塑料齿轮注塑模具毕业设计说明书与模流分析.docx
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塑料齿轮注塑模具毕业设计说明书与模流分析
塑料齿轮注塑模具设计
摘要:
本课题研究的是塑料齿轮注塑模具,塑料齿轮多应用于仪表、儿童玩具车和机械相机等等,塑料齿轮要求有比较高的强度和一定的柔韧性,所以我们选择了力学综合性能比较好的塑料材料ABS。
在设计过程中,我们先对塑料齿轮制件进行工艺分析和模流分析,来选取合适的模架和注塑机等等。
经过制件工艺性分析和模流分析,知该制件为小型塑件,相应地需要设计小型模架和注塑机,该模具适合采用一出四腔双分型面模具结构,采用细水口三板模模架,在齿轮顶面匀布设置三个点浇口注胶。
关键词:
ABS双分型面一模四腔细水口
Abstract:
Theresearchisabouttheinjectionmouldforplasticgears,theplasticgearismoreandmoreforinstrument,children'stoycarsandmechanicalcameraandsoon,theplasticgearrequirementsrelativelyhighstrengthandacertaindegreeofflexibility,sowechoosetheABSwiththebettercomprehensivemechanicalproperties.Inthedesignprocess,firstwehaveatechnologyanalysisandamouldflowanalysisfortheplasticgearstoselectthesuitablemoldandinjectionmoldingmachineandsoon.Afterstampingprocessanalysisandmoldflowanalysis,weknow,thepartsissmall,accordinglyweneedtodesignsmallmoldandinjectionmoldingmachine,themoldissuitabletousethemoldstructureofafourcavitywithdoublepartingsurfacesandthemoldwiththinfinenozzleandthreeplatemold,onthegeartopsurfacewesetthreepinpointgatetoinjectplastic.
Keywords:
ABSdoublepartingsurfaceamoldwithfourcavitythinfinenozzle
1前言
在讨论注塑模设计之前,我们先对国内外的塑料模具工业的状况、塑料模具工业的发展方向有一个较清晰的了解,这也就使我们对本课题的意义有所了解。
首先要对模具有一个整体的认识。
模具是机械、汽车、电子、通讯、家电等工业产品的基础工艺装备之一。
作为工业基础,模具的质量、精度、寿命对其他工业的发展起着十分重要的作用,在国际上被称为“工业之母”,对国民经济发展起着不容质疑的作用。
模具工业是制造业中的一项基础产业,是技术成果转化的基础,同时本身又是高新技术产业的重要领域,在欧美等工业发达国家被称为“点铁成金”的“磁力工业”;美国工业界认为“模具工业是美国工业的基石”;德国则认为是所有工业中的“关键工业”;日本模具协会也认为“模具是促进社会繁荣富裕的动力”,同时也是“整个工业发展的秘密”,是“进入富裕社会的原动力”。
在模具工业的总产值中,冲压模具约占50%,塑料模具约占33%,压铸模具约占6%,其它各类模具约占11%。
塑料模具工业是随塑料工业的发展而发展的。
塑料工业是一门新兴工业。
