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底座零件注塑成型分析及模具设计

ANALYSIS AND DESIGN OF INJECTION MOLDING PARTS MOLD BASE

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IV
摘要
本文是根据实际生产需要，研究电水壶底座零件注塑成型的工艺过程和模具设计。根据零件的结构特点分析塑件成型工艺，选择的塑料材料为ABS，并根据材料零件的质量和体积选择注射机型号，拟订模具总体结构方案，进行模具设计的相关计算。利用Mold Flow软件对注塑成型过程进行CAE分析，优化成型工艺参数及模具结构。绘制注塑模具装配图及主要零件图。在设计过程中，还涉及到冷却系统，浇口位置，浇注系统等设计。

关键词 模具设计 ； CAE分析 ； 冷却系统

Abstract
This topic is based on the life and production needs，The process of electric kettle base parts in injection molding. According to the structure characteristics of the plastic molding process analysis parts, Selection of plastic materials for ABS, According to the materials and parts quality and volume of injection machine models, general structure scheme to die, for the relevant calculation mold design. And on some dimensions, such as the injection quantity check. CAE analysis of injection molding process using Mold Flow software, optimize the process parameters and mould structure. Injection mold assembly drawing and the main parts diagram. Among them, also relates to the cooling system, the gate location design of gating system, etc..

Keywords Die design CAE analysis Cooling system

毕业设计(论文)
目 录
摘要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1课题设计的背景 1
1.2塑料模具的发展趋势 1
1.3此次课题的设计方法与步骤 1
2 塑件工艺性能的分析 3
2.1电水壶底座的结构性分析 3
2.2尺寸精度的分析 3
2.3表面质量的分析 3
2.4ABS材料性能的分析 4
2.5注塑模具设计时要注意的问题 5
2.6注射机的选择 5
2.6.1注射机的分类 6
2.6.2注射机的工作原理 6
2.6.3注射机的确定 6
3注塑模的结构设计 9
3.1分型面确定 9
3.2分型面选择时要遵循的一般原则 9
3.3浇注系统的设计 9
3.3.1浇注系统的组成 9
3.3.2浇注系统的设计原则 9
3.4主流道的设计 10
3.4.1主流道的浇口套设计 10
3.4.2定位环的设计 10
3.5分流道的设计 11
3.5.1分流道的横截面的形状 11
3.5.2分流道的设计原则 11
3.6浇口的设计 11
3.6.1浇口的概念 11
3.6.2浇口的作用 12
3.6.3浇口的类型 12
3.6.4浇口位置的选择的原则 13
3.7型腔数目的确定 13
4成型零件的设计及其相关的计算 14
4.1有关型腔的设计 15
4.2型腔的径向尺寸计算 15
4.3型芯的尺寸计算 15
4.4型腔的深度的计算 16
4.5型芯高度的计算 16
4．6型腔壁厚和底板厚度的计算 17
4.6.1型腔侧壁厚度的强度计算 17
4.6.2底板厚度的强度计算 17
4.7脱模机构确定 17
4.7.1脱模机构的组成 17
4.7.2脱模力的设计应遵循的原则 17
4.7.3脱模力的计算 18
4.8对于推杆直径的确定 18
5冷却系统的设计及模架的选用 18
5.1冷却回路设计的重要和必要性 19
5.2冷却系统的计算 19
5.3模架的选择 20
6注射机的参数的校核 21
6.1注射机最大注射量的校核 22
6.2锁模力的校核 22
6.3模具安装部分尺寸校核 22
7UG中Mold Wizard在模具设计里的使用 22
7.1关于UG的简介 23
7.2UG软件的发展趋势 23
7.3UG6.0里Mold Wizard的介绍 23
8利用Mold Flow软件对模具进行CAE分析 26
8.1Mold Flow的简介 27
8.2MoldFlow的发展趋势 27
8.3电水壶底座CAE分析 28
8.3.1三维图的导入和网格的划分 28
8.3.2浇口的分析 29
8.3.3材料的选择 30
8.3.4冷却回路设置的模拟 31
8.3.5工艺设置编辑 32
8.4对模拟结果进行分析 33
8.4.1充填分析 33
8.4．2保压分析 34
8.4.3回路冷却介质温度分析 35
8.4.4冷却时间分析 35
8.4.5翘曲分析 35
8.4.6锁模力分析 36
8.4.7熔接痕分析 36

