圆筒件注塑成型工艺及模具设计一模两件.doc

课程设计说明书

题 目：圆筒件注塑成型工艺及模具设计

目 录

第1章 工艺分析
1.1 塑件成型工艺性分析
1.1.1 塑件结构工艺性分析
1.1.2 成型材料性能分析
1.2 模具结构形式确定
第2章 注射机选择
2.1 注射量计算
2.2 塑件和流道凝料及所需锁模力计算
2.3 选择注射机
第3章 注射模具结构设计
3.1 模架确定
3.2 各板尺寸确定
3.3 浇注系统设计
3.3.1 主流道设计
3.3.1.1主流道尺寸
3.3.1.2 定位圈选取
3.3.1.3主流道衬套形式
3.3.2 分流道设计
3.3.2.1分流道布置形式
3.3.2.2分流道长度
3.3.2.3分流道及浇口尺寸设计
3.4 成型零件设计
3.4.1分型面位置确定
3.4.2成型零件工作尺寸计算
3.4.2.1型腔径向尺寸
3.4.2.2型腔深度尺寸
3.4.2.3型芯径向尺寸
3.4.2.4型芯高度尺寸
3.4.2.5型腔壁厚计算
3.5 导向及定位机构设计
3.5.1机构功用
3.5.2导向机构设计
3.5.2.1导柱
3.5.2.2导套
3.6 推出机构设计
3.6.1脱模推出机构设计原则
3.6.2塑件推出方式
3.6.3塑件推出机构
3.7 排气系统设计
3.8 冷料穴设计
3.9 冷却系统设计
第4章 注射机校核
4.1 安装参数校核
4.1.1 模具外形尺寸校核
4.1.2 喷嘴尺寸及定位圈尺寸校核

第1章工艺分析
1.1塑件成型工艺性分析
1.1.1 塑件结构工艺性分析
1. 如图1.1所示，该塑件为一小尺寸圆筒件，形状简单；壁厚t=1.5mm，壁厚内径比（t/d)为1/60小于1/10，该塑件为薄壁塑件，并且各处壁厚均匀。塑件为旋转体结构，结构相对简单，而且塑件质量相对较小。该塑件表面粗糙度全部为Ra0.8mm，材料为聚氯乙烯，该种塑料流动性中等。通过查阅资料该种塑料制件
未注公差时应选用MT5级精度。
2.该模具是圆筒形零件注射模具。该塑件无侧凹、侧孔等，不需设计侧抽芯装置，相应模具结构简单。从零件图看，制件比较简单，没有苛刻精度要求和尺寸公差要求，因此对模具要求也较低。从生产批量考虑，本模具采用一模两腔结构，模架和模板尺寸均根据标准选取。其中模架从标准中选取A2型模架。由于塑件比较简单，所以模具采用一次分型，不设有二次分型及侧向分型机构。推出系统采用推杆推出，并设有复位杆复位。为了加快模具冷却，使模具冷却均匀，本模具设有4个冷却管道，均开在定模部分。排气利用分型面和配合处间隙排气。为了减少成本，本模具90%零件选用标准件。

图1.1 塑件图
1.1.2 成形材料性能分析
聚氯乙烯，简称PVC，由氯乙烯在引发剂作用下聚合而成热塑性树脂，是氯乙烯均聚物。
成形特性：1，无定形料，吸湿性小，但为了提高流动性、防止发生气泡则宜先干燥
2，流动性差，极易分解，特别在高温下及钢、铜金属接触更易分解，分解温度为200℃，分解时有腐蚀及刺激性气体
3，成形温度范围小，必须严格控制料温
4，用螺杆式注射机及直通喷嘴，孔径宜大，以防止死角滞料，滞料必须及时处理清除
5，模具浇注系统应粗短，进料口截面宜大，不得有死角滞料，模具应冷却，其表面硬镀铬
下面表1.1所示为该塑料一些信息。
表1.1 聚氯乙烯塑料成形条件
注射成型机类型
螺杆式
密度（g/cm）
1.38
计算收缩率（%）
0.6-1.5
螺杆转速（r/min）
28
预热温度（℃）
70-90
预热时间（h）
4-6
料筒温度
（℃）
后段
160-170
成型时间（s）
注射时间
15-60
中段
165-180
高压时间
0-5
前段
170-190
冷却时间
15-60
喷嘴温度（℃）
170-190
成型总周期（s）
40-130
模具温度（℃）
30-60
使用温度（℃）
小于70
比体积（cm/g）
0.86-0.98
熔点（℃）
212
抗拉屈服强度（Mpa）
35-50
拉伸弹性模量（Mpa）
2400-4200

