旋钮的塑料模具设计.docx

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旋钮的塑料模具设计

旋纽模具的设计

一、塑件的工艺性分析

　1、塑件的原材料分析

塑件的材料采用聚甲基丙烯酸　　

甲酯，属热塑性塑料，该塑料具有

如下的成型特性：

●无定形料、吸湿性大、不易分解。

●质脆、表面硬度低。

●流动性中等，溢边值0.03mm左右

，易发生填充不良、缩孔、凹痕、

熔接痕等缺陷。

●宜取高压注射，在不出现缺陷的条件下宜取高料温、模温，可增加流动性，降低内应力、方向性，改善透明度及强度。

●模具浇注系统应对料流阻力小，脱模斜度应大，顶出均匀，表面粗糙度应好，注意排气。

●质透明，要注意防止出现气泡、银丝、熔接痕及滞料分解、混入杂质。

　2、塑件的结构和尺寸精度及表面质量分析

　　1）塑件的结构分析

　　　　　该零件的总体形状为圆形，结构比较简单。

2）塑件尺寸精度的分析

　　　该零件的重要尺寸，如，30.9±0.09mm的尺寸精度为3级，次重要尺寸3.75±0.07mm的尺寸精度为4级，其它尺寸均无公差要求，一般可采用8级精度。

　　　由以上的分析可见，该零件的尺寸精度属中等偏上，对应模具相关零件尺寸的加工可保证。

从塑件的壁厚上来看，壁厚最大处为4.5mm，最小处为2.25mm，壁厚差为2.25mm，较为均匀。

3）表面质量的分析

　　　该零件的表面要求无凹坑等缺陷外，表面无其它特别的要求，故比较容易实现。

　　　综上分析可以看出，注射时在工艺参数控制得较好的情况下，零件的成型要求可以得到保证。

　3、塑件的体积重量

　　　　计算塑件的重量是为了选用注射机及确定模具型腔数。

　　　　计算得塑件的体积：

V＝9132mm3

　　　　　　计算塑件的质量：

公式为W＝Vρ

　　　　根据设计手册查得聚甲基丙烯酸甲酯的密度为ρ＝1.18kg/dm3，故塑件的重量为：

W＝Vρ

　　　　　　　　＝9132×1.18×10-3

　　　　　　　　＝10.776g

　　　　根据注射所需的压力和塑件的重量以及其它情况，可初步选用的注射机为：

SZ－60/40型注塑成型机，该注塑机的各参数如下表所示：

理论注射量/cm3

60

移模行程/mm

180

螺杆直径/mm

30

最大模具厚度/mm

280

注射压力/Mp

150

最小模具厚度/mm

160

锁模力/KN

400

喷嘴球半径/mm

15

拉杆内间距/mm

295×185

喷嘴口孔径/mm

φ3.5

　4、塑件的注射工艺参数的确定

　　　根据情况，聚甲基丙烯酸甲酯的成型工艺参数可作如下选择，在试模时可根据实际情况作适当的调整。

　　　　注射温度：

包括料筒温度和喷嘴温度。

　　　　料筒温度：

后段温度t1选用180℃

　　　　　　　　　中段温度t2选用200℃　

　　　　　　　　　前段温度t3选用220℃

　　　　喷嘴温度：

选用220℃

　　　　注射压力：

选用100MP

　　　　注射时间：

选用20s

　　　　保压时间：

选用2s

　　　　保压：

80MP

　　　　冷却时间：

选用28s

　　　　总周期：

50s

二、型腔数的确定及浇注系统的设计

　1、分型面的选择

　　　　该塑件为旋纽，表面质量无特殊要求，

端部因与人手指接触因此形成自然圆角，此

零件可采用右图所示的分型面比较合适。

　2、型腔数的确定

　　　　型腔数的确定有多种方法，本题采用注射机的注射量来确定它的数目。

其公式如下：

　　　　　　n2=（G-C）/V

式中：

G——注射机的公称注射量/cm3

V——单个制品的体积/cm3

　　　　C——浇道和浇口的总体积/cm3

　　生产中每次实际注射量应为公称注射量G的（0.75－0.45）倍，现取0.6G进行计算。

每件制品所需浇注系统的体积为制品体积的（0.2－1）倍，现取C＝0.6V进行计算。

　　　　n2=0.6G/1.6V=0.375G/V=（0.375×60）/90132=2.46

　　由以上的计算可知，可采用一模两腔的模具结构。

　3、确定型腔的排列方式

　　　　本塑件在注射时采用一模两件，即模具需要两个型腔。

综合考虑浇注系统、模具结构的复杂程度等因素，拟采用下图所示的型腔排列方式。

　4、浇注系统的设计

　　1）主流道的设计

　　　　　根据设计手册查得SZ－60/40型注射机喷嘴有关尺寸如下：

　　　　　喷嘴前端孔径：

d0=φ3.5mm

喷嘴前端球面半径：

R0＝15mm

　　　　　为了使凝料能顺利拔出，主流道的小端直径D应稍大于注射

喷嘴直径d。

D＝d+（0.5－1）mm=φ3.5+1＝φ4.5mm

　　　　　主流道的半锥角α通常为1°－2°过大的锥角会产生湍流或涡流，卷入空气，过小的锥角使凝料脱模困难，还会使充模时熔体的流动阻力过大，此处的锥角选用2°。

经换算得主流道大端直径D＝φ8.5mm,为使熔料顺利进入分流道，可在主流道出料端设计半径ｒ＝5mm的圆弧过渡。

主流道的长度L一般控制在60mm之内，可取L＝55mm。

　　2）冷料穴与拉料杆的设计

　　　　　对于依靠推件板脱模的模具常用球头拉料杆，当前锋冷料进入冷料穴后紧包在拉料杆的球头上，开模时，便可

将凝料从主流道中拉出。

球头拉料杆固定在动模

一侧的型芯固定板上，并不随脱模机构移动，所

以当推件板从型芯上脱出制品时，也将主流道凝

料从球头拉料杆上硬刮下来。

其结构如右图所示：

3）分流道的设计

　　　分流道在设计时应考虑尽量减小在流道内的压力损失和尽可能避免熔体温度的降低，同时还要考虑减小流道的容积。

圆形和正方形流道的效率最高，当分型面为平面时一般采用圆形的截面流道，但考虑到加工的方便性，可采用半圆形的流道。

　　　一般分流道直径在3－10mm范围内，分流道的截面尺寸可根据制品所用的塑料品种、重量和壁厚，以及分流道的长度由《中国模具设计大典》第2卷中图9.2－12所示的经验曲线来选定，经查取D’

=5.6mm较为合适，分流道长度取L＝20mm从图9.2－14中查得修正系数fL=1.02，则分流道直径经修正后为D＝D’fL=5.6×1.02=5.712，取D＝6mm