12
1 绪论
在世界经济快速发展、科学技术日益完善和经济全球化日益加强的背景下，机遇和挑战将是世界各国新的话题。在这种大形势之下，注塑模具作为模具行业中最为经济合理的加工模式已经被愈来愈多的加工工厂所重视。世界各国制造业的快速发展体现在生产率的提高、工人劳动强度的减轻、生产成本的降低，这均归功于注塑模具的进一步改进和发展。因此，注塑模具行业愈来愈受到青睐。
1.1课题设计的背景
注塑成型是塑料工业中一种重要的成型方法,注塑模具是型腔零件生产的关键工艺装备，它直接影响制品的质量、生产率和成本以及新产品的开发，对于企业在市场中的竞争力有着决定性作用，因此，研究注塑模具的设计制造具有非常重要的现实意义。CAD/CAE/CAM技术作为一种现代设计制造方法，把它引入注塑模具的生产实际中，可以大大缩短产品开发周期，提高生产效率和市场竞争力[1]。
同时，它也是高科技的载体。如今，模具已经在我国蓬勃发展，并和计算机网络联系到一体，并且，已经被广泛的应用于电子类、汽车行业、交通行业，航空航天工业、以及医疗器械各个领域，对我国的国民经济做出了巨大的贡献。
现在，我国有模具的生产厂大约3万多个，从事模具设计和制造的人员在不断地增加，模具的总产值也在飞快的增长。可是，我国的模具总体水平不是很高，有一些的高档模具还需要依赖进口，在所有的模具中，比例最多的是塑料模具，大约占到百分之45左右，当然，模具工业不会就此停步，还会向前继续发展。
1.2塑料模具的发展趋势
塑料模具在整个模具中占得比例最大，当然，也发展的最好。究其原因可能为容易加工，而且成本较低造成的。塑料模具也在不断发展，主要趋势有[2]
1）塑料模具的不断标准化。
2）与计算机的结合，不断地智能化。
3）对模具所用材料的研究和新材料的不断地使用。
4）理论研究的不断加强。
1.3此次课题的设计方法与步骤[3]
1）塑料模具的设计以及工艺成型，已经和现在的电脑软件技术互相的融合。所以，对电水壶底座的设计，主要运用UG三维绘图软件和Mold Flow模流分析软件，对制品进行绘制和仿真优化。最终得到想要的结果。
2）材料的选择，选用ABS材料。
3）根据材料及塑件尺寸的计算，可以选择使用一腔两模的注塑方法。并进行注塑机型号和规格的选择。
4）浇注系统的设计。在进行浇注系统的设计时，根据一腔两模的设计理念，采用有锥度的浇注道，通过流道将塑料直接浇注进型腔区域。在浇注时势必会产生气体，此时通过分型面的合理设计，较少气泡的影响。
5）成型零件的相关尺寸计算，包括注射机的注射量，锁模力，开合模行程，型腔及型芯尺寸的计算。
6）推出机构的定位和设计。
7）在以上数据得到精确计算后，可以通过绘图软件，将其可视化，并通过这些软件得到图纸。
8）最后撰写设计说明书。

2 塑件工艺性能的分析
本课题是对电水壶底座的注塑成型设计，由它的三维图可知塑件很小，且适合注塑生产[4,5]
2.1电水壶底座的结构性分析
对电水壶制品进行结构分析。从电水壶底座塑料的成型图可以看出来，电水壶底座的结构比较简单，在底座最大外圆处，有俩个缺口但是可以直接脱模。所以在进行模具设计和制造的时候，不必考虑它的侧向抽芯和分型。此电水壶底座的总体的形状是一个圆形，它的半径为45mm，它属于一种简单的小型塑件，在加工制造的过程中也比较容易获得。如下面的塑件三维图。

