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1、塑料齿轮模具设计及其型腔仿真加工摘 要：本课题来源于盐城羽佳塑业，任务是塑料齿轮模具设计及其型腔仿真加工.注射成型是塑料成型的一种重要方法，它主要适用于热塑性塑料的成型，可以一次成型形状复杂的精密塑件。本课题就是将双联齿轮作为设计模型，将注射模具的相关知识作为依据，阐述塑料注射模具的设计过程。本设计对双联齿轮进行的注塑模设计，利用proe软件对塑件进行了实体造型，对塑件结构进行了工艺分析。明确了设计思路，确定了注射成型工艺过程并对各个具体部分进行了详细的计算和校核。如此设计出的结构可确保模具工作运用可靠，保证了与其他部件的配合。 最后用mastercam仿真加工型腔。本课题通过对双联齿轮杯的注
2、射模具设计，巩固和深化了所学知识，取得了比较满意的效果，达到了预期的设计意图。关键词：塑料模具；注射成型；模具设计；本设计来自：完美毕业设计网登陆网站联系客服远程截图或者远程控观看完整全套论文图纸设计客服QQ：8191040The design of gear plastic injection mold and cavity simulation processingAbstract: The subjects come from the Yujia Plastic Corporation. Task is what the design of gear plastic injection
3、mold and cavity simulation processing. Plastic injection molding molding is an important method, which is primarily applicable to thermoplastic plastic molding, Molding can be a complex shape of precision plastic parts. To study the topic ,we make double-gear the design model, make the injection mol
4、d-related knowledge the basis for elaborate plastic injection mold design process.In the designment we design double-gear with the injection mold design, using software proe to plastic parts to solid modeling, and making technics analysis to the structure of Plastic Parts for the process.We definite
5、 the design,and identify the injection molding process as well as some specific details of the calculation and verification.The structure of such a design can be used to ensure reliable Die work ,to ensure cooperation with the other parts of the tie. Finally，simulation processing cavity with masterc
6、am .we have consolidated and deepened the learning, gain a satisfied result, achieve the desired design intent through the process of double-gear mold design.Key words : Plastic mold; Injection molding; Mold design; 目 录1 前言12 模具总体设计32.1 制品的分析32.2模具总体方案设计42.3注射机的选择52.4型腔数的确定52.5型腔的布局62.6分型面的确定72.7浇注系
