三通管接头注塑成型CAE分析与模具CAD辅助设计

北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计

三通管接头注塑成型CAE分析与模

具CAD辅助设计

学 院： 专 业：

姓 名： 指导老师：

机械与车辆学院

机械工程及自动化

刘汛大 学 号： 100403021014

职 称： 秦雪梅 副教授

中国·珠海 二○一四年四月

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计

摘 要

三通管接头是日常生活中常见的一种连接件，应用十分广泛。本设计题目为三通管接头注塑成型CAE分析与模具CAD辅助设计，通过对塑件进行工艺分析，确定其主要成型工艺尺寸参数，设计了三通管注塑模具中的各个系统，如向与定位机构、侧向分型和抽芯机构、脱模机构、分型面、浇注系统、导冷却系统及排气系统等，并对所选用的注塑机参数进行了校核，最后绘制出模具的装配总图，完成本文的编写。

根据塑料制品的要求，了解塑件的用途，分析塑件的工艺性、尺寸精度等技术要求，选择塑件制件尺寸。本模具采用一模两件，直接式进料，注射机采用海天80X1A型号，设置冷却系统，CAD和 PROE绘制二维总装图和零件图，选择模具合理的加工方法。附上说明书，系统地运用简要的文字，简明的示意图和和计算等分析塑件，从而作出合理的模具设计。

关键词：机械设计；模具设计；CAD绘制二维图； PROE绘制3D图，注射机的选择

II

北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 English the mold

Take to

According to the plastic products requirements, understand the use of plastic parts, plastic parts of the process analysis, dimensional accuracy and other technical requirements, selection of plastic parts size. The use of a mold of a mold two, a side gate feed, injection machine uses the Haitian 80X1A models, cooling system, CAD and PROE mapping of2D assembly drawing and parts drawing, mold reasonable processing method. Enclose brochures, the systematic use of a brief text, concise schematic diagram and calculation analysis of plastic parts, so as to make

reasonable mold design.

Key words: mechanical design; mold design; CAD drawing two-dimensional

map; PROE rendering3D map, the choice of injection machine

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 目 录

摘 要 ....................................................................................................................... II 第1章 引言 ............................................................................................................. 4

1.1

1.2

塑料简介 ................................................................................................................. 4 注塑成型及注塑模 ................................................................................................. 4

第2章 塑料材料分析 ............................................................................................... 6

2．1 塑料材料的基本特性 ................................................................错误！未定义书签。

2.2. PVC的性能指标 ..........................................................................错误！未定义书签。 2.3. 塑件材料成型性能 ......................................................................错误！未定义书签。 2.4. 塑件材料主要用途 ....................................................................错误！未定义书签。

第3章 塑件的工艺分析 ........................................................................................... 7

3．1 塑件的结构设计 ......................................................................................................... 7

3．2 塑件尺寸及精度 ......................................................................................................... 8 3．3 塑件表面粗糙度 ......................................................................................................... 9 3．4 塑件的体积和质量 ..................................................................................................... 9

第4章 注射成型工艺方案及模具结构的分析和确定 ......................................... 10

4．1、注射成型工艺过程分析 ........................................................................................ 10

4．2 浇口种类的确定 ..................................................................................................... 10 4．3 型腔数目的确定 ........................................................................................................ 11 4．4 注射机的选择和校核 .............................................................................................. 11

4.4.1 注射量的校核 ................................................................................................. 12

[5]

第5章 注射模具结构设计 ..................................................................................... 14

5．1 分型面的设计 ........................................................................................................... 14

5．2 型腔的布局 ............................................................................................................... 14 5．3 浇注系统的设计 ....................................................................................................... 15

5．3．1 浇注系统组成 ............................................................................................. 15 5．3．2 确定浇注系统的原则 .................................................................................. 15 5．3．3 主流道的设计 ............................................................................................. 16 5．3．4 分流道的设计 ............................................................................................. 17 5．3．5 浇口的设计 ................................................................................................. 18 5．3．6 冷料穴的设计 ............................................................................................. 18

[7]

5．4 注射模成型零部件的设计 .................................................................................... 19

5．4．1 成型零部件结构设计 .................................................................................. 19 5．4．2 成型零部件工作尺寸的计算 ...................................................................... 21 5．5 排气结构设计 ........................................................................................................... 22 5．6 脱模机构的设计 ....................................................................................................... 22

5．6．1 脱模机构的选用原则 .................................................................................. 22 5．6．2 脱模机构类型的选择 .................................................................................. 22 5．6．3 推杆机构具体设计...................................................................................... 22

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 5．7 注射模温度调节系统 ............................................................................................... 22

5．7．1 温度调节对塑件质量的影响 ...................................................................... 23 5．9 模架及标准件的选用 ............................................................................................... 24

5．9．1 模架的选用 ................................................................................................. 24 5.10.侧向抽芯机构类型选择 ............................................................................................... 24 5.11 斜导柱侧向抽芯机构设计计算 ................................................................................. 25 5.12.斜导柱抽芯机构 ........................................................................................................... 26 5．12 斜滑块抽芯机构 ..................................................................................................... 27

第6章 模具材料的选用 ......................................................................................... 28

6．1 成型零件材料选用 ................................................................................................... 29

6．2 注射模用钢种 ........................................................................................................... 29

第七章 塑件的Moldflow分析 ........................................................................... 290

7.1 有限元法介绍 ................................................................................................................ 30

