注射塑料模课程设计大作业

注射模设计

本设计为一塑料雨伞伞柄。塑件比较简单，塑件的质量要求是不允许有裂纹和变形缺陷，脱模斜度30'~1o；塑件材料ABS，生产批量为大批量，塑件公差按模具设计要求进行转换。

一、塑件成型工艺性分析 1、塑件的分析

（1）外形尺寸 该塑件壁厚为1mm ，塑件外形尺寸不大，塑件熔体流程不长，适合于注射成型。

（2）精度等级 每个每个尺寸的公差不一样，有的属于一般精度，有的属于高精度，就按实际公差进行计算。

（3）脱模斜度 ABS属无定型塑料，成型收缩率较小参考表2—10选择该塑件上型芯和凹模的统一脱模斜度为1o 。 2、ABS的性能分析

（1）使用性能 综合性能好，冲击强度、力学强度较高，尺寸稳定，耐化学性，电气性能良好；易于成型及机械加工，其表面可镀铬，适合制作一般机械零件、减摩零件、传动零件和结构零件。 （2）成型性能

1）无定型塑料。其品种很多，各品种的机电性能及成型特性也各有差异，应按品种来确定成型方法及成型条件。

2）吸湿性强 含水量应小于0.3%（质量），必须充分干燥，要求表面光泽的塑件应要求长时间预热干燥。

3）流动性中等。溢边料0.04mm左右。

4）模具设计时要注意浇注系统，选择好进料口位置、形式。推出力过大或机械加工时塑件表面呈现白色痕迹。

（3）ABS主要性能指标 其性能指标见下表

ABS的性能指标 密度g/cm3 1.02~1.08 屈服强度/MPa 50 比体积cm3/g 0.86~0.98 拉伸强度/MPa 38 吸水率(%) 0.2~0.4 拉伸弹性模量/MPa 1.4×1000 熔点/℃ 130~160 抗弯强度/MPa 80 计算收缩率(%) 0.4~0.7 抗压强度/MPa 53 比热容 J /(kg·℃) 1470 弯曲弹性模量/MPa 1.41×000

3、ABS的注射成型过程及工艺参数 （1）注射成型过程

1）成型前的准备。对ABS的色泽、粒度与均匀度等进行检验，由于ABS吸水性较大，成型前应进行充分的干燥。

2）注射过程。塑件在注射机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的浇注系统进行模具型腔成型，其过程可分为充模、压实、保压、倒流和冷却五个阶段。

3）塑件的后处理。处理的介质为空气和水，处理温度为60~75℃，处理时间为16~20s。

（2）注射工艺参数

1）注射机：螺杆式，螺杆转数为30r/min

2）料筒温度（℃）：后段150~170;中段165~180;前段180~200。 3）喷嘴温度（℃）：170~180。 4）模具温度（℃）：50~80。 5）注射压力（MPa）：60~130。

6）成型时间（S）：30（注射时间取2，冷却时间20.4,辅助时间7.6）

二、拟定模具的结构形式

1.分型面位置的确定

通过对塑件结构形式的分析，分型面应选在端盖截面积最大且利于开模取出塑件的底平面上，其位置如图1所示。

2.型腔数量和排列方式的确定

（1）型腔数量的确定 该塑件采用的精度一般在2~3级之间，且为大批量生产，可采取一模多腔的结构形式。同时，考虑到塑件尺寸、模具结构尺寸的大小关系，以及制造费用和各种成本费等因素，初步定为一模两腔结构形式。

（2）型腔排列形式的确定 多型腔模具尽可能采用平衡式排列布置，且要力求紧凑，并与交口开设的部位对称。由于该设计选择的是一模两腔，故采用直线对称排列，如图2所示。

（3）模具结构形式的确定 从上面的分析可知，本模具设计为一模两腔，对称直线排列，根据塑件结构形状，推出机构采用脱模板推出形式。浇注系统设计时，流道采用对称平衡式，交口采用侧交口，且开设在分型面上。因此，定模部分不需要单独开设分型面取出凝料，动模部分需要添加型芯固定板、支撑板和脱模板。由上综合分析可确定选用带脱模板的单分型面注射模。