1.2 模具结构形式确定
该塑件精度要求不高，并且结构简单，又是中等批量生产，没有侧向分型机构，本模具采用一模两腔模具形式。
推出机构可采用推块推出或推杆推出。推块推出结构可靠，顶出力均匀，不影响塑件外观质量，但塑件上有圆弧过渡，推块制造困难；推杆推出结构简单，推出平稳可靠。从以上分析得出：该塑件采用推杆推出机构。
流道采用H式，且分流道开在定模上。浇口采用侧浇口，型腔采用整体式。定模不需要设置分型面，动模部分需要一块型芯固定板和支承板。因此可确定模具形式采用标准A2形模架。
该模具为单分型面模具。
第2章 注射机选择
2.1 注射量计算
通过几何估算得该塑件单件体积：
V塑=V筒
≈[π（6.3/2）²-π（6/2）²]X4+πX(6/2)²X0.15
=15.825cm3
取聚氯乙烯塑料密度为ρ=1.38 g/cm则塑件质量为：
m=ρV=1.38×15.825=21.838g
流道凝料质量还是个未知数可按塑件质量0.8倍来估算。从上述分析中确定为一模两腔，所以注射量为：
=2×21.838+0.8×21.838=61.146g
2.2 塑件和流道凝料及所需锁模力计算
流道凝料（包括浇口，分浇道，主浇道凝料）在分型面上投影面积，在模具设计前是个未知值，根据多型腔模统计分析，是每个塑件在分型面上投影面积0.20.5倍，因此可用0.5来进行计算，所以
A=n+A= n+0.5 n=1.5 n =π×（D/2） =3.14×(63/2) =3115.665mm
A=9346.995mm
锁模力为注射机锁模装置用于夹紧模具力。所选注射机锁模力必须大于由于高压熔体注入模腔而产生胀模力，此胀模力等于塑件和流道系统在分型面上投影面积及型腔压力乘积。
即：F=P×A/1000
式中 F——锁模力，kN
p——型腔压力，30MPa
A——塑件及流道系统在分型面上投影面积，㎜²
即 30×9346.995÷1000=280KN

2.3 选择注射机
根据每一生产周期注射量和锁模力计算值，选用选择注射机锁模力应该大于F，而且注射压力应该大于PVC所需要注射压力P 0.PVC注射压力是80130 Mpa ,P 0取100 Mpa. 综合所有条件，可采用SZ-60/450卧式注塑机
表2.1 SZ-60/450卧式注塑机主要技术参数
理论注射容量/cm
105
锁模力/KN
450
螺杆直径/
35
拉杆内间距/
280×250
注射压力/MP
125
移模行程/
220
注射速率/（g/s）
75
最大模厚/
300
塑化能力/ g/s）
10
最小模厚/
100
螺杆转速/（r/min）
14200
定位孔直径/
φ55
喷嘴球半径/
20
喷嘴孔直径/
4
锁模方式
双曲肘
注射时间/s
1.87

第3章 注塑模具结构设计
3.1 模架确定
根据型腔布局（一模两腔）及浇注系统结构形式，又根据《现代注塑模设计及制造》中表4-4所推荐圆筒型腔侧壁最小厚度为20mm，再考虑到导柱，导套及连接螺钉布置应占位置等各方面问题，确定选用模架基本尺寸为B×L=250×250mm。模架结构形式为A2形式，如下图3.1所示。

图3.1模架结构图
3.2 各模板尺寸确定
定模座板，选用模板尺寸为315×250×25mm
定位圈，其尺寸根据标准选为φ100×15mm
定模板，塑件在板中参及成型部分深度为40mm，故其尺寸为为250×250×50mm。
动模板，尺寸为250×250×50mm。
垫块，其高度尺寸=推出行程+凸模固定板支撑板厚度+推杆固定板厚度+（24）=40+20+16+（24）=7880，高度取为80mm，所以由标准中查得垫块尺寸为40×250×80mm。
动模座板，其尺寸及定模座板相同，为315×250×25mm。
由模架尺寸可以计算出模具闭合高度H=90+A+B+C=270mm。模架材料为45号钢。
综上，从选定模架可知，模架外形尺寸为：宽×长×高=250×250×270。

3.3 浇注系统设计
浇注系统是引导塑料熔体从注射机喷嘴到模具型腔进料通道，具有传质，传压和传热功能，对塑件质量影响很大。它分为普通流道浇注系统和热流道浇注系统。
浇注系统设计是模具设计一个重要环节，一般要遵循以下原则：
1． 了解塑料成型性能；
2． 尽量避免产生或减少产生熔接痕；
3． 有利于型腔中气体排出；
4． 防止型芯变形；
5． 尽量采用较短行程充满型腔，一般不超过60mm；
该模具采用普通流道浇注系统，包括主流道，分流道，冷料穴，浇口。

