计算机辅助塑料注射模具的设计定稿本科学位论文Word文档下载推荐.docx
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模具行业在“十五”期间的增长速度将达到13%~15%。
每年进口模具约占市场总量的20%左右,已超过10亿美元,其中塑料与橡胶模具占全部进口模具的50%以上;
冲压模具占全部进口模具约40%。
另外,我国模具制造企业约有200000家,并以每年10%~15%的速度高速递增[7]。
1.2模具工业今后的主要发展方向
模具工业今后的主要发展方向包括:
(1)在塑料模设计制造中全面推广应用CAD/CAM/CAE技术。
模具作为成型必须的工艺装备,其设计周期、生产效率和质量直接影响产品的进度、成本和效率。
过去模具设计工作主要依靠设计人员的经验,模具的加工制造又在很大程度上依赖于生产者的操作技能,因此存在模具设计水平低、加工质量差、生产周期长、使用寿命短等缺陷。
随着计算机硬件和软件技术的迅猛发展,CAD/CAM技术的发展和应用越来越普遍,出现了许多可用于注塑模设计和制造的软件。
实现了产品从概念设计到制造全过程的设计制造一体化。
它提供了采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统和模型间的相关联性设计以及共享数据库和强大的分析系统等技术,为产品的设计、分析和制造的一体化提供了平台,使产品CAD/CAE/CAM各系统之间实现了数据的自动传递和转换集成。
注塑模设计和制造的软件通过模具检测、自动分模、模拟开模和数控加工仿真的三维动态显示的设计制造与视频技术的结合,使过程设计生动地展现出来,极大地提高了产品的设计与生产效率,同时也保证了产品的生产进度和质量。
目前,国内模具企业中已有相当多的厂家引进了较高档的CAD/CAE/CAM系统,UG、Pro/Engineer、I2DEAS、Euclid2IS等著名软件在中国模具工业中。
(2)快速制模技术的开发与应用。
快速成形与制造(RPM:
RapidPrototyping&
Manufacturing)是融激光、材料科学、信息与控制技术等为一体的分层———层积技术,堪称是20世纪后半期制造技术最重大的进展之一。
RPM技术诞生10余年来已在汽车、家电、航空、医疗等行业中得到广泛应用。
国外大型企业如通用、福特、法拉利、丰田、麦道、IBM、AT&
T、Motorola等以及我国的一些著名企业,都积极在产品设计过程中采用这项技术,进行产品的有关设计检验、外观评审、装配实验、动态分析、光弹应力分析、风洞实验等,成功地实现了面向市场的产品造型设计敏捷化。
而随之兴起的快速制模尤其是快速制造金属模具(RMT:
RapidMetalTooling)则是由新产品设计迅速形成高效、低成本、优质的批量生产并抢占市场的必由途径,是RPM技术进一步发展并取得更大经济效益所面临的关键课题,成为当前RPM技术研究的国际前沿。
该技术被美国汽车工程杂志评为全球15项重大技术之首,受到全球制造业的广泛关注。
快速成型技术模具制造周期仅为常规模具切削制造的1/5至1/3而成本仅为后者的1/4至1/2。
快速经济制造技术,具有制造周期短、成本低等优点,在精度和寿命方面又能满足生产上的使用要求,综合经济效益比较好,非常适用于新产品开发、样品试制、工艺验证或中、小批量生产的需要。
快速经济制造技术近几年来在国内外均得到了迅速发展,特别是随着市场经济的发展,各品种小批量产品的增多,各种新产品更新换代的周期缩短,诸多高新技术应用范围不断扩大,类型不断的增多,创造的经济效益和社会效益越来越显著。