总结 ............................................................................................................................. 31 致谢 ............................................................................................................................. 31 参考文献 ..................................................................................................................... 32

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 第1章 引言

模具制造是国家经济建设中的一项重要产业，振兴和发展我国的模具工业，日益受到人们的重视和关注。“模具是工业生产的基础工艺装备”也已经成为广大业内人士的共识。在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中，60%～80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其它加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。模具工业是制造业中的一项基础产业，是技术成果转化的基础，同时本身又是高新技术产业的重要领域。 1.1 塑料简介

塑料是以树脂为主要成分的高分子材料，它在一定的温度和压力下具有流动性。可以被模塑成型为一定的几何形状和尺寸，并在成型固化后保持其既得形状而不发生变化。塑料有很多优异性能，广泛应用于现代工业和日常生活，它具有密度小，质量轻，比强度高，绝缘性能好，介电损耗低，化学稳定性高，减摩耐磨性能好，减振隔音性能好等诸多优点。另外，许多塑料还具有防水、防潮、防透气、防辐射及耐瞬时烧蚀等特殊性能。塑料以从代替部分金属、木材、皮革及无机材料发展成为各个部门不可缺少的一种化学材料，在国民经济中，塑料制作已成为各行各业不可缺少的重要材料之一。 1.2 注塑成型及注塑模

将塑料成型为制品的生产方法很多，最常用的有注射，挤出，压缩，压注，压延和吹塑等。其中，注射成型是塑料成型加工中最普遍采用的方法。除氟塑料外，几乎的有的热塑性塑料都可以采用此方法成型。它具有成型周期短，能一次成型外形复杂、尺寸精度较高、易于实现全自动化生产等一系列优点。因此广泛用于塑料制件的生产中，其产口占目前塑料制件生产的30%左右。但注射成型的设备价格及模具制造费用较高，不适合单件及批量较小的塑料件的生产。

要了解注射成型和注射模，首先得了解注射机的一些基本知识，注射机是注射成型的主要设备，依靠该设备将粒状塑料通过高压加热等工序进行注射。 注射机为热塑性或热固性塑料注射成型所用的主要设备，按其外形可分为立式、卧式、直角式三种，由注射装置、锁模装置、脱模装置，模板机架系统等组成。

[1]

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 注射成型是根据金属压铸成型原理发展而来的，其基本原理是利用塑料的可挤压性和可模塑性。首先将松散的粒状或粉状成型物料从注射机的料斗送入高温的机筒内加热熔融塑化，使之成为粘流态熔体，然后在柱塞或螺杆的高压推动下，以很大的流速通过料筒前端的喷嘴注射进入温度较低的闭合模具中，经过一段保压冷却定型时间后，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品。

注射成型生产中使用的模具叫注射模，它是实现注射成型生产的工艺装备。 注射模的种类很多，其结构与塑料品种、塑件的复杂程度和注射机的种类等很多因素有关，其基本结构都是由动模和定模两大部分组成的。定模部分安装在注射机的固定板上，动模部分安装在注射机的移动模板上，在注射成型过程中它随注射机上的合模系统运动。注射成型时动模部分与定模部分由导柱导向而闭合。一般注射模由成型零部件、合模导向机构、浇注系统、侧向分型与抽芯机构、推出机构、加热和冷却系统、排气系统及支承零部件组成[2] 。

注射模、塑料原材料和注射机通过注射成型工艺联系在一起。注射成型工艺的核心问题就是采用一切措施以得到塑化良好的塑料熔体，并把它注射到型腔中去，在控制条件下冷却定型，使塑件达到所要求的质量。注射机和模具结构确定以后，注射成型工艺条件的选择与控制便是决定成型质量的主要因素。

注射成型有三大工艺条件，即：温度、压力、时间。在成型过程中，尤其是精密制品的成型，要确立一组最佳的成型条件决非易事，因为影响成型条件的因素太多，有制品形状、模具结构、注射装备、原材料、电压波动及环境温度等。

塑料模具的设计不但要采用CAD技术，而且还要采用计算机辅助工程（CAE）技术。这是发展的必然趋势。注塑成型分两个阶段，即开发/设计阶段（包括产品设计、模具设计和模具制造）和生产阶段（包括购买材料、试模和成型）。

传统的注塑方法是在正式生产前，由于设计人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕后，通常需要几次试模，发现问题后，不仅需要重新设置工艺参数，甚至还需要修改塑料制品和模具设计，这势必增加生产成本，延长产品开发周期。

目前国际市场上主要流行的，运用范围最广的注射模流动模拟分析软件有澳大利亚的MOLDFLOW、美国的CFLOW、华中科技大学的H-FLOW等。其中MOLDFLOW软件包括三个部分：MOLDFLOW PLASTICS ADVISERS （产品优化顾问，简称MPA），MOLDFLOW PLASTICS INSIGHT （注射成型模拟分析，简称MPI），MOLDFLOW PLASTICS XPERT （注射成型过程控制专家，简称MPX）。

采用CAE技术，可以完全代替试模，CAE技术提供了从制品设计到生产的完整解决方案，在模具制造加工之前，在计算机上对整个注射成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改制件和模具设计，而不是等到试模以后再返修模具。这不仅是对传统模具设计方法的一次突破，而且对减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低成本等，都有着重大的技术经济意义[3]。

