注塑模具设计说明书.docx

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注塑模具设计说明书

1.引言

模具在加工工业中的地位

模具是大批量生产同形产品的工具，是工业生产的主要工艺装备。

模具工业是国民经济的基础工业。

采用模具生产零部件，具有生产效率高、质量好、成本低、节约能源和原材料等一系列优点，已成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。

现代工业品的发展和技术水平的提高，很大程度上取决于模具工业的发展水平。

因此模具工业对国民经济和社会发展将起越来越大的作用。

　　据统计，在家电、玩具等轻工行业，近90％的零件是靠模具生产的；在飞机、汽车、农机和无线电行业，这个比例也超过60％。

例如飞机制造业，某型战斗机模具使用量超过三万套，其中主机八千套、发动机二千套、辅机二万套。

从产值看，20世纪80年代以来，美、日等工业发达国家模具行业的产值已超过机床行业，并且有继续增长的趋势。

对模具的全面要求是：

能生产出在尺寸精度、外观、物理性能等各方面都满足使用要求的公有制制品。

以模具使用的角度，要求高效率、自动化操作简便；从模具制造的角度，要求结构合理、制造容易、成本低廉。

模具影响着制品的质量。

首先，模具型腔的形状、尺寸、表面光洁度、分型面、进浇口和排气槽位置以及脱模方式等对制品的尺寸精度和形状精度以及制件的物理性能、机械性能、电性能、内应力大小、各向同性性、外观质量、表面光洁度、旗袍、凹痕、烧焦等都有十分重要的影响。

其次，在加工过程中，模具结构对操作难易程度很大。

在大批量生产塑料制品时，应尽量减少开模、合模过程和取制件过程中的手工劳动，为此常采用自动开合模自动顶出机构，在全自动生产时还要保证制品能自动从模具中脱落。

另外模具对制品的成本也有影响。

现代生产中，合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是必不可少的三项重要因素，尤其是模具对实现材料加工工艺要求、塑料制件的使用要求和造型设计起着重要的作用，产品的生产和更新都是以模具的制造和更新为前提的。

由于制件品种和产品需求量很大，对模具也提出了越来越高的要求。

因此促进模具的不断向前发展。

模具的发展趋势

“十二五”期间，中国模具业将进一步调整结构，开拓市场，苦练内功，提升水平，使中国模具业在整体上再上一个新台阶，而这并不只是模具业的“一家之事”。

模具业与其他行业的发展可以用唇齿相依来形容，因而模具业整体水平的提升与相关行业的发展息息相关。

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（1）半导体封装模具走向自动化

　　半导体封装模具业对模具的要求是：

一是要求精加工模具，目前电子产品不断集成化、小型化，产品趋向高端，尺寸也越来越小，封装体越来越薄，这对封装要求越来越高，对模具精度要求很高。

?

　　如今封装技术正不断发展。

芯片尺寸缩小，芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，I/O数增多、引脚间距减小。

封装技术的发展离不开先进的电子工模具装备，多注射头封装模具（MGP）、自动冲切成型系统、自动封装系统等高科技新产品适应了这一需求，三佳也陆续推出这些产品。

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　　今后半导体封装模具发展方向是向更高精度、更高速的封装模具——自动封装模具发展。

自动塑封系统是集成电路后工序封装的高精度、高自动化装备。

系统中设置多个塑封工作单元，每个单元中安装模盒式MGP模，多个单元按编制顺序进行封装，整机集上片、上料、封装、下料、清模、除胶、收料于一体。

该项技术国外发展较快，已出现了贴膜覆盖封装、点胶塑封等技术，可满足各类高密度、高引线数产品的封装。

?

　　随着微电子技术飞速发展，半导体后工序塑封成型装备应用技术不断提高，自动化作业已成必然趋势。

三佳作为国内第一家模具行业的上市公司，将紧盯世界先进技术，发展电子模具国产化进程。

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　　2、设备、标准化发展更上层楼

　　中国模具业虽然有了长足的发展，取得了巨大进步，但在模具业的上下游配套环节中，加工设备大都依赖进口，而机床是一薄弱环节。

据罗百辉了解，2004年进口加工设备中机床约60亿美元，而其中模具业应用机床占据了大部分，这也反映国内在这一领域还待加油。

中国模具工业协会副秘书长秦珂认为，国内厂商应重视装备制造业重视模具业的需求，目前国内设备厂商如沈阳机床集团公司等已意识到模具机床的“增值”潜力，着重在加工中心、数控机床等设备的研发与生产。

而机床朝着高速化、精密化、高性能专业化、系统化、复合化方向发展也给国内厂商带来新课题。

?