如采用RPM原型复制石膏模具→复制铝(或锌)合金注塑模具,可生产近250g注塑件,产品精度可达±
015mm。
用RPM原型复制一种硫化硅橡胶模具,制模周期短,修模方便,成本低,可铸造高强度锌合金,铝锡合金,铝合金铸件及注塑工程塑料制件等,制件成型尺寸精度高,轮廓清晰。
(3)塑料模具的标准化和高档次模具使用。
模具在满足用户要求,使模具精益求精的基础上,价格是影响其市场占有率的一个重要因素。
企业在降低塑料模具成本方面,推广模具标准化无疑是一条必由之路。
国外对模具标准化工作十分重视,这是因为采用模具标准化不仅能有效提高模具质量、降低成本,而且能大大缩短模具生产周期,提高生产效率。
随着工业产品多品种、小批量、个性化、短周期的发展趋势日益明显,模具标准化的意义也显得更为重用。
目前我国模具标准化使用比率有所增加,初步估计在40%~50%之间,但与国际上70%~80%的比率相比还有很大差距。
日益增多高档次模具。
大致可分3个层次,一是用于汽车、飞机、精密机械的微米(um)级精密加工;
二是用于磁盘、磁鼓制造的亚微米(0.1um)级精密加工;
三是用于超精密电子器件的毫微米(0.001um)级精度加工。
目前,超精密加工已进入纳米(0.1~100um)级精度阶段。
这将使模具的技术含量不断提高,使中、高档模具比例将不断增大。
未来,模具产品向着更大型、更精密、更复杂及更经济的方向发展,模具产品的技术含量不断提高,模具制造周期不断缩短,模具生产朝着信息化、无图化、精细化、自动化的方向发展。
塑性成形技术与科学发展的总趋势是交叉综合化、数字智能化、清洁高效化和柔性集成化。
在我国经济快速发展和新技术的应用与引导下,模具在国民经济中作用愈来愈大,一定程度上将决定了我国机械制造业的市场竞争[9]。
1.4计算机辅助设计系统的发展状况和趋势
计算机辅助设计系统依靠知识库,数据库,专门的系统程序来解决各种设计问题。
计算机辅助设计系统是人工智能领域内出现的很富有实用价值的计算机程序,它主要是处理专家们积累的实际经验和知识。
与传统的计算机使用方法不同,计算机辅助设计系统能模拟专家解决问题的过程。
首先研究设计要求及各种有关事实和数据,然后应用专业知识进行反复综合与分析,最后得到用户满意的设计方案。
目前计算机辅助设计技术的发展逐渐趋向标准化、集成化、智能化、网络化。
计算机辅助设计标准体系是开发应用计算机辅助设计软件的基础,是指导标准化管理部门进行计算机辅助设计技术工作决策的科学依据,也是促进计算机辅助设计技术普及应用的手段。
CAD、CAM和CAPP系统先前都是独立发展起来的,因而有许多对同一物体的表示方式和信息描述的方式不一致,实现CAD、CAPP和CAM集成统一十分困难,因此标准化至关重要。
现有的计算机辅助设计技术在机械设计中只能处理数值型的工作,包括计算、分析与绘图。
然而机械产品的设计是一种复杂的创造性劳动,包括方案构思与最佳方案选择、结构设计、评价、决策以及参数选择等。
把计算机辅助设计技术与专家系统结合起来,形成智能化计算机辅助设计系统是计算机辅助设计技术发展的必然趋势。
目前计算机辅助设计技术已经应用于许多行业,如机械、汽车、飞机、船舶、电子、轻工、建筑、化工、纺织及服装等。
而计算机辅助设计技术应用于机械类产品设计的比例最大,机械自动设计系统在整个工程计算机辅助设计中占有十分重要的地位。
综上所述,计算机辅助设计技术近年来取得了长足的进步,但就以机械自动设计系统解决机械零件设计问题还没有完全解决,无论在理论体系研究方面,还是在处理图表数据方面,仍存在着一些未很好解决的难点,所以我们必须对机械自动设计系统进行坚持不懈的研究,使机械自动设计系统在机械工程设计的各个领域发挥越来越重要的作用。