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 第2章 塑料材料分析

2．1 塑料材料的基本特性

PVC，全名为Polyvinylchloride，主要成份为聚氯乙烯，另外加入其他成分来增强其耐热性，韧性，延展性等。这种表面膜的最上层是漆，中间的主要成分是聚氯乙烯，最下层是背涂粘合剂。它是当今世界上深受喜爱、颇为流行并且也被广泛应用的一种合成材料。它的全球使用量在各种合成材料中高居第二。据统计，仅仅1995年一年，PVC在欧洲的生产量就有五百万吨左右，而其消费量则为五百三十万吨。在德国，PVC的生产量和消费量平均为一百四十万吨。PVC正以4%的增长速度在全世界范围内得到生产和应用。近年来PVC 在东南亚的增长速度尤为显著，这要归功于东南亚各国都有进行基础设施建设的迫切需求。在可以生产三维表面膜的材料中，PVC是最适合的材料。

2.2. PVC的性能指标

PVC可分为软PVC和硬PVC。其中硬PVC大约占市场的2/3，软PVC占1/3。软PVC一般用于地板、天花板以及皮革的表层，但由于软PVC中含有柔软剂（这也是软PVC与硬PVC的区别），容易变脆，不易保存，所以其使用范围受到了局限。硬PVC不含柔软剂，因此柔韧性好，易成型，不易脆，无毒无污染，保存时间长，因此具有很大的开发应用价值。PVC的本质是一种真空吸塑膜，用于各类面板的表层包装，所以又被称为装饰膜、附胶膜，应用于建材、包装、医药等诸多行业。其中建材行业占的比重最大，为60%，其次是包装行业，还有其他若干小范围应用的行业。 2.3. 塑件材料成型性能

聚氯乙烯分子中含有氯原子。由于C—CL键的偶极影响，它是一种极性很强的材料。PVC具有很好的耐酸碱、耐磨、耐燃及绝缘性能，但对光、热稳定性差。商业上，制备PVC有四种方法：悬浮法、本体法、乳液法和溶液法。悬浮法最普遍，大多数应用的PVC树脂就是这类树脂。其产品根据含增塑剂量（一般是邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯）分为硬质、半硬质、软质三种材料。硬质PVC含增塑剂为10—25%、半硬质PVC为30～40%、软质PVC为40-70%。所有PVC产品必须含有一定量的稳定剂，以避免加工过程中发生降解。软PVC产品中的增塑剂在于使聚合物变软。增塑剂的选择或增塑剂的混用，最终要由成品所期望的性能来决定。大多数的增塑剂一定程度上也起着加工助剂的作用。增塑剂降低了树脂的熔融温度和粘度，从而可防止树脂粘到加工设备的金属部件上。

2.4. 塑件材料主要用途

聚氯乙烯是由乙炔气体和氯化氢合成氯乙烯， 再聚合而成。具有较高的机械强度和较好的耐蚀性。可用于制作化工、纺织等工业的废气排污排毒塔、气体液体输送管，还可代替其它耐蚀材料制造贮槽、离心泵、通风机和接头等。当

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 增塑剂加入量达30%～40%时，便制得软质聚氯乙烯，其延伸率高，制品柔软，并具有良好的耐蚀性和电绝缘性，常制成薄膜，用于工业包装、农业育秧和日用雨衣、台布等，还可用于制作耐酸碱软管、电缆包皮、绝缘层等。

第3章 塑件的工艺分析

在模具设计之前需要对塑件的工艺性如形状结构、尺寸大小、精度等级和表面质量要进行仔细研究和分析，只有这样才能恰当确定塑件制品所需的模具结构和模具精度。

三通管如图所示，具体结构和尺寸详见图纸，该塑件结构中等复杂程度，生产量大，要求较低的模具成本，成型容易，精度要求中等。

图（1）3D视图

3．1 塑件的结构设计 （1）、脱模斜度

由于注射制品在冷却过程中产生收缩，因此它在脱模前会紧紧的包住模具型芯或型腔中突出的部分。为了便于脱模，防止因脱模力过大拉伤制品表面，

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 与脱模方向平行的制品内外表面应具有一定的脱模斜度。脱模斜度的大小与制品形状、壁厚及收缩率有关。斜度过小，不仅会使制品尺寸困难，而且易使制品表面损伤或破裂，斜度过大时，虽然脱模方便，但会影响制品尺寸精度，并浪费原材料。通常塑件的脱模斜度约取0.5～1.5?，根据文献[1]，塑件材料PVC的型腔脱模斜度为0.35/～1?30/，型芯脱模斜度为30/～1?

（2）、塑件的壁厚

塑件的壁厚是最重要的结构要素，是设计塑件时必须考虑的问题之一。塑件的壁厚对于注射成型生产具有极为重要的影响，它与注射充模时的熔体流动、固化定型时的冷却速度和时间、塑件的成型质量、塑件的原材料以及生产效率和生产成本密切相关。一般在满足使用要求的前提下，塑件的壁厚应尽量小。因为壁厚太大不仅会使原材料消耗增大，生产成本提高，更重要的是会延缓塑件在模内的冷却速度，使成型周期延长，另外还容易产生气泡、缩孔、凹陷等缺陷。但如果壁厚太小则刚度差，在脱模、装配、使用中会发生变形，影响到塑件的使用和装配的准确性。选择壁厚时应力求塑件各处壁厚尽量均匀，以避免塑件出现不均匀收缩等成型缺陷。塑件壁厚一般在1～4mm，最常用的数值为2～3mm。该空调控制器壁厚均匀，周边和底部壁厚均为2mm左右。（3）、塑件的圆角