　　在模具标准件领域，国内已有较大产量的模具标准件主要是模架、导向件、冲头等，汽车模具用含油导板、斜楔等。

据罗百辉了解，目前中国模具标准件在模具中的使用覆盖率只有40%，而在欧美等国则达到了70%。

罗百辉指出，标准化成为模具业发展的新趋势，模具业要扩大模具标准件的品种，提高其精度，提高生产集中度，实现大规模生产。

研究内容

1）利用Moldflow注塑模具分析软件，针对格力电风扇底座上盖塑料模具进行填充、保压、冷却、变形等流动方案分析，并进行工艺参数、浇口位置、冷却系统等方面的设计；

2）研究分析结果，综合分析其合理性；

3）对产品成型方案进行工艺参数、浇口位置、冷却系统等的优化并加以比较，确定最佳成型方案；

4）利用UG和AutoCAD绘制格力电风扇底座上盖模具。

2塑件分析

塑件零件图

图1MD-12美的空调遥控器格力电风扇底座上盖二维图

图2MD-12美的空调遥控器格力电风扇底座上盖上表面三维图

图3MD-12美的空调遥控器格力电风扇底座上盖下表面三维图

制件说明：

该塑件为格力电风扇底座上盖，该上盖板主要是挡板作用，承受外力的几率不大,如冲击载荷、振动、摩擦等情况比较少；塑件的工作温度是室温,这使得在材料选择时对热变形温度，脆化温度,分解温度的要求降低；此外,塑料都会老化,作为一种光学用品，还要考虑到材料的光氧化等问题。

并且制品要保持光滑，有良好外观，尺寸精度要求不是很高。

所选材料：

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）

主要技术指标：

密度（g/cm3）：

~比容（cm3/g）：

～

吸水率（24h）%:

收缩点（%）：

~

熔点（0C）：

165～175抗拉屈服强度（Mpa）：

380

拉伸弹性模量（Mpa）～

弯曲强度（Mpa）：

500~880

冲击强度（kJ/m2）：

16硬度（Mscale）：

119

体积电阻率（

）：

击穿电压（Kv/mm）：

ABS特性

1.工作压力高

常温状态下工作压力可达。

2.抗冲击性好

ABS塑料具有良好的机械强度和较高的冲击韧性。

无缺口冲击强度30Mpa：

缺口冲击强度3MPa。

3.流体阻力小

内壁光滑，转弯处呈圆弧形，流动摩擦力小，减小液流阻力。

4.化学性能稳定

ABS具有耐酸、碱性能。

由于化学性能稳定．无毒无味，可广泛应用于食品、饮料、啤酒等行业。

5.耐温范围广

使用温度为-30°～+70°。

6.质轻

ABS程塑料比重为钢材的1/7，因此减轻结构重量，降低原料消耗。

同时，减轻安装工人劳动强度。

7.安装简便，密封性好

安装多采用承插式连接，使用溶剂型粘合剂粘接密封。

施工简便、效果好、固化速度快。

8.使用寿命长

本产品在室内使用一般可达三十年以上。

9.价格低

仅为不锈钢的五分之一左右。

ABS注塑工艺参数

注射类型：

螺杆式螺杆转速：

30～60r/min

喷嘴类型：

直通式；温度：

　180～190°C

料筒温度：

前段　200～210°C；中段　210～230°C；后段　180～200°C　

模具温度：

50～70°C注射压力：

70～90MPa

保压力　：

50～70MPa注射时间：

3～5S

保压时间：

15～30S冷却时间：

15～30S

成型时间：

40～70S　

塑件的结构工艺性分析

1．尺寸精度

影响模具精度的因素有：

模具制造的精度，塑料收缩率的波动，模具磨损，模制时工艺条件。

塑件的尺寸精度主要决定于塑料收缩率的波动。

根据塑件精度等级的选用（SJ1372-1978）查得ABS：

高精度3；一般精度4；低精度5；未注公差6。

该塑件精度要求不高，所以选用5级精度，未注公差采用6级精度。

2.脱模斜度

在塑件的内外表面，沿脱模方向应设计足够的脱模斜度。

表2-1是不同材质常用的脱模斜度：

表1常用塑料的脱模斜度

塑料名称

脱模斜度

塑料名称

脱模斜度

型芯

型腔

型芯

型腔

聚乙烯

聚丙烯、软聚氯乙烯

硬聚氯乙烯、聚砜

20'~45'

25'~50'

50'~1°45'

25'~45'

30'~1°

50'~2°

PMMA

尼龙

聚碳酸酯

30'~1°

20'~40'

30'~50'

35'~1°30’

25'~45'

35'~1°

聚苯乙烯

ABS

30'~1°

35'~1°

35'~1°30'

40'~1°20'

氯化聚醚

聚甲醛

20'~45’

30'~1°

25'~45'

35'~1°30'

本设计材料为ABS，由上表可以查出，选择脱模斜度为1°。

3.形状

塑件的几何形状除应满足使用要求外，还应尽可能使其所对应的模具结构简单，便于加工。

而且应保证塑件的外表面光洁度要求。

4.壁厚

塑件的壁厚应根据塑件的使用要求，如强度，刚度，尺寸大小，电气性能及装配要求等确定，塑件壁厚一般在1-4mm范围内。

调节产品壁厚将决定材料的流动性能和制件模量。

由于我们所选的材料是ABS，可根据《新编塑料模具设计手册》查得ABS制品的最小壁厚及常用壁厚推荐值，初步确定塑件的壁厚为1.5mm。

5．圆角

塑件底面与面之间一般应采用圆弧过渡，这样不仅可以避免塑件尖角处的应力集中提高塑件强度，而且可以改善物料的流动状态，降低充模阻力，便于充模。

另外，塑件转角处的圆角对应于模具上的圆角，有时可便于模具的加工制造及模具强度的提高，避免模具在淬火或使用时应力裂开。

塑件转角处的圆角半径通常不要小于到1mm，在不影响塑件使用的前提下应尽量取大些，综合考虑以上的各种因素后，确定塑件的圆角半径为3.5mm。

3.注射机的选择及校核

注射机的选择

设计模具时，应详细地了解注射机的技术规范，才能设计出合乎要求的模具，应了解的技术规范有：

注射机的最大注射量、最大注射压力、最大锁模力、最大成型面积、模具最大厚度和最小厚度、最大开模行程以及机床模板安装模具的螺钉孔的位置和尺寸。

1公称注塑量；指在对空注射的情况下,注射螺杆或柱塞做一次最大注射行程时,注塑成型过程所需要的时间称为装

置所能达到的最大注射量,反映了注塑机的加工能力.

2注射压力；为了克服熔料流经喷嘴,浇道和型腔时的流动阻力,螺杆（或柱塞）对熔料必须施加足够的压力,我们将这种压力称为注射压力.

3注射速率；为了使熔料及时充满型腔,除了必须有足够的注射压力外,熔料还必须有一定的流动速率,描述这一参数的为注射速率或注射时间或注射速度.常用的注射速率如表所示。

表2注射速率

注射量/CM

125

250

500

1000

2000

4000

6000

10000

注射速率/CM/S

125

200

333

570

890

1330

1600

2000

注射时间/S

1

3

5

4塑化能力；单位时间内所能塑化的物料量.塑化能力应与注塑机的整个成型周期配合协调,若塑化能力高而机器的空循环时间长,则不能发挥塑化装置的能力,反之则会加长成型周期.

5锁模力；注塑机的合模机构对模具所能施加的最大夹紧力,在此力的作用下模具不应被熔融的塑料所顶开.

6合模装置的基本尺寸；包括模板尺寸,拉杆空间,模板间最大开距,动模板的行程,模具最大厚度与最小厚度等.这些参数规定了机器加工制件所使用的模具尺寸范围.