7、统设计72.7.1浇口的形式72.7.2流道、主流道衬套及定位环的设计82.7.3冷料井的设计92.8冷却系统的设计102.9模架的选择112.10导柱、导套的选择122.10.1导柱的选择122.10.2导套的选择122.11顶杆设计132.12复位杆142.13锁模力的校核142.14开模行程的校核152.15总装配图及三维造型图152.15.1总装配图152.15.2模具的三维造型图173工艺分析及仿真加工183.1模具的注塑工艺分析183.2模具成型件制造工艺与加工工序193.2.1模具成型件制造工艺193.2.2模具成型件的加工工艺203.3数控仿真204结论25参考文献26致谢27
8、附录281 前言在工业产品中，一个设计合理的塑料件往往能代替多个传统金属结构件，加上利用工程塑料特有的性质，可以一次成型非常复杂的形状，并且还能设计成卡装结构，所带来的效果是明显的，因此，近年来工业产品塑料化的趋势不断上升。注塑成型是塑料加工中最普遍采用的方法，其中最主要之一的注塑模具已经很广泛的采用。它在质量、精度、制造周期以及注塑成型过程中的生产效率等方面水平的高低，直接影响产品的质量、产量、成本及产品的更新换代，同时也决定着企业在市场竞争中的反应能力和速度。注塑模具与其它机械行业想比，有以下三个特点：第一，模具不能像其它机械那样可作为基本定型的商品随时都可以在机电市场上买到。模具制造不可
9、能形成批量生产，即模具是单件生产的，其寿命越长，重复加工的可能性越小。因此，模具的制造成本较高。第二，因为注塑模具是为产品中的塑料制品而订制的，作为产品，除质量、价格等因素之外，很重要的一点就是需要尽快地投放市场，所以对于为塑料制品而特殊定订制的模具来说，其制造周期一定要短。第三，模具制造是一项技术性很强的工作，其加工过程集中了机械制造中先进技术的部分精华与钳工技术的手工技巧，因此要求模具工人具有较高的文化技术水平，特别是对企业来说要求培养“全能工人”，使其适应多工种的要求，这种技术工人对模具单件生产方式组织均衡生产是非常重要的。综上所述，模具制造 存在成本高，要求制造周期短，技术性强等特点，
10、目前，随着科学技术的不断发展和计算机的应用，这些问题得到了很大的改善。注塑模具的特点：a)塑料的加热、塑化是在高温料筒内进行，而不是在模具内进行，因而模具不设加料腔，而设浇注系统，熔体通过浇注系统充满型腔。浇注系统对注塑模来说至关重要。b)塑料熔体进入型腔之前，模具已经闭合。在注塑过程中需根据塑料特性，在模具中设加热或冷却系统。c)注塑模生产适应性强，既可注塑小型制品，也可注塑大型制品；既可注塑简单制品，也可注塑复杂制品，生产率高，容易实现自动化。d)注塑模一般是机动的，结构一般较复杂，因而制造周期较长，成本较高。注塑模具的应用在当今的时代会越来越广的，它的特点使得它的用处越来越宽，涉及的范围
11、也大了。模具表面的光整加工是模具加工中未能很好解决的难题之一。模具表面的质量对模具使用寿命、制件外观质量等方面均有较大的影响，我国目前仍以手工研磨抛光为主(约占整个模具周期的l/3)，不仅效率低，且工人劳动强度大，质量不稳定，制约了我国模具加工向更高层次发展。因此，研究抛光自动化、智能化是重要的发展趋势。日本已研制了数控研磨机，可实现三维曲面模具的自动化研磨抛光。国外在模具生产中，计算机辅助设计与辅助制造(CAD/CAM)技术已得到十分成功的应用。三维造型和型腔的数控加工都是由计算机辅助软件完成的，它大幅度的缩短了模具的生产周期，提高工作效率。德、美、日、法、意等工业发达国家在模具设计制造领域
12、仍处于国际领先水平，他们的一些先进的模具方面的技术被许多发展中国家，甚至是其它发达国家学习采用。亚洲以日本和韩国模具技术水平最高，其它国家与之还有较大的差距，不过他们也正在以惊人的速度发展着，国家之间的交流会使之发展更快。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
13、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.选择注塑模型腔进行加工分析,用数控加工进行编程加工。本课题要解决的主要问题是塑料齿轮注塑模具工艺方案的拟定和塑料齿轮注塑模具的设计。注塑模具设计总体思路如图1-1所示设计前的准备确定成形工艺选择成形设备拟定总体结构草图设计计算、绘制总图及零件图1.准备设计所需的技术资料2.了解塑件的结构特点1.了解塑料的成形性能，计算塑件的重量和体积2.选择成形设备、了解设备的性能、规格、特点1.确定模具结构形式2.确定模具的主要结构3.绘制模具结构草图1.成形零件的设计及尺寸计算2.结构件的设计及尺寸确定
