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尤其是塑料模具,在所有模具的总产量中所占的比例越来越大,对经济的发展起着十分重要的作用。
近年来塑料成型模具的产量和水平发展十分迅速,在工业生产中对塑料模具的要求是:
能高效地生产出外观和性能均符合使用要求的制品。
它包括三个方面的内容。
第一,制品方面要求精度高,外观美,性能好。
第二,制造方面要求结构合理,容易制造,而且成本要低。
第三,使用方面要求操作简单方便,效率高,容易实现自动化,还有维护保养方便。
随着模具设计与制造技术的迅猛发展,塑料成型模具将趋向于高效率、自动化、大型、精密、长寿命的方向发展。
本次设计的题目是“电热水器外壳模具设计”,其内容为:
(1)塑件外形设计:
以我们常用电热水器为设计样品,先观察制品,再进行测量获得数据,得出设计方案和草图。
(2)制品总装结构及零件的结构设计:
包括结构尺寸,尺寸公差及配合等。
(3)制品结构零件的成型工艺及成型模具设计:
包括制品的工艺分析,工艺计算,模具结构设计等。
(4)独立地完成设计任务,图纸整洁,标注等符合国标,准时完成任务。
第二章塑件结构分析
图2-1电热水器外壳3D图
图2-2电热水器外壳俯视图
图2-3电热水器仰视图
塑件为电热水器外壳,结构较为简单,表面粗糙度要求较低。
滑块
塑件的侧面有通孔,需要侧型芯,因此使用滑块。
如下图所示:
图2-4滑块剖视图
第三章制品材料选择
通用塑料如聚丙烯PP,聚乙烯PE,聚氯乙烯PVC具有应用范围广、加工性能良好,价格低廉的优点,但由于其力学性能较差且成型收缩率较大不易成型尺寸稳定的制品故不选用,以下拿三种常用典型材料比较选取。
3.1丙烯腈—丁二烯—苯乙烯三元共聚物(ABS)
ABS外观上是淡黄色非晶态树脂,密度与聚苯乙烯基本相同。
ABS具有良好的综合物理力学性能,耐热,耐腐,耐油,耐磨、尺寸稳定,加工性能优良,它具有三种单体所赋予的优点。
其中丙烯腈赋予材料良好的刚性、硬度、耐油耐腐、良好的着色性;
丁二烯赋予材料良好的韧性、耐寒性;
苯乙烯赋予材料刚性、硬度、光泽性和良好的加工流动性。
改变三组分的比例,可以调节材料性能。
ABS为无定形聚合物,无明显熔点,熔融流动温度不太高,随所含三种单体比例不同,在160~190℃范围即具有充分的流动性,且热稳定性较好,在约高于285℃时才出现分解现象,因此加工温度范围较宽。
ABS熔体具有明显的非牛顿性,提高成型压力可以使熔体粘度明显减小,粘度随温度升高也会明显下降。
ABS吸湿性稍大于聚苯乙烯,吸水率约在0.2%~0.45%之间,但由于熔体粘度不太高,故对于要求不高的制品,可以不经干燥,但干燥可使制品具有更好的表面光泽并可改善内在质量。
在80~90℃下干燥2~3h,可以满足各种成型要求。
ABS具有较小的成型收缩率,收缩率变化最大范围约为0.3%~0.8%,在多数情况下,其变化小于该范围。
注塑是ABS塑料最重要的成型方法,可以采用柱塞式注塑机,但更长采用螺杆式注塑机,后者更适于形状复杂制品、大型制品成型[5]。
3.2聚苯乙烯(PS)
聚苯乙烯是无色无臭的透明刚硬固体,制品掷地时有金属般响鸣。
聚苯乙烯透光率不低于80%,雾度约为3%,折射率较大,在1.59~1.60之间,具有特殊光亮性,但储存时易泛黄。
泛黄原因之一是单体纯度不够,特别是在含有微量元素时;
二是聚合物在空气中缓慢老化引起发黄。
聚苯乙烯较轻,密度在1.04~1.065之间。
①力学性能聚苯乙烯在热塑性塑料中属于典型的硬而脆塑料,拉伸、弯曲等常规力学性能皆高于聚烯烃,拉伸时无屈服现象。
②热学性能聚苯乙烯分子链虽是刚性链,但由于是无定形结构,超过玻璃化温度即开始软化,软化点仅95℃左右,许多力学性能都受到温度升高的明显影响。
最高连续使用温度仅60~80℃。
120℃开始成为熔体,180℃后开始具有流动性,其热稳定性较好,超过300℃才开始分解,因此聚苯乙烯具有较高的成型加工区间。
3.3双酚A型聚碳酸酯(PC)
双酚A型聚碳酸酯是无色或者微黄色透明的刚硬、坚韧固体。
①力学性能