自塑料问世后的几十年以来,由于其原料丰富、制作方便和成本低廉,塑料工业发展很快,它在某些方面己取代了多种有色金属、黑色金属、水泥、橡胶、皮革、陶瓷、木材和玻璃等,成为各个工业部门不可缺少的材料。
目前在国民经济的各个部门中都广泛地使用着各式各样的塑料制品。
特别是在办公设备、照相机、汽车、仪器仪表、机械制造、交通、电信、轻工、建筑业产品、日用品以及家用电器行业中的电视机、收录机、洗衣机、电冰箱和手表的壳体等零件,都已经向塑料化方向发展。
目前,世界的塑料产量已超过有色金属产量的总和。
塑料模具就是利用特定形状去成型具有一定形状和尺寸的塑料制品的工艺基础装备。
用塑料模具生产的主要优点是制造简便、材料利用高、生产率高、产品的尺寸规格一致,特别是对大批量生产的机电产品,更能获得价廉物美的经济效果。
塑料模具的现代设计与制造和现代塑料工业的发展有极密切的关系。
随着塑料工业的飞速发展,塑料模具工业也随之迅速发展。
[1]
本课题是关于塑料齿轮的注塑模具设计。
要求运用所学知识,能很好的对注塑模具进行设计。
达到熟练的掌握注塑模具的设计知识,并能对注塑模具设计有更高层次的认识的目的。
该课题的设计要求通过基于现代CAD技术的注塑模设计,在设计过程中掌握模具设计的一般规律,对于运用现代CAD技术进行模具设计进行研究和应用,完成塑料齿轮注塑模具设计。
所设计塑料齿轮模具要能满足模具工作状态的质量要求,使用时安全可靠,便于维修,在注塑成型时要有较短的成型周期,成型后有较长的使用寿命,具有合理的模具制造工艺性。
2模流分析报告
2.1基础理论知识
2.1.1Moldflow软件技术应用
(1)Moldflow软件概要
Moldflow公司是一家专业从事塑料成型计算机辅助工程分析(CAE)的跨国性软件和咨询公司。
自1978年美国Moldflow公司发布了世界上第一套流动分析软件以来,几十年不断的技术改革和创新一直主导着CAE软件市场。
Moldflow软件以87%市场占有率及连续五年17%的增长率成为全球主流分析软件,该公司有遍布全球60个国家超过8000家用户,在世界各地都有Moldflow的研发机构及分公司。
Moldflow公司拥有自己的材料测试检验工厂,为分析软件提供多达8000余种材料检测数据,极大地提高了分析准确度。
Moldflow软件为优化塑件、模具设计和注塑生产工艺提供了一整套解决方案。
Moldflow系列产品包括:
MoldflowPlasticAdvisers(快速试模分析),简称MPA。
MPA允许直接导入CAD实体进行分析,让用户在短时间内找到问题所在,并提供实用的解决方案。
MoldflowPlasticInsight(高级成型分析),简称MPI。
MPI是关于产品几何造型及成型条件最佳化的进阶模流分析软件。
从材料的选择、模具的设计及成型条件参数设定,以确保在射出成型过程中塑料在模具内的充填行为模式,以获得高质量产品;
MoldflowManufacturingSolution(专家试模系统),简称MMS。
MMS是一套整合了Moldflow分析结果与注塑成型机的生产管理系统,为用户提供实时经营绩效管理所需的生产和工艺数据,并实现了工艺设置、优化和控制的自动化。
MMS采用直观、系统、可存档且全球支持的方法实现成型工艺的排定、设置、优化、控制和监控。
(2)MoldflowPlasticInsight(MPI)认识
MPI具有模拟分析注射成型中塑料流动形态、产品体积收缩、冷却时间、纤维配向性、产品翘曲等功能,建立了丰富了材料数据库。
此外,MPI还能模拟分析气体辅助注塑成型及热固性成型等。
使用MPI模拟分析可缩短注塑生产周期。
我们通过电脑模拟分析能确定和修改潜在问题。
并帮助模具设计人员预测常碰到的问题并加以修正设计。
