毕业设计（论文）1 前言 1.1 模具工业在国民经济中的地位 模具是制造业的一种基本工艺装备，它的作用是控制和限制材料（固态或液 态）的流动，使之形成所需要的形体。用模具制造零件以其效率高，产品质量好， 材料消耗低，生产成本低而广泛应用于制造业中。 模具工业是国民经济的基础工业，是国际上公认的关键工业。模具生产技术 水平的高低是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，
它在很大程度上决定 着产品的质量，效益和新产品的开发能力。振兴和发展我国的模具工业，正日益 受到人们的关注。早在 1989 年 3 月中国政府颁布的《关于当前产业政策要点的决 定》中，将模具列为机械工业技术改造序列的第一位。 模具工业既是高新技术产业的一个组成部分，又是高新技术产业化的重要领 域。模具在机械，电子，轻工，汽车，纺织，航空，航天等工业领域里，日益成 为使用最广泛的主要工艺装备，它承担了这些工业领域中 60％～90％的产品的零 件，组件和部件的生产加工。 模具制造的重要性主要体现在市场的需求上，仅以汽车，摩托车行业的模具 市场为例。汽车，摩托车行业是模具最大的市场，在工业发达的国家，这一市场 占整个模具市场一半左右。汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一，汽车工 业重点是发展零部件，经济型轿车和重型汽车，汽车模具作为发展重点，已在汽 车工业产业政策中得到了明确。汽车基本车型不断增加，2005 年将达到 170 种。 一个型号的汽车所需模具达几千副，价值上亿元。为了适应市场的需求，汽车将 不断换型，汽车换型时约有 80％的模具需要更换。中国摩托车产量位居世界第一， 据统计，中国摩托车共有 14 种排量 80 多个车型，1000 多个型号。单辆摩托车约 有零件 2000 种，共计 5000 多个，其中一半以上需要模具生产。一个型号的摩托 车生产需 1000 副模具，总价值为 1000 多万元。其他行业，如电子及通讯，家电， 建筑等，也存在巨大的模具市场。 目前世界模具市场供不应求，模具的主要出口国是美国，日本，法国，瑞士 等国家。中国模具出口数量极少，但中国模具钳工技术水平高，劳动成本低，只 要配备一些先进的数控制模设备，提高模具加工质量，缩短生产周期，沟通外贸 渠道，模具出口将会有很大发展。研究和发展模具技术，提高模具技术水平，对 于促进国民经济的发展有着特别重要的意义。第 1 页 共 26 页毕业设计（论文）1.2 各种模具的分类和占有量 模具主要类型有：冲模，锻摸，塑料模，压铸模，粉末冶金模，玻璃模，橡 胶模，陶瓷模等。除部分冲模以外的的上述各种模具都属于腔型模，因为他们一 般都是依靠三维的模具形腔是材料成型。 （1）冲模：冲模是对金属板材进行冲压加工获得合格产品的工具。冲模占模 具总数的 50％以上。按工艺性质的不同，冲模可分为落料模，冲孔模，切口模， 切边模，弯曲模，卷边模，拉深模，校平模，翻孔模，翻边模，缩口模，压印模， 胀形模。按组合工序不同，冲模分为单工序模，复合模，连续模。 （2）锻模：锻模是金属在热态或冷态下进行体积成型是所用模具的总称。按 锻压设备不同，锻模分为锤用锻模，螺旋压力机锻模，热模锻压力锻模，平锻机 用锻模，水压机用锻模，高速锤用锻模，摆动碾压机用锻模，辊锻机用锻模，楔 横轧机用锻模等。按工艺用途不同，锻模可分为预锻模具，挤压模具，精锻模具， 等温模具，超塑性模具等。 （3）塑料模：塑料模是塑料成型的工艺装备。塑料模约占模具总数的 35％， 而且有继续上升的趋势。塑料模主要包括压塑模，挤塑模，注射模，此外还有挤 出成型模，泡沫塑料的发泡成型模，低发泡注射成型模，吹塑模等。 （4）压铸模：压铸模是压力铸造工艺装备，压力铸造是使液态金属在高温和 高速下充填铸型，在高压下成型和结晶的一种特殊制造方法。压铸模约占模具总 数的 6％。 （5）粉末冶金模：粉末冶金模用于粉末成型，按成型工艺分类粉末冶金模有： 压模，精整模，复压模，热压模，粉浆浇注模，松装烧结模等。 模具所涉及的工艺繁多，包括机械设计制造，塑料，橡胶加工，金属材料， 铸造（凝固理论） ，塑性加工，玻璃等诸多学科和行业，是一个多学科的综合，其 复杂程度显而易见。 1.3 我国模具工业的现状 自 20 世纪 80 年代以来，我国的经济逐渐起飞，也为模具产业的发展提供了 巨大的动力。20 世纪 90 年代以后，大陆的工业发展十分迅速，模具工业的总产值 在 1990 年仅 60 亿元人民币，1994 年增长到 130 亿元人民币，1999 年已达到 245 亿元人民币， 2000 年增至 260～270 亿元人民币。 今后预计每年仍会以 10G～15G 的速度快速增长。第 2 页 共 26 页毕业设计（论文）目前，我国 17000 多个模具生产厂点，从业人数五十多万。除了国有的专业 模具厂外，其他所有制形式的模具厂家，包括集体企业，合资企业，独资企业和 私营企业等，都得到了快速发展。其中，集体和私营的模具企业在广东和浙江等 省发展得最为迅速。例如，浙江宁波和黄岩地区，从事模具制造的集体企业和私 营企业多达数千家，成为我国国内知名的“模具之乡”和最具发展活力的地区之 一。在广东，一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业，为了提高其产品的市场竞 争能力，纷纷加入了对模具制造的投入。例如，科龙，美的，康佳和威力等知名 集团都建立了自己的模具制造中心。中外合资和外商独资的模具企业则多集中于 沿海工业发达地区，现已有几千家。 在模具工业的总产值中，企业自产自用的约占三分之二，作为商品销售的约 占三分之一。其中，冲压模具约占 50G（中国台湾：40G） ，塑料模具约占 33G （中国台湾：48G） ，压铸模具约占 6G（中国台湾：5G） ，其他各类模具约占 11 （中国台湾：7G） 。 中 国 台 湾 模 具 产 业 的 成 长 ， 分 为 萌 芽 期 （ 1961――1981 ） 成 长 期 ， （1981――1991） ，成熟期（1991――2001）三个阶段。 萌芽期，工业产品生产设备与技术的不断改进。由于纺织，电子，电气，电 机和机械业等产品外销表现畅旺，连带使得模具制造，维修业者和周边厂商（如 热处理产业等）逐年增加。在此阶段的模具包括：一般民生用品模具，铸造用模 具，锻造用模具，木模，玻璃，陶瓷用模具，以及橡胶模具等。 1981 年――1991 年是台湾模具产业发展最为迅速且高度成长的时期。有鉴于 模具产业对工业发展的重要性日益彰显，自 1982 年起，台湾地区就将模具产业纳 入“策略性工业适用范围”，大力推动模具工业的发展，以配合相关工业产品的 外销策略，全力发展整体经济。随着民生工业，机械五金业，汽机车及家电业发 展，冲压模具与塑料模具，逐渐形成台湾模具工业两大主流。从 1985 年起，模具 产业已在推行计算机辅助模具设计和制造等 CAD/CAM 技术，所以台湾模具业接触 CAD/CAM/CAE/CAT 技术的时间相当早。 成熟期，在国际化，自由化和国际分工的潮流下，1994 年，1998 年，由台湾 地区政府委托金属中心执行“工业用模具技术研究与发展五年计划”与“工业用 模具技术应用与发展计划”，以协助业界突破发展瓶颈，并支持产业升级，朝向 开发高附加值与进口依赖高的模具。