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1、1第 1 章 绪论1.1 课题背景当今社会，科学技术的发展日新月异，模具注塑成型技术在近几年来得到大力推广，由于其大批量生产的特点，在制造领域的各行各业均占有一席之地，应用前景无可限量。随着人民生活水平的日益提高，人们对产品的要求也越来越高，产品的更新换代越来越快，机械制造业也不例外。各类零部件的精度等级、外观质量、力学性能、化学特性等各方各面的要求也越来越高。在如此的发展趋势下，注塑成型技术的推广势在必行，其定位精度高、制造周期短、制造成本低、高效自动化生产等优势突出，这使其在模具设计中，成为近年来研究的热点和主要方向。全套图纸，加注射成型是一种生产由热塑性塑料或热固性塑料所构成的部件的过程
2、。相比于金属制造成型，注塑成型更加灵活多变，可变性更强，操作更加简单易行。注射成型广泛用于制造绝大部分的塑料制品。随着科技的蓬勃发展，各类先进模拟技术的应用，如 Moldflow，Pro/e 等计算机技术，注射成型技术向着高精度，高自动化方向发展。本课题是以双联圆柱直齿轮塑料零件为研究对象，对塑件的注射成型充填过程进行模拟并根据结果进行模具设计工作，此零件具有质量轻、结构精密的特点，属于典型的注射成型塑件。如今人们对产品的要求越来越高，模具设计的传统方法已经无法追上社会发展的步伐。引入 CAE 技术势在必行，这对于模具的设计、制造和加工有着重大的意义，成为一个重要的里程碑。模具设计的传统方法指
3、的是工作人员在设计时对产品进行经验评估，然后进行模具设计，待完成之后进行试模，如果发生问题，那么就要重新根据产品的结构特点和功能要求继续设计修改。这样一来就无形增加了产品生产的周期，流程如图 1-1 所示。2图 1-1 传统齿轮模具设计流程计算机辅助注塑成型技术在以后的应用前景中有着巨大的优势，其主要特点是模具设计与模具制造采取双管齐下的工艺路线，模具的设计与制造建立在一个统一的基础之上，这提高了模具设计制造的准确度和精度要求，有效缩短模具制造的周期和成本，保证了产品的质量，流程如图 1-2 所示。图 1-2 参数化齿轮模具设计流程1.2 模具注塑成型 美国上市公司，即 Moldflow 公司
4、是一个主要研究开发 CAE 注塑成型软件和指导创新的公司，多年以来，一直力主 CAE 技术开发研究的市场，利用 CAE 技术创造了更多的财富，在诸多领域硕果颇丰。利用 CAE 技术的最大优点在于在制造加工模具前，可以通过电脑上对产品注塑成型的整个过程进行非常准确的的模拟分析，包括充填、保压、冷却等模流分析，以及制品的力学性能和体积收缩率等各方面。这样做相当于设计者在设计完之后可以先虚拟自己的设计方案是否合理，还有哪些地方可以改进，再进行模具的制造加工。这极大的提高了模具的精确性和缩短了制品生产的周期，有效的节省了金属材料和制品塑料，避免了过多的资源浪费和环境污染，符合中国可持续发展的国策 。C
5、AE 技术应用于模具注塑成型中各个方面，历来是众多学者专家研究注塑成型的重点。3武汉理工大学冯玮 1用 PrIDENGINEER Wildfire 的注塑充模模拟模块 Plastic Advisor 进行齿轮的填充注塑的模流分析，研究表明根据熔接痕大小和气泡的位置可以确定齿轮注塑的最佳浇口位置和数量以及相应的成型工艺参数，其中三点均布的浇口设置能够提高齿轮的质量，比单个浇口进浇更加优越。南京航空航天大学姬雷雷，张益华等人 2采用最新的 CADCAECAMProE ngineer 软件来实现三维设计，证明其优越性。湖北汽车工业学院向雄芳，胡群，向雄彪等人 3结合目前的先进的 CAE 技术，发现利