帮助合理选择材料材质以节省材料费用,简化烦琐的注射成形条件设定以提高工效,达到降低成本之目的。
MPI主要模块及功能如下:
模型导入与修复。
MPI有三种分析方法:
基于中心面的分析、基于表面的分析与三
维分析。
中心面既可运用MPI软件的造型功能完成,也可从其他CAD模型中抽取,再编辑;表面分析模型与三维分析模型直接读取其它CAD模型,如快速成型(STL)、IGES、STEP、Pro/E模型及UG模型等格式的文件。
模型导入后,软件提供了多种修复工具,以生成既能得到准确结果,又能减少分析时间的网格。
塑料材料与注塑机数据库。
材料数据库包含了超过4000种塑料材料的详细数据,注塑机数据库包含了290种商用注塑机的运行参数,而且这两个数据库对用户是完全开放的。
流动分析:
分析塑料在模具中的流动,以优化模腔的布局、材料的选择、充填和保压等工艺。
冷却分析:
分析冷却系统对流动过程的影响,优化冷却管道的布局和工作条件,与流动分析相结合,可以得到完美的动态注塑过程。
翘曲分析:
分析整个塑件的翘曲变形,包括线形、线形弯曲和非线形,并指出产生翘曲的主要原因以及相应的改进措施。
纤维充填取向分析:
塑件纤维取向对采用纤维化塑料的塑件性能(如拉伸强度)有重要影响。
MPI软件使用一系列集成的分析工具来优化和预测整个注塑过程的纤维取向,使其分布合理,从而有效地提高该类塑件的性能。
优化注塑工艺参数:
根据给定的模具、注塑机及塑件材料等参数,结合流动分析结果自动产生控制注塑机的充填保压曲线,从而避免了在试模时对注塑机参数的反复调试。
结构应力分析:
分析塑件在承受外界载荷情况下的机械性能,并可在考虑注塑工艺的前提下,优化塑件的强度和刚度。
确定合理的塑料收缩率:
MPI通过流动分析结果确定合理的塑料收缩率,保证模腔的尺寸在允许的公差范围内,从而减少塑件废品率,提高产品质量。
气体辅助成型分析:
模拟气体辅助注射成型过程,对整个成型过程进行优化。
MPI/Gas能仿真压力控制或体积控制两种模式,可以模拟塑料充填与气体在模穴渗透模式,分析结果包括预测气体会不会吹穿产品、产品厚度分布、气体穿透能力、气体保压压力曲线、包风、熔合线位置和温度分布等。
特殊注塑成型过程分析:
MPI可以模拟共注射、反应注射、微芯片封装等特殊的注射成型过程,并对其进行优化。
[2]
2.2制件分析
2.2.1制件结构分析
结构制件的基本结构尺寸如图2.1、图2.2所示。
图2.1制件图
图2.2制件三维图
制件大小为小尺寸规格,是具有16根齿的塑料锥齿轮,锥齿轮的齿要求具有耐磨性和一定的强韧性,制件中心有一圆柱通孔,制件的壁厚不是很均匀,注塑有一定的难度,所以需要模流分析。
2.2.2制件材料分析
本次设计选择力学综合性能较好的材料ABS作为塑件的材料,ABS是由丙烯腈(Acrylonitrile)、丁二烯(Butadiene)和苯乙烯(Styrene)三种化学单体合成。
其中A代表丙烯腈,B代表丁二烯,S代表苯乙烯。
其化学分子结构方式如下:
每种单体都具有不同特性:
丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性;丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性;苯乙烯具有易加工、高光洁度及高强度。
从形态上看,ABS是非结晶性材料。
三中单体的聚合产生了具有两相的三元共聚物,一个是苯乙烯-丙烯腈的连续相,另一个是聚丁二烯橡胶分散相。
ABS不透明,外观除薄膜外都呈浅象牙色、无毒、无味、兼有韧、硬、刚特性,燃烧缓慢,离火后仍继续燃烧,火焰呈黄色,有黑烟,燃烧后塑料软化、烧焦,发出特殊的肉桂气味,但无熔融滴落。
ABS的特性主要取决于三种单体的比率以及两相中的分子结构。