1997 年 11 月间台湾凭借模具产业的实力，获第 3 页 共 26 页毕业设计（论文）得世界模具协会（ISTMA）认同获准入会，正式成为世界模具协会会员， 。整体而 言，台湾模具产业在这一阶段的发展，随着机械性能，加工技术，检测能力的提 升，以及计算机辅助设计，台湾模具厂商供应对象已由传统的民用家电，五金业 和汽机车运输工具业，提升到计算机与电子，通信与光电等精密模具，并发展出 汽机车用大型钣金冲压，大型塑料射出及精密锻造等模具。 1.4 世界五大塑料生产国的产能状况 美国塑料(原料)的产量多年来一直雄居各国之首。早在 80 年代前期，美国塑 料产量就已达 2000 万吨之多，1986 年增至 23l0 万吨，占全球总产量 8100 吨的 28.5％，此后美国塑料产量继续呈现稳定增长之势，1988 年、1990 年、1992 年、 1994 年、1996 年和 1998 年分别增加到 2710 万吨、2810 万吨、3010 万吨、3410 万吨、 4000 万吨和 4360 万吨， 占世界总产量的比例从 1996 年起提高到 30％以上。 2001 年美国塑料产量为 4170 万吨，其中以聚乙烯为最多，达 1500 多万吨。其次 分别是氯乙烯 650 万吨、聚丙烯 720 万吨、聚苯乙烯对酞酸脂 320 万吨、聚苯乙 烯 280 万吨。国内塑料消费量(产量+进口量一出口量)，美国也是全球最多的。美 国的全部塑料消费量 2001 年为 4280 万吨。 美国人均塑料消费量也是很高的， 2000 年为 159 公斤，2001 年略减为 155 公斤 ，居全球第 3 位。美国现有各种大小塑料 企事业单位 1 万多家，其中职工人数少于 50 人的占总数的 53％，50~l00 人的占 21％，100~500 人的占 23％，超过 500 人的占近 4％，职工总数近 90 万人。在美 国塑料制品加工业的就职人数达 110 万，2001 年的出货金额为 2150 亿美元，人均 出货金额为 195 美元。 德国是世界最大的塑料(原料)生产国之一， 上世纪 90 年代初的 1991 年、 1992 年和 1993 年，德国塑料产量都为 990 多万吨，1994 年增达超过 1000 万吨的 1110 万吨．1998 年达近 1300 万吨，1999 年为近 1400 万吨，2000 年增至 1550 万吨， 超过日本为世界第 2 大塑料生产国，2001 年上升为 1580 万吨，2002 年已过 1600 万吨。2001 年德国生产的种种塑料原料中，聚乙烯为 285 万吨(低密度聚乙烯 160 万吨，高密度聚乙烯 125 万吨)，氯乙烯 175 万吨，聚丙烯 160 万吨。德国 2001 年的国内塑料消费量为 1280 万吨，其中聚乙烯 265 万吨，聚丙烯 155 万吨．氯乙 烯 152 万吨。德国人均塑料消费量 2001 年为 160 公斤，在世界上仅少于比利时的 172 公斤，高于美国的 155 公斤，排在世界第 2 位。德国塑料制品加工业的职工总 计有近 30 万人，2001 年的出货金额为 360 亿美元，人均 126 美元。德国塑料制品第 4 页 共 26 页毕业设计（论文）加工企业中职工少于 50 人的占 44％，50~100 人的占 28％，100~500 人的占 25％， 500 人以上的占 4％。 中国塑料工业多年持续高速增长， 1991 年产量仅为 250 万吨， 1995 年增为 350 万吨，1998 年超过 700 万吨，到 2002 年已增达约 1400 万吨，超过日本而成为世 界第 3 大塑料原料生产国。中国今年塑料制品市场将持续走强，在包装、工程、 建材、 农用和日用塑料制品等各个领域都将有较大幅度的增长， 需求量将超过 2500 万吨。