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模具基础知识
模具基础知识
潍坊怡力达电声有限公司
二OO五年五月
目录
前言······································································
3
第一章模具简介···························································
4
第二章模具设计开发流程···················································
7
第三章塑料模具设计·······················································
8
第一节塑料材料和制品的工艺性··········································
8
第二节塑料模具设计步骤················································
14
第三节塑料模具设计基础知识············································
17
第四节IEA常见注塑模简介··············································
30
第四章冲压模设计·························································
35
第一节冲压工艺的分类··················································
35
第二节冲模设计要点····················································
36
第三节IEA常见冲模简介················································
37
第五章模具CAD/CAM····················································
41
前言
进入21世纪,在经济全球化的新形势下,随着资本、技术和劳动力市场的重新整合,我国装备制造业在加入WTO以后,将成为世界装备制造业的基地。
而在现代制造业中,无论哪一行业的工程装备,都越来越多地采用由模具工业提供的产品。
为了适应公司对模具制造的高精度、短交货期、低成本的迫切要求,模具工业正广泛应用现代先进制造技术来加速模具工业的技术进步,满足各行各业对模具这一基础工艺装备的迫切需求,这就对模具的设计与制造都提出了更高的要求,适应新形式下各行各业对模具的新的要求也是我们公司目前迫切的任务。
为提高员工的专业知识和操作技能水平,根据多年来公司在培训中的基本内容和结合实践经验编写本培训教材,供员工了解模具设计及模具制造基本知识。
本教材为内部教材,版权归怡力达电声有限公司所有。
本教材主编:
赵德杰﹑杜红伟
审核委员会成员:
孙伟华﹑张继祥﹑徐海忠
第一章模具简介
1、模具的定义及发展过程
模具是利用其特定形状去成型具有一定形状和尺寸的制品的工具。
在各种材料加工工业中广泛的使用着各种模具,例如金属铸造成型使用的砂型或压铸模具、金属压力加工所使用的锻压模具、冷压模具及成型陶瓷、玻璃等制品使用的各种模具。
模具作为工业产品生产的工具,是近100—150年形成的概念,它的发展可分为四个阶段:
1)手工制造阶段,主要工具为锯、锉、锤和凿;
2)机械化、半机械化阶段,车床、刨床成为模具加工的主要设备;