这就可以赋予用户在产品设计上有很大的灵活性,并且由此产生了市场上数百种不同品质的ABS材料。
ABS具有优良的综合性能,由于组分、牌号和生产厂家生产方法的不同,使之在性能上存在较大差异,因此以下的试验数据仅供参考。
[3]
(1)物理力学性能
ABS具有优良的物理力学性能,如不透水,但略透水蒸气,冲击强度较高,尺寸稳定性好等。
ABS有极好的冲击强度,即使在低温也不迅速下降。
但是它的冲击性能与树脂中所含橡胶的多少、粒子大小、接枝率和分散状有关,同时也与使用环境有关、如温度越高则冲击强度越大。
当聚合物中丁二烯橡胶含量超过30%时,不论冲击、拉伸、剪切还是其它力学性能都迅速下降(见表2-1和2-2)。
(2)热性能。
ABS制品的负荷变形温度约为93℃,若能对制品进行退火处理,则还可增加10℃左右。
(3)电性能。
ABS聚合物的电绝缘性受温度和湿度的影响很小,且在很大频率变化范围内保持恒定。
(4)耐环境性
ABS聚合物几乎不受水、无机盐、碱、酸类的影响,但在酮、醛、氯代烃中会溶解或形成乳浊液,它不溶于大部分醇类及烃类溶剂,但长期与烃接触会发生软化溶胀。
ABS聚合物表面受冰醋酸、植物油等化学药品的锓蚀会引起应力开裂。
(5)耐候性
ABS聚合物的最大不足之处是耐候性较差,这是由于分子中丁二烯所产生的双键在紫外线作用下易受氧化降解的缘故。
经受350nm以下波长的紫外线照射,氧化作用更甚。
氧化速度与光的强度及波长的对数成正比。
ABS是一种成型加工性能优良的热塑性工程塑料,可用一般加工方法成型加工。
(6)ABS的流变性
ABS聚合物在熔融状态下流动特性属于假塑型液体。
虽然ABS的熔体流动性与加工温度和剪切速率都有关系,但对剪切速率更为敏感。
因此在成型过程中可以采用提高剪切速率来降低熔体粘度,改善熔体流动性。
ABS属一无定形聚合物,无明显熔点,成型后无结晶,成型收缩率为0.4%~0.5%。
在成型过程中,ABS的热稳定性较好,不易出现降解或分解,但温度过高时,聚合物中橡胶相有破坏的倾向。
(7)ABS的吸水性
ABS具有一定的吸水性,含水量在0.3%~0.8%范围。
成型时如果聚合物中含有水分,制品上就会出现斑痕、云纹、气泡等缺陷,因此在成型前,需将聚合物进行干燥处理,使其含水量降到0.2%左右。
[3]
表2.1ABS的主要性能指标[3]
力
学
性
能
屈服强度/Mpa
50
热性能及电性能
成型收缩率/%
0.4%~0.5%
拉伸强度/Mpa
38
熔点(粘流温度)/C
130—160
断裂伸长率/%
35
热变形温度/C
45N/cm3
180N/cm3
90—108
83—103
拉伸弹性模量/Gpa
1.8
线膨胀系数/(10-5/C)
7.0
弯曲强度/Mpa
80
比热容/
1470
弯曲弱性模理/Gpa
1.4
热导率/
0.263
冲击强度/kJ/m2
无缺口
缺口
261
燃烧性/(cm/min)
慢
11
体积电阻/Ω*cm
6.9*1016
布氏硬度/HBS
9.7/R121
击穿电压/(kV/mm)
物理性能
密度/(g/cm3)
1.02—1.16
吸水性/%(24h)
0.2—0.4
比体积/(cm2/g)
1.02—1.06
透明度或透光率
不透明
2.3模流分析模型准备
2.3.1模型简化
由图2.2制件三维图可以看出,制品有一些细小圆角,这些细小圆角特征的存在,会对模型网格划分带来不利影响,同时,这些细小圆角本身是否存在对模流分析结果不会产生较大的影响,因此,一般应将细小圆角去除,所以要简化模型。
简化模型的方法一般有两种。
第一种是在三维建模软件中直接将细小特征删除,第二种是利用MoldflowCADDoctor软件来修复、简化模型。
本方案就利用第一种方法来去除细小圆角。
