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1、模具设计实训说明书Mold Design Practical Training Description题目：插头外壳注塑模设计 The Plug Shell Injection Mold Design 班 级： 模具092 姓 名： 李 雪 学 号： 指导老师： 机电工程系2011年06模具设计实训任务书设计题目：剃须刀后壳塑料模设计塑件图：塑件技术要求：1. 材料：PE(聚乙烯)2. 生产批量：大批量目录第1章 序言11.1 塑料模具的现状和发展11.2 课题任务要求1第2章 塑件分析及设计方案确32.1 明确塑件要求32.2 塑件成型工艺分析32.2.1 塑件成型特性32.3 塑件精度分析
2、42.3.1 塑件42.4 塑件结构工艺性分析42.5 塑件。42.5.1 塑件5第3章 塑件成型工艺方案的拟定63.1 实验材料与测定方法63.2 应力-应变曲线分析63.3 材料流变应力模型6第4章 设计计算84.1 锻造成形过程有限元计算步骤84.2 锻造工艺方案及参数94.2.1 建立镦粗模型94.2.2 建立拔长模型94.2.3 设置锻造工艺参数94.2.4 锻件表面温度分布94.2.5 锻件心部区域主应力状态94.3 本章小结10第5章 注塑机的选择115.1 元胞自动机法115.1.1 元胞自动机法简介115.1.2 元胞自动机模型构架115.1.3 几个基本假设115.2 大型
3、支承辊锻造微观组织演变有限元模拟115.2.1 微观组织模拟参数及边界条件115.2.2 支承辊细晶区再结晶过程12第6章 确定模具总体结构图136.1 结论136.2 展望13参考文献14第1章 序言随着中国当前的经济形势的日趋好转，在“实现中华名族的伟大复兴”口号的倡引下，中国的制造业也日趋蓬勃发展：而模具技术已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一，模具工业能促进产品生产的发展和质量提高，并能获得极大的经济效益，因而引起了各国的高度重视和赞赏。在日本，模具被称为“进入富裕的原动力”，德国则冠之为“金属加工的帝王”，在罗马尼亚则更为直接: “模具就是黄金。可见模具工业在国民经济中的重要地
4、位。我国对模具工业的发展也十分重视，早在1989年3月颁布的关于当前国家产业政策要点的决定中，就把模具技术的发展作为机械行业的首要任务。塑料注射成型技术的最大特点是复制，能够复制出所需的直接或间接使用的制品，是一种适宜大批量生产的工艺。模具是塑料成型加工的一种重要的工艺装备，模具生产的最终产品的价值是模具自身的几十倍、上百倍。特别是在塑料产品的生产过程中，塑料模具的应用及其广泛，在各类模具中的地位也越来越突出，成为各类模具设计、制造与研究中最具代表的模具之一。注射模具已经成为制造塑料制品的制品手段，且发展成为最具前景的成型方法之，因此注射模具作为塑料模的一种，就具有很大的发展前景。折射成型作为