3)工业化阶段(上世纪30年代~70年代),研发成功高速工具钢、Cr12、硬质合金、模具钢等模具成型用材料,开始利用电火花加工;
4)模具制造阶段(上世纪70年代以后),随着计算机、现代化机床工业的发展,逐步形成以模具标准化为基础的、模具设计与制造一体化的现代模具生产体制,并普及了CAD/CAM/CAE系统。
2、模具分类
序号
模具类型
范围
1
冲压模
普通冲裁模、级进模、复合模、精冲模、拉深模、弯曲模、成形模、切断模等。
2
塑料模
热塑性塑料注射模、热固性塑料注射模、压塑模、挤塑模、吹塑模、真空吸塑模等。
3
锻造模
热锻模、冷锻模、金属挤压模、切边模、其它锻造模。
4
铸造模
压力铸造模、低压铸造模、失蜡铸造模、翻砂金属模。
5
粉末冶金模
金属粉末冶金模、非金属粉末冶金模。
6
橡胶膜
橡胶注射成型模、橡胶压胶成型模、橡胶挤胶成型模、橡胶浇注成型模、橡胶封装成型模等。
7
拉丝模
热拉丝模 冷拉丝模。
8
无机材料成型模
玻璃成型模、陶瓷成型模、水泥成型模等。
9
模具标准件
冷冲模架、塑料模架、顶杆等。
10
其它模具
食品成型模具、包装材料模具、复合材料模具、合成纤维模具等。
公司主要涉及到热塑性塑料注射模、普通冲裁模、级进模、拉深模等的设计制作。
3、模具基本结构
1)注塑模具基本结构(如图)包括以下几部分:
(1)成型零件
指构成型腔﹑直接与熔体相接触并成型塑料制件的零件。
通常有凸模、型芯、成型杆,凹模、成型环、镶件等零件。
在动模和定模闭合后.成型零件确定了塑件的内部和外部轮廓和尺寸。
图4.1—l所示模具.型腔是由凹棋3、凸模4和动模板12构成的。
(2)浇注系统
将塑料熔体由注射机喷嘴引向型腔的流迫称为浇注系统,由主流道、分流道、挠口和冷料井组成。
(3)导向与定位机构
为确保动模和定模闭合时,能准确导向和定位对中.通常分别在动模和定模上设置导柱和导套。
深腔注射模还须在主分型面上设有锥面定位。
有时为保证脱模机构的准确运动和复位,也设置导向零件。
(4)脱模机构
是指在开模过程的后期,将塑件从模具中脱出的机构。
(5)侧向分型抽芯机构
带有侧凹或侧孔的塑件,在被脱出模具之前,必须先进行侧向分型或拔出侧向凸模或抽出侧型芯。
(6)温度调节系统
为了满足注射工艺对模具温度的要求.模具设有冷却或加热的温度调节系统。
模具冷却,一般在模板内开设冷却水道。
加热则在模具内或周边安装电加热元件。
有的注射模须配备模温自动调节装置。
(7)排气系统
为了在注射充模过程中将型腔内原有空气排出,常在分型面处开设排气措。
小型皮的排气量不大,可直接利用分型面排气。
也可利用棋具的顶杆或型芯与配合孔之间间隙排气。
大型注射模须预先设置专用排气槽。
2)﹑冲压模具基本结构:
冲压模具基本结构包括模柄,上模板,垫板,凸模固定板,凸模,卸料板,凹模,凹模固定板,下模板,导柱,导套,定位销,挡料销等。
冲压模具样式是很多的。
4、影响模具精度的基本因素
凸模:
相对于上模下平面的垂直度误差;与凹模轴线的重合度误差;形状尺寸误差。
凹模:
形状尺寸误差;与凸模轴线重合度误差;
模架:
上模板下平面对下模板上平面的平行度误差;导柱、导套配合误差;导柱、导套安装误差;其他结构件影响间隙的制造与装配误差。
第二章模具设计开发流程
1、IEA模具设计开发流程
目前公司模具开发制造一般流程为:
1)制作申请
(1)需求部门以《信息联络单》的形式提出制作申请,并提供受控的零件图纸和资料,CAD/CAM中心主管或高级技术经理批准。
(2)产品数模以电子邮件的形式发送至CAD/CAM中心主管邮箱。
2)工艺评审
由CAD中心负责组织技术部门、MD等相关人员参加产品工艺评审,针对评审中发现的问题由技术部门进行更改。