三、注射机型号的确定

（1）注射量的计算 通过三维软件建模设计分析计算得

塑件体积：

V塑?5.66cm3

塑件质量：m塑??V塑?5.67?1.02?5.78g

（2）浇注系统凝料体积的初步估算 按塑件体积的0.2倍估算

（1?0.2）?2?5.67?1.2?2?13.61cm3 V总?V塑（3）选择注射机

V总/0.8?13.61/0.8?17.01cm3

初步选定公称注射量为60cm3，注射机型号为XS-Z-60卧式注射机，主要技术参数如下

理论注射容量60 移模行程/mm 180 /cm3 螺杆柱塞直径/mm 38 最大模具厚度/mm 200 注射压力/MPa 122 最小模具厚度/mm 70 注射速率/g·s-1 105 锁模形式 双曲肘 塑化能力/g·s-1 螺杆转速/r·min-1 锁模力/kN 拉杆内间距/mm 45 0～200 500 190×300 模具定位孔直径/mm 喷嘴球半径/mm 喷嘴口孔径/mm 55 18 4

注射机的相关参数的校核

1) 注射压力的校核 查表可知ABS所需注射压力为80～110MPa，取p0=90MPa。注射机

公称注射压力p公=122MPa，注射机安全系数k1=1.25～1.4，取k1=1.25，则

k1p0=1.25×90=112.5MPa＜p公，所以注射机注射压力合格。

2) 锁模力校核

① 塑件在分型面上的投影面积A塑，则

A塑?(?/4)372?1075mm2

② 浇注系统在分型面上的投影面积A浇，则A浇=0.2A塑。 ③ 塑件和浇注系统在分型面上总的投影面积A总，则

A总?n(A塑?A浇)?n(A塑?0.2A塑)?2?1.2?1075?2579.2mm2

④ 模具型腔内的胀型力F胀，则

F胀?A总P模?2579.2?35?90.27kN

ABS属中等粘度塑件及有精度要求的塑件，p模取35MPa。已知注射机的公称锁模力F=500kN，锁模力安全系数为k2=1.1～1.2，取k2=1.2，则

k2F胀?1.2F胀?1.2?90.27?108.33?F锁，所以注射机锁模力合格。

锁

四、浇注系统的设计

1.主流道的设计

主流道通常位于模具中心塑料熔体的入口处，它将注射机喷嘴注射出的熔体导入分流道或型腔中。主流道的形状为圆锥形，以便熔体的流动和开模时主流道凝料的顺利拔出。主流道的尺寸直接影响到熔体的流动速度和充模时间。另外，由于其与高温塑料熔体及注射机喷嘴反复接触，因此设计中常设计成可拆卸更换的浇口套。 （1）主流道尺寸

1）主流道的长度：小型模具

应尽量小于60mm，本次设计中初取50mm进行设计。

2）主流道小端直径：d=注射机喷嘴尺寸+（0.5~1）mm = (4+0.5) mm 4.5mm。 3）主流道大端直径：d’=d+2

tan

8mm，式中

=

。

4）主流道球面半径： SR0=注射机喷嘴球头半径+（1~2）mm=（18+2）mm=20mm 5) 球面配合高度：h=3mm。 （2）主流道凝料体积

V主??/3L主（R主?r主?R主r主）?3.14/3?50?(42?2.252?4?2.25)?1.57cm3

（3）主流道当量半径：Rn?(2.25?4)/2?3.125mm

（4）主流道浇口套的形式 主流道衬套为标准件可选购。主流道小端入口处与注射机喷嘴反复接触，易磨损。对材料的要求比较严格，因而尽管小型注射模可以将主流道浇口套与定位圈设计成一个整体，但考虑上述因素通常仍然将其分开来设计，以便于拆卸更换。同时也便于选用优质钢材进行单独加工和热处理。设计中常用碳素工具钢（T8A或T10A），热处理淬火表面硬度为20~55HRC，如图所示。

2.分流道的设计

（1）分流道的布置形式 在设计时应考虑尽量减少在流道内的压力损失和尽可能避免熔体温度降低，同时还要考虑减小分流道的容积和压力平衡，因此采用平衡时分流道。 （2）分流道的长度 由于流道设计简单，根据两个型腔的结构设计，分流道较短，故设计时可适当小一些。单分流道长度L分取14.14mm，如下图所示。