双酚A型聚碳酸酯是典型的硬而韧聚合物,具有良好的综合力学性能。
拉伸、压缩、弯曲强度均相当于聚酰胺6、聚酰胺66,冲击强度高于所有脂肪族聚酰胺和大多数工程塑料,抗蠕变性也明显优于聚酰胺、聚甲醛。
力学性能方面缺点是耐疲劳性较差,缺口敏感性较明显。
②热性能
有良好的耐热性,玻璃化温度较高,高于所有的脂肪族聚酰胺,熔融温度略高于聚酰胺6但低于聚酰胺66,热变形温度和最高连续使用温度均高于绝大多数脂肪族聚酰胺,也高于几乎所有的热塑性通用塑料。
在工程塑料中,他的耐热性优于聚甲醛、脂肪族聚酰胺和PBT,与PET相当,但逊于其他工程塑料。
聚碳酸酯具有良好的耐热性,脆化温度为-100℃。
PC剪切黏度高,充模阻力大,并且由于其在力学性能方面的缺点也不选用。
表2.1:
三种材料性能参数表
ABS
PS
PC
密度
1.05
1.04~1.06
1.18~1.20
收缩率
0.3~0.8
0.2~0.8
0.5~0.7
熔点
130~160
131~165
220~240
热变形温度(45N/cm²
)
65~98
65~90
132~138
模具温度
60~80
40~60
85~120
喷嘴温度
180~190
160~170
250~300
中段温度
180~230
170~190
270~320
后段温度
150~170
140~160
250~270
注射压力
60~100
50~110
塑化形式
螺杆式柱塞式
拉伸强度
33~49
35~63
60~66
拉伸弹性模量
1.8
2.8~3.5
2.3
弯曲强度
80
61~98
105~113
弯曲弹性模量
1.4
-
1.54
压缩强度
18~39
80~112
85
缺口冲击强度
11~20
0.25~0.40
不断
硬度
R62~86
洛氏M65~80
11.7HB
体积电阻率
1016
1017~1019
1015
介电常数
60Hz2.4~5.0
106Hz≥2.7
60Hz3.0
击穿电压
19~27
20~30
外观
浅象牙色或白色不透明
无色透明、摔打音清脆
透明微黄
特点
耐热、表面硬度高、,尺寸稳定、耐化学及电性能好,易成型加工,可镀铬
耐水、耐化学品、绝缘性好、不耐冲击不耐温
透明度高、硬而韧、高抗冲、尺寸稳定性优电绝缘性和耐热性好、耐开裂耐药品性差
材料最终选定为ABS,其综合性能优异,具有较高的力学性能,流动性好,易于成型;
成型收缩率小,理论计算收缩率为0.05%;
溢料值为0.04mm;
比热容较低,在模具中凝固较快,模塑周期短。
制件尺寸稳定,表面光亮。
3.4ABS成型塑件的主要缺陷及消除措施:
主要缺陷:
缺料、气孔、飞边、出现熔接痕、塑件耐热性不高(连续工作温度为70°
C左右热变形温度约为93°
C)、耐气候性差(在紫外线作用下易变硬变脆)。
消除措施:
加大主流道、分流道、浇口、加大喷嘴、增大注射压力、提高模具预热温度。
3.5ABS的注射成型工艺参数
(1)注射机:
螺杆式
(2)螺杆转速(r/min):
30——60(选30)
(3)预热和干燥:
温度(°
C)80——85
时间(h)2——3
(4)密度(g/cm³
):
1.02——1.05
(5)材料收缩率(℅):
0.3——0.8
(6)料筒温度(°
C):
后段150——157
中段165——180
前段180——200
(7)喷嘴温度(°
170——180
(8)模具温度(°
50——80
(9)注射压力(MPa):
70——100
(10)成形时间(S):
注射时间20——90
高压时间0——5
冷却时间20——120
总周期50——220
(11)适应注射机类型:
螺杆、柱塞均可
(12)后处理:
方法红外线灯、烘箱
温度(°
C)70
时间(h)2——4
3.6注塑机型号的初选
除了模具的结构、类型和一些基本参数和尺寸外,模具的型腔数、需用的注射量、塑件在分型面上的投影面积、成型时需要的合模力、注射压力、模具的厚度、安装固定尺寸以及开模行程等都与注射机的有关性能参数密节相关,如果两者不相匹配,则模具无法使用,为此,必须对两者之间有关数据进行较核,并通过较核来设计模具与选择注射机型号。
有关塑件的计算