3.3.1主流道设计
主流道通常位于模具中心塑料熔体入口处，，它将注射机喷嘴射出熔体导入分流道或型腔中。主流道形状为圆锥形，以便于熔体流动和开模时主流道凝料顺利拔出。

图3.2主流道
3.3.1.1 主流道尺寸
（1） 形状：圆锥形；
（2） 锥角：3°；
（3） 内壁粗糙度为Ra0.8mm；
（4） 主流道大端圆角：主流道大端设计成圆角过渡可以减小熔体流动阻力，半径r=1～3mm，取r=2mm
主流道长度 此模具初步选L 主=67mm设计
根据所选注射机，则主流道小端尺寸为
d=注射机喷嘴直径+（0.5 1）=4+1=5mm。
主流道大端直径 D=d+2Ltanα≈12mm
主流道球面半径为
SR=注射机喷嘴球面半径+（12）=20+1=21mm。
球面配合高度 h=35mm， 取h=3mm。

3.3.1.2 定位圈选取
定位圈及注射机定模固定板上定位孔之间采取比较松动间隙配合，配合公差为H11/h11。定位圈及定位孔配合长度取5mm。查《塑料模具标准件及设计应用手册》表3-2,1，选取标注定位圈为100 GB/T 4169.19—2006，材料为45号钢，其尺寸如下图：

图3.3 定位圈
3.3.1.3 主流道衬套形式
主流道小端入口处及注射机喷嘴反复接触，属易损件，对材料要求较严，因而主流道部分常设计成可拆卸更换主流道衬套形式即浇口套，以便于有效选用优质钢材单独进行加工和热处理，常采用碳素工具钢，如 45钢，T8A，T10A等，本模具采用45钢，热处理硬度为3845HRC。

图3.3 主浇道衬套固定
3.3.2 分流道设计
3.3.2.1 分流道布置形式
分流道应能满足良好压力传递和保持理想填充状态，使塑件熔体尽快地经分流道均衡分配到各个型腔，由于模具采用一模两腔形式，并且塑件结构简单。因此，采用最常用H式分流道形式，塑料熔体充模温降较大，故在其延伸端开设较小冷料穴。如图3.4所示。

图3.4分流道
3.3.2.2 分流道长度
分流道长度取决于模具型腔总体布置方案和浇口位置，从输送熔体时减少压力损失和热量损失及减少浇道凝料要求出发，应力求缩短。
对于壁厚小于3 ㎜，质量在200g 以下塑件可用公式：

式中 W——流经分流道塑料量，
L——分流道长度，
D——分流道直径，
经计算得 L=29mm
分流道总长度 L=2×29=58mm

3.3.2.3 分流道及浇口尺寸设计
为了便于机械加工及凝料脱模，本设计分流道设置在分型面上定模一侧，截面形状采用加工工艺比较好半圆截面。梯形截面对塑料熔体及流动阻力均不大，一般采用下面经验公式来确定截面尺寸。
浇口是连接流道及型腔之间一段细端通道，它是浇注系统关键部位，浇口形状，位置尺寸对塑件质量影响很大。
浇口截面积通常为分流道截面积0.07～0.09倍，浇口截面形状多为矩形和圆形两种，本模具采用矩形截面浇口。浇口长度为0.5～2mm。浇口具体尺寸一般根据经验确定，取其下限值，然后再试模时逐步修正。
本模具采用侧浇口，浇口开在定模板上。
综上得侧浇口尺寸： 深度 h=1.6mm
宽度 w=2mm
长度 l=1.2mm

图3.4 分流道及侧浇口示意图

3.4成型零件设计
注塑模具闭合时,成型零件构成了成型塑料制品型腔。成型零件主要包括凹模、凸模、型芯、镶拼件、各种成型杆及成型环。成型零件承受高温高压塑料熔体冲击和摩擦。在冷却固化中形成了塑件形体、尺寸和表面。在开模和脱模时需克服及塑件粘着力。在上万次、甚至几十万次注塑周期，成型零件形状和尺寸精度、表面质量及其稳定性，决定了塑料制品相对质量。成型零件在充模保压阶段承受很高型腔压力，作为高压容器，它强度和刚度必须在容许值之内。成型零件结构、材料和热处理选择及加工工艺性，是影响模具工作寿命主要因素。
3.4.1分型面位置确定
在选择分型面时，根据分型面选择原则，考虑不影响塑件外观质量以及成型后能顺利取出塑件。
对塑件进行分析，由于塑件无过多圆角过渡要求，且在零件开口处无圆角过渡要求，故将分型面选在图1.1所示零件图主视图最上端处，这种选法塑件成型简单，且能够保证较简单模具结构。分型面应选在如图3.6所指处。