为防止塑件转角处的应力集中，改善其成型加工过程中的充模特性，增加相应位置模具和塑件的力学角度，需要在塑件的转角处和内部联接处采用圆角过度。在无特殊要求时，塑件的各连接角处均有半径不小于0.5～1mm的圆角。一般外圆弧半径大于壁厚的0.5倍，内圆角半径应是壁厚的0.5倍。

该塑料件表面圆角半径和内部转弯处圆角为3mm。 （4）、孔

塑料制品上通常带有各种通孔和盲孔，原则上讲，这些孔均能用一定的型芯成型。但当孔太复杂时，会使熔体流动困难，模具加工难度增大，生产成本提高，困此在塑件上设计孔时，应尽量采用简单孔型。由于型芯对熔体有分流作用，所以在孔成型时周围易产生熔接痕，导致孔的强度降低，故设计孔时孔时孔间距和孔到塑件边缘的距离一般都尖大于孔径，孔的周边应增加壁厚，以保证塑件的强度和刚度。 3．2 塑件尺寸及精度

塑料制品外形尺寸的大小主要取决于塑料品种的流动性和注射机规格，在一定的设备和工艺条件下流动性好的塑料可以成型较大尺寸的制品，反正成型出的制品尺寸就比较小。从节约材料和能源的角度出发，只要能满足制品的使

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 用要求，一般都应将制品的结构设计的尽量紧凑，以便使制品的外形尺寸玲珑小巧些。该塑件的材料为PVC，流动性较好，适用于不同尺寸的制品。

塑件的尺寸精度直接影响模具结构的设计和模具的制造精度。为降低模具的加工难度和模具的制造成本，在满足塑件要求的前提下尽量把塑件的尺寸精度设计得低一些。由于塑料与金属的差异很大，所以不能按照金属零件的公关等级确定精度等级。根据我国目前的成型水平，塑件尺寸公差可以参照文献[2]表3-2塑件的尺寸与公关（SJ1372-1978）的塑料制件公差数值标准来确定。根3．3 塑件表面粗糙度

塑件的表面要求越高，表面粗糙度越低。这除了在成型时从工艺上尽可能避免冷疤、云纹等疵点来保证外，主要是取决于模具型腔表面粗糙度。塑料制品的表面粗糙度一般为Ra 0.02～1.25?m之间，模腔表壁的表面粗糙度应为塑件的1/2，即Ra 0.01～0.63?m。模具在使用过程中由于型腔磨损而使表面粗糙度不断增加，所以应随时给以抛光复原。

该塑件外部需要的表面粗糙度比内部要高许多，为Ra0.2?m，内部为0.4?m。

3．4 塑件的体积和质量

本次设计中，塑件的质量和体积采用3D测量，在 PROE软件中，使用模型质量属性功能，可以测得塑件的质量

（PVC的密度为1.05g/cm3），即可以

得出该塑件制品的体积为45.6g/cm3质量为47.9克。

据任务书和图纸要求，本次产品尺寸均采用MT3级精度，未注采用MT5级精度。

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第4章 注射成型工艺方案及模具结构的分析和确定

4．1、注射成型工艺过程分析[5]

根据塑件的结构、材料及质量，确定其成型工艺过程为：

第一步：为使注射过程顺利和保证产品质量，应对所用的设备和塑料作好以下准备工作。 （1）、成型前对原材料的预处理

根据注射成型对物料的要求，检验物料的含水量，外观色泽，颗粒情况并测试其热稳定性，流动性和收缩率等指标，对原材料进行适当的预热干燥，PVC材料吸水率极低，成型前一般不必进行干燥处理。如有需要，可在70 ～ 80 ℃下干燥2～4 h。 （2）、料筒的清洗

在初用某种塑料或某一注射机之前，或者在生产中需要改变产品、更换原料、调换颜色或发现塑料中有分解现象时，都需要对注射机（主要是料筒）进行清洗或拆换。

柱塞式注射机料筒的清洗常比螺杆式注射机困难，因为柱塞式料筒内的存料量较大而不易对其转动，清洗时必须拆卸清洗或者采用专用料筒。对螺杆式通常是直接换料清洗，也可采用对空注射法清洗。 （3）、脱模剂的选用

脱模剂是使塑料制件容易从模具中脱出而敷在模具表面上的一种助剂。一般注射制件的脱模，主要依赖于合理的工艺条件与正确的模具设计。在和产上为了顺利脱模，常用的脱模剂有：硬脂酸锌，液体石蜡（白油），硅油，对PVC材料，可选用硬脂酸锌，因为此脱模剂除聚酰胺塑料外，一般塑料都可使用。

第二步: 注射成型过程

完整的注射过程表面上共包括加料、塑化、注射入模、稳压冷却和脱模几个步骤，但实际上是塑化成型与冷却两个过程。 第三步：制件的后处理

注射制件经脱模或机械加工后，常需要进行适当的后处理，目的是为了消除存在的内应力，以改善和提高制件的性能及尺寸稳定性。制件的后处理主要有退火和调湿处理。该塑料制件材料为PVC，就采用退火处理1～3小时。 4．2 浇口种类的确定

注射模的浇注系统是指模具中从注射机喷嘴开始到型腔为止的塑料流动通道。其作用是将塑料熔体充满型腔并使注射压力传递到各个部分。浇注系统设计的好坏对塑件性能、外观及成型难易程度影响很大。它由主流道、分流道、浇口及冷料穴组成。其中浇口的选择与设计恰当与否直接关系到制品能否完好

