隐形眼镜盒的注塑模具设计.docx
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隐形眼镜盒的注塑模具设计
摘要
塑料模具是塑料工业生产过程中利用特定形状,通过特定的方式来成型塑料制品的一种生产工艺装备。
模具的设计与制造技术,特别是设计与制造大型、精密、长寿命模具的技术,已成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志。
本文是隐形眼盒的结构选择及其注塑模具结构的分析,隐形眼镜盒属于日常生活用品,所用原料是当前应用较为广泛的热塑性塑料ABS。
该隐形眼镜盒具有:
结构简单,外形美观;表面光滑,粗糙度小;结构强度高,经久耐用等特点。
本文研究内容为:
使用Pro/ENGINEER软件的零件制造模块设了计眼镜盒结构形状;用Pro/ENGINEER软件的模具制造模块对眼镜盒进行模具装配;分析了眼镜盒分型面并设计出了模具浇注系统;对模具的动、定模板进行了开模设计;用EMX软件对设计好的模具进行了模架的总装配并对装配好的模具进行了开模测试分析。
设计使用Pro/ENGINEER制图软件对隐形眼镜盒模具进行设计,实现了隐形眼镜盒及其模具结构的成功设计和分析。
设计结果的模具开模测试证明模具具有良好的可行性与经济性,与传统的设计方法相比,这种设计方法不仅提高了生产效率,同时提高了产品的质量,模具结构整体设计思路和要求符合现代模具设计潮流,符合现代模具设计的发展趋势。
关键词:
模具;注塑成型;模具设计;注塑模具;Pro/ENGINEER软件;隐形眼镜盒
ABSTRACT
Plasticmoldisakindofcraftequipmentintheplasticindustrialproductionwhichusesthespecificshapeandshapesplasticproductsthroughcertainway.Themolddesignandmanufacturingtechnology,specially,thedesigningandmanufacturingthelarge-scale,preciseandlong-lifemoldhasbecomeanimportantsymbolofthelevelofanationalmechanicaldesignandmanufacture.Thisarticleisstructureselectionandinjectionmoldstructureanalysforthecontactlensesbox.ThisproductisakindofdailynecessitiesanditsmaterialisthermoplasticABS.ABSisakindofmaterialwhichiscurrentusedquitewidespread.Itsproductionbatchisthemassproductionandhasthecharacteristics:
simplestructure,beautifulappearance;smoothsurface,alsothesurfaceroughnessissmall;highstrengthanddurabilityoftheproduct.
Thedesignfortheresearchcontent:
usingPro/Esoftwarepartsmanufacturingmodulesetplancontactlensesboxstructureshape;withPro/Esoftwaremoldmanufacturemoduletothecontactlensesboxforthemoldassembly;analyzesthecontactlensesboxofpartingsurfaceanddesignsamoldcastingsystem;themovetomoldandsetthetemplatefortheopenmolddesign;withEMXsoftwaretodesignmoldoftheformworktotalassemblyandtotheassemblymoldcavitytestanalysis.
ThedesignusingPro/edrawingsoftwaretoinvisiblecontactlensesboxofmolddesign,realizesthecontactlensesboxofthesuccessofthemolddesign.Thedesignofthemoldcavitytestresultsprovethatmoldhasgoodfeasibilityandeconomicalefficiency.Comparedwiththetraditionaldesignmethod,thiskindofdesignincreasesproductivityandproductquality.Theoveralldesignmentalityandrequestconformtothemoderndesigntidalanddevelopmentdirectionofthefuture.