5、一种重要的加工方法，在家电行业、汽车工业机械工业等都有广泛应用，而且生产的制件具有精度高、复杂度高、生产效率高和消耗低的特点。在注射成型工艺中，涉及设备和原材料状况、制品设计、工艺条件多种因素，模具是与这些因素紧密相连的关键环节，模具结构的合理性和质量的好坏直接影响到制品的质量以及整个工艺过程的效率和效益。近年来，塑料模具的产品和水平发展十分迅速，高效率自动化大型长寿命精密度模具在模具产量中所占比例越来越大。注塑成型模具就是将塑料先加在注塑机的加热料筒内，塑料受热融化后，早注塑机的螺杆或活塞的推动下，经过喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔内，塑料在其中固化成型。本次课程设计的主要任务是塑料玩具零
6、件模具的设计。针对塑料零件的具体结构，我确定了模具的结构特点。同时，在设计过程中，通过查阅大量资料手册标准等，结合教材上的知识对注塑模具的组成结构有了系统的认识，扩宽了视野，丰富了知识，为将来独立完成模具设计积累了一定的经验。第2章 塑件分析及设计方案确2.1 塑件的原材料分析塑料的品种：PP（聚丙稀）。聚丙稀具有良好的流动性，软化点高，热焓点低，使它的成形周期比大多数其它热塑性塑料短。 在加工前不必干燥，同聚乙稀一样，聚丙稀树脂的加工成形方法很多:注射成形，挤出成形，压制成形，热成形及吹塑成形等。而且其透明性与聚乙烯相比更高，透气性更低，因此在注射时应有一定的脱模斜度，以保证其排气。另外，其
7、弹性、屈服强度、硬度及抗拉、抗压强度等都高于聚乙烯；而且耐热性好，但是在氧、热、光的作用下极易降解、老化。另外聚丙烯在成型加工时成型收缩率较大1。2.2 塑件成型工艺分析2.2.1 塑件成型特性聚丙烯（PP）为无色、无味、无毒，结晶型的线型分子结构的热塑性塑料，密度为0.9g/0.91 g/，收缩率为1%2.5%（查书 -P234 -表A3 ）（注：书朱光力 万金宝 塑料模具设计 北京：清华大学出版社 2003.1；下同）具有优良的电绝缘性能和耐化学腐蚀性能，机械强度，硬度高，具有特别高的抗弯疲劳强度，使用温度较高，在120下可长期使用。不吸水，绝缘性能不受湿度影响，其最大缺点是耐老化性能差，
8、所以聚丙烯通常需添加抗氧化剂和紫外线吸收剂，在低温下，耐冲击的性能也较差。聚丙烯的成型特性为：成型性好，可采用注塑、挤出及吹塑等成型加工方法。吸湿性小，不吸水，成型前可不干燥。熔体粘度小，流动性好，溢边值为0.03mm（查书- P13-表2-2）流动性对压力敏感，宜采用较高的压力注射。成型收缩范围大，易发生缩孔、凹痕及变形等缺陷。容易发生弯曲变形，塑件应避免尖角，缺口。热容量大，注射成型模具须设计能充分冷却的冷却系统。模具温度对收缩率影响大，冷却时间长，应注意控制模具温度，模温太低（90），易产生翘曲变形。尺寸稳定性好。表2-1 金属软化机制相互关系热变形过程热变形结束高温滞留动态回复动态再结
9、晶静态回复晶粒长大静态再结晶亚动态再结晶图2-1为动态回复和动态再结晶对应两种应力应变曲线类型，由图可看出，金属开始变形至其应力达到峰值之前的阶段，两种类型变化趋势相似：加工硬化图2-1 热变形应力-应变曲线两种类型2.3 塑件精度分析2.3.1 塑件有限元法在塑性加工领域应用过程中主要分两大类：固体型塑性有限元法与流动型塑性有限元法。2.4 塑件结构工艺性分析2.5 塑件。2.5.1 塑件塑件。第3章 塑件成型工艺方案的拟定通过数值模拟方法实现大型支承辊热锻过程微观组织演化的预测，需要做三个必要的准备工作：首先，要找到合适的有限元模拟软件，在本课题中应用Deform-3D有限元软件，A.D.