1.5本课题研究的意义
塑料行业从起步到现在有很大的发展,水平有了较大的提高,塑料作为高分子化学和材料科学发展的重要成果,早已成为人类不可缺少的重要生产资料。
塑料制品、制件在工业生产和日常生活中得到了愈来愈广泛的应用,并且模具使工业及日常生活中的用品得到了广泛的扩大,同时也取得了显著成效。
因此大力推行模具业具有重大的意义,且掌握塑料注射模的设计是很有必要的。
1.6论文的整体结构
本论文先介绍模具工业的发展现状和今后的发展方向以及大概阐述塑料及其成型工艺性能。
通过注射模具的介绍引出本论文具体设计的塑件(CPU风扇支架)。
根据塑件确定注射模具的设计方案,包括浇注系统设计、抽芯机构设计、注塑模导向机构设计、顶出机构设计、冷却系统设计。
最后模具总体结构分析及校核、装配与调试。
第2章注塑模具介绍
2.1塑料概述
2.1.1塑料的组成
塑料的主要成分是树脂。
树脂可分为天然树脂和合成树脂,都属于高分子化合物。
广义的塑料是指具有塑性的材料。
狭义的塑料是指树脂为主要成分,以增强剂、填充剂、润滑剂、着色剂等添加剂为辅助成分,在加工过程中能流动成型的材料[5]。
2.2塑料的特性
塑料有以下的特性:
质轻,化学性稳定,不会腐蚀;
耐冲击性好;
具有较好的透明性和耐磨耗性;
绝缘性好,导热性低;
一般成形性、着色性好,加工成本低;
大部分塑料耐热性差,热膨胀率大,易燃烧;
尺寸稳定性差,容易变形;
多数塑料耐低温性差,低温下变脆,容易老化,某些塑料易溶于溶剂[4]。
2.3热塑性塑料成型的工艺特性
热塑性塑料成型的工艺特性是指其在成型加工过程中表现出来的特有性质,模具设计者必须对成型工艺有充分的了解。
具有以下性质:
1、收缩性;
2、流动性;
3、相容性;
4、热敏性;
5、水敏性;
6、应力开裂;
7、吸湿性;
8、降解;
9、玻璃化温度;
10、流长比和型腔压力[4]。
2.4注塑成型过程简介
注塑成型过程分为加料,塑化,计量,注塑充模,保压,冷却定型及脱模等几个主要步骤。
其中,塑化,注塑充模及冷却定型是决定成型周期及成型品质量的三个重要过程,分述如下:
(1)塑化是指塑料在料筒内经加热达到流动状态,并具有良好可塑性的全过程。
(2)注塑充模是指在螺杆或柱塞的挤压作用下,将已塑化均匀的塑料熔体经喷嘴,流道及浇口注入闭合模腔中的过程。
(3)冷却定型过程是指从模腔完全充满开始到取出制品前的这一阶段,按照模腔压力的变化特点,冷却定型过程又可分为保压补料,倒流和浇口冻结后的冷却三个阶段。
2.5注塑模具分类
目前,模具可分为:
(1)单分型面注射模。
模具上只有一个将动,定模分开的主分型面,成型零件分设在动定模两部分上,闭合后构成封闭的型腔。
单分型面模具又称二板模,约占全部注塑模的70%以上。
单分型面模具结构简单,操作方便,但有其局限性-除采用直接浇口外,型腔的浇口位置只能选在制品的侧面。
(2)双分型面注射模。
双分型面注射模除主分型面外,还增加了一个与主分型面平行的分型面,故又称三板模。
这种模具在采用点浇口成型或当需要在定模部分抽芯时才采用。
双分型面模具可在塑料制品的中心设点浇口,可以提高成型质量,但制造成本较高,结构复杂,开模行程也较大。
(3)侧向分型或抽芯的注塑模。
对于带有侧孔或侧凹的塑件,不能直接从模具内顶出,必须先将成型侧孔或侧凹的模具零件从塑件上的侧向分开,为此模具必须增加抽芯机构或侧向分型机构。
(4)带活动镶块的注塑模。
有些塑料件,为简化模具设计和成形方便,常常在模具中设置活动镶块,这些活动镶块成形塑件的某一部分。