3)下达任务书
CAD/CAM中心主管/项目负责人对确认后的产品编制模具开发进度计划,由CAD/CAM中心主管/高级技术经理审核,技术副总批准。
4)CAD设计
根据设计任务书,模具工程师负责结构设计及建立所需数模。
5)设计评审
(1)由CAD/CAM中心主管/项目负责人负责组织MD、CAM等相关人员进行模具结构的评审。
(2)评审通过后,形成正式的电子档结构图纸。
6)图纸下发
(1)模具设计人员在评审结束后的一个工作日将《外购件明细》发放到模具课。
(2)CAD中心设计人员根据评审结构整理图纸,依据开发计划,将会签后的图纸下发至模具课。
(3)数模可用邮件形式发送到CAM主管处。
7)物料需求
(1)由MD结合《外购件明细》、图纸、库存,根据需要,向ES提出所需采购、外协申请
(2)CAM工程师根据图纸进行制件CNC程序的初期数据准备
8)物料采购
ES负责对模具课提出的采购需求进行采购
9)机加工工艺编制
工艺主管工程师组织工艺人员,根据图纸编制加工工艺。
10)CAM
(1)模具课CAM工程师根据图纸和机加工工艺卡进行CNC程序的编制,由CAM主管负责审核后,将编制的程序传送加工中心
(2)模具型芯、型腔、滑块、电极及相关其它三维图由CAD/CAM中心生成
11)模具加工
按《模具课生产加工管理规定》中的流程执行,对模具零件进行生产及组装
12)试模
(1)CAD/CAM中心主管/项目负责人组织模具课、CAD的相关人员进行试模,试模中所需的合格嵌件由需求部门提供
(2)试模样件MD自检合格后,交CAD/CAM中心主管/项目负责人确认,提交技术部门
13)验收
技术部门进行样件的确认,对模具进行验收
14)入库管理
(1)MD凭《模具验收报告》,填写自制产品入库单,将模具入库
(2)仓库管理员对验收后的模具入库管理
第三章塑料模设计
第一节塑料材料和制品的工艺性
一、塑料的分类
塑料是一种以有机合成树脂为主要原料,加入或不加入其它配合材料而构成的人造高分子材料。
它在一定的条件下,通过物态转变或交联固化的作用,能塑造成一定的形状。
塑料按其受热行为及性能的分类见表3-1
表3-1塑料分类
分类方法
基本特征
代表性塑料
受热行为
热固性塑料:
受热后聚合物作物理及化学变化而固化
PFUFEP
热塑性塑料:
受热后聚合物作物态转变而变软
PEPVCPS
使用特点
通用塑料:
产量大、价格低、用途广
PEPSPVC
工程塑料:
力学性能优良,工程技术中作结构材料
ABSPCPA
特种塑料:
具有某一方面的特殊性能,如耐热性、高电绝缘性等
PI氟塑料
增强塑料:
树脂与增强材料(如玻璃纤维)结合的复合型材料
FRPFRTP
耐燃性
所有热固性塑料都能自动熄灭
能自动熄灭的热塑性塑料
PAPCPTEF
耐候性
老化少的塑料
PMMAPCEP聚乙烯(黑色)
室外使用寿命长的塑料
黑色塑料
流动性
流动性好
PAPEPS
流动性中等
ABSASPMMAPOMCPT
流动性差
PCHPVC(硬质聚氯乙稀)PPO
结晶性
结晶型
PEPPPOMPAPBTPET
非结晶型
PSPCPMMAABSPVCPPO
吸湿性
吸湿
PMMAPAPCABSPSF
不吸湿
PEPPPS
透明性
光学透明
丙烯酸塑料PSPC(微黄色)PSF
一般透明
PVCPE
半透明及仪表等
UFABSPOMCPT
二、塑料制品的工艺性
1、塑料制品的收缩
塑料制品在成型的过程中存在尺寸变小的收缩现象,收缩的大小用收缩率表示。
S=[(L1-L)/L1]×100%
式中S—收缩率L1—室温是的模具尺寸L—室温时的塑料制品尺寸
影响收缩率的主要因素有:
(1)成型压力
(2)注射温度(3)模具温度(4)成型时间(5)制品壁厚(6)进料口的尺寸(7)玻璃纤维等的填充
表3-2为常用热塑性塑料的成型收缩率
表3-2常用热塑性塑料的成型收缩率
材料
玻璃
纤维
ABS
PC
H-PVC
PP
PA6
PBT
PET
PS
POM
非增强(%)
0.4-0.9
0.5-0.7
0.1-0.5
1.5-5.0
1.0-2.5
2.0
1.5-2.0
0.1-0.6
0.3-1.5
增强(%)
0.1-0.2
0.1-0.3
0.4-0.8
0.2-0.8
0.35
0.1-0.3
1.3-2.8
2、脱模斜度
为了便于脱模,塑料制品壁在出模方向上应具有倾斜角a,即脱模斜度,其值以度数表示(参见表3-3)。
1)脱模斜度确定要点
(1)制品精度要求越高,脱模斜度应越小。
(2)
制品的形状复杂不宜脱模的,应选用较大的斜度。
(3)尺寸大的制品,应采用较小的脱模斜度。
(4)制品收缩率大,斜度也应加大
(5)增强塑料宜选大斜度,含有自润滑剂的塑料可用小斜度。
(6)制品厚度大,斜度也应大。
图3-1制品的脱模斜度
(7)斜度的方向:
内孔以小端为准,满足图样尺寸要求,斜度向扩大方向取得;外形则以大端为准,满足图样要求,斜度向偏小方向取得。
表3-3脱模斜度的推荐值
材料
脱模斜度
PE、PP、PVC
0.5°--1°
ABS、PA、POM、PPO
0.6°--1.5°
PC、PSF、PS、AS、PMMA
0.8°--2°
注意:
一般情况下脱模斜度a可不受制品公差带的限制,但高精度塑料制品的脱模斜度则应控制在要求的公差带内。
3、制品壁厚
1)制品壁厚的作用
(1)使制品具有确定的结构和一定的强度、刚度,以满足制品的使用要求。
(2)成型时具有良好的流动状态(如壁不能太薄)以及充填和冷却效果(如壁不能太厚)
(3)合理的壁厚使制品能顺利地从模具中顶出。
(4)满足嵌件固定及零件装配等强度要求。
(5)防止制品的翘曲变形
2)制品壁厚的设计
基本原则---壁厚均匀,即:
充模、冷却收缩均匀、形状性好、尺寸精度高、生产率高。
(1)在满足制品结构和使用要求的条件下,尽可能采用较小的壁厚
(2)制品壁厚的设计,要能承受顶出装置等的冲击和振动。
(3)在制品的连接固紧处、嵌件埋入处要有足够的厚度。
(4)保证储存、搬运过程中强度所需。
(5)满足成型时充模所需壁厚,又要避免熔体破裂或易产生凹陷的壁厚。
当无法避免不均匀的壁厚时,制品壁厚设计可采用逐步过渡的形式(图3-2)。
图3-2壁厚设计
4、加强肋
1)加强肋的作用
(1)在不加大制品壁厚的条件下,增强制品的强度和刚性,以减轻重量,降低成本
(2)可克服制品壁厚差带来的应力不均所造成的制品扭曲变形。
(3)便于塑料的流动,在制品某些壁厚过薄处为熔体的充满提供通道。
2)加强肋的设计要点
(1)尽量用高度较低、数量稍多的肋代替高度较高的单一加强肋。
为避免肋的背面出现凹陷而影响外观时,可采用沟槽等装饰结构予以掩饰。
(2)肋的根部用圆弧过渡,避免外力作用时产生应力集中而破坏,但圆角不宜过大,否则易出现凹陷。
(3)一般不在肋上安装任何零件。
图3-3制品的内壁凸台图3-4防止制品变形的结构设计
(4)位于制品内部的凸台不要太靠近内壁,以避免凸台局部充填不足(图3-3)。
(5)加强肋应尽量增加制品刚性,防止制品变形(图3-4)。
5、圆角
制品的两相交平面之间尽可能以圆角过渡,避免因锐角而造成应力集中等弊病。
制品圆角的作用有:
(1)分散载荷,增强及充分发挥制品的机械强度。
(2)
改善塑料熔体的流动性,消除壁部转折处的凹陷等缺陷。
图3-5制品的内外圆角