10、 Manshadi40、及H. Jazaeri41等已应用该软件成功预测出了热变形过程中微观组织演变过程；其次，要在有限元软件中插入能够描述金属微观组织变化及其与宏观变形耦合的塑性本构关系；第三，针对具体的材料，要测量出本构方程所包含的材料参数，以用于实际过程的数值模拟。Cr4钢是新型支承辊材料，它提高了Cr元素的含量，运用固溶元素Ni、Mn等来提高淬透性，添加V元素使得支承辊心部组织晶粒更加细小。因此，这一类材料大型支承辊的淬硬性、抗疲劳强度、抗事故性能均有明显提高42，更能满足大锻件在性能上的需求。3.1 实验材料与测定方法实验材料为支承辊材料45Cr4NiMoV钢，其化学成分见表3-1。
11、实验用棒材。3.2 应力-应变曲线分析由热压缩实验得到45Cr4NiMoV钢在不同变形条件下应力-应变曲线如图3-1所示。3.3 材料流变应力模型本文采用修正的 Arrhenius 关系描述49流变应力、应变速率与变形温度之间的关系： 第4章 设计计算支承辊等大型锻件的锻造工艺，不仅要求能满足零部件在形状、尺寸上的需要，同时要求通过合理的锻造工艺参数，得到理想组织状态，使锻件力学性能得以提高。因此，合理的锻造工艺是直接影响锻件性能的重要因素。大型支承辊锻造工艺包括压钳口、气割水口及冒口、倒棱、预拔长、镦粗、拔长、倒八方、滚圆、气割水口及冒口、锻后热处理、质量检查等工序，并且在加工过程中需要对钢
12、坯进行必要的回炉加热，以便保证锻造温度。其中镦粗和拔长是最基本的两道工序：钢锭通过镦粗成形工艺，可锻合其内部先天性空洞等缺陷，从而改善锻件的力学性能，提高其内部质量和承载能力；拔长工艺中钢锭的截面减小、长度增加，铸锭内部碳化物被打碎、疏松和孔洞也逐渐锻合，铸态组织得以细化，以最终获得细小均匀晶粒组织的锻件。在前几章所建立模型的基础上，本章采用Deform-3D有限元软件对Cr4大型支承辊成形过程中镦粗和主拔长两道工序进行仿真模拟，并分析支承辊温度及内部应力应变场，为制定Cr4材料大型支承辊锻造工艺提供参考。4.1 锻造成形过程有限元计算步骤锻造工艺有限元模拟首先要把模拟对象如工件和模具的几何信
13、息用材料参数、初始边界条件、坯料初始微观组织状态及相关数据等信息输入有限元数值模拟软件中，模似软件根据输入的信息数据，由有限元模型微分方程求解整个变形过程，模拟计算出坯料与模具的变形过程、变形体材料的性能数据、所需压力机数据及变形体微观组织演变规律等信息数据。支承辊有限元模拟过程与一般有限元求解过程一样，首先要把对象的连续求解区域离散化，将其分解成具有一定形状、有限数目的小单元，小单元彼此之间只在指定节点处相互连接，全部小单元组成一个集合替代原坯料连续体；经离散化后的变形体令其在已知几何形状和初始参数条件下，求解有限元微分方程；根据数值积分的方法，以离散变形体节点处速度、温度为求解变量，求解变
14、形区域内的位移场和变形体各点坐标；由此几何方程，计算变形体的应变率，结合其初始组织状态、温度、应变及应变率等条件，可利用材料本构方程计算出其应力状态；运用微观组织演化模型，由变形体初始应力应变、应变率及初始微观组织状态，预测在变形过程中其微观组织演化。4.2 锻造工艺方案及参数图4-1所示为支承辊零件图，此支承辊是3500mm炉卷轧机主轧区关键零部件，拟由300t钢锭在18500t油压机上锻出。其最大直径为，长9030mm，建立支承辊锻造工艺模拟模型4.2.1 建立镦粗模型假设钢锭预拔长后为圆柱体：。根据实际镦粗漏盘尺寸确定钳口尺寸，上下平砧、镦粗平板以及下镦粗漏盘的几何模型均按实际生产尺寸。
15、4.2.2 建立拔长模型拔长工艺过程坯料为镦粗后钢锭直接导入。平砧按预设方案有两种不同尺寸：1700mm宽砧、2200mm宽砧。上、下平砧材料为5CrMnMo，同样设为刚性体，即在热锻过程中只参与热传导不发生变形。两种尺寸上、下平砧分别划分网格12683个、14265个。图4-3所示为两种不同宽砧拔长模型。4.2.3 设置锻造工艺参数支承辊预拔长工艺后要反炉加热，加热结束后出炉、镦粗。因此设置钢锭初锻造过程模拟结果与分析4.2.4 锻件表面温度分布图4-4所示分别为1700mm宽砧与2200mm宽砧拔长结束后支承辊锻件表面温度分布情况。从图中可看出，1700mm宽砧拔长后锭身表面温度最低为86