4）浇口的设计

　　　根据浇口的成型要求及型腔的排列方式，选用侧浇口较为合适。

　　　侧浇口一般开设在模具的分型面上，从制品的边缘进料，故也称之为边缘浇口。

侧浇口的截面形状为矩形，其优点是截面形状简单，易于加工，便于试模后修正。

缺点是在制品的外表面留有浇口痕迹，因为该制件无表面质量的特殊要求，又是中小型制品的一模两腔结构，所以可以采用侧浇口。

　　　在侧浇口的三个尺寸中，以浇口的深度h最为重要。

它控制着浇口内熔体的凝固时间和型腔内熔体的补缩程度。

浇口宽度W的大小对熔体的体积流量的直接的影响，浇口长度L在结构强度允许的条件下以短为好，一般选L＝0.5－0.75mm。

　　　确定浇口深度和宽度的经验公式如下：

　　　　　h=nt①

　　　　　W=nA1/2/30②

　　　式中：

h——侧浇口深度（mm）中小型制品常用h=0.5－2mm，约为制品最大壁厚的1/3－2/3,　　取1.5mm

　　　　　　t——制品的壁厚（mm）3.38mm

　　　　　　n——塑料材料的系数　　查表得　0.8

　　　　　　W——浇口的宽度（mm）

　　　　　A——型腔的表面积（mm2）计算得2940mm2

将以上各数据代入公式得：

h=1.5mm，W=1.5mm,L取0.5mm。

计算

后所得的侧浇口截面尺寸可用r=6q/（Wh2）≥104s-1作为初步校验。

　　制品的体积V＝9.132cm3，设定充模时间为1s，于是：

q=9.132/1=9132mm3/s

r=6q/Wh2=（6×9132）/（1.5×1.52）=1.6×104＞104s-1

　　所以符合要求。

三、排气、冷却系统的设计与计算

　1、排气系统的设计

　　排气槽的截面积可用如下公式进行计算：

F＝25m1（273+T1）1/2/tP0　　①

　　式中：

F——排气槽的截面面积（m2）

m1——模具内气体的质量（kg）

　　　　　P0——模具内气体的初始压力（Mp）取0.1Mp

　　　　　T1——模具内被压缩气体的最终温度（℃）

t——充模时间（s）

模内气体质量按常压常温20℃的氮气密度ρ0＝1.16kg/m3计算，有

　　　　　　m1=ρ0V0　　②

　　　　式中：

V0——模具型腔的体积（m3）

　　应用气体状态方程可求得上式中被压缩气体的最终温度（℃）

　　　T1＝（273+T0）（P1/P）0.1304-273　　②

式中：

T0——模具内气体的初始温度（℃）

　　　由V＝9132mm3

充模时间t=1s

被压缩气体最终排气压力为P1＝20MPa

　　　由③式得：

T1＝（273+20）（20/0.1）0.1304-273=311.7℃

模具内的气体质量由②式得：

　m1=V0ρ0=9.132×10-6×1.16kg=1.06×10-5kg

将数据代入①式得：

所需排气槽的截面面积为：

　　　　　F=[25×1.06×10-5（273+311.7）1/2]/（1×0.1×106）=0.064mm2

　　　查取排气槽高度h=0.03mm，因此排气槽的总宽度为：

　　　　　W’’=F/h=0.064/0.03=2.13mm

　　　为了便于加工和有利于排气，运用镶拼式的型芯结构，与整体式型芯相比，镶拼型芯使加工和热处理工艺大为简化。

　2）冷却系统的设计与计算

　　　　冷却系统设计的有关公式：

　　　　　　qV=WQ1/ρc1（θ1-θ2）①

式中：

qV——冷却水的体积流量（m3/min）

　　　　　　　W——单位时间内注入模具中的塑料重量（kg/min）

　　　　　　　Q1——单位重量的塑料制品在凝固时所放出的热量（kJ/kg）

　　　　　　　ρ——冷却水的密度（kg/m3）　　　　0.98×103

　　　　　　　c1——冷却水的比热容[kJ/（kg.℃）]　　　4.187

　　　　　　　θ1——冷却水的出口温度（℃）　　　　25

　　　　　　　θ2——冷却水的入口温度（℃）　　　　20

Q1可表示为：

Q1=[c2（θ3-θ4）+u]