其中包装塑料制品今年需求量将超过 850 万吨，工程塑料制品需求量将达 400 万吨左右，建材塑料制品需求量将达 300 万吨以上，农用塑料制品需求量将在 500 万吨左右，日用塑料制品需求量约为 80 万吨左右。 日本在很长的时期内都是仅次于美国的世界第 2 大塑料生产国。一直到 1997 年，日本塑料产量曾经连续多年增长，年产量在 70 年代中期就已达 500 多万吨， 1987 年突破 1000 万吨，1991 年达约 1300 万吨，1992 年和 1993 年因受日本经济 下滑的影响，产量略有减少，分别降至 1258 和 1225 万吨。从 1994 年起产量再度 增长，1994 年、1995 年和 1996 年分别回升到 1300 万吨、1400 万吨和 1470 万吨， 1997 年的产量又比上年增长 3.7％，达到 1521 万吨，首次超过 1500 万吨。但这 种增势在 1998 年受到遏制，产量大幅度减少。1998 年，日本塑料产量为 1390 万 吨，比上年减少了 8.7％。1999 年和 2000 年日本塑料产量分别回升到 1432 万吨 和 1445 万吨，但仍远未恢复到 1997 年的水平。2001 年和 2002 年日本塑料产量再 度下降至 1400 万吨以下的 1364 万吨和 1361 万吨。 2002 年日本塑料(原料)产量减 为 1361 万吨。而中国则增为 1366 万吨，日本又退居第 4 位。 韩国塑料产量增长十分迅速，1986 年超过 200 万吨，1990 年增达 300 万吨， 1992 年突破 500 万吨，1994 年、1996 年和 1997 年分别上升到 600 多万吨、700 多万吨和 800 多万吨，1998 年产量增至 850 万吨，1999 年突破 900 万吨，2001 年 达 1200 万吨，跻身于世界 5 大塑料生产国之列。韩国塑料原料产品中以聚乙烯居 首，2001 年产量为 340 万吨(低密度聚乙烯 160 万吨，高密度聚乙烯 180 万吨)， 聚丙烯以 238 万吨排在第 2 位， 其次分别是聚酯 161 万吨、 氯乙烯 124 万吨、 ABS?AS 树脂 86 万吨、聚苯乙烯 77 万吨。韩国国内塑料消费量 2001 年 420 万吨，只相当 于产量的 1/3 略高。人均塑料消费量 2001 年为 106 公斤，韩国塑料制品加工业的 职工总数 2001 年为 3.1 万人，出货金额为 85 亿美元，人均 276 美元。 塑料产量位居世界前 10 名的国家和地区还有法国 660 万吨、 比利时 600 万吨、第 5 页 共 26 页毕业设计（论文）中国台湾 598 万吨、加拿大 432 万吨和意大利 385 万吨(均为 2001 年产量)。 1.5 我国模具技术的现状及发展趋势 20 世纪 80 年代开始，发达工业国家的模具工业已从机床工业中分离出来，并 发展成为独立的工业部门，其产值已超过机床工业的产值。改革开放以来，我国 的模具工业发展也十分迅速。近年来，每年都以 15％的增长速度快速发展。许多 模具企业十分重视技术发展。加大了用于技术进步的投入力度，将技术进步作为 企业发展的重要动力。此外，许多科研机构和大专院校也开展了模具技术的研究 与开发。模具行业的快速发展是使我国成为世界超级制造大国的重要原因。今后， 我国要发展成为世界制造强国，仍将依赖于模具工业的快速发展，成为模具制造 强国。 中国塑料模工业从起步到现在，历经了半个多世纪，有了很大发展，模具水 平有了较大提高。