图3.6分型面选择图
3.4.2成型零件工作尺寸计算
成型零件工作尺寸，是成型零件上直接用来成型塑料制品那部分尺寸。
成型零件工作尺寸，要保证所成型塑料制品尺寸。而影响塑料制品尺寸和公差因素相当复杂，如模具制造误差及模具磨损；塑料成型收缩率偏差及波动；溢料飞边厚度及其波动；模具在成型设备上安装调整误差、成型方法及成型工艺影响等。
聚氯乙烯材料收缩率为0.6%～1.5%，且制件精度为MT5。本部分尺寸计算公式参考教材《塑性成形工艺及模具设计》。
可知：
=0.0105
3.4.4.1型腔径向尺寸
塑件外形径向尺寸为，型腔径向尺寸为
根据公式
其中x—修正系数，由于塑件精度为MT5，且塑件尺寸较小故取x=0.75
—制造公差，由于塑件精度为MT5，且塑件尺寸较小故取==0.025
因此
=
3.4.4.2型腔深度尺寸
塑件外形高度尺寸为 , 型腔深度尺寸为

根据公式
其中x—修正系数，由于塑件精度为MT5，且塑件尺寸较小故取x=2/3
—制造公差，由于塑件精度为MT5，且塑件尺寸较小故取==0.021
因此
=

3.4.4.3型芯径向尺寸
塑件孔径向尺寸为 , 型芯径向尺寸为

根据公式
其中x—修正系数，由于塑件精度为MT5，且塑件尺寸较小故取x=0.75
—制造公差，由于塑件精度为MT5，且塑件尺寸较小故取==0.025
因此
=

3.4.4.4型芯高度尺寸
塑件孔深度尺寸为 , 型芯高度尺寸为

根据公式
其中x—修正系数，由于塑件精度为MT5，且塑件尺寸较小故取x=2/3
—制造公差，由于塑件精度为MT5，且塑件尺寸较小故取==0.021
因此
=
3.4.4.5型腔壁厚计算
在注塑成型过程中，型腔所受力有塑料熔体压力、合模时压力、开模时拉力等，其中最主要是塑料熔体压力。在塑料熔体压力作用下，型腔将产生内应力及变形。如果型腔侧壁和底壁厚度不够，当型腔中产生内应力超过型腔材料许用应力时，型腔即发生强度破坏。及此同时，刚度不足则发生过大弹性变形，从而产生溢料和影响塑件尺寸及成型精度，也可能导致脱模困难等，可见模具对强度和刚度都有要求。
在本次设计中采用圆形整体式型腔，如下图：

图3.7整体式圆形型腔
1）按刚度计算侧壁厚度S

式中 E——模具材料弹性模量，MPa，碳刚为2.1 ×MPa
p——型腔压力，MPa，由前面所知为25 或30 MPa
[δ]——刚度条件，即允许变形量，㎜，聚氯乙烯[δ]值为0.07 ㎜
h——型腔深度尺寸，㎜
因此 = 19.78mm
2）按强度计算侧壁厚度S

式中 r——型腔径向半径，30.54㎜
p——型腔压力，MPa，由前面所知为25 或30 MPa
[σ]——模具材料许用应力，MPa，已知为160 Mpa
因此 =8.09mm
由此就应该选取S＞19.78㎜
3.5导向及定位机构设计
3.5.1机构功用
任何一副模具在动、定模之间都设置有导向机构，其功用是：
1． 定位作用：合模时维持动、定模之间一定方位，合模后保持模腔正确形状
2． 导向作用：合模时引导动模按序正确闭合，防止损坏型芯，并承受一定侧压力
3． 承载作用：采用推板脱模或三板式模具结构，导柱有承受推板件和定模型腔板重载荷作用
4． 保持运动平稳作用：对于大、中型模具脱模机构，有保持机构运动灵活平稳作用
3.5.2导向机构设计
本设计中采用导柱导向机构，由导柱及导套间隙配合组成，并呈滑动运动
3.5.2.1导柱
导柱采用是标准带头导柱。 导柱前端做成倒圆角，以便导柱顺利进入导孔 导柱数量为4个，均匀分布在模具周围，其余要求要根据具体情况而定，导柱、导套材料均采用T8A。导柱及导套配合形式见模具装配图。导柱长度必须比凸模端面高度高出8～12mm，以免在导柱未导正方向之前凸模先进入型腔，相碰而损坏。查《塑料模具标准件及设计应用手册》表3-4，选取导柱：25×70×20GB/T 4196.4—2006 ，材料为T10A，其尺寸如下图所示：