体积=9079.305469148mm^3
曲面面积=14465.578720876mm^2
质量=0.071096727kg
注射机型号
塑件的体积应该小于或者等于注射机的注射量。
其关系式为:
V件≤0.8V注
V注——注射机的注射量
所以:
V注≥V件÷
0.8=11349.125mm3=11.3cm3
由于模具是一模一穴,所以模具塑件的总体积V总=11.3cm3
估算浇注系统的凝料体积V凝料=0.5×
V总=0.5×
11.3=5.65cm3
所以估算的总体积为V=11.3+5.65=16.95cm3
由《模具设计指导》表6-2热塑性塑料注射机型号与主要技术规格中,根据以上所得出的体积和模具高度选择,初步选XS-Z-30(卧式)注射机。
具体注射机规格如下:
根据塑件的体积初步选定用XS-Z-60(卧式)型注塑机。
SZ-60/40(卧式)型注塑机的主要技术规格如下表:
表3-1注塑机的主要参数
理论注射容积(cm³
60
螺杆直径(mm)
30
注射压力(MPa)
180
注射速率(g/s)
70
塑化能力(g/s)
35
螺杆转速(r/min)
0—200
锁模力(kN)
400
拉杆有较距离(mm)
220×
300
移模行程(mm)
250
模具最大厚度(mm)
模具最小厚度(mm)
150
锁模形式
双曲肘
模具定位孔直径(mm)
¢80
喷嘴球半径(mm)
SR10
喷嘴口孔径(mm)
¢3
模板尺寸(mm)
200×
315
第四章注射模的结构设计
注射模的结构设计包括:
分型面的选择、模具型腔数目的确定及型腔排列方式和冷却水道布局以及浇口位置的设置、模具工件零件的结构设计、侧向分型与抽芯机构的设计等内容。
4.1分型面的选择
如何确定分型面,需要考虑的因素比较复杂。
由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件的结构工艺性及精度、嵌件位置形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种因素的影响,因此在选择分型面时应综合分析比较,从几种方案中优选出较为合理的方案。
选择分型面时一般应遵循以下几项原则:
1)尽量避免侧凹或内凸,尽量选用平面垂直分型面。
2)尽量采用简单分型面。
3)分型面应选在塑件外形最大轮廓处。
4)便于塑件顺利脱模,尽量使塑件开模时留在动模一边,有利于设推出机构。
5)保证塑件的精度要求。
6)满足塑件的外观质量要求。
7)便于模具加工制造。
8)把抽芯或分型距离长的置于开模方向上。
9)对成型面积的影响。
10)对排气效果的影响。
11)分型面设在台阶或转角处,以免显现分型痕迹。
根据以上原则和结合实际情况下,本设计选用如下图所示分型面:
图4-1分型面位置
4.2确定型腔的数量及排列方式
该塑件采用一模一腔成型,这样有利于浇注系统的模具平衡。
排列方式如下图所示:
图4-2型腔排列
4.3模架的选择
根据产品排布后所得的型腔大小和使用点浇口,选用了龙记的简化型细水口FCI-4040-A100-B70-C120型模架,如下图所示:
图4-3龙记FCI型模架
第五章浇注系统的设计
浇注系统直接影响到塑件的成型效果,设计时应遵循以下原则:
(1)塑料成型特性
(2)塑件大小和形状
(3)模具成型塑件的行腔数
(4)塑件外观
(5)成型效率,冷料
(6)应防止型芯变形和嵌件位移
(7)应有利于排气
该塑件选用的材料的ABS,而它的缺陷为缺料、气孔、飞边、出现熔接痕、塑件耐热性不高。
所以该模具选择了点浇口的进浇方式,塑料注射时,在点浇口以高速注入型腔,一部份动能转变为热能,因此塑料在会合时的热量损耗比侧浇口少,所以会合处熔合较好,熔接痕不太明显,这样可以使材料出现熔接痕的缺陷得以减轻。
其缺点是塑件的正面将留下点烧口的痕迹,影响塑件的美观,不过该产品需要进行后处理,所以该问题可以在后处理中解决。
第六章主流道设计
浇注系统设计是否合理不仅对塑件性能、结构、尺寸、内外在质量等影响很大,而且还与塑件所用塑料的利用率、成型生产效率等相关,因此浇注系统设计是模具设计的重要环节。
