注塑件设计与模具设计

1 绪论1.1 引言模具是制造业的一种基本工艺装备，它的作用是控制和限制材料（固态或液态）的流动，使之形成所需要的形体。用模具制造零件以其效率高，产品质量好，材料消耗低，生产成本低而广泛应用于制造业中。模具工业是国民经济的基础工业，是国际上公认的关键工业。模具生产技术水平的高低是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，它在很大程度上决定着产品的质量，效益和新产品的开发能力。振兴和发展我国的模具工业，正日益受到人们的关注。早在1989年3月中国政府颁布的关于当前产业政策要点的决定中，将模具列为机械工业技术改造序列的第一位。模具工业既是高新技术产业的一个组成部分，又是高新技术产业化的重要领域。模具在机械、电子、轻工、汽车、纺织、航空、航天等工业领域里，日益成为使用最广泛的主要工艺装备，它承担了这些工业领域中6090的产品的零件，组件和部件的生产加工。目前世界模具市场供不应求，模具的主要出口国是美国、日本、法国、瑞士等国家。中国模具出口数量极少，但中国模具钳工技术水平高，劳动成本低，只要配备一些先进的数控制模设备，提高模具加工质量，缩短生产周期，沟通外贸渠道，模具出口将会有很大发展。研究和发展模具技术，提高模具技术水平，对于促进国民经济的发展有着特别重要的意义。1.2 课题研究的目的与意义塑料模具产业近年来在我国发展很快，随之而来的是日益激烈的市场竞争，加入WTO后，外国模具厂家进入国内市场，要在激烈的竞争中脱颖而出，发展模具标准件实施模具的专业化生产至关重要。现代产品生产中，模具由于其加工效率高，互换性好，节约原材料，所以得到很广泛的应用。模具的用途广泛，模具的种类繁多，科学地进行模具分类，对有计划地发展模具工业，系统地研究、开发模具生产技术，促进模具设计、制造技术的现代化，充分发挥模具的功能和作用；对研究、制订模具技术标准，提高模具标准化水平和专业化协作生产水平，提高模具生产效率，缩短模具的制造周期，都具有十分重要的意义。1.3 我国模具技术的现状及今后发展趋势20世纪80年代开始，发达工业国家的模具工业已从机床工业中分离出来，并发展成为独立的工业部门，其产值已超过机床工业的产值。改革开放以来，我国的模具工业发展也十分迅速。近年来，每年都以15的增长速度快速发展。许多模具企业十分重视技术发展。加大了用于技术进步的投入力度，将技术进步作为企业发展的重要动力。此外，许多科研机构和大专院校也开展了模具技术的研究与开发。模具行业的快速发展是使我国成为世界超级制造大国的重要原因。今后，我国要发展成为世界制造强国，仍将依赖于模具工业的快速发展，成为模具制造强国。中国塑料模工业从起步到现在，历经了半个多世纪，有了很大发展，模具水平有了较大提高。在大型模具方面已能生产48（约122cm）大屏幕彩电塑壳注射模具，精密塑料模方面，以能生产照相机塑料件模具，多形腔小模数齿轮模具及塑封模具。经过多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技术，模具的电加工和数控加工技术，快速成型与快速制模技术，新型模具材料等方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面作出了贡献。尽管我国模具工业有了长足的进步，部分模具已达到国际先进水平，但无论是数量还是质量仍满足不了国内市场的需要，每年仍需进口10多亿美元的各类大型，精密，复杂模具。与发达国家的模具工业相比，在模具技术上仍有不小的差距。今后，我国模具行业应在以下几方面进行不断的技术创新，以缩小与国际先进水平的距离：（1）注重开发大型、精密、复杂模具；随着我国轿车、家电等工业的快速发展，成型零件的大型化和精密化要求越来越高，模具也将日趋大型化和精密化。（2）加强模具标准件的应用；使用模具标准件不但能缩短模具制造周期，降低模具制造成本而且能提高模具的制造质量。因此，模具标准件的应用必将日渐广泛。（3）推广CAD/CAM/CAE技术；模具CAD/CAM/CAE技术是模具技术发展的一个重要里程碑。实践证明，模具CAD/CAM/CAE技术是模具设计制造的发展方向，可显著地提高模具设计制造水平。（4）重视快速模具制造技术，缩短模具制造周期；随着先进制造技术的不断出现，模具的制造水平也在不断地提高，基于快速成形的快速制模技术，高速铣削加工技术，以及自动研磨抛光技术将在模具制造中获得更为广泛的应用。