在大型模具方面已能生产 48&（约 122CM）大屏幕彩电塑壳注射 模具，6.5KG 大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模 具，精密塑料模方面，以能生产照相机塑料件模具，多形腔小模数齿轮模具及塑 封模具。经过多年的努力，在模具 CAD/CAE/CAM 技术，模具的电加工和数控加工 技术，快速成型与快速制模技术，新型模具材料等方面取得了显著进步；在提高 模具质量和缩短模具设计制造周期等方面作出了贡献。 尽管我国模具工业有了长足的进步，部分模具已达到国际先进水平，但无论 是数量还是质量仍满足不了国内市场的需要，每年仍需进口 10 多亿美元的各类大 型，精密，复杂模具。与发达国家的模具工业相比，在模具技术上仍有不小的差 距。今后，我国模具行业应在以下几方面进行不断的技术创新，以缩小与国际先 进水平的距离。 （1）注重开发大型，精密，复杂模具；随着我国轿车，家电等工业的快速发 展，成型零件的大型化和精密化要求越来越高，模具也将日趋大型化和精密化。 （2）加强模具标准件的应用；使用模具标准件不但能缩短模具制造周期，降 低模具制造成本而且能提高模具的制造质量。因此，模具标准件的应用必将日渐 广泛。 （3）推广 CAD/CAM/CAE 技术；模具 CAD/CAM/CAE 技术是模具技术发展的一个 重要里程碑。实践证明，模具 CAD/CAM/CAE 技术是模具设计制造的发展方向，可 显著地提高模具设计制造水平。第 6 页 共 26 页毕业设计（论文）（4）重视快速模具制造技术，缩短模具制造周期；随着先进制造技术的不断 出现，模具的制造水平也在不断地提高，基于快速成形的快速制模技术，高速铣 削加工技术，以及自动研磨抛光技术将在模具制造中获得更为广泛的应用。 1.6 热流道模具的优点 在塑料注射模中, 热流道模具在当今世界各工业发达国家和地区均已得到极 为广泛的应用。其主要原因在于热流道模具具有以下显著特点: ①缩短了制件的 成型周期; ②节省了塑料原料; ③消除后续工序, 有利于生产自动化; ④减少废 品, 提高产品质量; ⑤扩大注射成型工艺的应用范围。尤其是在热流道模具的成 型过程中, 塑料熔体的温度在流道系统里能得到准确地控制。在一模多腔的注射 模中, 浇注系统内的熔融塑料以极其均匀的状态流入各个模腔, 从而获得品质一 致而良好的塑料制件。此外由热流道注射成型的零件浇口质量好, 脱模后残余应 力低, 零件变形小。因此, 对质量要求高的p生产批量大的塑件最好采用热流道 注射模生产。第 7 页 共 26 页毕业设计（论文）2 注塑成型的准备 2.1 塑件的结构工艺性分析 2.1.1 塑件的原材料分析 塑件的材料采用透明 PP 料（聚丙烯） ，属热塑性塑料。从使用性能看，该塑 料具有刚度好、耐水、耐热性强，是理想的绝缘材料，从成型性能上看，该塑料 吸水性小，熔料的流动性较好，成型容易，但收缩率大。另外，该塑料成型时易 产生缩孔、凹痕、变形等缺陷，成型温度低时，方向性明显，凝固速度较快，易 产生内应力。因此，在成型时应注意控制成型温度，浇注系统应尽量缓慢散热， 冷却系统不宜过快。 2.1.2 塑件的结构和尺寸精度表面质量分析 产品结构图如图 1 所示。该产品是一厨具用圆形塑料盒, 其材料为透明 PP 料。圆盒的口部直径为 98.5mm, 要求上偏差为 0, 下偏差为- 0.2mm, 需要与一金 属圆形零件相配合。该零件的表面除要求没有缺陷、毛刺外，没有特别的表面质 量要求。故比较容易实现。图 2－1 2.1.3 塑件的成型工艺分析零件机构图对于这种圆形塑料盒产品结构采用注射成型工艺时, 其分型面必须选择产品 口部台阶的最大投影面位置。其浇口位置有 2 种选择: 其一是从产品顶部的中心 进料; 其二是从分型面上开设侧浇口进料。