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1、第8章 模具设计举例8.1 产品结构分析及材料选择8.1.1 样件分析在模具设计过程中，一般是先根据制品的结构零件图或样件进行产品的结构分析，以如图8-1所示的过滤器罩为例，该制品三维投影尺寸长宽高为137mm112mm45mm，壁厚2.5mm；外部圆角半径3mm，内部圆角半径2.5mm，拔模角25；内有肋板，肋板高28mm厚2.7mm，拔模角2。该制品精度等级一般，尺寸偏差0.5，为降低成型费用，采用一模多腔，并不对制品进行后序加工。图8-1 过滤器罩8.1.2 材料选择由于塑料特殊的理化和机械性能，塑料模具设计过程中一个很重要的步骤是选择材料，这样才可以在模具设计过程中确定收缩比等参数，这
2、里选择ABS（三种聚合物的共聚物）工程塑料，该材质的性质数据如下：l 典型应用范围：汽车（仪表板，工具舱门，车轮盖，反光镜盒等），电冰箱，大强度工具（搅拌器，食品加工机，割草机等），电话机壳体，打字机键盘及喷气式雪撬车等。l 注塑模工艺条件：ABS材料具有吸湿性，要求在加工之前进行干燥处理，建议干燥条件为8090下最少干燥2小时，材料湿度应保证小于0.1%；熔化温度为210280，建议温度245，模具温度2570 (模具温度将影响制品光洁度，温度较低则导致光洁度较低)；注射压力5001000bar；注射速度为中高速度。l 化学和物理特性：ABS是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种化学单体合成。每种单
3、体都具有不同特性，丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性；丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性；苯乙烯具有易加工、高光洁度及高强度。从形态上看，ABS是非结晶性材料。三种单体的聚合产生了具有两相的三元共聚物，一个是苯乙烯-丙烯腈的连续相，另一个是聚丁二烯橡胶分散相。ABS的特性主要取决于三种单体的比率以及两相中的分子结构。这就可以在产品设计上具有很大的灵活性，并且由此产生了市场上百种不同品质的ABS材料。这些不同品质的材料提供了不同的特性，例如从中等到高等的抗冲击性，从低到高的光洁度和高温扭曲特性等。ABS材料具有超强的易加工性，外观特性，低蠕变性和优异的尺寸稳定性以及很高的抗冲击强度。8.2模具结构设
4、计及部件选型8.2.1确定型腔数目确定型腔数目时因考虑到型腔数目的增加对产品质量的影响，根据经验，每增加一个型腔，制品尺寸精度要降低4%。设制品典型尺寸(基本尺寸)为(mm)，制品尺寸偏差为，单型腔时制品可能到的尺寸偏差百分数为(ABS等非结晶塑料为)，则有： (8.1) 本制品基本尺寸112，尺寸偏差，由上式验算可知增加型腔对本制品的尺寸精度影响不大。同时考虑模具设计加工成本以及生产成本，最终确定为一模两腔。8.2.2初选注射机型号为了设计计算，需要对注射机初处步选型，以便作为相关设计参数的参考，完成初步设计以后再对注射机进行校核。注射机的选用因考虑以下内容：确定注射机的型号，使塑料、制品、
5、注射模、注射工艺等所要求的注射机参数点在所选注射机的规格参数可调范围之内。如图8-2所示，用CATIA对制品三维模型进行测量得出单件制品体积：用最大注射量初步选定注射机： (8.2)式中注射机的最大注射量()；制品的总质量()；浇注系统凝料质量()；单个制品的质量()；型腔数；查表得ABS密度为(注射密度为)，单件制品重量为：浇注系统的质量预先估算约为10。图8-2 测量体积由式(8.2)计算得：一般的塑胶工厂都拥有从小到大各种型号的注射机。中等型号的占大部分，小型和大型的只占一小部分。具体到这套模具，初选注射机型号为：SZ250/1250。规格以及各参数如下：注射量()：250；注射压力()