6、用电铸加工齿轮的型腔，可以提高其齿轮的设计精度和制造精度。湖南科技大学伍先明，陈贤勇等人 4分析了双联塑料齿轮的结构特点和成型工艺性, 阐述并给出了了 4 个分型面的设计依据和模具的工作过程。大连理工大学模具研究所王学虎，祝铁丽，宋满仓，刘永云等人 5在参考 Moldflow 软件模拟结果的基础上确定了最佳的浇口位置，发现采用潜伏式浇口和推板顶出可以提高内齿轮制件的外观质量和力学性能。 综上所述，Moldflow 模拟技术和 CAE 技术是新型注塑成型技术的核心。合理应用先进注塑成型技术可以大大提高注塑零部件的生产效率，降低生产成本，实现模具设计的大量生产化和自动化，并广泛应用于各个领域。本次
7、毕业设计中将主要运用 moldflow 对双联圆柱直齿轮进行工艺参数优化，并采用三点均布式进行模流分析，运用 pro/e 和 EMX4.1 软件进行模具的结构设计。1.3 塑料齿轮结构特点塑料齿轮发展历史较短，仅有半个世纪，但是如今却在诸多领域里面多有建树，之所以如此，源于其惯性小，抗噪声能力强、润滑性好、质量轻等特点。它是一种区别于传统金属齿轮的非金属新型齿轮。塑料齿轮采用模具注塑成型工艺，制造精度高，成本低，生产效率高。在全球航天、汽车等工业飞速发展的今天，塑料齿轮的开发前景将难以预测。尽管我国早在 20 世纪 60 年代末就已经有非金属齿轮，起步不算太晚，但是国内塑料齿轮近况堪忧，大部分
8、高档非金属齿轮还是需要向国外进口，由此看来，国内塑料齿轮注塑成型技术还需要进一步的提高。注塑成型的小模数塑料齿轮被广泛应用于精密仪器、电子设备、通信工程和航空航天等行业。和金属齿轮相比较的话，注塑成型的塑料齿轮有着一定的优势，它主要具有密度小、噪声低、自润滑、惯性小和加工成本较低等显著特点。 当今社会，注塑成型的塑料齿轮材料主要有聚甲醛、尼龙等，其中就以聚甲醛和尼龙最为常用。两种材料都有一定的韧性和耐久度，但是相比之下尼龙的吸湿性较大，在制造时容易引起尺寸变化，进而影响到齿轮的尺寸精度，以至于不能正常的工作。相反，聚甲醛吸湿性极好，能够很好地保证齿轮的形位公差和尺寸精度，再者，聚甲醛在齿轮方面
9、的使用已经半个世纪了，各项技术趋于完善，这使得聚甲醛成为传动齿轮成型材料的第一首选。塑料齿轮除了在材料性能上和金属齿轮差异较大之外，在其本身特性上也有着较大的差异，简要介绍如下：（1）与金属齿轮相比，塑料齿轮的刚度，强度较低，收缩率较大。（2）与金属齿轮相比，塑料齿轮的弹性模量较小，容易发生变形。（3）与金属齿轮相比，塑料齿轮的外观可以进行着色处理，可加工型强。（4）与金属齿轮相比，塑料齿轮具有很好的柔韧性和抗噪能力，对环境的污染更少。4总之，塑料齿轮最大的优势在于许多传统制造工艺难以加工的齿轮都可以通过注塑成型技术得以实现，这是一个划时代的创举。1.4 注塑成型工艺参数影响齿轮注塑成型工艺的
10、参数主要有保压时间，保压压力，熔体温度，注射压力，注射时间和模具温度等。一般的小模数塑料齿轮的模数在 0.31，考虑到传动比的要求，塑料双联圆柱齿轮的大齿轮和小齿轮的直径差较大，考虑结构和安装要求，两齿轮的壁厚比在 1：3。图 1-3 是一般的双联小模数圆柱直齿轮结构，齿轮的径向壁厚约 11.5mm，小齿轮的径向壁厚约 4.5mm。齿轮径向壁厚差较大，双联圆柱齿轮制造时，体积收缩率易于影响尺寸精度，而由于大小径向尺寸差距较大，体积收缩率较大，故而体积收缩率影响尺寸精度和行位精度较大，减小体积收缩率是考虑双联圆柱直齿轮工艺参数的首选要素，也是工艺参数优化内容的重中之重。图 1-3 双联小模数齿轮
11、结构图江南大学机械工程学院赵亦兵，周建华等人 6采用注塑过程数值模拟手段，结合Taguchi 实验设计方法，对小模数齿轮的精密成型工艺进行模拟实验。通过对实验数据进行信噪比和方差分析，研究了模具温度、保压压力和保压时间及其三者的交互作用对小模数齿轮顶出时体积收缩率的影响 。结果表明，影响小模数齿轮体积收缩性能的因素从大到小的6顺序为：模具温度、保压压力和模具温度与保压时间的交互作用 。6另外，土耳其马尔马拉大学穆斯塔法库尔特，萨班坎伯，优素福凯内克等人 7通过压力传感器和压力温度联合传感器成功的获得了多型腔模具注射中连续精确的测量数据。得出以下结论：（1）测量点距浇道的距离会影响最终的测量数据