（3）分流道的当量径 因为该塑件的质量 m塑??V塑?5.67?1.02g?5.95g?200g ，分流道的当量直径为 D分?0.2654m塑4L分?0.2654?5.95?414.14?1.26mm

（4）分流道截面形状 常用的分流道截面形状有圆形、梯形、U形、六角形等，为了便于加工和凝料的脱模，分流道的大多设计在分形面上。本设计采用梯形截面，其加工工艺性好，且塑料熔体的热流量损失、流动阻力均不大。

（5）分流道截面尺寸 设梯形的下底宽度为x，底面圆角的半径为R=1mm，并根据表4-6设置梯形的高度h=3.5mm，则该梯形的截面积为

， 再根据该面积与当量直径为4.5mm

的圆面积相等，可得 的上底约为5mm

（6）凝料体积

1）分流道的长度 L分?14.14?2?28.28 2）分流道截面积 A分?5?4?4?18mm2 2 ，即可得：x4mm，则梯形

3）凝料体积 V分?L分A分?28.28?18?509mm3?0.51cm3 （7）校核剪切速率

1）确定注射时间：查表4-8，可取t=2s 2）计算分流道体积流量：q分?.V分?V塑1.3?5.67??3.49cm3/s t2 3）由式 可得剪切速率

r?3.3q分3.3?3.49-1??1151.7s30.633?R分 3.14?（）2 该分流道的剪切速率处于浇口主流道与分流道的最佳剪切速率 之

间，所以，分流道内熔体的剪切速率合格。

（8）分流道的表面粗糙度和脱模斜度 分流道的表面粗糙度要求不是很低，一般取

即可，此处取

取脱模斜度

。另外，其脱模斜度一般在

之间，这里

五.浇口的设计

该塑件要求不允许有裂纹和变形缺陷，表面质量要求较高，采用一模两腔注射，为便于调整充模时的剪切速率和封闭时间，因此采用侧浇口。其截面形状简单，易于加工，便于试模后修正，并且设在分型面上，从型腔的边缘进料。塑件轮毂和外周有4条肋板相连，而浇口正对其中一块肋板，有利于向轮毂和顶部填充。 （1）侧浇口尺寸的确定 1）计算侧浇口的深度。

查表可得侧浇口的深度h计算公式为

h = n t =0.7 × 3 mm = 2.1 mm

式中，t 是塑件厚度，这里t =3mm; n 是塑料成型系数，对于ABS，其成型系数n=0.7。 在工厂进行设计时，浇口深度常常先取小值，以便于今后试模时发现问题进行修模处理，并根据相关表中推荐的ABS侧浇口的厚度为1.2~1.4mm，故此处浇口深度h取1mm。 2）计算侧浇口的宽度。

查表可得侧浇口的宽度B的计算公式为 B?nA0.7?1075??0.77cm?0.8cm，n是塑料成型系数，对于ABS其中n=0.7；3030A是凹模的内表面积（约等于塑件的外表面面积）。 3）计算侧浇口的长度。查表可得侧浇口的长度=1mm。

（2）侧浇口剪切速率的校核

1）计算浇口的当量半径。由面积相等可得

，由此矩形浇口的当量半径一般选用0.7~2.5mm，这里取

。

2）校核浇口的剪切速率

?确定注射时间：查表可取t=1.6s；

?计算浇口的体积流量：q浇?

V塑5.67??2.84cm3/s?2.84?103mm3/s。 t2?计算浇口的剪切速率:由

r浇.，则

3.3q浇??3?R浇3.3?2.84?103?3.03?104s?1 32.5?1.323.14?（）3.14该矩形侧浇口的剪切速率处于浇口与分流道的最佳剪切速率之间，

所以该浇口的剪切速率校核合格。

4.校核主流道的剪切速率

上面分别求出了塑件的体积、主流道的体积、分流道的体积（侧浇口的体积太小可忽略不计）以及主流道的当量半径，这样就可以校核主流道熔体的剪切速率。

（1）计算主流道的体积流量

V主?V分?nV塑1.57?1.3?2?5.67 q主???7.1cm3/s

t2（2）计算主流道的剪切速率 r主?.3.3q主3.3?7.13?1??1.01?10s 33?R主3.14?2主流道内熔体的剪切速率处于浇口与分流道的最佳剪切速率之间，