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 的成型。

由于本设计中三通管塑件外表面质量要求较高，所以选用直接式。直接式直接在中间的圆端面处进，三通管组装后，浇口被遮挡起来。

直接式主流道需要设置钩针，分流道与产品相连，顶出产品包含流道连接在一起。

4．3 型腔数目的确定

因为本设计中采用直接式，且塑件的尺寸不大，为提高塑件成功概率，并从经济型的角度出发，节省生产成本和提高生产效率，采用一模二腔，进行加工生产。

4．4 注射机的选择和校核

由于采用一模二腔，需要至少注射量为47.9*2＝55.8g，流道水口废料2.0g，总注塑量达到57.8g，再根据工艺参数（主要是注射压力），综合考虑各种因素，选定注射机为海天80X1A。注射方式为螺杆式，其有关性能参数为： 海天HTF80X1A

型号 单位 80×1A 参数 螺杆直径 mm 34 理论注射容量 cm3 131 注射重量PS g 119 注射压力 Mpa 206 注射行程 mm 310 螺杆转速 r/min 0~180 料筒加热功率 KW 19.65 锁模力 KN 800 拉杆内间距(水平×垂直) mm 365x365 允许最大模具厚度 mm 360 允许最小模具厚度 mm 150 移模行程 mm 310 移模开距(最大) mm 310 液压顶出行程 mm 150 液压顶出力 KN 33 液压顶出杆数量 PC 5 油泵电动机功率 KW 11 油箱容积 l 200 机器尺寸(长×宽×高) m 4.3x1.25x1.85 机器重量 t 3.22 最小模具尺寸(长×宽) mm 365x365

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4.4.1 注射量的校核

模具设计时，必须使得在一个注射成型的塑料熔体的容量或质量在注射机额定注射量的80%以内。校核公式为：

nm1?m2?80%m 式中 n--型腔数量

m1--单个塑件的体积（cm3）

m2--浇注系统所需塑料的体积（cm3） 本设计中：n=2 m1?45.6 cm3 m2=1.9cm3

M=2X45.6+1.9X1.05=93.195g

注塑机额定注塑量为119g 119X0.8=95.2g>93.195g

注射量符合要求

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（2）、开模行程（S）的校核

模具开模后为了便于取出制件，要求有足够的开模距离，所谓开模行程是指模具开合过程中动模固定板的移动距离。

注塑机的开模行程是有限的，设计模具必须校核所选注射机的开模行程，以便与模具的开模距离相适应。对于卧式注射机，其开模行程与模具厚度有关，对于多分型面注射模应有：

Smax?S?H1?H2?5~10mm

式中 H1--推出距离

H2--包括浇注系统凝料在内的塑件高度 H2=（水口料的长度+20~30）

本设计中 Smax=169.5mm H1=55mm H2=94.5+20=114.5 mm 总的开模距离需要H=169.5mm以上 经计算，符合要要求。 （3）、顶出装置的校核

在设计模具推出机构时，需校核注射机顶出的顶出形式，要注意在两侧顶出时模具推板的面积应能覆盖注射机的双顶杆，注射机的最大顶出距离要保证能将塑件从模具中脱出。

注射机为两侧推出机构。经检查能满足将模具脱出的要求。

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 冷料穴一般开设在主流道对面的动模板上，其标称直径与主流道直径相同或略大一些，这里取为6mm，最终要保证冷料体积小于冷料穴体积。冷料穴的z形式有多种，这里采用倒锥形的冷料穴拉出主流道凝料的形式。它与推杆配用，开模时倒锥形的冷料穴通过内部的冷料先将主流道凝料拉出定模，最后在推杆的作用下将冷料和和主流道凝料随制品一起被顶出动模。如上图（8）所示。 5．4 注射模成型零部件的设计[7]

模具闭合时用来填充塑料成型制品的空间称为型腔。构成模具型腔的零部件称成型零部件。一般包括凹模、凸模、型环和镶块等。成型零部件直接与塑料接触，成型塑件的某些部分，承受着塑料熔体压力，决定着塑件形状与精度，因此成型零部件的设计是注射模具的重要部分。

成型零部件在注射成型过程中需要经常承受温度压力及塑料熔体对它们的冲击和摩擦作用，长期工作后晚发生磨损、变形和破裂，因此必须合理设计其结构形式，准确计算其尺寸和公差并保证它们具有足够的强度、刚度和良好的表面质量。

5．4．1 成型零部件结构设计

成型零部件结构设计主要应在保证塑件质量要求的前提下，从便于加工、装配、使用、维修等角度加以考虑。 1）、凹模的设计

凹模也称为型腔，是用来成型制品外形轮廓的模具零件，其结构与制品的形状、尺寸、使用要求、生产批量及模具的加工方法等有关，常用的结构形式有整体式、嵌入式、

镶拼组合式和瓣合式四种类型。

本设计中采用整体式凹模，其特点是结构简单，牢固可靠，不容易变形，成型出来的制品表面不会有镶拼接缝的溢料痕迹，还有助于减少注射模中成型零部件的数量，并缩小整个模具的外形结构尺寸。不过模具加工起来比较困难，要用到数控加工或电火花加工。