14、3.结构件的强度、模具安装尺寸的校核4.绘制总图及零件图 图1-1模具设计思路图本课题要达到的预期效果：a.外观及尺寸均符合要求，未出现溢边、缩坑等缺陷；b.结构合理；c.镶拼简单，加工简便；d.顶出动作平稳、可靠。2 模具总体设计2.1 制品的分析塑件为双联塑料齿轮，材料为ABS，用游标卡尺对零件进行测绘。我们最终所需要加工得到的是制造此零件的模具型腔，而我们所取的塑件是模具生产出来的千千万万个塑件中的一个，由于制造的原因，塑件在出模后不可避免的会产生一定的变形，因此对该零件的测量数值需要进行分析处理。如对塑件较大尺寸误差的修正，对相同形状处所测不同尺寸的取均值进行圆整，然后绘出零件的草图。
15、由于条件限制所以采用多次取断面进行测量的办法。量具：游标卡尺（0300、0.02）, 垂直卡尺，曲线测量仪等注意做到以下几点：1测绘过程中必须把被测物体放在工作平面上；2采用多次测量求平均值；3正确地读取数据。根据上述的方法绘制的制品的零件图如下： 2-1 制品图图2-2 制品的三维造型该制品是ABS（苯烯腈-丁二烯-苯乙烯）塑料，重量约30g 。据参考文献3P20可知，ABS的密度10301070 ，收缩率0.30.8%， 模具温度5080注射压力60100Mpa，最大不溢料间隙0.04mm，塑件的尺寸精度为56级，则模具型腔的尺寸精度应为IT10IT11级。2.2模具总体方案设计设计模具时
16、，首先确定合适的注塑机，并了解它的技术规范要求：注塑机的最大注塑量、最大注塑压力、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、模板安装模具的螺钉孔的位置和尺寸、注塑机喷嘴孔直径和喷嘴球头半径值。再根据现有注塑机的规格、所要求的塑件的质量、塑件成本及交货期等，确定型腔数目。浇注系统分为主流道、分流道、浇口、冷料穴等。由于主流道与高温高压的熔融塑料接触所以外面要加个浇口套。分浇道的形状尺寸主要取决于塑件的体积、壁厚、形状以及所加工塑料的种类、注射速率、分浇道长度等。主流道与分流道采用圆角过渡，这样可以减小料流转向过渡时的阻力。分流道的布置要均匀处理，确保熔融塑料由主流道到各分流
17、道的距离相等。分流道表面不必很光，可以使熔融塑料的冷却皮层固定，有利于保温。分流道与浇口采用圆弧过渡，有利于熔料的流动及填充。浇口是连接分流道和型腔的桥梁，它具有两个功能：第一，对塑料熔体流入型腔其控制作用；第二，当注塑压力撤销后，浇口固化，封锁型腔，使型腔中尚未冷却固化的塑件不会倒流。根据制品的特点初采用多点进料点浇口浇注系统。型腔分型面和形状的确定：注塑模有一个分型面和多个分型面的模具，分型面的位置有垂直于开模方向、平行于开模方向以及倾斜于开模方向几种，分型面的形状有平面和曲面等。根据制品的形状采用双分型面分型。 排气系统的设计：本模具采用间隙排气，利用分型面的配合间隙自然排气。推出机构的
18、设计：推动的动力来源有手动推出、机动推出和液压与气动推出机构。本设计可采用机动推出，合模时复位杆首先与定模边的分型面接触，而将推板和所有的推杆一道推回原位。本模具设计采用塑件留在动模，要保证塑件不应推出变形或损坏，还要保证塑件的良好外观和结构可靠。2.3注射机的选择注塑模具是与注塑机配套使用，因此设计时注塑机的选择尤为重要。从模具设计的角度出发，应了解的注射机的技术要求有：注射机的类型、最大注射量、最大注射压力、锁模力、最大注射面积、模具的最大和最小闭合厚度、最大开模行程以及模具在注射机上安装时所需的定位孔的大小、螺钉孔的位置等等。根据制品的大小及企业生产状况，选择SZ-100/60注射机，其
19、主要参数如表2-1所示表2-1 注射机参数型号SZ-100/60螺杆直径（mm）35注射容量（cm3或g）100注射压力（N/cm3）150锁模力 （KN）600最大注射面积（cm2）模具厚度（mm）170300模板行程（mm）300喷嘴球半径（mm）10喷嘴孔直径（mm）4喷嘴伸出量（mm）20顶出行程（mm）80外形尺寸（m * m * m）3.9 X 1.3 X 1.82.4型腔数的确定 据参考文献3可知，以机床的注射能力为基础，每次的注射量不超过注射机最大注射量的80%，按参考文献3公式计算模具的型腔数：n=(0.8G-)/ (2-1)式中： 注射机的最大注射量（g）； 单个塑件的重量
20、（g）； 浇注系统的重量（g）。n=(0.8x105-6)/30 n=2.5模具型腔个数选一模二腔。2.5型腔的布局由于型腔的布置与浇注系统布置密切相关,因而型腔的排布在多型腔模具设计中应加以综合考虑。型腔的排布应使每个型腔浇口处有足够压力,以保证塑料熔体同时均匀地充满型腔，使各型腔的塑件内在质量均一稳定,这就要求型腔与主浇道之间的距离尽可能最短,同时采用平衡的浇道和合理的浇口尺寸以及均匀的冷却等。合理的排布可以避免塑件尺寸的差异、应力形成和脱模困难等问题。本设计是一模两腔，为合理的设计浇注系统和容易脱模，型腔的布局图如下：图2-3 型腔的布局二维图图2-4 型腔的布局三维图2.6分型面的确定