(5)模具内机动脱模纹注塑模。
对于生产批量大的螺纹塑件,采用活动螺纹成型镶块在机外卸下的方法效率低,应使用模具内带传动机构的模具,使螺纹型芯或型环自动从塑件上旋下。
(6)无流道凝料的注射模。
无流道凝料模具在模具正常工作中,模具通过加热或绝热的办法,保持从塑机喷嘴到浇口之间塑料熔体保持熔融状态,这样每次注射成形后流道内均没有凝料,只需脱出制品即可[6]。
2.6注塑模典型结构
注塑模的典型结构包括:
(1)成型零部件。
是直接成型塑料件的零件,有型腔和型芯,分别成型塑料件的外形和内形,型腔和型芯可能设置在定模,也可能设置在动模,或定,动模各有一部分。
动,定模闭合后组成封闭的腔体用于成型塑料件。
由于塑料件特殊形状的需要,型腔和型芯上可能镶有各种镶块,小型芯等。
(2)浇注系统。
是注塑机喷嘴通向模具型腔的通道,一般情况下包括主流道,分流道,浇口和冷料穴四个部分,视模具的具体结构,可能没有分流道。
除主流道单独开设在一个专用零件上(主流道衬套)外,分流道,浇口,冷料穴都开设在含有型腔的相应模具零件上。
(3)导向系统。
动、定模闭合时,由导柱起导向对准作用。
导柱可安装在动模,也可安装在定模。
安装在模具另一侧的导套的作用是与导柱配合承受磨损作用,磨损后若影响到导向精度,容易更换。
导向精度要求高的模具可采用锥面导向。
此外,要求比较高的模具顶出机构上也带有导柱,保证顶出元件顶出运动的准确性。
(4)推出脱模机构。
塑件在型腔中冷却凝固后,会收缩包紧在型芯上,或黏附在型腔内,必须借助模具内的顶出机构推动其脱出模外。
脱模机构一般都设置在动模一侧,是在模具打开时动模后退至一定距离后,由注塑机顶出元件推动模具的顶出机构脱出塑件。
(5)侧向分型和抽芯机构。
对于带有侧孔侧凹塑料件的成型,模具内设有抽出侧型芯或侧向分型的机构。
侧向分型和抽芯机构也是依靠模具打开时的开模运动进行工作的,称之为机动抽芯。
应用最广泛的有斜导柱,斜滑块等机构。
此外,对于大距离抽芯,亦可采用液压抽芯,但注塑机上必须带有抽芯液压油缸。
(6)加热和冷却系统。
不同塑料成型时对模具温度要求相差甚大,大批量成型的通用塑料件和对模具温度要求不高的工程塑料塑件,一般都采用模具冷却系统来缩短成型周期,提高生产率。
冷却系统是开设在模具相应零件上的冷却流动槽道,可按塑件形状和温度分布合理布置。
(7)排气系统。
在塑料熔体注射充模的过程中,必须使型腔内原有的空气迅速地排出腔外,否则不能使型腔完全充满或会因空气的快速压缩升温而使塑件边角处烧黑,故在熔体最后充满处都开设有排气槽,排气槽的准确位置可在试模后确定。
但在许多情况下,分型面,退出元件(推杆,推管)的配合间隙足以起到排气作用,无须再专门开排气槽。
(8)其他结构零件。
注塑模除上述七个部分外,其余零件还有:
模具安装固定用的动,定模固定板,使模具由分散的零件连接成为一整体的螺钉,销钉(定位用),形成动模固定板与动模成型部分之间顶出空间的支承块,固定型芯用的固定板等[7]。
第3章CPU风扇支架加工工艺分析
3.1塑件概况
此塑件为CPU风扇支架,零件如图3.1所示:
图3.1风扇支架零件图
风扇骨架形状较为复杂,带有很多曲面造型。
产品形状中空薄壁形零件。
粗糙度和精度要求较高,不允许有明显的熔接痕、飞边等工艺痕迹。
需要一定的配合精度要求。
通过和其它材料性能对比,并考虑制造零件的使用环境,最终确定模具加工该零件。
3.2材料选择
材料:
根据塑件功能塑件材料选为ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物)。