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（如图2-1）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；作为一种塑件产品，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；此外，塑料都会老化，还要考虑到材料的光氧化等问题。图 2-1 外壳图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；其次才是成型难易和经济性问题,以下是对几种常用塑料材料的性能对比，如表2-1所示：表2-1: 三种材料性能参数表ABSPS尼龙密 度1.021.051.041.061.181.20收 缩 率0.30.80.60.80.82.5熔 点130160131165220240热变形温度（45N/cm）65986590132138模具温度6080406085120喷嘴温度180190160170250300中段温度180230170190270320后段温度150170140160250270注射压力601006010050110拉伸强度334935636066拉伸弹性模量1.82.83.52.3弯曲强度806198105113弯曲弹性模量1.4-1.54压缩强口冲击强度11200.250.40不断硬 度R6286洛氏M658011.7HB体积电阻率1016101710191015介电常数60Hz2.45.0106 Hz2.760Hz3.0击穿电压-19272030外 观浅象牙色或白色不透明无色透明、摔打音清脆透明微黄特 点耐热、表面硬度高、，尺寸稳定、耐化学及电性能好，易加工，可镀铬耐水、耐化学品、绝缘性好、不耐冲击不耐温透明度高、硬而韧、高抗冲、尺寸稳定性优电绝缘性和耐热性好、耐开裂耐药品性差。材料最终选定为ABS,其综合性能优异，具有较高的力学性能，流动性好，易于成型；成型收缩率小，理论计算收缩率为0.5 ；溢料值为0.04 mm；比热容较低，在模具中凝固较快，模塑周期短，制件尺寸稳定，表面光亮。2.3 脱模斜度该塑件采用的塑料是ABS，而ABS的成型收缩率较小（0.3-0.8%），而且塑件不太复杂，对型芯的包紧面积也不太大，所以应取较合适的脱模斜度。为保证壁厚的均匀一致，因此取塑料件的内外表面的脱模斜度一致。这里脱模斜度取1。2.4 壁厚图纸可知，该塑件有许多中不同的壁厚，如2mm、3mm、1mm、等。壁厚不均匀，这就造成塑料熔体的充模速率和冷却收缩不均匀，并由此产生许多质量问题。如凹陷、真空包、翘曲、甚至开裂。为防止此类现象出现，这就要求防止出现突变与截面厚薄悬殊的设计，故我在壁厚不同处采取过渡设计，例如：采用圆弧过渡等措施。2.5 圆角从塑件可知，该塑件内外表面的转折处都设计了圆角。其采用圆角不仅降低了应力集中系数，提高了抗冲击、抗疲劳能力，而且改善了塑料熔体的流动充模性能，减少了流动阻力。降低了局部的残余应力，防止开裂和翘曲，也使塑料件外形流畅美观。而且成型模具型腔也有了对应的圆角，提高了成型零件的强度。2.6 塑件的尺寸精度及表面质量2.6.1 尺寸精度（1）尺寸精度的选择；塑件的尺寸精度是决定塑件制造质量的首要标准，然而，在满足塑件使用要求的前提下，设计时总是尽量将其尺寸精度放低一些，以便降低模具的加工难度和制造成本。对塑件的精度要求，要具体分析，根据装配情况来确定尺寸公差，所以精度要求为一般精度即可，但是由于要保证轮与壳体轴的闭合，所以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。 新标准将塑件制品等级分为三级，即精密级、中级和自由尺寸等级，其尺寸公差见表1-5。表 1-5 塑料制品精度等级的选用（SJ 1372-78）类型塑 料 品 种建 议 采 用 精 度精密中等自由尺寸 1聚苯乙烯ABS聚甲基丙烯酸甲酯聚碳酸酯聚砜酚醛塑料氨基塑料30%玻璃纤维增强塑料3452尼龙6，尼龙66，尼龙610，尼龙9，尼龙1010氯化聚醚硬聚氯乙烯，醋酸纤维素4563聚甲醛聚丙烯低压聚乙烯567 4软聚氯乙烯高压聚乙烯678根据精度等级选用表，ABS的高精度为3级，一般精度为4级。（2）尺寸精度的组成及影响因素；制品尺寸误差构成为： =+ 式中 制件总的成型误差； 塑料收缩率波动所引起的误差；模具成型零件制造精度所引起的误差； 模具磨损后所引起的误差；模具安装，配合间隙引起的误差；（3）影响塑料制品尺寸精度的因素比较复杂，归纳有以下三个方面。模具 模具各部分的制造精度是影响制件尺寸精度重要的因素。塑料材料 主要是收缩率的影响，收缩率大的尺寸精度误差就大。成型工艺 成型工艺条件的变化直接造成材料的收缩，从而影响尺寸精度。