图2-1塑件三维图
2.2尺寸精度的分析
由于此电水壶底座的最大圆半径为45mm,得出产品的尺寸不大，一般精度等级。对与它相关系的模具零件尺寸的加工能够得到保证。从制品的厚度方面来讲，平均的厚度在2mm左右，属于相对均匀的塑件，这当然也有利于底座零件本身的成型。
2.3表面质量的分析
作为电水壶的底座，本身制品的尺寸不是很大，在这样的情况下，要使得制品的质量有所提高，就必须减小它的表面粗糙度，用mold Flow软件对其进行熔接痕，气泡，气穴的分析，找出优化的方案，最后达到制品所需的光亮的要求。
结论：对于以上对制品的结构、尺寸精度、表面质量的总体的分析，能够得出此塑件可以有效成型的结论。
2.4ABS材料性能的分析
对于电水壶底座的设计，采用热塑性材料。然而，对于不同的热塑性，即使是相同的热塑性材料，它的种类也非常多，所以，在注塑模具设计之前要对热塑性材料进行了解并选择。热塑性材料拥有自己的工艺特性，比如它的收缩率，可以影响塑件的成型，比如它的流动性的好坏，可以影响塑件的质量。在对模具设计的时候必须注意材料的收缩率和流动性好坏。
材料流动性分为三类
1）材料的流动性很好：PP, PE, PS等。
2）材料的流动性一般化的：ABS, AS,PMMA（有机玻璃）等。
3）流动性很不好的：PC, PAS， 氟塑料等。
在此次对电水壶的底座设计中，使用的是ABS材料。ABS又叫做丙烯睛-丁二烯-苯乙烯共聚物，虽然它的流动性不是最好的，但是它的应用的范围是比较广泛的。例如汽车行业中的车轮盖，汽车的仪表盘，反光镜盒。在平时的生活当中，例如电脑的键盘，吹风机，电话机还有电冰箱。以及娱乐场所中的，如高尔夫球手推车等等。ABS材料制品，在生活的方方面面无处不在。它的主要性能有：
1）ABS的注射条件:ABS材料具有吸湿性，对其加工之前一定要进行干燥处理，干燥温度一般在80-90摄氏度，大约2个小时的时间，保证他的湿度小于0.1％。
2）熔化温度：在进行融化时，要在材料的熔化温度之下，要不然无法成型，ABS的熔化温度，在mold flow进行分析时(如下图2-2所示)，推荐工艺里面的最大熔体温度270摄氏度，一定保证在这个温度一下。
3）模具温度：模具的温度关系着塑件的表面粗糙度，一般情况下，模具的温度控制在25-70摄氏度之间，而温度越低，则表面粗糙度越大。
4）注射速度：中速注射或者高速注射。