Keywords:
Mold;PlasticMolding;MoldDesign;InjectionMolding;Pro/ENGINEER;ContactLensesBox
3.3.2注射机锁模力的校核17
第1章绪论
1.1课题背景与研究意义
塑料具有很多优良的性能和特点,近几年来塑料材料在很多领域得到了越来越广泛的应用。
与此同时塑料模具的设计与制造也得到了空前的发展,特别是塑料注塑模具,由于成型效率高,易于成型结构复杂的塑料制件,而且可实现自动化生产,所以得到了迅速发展,新的设计理念不断更新,传统的设计方法不断被取代,塑料模具已成为模具行业的重要组成部分。
注塑模具在注塑成型工艺中起着重要的作用,不仅塑料制品的产品质量、成型精度完全由模具的质量决定着,生产效率也受模具影响[1]。
注塑成型工艺是塑料成型工艺的一种重要方法,近几年,注塑成型工艺发展得非常之快,不仅热塑性塑料可以用注塑成型生产,一些热固性塑料也可以用于注塑成型工艺来生产。
注塑成型工艺具有产品质量稳定、效率高等特点。
多色注塑成型工艺还为塑件提供各种各样的颜色,用来生产出多色美观的塑料制品。
此外注塑成型工艺还有成型尺寸精确、周期短、能一次成型外形复杂或带有嵌件的塑料制件。
在注塑成型工艺应用和发展如此快速的条件下,模具作为注塑成型工艺必不可少的装备,具有重要的经济意义和研究价值。
1.2模具的概念及其应用
1.2.1模具
模具是制造领域中不可或缺的特殊基础装备,模具主要应用于高效批量生产工业产品中各种零部件,是装备制造业的重要组成部分。
模具产业关联度高,资金、技术密集,是制造业中有关行业产业升级和技术进步的重要保障之一。
简而言之,模具是用来成型制件的工具,模具主要是通过改变所成型材料的物理状态来实现物品外形的加工[2]。
按成型材料的不同,模具可分为金属模具和非金属模具。
金属模具又分为冲压模具、铸造模具和锻造模具等;非金属模具分为塑料模具和无机非金属模具。
而按照模具本身材料的不同,模具又可分为:
砂型模具、金属模具、真空模具、石蜡模具等。
其中,随着高分子塑料的快速发展,塑料模具与人们的生活联系越来紧密,塑料模具也成了现代模具行业的重要组成部分。
塑料模具一般可分为:
注塑成型模具、挤塑成型模具、气辅成型模具等。
注塑模具是注塑成型工艺中生产某些形状复杂塑料部件时用到的一种模具,是注塑成型工艺中必不可少的装备。
所谓注塑成型是指,受热熔融的材料由高压从料筒喷嘴射入模腔,经冷却固化后,得到成型塑件的方法。
该方法适用于形状复杂塑料制件的批量生产,是塑料成型工艺中重要的加工方法之一[3]。
1.2.2模具在国民经济中的重要作用及地位
模具是工业生产中重要的特殊基础工艺装备,其生产和设计过程集精密制造、计算机技术、智能控制和绿色制造为一体,既是高新技术产品,又是高新技术的载体。
由于使用模具生产制件具有的高一致性、高生产效率、节能减材性,以及拥有较高的精度和复杂度,因此模具技术已越来越被国民经济各工业生产部门所重视,被广泛应用于电子、汽车、机械、航空、信息、轻工、航天、交通、军工、医疗、生物、建材、能源等制造领域。
模具技术在我国的经济发展、国防现代化和高端技术服务中起到了重要的支撑作用,也在我国经济运行中为节能降耗做出了重要贡献。
模具工业是重要的基础工业,没有高水平的模具技术就没有高水平的工业产品。
正是因为模具在制造业中的具有如此重要的地位,模具制造业才一直受到世界各工业发达国家的高度关注和重视,事实上,模具的设计和制造本身就已经成为制造业的一个重要领域。
由于模具自身具有无法替代的特点,现代模具企业大多体现出技术密集、资金密集和高素质劳动力密集以及高社会效益的特点。
模具制造业已成为高新技术制造产业的重要组成部分,模具工业发展水平已经成为衡量一个国家制造业水平重要标志,也成为一个国家的工业产品保持国际竞争力的重要保证之一,因此模具也被人们誉为“现代工业之母”[4]。
1.3国内外模具工业发展现状与发展趋势
1.3.1国外模具工业发展概况
1.日本模具业
目前,日本的模具制造技术水平处于世界领先地位。
据日本通产省工业统计表明,日本共有模具生产厂家约10000家,其中20人以下的厂家占91%以上,即日本模具业以中小企业为主,主要靠专业化分工来完成高质量的模具设计和加工。
由于日本的专业化分工做得好,中小模具企业的整体制造水平高,得以使“日本制造”的模具成为一种品牌,成为优质模具的象征。
近年来,日本的塑料模具、粉末冶金模具、压铸模具发展明显,冲压模具和锻造模具则呈减少趋势[5]。