2.6.2 塑件的表面质量塑件的外表面要求没有缺陷，没有导电杂质，因为要对外表面进行电镀，所以外表面应比较光滑即外表面粗糙度较低，其内表面无特别要求。2.6.3 塑件体积和质量的计算该产品材料为尼龙塑料，其密度为1.021.05103（Kg/m），收缩率为0.0030.008。计算其平均密度为1.035103（Kg/m），平均收缩率为0.005，下面主要对下壳进行计算和校核。计算塑件体积：使用Pro/e软件对塑件三维模型进行分析得：塑件体积为V= 2391.24mm3计算塑件质量：由公式M=V=1.0351031062391.2410-9=2.475g3 注塑成型的准备3.1 注塑成型工艺简介注塑成型是利用塑料的可挤压性与可模塑性，首先将松散的粒状或粉状成型物料从注塑机的料斗送入高温的机筒内加热熔融塑化，使之成为粘流状态熔体，然后在柱塞或螺杆的高压推动下，以很大的流速通过机筒前端的喷嘴注射进入温度较低的闭合模具中，经过一段时间的保压冷却以后，开启模具便可以从模腔中脱出具有一定形状和尺寸的塑料制件。一般分为三个阶段的工作：图3-1 注塑成型压力时间曲线（1）物料准备：成型前应对物料的外观色泽、颗粒情况，有无杂质等进行检验，并测试其热稳定性，流动性和收缩率等指标。对于吸湿性强的塑料，应根据注射成型工艺允许的含水量进行适当的预热干燥，若有嵌件，还要知道嵌件的热膨胀系数，对模具进行适当的预热，以避免收缩应力和裂纹，有的塑料制品还需要选用脱模剂，以利于脱模。（2）注塑过程：塑料在料筒内经过加热达到流动状态后，进入模腔内的流动可分为注射，保压，倒流和冷却四个阶段，注塑过程可以用如图所示3.1所示。图中t0代表螺杆或柱塞开始注射熔体的时刻；当模腔充满熔体（t=t1）时，熔体压力迅速上升，达到最大值P0。从时间t1到t2，塑料仍处于螺杆（或柱塞）的压力下，熔体会继续流入模腔内以弥补因冷却收缩而产生的空隙。由于塑料仍在流动，而温度又在不断下降，定向分子（分子链的一端在模腔壁固化，另一端沿流动方向排列）容易被凝结，所以这一阶段是大分子定向形成的主要阶段。这一阶段的时间越长，分子定向的程度越高。从螺杆开始后退到结束（时间从t2到t3），由于模腔内的压力比流道内高，会发生熔体倒流，从而使模腔内的压力迅速下降。倒流一直进行到浇口处熔体凝结时为止。其中，塑料凝结时的压力和温度是决定塑料制件平均收缩率的重要因素。（3）制件后处理：由于成型过程中塑料熔体在温度和压力下的变形流动非常复杂，再加上流动前塑化不均匀以及充模后冷却速度不同，制件内经常出现不均匀的结晶、取向和收缩，导致制件内产生相应的结晶、取向和收缩应力，脱模后除引起时效变形外，还会使制件的力学性能，光学性能及表观质量变坏，严重时会开裂。故有的塑件需要进行后处理，常用的后处理方法有退火和调湿两种。退火是为了消除或降低制件成型后的残余应力，此外，退火还可以对制件进行解除取向，并降低制件硬度和提高韧性，温度一般在塑件使用温度以上的10020度至热变形温度以下1020度之间；调湿处理是一种调整制件含水量的后处理工序，主要用于吸湿性很强、而且又容易氧化的聚酰胺等塑料制件。调湿处理所用的加热介质一般为沸水或醋酸钾溶液（沸点为121，加热温度为100121，保温时间与制件厚度有关，通常取29小时。3.2 注塑成型工艺条件（1）温度：注塑成型过程中需要控制的温度有料筒温度，喷嘴温度和模具温度等。喷嘴温度通常略微低于料筒的最高温度，以防止熔料在直通式喷嘴口发生“流涎现象”；模具温度一般通过冷却系统来控制；为了保证制件有较高的形状和尺寸精度，应避免制件脱模后发生较大的翘曲变形，模具温度必须低于塑料的热变形温度。ABS料与温度的经验数据如表3-1所示：表3-1 温度的经验数据料筒温度 /喷嘴温度/模具温度/热变形温度 /前段中段后段1.82MPA0.45MPA200210220220606596（2）压力：注射成型过程中的压力包括注射压力，保压力和背压力。注射压力用以克服熔体从料筒向型腔流动的阻力，提供充模速度及对熔料进行压实等。保压力的大小取决于模具对熔体的静水压力，与制件的形状，壁厚及材料有关。对于像尼龙流动性好的料，保压力应该小些，以避免产生飞边，保压力可取略低于注射压力。背压力是指注塑机螺杆顶部的熔体在螺杆转动后退时所受到的压力，背压力除了可驱除物料中的空气，提高熔体密实程度之外，还可以使熔体内压力增大，螺杆后退速度减小，塑化时的剪切作用增强，摩擦热量增大，塑化效果提高，根据生产经验，背压的使用范围约为3.427.5MPA。（3）时间：完成一次注塑成型过程所需要的时间称为成型周期。