所以主流道的剪切速率校核合格。

5.冷料穴的设计及计算

冷料穴位于主流道正对面的动模板上，其作用主要是收集熔体前锋的冷料，防止冷料进入模具型腔而影响制品的表面质量。本设计仅有主流道冷料穴。由于该塑件表面要求没有印痕，采用脱模板推出塑件，故采用与球头形拉料杆匹配的冷料穴。开模时，利用凝料对球头的包紧力使凝料从主流道衬套中脱出。

六、成型零件的结构设计及计算 1.成型零件的结构设计

（1）凹模的结构设计 凹模是成型制品的外表面的成型零件。按凹模结构的不同可将其分为整体式、整体嵌入式、组合式和镶拼式四种。根据对宿建德结构分析，本设计中采用整体嵌入式凹模，如图4所示。

图4

（2）凸模的结构设计（型芯） 凸模是成型塑件内表面的成型零件，通常可以分为整体式和组合式两种类型。通过对塑件的结构分析可知，该塑件的型芯有两个：一个是成型零件的内表面的大型芯，如图5所示，因塑件包紧力较大，所以设在动模部分；灵一个是成型零件的中心轴孔内表面的小型芯，如图6所示，设计时将其放在定模部分，同时有利于分散脱模力和简化模具结构。讲着几个部分装配起来，如图7所示。

图5 图6

图7

2.成型零件钢材的选用

根据对成型塑件的综合分析，该塑件成型零件要有足够的刚度、强度、耐磨性及良好的抗疲劳性能，同时考虑它的机械加工性能和抛光性能。又因为该塑件为大批量成产，所以构成型腔的嵌入式凹模钢材选用P20（美国牌号）。对于成型塑件外圆筒的大型芯来说，由于脱模时与塑件的磨损严重，因此钢材选用高合金工具钢Cr12MoV。而对于成型内部圆筒的型心而言，型芯较小，但塑件中心毂包住型芯，型芯需散发的热量比较多，磨损也比较严重，因此也采用Cr12MoV，型芯中心通冷却水冷却，如图4-334所示。

七、成型零件工作尺寸计算

制件转换后尺寸 37.10?0.2 类别 制作原尺寸 径37?0.1向尺寸 16?0.2 计算公式 凹模或型芯的工作尺寸 ???0.0437.150 16.20?0.4 29.30?0.6 3?Z?LM??LS?LSS???4?0 ??0.0816.380 凹模计算 深29?0.3 度尺017?0.2 寸 径35 向尺寸 14?0.2 0?0.2HM170?0.2 34.8?0.202?Z???HS?HSS???3?0 ????0.1229.060 ?0.0417.030 3??ls??ls?lsS???4???Z?035.140?0.04 014.18?0.08 型芯计算 13.8?0.40 2??hM??hs?hsS???3???Z ?0高度尺寸 170?0.2 170?0.2 017.08?0.04

塑件型芯及凹模的成型尺寸的标注

凹模嵌件

八、成型零件尺寸及动模垫板厚度的计算

（1）凹模侧壁厚度的计算 凹模侧壁厚度与型腔内压强及凹模的深度有关，根据型腔布置，模架初选150mmX300mm的标准模架，其厚度根据表4-19的刚度公式计算。

3ph43?35?324)?()3?18.71mm S?(52E?p2?2.1?10?0.0415

图9

式中，p是型腔压力（MPa）；E是材料弹性模量（MPa）；h=W，W是影响变形的最大尺寸，而h=30mm；

是模具刚度计算许用变形量。根据注射塑料品种。

?p?25i2?25?0.918?m?22.95?m?0.023mm

式中，

图10

凹模侧壁是采用嵌件，微结构紧凑，这里凹模嵌件单边厚选15mm。由于型腔采用直线、对称结构布置，故两个型腔之间壁厚满足结构设计就可以了。型腔与模具周边的距离由模板的外形尺寸来确定，根据估算模板平面尺寸选用200mmX355mm，它比型腔布置的尺寸大得多，所以完全满足强度和刚度要求。

