,不吸水,绝缘性能不受湿度的影响。
但在氧、热、光的作用下易解聚、老化。
聚氯乙烯纯的聚氯乙烯具有抗拉、抗弯、抗压和抗冲击性能,加一些增塑剂可制成多种硬质、软质和透明制品。
其主要用于耐蚀管道、管件等。
聚甲醛它是继尼龙之后发展起来的一种性能优良的热塑性工程塑料。
适合齿轮以滑动为主要组成的运动并且它有较高的强度和耐疲劳强度,特别适合于作为长时间反复承受外力的齿轮材料。
(3)选择材料
虽然,低压聚乙烯也具有硬、耐磨、耐蚀的性能,但是其受热易老化,且其仅使用在承载不高的零件。
成型时注射方向收缩率和垂直方向收缩率是不一样的,制件就会产生变形、缩孔,这些缺点不适合受载较大的齿轮使用。
聚丙烯也具有类似的硬度高,抗疲劳弯曲强度高的特点,但在受热、有氧的环境下容易解聚、老化。
聚甲醛流动性差,成形困难,而且聚甲醛有毒稳定性差,当树脂超过正常加工温度上限或在允许温度下时间过长也会引起分解,产生较强烈的刺激性气味,容易产生气泡和变色。
因此,在保证塑件流动性的前提下应尽量使用较低的加工温度和较短的受热时间。
一旦分解,立刻缓慢的降低机筒温度,并清除变色物料。
为防止局部过热分解成形设备中不得存在料流死角。
聚甲醛虽然吸湿性低,但是造粒时用冷水冷却,却要求在90℃左右干燥4h。
本产品选用材料为聚碳酸酯(PC),锥齿轮主要应用于收音机、手表日常生活用品等小型电子设备中进行相交两轴运动和动力的传递。
模具需要采用加热棒进行加热。
但其加工精度要求较高,而表面粗糙度并不作过高要求。
该锥齿轮为大批量生产,故设计模具时为了保证较高的注塑效率,在对模具的推出机构、塑件和流道凝料的自动脱模进出设计时有严格的要求。
该锥齿轮较小且其表面质量要求不高,为了提高生产效率,该模具采用一模四腔式结构形式,浇口形式采用点浇口式。
聚碳酸酯,英文名Polycarbonate,简称PC。
PC是一种性能优良的热塑性工程塑料,具有优良的物理机械性能,尤其是抗冲击性优异,拉伸强度、弯曲强度、压缩强度高;蠕变性小,尺寸稳定;具有良好的耐热性和耐低温性,在较宽的温度范围内具有稳定的力学性能,尺寸稳定性,电性能和阻燃性;由于分子链的刚性大,树脂熔体粘度大;吸水率小,收缩率小,尺寸精度高,尺寸稳定性好,薄膜透气性小;溶于氯化烃类和芳香族溶剂,长期在水中易引起水解和开裂,缺点是因抗疲劳强度差,容易产生应力开裂,抗溶剂性差,耐磨性欠佳
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