(3)便于模具的机械加工和热处理,从而提高模具的使用寿命。
6、塑料制品中的嵌件
塑料成型过程中所埋入的或成型后压入的螺栓、接线柱(片)等金属或其它材质零件,统称为塑料制品中的嵌件。
嵌件的模塑使操作变繁,周期加长,生产率降低(带有自动装夹嵌件的机械手或自动线不在此列)。
1)嵌件的形状及结构要求
(1)金属嵌件采用切削或冲压加工而成,因此嵌件必须有良好的加工工艺性。
(2)具有足够的机械强度(材质、尺寸)。
(3)嵌件与塑料基体间有足够的结合强度,保证使用中不拔出、不旋转;尽可能采用圆形或对称形状的嵌件,保证收缩均匀。
(4)便于模具中安放与定位
2)嵌件材料
铜、铝、钢、硬质异种塑料、陶瓷、玻璃等都可以作为嵌件材料,其中,铜不生锈、耐腐蚀、易加工且价格适中,是嵌件的常用材料。
3)嵌件在塑料制品中的固定
(1)嵌件与制品侧壁的间距不能过小,以保证塑料的填充及模具具有一定的强度。
(2)板、片状嵌件可用孔窗固定法固定,但薄形嵌件(厚度小于0.5mm)宜用切口或打弯的方法固定(图3-6)。
(3)杆形嵌件可用将头部打扁、冲缺、压弯、劈叉等形式固定(图3-7)。
图3-6板、片嵌件的固定图3-7杆形嵌件的固定
7、制品的尺寸精度
制品尺寸误差构成:
δ=δs+δz+δc+δa
式中δ——制品总的成型误差
δs——塑料收缩波动所引起的制品误差
δc——模具磨损所引起的制品误差
δa——模具安装、配合间隙所引起的制品误差
δz——模具成型零件制造精度所引起的制品误差
影响制品尺寸精度的因素很多,彼此间又形成交叉影响:
(1)成型材料,如塑料的收缩率波动值。
(2)成型条件,如模具温度、注射压力、保压时间等。
(3)制品的形状和尺寸。
形状复杂则收缩不均匀;壁厚变化大则收缩不均匀;斜度大则精度低。
(4)模具结构,模具制造精度、模具的磨损量、模具的装配。
(5)制造过程中产生的误差。
(6)成型后的条件。
主要指测量误差和存放误差。
第二节塑料模具设计步骤
塑料模具设计的一般步骤
1接受任务书
制件的任务书通常由制件设计者提出,其内容如下:
1)经过审签的正规制制件图纸,并注明采用塑料的牌号、透明度等。
2)制件说明书或技术要求。
3)生产产量。
4)制件样品。
通常模具设计任务书由制件工艺员根据成型制件的任务书提出,模具设计人员以成型制件任务书、模具设计任务书为依据来设计模具。
2收集、分析、消化原始资料
1)消化塑料制件图,了解制件的用途,分析塑料制件的工艺性,尺寸精度等技术要求
2)消化工艺资料,分析工艺任务书所提出的成型方法、设备型号、材料规格、模具结构类型等要求是否恰当,能否落实。
3确定成型方法
采用直压法、铸压法或是注射法。
4选择成型设备
根据成型设备的种类来进行模具,因此必须熟知各种成型设备的性能、规格、特点。
例如对于注射机来说,在规格方面应当了解以下内容:
注射容量、锁模压力、注射压力、模具安装尺寸、顶出装置及尺寸、喷嘴孔直径及喷嘴球面半径、浇口套定位圈尺寸、模具最大厚度和最小厚度、模板行程等,具体见相关参数。
5确定结构方案
1)确定模具类型:
如压制模(敞开式、半闭合式、闭合式)、铸压模、注射模等。
2)确定模具类型的主要结构。
图3-8模具结构设计
模具结构及模具个别系统的因素很多,很复杂,主要有以下几个方面:
1)型腔布置。
根据塑件的几何结构特点、尺寸精度要求、批量大小、模具制造难易、模具成本等确定型腔数量及其排列方式。
2)确定分型面。
分型面的位置要有利于模具加工,排气、脱模及成型操作,塑料制件的表面质量等。
3)确定浇注系统(主浇道、分浇道及浇口的形状、位置、大小)和排气系统(排气的方法、排气槽位置、大小)。