（2）动模垫板厚度计算 动模垫板厚度和所选模架的两个垫块之间的跨度有关，根据前面的型腔布置 ，模架应选在200mmX355mm这个范围内，垫块之间的跨度大约为200mm-40mm-40mm=120。那么，根据型腔布置及型芯对动模垫板的压力就可以计算得到动模垫板的厚度，即

T?0.54L(pA35?8597.32)?0.54?120?()?32.50mm 5EL1?p2.1?10?355?0.032 式中，

是动模垫板刚度计算许用变形量，

；L是两个垫块之间的距离，约120mm，动模垫板上的面积。

单件型芯所受压力的面积为

A1?是动模垫板的长度，A是两个型芯投影到

?4D2?0.785?742?4298.66mm2

两个型芯的面积

A?2?A1?2?4298.66?8597.32mm2

对于此动模垫板计算尺寸相对于小型模具还可以再小一些，可以增加两根支承柱来进行支撑，故可以近似得到动模垫板厚度

131Tn?()T?()3?32.50?12.90mm

n?1244故动模垫板可按照标准厚度取32mm。

九、确定模架的

根据模具型腔布局的中心距和凹模嵌件的尺寸可以算出凹模嵌件所占的平面尺寸为115mm271mm，又考虑凹模最小壁厚，导柱、导套的布置等，再同时参考4.12.4节中小型标准模架的选型经验公式和表4-38，可确定选用模架序号为（WL=200mm355mm)，模架结构为A4型。 1.各模板尺寸的确定

1）A板尺寸。A板是定模型腔板，塑件高度为40mm，凹模嵌件深度35mm，又考虑在模板上还要开设冷却水道，还需留出足够的距离，故A板厚度取50mm。 2）B板尺寸。B板是型芯固定板，按模架标准版厚取32mm.

3）C板（垫块）尺寸。垫块=推出行程+推板厚度+推杆固定板厚度+（5~10）mm=（35+20+15+5~10）mm=75~80mm，初步选定C为80mm。

经上述尺寸的计算，模架尺寸已经确定为模架序号为5号，版面为190mm300mm，模架结构形式为A4型的标准模架。其外形尺寸：宽长高=150mm300mm254mm，如图11所示：

图11

2.模架各尺寸的校核

根据所选注射剂来校核模具设计的尺寸。

1）模具平面尺寸150mm300mm<190mm300mm（拉杆间距），校核合格。

2）模具高度尺寸254mm，200mm<254mm<300mm（模具的最大厚度和最小厚度），校核合格。

3）模具的开模行程S=H+H+（5~10）=（20+20）mm=45~50mm<325mm（开模行程），校核合格。

4.14.6排气槽的设计

该塑件由于采用侧浇口进料，熔体经塑件下方的台阶及中间的肋板充满型腔，顶部有一个12mm小型芯，其配合间隙可作为气体排出的方式，不会在顶部产生憋气的现象。同时，底气的气体会沿着推杆的配合间隙，分型面和型芯与脱模板之间的间隙向外排出。 4.14.7脱模推出机构的设计 1.推出方式的确定

本塑件圆采用脱模板、中心采用推杆的综合推出方式。脱模板推出时为了减小脱模板与型芯的摩擦，设计中在用脱模板与型芯之间留出0.2的间隙，并采用锥面配合，可以防脱模板因偏心而产生溢料，同时避免了脱模板与型芯产生摩擦。 2.脱模力的计算

（1）圆柱大型芯脱模力 因为==根据式（2-24）脱模力为

=12.7>10，所以，此处视为薄壁圆筒塑件，

2?tESLcos?(f?tan?)2?3.14?3?1.8?103?0.0055?17?cos1??(0.45?tan1?)F1??0.1A????(1??)K2(1?0.3)(1?0.45sin1cos1)0.1?3.14?382?2397.14N式中，各项系数的意见4.9.2节内容。

（2）成型塑件内容圆筒型芯的脱模力的计算 因为??件，得脫模力为

2?tESLcos?(f?tan?)2?3.14?3?1.8?103?0.0055?5?cos1??(0.45?tan1?)F2??0.1A?(1??)K2(1?0.3)(1?0.45sin1?cos1?)?0.1?3.14?30?854.28N2r30??10此处视为薄壁圆筒塑t3

对于塑件的四个肋板，由于是径向布置，冷却收缩是径向收缩，所以对型芯的箍紧力不

是太大，主要是粘模力，可以按计算脫模力乘以一个不太大的系数，此处可考虑为1.2.