在三维图中去除圆角后,然后在MoldflowMPI中建立工程文件,将去除圆角的三维图以Iges格式导入Moldflow中,如图2.3所示。
图2-3去除圆角导入Moldflow的简化图
2.3.2网格模型诊断修复
(1)网格划分与统计
本制品由于具有壁厚不均匀特征,同时又具有一定的细微局部结构特征,适合采用双面流网格(fusion网格)来进行网格划分,网格划分结果统计如图2.4所示。
图2.4网格划分结果统计
由图2.4的网格统计结果可以看出,所划分出的网格稍有一定的缺陷,如纵横比稍大等问题,需要应用网格工具来进一步诊断并修复。
(2)纵横比诊断及修复
A.纵横比诊断
在Mesh菜单中有许多命令可用来检查网格模型的质量,包括MeshStatistics(网格统计)报告和其它检查并显示网格问题的命令。
如:
纵横比检查、单元重叠及相交检查、取向检查、连续性检查、自由边检查、厚度检查、重复次数和表面网格匹配检查等。
应用诊断工具,进行纵横此诊断,诊断结果如图2.5所示。
图2.5纵横比诊断结果
由图中可以看出,存在稍大纵横比,这将对分析的正常进行与分析结果的精度产生一定的影响,可以进行修复优化。
B.纵横比修复
Mesh菜单下有一个叫MeshTools(网格修复工具)的工具集,这是一个包含一系列网格修复工具的对话框,包括:
自动修复(AutoRepair)、修复纵横比(FixAspectRatio)、自动合并(GlobalMerge)、合并节点(MergeNodes)、置换对角边(SwapEdge)、匹配节点(MatchNode)、局部重划网格(RemeshArea)、插入节点(InsertNodes)、移动节点(MoveNodes)、对齐节点(AlignNodes)、调整单元取向(OrientElements)、填充孔(FillHole)、创建边界(CreateRegions)、光顺节点(SmoothNodes)、创建柱体单元(CreateBeams)、创建三角单元(CreateTriangles)、删除实体(DeleteEntities)和清理多余节点(PurgeNodes)等。
应用网格诊断修复工具,进行节点、三角形边等操作,进行纵横此修复,修复结果如图2.6所示。
图2.6纵横比修复结果
B.其他网格缺陷的诊断修复
同样,应用网格诊断修复工具,对单元重叠及相交、取向、连续性、自由边等进行检查及修复,诊断修复后结果如图2.7所示。
图2.7修复后网格统计
从统计结果可以看出,网格质量已基本满足分析要求。
2.4浇口位置方案优化
在制品及模具设计中,是否有合适浇口位置直接影响到制品设计的工艺性质量和模具设计制造的可实现性及成型工艺。
因此浇口位置方案应有充分考量并实现方案的优化。
2.4.1初始方案
初始方案浇口设置在齿轮侧面最大轮廓处,具体位置如图2.8所示。
图2.8侧面浇口位置
对所采用浇口方案进行快速充填分析,部分分析结果如下:
(1)充填时间分析结果
图2.9充填时间分析结果
(2)V/P切换时压力分析结果
图2.10V/P切换时压力分析结果
2.4.2优化方案
优化方案是在制件顶面中间匀布设置3个点胶口,如图2.11所示。
图2.11顶面中间浇口位置
对所采用浇口方案进行快速充填分析,部分分析结果如下:
(1)优化后的充填时间分析结果
图2.12优化后的充填时间分析结果
(2)优化后的V/P切换时压力分析结果
图2.13V/P切换时压力分析结果
2.4.3结论
由充填分析结果可以看出,优化方案相对于初始方案注射时间由2.314s缩小到2.213s,熔料流动比较均匀,到达结构相同的地方的时间相同,制件的综合力学比较一致稳定。
由V/P切换时压力分析结果可以看出,优化方案相对于初始方案压力由2.599MPa缩小到1.178MPa,压力梯度比较均匀,结构相同的地方压力一致。