式中：

c2——塑料的比热容[kJ/（kg.℃）]1.465

Q3——塑料熔体的初始温度（℃）200

θ4——塑料制品在推出时的温度（℃）60

u——结晶型塑料的熔化质量焓（kJ/kg）

Q1=[c2（θ3-θ4）+u]=1.465（200-60）=205.1kJ/kg

将以上各数代入①式得：

qV=（0.013×205.1）/[0.98×103×4.187（25-20）]m3/min

=0.13×10-3m3/min

　　　上述计算的设定条件是：

模具的平均工作温度为40℃，用常温20℃的水作为模具的冷却介质，其出口温度为25℃，产量为0.013kg/min。

由体积流量查表可知所需的冷却水管的直径非常小，体积流量也很小，故可不设冷却系统，依靠空冷的方式即可。

但为满足模具在不同温度条件下的使用，可在适当的位置布置直径d为8mm的管道来调节温度。

四、模具工作零件的设计与计算

　凹模的结构采用整体嵌入式，这样有利于节省贵重金属材料。

　　　型芯采用镶拼式结构，有利于加工和排气。

（如图所示）

　　　本设计中零件工作尺寸的计算均采用平均尺寸、平均收缩率、平均制造公差和平均磨损量来进行计算，已给出这PMMA的成型收缩率为0.005，模具的制造公差取z=Δ/3。

　　　　　　　　　　　　　　型腔型芯工作尺寸的计算

类别

塑件尺寸

计算公式

模具尺寸

型

腔

计

算

型腔板

φ35.250-1.0

Lm=（Ls+Ls.Scp%-3/4Δ）0+δz

φ34.6800.33

R7.5±0.64

R7.0600.21

19.20±0.44

Hm=（Hs+Hs.Scp%-2/3Δ）0+δz

18.7100.15

推件板

φ30.9±0.09

Lm=（Ls+Ls.Scp%-3/4Δ）0+δz

φ30.8800.06

型

芯

计

算

主型芯

φ26.2500.96

Lm=（Ls+Ls.Scp%+3/4Δ）0-δz

27.100-0.32

R2.25±0.24

R2.620-0.16

17.25±0.48

Hm=（Hs+Hs.Scp%+2/3Δ）0-δz

17.980-0.32

小型芯

φ3.75±0.07

Lm=（Ls+Ls.Scp%+3/4Δ）0-δz

φ3.870-0.05

7.5±0.32

Hm=（Hs+Hs.Scp%+2/3Δ）0-δz

8.050-0.11

　2、型腔侧壁厚度和底板厚度的计算

　　1）型腔侧壁厚度的计算

　　　根据圆形整体式型腔的侧壁厚度计算公式：

　　　　S≥0.90[Pr4/E（δ）]1/3　　　①

式中：

S——侧壁厚度（mm）

　　　　　　P——型腔压力（Mpa）40

　　　　　　r——型腔半径（mm）17.625

　　　　　　E——模具材料的弹性模量（MPa）2.1×105

　　　　　　[δ]——刚度条件，即允许变形量（mm）0.05

　　将以上各数代入式得：

S≥1.15[（40×19.84）/（2.1×105×0.05）]1/3

=9.62mm

2）底板厚度的计算公式如下：

　　　　　　　hs≥0.56（Ph4/E[δ]）1/3

　　　　将各参数代入式中得：

hs≥4.68mm

　　　　型腔的厚度h腔hc+h=4.68+19.8=24.48mm

　　　　　　S可取10mms腔取32mm

　　　　根据计算，型腔侧壁厚度应大于9.62mm，而型腔的直径为35－25mm。

根据浇注系统的条件及制件的大小，初选标准模架，依据《塑料注射模中小型模架及技术条件》（GB/T12556-90），根据模板的参数确定导柱、导套、垫块等的有关尺寸。