包括注射时间、保压时间、冷却时间、其他时间（开模、脱模、涂脱磨剂、安放嵌件和闭模等），在保证塑件质量的前提下尽量减小成型周期的各段时间，以提高生产率，其中，最重要的是注射时间和冷却时间，在实际生产中注射时间一般为35秒，保压时间一般为20120秒，冷却时间一般为30120秒（这三个时间都是根据塑件的质量来决定的，质量越大则相应的时间越长）。确定成型周期的经验数值如表3-2所示：表3-2 成型周期与壁厚关系制件壁厚 /mm成型周期 / s制件壁厚 / mm成型周期 / s0.5102.5351.0153.0451.5223.5652.0284.085经过上面的经验数据和推荐值，可以初步确定成型工艺参数，因为各个推荐值有差别，而且有的与实际注塑成型时的参数设置也不一致，结合两者的合理因素，初定制品成型工艺参数如表3-3所示：表3-3 制品成型工艺参数初步确定特性内容特性内容喷嘴形式直通式模具温度50喷嘴温度()220后段温度()220中段温度()210前段温度()200注射压力MPa85120保压力MPa80注射时间s35保压时间s20冷却时间s20其他时间s3干燥温度()6080干燥时间()13后处理温度70，保温时间2小时。3.3 注塑机的选择3.3.1 注塑机简介1956年制造出世界上第一台往复螺杆式注塑机，这是注塑成型工艺技术的一大突破，目前注塑机加工的塑料量是塑料产量的30%；注塑机的产量占整个塑料机械产量的50%。成为塑料成型设备制造业中增长最快，产量最多的机种之一。注塑机的分类方式很多，目前尚未形成完全统一标准的分类方法。常用的说法有：（1）按设备外形特征分类：卧式、立式、直角式、多工位注塑机。（2）按加工能力分类：超小型、小型、中型、大型和超大型注塑机。此外还有按用途分类和按合模装置的特征分类，但日常生活中用的较少。3.3.2 注塑机基本参数注塑机的主要参数有公称注射量，注射压力、注射速度、塑化能力、锁模力、合模装置的基本尺寸，开合模速度，空循环时间等。这些参数是设计，制造，购买和使用注塑机的主要依据。（1）公称注塑量：指在对空注射的情况下，注射螺杆或柱塞做一次最大注射行程时，注射装置所能达到的最大注射量，反映了注塑机的加工能力。（2）注射压力：为了克服熔料流经喷嘴，浇道和型腔时的流动阻力，螺杆(或柱塞)对熔料必须施加足够的压力，我们将这种压力称为注射压力。（3）注射速率：为了使熔料及时充满型腔，除了必须有足够的注射压力外，熔料还必须有一定的流动速率，描述这一参数的为注射速率或注射时间或注射速度。常用的注射速率如表3-4所示表3-4 注射量与注射时间的关系注射量/CM 125 250500100020004000600010000注射速率/CM/S125 200333570890133016002000注射时间/S 11.251.5 1.752.25 3 3.75 5（4）塑化能力：单位时间内所能塑化的物料量，塑化能力应与注塑机的整个成型周期配合协调，若塑化能力高而机器的空循环时间长，则不能发挥塑化装置的能力，反之则会加长成型周期。（5）锁模力：注塑机的合模机构对模具所能施加的最大夹紧力，在此力的作用下模具不应被熔融的塑料所顶开。（6）合模装置的基本尺寸：包括模板尺寸，拉杆空间，模板间最大开距，动模板的行程，模具最大厚度与最小厚度等。这些参数规定了机器加工制件所使用的模具尺寸范围。（7）开合模速度：为使模具闭合时平稳，以及开模，推出制件时不使塑料制件损坏，要求模板在整个行程中的速度要合理，即合模时从快到慢，开模时由慢到快在到停。（8）空循环时间：在没有塑化，注射保压，冷却，取出制件等动作的情况下，完成一次循环所需的时间。3.3.3 选择注塑机（1）由注射量选定注射机由PRO/E建模分析得（材料密度取1.035103Kg/m）塑件体积为:V= 2391.24mm3塑件质量为:M=2.475g浇注系统质量 =1.2g= =3.675/0.8=4.594g式中：M实际注射量(g)；额定注射量(g)；K注射机最大注射量的利用系数，一般取0.8。由此选择卧式注射成型机：XS-ZY-60；该设备的技术规范见表：表3-5 国产注射机XS-Z-60技术参数表特性内容特性内容结构类型卧式拉杆空间(mm)190x300公称注射量(cm)60移模行程(mm)180螺杆(柱塞)直径(mm)38最大模具厚度(mm)200注射压力(MP)122最小模具厚度(mm)70注射时间(s)-锁模形式(mm)液压-机械注射方式柱塞式模具定位孔直径(mm)120螺杆转速(r/min)-喷嘴圆弧半径(mm)12锁模力(KN)500喷嘴孔直径4（2）注射压力校核ABS塑料推荐注射压力为7090MPa，考虑到本制件壁厚较小，充模阻力较大取注射压力为80 Mpa,根据已选的注射机可知符合要求。