据调查,日本模具业目前面临五大难题:
缩短交货期、降低制造成本、提高模具质量和精度、劳动力不足。
针对这种状况,日本的许多模具厂家都在积极扩大设备的投资。
在加工方面,大量采用无人看管的加工单元,或者通过计算机进行联机控制。
在设计制造部门几乎全部采用CAD/CAM/CAE技术,进行动作仿真分析、DNC(直接数字控制)加工。
模具的技术开发向高速度、高精度、长寿命、大型、复杂、一体化和高性能等诸方面发展。
2.美国模具业
美国现有约7000家模具企业,90%以上为少于50人的小型企业。
由于工业化的高度发展,美国模具行业早已是成熟的高技术产业,处于世界前列。
美国模具钢已实现标准化生产供应,模具设计制造普遍应用CAD/CAM/CAE等计算机技术,加工工艺、检验检测配套了大量先进设备,复杂、大型、长寿命、精密、高性能模具的发展水平在全世界处于领先水平。
3.德国模具业
德国一向以精湛的加工技术和出产精密器械而著称,其模具业也充分体现了这一特点。
德国的模具制造厂商形成了一个共识,即全行业必须协调一致、群策群力,挖掘开发潜力,共同发扬创新精神,共同技术进步,取长补短,发挥好整体优势,才能取得行业的成功。
此外,为适应当今新产品快速发展的需求,在德国不仅大公司建立了新的开发中心,许多中小企业也都建立了自己的开发中心,主动为客户做研发工作。
在研究方面德国人也一直十分活跃,这也成为“德国制造”在国际市场上保持有力竞争力的重要基础之一。
在激烈竞争中,德国模具行业多年保持住了在国际市场中的强势地位,出口率一直稳定在33%左右。
据德国模具行业组织(德国机械制造商联合会(VDMA)工模具协会)统计,德国现有模具企业约5000家,2003年德国模具产值达48亿欧元。
其中(VDMA)会员模具企业有90家,这90家骨干模具企业的产值就占德国模具产值的90%。
4.新加坡模具产业
新加坡是一个人口只有300万的小国,而在上世纪80到90年代,政府非常重视和支持精密模具的发展,出台了很多政策,使模具工业得到快速增长,促进了新加坡经济的快速发展。
新加坡拥有生产各种类型模具及精密加工相关企业超过1000多家,模具年产值超过45亿人民币,在亚洲模具业中具有相当重要的影响力和作用,模具企业中上市的有10多家。
新加坡65%以上企业生产的模具都是为电子相关业配套,生产的模具不是大型的,但都是高精密、高水平的模具。
新加坡模具企业主要集中在半导体框架/封装模具、塑胶模具、五金冲压模具、硅橡胶模具等领域。
1.3.2国内模具工业发展现状
我国政府对模具工业和模具技术的发展十分重视,特别是改革开放以来,政府充分肯定了模具工业和技术在制造业和国民经济中的重要地位。
我国于1984年成立了中国模具工业协会,并在“六五”、“七五”计划中专项支持,“八五”科技开发计划中,先进制造技术列在第一位,而模具的设计和制造技术又列在先进制造技术的第一位。
在此期间,国家投入上千万元的研发费用,加上地方和企业自筹,研发经费超过上亿元,收获近百项技术成果,从此大大缩短了我国与世界发达国家之间的技术差距。
改革开放以来,在模具产业发展政策上我国政府也给与多方面的优惠支持,我国模具工业的面貌发生了根本性的变化[6]。
1.我国的模具工业从基本上是以企业内部自产自配为主,为附属于产品生产的工装行业,发展成了有相当规模的、具有高技术行业特征的技术密集型、资金密集型装备制造产业。
2.我国模具生产从传统的主要以钳工师傅为主导的技艺型手工生产方式进入到了普遍采用数字信息化设计生产的现代化工业生产的时代。
3.我国模具行业已从单一的公有制企业形式发展成为以民营企业为主、多种所有制企业共存的新格局。
4.制造业的发展带动了模具工业的发展,模具工业的发展给予制造业强而有力的支撑。
现在,我国不仅已成为制造业大国,也成为模具生产大国,2008年模具销售额接近950亿元,2010年模具总销售额已接近1000亿元,模具进口近20亿美元,仍连续四年保持约20亿美元的进口水平,模具出口近19亿美元,进出口基本持平。
模具出口目的地最多的地区和国家为香港、美国、日本、德国、印度等;出口的模具按货源地分主要来自广东、浙江和江苏,其次为上海、山东、天津、福建、辽宁、北京和吉林;模具进口货源地最多的国家和地区为日本、韩国、德国、台湾省、美国。
进口目的地主要的广东、江苏和上海,其次是天津、北京、辽宁、吉林、福建、山东和浙江。
全国模具生产企业、厂家超过3万家,模具行业从业人员近100万人。