12、。由于不平衡的浇道和浇口系统，各个型腔获得的压力值是不统一的。（2）模具温度的上升或下降无论初始条件如何都遵循了一个相似的规律。（3）型腔压力和模具温度强烈的影响塑件 X、Y 和圆周方向上的收缩情况，具体地说就是型腔压力和模具温度越高，产品 X、Y 和圆周方向上的收缩变化就会越小。综上所述，合理的组合和优化影响塑料齿轮的各工艺参数可以有效地改善聚甲醛材料成型双联圆柱齿轮较大的体积收缩率，从而更好地提高产品的质量 。模具温度、保压压力和6保压时间的增大可以减小产品的成型收缩率，但是也有各自的极限，超过则适得其反。在对双联圆柱直齿轮注射成型的工艺优化中，由于采用聚甲醛作为零件注塑材料，其收缩率较大
13、，故将主要分析工艺参数对其体积收缩率的影响，并采取计算性噪比和方差的方法来研究工艺参数对双联圆柱齿轮注塑成型的影响。51.5 注塑成型设备 近年来，不管是消费电子产品还是模型玩具，产品的更新换代越来越快，塑料制品的替换周期也越来越短，小型注塑机逐渐引起人们的关注，就是因为他能适应微细型制品种类多、交货期短、品种多、小批量化的特点，使用小型注塑成型级的小型模具制造各种不同批量的产品能提高材料的有效利用率，缩短成型周期，减少模具制造费用、提高生产效率并节约空间和节能资源。 国内外较著名的小型注塑机有宁波海天、德国德马格和日本东芝等。小型注塑机的特点为：（1）高注射速率：由于小制件在注射成型时需要在
14、很短的时间内完成，考虑到质量，体积小，在注塑过程中易造成熔体的凝固，故而应该减少注射的时间。200 mm / s 的传统液压注塑机的注射速度较低，电气-液压注塑机模型可以达到600毫米/ 秒。 （2）精密注射量计量：小型注射成型加工设备需要控制精度达到毫克水平，以确保精密注塑精度。传统的注塑机往往是一个线性往复螺旋注塑结构。（3）快速反应能力：小型注射成型工艺，注射量相当小，相应的注塑设备，螺杆/柱塞移动行程相当小，因此微注射成型设备的驱动装置必须有非常快的响应速度，从而保证该设备可以达到瞬间所需的注射压力。本次毕业设计的为小模数双连圆柱直齿轮，由于尺寸较小，故采用的是小型注塑机，在这方面，德
15、国和日本的注塑机更具优势。1.6 课题研究主要内容本次设计内容主要包含以下两个方面：第 1、利用 Moldflow 软件双联圆柱直齿轮进行成型工艺参数优化，实验研究的结果为一组最优成型工艺参数组合，而后在做一组对比实验，深入分析影响制件表面质量的因素； 第 2、根据双联圆柱直齿轮注射成型的特点进行模具设计，选择点浇口进浇，采用三板式结构的模具，从浇注系统设计、脱模机构设计、模架选择等方面考虑,具体主要流程如图1-4 所示。6图 1-4 设计流程第 2 章 双联圆柱直齿轮零件结构设计2.1 双联圆柱直齿轮塑件分析双联圆柱直齿轮塑料零件三维图如图 2-1 所示，具体尺寸如二维图 2-2 所示，齿轮
16、参数如表 2-1 所示。该塑件结构较小但较为简单，为保证齿轮精度和尺寸稳定性，材料选择为POM，零件要求如下。7图 2-1 齿轮三维图 图 2-2 齿轮二维图表 2-1 双联圆柱直齿轮参数（1）齿轮塑件外形尺寸：大齿壁厚 4mm，小齿壁厚 2.8mm，壁厚相差较大，注射成型时齿轮精度受其体积收缩变化的影响较大。（2）齿轮塑件精度等级：塑件为小模数双联圆柱直齿轮，精度设计为 5 级。2.2 材料选择与性能分析塑料齿轮的制作材料有多种，例如 POM、PA、PC、PPA、ABS、PPS 等，各有优劣。聚甲醛（POM）吸湿特性小，可保证齿轮长时间的尺寸稳定性、抗疲劳性和抗腐蚀性，POM 一般比其他许多工程塑料的成本要低，这节省了成本，一直是塑料齿轮中的首选材料。尼龙（PA）虽有较好的坚韧性和耐久度，但吸湿性太强，容易引起塑料尺寸变化，尤其不适合选作高精度传动齿轮 。聚碳酸酯（PC）具有抗冲击性合格耐候性，收缩率小