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型腔3D图

2）、凸模的设计

本设计中零件结构较为简单，深度不大，但经过对塑件实体的仔细观察研究发现，塑件采用的是整体式型芯。这样的型芯加工方便，便于模具的维护，

型芯与动模板的配合可采用H7/P6。

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 型芯3D图

5．4．2 成型零部件工作尺寸的计算

成型零部件工作尺寸是指成型零部件上直接决定塑件形状的有关尺寸，主要有型腔和型芯的径向尺寸，型腔的深度尺寸和型芯的高度尺寸，型芯和型芯之间的位置尺寸，以及中心距尺寸等。

在模具设计时要根据塑件的尺寸及精度等级确定成型零部件的工作尺寸及精度等级。影响塑件尺寸精度的主要因素有塑件的收缩率，模具成型零部件的制造误差，模具成型零部件的磨损及模具安装配合方面的误差。这些影响因素也是作为确定成型零部件工作尺寸的依据。

由于按平均收缩率、平均制造公差和平均磨损量计算型芯型腔的尺寸有一定的误差（因为模具制造公差和模具成型零部件在使用中的最大磨损量大多凭经验决定），这里就只考虑塑料的收缩率计算模具盛开零部件的工作尺寸。

塑件经成型后所获得的制品从热模具中取出后，因冷却及其它原因会引起尺寸减小或体积缩小，收缩性是每种塑料都具有的固有特性之一，选定PVC材料的平均收缩率为0.5%，刚计算模具成型零部件工作尺寸的公式为：

A?B?0.005B

式中 A — 模具成型零部件在常温下的尺寸 B — 塑件在常温下实际尺寸

成型零部件工作尺寸的公差值可取塑件公差的1/3～1/4，或取IT7～8级作为模具制造公差。在此取IT8级，型芯工作尺寸公差取IT7级。模具型腔的小尺寸为基本尺寸，偏差为正值；模具型芯的最大尺寸为基本尺寸，偏差为负值，中心距偏差为双向对称分布。各成型零部件工作尺寸的具体数值见图纸。

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 5．5 排气结构设计

排气是注射模设计中不可忽视的一个问题。在注射成型中，若模具排气不良，型腔内的气体受压缩将产生很大的背压，阻止塑料熔体正常快速充模，同时气体压缩所产生的热使塑料烧焦，在充模速度大、温度高、物料黏度低、注射压力大和塑件过厚的情况下，气体在一定的压缩程度下会渗入塑料制件内部，造成气孔、组织疏松等缺陷。特别是快速注射成型工艺的发展，对注射模的排气系统要求就更为严格。

在塑料熔体充模过程中，模腔内除了原有的空气外，还有塑料含有的水分在注射温度下蒸发而成的水蒸气、塑料局部过热分解产生的低分子挥发性气体，塑料中某些添加剂挥发或化学反应所生成的气体。常用的排气方式有利用配合间隙排气，在分型面上开设排气槽排气，利用推杆运动间隙排气等。

由于本次设计中模具尺寸不大，本设计中采用间隙排气的方式，而不另设排气槽，利用间隙排气，以不产生溢料为宜，其值与塑料熔体的粘度有关。 5．6 脱模机构的设计

塑件从模具上取下以前还有一个从模具的成型零部件上脱出的过程，使塑件从成型零部件上脱出的机构称为脱模机构。主要由推出零件，推出零件固定板和推板，推出机构的导向和复位部件等组成。 5．6．1 脱模机构的选用原则

（1） 使塑件脱模时不发生变形（略有弹性变形在一般情况下是允许的，

但不能形成永久变形）；

（2） 推力分布依脱模阻力的的大小要合理安排；

（3） 推杆的受力不可太大，以免造成塑件的被推局部产生隙裂； （4） 推杆的强度及刚性应足够，在推出动作时不产生弹性变形； （5） 推杆位置痕迹须不影响塑件外观； 5．6．2 脱模机构类型的选择

推出机构按其推出动作的动力来源分为手动推出机构，机动推出机构，液压和气动推出机构。根据推出零件的类别还可分为推杆推出机构、套管推出机构、推板推出机构、推块推出机构、利用成型零部件推出和多元件综合推出机构等。

本设计中采用推板加推杆推出机构使塑料制件顺利脱模。 5．6．3 推杆机构具体设计 （1）、推杆布置 该塑件采用推板推出 （2）、推杆的设计[7]

本设计中采用台肩形式的圆形截面推杆，设计时推杆的直径根据不同的设置部位选用不同的直径，。见图（１0）。推杆端平面不应有轴向窜动。推杆与推杆孔配合一般为H8/f8或H9/f9，其配合间隙不大于所用溢料间隙，以免产生飞边，PVC塑料的溢料间隙为0.04~0.06mm。 5．7 注射模温度调节系统

在注射模中，模具的温度直接影响到塑件的质量和生产效率。由于各种塑料的性能和成型工艺要求不同，对模具温度的要求也不相同。一般注射到模具内的塑料粉体的温度为200?C左右，熔体固化成为塑件后，从60?C左右的模具

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 中脱模、温度的降低是依靠在模具内通入冷却水，将热量带走。对于要求较低模温（一般小于80?C）的塑料，如本设计中的聚苯乙烯PVC，仅需要设置冷系统即可，因为可以通过调节水的流量就可以调节模具的温度。模具的冷却主要采用循环水冷却方式，模具的加热有通入热水、蒸汽，热油和电阻丝加热等。 5．7．1 温度调节对塑件质量的影响

注射模的温度对于塑料熔体的充模流动、固化成型、生产效率以及制品的形状和尺寸精度都有影响，对于任一个塑料制品，模具温度波动过大都是不利的。过高的模温会使塑件在脱模后发生变形，若延长冷却时间又会使生产率下降。过低的模温会降低塑料的流动性，使其难于充模，增加制品的内应力和明显的熔接痕等缺陷。