5.模具产品结构更趋合理化。
模具分为10大类,主要有冲压模、铸造模、压铸模、锻模、注塑模、橡胶轮胎模、玻璃模等。
我国模具类目前的结构比例中塑料模约占43%,冲压模所约占37%,铸造模(包含压铸模)约10%,锻模、轮胎模、玻璃模等其他类模具约占10%,与工业发达国家的模具类别比例大致相同[7]。
1.3.3塑料模具发展现状
目前,我国的塑料总消费量已居世界首位,但人均消费量仅为工业高发达国家的1/7,为中等工业发达国家的1/4。
数据分析来看,一方面反映出我国与发达国家之间存在的差距,但另一方面也展现了我国塑料工业和塑料模具产业巨大的发展空间。
塑料模具在塑料成型加工中占有非常重要的地位,塑料模具的发展是随着塑料工业的发展而发展的。
近年来,随着人们对各种设备的用品轻量化及美观和手感的要求越来越高,这就为塑料制品的发展提供了广阔的市场空间。
塑料制品要发展,必然要求塑料模具产业也跟随着发展。
近年来,工业电气、建筑材料、汽车、家电、办公用品、电子通讯等塑料制品主要行业都高位运行,发展迅速,因此,塑料模具得到了快速发展。
从2007年以来,我国(不包括港澳台)塑料模具销售额逐年增加,其发展速度之快,连续三年年均增长约22%,比模具行业总体发展速度高出约三个百分点,然而这样快的发展速度还是跟不上市场的需求,2005年至2007年国产塑料模具在国内市场中的满足率分别只有约62.2%,73.3%,78.4%,虽然满足率在逐年提高,但进口的塑料模具目前仍占我国市场的20%以上[8],国内塑料发展仍有巨大的空间。
随着塑料产业的快速发展,近年来我国塑料模具有了很大的进步,特别是塑料注塑成型及其模具设计和制造得到了飞速发展。
注塑成型生产工艺在塑料成型中比重已超过50%,塑料注塑模具的设计和制造也成为了模具工业的重要的组成部分。
注塑工艺具有其他成型工艺无法比拟的优点,其最大优点是可以使系列产品集成化。
由于使用注塑工艺生产的产品几乎没有磨损,只存在小公差,所以生产出来得产品并不需要进一步的调整。
注塑成型的自动化生产使产品成本大大降低,几乎不会造成原料的浪费[9]。
生产工程塑料制品的主要方法是注塑成型,所以塑料成型模具成为必不可少的装备,完善和提高注塑模具的设计和制造水平具有重要的作用。
注塑模具设计也是一个复杂的过程,包括对多个领域信息和活动的了解,往往又需要很多创新,同时涉及概念阶段的设计和具体问题的解决方式。
模拟的注塑模具设计从功能的角度来看,是具有更高的抽象级别的设计,从而促进了更广泛的概念品种选择[10]。
在大型塑料模方面,国内已能生产34英寸大屏幕彩电塑壳模具和6kg大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具。
在精密塑料模具方面,不仅能够生产多型腔小模数齿轮模具和600腔塑封模具,还能生产厚度仅为0.08mm的一模两腔的航空杯模具和塑料门窗挤出模等。
内热和外热式热流道装置得以采用,少数厂家还采用了具有世界先进水平的高难度针阀式热流道模具,完全消除了制件的浇口痕迹。
气体辅助注塑技术也已成功应用于塑料模具中,在精度方面,塑料模型腔制造精度可达0.02~0.05mm(国外可达0.005~0.10mm),型面的表面粗糙度值为Ra0.2~0.25um,分型面接触间隙为0.02mm,模板的弹性变形为0.05mm。
塑料模寿命可达100万次(国外可达500万次),但模具制造周期仍比国外发达国家长2~4倍。
这些数据标志着我国模具总体水平与国外相比尚有较大差距[11]。
1.3.4计算机软件在现代模具工业中的应用
随着工业的发展,特别是CAD/CAM/CAE技术的飞速发展,极大地推动了模具工业的发展。
目前,CAD/CAM/CAE技术以计算机及周边设备和系统软件为基础,包括三维几何造型设计、二维绘图设计、数控加工编程(NCP)、有限元分析(FEA)及优化设计、仿真模拟及产品数据管理(PDM)等内容。
其特点是将人类的创造力和计算机的高速运行能力及巨大存储能力有机地结合起来。
CAD/CAM/CAE技术成为设计人员的得力助手,大大提高了模具的设计和生产制造周期。
我国的计算机技术相对起步较晚,模具CAD/CAM的开发始于20世纪70年代末。
虽然我国起步晚,但是发展相当迅速,到目前为止,通过国家相关部门检验的有普通冲裁模、辊锻模、精冲模、锤模和注塑模等的CAM/CAD系统,这些软件在设计和生产中发挥着重要的作用并创造巨大的经济效益。