图2-2ABS塑料的的推荐工艺
2.5注塑模具设计时要注意的问题
1）壁厚的问题。对于模具的壁厚，一般来说尽力保持均匀，同时，还要有足够的脱模斜度。
2）浇口位置选择。根据实例运用mold flow软件进行浇口的分析，准确找到浇口的位置。
3）表面粗糙度。为了使制品的质量更好，表面更光洁，需要降低其表面的粗糙度。
4）注塑过程中，难免产生气泡，气穴。所以为了减少发生的概率，可以适当的增加排气孔的数量。
5）在充填阶段，会发现有充填不完整的部分。这就需要保证保压的时间足够，因为未充填部分，需要后来的压力将其充满。
6）对于螺杆的要求，要使用专用的螺杆。
7）对注射压力的要求，即使材料存在流动性，但是流动性并不是很好，所以在注射时，需要克服一定的阻力，比如熔料的黏度，注射机里壁的摩擦力，这样就使得采用稍高一点的注射力。
8）注射速度不宜过快。
9）熔料充满型腔以后，不能立即退出注射机，需要一段时间的保压，以确定熔料不会因为压力不足而后退。
2.6注射机的选择
注射机是注射成型非常重要的工具，它的质量的好坏，影响着制品最终的质量。下面介绍注射机的分类和它的工作原理。
2.6.1注射机的分类
如果对注射机进行分类，可以按照不同的方式进行，其中，可以按塑化方式分，按照传动方式分，又或者按照操作方式来分等等。但是按照注射剂的外形来分，主要有以下几种：
1）卧式：一种最常见的注射机类型，在工厂得到广泛的应用。原因在于机身矮，可以方便工人们操作，同时它的重心也比较低，工作平稳很多。
2）立式：立式注射机也是一种比较常用的注射机，它的特点也很多，比如，它能够放在面积小的地方，装载的过程很方便，但是，它的自动操作的性能很差，必须使用手动才能实现。立式注射机经常在注射小一些的零件方面。
3）角式注射机：这种注射机有一个最大的优点，就是它特别适合对零件的中心的部分进行加工，而且在加工完成后，在浇口位置没有加工时的的痕迹。
4）多模转盘式注射机：这种注射机比较特殊，可以把注射机塑化的能力最大化的发挥。而它的优点就是生产的时间被减少，这样既提高了生产的效率，而且还减低了成本。
2.6.2注射机的工作原理
图2-2注射机的注射成型原理
由上图可知，注射机有多个部分组成。其中序号②是料斗，塑料从料斗进去之后，，在压力的的作用下，进入③料筒及加热器，在里面通过螺杆的转动，将塑料均匀的搅拌，并达到喷嘴，塑料就经过喷嘴进入模具的型腔，在保压一定的时间后，螺杆后退，推杆把塑件退出，之后复位杆复位，再进行下一轮的注塑。
2.6.3注射机的确定
为了准确的保证制品的尺寸精度符合要求，保证塑件的高质量，在注塑的过程中，采用一模两腔的形式，虽然效率有所降低，但是产品的综合质量提高。
电水壶底座的体积和质量的计算。根据它的图形的尺寸或者u g软件里面测量体工具，可以得到制品的体积为V件=20.358 cm3制品的质量计算：由模具的设计手册查得，所用的材料ABS，它的密度为p=1.05g/cm3,由公式质量[7]
M件=p x V件，及M件=1.05 g/cm3 x 20.358 cm3=21.3759g 式（2.1)
所以可知制品的质量约为21g。浇注系统的体积，一般为一个塑件体积的大约百分之六十，所以
V浇=20.358 x 60％ =12.2148cm3 式（2.2）
由此可以得到
M浇=12.2148cm3 x 1.05g/cm3 =12.83g。 式（2.3）
所以由以上数据可以得到
V总=V件 +V浇 =20.358cm3+12.2148cm3 =32.5728cm3 式（2.4）
大约为33立方厘米。
M总=M件+M浇=21g+12.83g=33.83g 式（2.5）
大约为34克
根据计算出的电水壶底座的制品的体积以及质量，可以确定注射机的型号和规格。
在选择注射机的时候，一定要确定，在注射时，产品零件可以顺利成型，根据生产的经验，可以得到如下的公式：
V总<V机 x0.8 式（2.6）
即V机>V总/0.8
在上式中：V机是用来表达所用的注射机的最大的注射量。
V总是塑件在注塑成型后所需要的总共的塑料。
由上面的计算可知，M总大约为34克，V总大约为33cm3。因为采用一模两腔的形式，所以总的体积和总的质量分别扩大2倍，即总体积为66立方厘米，总质量为68克。所以，由V机>V总/0.8知，V机=66cm3/0.8=82.5cm3
所以，计算出注射机的最大注射量为82.5立方厘米，根据这个数据，查找有关注射机注射量的表格。可以暂时选定XS-ZY-125的注射机[6]。下面是XS-ZY-125注射机技术规范要求
注射量 125cm3
螺杆直径 50mm
注射压力 150MPa 其中，ABS成型是的注射压力是70-90MPa
注射行程 160mm
锁模力1800kN
模板最大行程 500mm
模具的最大厚度以及最小厚度分别为350mm，200mm。
模板的尺寸为315mm x500mm
拉杆的空间190 x 300mm
喷嘴孔直径为4mm
喷嘴的半径是18mm
ABS的型腔压力是30MPa

结论
毕业设计论文可以说是对大学四年知识的回馈和总结，所以，它就显得非常的重要。我此次所选择的课题是关于电水壶底座的成型工艺分析和模具设计。
1）书写开题报告，对整个设计进行整体的规划。
2）了解注塑模具的历史以及它的发展的趋势。针对本课题需要最终达到的效果。
3）确定型腔数为2，采用一模两腔，并列式布局。通过UG软件的分析功能确定单个塑件体积V=32.57cm3，估算注射量，从而选择XS-ZY-125型注射机，注射剂注射量为125cm3,锁模力为1800KN，开模行程为160mm，经过校核符合设计要求。
4） 对冷却系统进行计算，涉及冷却的时间，冷却水的速率等。保证能够较好的冷却。
5）按照塑件的大小，并根据计算出的相关尺寸。选取模架，其中，L=300mm，W=400mm， AP_h=70mm,BP_h=50mm，CP_h=90mm。
6）对注射机，锁模力，模架，冷却系统进行校核。避免塑件变形使用6根直径为d=5mm的推杆。
7）利用Mold Flow软件对制品进行模流分析。主要涉及充填时间，锁模力图形。因为底座并不是核心的部件，上述分析虽然不是最优，但是完全可以满足要求。
下图为二维装配图

致谢

参考文献
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