(1)基本特性ABS无毒、无味、呈微黄色,成形的塑件有较好的光泽。
密度为1.02g/cm~1.05g/cm。
ABS有较好的抗冲击强度,且在低温下也不迅速下降。
优良好的机械强度、硬度和一定的耐磨性、耐寒性、耐油性、耐水性、化学稳定性及电器性能。
水、无机盐、碱、酸类对ABS几乎无影响。
ABS有一定的硬度和尺寸稳定性,易于成形加工。
经过调色可配成任何颜色。
其缺点是耐热性不高,连续工作温度为70℃左右,热变形温度约为93℃左右。
耐气候性差,在紫外线的作用下易变硬发脆。
(2)主要用途ABS在机械工业上用来制造齿轮、轴承、管道、电机外壳、仪表壳、仪表盘等。
汽车工业用ABS制造汽车挡泥板、扶手、加热器等。
ABS还可以制作水表壳、纺织器材、电器零件、文教体育用品、玩具、电子琴及收音机壳体、食品包装器材及家具等。
(3)成型特点ABS在升温时粘度增高,所以成型压力较高,塑件上的脱模斜度以稍大,ABS易吸水,成型加工前应尽干燥处理;
易产生融接痕,涉及模具时应尽量减少浇注系统对料流的阻力;
在正常的成型条件下,壁厚、熔料温度及收缩率影响极小。
要求塑件精度高时,模具温度可控制在50oC~60oC,要求塑件光泽和耐热时,应控制在60oC~80oC。
第4章注射模具设计方案
4.1注射机选择及注射机的校核
4.1.1选择注射机
注射机在注射成型过程中,起到对塑料塑化、对熔融物料施加注射压力的作用,并为模具的开闭、推出塑件提供动力。
模具设计时,要根据塑件的质量、几何尺寸及模具结构选定注塑机。
塑件的质量为36.1克,从注塑模和锁模力的角度考虑,90克注塑机就能满足要求,但从模具厚度和开模行程等方面考虑,90克的注塑机满足不了要求,故选用G-54-S200型注射机。
其参数如表4.1。
表4.1注射机参数
名称
单位
技术参数和规范
公称注射量
cm3
200
螺杆(柱塞)直径
mm
55
注射压力
kg/cm2
1000
注射行程
160
注射时间
s
螺杆转数
r/min
16,28,48
注射方式
螺杆式
合模力
t
254
最大成型面积
cm2
645
模板最大行程
260
模具最大厚度
406
模具最小厚度
165
4.1.2注塑机的校核
选用注射机时主要对其工艺参数(如注射量、注射压力、锁模力等)和安装参数(如开模行程、喷嘴尺寸等)进行校核。
a.注射量校核注射量是指螺杆(柱塞)一次注射塑料熔体的最大质量(g)或注射的最大容积(cm3)。
注射量是表征注射机生产能力的一个技术参数。
注射量不足时,必然导致型腔难以充满、塑件残缺;
注射量过大,又易造成溢料飞边。
选用注射机时,一般塑件的注射量不超过注塑机最大注射量的80%,
即
(4.1)
式中M————一次注射所需塑料的总质量;
N————模腔个数
Mi————单个塑件质量
Mj————浇注系统质量
Mmax————注射机的最大注射量
本设计中M=2×
31.6+20<
b.锁模力校核高压塑料熔体进入模内以后对模具型腔内外壁产生压力,即模腔压力,使模具沿着分型面有张开趋势。
锁模力必须足够大以克服这种趋势,才能避免成型时产生的飞边。
锁模力和注射量一起可以确定注塑机的型号。
一般注射机的锁模力F可以按下式校核:
T≥K×
F×
q/1000(4.2)
式中T————注射机额定锁模力(吨);
k————安全系数,通常取1.1~1.2;
q————熔融塑料在摸腔内的压力(㎏/mm2);
F————塑件在分型面上的投影面积(mm2);
本设计中F=1.2×
300×
8.0×
8.0/1000=23.04<254