6、：160；锁模力()：1250；拉杆内间距()：600600；最大模具厚度()：550；最小模具厚度()：150；喷嘴口孔径()：；喷嘴球半径()：SR15。8.2.3选择分型面由于分型面受到制品在模具中的成型位置、浇注系统设计、制品的结构工艺性及精度、嵌件位置形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种因素的影响，因此如何确定分型面，需要考虑的因素比较复杂。选择分型面时一般应遵循以下几项原则：l 保证塑料制品能够顺利脱模：这是一个首要原则，因为我们设置分型面的目的，就是为了能够顺利从型腔中脱出制品。根据这个原则，分型面应首选在塑料制品最大的轮廓线上。分型面的整个廓形应呈缩小趋势，不应有
7、影响脱模的凹凸形状，以免影响脱模。l 尽量使制品开模时留在动模一侧：模具开模时制品一般不会自行脱出，需用顶出机构顶出，注射机上都有顶出装置，且设在动模一侧，因此设计模具分型面时应使开模后制品能留在动模内，以便直接利用注射机的顶出机构顶出制品。l 增强排气效果：对中、小型制品因型腔较小，空气量不多，可借助分型面的缝隙排气，分型面应设在注射时熔融塑料最后到达的位置，而且不把型腔封闭。l 使型腔内总压力较大的方向与分型面垂直：制品注射时型腔内各方向的压强相同，当某方向的投影面积越大，则该方向总压力越大，选择总压力较大的方向与分型面垂直，利用注射机的锁模力来承受较大的注射压力，因此模具结构简单。否则需
8、另外设计锁紧机构，模具结构复杂，成本增加，加工周期延长。l 使型腔深度最浅：型腔越深加工时间越长，影响模具生产周期，同时增加生产成本，且会使动、定模越厚，在相同起模斜度时，同一尺寸上下两端实际尺寸差值越大。综合考虑以上几项原则，将分型面选在轮廓最大处，即有利于开模，且侧向抽芯的行程最短，又不影响制品外观质量，还便于加工。本例中的过滤器罩分型面如图8-3所示。图8-3分型面示意图8.2.4确定型腔的布置方案确定型腔布置方案的基本原则：l 型腔的布置和浇口的开设部位应力求对称，以防模具承受偏载而产生溢料现象；l 型腔排列宜紧凑，以节约钢材，减轻模具的重量；l 直线形排列加工容易，且平衡性好，加工性
9、尚可，使用广泛。考虑到模具成型零件出模方式和模具架的尺寸设计，选择如图8-4所示的模具型腔排列方式。图8-4 型腔布置8.2.5 浇注系统的设计浇注系统的作用是将熔融状态的塑料平稳而顺利地充满型腔，使型腔内的气体能顺利地排出，并在填充及凝固的过程中，能将压力传递到塑料的各个部位，以获得组织紧密的制品。浇注系统的设计原则：（1）排气良好：能顺利地引导熔融状态塑料填充到模腔的各个深处，不产生涡流或紊流，使模型内的气体顺利排出；（2）防止型芯变形：尽量避免熔融塑料正面冲击较小的型芯，防止型芯弯曲变形；（3）热量压力损耗小：熔融状塑料在通过浇注系统时要求其热量、压力损耗最小；（4）制品外观：设置浇注系
10、统应考虑到方便去除、修整进料口，同时不影响制品的外表美观；（5）浇注系统的容积：在保证达到以上各原则的前提下，应取最小值，减少浇口余料。浇注系统的设计对注射成型效率和制品的质量有直接的影响，是注射模具设计很重要的环节。8.2.5.1 主流道设计主流道是一端与注射机喷嘴相接触，另一端与分流道相连的一段带有锥度的流动通道，是塑料溶料注入模具时最先流经的一段通道，它的大小和形状直接影响熔料的流动速度和注射时间，其设计要点如下：（1）为了便于从主流道拉出浇注系统的凝料以及考虑塑料熔体的膨胀，主流道设计成圆锥形，其锥角为24，对流动性差的塑料，也可取36,过大会造成流速减慢，易成涡流。内部粗糙度为Ra0