对于前者, 在注射成型的过程中, 熔第 8 页 共 26 页毕业设计（论文）体能均匀地从产品顶部中心沿径向和侧壁填充到型腔的其他地方, 并将型腔中的 气体从分型面上所开设的排气槽和型芯的配合间隙中排出, 填充过程均匀一致, 易保证塑料成型后的质量; 而后者从产品的一侧进料, 填充过程中熔体的流动不 均匀, 还可能先将分型面上的排气槽堵塞, 使塑件顶部产生困气, 造成气泡p缺 料等缺陷。 2.2 注塑成型工艺简介 注塑成型是利用塑料的可挤压性与可模塑性，首先将松散的粒状或粉状成型 物料从注塑机的料斗送入高温的机筒内加热熔融塑化，使之成为粘流状态熔体， 然后在柱塞或螺杆的高压推动下，以很大的流速通过机筒前端的喷嘴注射进入温 度较低的闭合模具中，经过一段时间的保压冷却以后，开启模具便可以从模腔中 脱出具有一定形状和尺寸的塑料制件。一般分为三个阶段的工作。图2-1 注塑成型压力―时间曲线 （1）物料准备。成型前应对物料的外观色泽、颗粒情况，有无杂质等进行检 验，并测试其热稳定性，流动性和收缩率等指标。对于吸湿性强的塑料，应根据 注射成型工艺允许的含水量进行适当的预热干燥，若有嵌件，还要知道嵌件的热 膨胀系数，对模具进行适当的预热，以避免收缩应力和裂纹，有的塑料制品还需 要选用脱模剂，以利于脱模。 （2）注塑过程。塑料在料筒内经过加热达到流动状态后，进入模腔内的流动 可分为注射，保压，倒流和冷却四个阶段，注塑过程可以用如图所示3.1所示。图 中T0代表螺杆或柱塞开始注射熔体的时刻；当模腔充满熔体（T=T1）时，熔体压 力迅速上升，达到最大值P0。从时间T1到T2，塑料仍处于螺杆（或柱塞）的压力第 9 页 共 26 页毕业设计（论文）下，熔体会继续流入模腔内以弥补因冷却收缩而产生的空隙。由于塑料仍在流动， 而温度又在不断下降，定向分子（分子链的一端在模腔壁固化，另一端沿流动方 向排列）容易被凝结，所以这一阶段是大分子定向形成的主要阶段。这一阶段的 时间越长，分子定向的程度越高。从螺杆开始后退到结束（时间从T2到T3） ，由于 模腔内的压力比流道内高，会发生熔体倒流，从而使模腔内的压力迅速下降。倒 流一直进行到浇口处熔体凝结时为止。其中，塑料凝结时的压力和温度是决定塑 料制件平均收缩率的重要因素。 （3）制件后处理。由于成型过程中塑料熔体在温度和压力下的变形流动非常 复杂，再加上流动前塑化不均匀以及充模后冷却速度不同，制件内经常出现不均 匀的结晶、取向和收缩，导致制件内产生相应的结晶、取向和收缩应力，脱模后 除引起时效变形外，还会使制件的力学性能，光学性能及表观质量变坏，严重时 会开裂。故有的塑件需要进行后处理，常用的后处理方法有退火和调湿两种。 退火是为了消除或降低制件成型后的残余应力，此外，退火还可以对制件进 行解除取向，并降低制件硬度和提高韧性，温度一般在塑件使用温度以上的10~20 度至热变形温度以下10~20度之间；调湿处理是一种调整制件含水量的后处理工 序，主要用于吸湿性很强、而且又容易氧化的聚酰胺等塑料制件.调湿处理所用的 加热介质一般为沸水或醋酸钾溶液（沸点为121℃） ，加热温度为100～121℃，保 温时间与制件厚度有关，通常取 2～9小时。 2.3 注塑成型工艺条件 1）温度。注塑成型过程中需要控制的温度有料筒温度，喷嘴温度和模具温度 等。喷嘴温度通常略微低于料筒的最高温度，以防止熔料在直通式喷嘴口发生“流 涎现象”；模具温度一般通过冷却系统来控制；为了保证制件有较高的形状和尺寸 精度，应避免制件脱模后发生较大的翘曲变形，模具温度必须低于塑料的热变形 温度。PP 料与温度的经验数据如表 3-1 所示。 