c.注射压力校核注射压力是为了克服熔体流经喷嘴、浇道、型腔时的流动阻力,注射机的螺杆(柱塞)对熔体施加的压力。
所需注射压力的大小与模具结构、塑件形状、塑料的性能、塑化温度及模具温度有关。
注射机最大注射压力必须大于注射成型所需的压力。
d.开模距离与推出机构校核开模距离指开模过程中,注射机动模固定板的移动距离。
注射机的开模距离限制了模具所能成型的塑件高度,开模距离过短则无法保证塑件顺利脱模;
模具的开模距离还与塑件所需的推出距离、浇道和浇口凝料的取出距离等因素有关,取出塑件所需的开模距离必须小于注射机的最大开模行程。
e.其它参数校核模具装配到注塑机上还有一些安装尺寸需要相互匹配。
模具外形尺寸应小于注射机拉杆距离,否则模具无法安装到注射机上。
浇口套球面半径R与孔径D应略大于注射机的喷嘴相应尺寸r和d,满足关系式:
R=r+(1~2)mm
D=d+(0.5~1)mm
注射机的模板布置许多具有一定间距的螺孔,用螺钉固定模具时,模具动、定模的螺钉过孔尺寸和间距必须与注射机螺孔相匹配。
模具上的水嘴、油嘴规格尺寸应与注射机上的水管、油管相一致。
经验证,该注塑机的各参数均符合要求。
4.2成型零部件设计
4.2.1成型零部件分类及结构
模具零件按其作用可分为成形零件和结构零件。
成形零件如凸模(型芯),凹模(型腔镶块)。
成形杆,螺纹成形杆及型环等。
结构零件如导柱与导套,斜导柱,滑块及锁紧零件,浇口套,定位环,顶杆,复位杆,推管,脱件板,等等。
成行零件在工作时是直接与塑件接触,并成形塑件的,其形状复杂,精度与光洁度要求较高。
因此,在选择结构时要既考虑保证成形塑件,又要便于加工制造。
由于成型零件的质量直接影响到数件的质量,且与高温高压的塑料熔体接触,所以必须具备以下条件:
(1)具有足够的强度和刚度,以承受塑料熔体的高温高压。
(2)具有足够的硬度和耐磨性,以承受流料的摩擦和磨损。
(3)具有良好的抛光性能和耐腐蚀性。
(4)零件的加工性能好,可淬性好,热处理变形小。
型腔结构形式:
(1)整体式结构,适用于形状简单加工容易的型腔。
(2)整体嵌入式,可节约模具材料,降低成本。
(3)局部苒镶式,用于局部加工较难时的情况。
(4)四壁合拼式,用于尺寸较大,易热处理变形的模具。
型芯设计:
(1)整体式型芯形状简单时,型芯与模板做成一体
(2)嵌入式型芯主要用于圆形,方形等形状比较简单的型芯。
通常采用两种方法:
型芯带有凸肩,型芯嵌入固定板的同时,凸肩部分沉入固定板的沉孔部分,再垫上垫板,并用螺钉将垫板与固定板连接。
另一种嵌入方法是固定板上加工出盲沉孔,型芯嵌入盲孔后用螺钉直接与固定板连接。
(3)异形型芯结构式
本设计采用嵌入式的第二种方法,即在固定板上加工出盲沉孔,型芯嵌入盲孔后用螺钉直接与固定板连接。
型芯与动、定模板采用过渡配合,配合选用H7/K6。
型芯如图4-1,4-2所示:
图4.1上模板
图4.2下模板
4.2.2成型尺寸计算
成形收缩率指室温时塑件与模具型腔两尺寸的相对差。
(4.3)
式中S——塑料成型收缩率
D——模具成型零件的理想尺寸
M——塑件制品的理想尺寸
查得塑件ABS的收缩率为0.4%~0.6%,则可取平均SCP为0.5%,则
塑件的尺寸和精度主要取决于成型零件的尺寸和精度,因而成型尺寸的计算和精度就变的非常重要,由于制品尺寸不大,在计算型芯和型腔径向尺寸时,修正系数X取3/4,在计算高度和深度尺寸时,X取2/3,将型芯和型腔各处工作尺寸的制造公差按制品公差的1/3取值。
型腔径向尺寸
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