11、.63。（2）主流道大端呈圆角，其半径常取=13，以减少料流转向过渡时的阻力。（3）在保证制品成型良好的情况下，主流道的长度尽量短，否则将会使主流道的凝料增多，且增加压力损失，使塑料熔体降温过多而影响注射成型。（4）为了使熔融塑料从喷嘴完全进入主流道而不溢出，应使主流道与注塑机的喷嘴紧密对接，主流道对接处设计成半球形凹坑，其半径(12)，其小端直径+(0.51)，凹坑深度常取34。（5）由于主流道要与高温的塑料熔体和喷嘴反复接触和碰撞，所以主流道部分常设计成可拆卸的主流道衬套，以便选用优质的钢材单独加工和热处理。如其大端兼作定位环则圆盘凸出定模端面的长度=510，也常有将模具定位环与主流道衬套
12、分开设计的，浇口衬套如图8-5所示。一般注塑机参数表中： ，d4。根据以上原则和参数，主流道衬套的相关参数如下：主流道半球形凹坑半径；小端直径4+15；大端直径8。根据以上数据选用标准件：型，基本尺寸16，公差为 (+0.012，-0.006)，与模板孔的公差为(+0.018，0)图8-5浇口套浇口需用定位环固定，定位环与注射机定模固定板上的定位孔之间采用比较松动的间隙配合，定位环与定位孔的配合长度可取810，也是标准件，如图8-6所示，外径由注塑机规格参数定位孔直径160确定，内径取浇口套的外径35，高取12。图8-6 定位环8.2.5.2 分流道设计在多型腔或单型腔多浇口(制品尺寸大)时应
13、设置分流道，分流道是指主流道末端与浇口之间这一段塑料熔体的流动通道。它是浇注系统中熔融状态的塑料由主流道流入型腔前，通过截面积的变化及流向变换以获得平稳流态的过渡段。其作用是使浇注系统通道截面起过渡和转向作用。因此分流道设计应满足良好的压力传递和保持理想的充填状态，并在流动过程中压力损失尽可能小，能将塑料熔体均衡地分配到各个型腔。应根据塑料的成型体积、制品的壁厚、制品形状的复杂程度以及塑料性能等来确定分流道的形状和尺寸大小。为了便于加工及凝料脱模，分流道大多设置在分型面上，分流道截面形状一般为圆形、梯形、U形、半圆形及矩形等，工程设计中常采用加工工艺性好的梯形截面，且塑料熔体的热量散失、流动阻
14、力均不大，一般采用下面的经验公式可确定其截面尺寸： (8.3) (8.4)式中流经分流道的塑料量()分流道长度()分流道直径()梯形高度()梯形的侧面斜角常取515，在应用式(8.3)时应注意它的适用范围，即制品厚度在3.2mm以下，重量小于200g，且计算结果在3.29.5mm范围内才合理。本过滤器罩单件体积约为75.69cm2，质量约为79.4745g，分流道的长度预计设计成100mm，且有两个型腔，所以：=0.2654=5.48 取 D=6= 取 H=4梯形小底边宽度取4，其侧边与垂直于分型面的方向约成10分流道的截面如图8-7所示。图8-7 分流道截面由于分流道中与模具接触的外层塑料迅
15、速冷却，只有中心部位的塑料熔体的流动状态较为理想，因此分流道的内表面粗糙度并不要求很低，一般取1.6左右既可，这样表面稍不光滑，有助于塑料熔体的外层冷却皮层固定，从而与中心部位的熔体之间产生一定的速度差，以保证熔体流动时具有适宜的剪切速率和剪切热。分流道要尽可能短，且少弯折，便于注射成型过程中最经济地使用原料和注射机的能耗，减少压力损失和热量损失。本例将分流道设计成直的，总长100。8.2.5.3 浇口设计应当综合考虑塑料成型特性、制品形状、尺寸要求、注射机结构等诸因素，合理选用浇道口的形状和尺寸。浇口可分为限制性和非限制性浇口两种，本例将采用限制性浇口。限制性浇口一方面通过截面积的突然变化使分流道输送来的塑料熔体的流速产生加速度，提高剪切速率，使其成为理想的流动状态，迅速均衡地充满型腔，另一方面改善塑料熔体进入型腔时的流动特性，调节浇口尺寸可使多型腔同时充满，可控制填充时间、冷却时间及制品