（3）锁模力校核注射成型时的塑料会产生模板间的涨模力，此涨模力等于塑件和浇注系统在分形面上的投影面积与型腔压力之积。为防止模具分型面被涨模力顶开，必须对模具施加足够的锁模力，否则在分型面处会产生溢料现象，因此模具设计时应使注射机的额定锁模力大于涨模力。则 30（143675）=15330N式中，F注塑机额定锁模力(N)；单个塑件在模具分型面上的投影面积(m)；浇注系统在模具分型面上的投影面积(m)；塑料熔体在型腔内的平均压力(查模具设计手册)（2040MPa）。（4） 喷嘴尺寸校核在实际生产过程中，模具的主流道衬套始端的球面半径R2取比注射机喷嘴球面半径R1大12 mm，主流道小端直径D取比注射机喷嘴直径d大0.51 mm，如图3-2所示，以防止主流道口部积存凝料而影响脱模，所以，注射机喷嘴尺寸是标准，模具的制造以它为准则。 图3-2 喷嘴与浇口套尺寸关系 （5） 定位圈尺寸校核 注塑机固定模板台面的中心有一规定尺寸的孔，称之为定位孔。注塑模端面凸台径向尺寸须与定位孔成间隙配合，便于模具安装，并使主流道的中心线与喷嘴的中心线相重合。模具端面凸台高度应小于定位孔深度。（6） 模具厚度校核模具厚度必须满足下式：H H H 70 189 200 满足要求。式中 H所设计的模具厚度 189mm； H注塑机所允许的最小模具厚度70mm；H注塑机所允许的最大模具厚度200mm；（7） 开模行程校核模具开模取出制品所需的开模距离必须小于注射机的开模行程。注射机最大的开模行程的大小直接影响模具所形成的塑件高度，太小时塑件无法从动定模之间取出。所选注塑机为液压机械联合作用锁模机构，最大开模行程不受模具厚度影响。此时最大开模行程S等于注塑机移动、固定模板台面之间的最大距离减去模具厚度SH+H+（510）mm 18025+25+10 18060 满足要求。 式中 S注塑机移模行程180 mm；H推出距离25 mm；H流道凝料与塑件高度25 mm。4 模具设计4.1 分型面的设计为了将塑件和浇注系统凝料等从密闭的模具取出，以及为了安放嵌件，将模具适时地分成两个或若干个组成部分，这些可以分离部分地接触面，统称分型面。从分型面地数目来看：单分型面、双分型面、多分型面。从分型面形状来看：平面、斜面、阶梯面、曲面。从分型面地开模方式来看：平行于开模方向，垂直与开模方向，与开模方向呈一斜角。模具设计中分型面的选择很关键,它决定了模具的结构。应根据分型面选择原则和塑件的成型要求来选择分型面。选择模具的分型面时应考虑以下基本原则：（1）分型面的选择应有利于脱模（2）分型面的选择应有利于保证塑件的外观质量和精度要求（3）分型面的选择应有利于成型零件的加工制造（4）分型面应有利于侧向抽芯（5）分型面应选在塑件外形最大轮廓处（6）便于塑件脱模，尽量使塑件开模时留在动模一边（7）对成型面积的影响由于考虑到该塑件有侧抽芯机构的设计，所以选择单分型面水平分型方式,可以减少对侧抽芯机构设计的复杂程度，且开模时动定模直接分开，又可减少模具加工难度又便于成型后出件。4.2 型腔数的确定一模具两件的布局将使抽芯机构变得复杂,所以不采用该方案。选择方案如下:采用轮与壳体配套的一模一件,生产效率偏低,但也能适应中小批量的生产要求,料流比较顺畅,流程较短,零件质量较好。经过分析采用一模一件。如图4-1所示图 4-1 轮与壳体配套的一模一件4.3 模具浇注系统设计4.3.1 浇注系统的设计原则（1）浇注系统与塑件一起在分型面上，应有压降、流量和温度分布的均衡布置；（2）尽量缩短流程，以降低压力损失，缩短充模时间；（3）浇口位置的选择，应避免产生湍流和涡流，及喷射和蛇行流动，并有利于排气和补缩；（4）避免高压熔体对型芯和嵌件产生冲击，防止变形和位移。（5）浇注系统凝料脱出方便可靠，易与塑件分离或切除整修容易，且外观无损伤；（6）熔合缝位置必须合理安排，必要时配置冷料井或溢料槽；尽量减少浇注系统的用料量；（7）浇注系统应达到所需精度和粗糙度，其中浇口必须有IT8以上精度。4.3.2 主流道和分流道设计1.主流道顶部设计成半球形凸坑，以便与喷嘴衔接，为避免高温塑料熔体溢出，凹坑球半径比喷嘴球头半径大2mm，如果凹坑半径小于喷嘴球头半径则主流道凝料无法一次脱出，由于主流道与注塑机的高温喷嘴反复接触和碰撞，所以设计成独立的主流道衬套，选用45号钢材并经热处理提高硬度，设计独立的定位环用来安装模具时起定位作用，主流道衬套的进口直径略大于喷嘴直径1mm以避免溢料并且防止衔接不准而发生的堵截。定义：主流道是指从注射机喷嘴与模具接触的部位起，到分流道为止的这一段。主流道形状及其与注塑机喷嘴配合关系如图4-2 图4-2 主流道形状与注塑机喷嘴配合关系图A.