图3.8导柱

3.5.2.2导套
选用及导柱配合导套，带头导套为 25×110GB/T 4196.4—2006。材料为T10A，其尺寸如下图3.9

图3.9导套

3.6推出机构设计
注射成型每个循环中，塑件必须准确无误从模具凹模中或型芯上脱出，完成脱出塑件装置称为脱模机构，也常称为推出机构。
3.6.1 脱模推出机构设计原则
塑件推出（顶出）是注射成型过程中最后一个环节，推出质量好坏将最后决定塑件质量，因此，塑件推出是不可忽视。在设计脱模推出机构时应遵循以下原则：
（1）推出机构应尽量设置在动模一侧。
（2）保证塑件不因推出而变形损坏。
（3）机构简单、动作可靠。
（4）良好塑件外观。
（5）合模时准确复位
3.6.2 塑件推出方式
推杆推出是一种基本、也是一种最常用塑件推出方式。本设计即采用推杆推出，推杆形式为圆形。

3.6.3 塑件推出机构
本设计采用是阶梯形推杆，其尺寸如下图3.10所示。每个塑件由一根推杆推出，都设置在型芯。

图3.10 推杆

3.7 排气系统设计
该套模具是属小型模具，排气量很小，而且本套模具顶出方式为推杆顶出，每个零件有一个推杆，利用配合间隙就能达到排气效果。因此本套模具不单独设计排气槽。
3.8 冷料穴设计
冷料穴一般开在主流道对面动模板上（也即塑料流动转向处），其目一是为了贮存刚流入模具部分冷料，利于成型；二是为了有利于脱模，使塑件保留在动模一侧。
冷料穴有6种形式，本设计采用最常用端部为Z字形拉料杆。其标称直径及主流道大端直径相同或略大一些。

图3.11
3.9 冷却系统设计
模具温度直接影响到塑件成型质量和生产效率。所以模具上需要添加温度调节系统以达到理想温度要求。热塑性塑料在注射成型后，必须对模具进行有效冷却，使熔融塑料热量尽快传给模具，以便使塑件可靠冷却定型并可迅速脱模。提高塑件定型质量和生产效率。因为水热容量大，传热系大，成本低，且低于室温水容易取得，所以冷却水普遍使用。用水冷却即在模具型腔周围或型腔内开设冷却水通道，利用循环水将热量带走。
冷却装置设计要考虑以下几点：
（1） 保证塑件收缩均匀，维持模具热平衡。
（2） 冷却水孔数量越多，孔径越大，对塑件冷却也就越均匀。
（3） 水孔及型腔表面各处最好有相同距离，即水孔排列及型腔形状尽量吻合。
（4） 浇口出要加强冷却。一般熔融塑料填充型腔时，浇口附近温度最高，距浇口越远温度越低。因此浇口附近应加强冷却，通冷却水，而在温度较低外側只需通过经热交换后温水即可。
（5） 降低入水及出水温度。可通过改变冷却孔道排列形式。
（6） 要结合塑料特性和塑件结构，合理考虑冷却水通道排列形式。如塑件收缩率，壁厚等。
（7） 冷却水通道要避免接近塑件熔接痕部位，冷却通道密封性要好，冷却通道进口及出口接头尽量不要高出模具外表面。
在本次设计中我采用是简单流道式，即通过在模具上直接打孔，并通以冷却水而进行冷却，是最常见一种形式。
4.1安装参数校核
4.1.1模具外形尺寸校核
模具厚度，也称模具闭合高度，每台注射机都有一个安装模具厚度范围，所设计模具厚度应在这一允许范围内，即：

式中 模具高度
—注射机允许最小安装高度
—注射机允许最大安装高度
=270mm =150mm =300mm
所以合格

4.1.2喷嘴尺寸及定位圈尺寸校核
1）喷嘴尺寸：注射模主流道衬套始端凹坑球面半径R应大于注射机喷嘴球头半径r，以保证同心和紧密接触；主流道孔小端直径应大于注射机喷嘴直径。
2）定位圈尺寸：注射模安装用定位圈外径应及注射机定位孔内径呈间隙配合，定位圈高度应小于定位孔深度。
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