五、脱模机构的设计与计算

　1、脱模力的计算

　　此模具采用推件板脱模，因该制件的，属厚壁制品，厚壁制品脱模力受到材料向壁厚中性层冷却收缩的影响，可用弹性力学的有关厚壁圆筒的理论进行分析计算，公式如下：

　　　　　　Qc=[1.25kfcaE（Tf-Tj）Ac]/{[（dk+2t）2+dk2]/[（dk+2t）2-dk2]}

式中，对于圆筒制品中：

　　　　　　　k——脱模斜度系数

k=（fcCosβ-Sinβ）/fc（1+fcSinβCosβ）=0.92

　　　　　　　fc——脱模系数，即在脱模温度下制品与型芯表面之间的静摩擦系数，它受高分子熔体经高压在钢表面固化中粘附的影响。

0.50

　　　　　　　α——塑料的线膨胀系数（1/℃）查表得：

6×10-5

　　　　　　　μ——塑料的泊松比　　　　　　　　　　　　　　　0.40

　　　　　　　E——在脱模温度下塑料的抗拉弹性模量（MPa）3.16×103

　　　　　　　Tf——软化温度（℃）100

　　　　　　　Tσ——脱模顶出时制品的温度（℃）60

　　　　　　　Ac——制品包紧在型芯上的有效面积（mm2）1422.55

　　　　　　　t——制品的厚度（mm）3.38

　　　　将以上各数据代入公式得：

Qc=1372.45N　

　2）推板的厚度　

　　　　筒形或圆形制品采用推件板脱模，推件板的受力状态可简化为圆环形平板周界受集中载荷的力学模型，最大挠度产生在板的中心。

按刚度条件和强度条件的计算公式如下，取大者为依据。

　　　　按刚度条件：

h=（C2QeR2/Eδp）1/3　　　　①

　　　　按强度条件：

h=（K2Qe/σp）1/2　　　　　②

　　式中：

h——推件板的厚度（mm）

　　　　　C2——随R/r值变化的系数0.3500

　　　　　　　R——推杆作用在推件板上的几何半径（mm）61

　　　　　　　r——推件板圆形内孔或型芯半径（mm）13.125

　　　　　Qe——脱模力（N）1372.45

　　　　　E——推杆材料的弹性模量（MPa）2.1×105

　　　　　K2——随R/r值变化的系数1.745

　　　　　σp——推件板材料的许用应力（MPa）610

　　　　　δp——推件板中心允许变形量（mm），通常取制品尺寸公差的1/5－1/10，

即δp=（1/5－1/10）Δi0.088

　　　　　　　其中Δi——制品在被推出方向上的尺寸公差（mm）0.88

　　　将上述各数据代入①式得：

h=1.69mm

　　　将上述各数据代入②式得：

h=1.98mm

　　　所以推件板的厚度可取：

16mm

　3、顶杆直径的计算

　　　　推杆推顶推件板时应有足够的稳定性，其受力状态可简化为一端固定、一端铰支的压杆稳定性模型，根据压杆稳定公式推导推杆直径计算式为：

d=K（l2Qe/nE）1/4　　　　　　　①

　　　　推杆直径确定后，还应用下式进行强度校核：

　　　　σc=4Qe/nπd2≤σs　　　　②

　　式中：

d——推杆直径（mm）

　　　　　K——安全系数，通常取K=1.5－2　　　　2

　　　　　l——推杆的长度（mm）102

　　　　　Qe——脱模力（N）　　　　　　　　　　　　1372.45

　　　　　E——推杆材料的弹性模量（MPa）　　　　　2.1×105

　　　　　n——推杆根数4

　　　　　σc——推杆所受的压应力（MPa）

　　　　　σs——推杆材料的屈服点（MPa）360

　　　将以上各数据代入①式得：

d=4.06mm圆整取5mm

　　　将以上各数据代入②式进行校核：