模具冷却水路图

5．8．2 冷却系统之设计规则

设计冷却系统的目的在于维持模具适当而有效率的冷却。冷却孔道应使用标准尺寸，以方便加工与组装。设计冷却系统时，模具设计者必须根据塑件的壁厚与体积决定下列设计参数： 冷却孔道的位置与尺寸、孔道的长度、孔道的

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 种类、孔道的配置与连接、以及冷却剂的流动速率与热传性质。 (1) 冷却管路的位置与尺寸

塑件壁厚应该尽可能维持均匀。冷却孔道最好设置是在凸模块与凹模块内，设在模块以外的冷却孔道比较不易精确地冷却模具。

通常，钢模的冷却孔道与模具表面、模穴或模心的距离应维持为冷却孔道直径的1~2倍，冷却孔道之间的间距应维持3~5倍直径。冷却孔道直径通常为6~12 mm（7/16~9/16英吋），在此取8mm。 5．9 模架及标准件的选用 5．9．1 模架的选用 1、确定模具的基本类型

注射模具的分类方式很多，此处是介绍的按注射模具的整体结构分类所分的典型结构如下： 单分型面注射模、双分型面注射模、带有活动成型零件的模、侧向分型抽芯注射模、定模带有推出机构的注射模、自动卸螺纹的注射模、热流道注射模。 2、模架的选择

根据对塑件的综合分析，确定该模具是单分型面的模具，由GB/T12556.1-12556.2-1990《塑料注射模中小型模架》可选择CI型的模架，其基本结构如下：

CI型模具定模采用两块模板，动模采用一块模板，又叫两板模，大水口模架，适合直接式，直接式浇口，采用斜导柱侧抽芯的注射成形模具。

由分型面分型面的选择而选择模具的导柱导套的安装方式，经过考虑分析，导柱导套选择选正装。 5.10.侧向抽芯机构类型选择

一般指的模具的行位机构，即凡是能够获得侧向抽芯或侧向分型以及复位动作来拖出产品倒扣，低陷等位置的机构。

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 下图列出模具的常用行位结构。

1.从作用位置分为下模行位、上模行位、斜行位（斜顶） 2.从动力来分，为机动侧向行位机构和液压（气压）侧向行位机构

5.11 斜导柱侧向抽芯机构设计计算

是利用成型的开模动作用，使斜撑梢与滑块产生相对运动趋势，使滑块沿开模方向及水平方向的两种运动形式，使之脱离倒勾。如图所示：

1、侧向分型与抽芯机构的类型 （1）手动抽芯 （2）液压或气动抽芯 （3）机动抽芯 2、抽心距：S=H+(3-5)

其中,S为抽芯机构需要行走的总距离，

H为通过测量出来的产品抽芯距离（可以通过3D或2D进行实际测量） 3-5MM为产品抽芯后的安全距离

本设计中，抽芯距离较大，抽芯5-10mm即可。取6MM

3、抽芯力：

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 将塑料制品从包紧的侧型芯上脱出时所需克服的阻力称为抽芯力。 抽芯力F=PA(f *cosα+sinα)

p---塑料制品收缩对型芯单位面积的正压力，通常取8~12Mpa; A---塑料制品包紧型芯的侧面积，

f---磨擦系数，取0.1~0.2 α---脱模斜度，一般就是几度而已。 F---单位为N 5.12.斜导柱抽芯机构

（1）斜导柱抽芯机构的结构及其设计 1）斜导柱的设计 ① 斜导柱的结构设计

A、斜导柱的形状，在此套模具中，我们采用标准的斜导柱形式，含有胚头示。

可以直接购买标准件。

B、斜导柱的材料：45钢、T8、T10或者20钢经渗碳处理，淬火硬度在55HRC以上，表面粗糙度为Ra0.8μm～Ra1.6μm。 C、斜导柱与其固定的模板之间采用过渡配合H7/m6。

D、 斜导柱倾斜角的确定：通常α取15°～20°，一般不大于25° E、斜导柱的长度计算： F、 斜导柱直径的计算：查表 （2）滑块的设计

滑块设计的要点在于滑块与侧向型芯连接以及注射成型时制品尺寸的准确性和移动的可靠性，滑块分为整体式和组合式两种。

滑块材料常用45钢或T8、T10等制造，要求硬度在HRC40以上。 （3）导滑槽设计

1）导滑槽与滑块导滑部分采用间隙配合，一般采用H8/f8。

2）滑块的滑动配合长度通常要大于滑块宽度的1.5倍，而保留在导滑槽内的长度不应小于导滑配合长度的2/3，

3）导滑槽材料通常用45钢制造，调质至HRC 28～HRC32，

（4）滑块定位装置设计，由于我们采用的是后模行位的形式，根据生产的实际

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 情况，采用行位压板的方式，主要作用为固定与导向作用。 （5）楔紧块设计

楔紧角β应比斜导柱的倾斜角α大2°～3°。 （2）斜导柱抽芯机构的结构形式

斜导柱和滑块在模具上因安装位置不同，组成了抽芯机构的不同结构形式。 1）斜导柱在定模上、滑块在动模上的结构

A、设计时必须注意，滑块与推杆在合模复位过程中不能发生“干涉”现象。所谓干涉现象是指滑块的复位先于推杆的复位致使活动侧向型芯与推杆相碰撞，造成活动侧向型芯或推杆损坏。