4)选择顶出方式(顶杆、顶管、推板、组合式顶出),决定侧凹处理方法、抽芯方式。
5)决定冷却、加热方式及加热冷却沟槽的形状、位置、加热元件的安装部位。
6)根据模具材料、强度计算或者经验数据,确定模具零件厚度及外形尺寸,外形结构及所有连接、定位、导向件位置。
7)确定主要成型零件,结构件的结构形式。
8)考虑模具各部分的强度,计算成型零件工作尺寸。
以上这些问题如果解决了,模具的结构形式自然就解决了。
这时,就应该着手绘制模具结构草图,为正式绘图作好准备。
6绘制模具图
1)绘制总装结构图
要求按照国家制图标准绘制,但是也要求结合本厂标准和国家未规定的工厂习惯画法并要符合制件图和工艺资料的要求,绘制总装结构图尽量采用1:
1的比例,先由型腔开始绘制,主视图与其它视图同时画出。
模具总装结构图的技术要求:
(1)对于模具某些系统的性能要求。
例如对顶出系统、滑块抽芯结构的装配要求。
(2)对模具装配工艺的要求。
例如模具装配后分型面的贴合面的贴合间隙应不大于0.05mm模具上、下面的平行度要求,并指出由装配决定的尺寸和对该尺寸的要求。
(3)模具使用,装拆方法。
(4)防氧化处理、模具编号、刻字、标记、油封、保管等要求。
(5)有关试模及检验方面的要求。
2)绘制全部零件图
由模具总装图拆画零件图的顺序应为:
先内后外,先复杂后简单,先成型零件,后结构零件。
(1)图形要求:
一定要按比例画,允许放大或缩小。
视图选择合理,投影正确,布置得当。
为了使加工专利号易看懂、便于装配,图形尽可能与总装图一致,图形要清晰。
(2)标注尺寸要求统一、集中、有序、完整。
标注尺寸的顺序为:
先标主要零件尺寸和出模斜度,再标注配合尺寸,然后标注全部尺寸。
在非主要零件图上先标注配合尺寸,后标注全部尺寸。
(3)表面粗糙度。
把应用最多的一种粗糙度标于图纸右上角,如标注“其余3.2”,其它粗糙度符号在零件各表面分别标出。
(4)其它内容。
例如零件名称、模具图号、材料牌号、热处理和硬度要求,表面处理、图形比例、自由尺寸的加工精度、技术说明等都要正确填写。
7校对、审图
绘制完图纸后应按照《模具设计的自我校对》表中内容对图纸进行校对,校对完成后再送交相关人员审核,图纸会签完成后方可下发车间用于生产。
8试模及修模
虽然是在选定成型材料、成型设备时,在预想的工艺条件下进行模具设计,但是人们的认识往往是不完善的,因此必须在模具加工完成以后,进行试模试验,看成型的制件质量如何。
发现问题以后,进行排除错误性的修模。
9整理资料进行归档
把从模具设计开始到模具加工成功,检验合格为止,在此期间所产生的技术资料,例如任务书、制件图、技术说明书、模具总装图、模具零件图、底图、模具设计说明书、检验记录表、试模修模记录等,按规定加以系统整理、装订、编号进行归档。
第三节塑料模具设计基础知识
一、标准件的选用
1、标准件的选用
模具设计过程中所使用的标准件,如模架、顶杆、弹簧等,一般从已确定的供应商处采购,具体可参见CAD/CAM中心模具标准件样本。
2、模架
模架的选用与模具使用的注塑机关系紧密,在设计模具时,应详细了解注塑机的技术规范,如模具最大和最小厚度、注塑机的最大开模行程及安装尺寸等,才能设计出合乎要求的模具。
模架A.B板都必须要钻吊环螺丝孔(至少上下2个),规格按标准模架螺丝孔加工(见表3-4)。
表3-4吊装螺钉孔规格
吊模螺
丝孔规格
重量
≤50
50 100 150 210 310 螺丝 M12 M16 M20 M24 M30 M36 二、浇注系统设计 普通
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