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1、纸巾筒塑料模具设计1.引言1.1我国模具行业的发展状况和趋势经过1990年代的高速发展，中国的模具产业已经达到一定的水平，生产能力也有了相当大的提高，模具市场的规模也正在逐步扩大。过去十年，中国模具工业（主要集中在汽车、电子信息以及电器）以每年15%左右的增长速度快速发展。到2005年，全国模具生产厂点已达3万多家，从业人员50多万人；模具销售总额高达610亿元，比上年增长25%；模具生产企业总体上任务饱满、订单充足。2006年，业界预测中国汽车的年度销售数量将会比前一年增长15%，年度销售数量将会达到640万台。而汽车零部件市场比汽车整车的市场更大，可以预测汽车相关模具产业将会有高速发展。与
2、2004年相比，2005年中国的模具生产值增加了125%，以610亿人民币居世界第三位。其中，出口比前一年增加了150%，达到了7.4亿美元。目前，国内模具行业正随着我国制造业特别是汽车和电子产业的持续高速发展而逐渐步入黄金期。近年来，模具行业结构调整步伐加快，主要表现为大型、精密、复杂、长寿命模具和模具标准件发展速度高于行业的总体发展速度；塑料模和压铸模比例增大；面向市场的专业模具厂家数量及能力增加较快。随着经济体制改革的不断深入，“三资”及民营企业的发展较快 11。在注塑模具方面，2006年，注塑模具比例进一步上升，热流道模具和气辅模具水平进一步提高，注塑模具在量和质方面都有较快的发展，我
3、国最大的注塑模具单套重量已超过50吨，最精密的注塑模具精度已达到2微米。在 CAD/CAM技术得到普及的同时，CAE技术应用越来越广，CAD/CAM/CAE一体化得到发展，模具新结构、新品种、新工艺、新材料的创新成果不断涌现，专利数量增多12。据业内人士分析，未来我国模具发展趋势包括10个方面13：、模具日趋大型化。、模具的精度将越来越高。10年前精密模具的精度一般为5微米，现已达到2-3微米，1微米精度的模具也将上市。 、多功能复合模具将进一步发展。新型多功能复合模具除了冲压成型零件外，还担负叠压、攻丝、铆接和锁紧等组装任务，对钢材的性能要求越来越高。 、热流道模具在塑料模具中的比重也将逐渐
4、提高。 、随着塑料成型工艺的不断改进与发展，气辅模具及适应高压注塑成型等工艺的模具也将随之发展。 、标准件的应用将日益广泛。模具标准化及模具标准件的应用将极大地影响模具制造周期，还能提高模具的质量和降低模具制造成本。 、快速经济模具的前景十分广阔。 、随着车辆和电机等产品向轻量化发展，压铸模的比例将不断提高。同时对压铸模的寿命和复杂程度也将提出越来越高的要求。 、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。由于机械零件的复杂程度和精度的不断提高，对塑料模具的要求也越来越高。 、模具技术含量将不断提高。从应用趋势方面分析，受用户要求模具的生产周期缩短影响；快速经济模具的开发将被
5、重视，模具标准件的应用将日渐广泛，且采用计算机控制和机械手操作的快速换模装置、快速试模装置技术也会得到发展和提高。1.2 注塑模具设计与制造技术8质量、成本（价格）、时间（工期）已成为现代工程设计和产品开发的核心因素，现代企业大都以高质量、低价格、短周期为宗旨来参与竞争市场。先进制造技术的出现正急剧改变着制造业的产品结构和生产过程，对模具行业也是如此。模具行业必须在设计技术、制造工艺、生产模式等诸方面加以调整以适应这种要求。1.2.1注塑模具的可视化设计现在我们对产品设计的要求是快速、准确。随着软件技术的发展，三维设计（3D）的诞生使模具实现了可视化、面向装配的设计。模具由二维设计（2D）到三