十一.校核推出机构作用在塑件上的单位压应力 （1）推出面积

A1?A2??4(D2?d2)??4(802?762)?490.09mm2

?4(2)推出应力

?302?706.86mm2

??1.2F1.2(F1?F2)1.2?(2397.14?854.28)???3.26?53MPa(抗拉强度)合格 AA1?A2490.09?706.864.14.8 冷却系统的设计 1. 冷却介质

ABS属中等粘度材料，其成型温度及模具温度分别为200℃和50~80℃。所以，模具温度初步选定为60℃，用常温水对模具进行冷却。

2. 冷却系统的简单计算t脱?7.6s

（1）单位时间内注入模具中的塑料熔体的总质量W 1）塑料制品的体积

V=V?V主?V分?nV塑?1.57?1.3?2?5.67?24.884cm3 2）塑料制品的质量

m?V??24.89?1.02?0.02538kg

3）塑件壁厚为1mm，查表4-34得t冷?2.9s 取注射时间t注?1.6s，脱模时间t脱?8s，则注射周期：t?t注?t冷?t塑?1.6?2.9?8?12.5s。所以，每小时注射次数：N=（次=288次

4）单位时间内注入模具中的塑料熔体的总质量： W?Nm?288?0.2538?7.31kg/h （2）查表4-35直接可知ABS的单位热流量间，故可取

=360

。

的值的范围在（310~400）

之

3600）12.5（3）计算冷却水的体积流量qv 设冷却水道入水口的水温为θ=22℃，出水口

的水温为θ=25℃，取水的密度ρ=1000公式可得：

qV?,水的比热容c=4.187。根据

WQs7.31?360??0.00349m3/min

60?c(?1??2)60?1000?4.187?(25?22)（4）确定冷却水路的直径d 当q=0.00746时，查表4-30可知，为了

使冷却水处于湍流状态，取模具冷却水孔的直径d=0.014m。

（5）冷却水在管内的流速v V=v?4qV4?0.00349??1.158m/s

60??d260?3.14?0.0082（6）求冷却管壁与水交界的膜传热系数h 因为平均水温为23.5℃，查表4-31可知 f=6.47，则有：

4.187f(?v)0.84.187?6.47?(1000?1.158)0.842? h??2?10kJ/(m?h?C) 0.20.2d0.008（7）计算冷却水通道的导热总面积A

A?WQs7.31?370??0.0036m2 h??1.4?104?[50?22?25]2（8）计算模具所需冷却水管的总长度L

L?A0.0036??143mm ?d3.14?0.008（9）冷却水路的根数

x?L143??0.48根 l200 设每条水路的长度为l=200mm，冷却水路的根数为：

由上述计算可以看出，一条冷却水道对于模具来说显然是不适合的。因此应根据具体情况加以修改。为了提高生产效率，凹模和型芯都应得到充分的冷却。

十二、凹模嵌件和型芯冷却水道的设置

型芯的冷却系统的计算与凹模冷却系统的计算方法基本上是一样的。因此不再重复。尤其需要指出的是大型芯和小型芯的冷却方式。由于塑件上有四条肋板，大型芯设计时要在型芯上开四条沟槽，同时考虑推杆要通过大型芯推出塑件的轮毂部分。因此给冷却系统带来了难度。设计时在大型芯的下部采用简单冷却流道式来设计，小型芯采用隔片式冷却水道。凹模嵌件拟采用两条冷却水道进行冷却。

导向与定位结构的设计

注射模的导向机构用于动，定模之间的开合模导向和脱模机构的运动导向。按作用分为模外定位和模内定位。模外定位是通过定位圈使模具的浇口套能与注射机喷嘴精确定位；而模内定位机构则通过导柱导套进行合模定位。锥面定位则用于动，定模之间的精密定位。本模具所成型的塑件比较简单，模具定位精度要求不是很高，因此可采用模架本身所带的定位机构。

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