B、如果发生干涉，常用的先复位附加装置有弹簧先复位、楔形滑块先复位、摆杆先复位等多种形式。

2）斜导柱在动模上、滑块在定模上的结构 3）斜导柱和滑块同在定模上 4）斜导柱和滑块同在动模上 5．12 斜滑块抽芯机构

斜滑块侧向抽芯的特点是利用推出机构的推力驱动斜滑块斜向运动，在制品被推出脱模的同时由斜滑块完成侧向抽芯动作。一般分为外侧抽芯和内侧抽芯两种。

1、斜滑块抽芯机构适用于制品具有侧孔或较浅侧凹，成型面积较大的场合。 2、特点：在制品被推出脱模的同时由斜滑块完成侧向抽芯动作。 3、斜滑块的导滑形式 4、倾斜角通常不超过30°。

5、进行斜滑块抽芯机构设计时，若定模一侧有成型型芯，则需设置销钉锁紧或压紧的止动装置，保证制品与定模型芯分离而留在动模一侧。

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 模具侧抽滑块

图中：

β = α +2 °～ 3 ° ( 防止合模产生干涉以及开模减少磨擦 ) α ≦ 30 ° ( α为斜撑销倾斜角度，本设计中采用20°) L=1.5D (L 为配合长度 )

S=T+2 ～ 3mm(S 为滑块需要水平运动距离； T 为成品倒勾 ) =3+2=6MM

产品的底部跟随后模一起运动，所以不计算在倒扣距离之内 S=(L1xsina- δ )/cos α ( δ为斜撑梢与滑块间的间隙, 一般为 0.5MM ；

L1 为斜撑梢在滑块内的垂直距离 )

第6章 模具材料的选用

正确选用模具各部分零件的材料，是注射模具设计过程中的一项重要工作，它直接影响模具的使用寿命，加工成本以及制品的成型质量。选择模具材料时，

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 需要根据模具工作条件，从使用性能和加工性能两方面对材料提高要求。 6．1 成型零件材料选用

成型零件材料选用的要求如下： （1）、机械加工性能良好 （2）、抛光性能良好

注射成型零件工作表面，多需抛光达到镜面，Ra?0.05?m，要求钢材硬度35～40HRC为宜，过硬表面会使抛光困难。 （3）、耐磨性和抗疲劳性能好 （4）、具有耐腐蚀性能 6．2 注射模用钢种

热塑性注射模成型零件的毛坯，凹模和主型芯以板材和模具供应，本设计中，采用718H的预硬模具钢，这个不做钢材的分析与选择，只对718H钢材进行分析。

型芯和型腔由于采用了该预硬型塑料模具钢，且三通管为廉价大量产品，表面有一定光洁度要求，所以模仁料无需淬火,需要长寿命，选择718H，预硬型抛光塑料模具钢，预硬硬度达到48-52HRC

第七章 塑件的Moldflow分析

7.1 有限元法介绍

Moldflow软件的原理是有限元法，有限元法是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，由于它在解决工程技术问题时的灵活性、快速及有效性，发展非常神速，其解题范围包括了各个领域（固体力学、流体场、电磁场、温度场、声场）的数理方程；其计算机程序几乎能求解数理方程中的各类问题，是工程技术人员必备工具，是力学、机械、土木工程、水力等专业的学生的必修课。有限元法是求解复杂工程问题的一种近似数值解法，现已广泛应用到力学、热学、电磁学等各个学科，主要分析工作环境下物体的线性和非线性静动态特性等性能。

有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化，有限元求解，计算结果的处理三部分。曾经有人做过统计：三个阶段所用的时间分别占总时间的40%~50%、5%及50%~55%。也就是说，当利用有限元分析对象时，主要时间

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 是用于对象的离散及结果的处理。如果采用人工方法离散对象和处理计算结果，势必费力、费时且极易出错，尤其当分析模型复杂时，采用人工方法甚至很难进行，这将严重影响高级有限元分析程序的推广和使用。因此，开展自动离散对象及结果的计算机可视化显示的研究是一项重要而紧迫的任务。

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 总结

本次塑料模具设计，全面考虑了塑料成型性能，模具结构特点，注射工艺参数，塑件表面粗糙度以及制造精度等，在理论分析和数据计算生产操作上论证该设计是合理可行的。并且，通过这次设计，我了解了注射模设计概况，熟悉了注射设备，基本掌握了注射成型的一般原理。

在设计和三维建模过程中也遇到了一些问题，通过对问题的探索与分析，最后得到圆满解决，更另深刻的知道了模具设计各个阶段的重要性和严谨性，达到了毕业设计的目的。 伴随经济建设，特别是汽车、机械、电子、日用制造等行业的飞速发展，对模具设计与制造的人才的需求与日俱增，模具设计制造，特别是注射模具的设计与制造将更为受到重视，并将会广泛应用到各个领域中，飞速发展。

相信这次设计中获得的经验及处理问题的能力将会对今后的学习和工作有所启示和帮助。

致谢

在本次毕业设计中，特别感谢秦雪梅指导老师的指导和帮助，给予了我充分的信心和把握，让我按时完成了本次设计。由于经验不足和对专业知识的了解不够透彻，在设计时常常遇到一些问题无法理解，老师则耐心而认真的加以指导帮助，让我学到了书本上学不到的知识，既增长了见识也充实了自己。

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北京理工大学珠海学院2014届本科生毕业设计 参考文献

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