σc=4Qe/nπd2=17.47MPa≤σs=360MPa

　　　所以此推杆符合要求。

六、注射机与模具各参数的校核

　1、工艺参数的校核　　

　　1）注射量的校核（按体积）

　　　　　　Vmax=αV①

　　　　式中：

Vmax——模具型腔流道的最大容积（cm3）

　　　　　　　V——指定型号与规格注射机的注射量容积（cm3）

　　　　　　　ρ——塑料的固态密度（g/cm3）

　　　　　　　α——注射系数取0.75－0.85，无定形料可取0.85，结晶形可取0.75。

　　　　将以上各数代入①式得：

Vmax=αV＝0.85×60＝51cm3

　　　　倘若实际注射量过小，注射机的塑化能力得不到发挥，塑料在料筒中停留的时间会过长。

所以最小注射量容积Vmin＝0.25V。

　　　　　　Vmin＝0.25V=0.25×60=15cm3

　　　　实际注射量V’=2V0+2×0.6V0=2×9.132+2×0.6×9.132=29cm3

　　　　　　即Vmin＜V’＜Vmax

　　　　所以符合要求。

　　2）锁模力的校核

　　　　　　　公式：

F≥KAPm

　　　　式中F——注射机的额定锁模力（kN）400

　　　　　　A——制品和流道在分型面上的投影和（cm3）

　　　　　　Pm——型腔的平均计算压力（MPa）由表9.9-4　取30

　　　　　　K——安全系数，通常取K＝1.1－1.2　　　　　　1.2

　　　　　则：

KAPm＝1.2×2[π（35.25/2）2+20×6]×30

=78.905kN＜400kN=F

　　　　　所以符合要求。

　　3）最大注射压和的校核

　　　　　　　　Pmax≥K’P0

　　　　　式中：

Pmax——注射机的额定注射压力（MPa）　　　150

　　　　　　　　P0——成型时所需的注射压力（MPa）　　　100

　　　　　　　　K’——安全系数，常取K=1.25－1.4取1.3

　　　　　则K’P0=1.3×100=130MPa＜Pmax150MPa

　　　　　所以符合要求。

　2、安装参数的校核

　　　模具各模板的厚度分别为：

　　　H1——上模座30mmH2——型腔板32mm

　　　H3——脱件板16mmH4——型芯板25mm

　　　H5——型芯固定板32mmH6——垫块63mm

　　　H7——下模座30mm

　　　模具的闭合高度H=H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7=228mm

　　所允许的最小模具厚度Hmin=160mm

　　所允许的最大模具厚度Hmax=280mm

　　即模具满足Hmin≤228mm≤Hmax的安装条件。

　　经查资料SZ-60/40型注射机的最大开模行程S=180mm

S≥H1+H2+（5－10）mm

　　　　=17.5+20+10

=47.5mm

　　　满足要求

　　所以注射机的开模行程足够，由以上的验证可知，型注射机能满足使用要求，故可采用。

七、参考文献

　　1、《塑料注塑模结构与设计》　　　主编：

杨占尧　　　2003.8

　　2、《实用注塑模设计手册》　　　　主编：

程志远　　　2000.4

　　3、《塑料模具手册》　　　　　　　主编：

阎亚林　　　2004.8

　　4、《公差配合与测量技术》　　　　主编：

黄云清　　　2003.7

　　5、《中国模具设计大典》　

附件图纸

上模座板

下模座板

推杆固定板

推板

型芯

型腔

浇口套

压边圈

装配主视图

装配俯视图