小端直径D2=D1+（0.51mm）B.小端球半径R2=R1+（12mm）（其中D1、R1分别为注射机射出口的直径及注射头的球半径) 由于ABS流动性一般，所以主流道进口端的截面直径取稍大些。根据所选注塑机的喷嘴前端孔径及注塑机注塑量60 cm查塑料注塑模结构与设计表6-1得：主流道进口端直径 D=5mm主流道进口端的截面直径 D=6mm锥角 =3主流道出口端圆角半径R=0.125D=0.75mm取1mm主流道表壁的表面粗糙度R=0.8m主流道长度L=22mm注塑机喷嘴前端孔径R1=5.5所以主流道进口端球面半径取R2=5mm 主流道如图4-3所示：图4-3 主流道设计图2.浇注系统的平衡对于中小型塑件的注射模具己广泛使用一模多腔的形式，设计应尽量保证所有的型腔同时得到均一的充填和成型。一般在塑件形状及模具结构允许的情况下，应将从主流道到各个型腔的分流道设计成长度相等、形状及截面尺寸相同（型腔布局为平衡式）的形式，否则就需要通过调节浇口尺寸使各浇口的流量及成型工艺条件达到一致，这就是浇注系统的平衡。（1）分流道的平衡在多腔模具中，熔体在主流道与各分流道，或各分流道之间的体积流量是不会相同的，但可以认为他们的流速是相等的，以此达到各型腔同时充满的目的。为此各流道之间应以不同的长度或截面尺寸来达到流量不等，经分析可推导，可用下式进行平衡计算：L1/L2=d1/d2=Q1/Q2式中 Q1，Q2熔融树脂分别在流道1 和流道2 中的流量，cm3/s；d1,d2分流道1 和分流道2 的直径， cm;L1，L2分流道1 和分流道2 的长度，cm。上式没有考虑分流道转弯局部阻力的影响，以及模具温度不均的影响。实际上尚须对这些因素作校正，才能达到充模时间相等的目的。当分流道作平衡布置，且各型腔所需之填充量又相等时，则各流道的长度变化、长度尺寸等均应相同（2）浇口的平衡在多型腔非平衡分流道布置时，由于主流道到各型腔的分流道长度或各型腔所需填充流量不同，也可采用调整各浇口截面尺寸的方法，使熔融体同时充满各型腔。浇口平衡简称为BGV（balanced gate value）,只要做到各型腔BGV 值相同，基本上能达到平衡填充。对于多型腔相同制品的模具，其浇口平衡计算公式如下：BGV式中 Ag浇口的截面积，m;Lg浇口的长度，mm;Lr分流道的长度，mm。浇注系统设计时一般浇口的截面积与分流道的截面积之比Ag/Ar 取0.070.09。该模具，各个型腔不相同，形状及截面尺寸都不相同，显然要进行BGV计算。3.分流道截面形状 分流道的截面形状有圆形、半圆形、矩形、梯形、V形等多种。其中圆形截面最理想，使用越来越多。本次设计采用圆形截面。由PRO/E建模分析得（材料密度取1.035103Kg/m）塑件各部分体积比为大轮V：小轮V：壳体V=4：1：10分流道直径d为3mm，到小轮的分流道长度Lr1=12mm, 到大轮的分流道长度Lr2=10mm，到壳体的分流道长度Lr3=3mm。各浇口的长度Lg=1.5mm(1)分流道截面积ArAr=3.14=7.065 m(2)选小轮浇口为基准浇口，其截面积AgAg=0.08 Ar=3 t=0.087.065=0.5652 mt=0.75mm b=3t=2.25mm(3)其他浇口的面积根据 V：V：V=BGV:BGV:BGV 4：1：10= ：所以 Ag=3t=2.0638 m t=0.829mm b=3t=2.487mm Ag=3t=2.826 m t=0.971mm b=3t=2.913mm4.3.3 浇口套设计由于注塑成型时主流道要与高温塑料熔体和注塑机喷嘴反复接触和碰撞，所以一般都不将主流道直接开在定模上，将它单独开设在一个嵌套中，然后将此套再嵌入定模内，此套为浇口套,也称为主流道衬套。浇口套应选用优质钢材8A，热处理硬度为53-57HRC。长度应与定模配合部分的厚度一致，主流道出口处的端面不得突出在分型面上，否则不仅会造成溢料，而且还会压坏模具。衬套与定模之间的配合采用H7/6。选择的浇口套如图4-4所示：图4-4 浇口套设计图4.3.4冷料穴及拉料杆 冷料穴的作用是贮存因两次注射间隔而产生的冷料头以及熔体流动的前锋冷料，以防止熔体冷料进入型腔。冷料穴一般设在主流道的末端，当分流道较长时，在分流道的末端有时也开设冷料穴。 拉料杆冷料井可分为顶出杆成型的“拉顶”冷料井、拉料杆成型的“拉料”冷料井和凹坑拉料冷料井。在本次设计中，我们采用Z字形拉料杆如图4-5，工作时依靠Z字形钩将主流道凝料拉出浇口套，推出后由于钩子的方向性而不能自动脱料，需要人工取出。 