21、分开模具能取出塑件的面，称作为分型面。本模具采用双分型面。双分型面注塑模具是指浇注系统凝料和制品由不同的分型面取出。选择分型面时，应根据几何形状的外观质量、浇注系统的合理布置、便于取件、利于排气等因素综合考虑，为了便于脱模，分型面的位置宜取在塑件外形轮廓最大处。分型面的方向尽量采用与注塑机开模是垂直方向，形状有平面，斜面，曲面。由于本制品是下大上小的特点，根据上述选择分型面的原则，本制品的分型面选择在双联齿轮大齿轮的上端。另一分型面是为了取出浇注系统凝料。2.7浇注系统设计浇注系统的作用就是将熔融状态的塑料均匀、迅速地输入型腔，使型腔内体及时排出；并且将注射压力传递到型腔的各个部位，从而得到组
22、织紧密的制品。浇注系统通常由主流道、分流道、浇口和冷料穴四部分组成。2.7.1浇口的形式 浇口是浇道与型腔之间最短的一段距离，能够增加和控制塑料进入型腔的流速并封闭装填在型腔内的塑料。浇口位置的选择对制品的质量显得尤为重要，根据文献3浇口选择的一般要求是：a.塑件能量的损失最小;b.浇口的位置应使进入行腔的塑料能顺利的排出模腔内的空气，进入型腔的塑料不要立即封闭排气系;c.浇口的位置要避免造成收缩变形和塑件的熔接痕;d.拼镶结构的模具，浇口的位置不能使流动的塑料冲击镶件，但也不能离浇口太远，否则塑料流到镶件附近时变冷熔接不好;e.浇口的位置及大小要考虑对型芯的影响。避免塑料直接正面冲击型芯;f
23、.外观要求高的塑件则浇口不允许设置在分型面上，同时要考虑清理简便，不损坏塑件。根据本设计的具体情况，采用多点进料点浇口浇注系统。本模具流道布置采用平衡式分流道，即从主流道到各个型腔的分流道的长度相等形状及截面尺寸都相同。采用这种形式，是为了减小进料口附近的收缩对齿轮精度的影响。进料口均匀在塑件端面，不会在齿形上留痕迹。根据文献 3其具体结构及参数如图2-5、2-6所示： 图2-5 进料口形式（主视图） 图2-6 进料口形式（俯视图）2.7.2流道、主流道衬套及定位环的设计主流道是注射机喷嘴与分流道的一段通道，通常和注塑机的喷嘴在同一轴线上，断面为圆形，带有一定的锥度。a. d=注射机喷嘴孔直径
24、+（0.51）mm=4.5mm ； d=3.5mmb. =24 ； =2c. D浇道的宽度 ； D=8mmd. H一般取34mm ； H=3mme. R=注射机喷嘴球面半径+（12）mm ； R=10+2=12mmf. r按具体情况选择，一般取13mm ； r=2mmg. L应尽量缩短，L值按具体情况确定，不宜过长或过短，要8mm。本设计L长初定33mm。主流道衬套的材料常用T8A制造，热处理后硬度为5055HRC。主流道衬套与定模板采用H7/m6的过渡配合，主流道衬套与定位圈采用的H9/f9间隙配合。由于受型腔或分流道的反压力作用，主流道衬套会产生轴向移动，所以主流道衬套的轴向定位要可靠。本
25、制品是选择中小型模架则浇口套选择整体式，根据上述经验和计算本设计的浇口套形式为：图2-7 浇口套形式 分流道是主流道与浇口之间的通道，一般开设在分型面上，起分流和转向的作用。据参考文献3经验公式： D=0.2654 (2-2) 式中：W流经分流到的塑料量（g）L分流道长度（mm）D分流道直径（mm）根据型腔的布置初估L=80mm，根据制品的重量和浇注系统内的塑料量初估W=65g。则分流道直径为4mm. 据文献3ABS材料分流道直径推荐值为4.09.5。故选择D=4mm。2.7.3冷料井的设计喷嘴与低温的模具相接触，使喷嘴前端有一小段冷料；当分流道较长时，前锋塑料长时间的在低温的模具中流动，温度
26、较低。这些冷料如果进入型腔，在制作上形成冷接缝（熔接痕），严重的造成充填困难。也可能在进入浇口时就将浇口堵塞。所以必须设置冷料穴。冷料穴的作用是储存冷料；保证开模后主流道和分流道能留在动模板上，以便从模具中推出。如图 2-8 无拉料杆冷料井2.8冷却系统的设计 冷却系统在模具设计中是很重要的一部分，冷却水道的布置对成品的质量尤为重要，下表是模具温度对成品的影响。 表2-2不正常模温对塑件质量的影响模具温度塑件质量情况现象 过高缩孔在壁厚部分，易冷却地方先硬化，未冷却的地方先收缩，而产生缩坑。模具温度过高易产生缩孔溢料因为模具具有间隙，当温度过高，型腔内塑料粘度低，流动大，易从缝隙溢料不均匀变形