6、维（3D实现了模具设计技术的重大突破。 模具三维设计直观再现了未来加工出的模具本体，设计资料可以直接用于加工，真正实现了CAD/CAM一体化和少、无图样加工； 模具三维设计解决了二维设计难以解决的一系列问题，如干涉检查、模拟装配、CAE分析等； 模具三维设计能对模具的可制造性加以评价，大大减少了设计失误。1.2.2 注塑模具的快速制造基于并行工程的模具快速制造近些年来，为了满足工期的要求，模具企业大都在自觉与不自觉中应用“并行”的概念来组织生产、销售工作。并行工程应用的明确提出是对现有模具制造生产模式的总结与提高。并行工程、分散化网络制造系统为模具快速制造提供了有效的实施平台。并行工程的基础是
7、模具的标准化设计。标准化设计是由三方面要素组成：统一数据库和文件传输格式是基础；实现信息集成和数据资源共享是关键；高速加工等先进制造工艺是必备条件。应用快速原型技术制造快速模具（RP+RT）在快速原型（Rapid Prototyping,RP）技术领域中，目前发展最迅速、产值增长最明显的就是快速模具(Rapid Tooling,RT)技术。应用快速原型技术制造快速模具（RP+RT），在最终生产模具之前进行新产品试制与小批量生产，可以大大提高产品开发的一次成功率，有效地缩短开发时间、降低成本。这就是RP+RT技术产生根本原因。 高速切削技术的应用高速切削（High Speed Machining
8、,HSM）在模具领域的应用主要是在加工复杂曲面方面。其中高速铣削（也称为硬铣削Hard Milling,HM）可以把复杂形面加工得非常光滑，几乎或者根本不再需要精加工，从而节约了点火花（EDM）加工和抛光时间及有关材料的消耗，及大地提高了生产效率，并且形面的精度不会遭到破坏。1.2.3 制造模式的改变信息流驱动的模具制造先进制造生产模式对模具工业的影响主要体现在信息的流动。与制造活动有关的信息包括产品信息和制造信息，现代制造过程可以看作是原材料或毛坯所含信息量的增值过程，信息流驱动将成为制造业的主流。目前，面向模具开发的CAD/CAPP/CAM/CAE、DNC、PDM、网络集成等均是围绕如何实
9、现信息的提取、传输与物化，即使信息流得以畅通为宗旨。1.3 Pro/E模具设计的基本流程 目前，国际上占主流地位的注射模CAD软件有Pro/E、I-DEAS、UG、SolidWorks等；结构分析软件有MSC、Analysis等；注射过程数值分析软件有MoldFlow等；数控加工软件有MasterCAM、Cimatron等。本次是运用Pro/E进行模具设计的,下面简单介绍以下Pro/E模具设计流程。Pro/E模具设计的基本流程如图1.1零件成品(Design Model）零件设计（Part Design）零件装配（Assembly Design）模具装配（Mold Assembly）参照零件（
10、Reference Part）工件（Workpiece）模型检验（Model Check）厚度检验（Thickness Check）拔模检验（Draft Check）设置收缩率（Apply Shrinkage）模流分析（Analysis of Mold Flows）建立模具体积块(Mold Volume)建立或分割（Create or Split）模具开启（Mold Opening）干涉检验（Interference Check）专家模具系统（Expert Moldbase Extension）2-D工程图(Drawing)CNC加工建立分模面（Parting Surface）图1.1 Pro