由上述比较可以看出,第二种的优化方案在熔料流动、注射时间、压力及对制件性能影响等方面都取得了更好的结果,是一个优化的方案。
由锁模力分析图和流动前沿温度分析结果也可对此进行验证,如图2.14所示。
图2.14锁模力及流动前沿分析图
2.5冷却工艺方案优化
2.5.1初始方案
(1)初始方案设定
冷却系统设计方案如图2-15所示。
在易设置冷却系统的定模部分设置冷却通道。
动模部分未设置。
冷却介质为恒温水,温度为30℃。
图2.15初始方案冷却系统
(2)初始方案部分分析结果
对初始方案进行冷却、流动、翘曲分析,部分分析结果如下:
A.冷却时间分析结果
图2.16冷却时间分析结果
由上图所示制品最大冷却时间为7.555s,流道最大冷却时间为7.537s。
B.冷却回路温度分析结果
图2.17冷却回路温度分析结果
由上图所示,可以分析出冷却介质出入口温度差为0.01℃。
C.局翘曲变形量分析结果
图2.18全局翘曲变形量分析结果
由上图可以分析出,制品全局变形量为0.1286mm。
2.5.2优化方案
(1)优化方案设定
冷却系统优化设计方案如图2.19所示。
该方案在动模部分设置了冷却通道,努力使冷却更均匀。
图2.19优化方案冷却系统
(2)优化方案部分分析结果
对初优化方案进行冷却、流动、翘曲分析,部分分析结果如下:
A.冷却时间分析结果
图2.20冷却时间分析结果
B.冷却回路温度分析结果
图2.21冷却回路温度分析结果
C.局翘曲变形量分析结果
图2-22全局翘曲变形量分析结果
(3)方案优化前后质量控制参量对比
方案优化前后质量控制参量对比如表2.2所示。
表2.2优化前后质量控制参量对比
质量控制参量
初始方案
优化方案
优化效果
制品冷却时间(s)
7.555
7.531
良好
冷却回路温度差(℃)
0.01
0
良好
全局翘曲变形量(mm)
0.1286
0.1284
良好
2.5.3结论
由冷却时间分析结果可以看出,优化方案相对于初始方案制品冷却凝固时间由7.555s缩短到7.531s,且制件的各处冷却比较均匀;
由冷却回路温度分析结果可以看出,优化方案相对于初始方案冷却液出口相对于入口温度差由0.01℃降到0℃。
由全局翘曲变形量分析结果可以看出,优化方案相对于初始方案变形量由0.1286mm降到0.1284mm,且制件各处翘曲变形比较均匀。
由此可见优化方案能有效缩短冷却时间,提高冷却回路冷却效果和保证冷却的均匀性,能降低制品成型的变形量,是一个优化了的方案。
3制件的工艺设计分析
3.1制件的脱模斜度
3.1.1脱模斜度的意义和影响
通常情况下制件在冷却后会产生一定的收缩,也会产生包紧力,该力作用在凸模或者成型的型芯上;也可粘附作用,塑件是紧贴在凸模的型芯上。
为了容易脱模,还要防止塑件表面在脱模时刮伤和擦毛,在设计的时候塑件表面沿脱模方向一般具有合理的脱模斜度。
3.1.2脱模斜度的确定
因为该塑料齿轮为小型制件,所以本次设计中采用1°的拔模斜度,这样从外表面到内表面,模具的脱模斜度基本正常,能保证正常的脱模斜度要求。
3.2确定型腔数量及型腔布局
3.2.1型腔数量的确定
模具型腔数量的确定主要跟注射机的最大注射量、额定锁模力、塑化速度、制品的尺寸和精度、生产的经济性等因素有关。
该塑件(制件)为小型塑料件,相对应的模具规格也是小型的。
同时,考虑到模具结构尺寸与塑件尺寸之间的关系,加之制造成本和经济利益的因素,决定选用一模四腔的模具结构形式。
3.2.2型腔布局
A.型腔排列的一般原则
(1)流动长度要适当,流道废料尽量少,浇口位置要合适统一,进料要平衡,还要使型腔压力平衡;
(2)排位应保证流道、浇口套距定模型腔边缘有一定距离,以满足封胶要求;
(3)排位应满足模具结
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