7开合模速度；为使模具闭合时平稳,以及开模,推出制件时不使塑料制件损坏,要求模板在整个行程中的速度要合理,即合模时从快到慢,开模时由慢到快在到停.

8空循环时间；在没有塑化,注射保压,冷却,取出制件等动作的情况下,完成一次循环所需的时间.

选择螺杆式注塑机的型号为：

XS-ZY-125，其转速为20-30转／秒，喷嘴形式为螺杆式。

注射机的其他参数如下：

表3注射机参数

注塑机型号

XS-ZY-125

额定注射量

125cm3

螺杆（柱塞）直径

42mm

注射压力

120Mpa

注射行程

115mm

注射方式

螺杆式

锁模力

900KN

最大成型面积

320cm2

最大开合模行程

300mm

模具最大厚度

300mm

模具最小厚度

200mm

喷嘴圆弧半径

R12mm

喷嘴孔直径

Φ4mm

顶出形式

两侧设有顶杆，机械顶出

动、定模固定板尺寸

428X458mm

拉杆空间

260X290mm

合模方式

液压、机械

液压泵

流量

100、12L/min

压力

电动机功率

11KW

加热功率

5KW

机器外形尺寸

3340X750X1550mm

型腔数目的确定及校核

本设计实例采用一模一腔的型腔布局。

因型腔数量与注射机的塑化速率、最大注射量及锁模量等参数有关，因此有任何一个参数都可以校核型腔的数量。

一般根据注射机料筒塑化速率确定型腔数量

；

（3-1）

式中

——注射机最大注射量的利用系数，一般取；

——注射机最大注塑量，g；

——浇注系统所需塑料质量，

；

——单个塑件的质量，

。

式中

、

、

也可以为注射机最大注射体积（cm3）、浇注系统凝料体积（cm3）、单个塑件的体积（cm3）。

塑料ABS的密度为1.03g/cm3，收缩率为%～%，取平均收缩率为﹪。

按照塑件零件图所示的尺寸，用三维制图软件UG近似计算如图3-1所示。

图4UG质量属性计算

由上图的数据可知，单个塑件的体积V1=mm3。

估算浇注系统的体积：

V=mm3

注射机最大注射体V3=175cm3

由此可求出：

n1故取n=1满足要求。

锁模力的校核

锁模力又称合模力，是指注射机的合模机构对模具所能施加的最大夹紧力。

当熔体充满型腔时，注射压力在型腔内所产生的作用力总是力图使模具沿分型面胀开，为此，注射机的合模力必须大于型腔内熔体压力与塑件及浇注系统在分型面上的投影面积之和的乘积，即

（3-2）

式中

——注射机的公称锁模力（N）；

——模内平均压力（型腔内的熔体平均压力Mpa）；

——塑件、流道、浇口在分型面上的投影面积之和（

），见表4；

——注射压力在型腔内所产生的作用力（N）。

表4模内的平均压力

制品特点

模内平均压力

（Mpa）

举例

容易成型制品

PE、PP、PS等壁厚均匀的日用品

一般制品

在模温较高下成型的薄壁容器类制品

中等黏度塑料盒有精度要求的制品

ABS、PMMA等有精度要求的工程结构件，如壳件、齿轮等。

加工高黏度塑料、高精度、充模难的制品

用于机器零件上高精度的齿轮或凸轮等

利用三维制图软件UG计算塑件总投影面积近似为：

=

查表4-1得

；

则

=××100=118678N=

所选用的注射机的公称锁模力

=900KN,故注射机满足要求。

开模行程的校核

注射机开模行程是有限的，塑件从模具中取出时所需的开模距离必须小于注射机的最大开模行程，否则塑件无法从模具取出。

为了保证开模后既能取出塑件又能取出流道内的凝料，对于单分型面注射模具，需要满足下式：

（3-3）

—注射机最大开模行程；（S=300mm）

—推出距离（脱模距离，H1=8m）

—塑件高度；（H2=38mm）

则

故满足要求。

4.Moldflow模流分析

制件有限元模型的建立

首先在UG软件中，将制件模型转换成stl格式并导入MPI中，对其进行网格划分，初始划分结果和网格统计结果如下图5和图6所示：

图5制品的初步网格划分

图6初步网格统计

由图6的网格统计对话框可以得到：

表面三角形单元为41552个，节点为20811个，没有柱体单元，连通区域1个，自由边0个，公用边623287个，交叉边0个，配向不正确单元1个，相交单元10个，完全重叠单元0个，复制柱体0个，最小纵横比，最大纵横比，平均纵横比，匹配百分比%，相互百分比%。