表2-1 料筒温度 后段 160~180 中段 180~200 /℃ /℃ 前段 180~190 200~230 20~60 /℃ 温度的经验数据 喷嘴温度 模具温度第 10 页 共 26 页毕业设计（论文）2）压力；注射成型过程中的压力包括注射压力，保压力和背压力。注射压力 用以克服熔体从料筒向型腔流动的阻力，提供充模速度及对熔料进行压实等。保 压力的大小取决于模具对熔体的静水压力，与制件的形状，壁厚及材料有关。对 于像 PP 流动性好的料，保压力应该小些，以避免产生飞边，保压力可取略低于注 射压力。背压力是指注塑机螺杆顶部的熔体在螺杆转动后退时所受到的压力，背 压力除了可驱除物料中的空气，提高熔体密实程度之外，还可以使熔体内压力增 大，螺杆后退速度减小，塑化时的剪切作用增强，摩擦热量增大，塑化效果提高， 根据生产经验，背压的使用范围约为 3.4~27.5MPA。 3）时间；完成一次注塑成型过程所需要的时间称为成型周期。包括注射时间， 保压时间，冷却时间，其他时间（开模，脱模，涂脱磨剂，安放嵌件和闭模等） ， 在保证塑件质量的前提下尽量减小成型周期的各段时间，以提高生产率，其中， 最重要的是注射时间和冷却时间，在实际生产中注射时间一般为 3~5 秒，保压时 间一般为 20~120 秒，冷却时间一般为 30~120 秒（这三个时间都是根据塑件的质 量来决定的，质量越大则相应的时间越长） 。确定成型周期的经验数值如表 2-2 所 示。 表 2-2 制 件 壁 厚 /mm 0.5 1.0 1.5 2.0 s 10 15 22 28 成型周期与壁厚关系 制件壁厚 / mm 2.5 3.0 3.5 4.0 35 45 65 85 成型周期 / s成型周期 /经过上面的经验数据和推荐值，可以初步确定成型工艺参数，因为各个推荐 值有差别，而且有的与实际注塑成型时的参数设置也不一致，结合两者的合理因 素，初定制品成型工艺参数如表 3-3 所示。第 11 页 共 26 页毕业设计（论文）表 2-3 特性 注塑机类型 喷嘴形式 喷嘴温度(℃) 中段温度(℃) 注射压力(MPa ) 注射时间(s) 冷却时间(s) 成型周期(s)制品成型工艺参数初步确定 内容 特性 螺杆转速（r/min） 模具温度 后段温度(℃) 前段温度(℃) 保压力(MPa ) 保压时间(s) 其他时间(s) 成型收缩(%) 内容 48 50 160~180 200~230 80 0～3 3 0.6螺杆式 直通式 180~190 180~200 70～100 20～60 20～90 50～1602.4 注塑机的选择 2.4.1 注塑机简介 1956年制造出世界上第一台往复螺杆式注塑机,这是注塑成型工艺技术的一大 突破,目前注塑机加工的塑料量是塑料产量的30%;注塑机的产量占整个塑料机械产 量的50%.成为塑料成型设备制造业中增长最快,产量最多的机种之一. 注塑机的分类方式很多,目前尚未形成完全统一标准的分类方法.常用的说法 有: （1）按设备外形特征分类:卧式,立式,直角式,多工位注塑机； （2）按加工能力分类:超小型,小型,中型,大型和超大型注塑机。 此外还有按用途分类和按合模装置的特征分类,但日常生活中用的较少。 2.4.2 注塑机基本参数 注塑机的主要参数有公称注射量,注射压力,注射速度,塑化能力,锁模力,合模装 置的基本尺寸,开合模速度,空循环时间等.这些参数是设计,制造,购买和使用注塑机 的主要依据。 (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,注射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。第 12 页 共 26 页毕业设计（论文）(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3-4所示。表2-4注射量/CM3注射量与注射时间的关系250 200 1.25 500 333 1.5 .75 .25