16、9，只有在头部边缘由于锻造过程中与辅具接触而使局部表面最低温度744；2200mm宽砧拔长后锭身表面最低温度为843，头部局部边缘表面最低温度为793。另外，由于建模时未考虑套筒与钳口部分接触的热传导过程，因此模拟结果中显示钳口处温度较高。4.2.5 锻件心部区域主应力状态图4-7分别为1700mm宽砧与2200mm宽砧各趟拔长后锻件心部大部分区域4.3 本章小结在支承辊材料45Cr4NiMoV钢物理实验所获得的材料模型基础上，运用Deform-3D有限元分析软件模拟支承辊镦粗、拔长工艺变形过程，并分析不同砧宽下锻件表面温度分布及心部等效应力、等效应变状态。通过模拟结果比较：2200mm宽砧比
17、1700mm宽砧更容易获得锻件的压应力状态，且在拔长工序结束后，2200mm宽砧拔长所获得的压应力较大，即压实效果更好。第5章 注塑机的选择热塑性变形过程中的动态再结晶是微观组织演变中非常重要的过程，因此国内外众多学者在对不同材料动态再结晶进行大量研究的基础上建立了不同形式的理论模型，这些理论模型正是计算机模拟微观组织演变过程的基础。5.1 元胞自动机法5.1.1 元胞自动机法简介拟材料再结晶、晶粒长大过程常用的方法。MC法主要依赖于研究对象内部自由能的计算，运算过程计算量比较大，且需要大量数据，因此计算速度较慢；相对于MC法，本文用到的CA法则具有较好的灵活性，可直接结合确定的或随机的规则，
18、直接考察研究对象局部相互作用的同时，用计算机辅助模拟的方法预测这些作用导致的结果，便于掌握其形态变化和材料性能。5.1.2 元胞自动机模型构架1. 元胞空间划分 元胞自动机模型中一维空间只有线性排列一种划分方式。二维模型元胞空间划分有三角形、四边形、六边形三种方式，如下图5-1所示。这几种划分方式各自存在的优、缺点如表5-1所示。通过模拟实验验证，这二维CA法动态再结晶模型的建立5.1.3 几个基本假设热变形过程中动态再结晶发生的驱动力，一般认为由位错密度即位错能提供。即当热变形过程中材料的位错密度超过某一临界值时，动态再结晶才可能发生。动态再结晶形核过程及晶粒长大过程均与热变形工艺参数相关。
19、在使用元胞自动机法预测动态再结晶过程时，为了加快计算过程，其模型的建立在以下几个假设的基础上：5.2 大型支承辊锻造微观组织演变有限元模拟5.2.1 微观组织模拟参数及边界条件1. 追踪点参数设置 首先选定元胞自动机模型。追踪点的范围选择四方形，则四方形有高度方向及宽度方向的设定，如本文中分别设为50、100；绝对长度的设定为1，其单位为。其意义为：所选追踪点在高度方向上长度为501，即50，宽度方向上为1001，即100。可按需要设置不同参数，所选范围越大，则计算范围越大，计算量也越大。5.2.2 支承辊细晶区再结晶过程为了更好地分析温度、应变及应变速率对再结晶晶粒尺寸的影响，选择如图5-3
20、所示初始晶粒相近、变形情况不同的两点，通过比较其再结晶演化结果，分 第6章 确定模具总体结构图6.1 结论本文主要应用Deform-3D有限元模拟软件对支承辊镦粗、拔长工序进行了分析研究，并通过预测晶粒动态再结晶现象分析微观组织演变规律，获得主要结论如下：6.2 展望本文主要研究了支承辊镦拔工艺过程中微观组织演化规律，对其预锻及锻后热处理等工艺未做分析，下一步对大型支承辊锻后热处理过程中微观组织的演化要做更深层的研究分析，尤其要控制其热处理过程中相变转化，以便最终得到理想的组织状态。参考文献 1张琪，陈学文，刘永辉，张菁丽大型支承辊Cr4材料连续冷却转变曲线的测定J热加工工艺，2011，1（49）：91-95 2张琪，陈学文，刘汀，张菁丽大型支承辊Cr4材料等温转变曲线的测定J金属热处理，已收录3赵俊伟，陈学文，史宇麟，张琪大型锻件锻造工艺及缺陷控制技术的研究现状及发展趋势J锻压装备与制造技术，2009，4（39）：103-1074赵俊伟，陈学文，史宇麟，张琪大型支承辊锻件锻造过程数值模拟与工艺优化J热加工工艺，2010，5（48）：78-82. 说明：可按此格式，根据自己内容自行调整。