80年代中后期,我国的冲模CAD研制工作进入了全面发展阶段,很多企业、科研院所和大专院校都开发了属于中国制造的CAD软件,着重强调软件产品的专业化和本地化。
比如天津大学的TD系统和一汽、二汽企业用的模具CAM/CAD系统,充分体现了面对国内现状的优势。
从上世纪90年代开始,西安交通大学、华中科技大学和北京机电研究院等各大机构相继开展了级进模CAD/CAM系统的研究和开发。
西安交通大学开发出了多工位弯曲级进模CAD系统等。
华中科技大学模具技术国家重点实验室在AutoCAD软件平台上开发出了基于特征的级进模CAD/CAM系统HMIC,包括基于特征的冲压工艺设计、模具结构设计、标准件及典型结构建库工具、钣金零件特征造型和线切割自动编程五个模块。
近年来,国内一些软件公司也先后加入了模具CAM/CAD系统的开发行列,如富士康公司开发的用于单冲模与复合模的CAD系统Fox-CAD、北航研发的CAXA、深圳雅明软件制作室开发的级进模系统CAM/CAD等[12]。
近几年来,国内CAE技术有了很大的进展,如湖南大学以冲压CAE技术为突破口,开发出一套包括冲压工艺设计和汽车覆盖件模具设计与制造的系列化软件。
冲压仿真CAE系统LADEM-Ⅱ采用了先进的理论算法,在保证计算精度的前提下显著提高了分析速度。
设计系统LADEM-Ⅲ与冲压工艺分析采用壳体失稳理论预测覆盖件成形中的起皱趋势,同时采用基于仿真的毛坯反算技术,实现了复杂零件的尺寸迭代反求和毛坯形状。
注塑模具设计软件发展到现在,已经使CAD/CAM/CAE三者集成一体,如UG、Pro/E等商业软件。
早在20世纪80年代,我国政府就十分重视CAD技术的开发和应用,国家对国有大中型企业应用CAD技术进行产品的开发设计提出了明确要求,并将CAD作为高新技术研究领域给予重点资助。
随着注塑模具CAD的发展,大部分的商业软件已不仅仅是CAD,而是CAD/CAM/CAE/CAPP的集成,从而形成了真正意义上的无纸化设计制造。
注塑模具设计软件实际上涵盖了CAD/CAM/CAE/CAPP等部分。
国内用户用的较多的商业软件主要有德国西门子公司的UG和美国PTC公司的Pro/E,以及Cimatron、Solidworks和CATIA等。
CAD/CAM/CAE集成技术的应用,大大地缩短了产品的设计和制造周期、降低了产品成本、提高了产品的质量[13]。
几种常用模具设计软件的优化组合可分为:
1.使用Pro/E创建塑件的3D模型,再用Pro/MoldDesign模块分模、拆电极,AutoCAD加外挂进行模具的总体布局,并设计注塑模具总装图,然后用EMX模块调出模架并进行模具的3D设计,拆绘模具零件图。
2.使用Pro/E创建塑件的3D模型,再用UG的MoldWizard模块分模,使用UG的ElectrodeDesign模块拆电极;AutoCAD加外挂进行模具的总体布局,设计注塑模具总装图。
然后使用UG外挂调出3D模架进行模具设计,拆绘模具零件图。
3.使用UG进行塑件的3D总装设计、3D造型、分模、拆电极、拆绘零件图、自动编程输出复杂模具零件加工程序。
上述设计软件各有特色和优势,有的在2D方面有优势(如AutoCAD),有的在3D造型方面有优势(如Pro/E),有的擅长分模和加工(如UG)。
UG具有综合优势,但是在建模方面,Pro/E更具优势,在注塑模具仿真方面Pro/E也更具优势[14]。
1.3.5注塑模具未来发展趋势
塑料模具的结构、性能等质量均影响着塑料制件的质量和成本。
模具型腔的尺寸、形状、分型面、表面粗糙度、冷却水道、内浇道、脱模方式以及排气槽位置等,对塑件的外观精度、尺寸精度以及塑件的电性能、力学性能、物理性能、各项同向性、内应力大小、外观质量、气泡、凹痕、表面粗糙度、银纹、烧焦等有重要的影响[15]。
在塑件成型过程中,模具结构对操作的难易程度影响很大,在批量生产塑件时,应尽量减少闭、开模及模具开模过程中的手工操作,尽可能采用自动闭、开模和自动顶出机构,实现简易、快捷、自动化、高效生产模式。
另外,除了简易模具,制模成本都是比较高的,应尽量采用结构合理简单的模具,以减少模具制造成本[16]。
从模具的设计、制作材料等综合方面分析考虑,塑料模具技术发展趋势将朝着以下几个方面发展。
1.模具产品将向着精密、大型、复杂及经济快速方向发展,模具生产将朝着无图画
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