图4-5 冷料穴和拉料杆形式4.3.5 排气方式此制件属中小型，且注射速度中等，可以利用分型面和推杆的间隙排气，不开设专门排气槽，这样既可减少设计的复杂度，又可节约设计成本。4.4 成型零件设计4.4.1 型腔及型芯的设计（1）凹模的设计为了保证凹模使用寿命，不浪费价格昂贵的材料。并且凹模损坏后，维修、更换方便。所以选用整体嵌入式凹模-沉孔嵌入式。结构形式如图4-6所示：图4-6 凹模设计图(2）凸模的设计由于整体式凸模浪费材料太大并且切削加工量大，在当今的模具结构中几乎没有这种结构。所以凸模也选择整体嵌入式-沉孔嵌入式。结构如图4-7所示： 图4-7 凸模设计图4.4.2 工作尺寸计算（1）凹模的工作尺寸计算其工作尺寸属于包容尺寸，尽量取下限尺寸，尺寸公差取上偏差。径向尺寸计算公式：L=深度尺寸计算公式：H=式中 L为塑件外形最大尺寸，mm；K为塑件的平均收缩率0.005；为塑件的尺寸公差，mm；为模具制造公差,取塑件尺寸公差的1/3-1/4；H为塑件高度方向的最大尺寸，mm。凹模长度尺寸计算为：凹模深度尺寸计算为：凹模宽度尺寸计算为：（2）凸模的工作尺寸计算其工作尺寸属于被包容尺寸，尽量取上限尺寸，尺寸公差取下偏差。径向尺寸计算公式： =高度尺寸计算公式： =式中 为塑件外形最大尺寸，mm；K为塑件的平均收缩率0.005；为塑件的尺寸公差，mm；为模具制造公差,取塑件尺寸公差的1/3-1/4；为塑件高度方向的最大尺寸，mm。凸模长度尺寸计算为：凸模宽度尺寸计算为：凸模高度尺寸计算为：（3）中心距尺寸的计算模具上中心距尺寸与制品上中心距的公差标注均采用双向等值公差和表示。此外，在中心距尺寸的计算中不考虑磨损量，中心距尺寸计算,公式如下式中 模具中心距尺寸，mm；塑件心中距尺寸，mm。所以4.5 模架的选取模架是注射模的骨架。标准模架一般由定模座板、定模板、动模板、动模座板、垫块、推板、推板固定板、导柱、导套、复位杆、斜导柱等组成。由于浇口采用的是点浇口所以模架需选择小水口模架，根据行腔尺寸查塑料模具设计附录B提供的标准模架图例选取模架型号为A1-16-Z2 GB/T12556.1-1990，结构及尺寸如图4-8所示：图4-8 模架图4.6 导向机构的设计导向机构主要有导向、定位、承受侧压力三个作用，为了使合模动作更加可靠平稳在型腔周围设四根导柱，将导柱开设在动模侧即导柱正装，为保护型芯，避免合模时凸模进入凹模时由于方位搞错而损坏模具或由于定位不准而互相碰伤，设在动模上的导柱长度高出型芯68mm，导柱采用带头导柱和导套配合的方式，安装段与模板间采用过渡配合H7/k6，导向段与导向孔间采用动配合H7/f6，固定段表面粗糙度为Ra1.6m导向段表面也用Ra1.6m，导柱需要有硬而耐磨的表面，坚韧而不易折断的芯部，因此采用材料T8A渗碳（0.50.8mm深），经淬火处理（HRC60）。导柱如图4-9所示： 图4-9 导柱图导套选用直导套，导套内孔与导柱之间为过渡配合H7/f6，外表面与模板孔为较紧的过渡配合H7/k6，粗糙度内外表面均用Ra0.8m，材料选用T8A渗碳淬火处理，表面硬度为HRC60。导套如图4-10所示：图4-10 导套图4.7 脱模机构的设计4.7.1 顶出机构的设计原则（1）顶出机构的运动要准确，可靠，灵活，无卡死现象，机构本身要有足够的刚度和强度，足以克服托模阻力。（2）保证在顶出过程中塑件不变性，这是对定出机构的最基本的要求。在设计时要正确估计塑件对模具粘附力的大小和所在位置，合理的设计顶出部位，使顶出力能均匀合理的分布，要让塑件能平稳的从模具中脱出而不会产生变型。顶出力中大部分是用来克服因塑料收缩而产生的包紧力，这个力的大小与塑料品种性能，以及塑件的几何形状复杂程度，型腔深度，壁厚还有模具温度，定出时间，脱模斜度，模具成型零件的表面粗糙度等因素有关，其影响因素较为复杂，很难进行准确的计算。一般原则是塑料收缩率越大，塑件壁越厚，型芯尺寸越大，形状越复杂，型芯深度越深，脱模斜度越小，模具温度越低，冷却时间越长，成型零件表面粗糙度越大，其对模具的包紧力就会越大，此时就应选择顶出力较大的顶出方式。（3）顶出力的分布应尽量靠近型芯，且定出面积应尽可能大，以防塑件被破坏。（4）顶出力应作用在不易使塑件产生变形的位置，如加强筋，凸缘，厚壁处等。应尽量避免使顶出力作用在塑件的平面位置上。（5）若顶出部位需设在塑件使用或装配的基准面上时，为不影响塑件尺寸和使用，一般使顶杆与塑件接触部位出凹进塑件0.1mm左右，而顶出杆端面则应高于基准面，否则塑件表面会出现凸起，影响基准面的平整和外观。4.7.2 采用推杆脱模机构（1）推杆计算和复位杆计算脱模机构是典型的简单脱模机构，它结构简单，制造容易且维修方便。