27、各部位冷却不均，造成收缩不一致，产生变形过低填充不良温度过低，型腔内塑料粘度高难流动，填充不均熔接焊两股料流汇合时，由于模温低，产生不能完全熔合而出现类似毛发状的细纹线表面不光泽出现表面不十分有光泽的情况温度调整不的当机械性能不良当模温过高或过低时，对部分塑料，结晶不良造成机械性能不良由上表可以知道冷却水道的位置取决于制品的形状和不同的壁厚。原则上冷却水道应设置在塑料向模具热传导困难的地方,根据冷却系统的设计原则,冷却水道应围绕模具所成型的制品,且尽量排列均匀一致。设计冷却水道需考虑如下因素3：a.模具的结构形式，对冷却系统设计直接有关；b.模具的大小和冷却面积；c. 塑件熔接痕位置；d. 水
28、孔边离型腔的距离一般保持在1025mm，距离太近则冷却不易均匀，太远则效率降低。水孔以直径一般在8mm上，根据模具大小决定；e.水孔管路应畅通无阻；f.水管接头的位置应放在尽可能不影响操作的一侧；g.冷却水孔管路最好不开在型腔塑料溶接的地方，以免影响塑件强度。根据参考文献3经验公式计算所需冷却水量： （2-3）式中；W通过模具的冷却流量（g）； W1单位时间内进入模具的塑料重量（g）； a每克塑料的热容量（J/g）； T3出水温度（）； T4入水温度（）； K热传导系数；由式（2-3）计算得：W=380g再由下式可求出冷却水道的直径d： （2-4）式中：冷却液密度（g/m2）； L冷却水道的长
29、度（cm）；由式（2-4）计算得：水道直径d为7.8mm，根据文献3取水道直径d为8mm。本水道需要注意管中的铜片隔离，这样冷却效果更好。上下水道一致如图2-9图2-9 动模板的水道流向图2.9模架的选择 根据制品的投影面积，模架选择BxL=250x250。由于制品的高度是24mm，据参考文献3可知开模的长度要大于制品高度的5-10mm，根据型腔和型芯的高度以及冷却系统的布置，根据参考文献3选取模架各参数和结构如表23及图215所： 表2-3 模架的参数件号模板材料尺寸(mm)1定模座板Q235255x315x252定模板（凸模）45255x255x323凹模45255x255x244动模板4
30、5255x255x345支架Q235255x50x806顶杆固定杆45255x148x207推板45255x148x168动模座板Q235255x315x252.10导柱、导套的选择导向零件用来确定动、定模(或上、下模)的相对位置,并保证模具运动的方向精度.导向零件包括导柱、导套、导板等。导柱与导套的功能是为动模与定模（包括顶出板与动模板）在相对运动时导向。导向零件应尽量布置在靠近模具模板的边缘出,以便于较宽松和较方便的安置模具成型零件和温度调节系统根据具体模具结构，导柱的固定位置可以根据不同的需要设置在不同的模板上。一般的模具设计时尽量的将导柱的固定设置在定模板上。2.10.1导柱的选择导柱
31、的形状可分为普通型与阶梯型两种。普通型制造简单，在小型模具中被广泛使用。而阶梯型的导柱在制造上较普通型导柱难度大，因为对导柱中两段不同直径部分的同轴度要求较高。导柱的长度也是一个不可忽视的重要参数，对于不同的模具，其导模长度也是不一样的，但设计导柱长度的原则是一致的，即导柱的长度要比模具最长的凸起部分长些，以免在组装时因对位不准而碰伤模具。导柱与安装在另一半模上的导套相配合，以确定动、定模的相对位置,保证模具运动副的导向精度。在闭模开模时沿着导柱移动，为保证动模板移动的正确,导柱应有足够的强度和刚度,所以必须正确的选用导柱直径,并保证它在模板中的刚性配合。根据制品的特点和模架的大小选用四个导柱
32、,其结构根据参考文献3选择d=12mm,d1=12mm,L1=16,D=16mm,L=40mm的带头导柱.材料为T8A钢,HRC5055，如下图：图2-10 导柱2.10.2导套的选择根据导柱的直径和长度选择及文献3选择导套1的尺寸d=18mm，d1=26mm，D=32mm，S=6，L=32的带头导套。其材料为T8A钢, HRC5055。如图图2-11导套1导套2的尺寸如图2-12所示，其材料为T8A钢, HRC5055。图2-12 导套22.11顶杆设计顶杆设计有如下的要求：顶杆的导向 顶杆一般用来进行顶出塑件，同时也可以作为 脱模机构，一般用于脱模力小的腔类塑件，而当配合部分较短； 因本制品内部结构比较复杂，为使制品能安全的推出采用了4个顶杆。分别在双联齿轮的大齿轮的端面，这样不会在齿形上留下痕迹。如图2-13，2-14（图中四个小圆位置即为顶杆位置）。 图2-13顶杆图2-14顶杆布置图具体的形式和尺寸可以参考3表6-121