对浇注系统进行总体设计时,一般应遵循如下基本原则:
1)了解塑料的成型性能和塑料熔体的流动特性
2)采用尽量短的流程,以减少热量与压力损失
3)浇注系统设计应有利于良好的排气
4)防止型芯变形和嵌件位移
5)便于修整浇口以保证塑件外观质量
6)浇注系统应结合型腔布局同时考虑
7)流动距离比和流动面积比的校核
主流道如下图所示:
图6-1主流道图
第七章分流道设计
分流道的设计原则
1)尽量保证各型腔同时充满,并均衡地补料,以保证同模各塑件的性能、尺寸尽可能一致。
2)各型腔之间距离恰当,应有足够空间排布冷却水道、螺钉等,并有足够截面积承受注塑压力。
3)分流道的断面和长度设计,应在保证顺利脱模的前提下,尽量取小,尤其对于小型塑件更为重要,有利于降低浇注系统凝料的重量。
4)型腔和浇注系统投影面积的重心应尽量接近注塑机锁模力的中心,一般在模板的中心上。
5)分流道的表面不必很光,表面粗糙度一般为1.6um即可,这样可以使熔融塑料的冷却皮层固定,有利于保温。
6)当分流道较长时,在分流道末端应开冷料穴,以容纳冷料,保证塑件的质量。
7)分流道与浇口的连接处要以斜面或圆弧过渡,有利于塑件的流动及填充。
否则会引起反压力,消耗功能。
8)分流道的布置形式:
分流道的布置形式,取决于型腔的布局,其遵循的原则应是,排列紧凑,能缩小模板的尺寸,减小流程,锁模力求平衡。
分流道如下图所示:
图7-1分流道
第八章浇口设计
浇口直接与塑件相连,把塑料熔体引入型腔。
浇口是浇注系统的关键部位,浇口的形状和尺寸对塑件质量影响很大,浇口在大多数情况下是整个流道中断面尺寸最小的部分,对充模流动起着控制作用,成型后制品与浇注系统从浇口处分离,因此其尺寸又影响着后加工工作量的大小和塑件的外观。
本设计根据塑件的成型要求及型腔的排列方式,选用点浇口较为理想。
这类浇口进胶点小,痕迹小,不会影响外观;
浇口小,摩擦力大,熔料温度高,利于流动,塑件表面质量好;
浇口塑件易分离,可实现自动化生产。
浇口如下图所示:
图8-1浇口
第九章推出系统的设计
塑件底面是平面,采用13根直径为8的顶针推出。
顶针分布如下图所示:
图9-1顶针分布图
滑块设计如下图所示:
图9-2滑块设计图
第十章冷却系统的设计
注塑模具型腔壁的温度高低及其均匀性对成型效率和制品的质量影响很大,一般注入模具的塑料熔体的温度为200℃~300℃,而塑件固化后从模具中取出的温度为60℃~80℃以下,视塑料的品种不同有很大差异。
为了调节型腔的温度,需在模具内开设冷却水通道,通过模具调节机调节冷却介质的温度。
模具冷却系统的设计原则:
(1)冷却水通道的设置,在动定模和型腔的四周应均匀地布置冷却水道,不可只布置在模具的动模和定模边,否则开模后的制品一侧温度高一侧温度低,在进一步冷却时会发生翘曲变形。
(2)冷却水孔的布置,理想情况下,管壁间距离不得超过水孔直径的5倍,水管壁离型腔表面不得太近也不能太远,一般不超过管径的3倍。
(3)降低入水与出水温度差,如果出入水温度相差过大,会使模具温度分布不均匀。
(4)冷却系统的水道尽量避免与模具上其他机构发生干涉现象。
冷却系统的结构形式:
根据塑料制品形状及其所需的冷却效果,冷却回路可分为直通式、阶梯式、圆周式、螺旋线式、喷射式、隔板式等,同时还可以互相配合,构成各种冷却回路。
简单流道式即通过在模具上直接打孔,并通过以冷却水而进行冷却,是生产中最常用的一种形式。
本次设计的塑件为中小型模具,所以在本设计可以设置圆周式冷却系统,使模具在生产时得到充分而均匀的冷却,从而使产品的成型效果更好。
图10-1冷却水路俯视图
图10-2冷却水路运行效果图
第十一章型腔和型芯工作尺寸的计算:
常用型腔成型尺寸的计算方法主要有两种:
平均收缩率法和公差带法,两种计算方法的区别在于平均收缩率法计算公式是建立在塑件的成型收缩率和成型零件工作尺寸的制造偏差及其磨损量分别等于它们各自平均值基础上,当塑件的尺寸精度要求较高或塑件尺寸比较大时,这种误差有可能会显著增加,这时一些模具设计单位
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