由以上数据可以清晰地看出，匹配百分比大于85%，可进行流动、冷却与翘曲分析，只是初始有限元划分的问题是最大纵横比大于10%，须对网格进行修复。

对网格修复处理前先对制品网格进行网格的最大纵横比诊断，诊断结果如下图7所示，然后针对纵横比大的网格运用网格工具中的各种命令如插入节点、合并节点、重新划分网格及自动修复等对网格进行处理，降低最大纵横比。

处理后的纵横比诊断如图8所示，最大纵横比降低到了，符合要求。

图7网格处理前的纵横比诊断图8网格处理后的纵横比诊断

修复后的网格统计结果如下图9所示：

表面三角形单元为41552个，节点为20811个，没有柱体单元，连通区域1个，自由边0个，公用边623287个，交叉边0个，配向不正确单元0个，相交单元0个，完全重叠单元0个，复制柱体0个，最小纵横比，最最大纵横比，平均纵横比，匹配百分比%，相互百分比%。

由以上数据可以清晰地看出，最大纵横比小于20%，匹配率大于90%，那么就可以进行流动、冷却及翘曲分析，并且可以得到比较精确的结果。

图9修复后的网格统计

最佳浇口位置分析

网格处理好后，选择的材料为ABS,然后对其进行最佳浇口位置的分析，浇口的设计主要包括浇口的数目、位置、形状和尺寸的设计。

浇口的系列变化都会对塑件熔体的填充产生很大影响。

浇口设计应保证提供一个快速、均匀、平衡、单一方向流动的充填模式，避免射流、滞留。

凹陷等现象的发生。

所以在确定成型方案之前，对制品进行最佳浇口位置的预分析，其结果如下图9所示。

由图10显示可以看出，浇口设置的最佳区域在蓝色区域，绿色区域为较好区域，淡黄色区域为较差区域，红色区域为最差区域。

图10最佳浇口位置分析结果

浇注方案的设计

4.3.1浇注方案一的设计

根据最佳浇口位置分析结果，在浇口设置的最佳区域选定节点N436和N3760作为制件的浇口位置，采用冷流道，如下图11所示：

图11浇注方案一

4.3.2浇注方案二的设计

根据对市场上同类产品的调查分析，浇注方案二采用侧浇口，浇口设置在制件侧部的节点N1024和N4348上，同样采用潜伏式浇口，如下图12所示：

图12浇注方案二

不同浇注方案的Moldflow流变分析结果及其比较

流变分析的目的是通过对熔融体流经流道，浇口填充型腔的过程的模拟，预测和显示熔体流动前沿的推进方式、填充过程中的压力和温度变化、气穴和熔接痕的位置，并且优化模腔的布局。

流变分析包括填充分析和保压分析。

4.4.1填充分析结果比较

虽然填充分析过程只是整个成型周期中的一小部分，但它确实非常重要的过程，如果填充不充分，则不能进行保压和冷却过程，因此，为了保证制件质量，塑料熔融体必须确保填充充分。

填充分析结果主要包括填充时间、气穴位置、熔接痕、锁模力、熔融体流动前沿温度。

（1）冻结时间

冻结时间指的是熔融体填满整个型腔所需的时间，两种方案的分析结果分别如图13、图14所示。

图13冻结时间（方案一）图14冻结时间（方案二）

从上图可以看出，两种方案都能将制件充满，方案一的填充时间为，方案二的填充时间为，两种方案的填充时间都相差不大，但方案二比方案一的填充更均匀。

所以就填充时间而言，两种方案都较好。

（2）气穴位置

气穴是指在塑料熔融体注射充填过程中，模腔内除了原有空气外，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等。