它是由推杆、推杆固定板、推杆垫板、复位杆和弹簧所组成。在动模一边施加一次顶出力，就可实现塑件脱模的机构称为简单脱模机构。这是一种最简单的脱模机构，这些顶杆一般只起顶出作用。有时根据塑件的需要，顶杆还可以设计成塑件的某一部相同形状或作为型芯。顶杆多用T8A或T10A材料头部淬火硬度达50HRC以上，表面粗糙度Ra值取1.6m和顶杆孔成H7/f6配合。推杆是模具标准件，选取直通形圆形推杆，数量为11，直径是4mm。推杆顶出塑件后，必须回到顶出前的初始位置，才能进行下一循环工作。因此还必须设计复位杆来实现这一动作,复位杆又称回程杆。有时，顶出机构中的推杆较多，推杆较细，或顶出力不均衡，顶出后顶杆可能发生偏斜，造成顶杆弯曲或折断，此时，应考虑设计顶出机构的导向位置。推杆结构如图4-11所示：图4-11推杆复位杆结构如图4-12所示： 图4-12 复位杆（2）顶出力的计算注塑成型过程中，型腔内熔融塑料因固化收缩包在型芯上，为使塑件能自动脱落，在模具开启后就需要在塑件上施加一顶出力。顶出力的作用点应尽量靠近型芯，并且顶出力应施于塑件刚性和强度的最大的部位，如凸缘或加强筋等处作用面积也尽可能大一些。顶出力是确定顶出机构结构和尺寸的依据，它与塑料种类，塑件包容在型芯上的面积以及塑件的热收缩率等有关， 计算公式： 式中 F顶出力 NE塑料弹性模量1800MPA塑料包容在型芯的径向面积1549mm2F塑料与钢之间的摩擦因素0.21d型芯直径69mmt塑件平均壁厚1.5mm塑件材料的泊松比0.4塑件在径向的热收缩 式中 塑料热膨胀系数710 Tm注入型腔的熔融塑料温度180 塑件出模温度60代入得：0.4=917N（3） 脱模力计算计算公式为：式中 K查塑料成形加工与模具表83得1.0035矩形制件的平均壁厚1.5mmE塑料的弹性模量1800S塑料平均成型收缩率0.055L制件对型芯的包容深度12mm模具型芯的脱模斜度1制件与型芯的摩擦因数0.21塑料的泊松比0.4= 414N顶出力满足要求。（4） 推杆直径效核柔度定义：=60因为=6029 所以属于大柔度推杆计算公式：式中 脱模阻力414NE顶杆材料弹性模量；N推杆数量；4个K安全系数；1.41.8；取1.5D推杆直径4mm=2.3 故推杆满足要求。4.8 侧抽芯机构的设计由于制品的特殊要求，在塑件侧面有几个凹槽。针对塑件的外侧孔采用斜导拄抽芯机构进行抽芯以使塑件能顺利脱模。针对几个凹槽采用斜滑块抽芯机构能顺利脱模同时还能与顶杆配合顶出塑件。4.8.1 结构及工作原理斜导柱抽芯机构由与开模方向成一定角度的斜导柱和滑块组成，并有保证抽芯机构的动作稳妥可靠的滑块定位装置和锁紧装置。4.8.2 设计注意事项（1）型芯尽量可能设置在与分型面相垂直的动或定模内，利用开模或推出动作抽出侧型芯。（2）尽可能采用斜导柱在定模，滑块在动模的抽芯机构。（3）锁紧楔的楔角应大于斜导柱的倾角，通常大2-3度，否则，斜导柱无法带动滑块。（4） 滑块完成抽芯动作后，留在滑槽内的滑块长度不应少于滑块全长的2/3。（5） 应尽量可能不使顶杆和活动型芯在分型面上的投影重合，防止滑块和顶出机构复位时互相干涉。（6） 滑块设在定模上的情况下，为保证塑件留在动模上，开模前必须先抽出侧向型芯，因此，采用定距拉紧装置。4.8.3 抽拔力塑件在模具中冷却定型时，由于体积收缩，而将型芯或凸模包紧，塑件在脱模时，必须克服这一包紧力及抽芯机构所产生的磨擦力才能抽出活动型芯。在开始抽拔的瞬时所需的抽拔力成为初始抽拔力，以后抽拔所需的力成为相继抽拔力。初始抽拔力比相继抽拔力大，所以，在设计计算时总是考虑初始抽拔力。抽拔力F 可用下式计算：F=式中 P塑件的收缩应力(Mpa)，模具冷却时P=39.2MPa；A塑件包围型芯的侧面积，1130mm2F摩擦系数，一般f=0.15-1.0，取0.6脱模斜度， 1F抽拔力F=39.211.3COS(0.6-tan15)/(1+0.6sin1COS1)=438.3N斜导柱受弯曲力为：式中 斜导柱的倾斜角，15 斜导柱所受弯曲力，N=453.8N4.8.4 抽芯距 将型芯从成型位置抽至不妨碍塑件脱模的位置，型芯或滑块所移动的距离称为抽芯距。一般来说，抽芯距等于侧孔深度加2mm-3mm的安全距离。其计算公式为：式中 设计抽芯距，2mmS 抽芯距，mm=4mm4.8.5 斜导柱倾斜角倾斜角的大小关系到斜导柱所承受的弯曲力和实际达到的抽拔力，也关系到斜导柱的工作长度，抽芯距和开模行程。为保证一定的抽拔力及斜导柱的强度，取小于25度，一般12-25度内选取。取154.8.6 斜导柱的直径 根据材料力学可以推导出斜导柱直径计算公式：式中 斜导柱的倾斜角，15；斜导柱所受弯曲力，