11、/E模具设计的基本流程1.4课题意义在传统塑料模具设计中，设计周期长，一般要二到三个月的时间；设计成本高，需要往返数次制模，修模；产品质量不能保证，对流体在模腔内的流动状态，冷却状况缺乏了解。本文以纸巾筒的注塑模具设计为例，运用Pro/E软件智能分模，不但保证了模具的精确性，而且分模简单，是设计者可以节约时间，集中精力拆模做型腔；运用CAE分析功能，对塑料注塑过程进行模拟分析，包括充模流动模拟、保压过程模拟、冷却过程模拟及翘曲模拟分析。通过模拟分析可以预测制品填充不足、熔接线、气泡和翘曲变形等缺陷，还可以测定最佳浇口数量和位置，测定注塑时注射压力以及注射时间，溶体流动前锋的温度变化等系列参数；
12、运用专家模架系统，根据设计参数直接选取标准模架，构造模具三维实体。这样设计出来的模具具有更高的质量，更大的准确性。现代的模具设计在计算机的平台上，运用CAD/CAE/CAM等软件，使现代模具设计具有了高质量，高效率，低成本等特点。2.注塑件的设计2.1 功能设计功能设计是要求塑件应具有满足使用目的功能,并达到一定的技术指标.该塑件是日用品,承受外力的几率不大,如冲击载荷,振动,摩擦等情况比较少;塑件的工作温度是室温,这使得在材料选择时对热变形温度,脆化温度,分解温度的要求降低;作为一种日用品,生产批量应该是中批中量或大批大量生产,这样,就必须考虑生产成本和模具寿命,在材料的选择时要综合各种因素
13、。2.2 材料选择通常,选择塑件的材料依据是它所处在的工作环境及使用性能的要求,以及原材料厂家提供的材料性能数据.对于常温工作状态下的结构件来说,要考虑的主要是材料的力学性能,如屈服应力,弹性模量,弯曲强度,表面硬度等.该塑件属于日常生活用品，没有什么特别的要求，因此主要从容易成型方面选择材料。查1P240表12-4，选择材料为聚丙烯，具有良好的流动性，且价格便宜。材料具体信息为：材料：PP-7533 生产厂家：Taiwan PP塑料固体密度为，融化密度为。最大剪切应力为0.26MPa。收缩率为1.0%-3.0%2.3 结构设计 塑料制件的结构工艺性是指塑件结构对成型工艺方法的适应性。在塑料生
14、产过程中,一方面成型会对塑件的结构,形状,尺寸精度等诸方面提出要求,以便降低模具结构的复杂程度和制造难度,保证生产出价廉物美的产品;另一方面,模具设计者通过对给定塑件的结构工艺性进行分析,弄清塑件生产的难点,为模具设计和制造提供依据.2.3.1 壁厚通过查1P259表13-2得PP料的壁厚推荐值确定塑件各个部位的壁厚尺寸。2.3.2脱模斜度由于塑件成型时冷却过程中产生收缩,使其紧箍在凸模或型芯上,为了便于脱模,防止因脱模力过大而拉坏塑件或使其表面受损,与脱模方向平行的塑件内,外表面都应具有合理的斜度。在塑件的高度比较小时也可以不需要脱模斜度。查1 P259表13-2,聚丙烯的脱模斜度为，由此确
15、定塑件的脱模斜度。2.3.3 加强肋塑件上适当设置的加强肋可以防止塑件的翘曲变形；沿着物料流动方向的加强肋还能降低充模阻力，提高熔体流动性，避免气泡，缩孔和凹陷等现象的产生。2.3.4 圆角塑件上各处的轮廓过度和壁厚连接处，一般采用圆角连接，有特殊要求时才采用尖角结构。尖角容易产生应力集中，在受力或受冲击载荷时会发生破裂。圆角不仅有利于物料充模，同时也有利于融料在模具型腔内的流动和塑件的脱模。2.4 塑件的尺寸精度及表面质量2.4.1尺寸精度该塑件是一般日用品，所以精度要求为一般精度即可，但是由于要保证两半壳体的闭合，所以在凹槽和锁位处应该对精度要求高些，对其要有公差配合要求，应选择高精度。根据精度等级选用表，PP的高精度为3级，一般精度为4级，未注公差尺寸等级为6级。该塑件为一般日常生活用品，所以取一般精度MT4。但由于塑件直径为120mm处要与纸巾筒下部相连，所以取高精度MT3。各尺寸的公差值查1P266表13-2。2.4.2塑件的表面质量塑件的表面粗糙度，除了在成型时从工艺上尽可能避免冷疤，波纹等疵点外，主要的由模具的表面的粗糙度决定。塑件