两种方案气穴位置的分析结果如下图14和图15所示。

图15气穴位置（方案一）

图16气穴位置（方案二）

由上图可以看出，方案一和方案二所形成的气穴都较少，且大都位于制件的内侧，这样既不影响美观也易于设置排气位置，，所以就气穴位置来说，两种浇注方案都满足要求。

（3）熔接痕

在塑料制品成型中，当熔融体由分流状态再次合流便会形成熔接痕，不但影响制品的外观，而且易于产生应力集中，影响制品的总体强度。

两种方案所形成的熔接痕的位置分别如图17和图18所示。

图17熔接痕（方案一）图18熔接痕（方案二）

由上图可以看出，方案一所形成的熔接痕比方案二多，且方案一中的弹簧扣位置也存在熔接痕，弹簧扣处于受力较大的位置，如果存有熔接痕，很容易导致弹簧扣断裂。

因此，就熔接痕而言，方案二比方案一好。

（4）锁模力

锁模力即为在进行注塑时闭合模具所需要的力。

锁模力会随着型腔的充填而逐渐变化，要降低锁模力的最大值，最重要的是设法降低充填所需压力。

两种方案的锁模力分析结果如图19和图20所示。

图19锁模力（方案一）

图20锁模力（方案二）

由上图可以看出，方案一完成成型所需的最大锁模力为,方案二完成成型所需的最大锁模力为,略低于方案一，因此，就锁模力而言，方案二较好。

（5）熔融体流动前沿温度

熔融体流动前沿温度指的是熔融体流动前沿到某一节点的温度。

在制件比较薄的地方，如果这一温度太低，则会造成滞流、短射现象的发生。

如果这一温度太高，则会使塑料聚合体发生降解，造成制件的表面缺陷。

两种方案的熔融体流动前沿温度的分析结果如图21和图22所示。

图21熔融体流动前沿温度（方案一）图22熔融体流动前沿温度（方案二）

由上图可以看出，方案一的熔融体流动前沿温度较均匀，但相对而言，凹槽处的温度较低，且凹槽部位较薄，容易产生滞流、短射现象，方案二的熔融体流动前沿温度各处的温差很小，绝大部分与设置的模温260°C相近，分布也较均匀。

因此，对熔融体流动前沿温度而言，方案二较好。

4.4.2保压分析结果比较

由于塑料熔融体从熔融态冷却到固态时体积变化很大，注射保压时间的目的是对浇口的塑料熔融体保持压力，使得当模腔内的塑料制品产生收缩时，塑料熔融体能继续充满型腔。

体积收缩率是指塑料聚合物从熔融温度逐步冷却到周围温度时发生的收缩。

两种方案的体积收缩率结果如图22和图23所示。

图23体积收缩率（方案一）图24体积收缩率（方案二）

由上图可以看出，方案一的体积收缩率最大为%，体积收缩较均匀，方案二的体积收缩率最大为%，比方案一小，但体积收缩没有方案一均匀，因此，就体积收缩率而言，方案一略好。

根据制件的具体使用要求，制件的上表面质量要求比较高，不能存在过多的气穴和熔接痕。

综合考虑上述主要流变结果的比较可以看出，浇注方案一比浇注方案二较好，因此，本设计实例采用浇注方案二的设计，采用侧浇口，冷流道。

浇注系统的设计

4.5.1分型面的选择

分型面是模具结构中的基准面，选择模具分型面时通常考虑如下有关问题：

[1]根据塑件的某些技术要求，确定成型零件在动模和定模上的配置；

[2]塑件的生产批量；

[3]结合塑件的流动性确定浇注系统的形式和位置；

[4]型腔的溢流和排气条件；

[5]模具加工的工艺性。

分析零件特点后，发现零件的外表面有比较高的精度要求，且经过模流分析，模具浇注是使用侧浇口，所以决定分型面沿零件的外表面。

如下图24所示：

图25分型面

4.5.2主流道的设计

（1）主流道各部分尺寸计算

主流道是指浇注系统中从注射机喷嘴与模具接触处开始到分流道为止的塑料熔体的流动通道，是熔体最先流经模具的部分。

主流道通常设计在模具的浇口套中，在卧式注射机上主流道垂直于分型面，为使凝料能顺利拔出，设计成圆锥形，选用材料为P20，热