51253注射速率/CM /S 注射时间/S125 1(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。 2.4.3选择注塑机 （1）由公称注射量选定注射机 由注射量选定注射机.（材料密度取 ρ = 0.905 g/ cm 3 ） ； 总体积V=2×51473.83 mm 3 = mm 3 ≈102.95 cm 3 ； 总质量M=0.905×102.g； 流道凝料V’=0.5V (流道凝料的体积(质量)是个未知数,根据手册取0.5V(1.5M) 来估算,塑件越大则比例可以取的越小)； 实际注射量为:V 实 =102.95×1.5=154.425 cm 3 ；第 13 页 共 26 页毕业设计（论文）实际注射质量为M 实 =1.5M=93.17×1.5=139.755g； 根据实际注射量应小于0.8倍公称注射量原则, 即： 0.8V 公 R V 实 V 公 = V 实 /0.8 =154.425÷0.8 ≈193.03 cm 3 ； （2）由锁模力选定注射机 F 锁 ≥ F 胀 =A 分 ?P 型 =2 （2―2） （2―1）π D24?P 型=2×3.14 × 0.1005 2 ×40×10 6 4≈634.3（KN） 式中 F 锁 注射机的锁模力（N） A 分 塑件和浇注系统在分型面上的投影面积之 和；P 型 型腔压力，取P 型 =40MPa；D取的是塑件的直径，D=100.5mm=0.1005m； 结合上面两项的计算，初步确定注塑机为表3-5所示，查国产注射机主要技术 参数表取G54-S-200/400,主要技术参数如下。 表2-5特性 结构类型 理论注射容积（cm ） 螺杆(柱塞)直径(mm) 注射压力(MPa) 注射时间(s) 注射方式 螺杆转速(r/min) 锁模力(KN)3国产注射机G54-S-200/400技术参数表内容 卧式 200～400 55 109 --螺杆式 16p28p48 2540 特性 拉杆内间距(mm) 移模行程(mm) 最大模具厚度(mm) 最小模具厚度(mm) 锁模形式(mm) 模具定位孔直径 喷嘴球半径(mm) 喷嘴口直径(mm) 内容 290×368 260 406 165 液压-机械 125 18 4第 14 页 共 26 页毕业设计（论文）2.5 注射机的校核 2.5.1 最大注塑量的校核 为确保塑件质量，注塑模一次成型的塑件质量（包括流道凝料质量）应在公 称注塑量的 35%~75%范围内，最大可达 80%，最小不小于 10%。为了保证塑件质 量，充分发挥设备的能力，选择范围通常在 50%~80%。 V 实 =154.425cm 3 ； V 公 ＝200cm 3 ； 满足要求。154.425 × 100% =77.21% 200 2.5.2 锁模力的校核在确定了型腔压力和分型面面积之后，可以按下式校核注塑机的额定锁模力：F＞K A 分 ?P 型（2―3）＞1.2×2×3.14 × 0.1005 2 ×40×10 6 4＞ 761.14KN 式中K=1.2； 2.5.3 喷嘴尺寸校核 F 注塑机额定锁模力：2540 KN；满足要求。K 安全系数，通常取 1.1~1.2，取在实际生产过程中，模具的主流道衬 套始端的球面半径 R2 取比注射机喷嘴球 面半径 R1 大 1~2 mm， 主流道小端直径 D 取比注射机喷嘴直径 d 大 0.5~1 mm， 如图3-2 所示，以防止主流道口部积存凝料而影响脱模，所以，注射机喷嘴尺寸 是标准，模具的制造以它为准则。2.5.4 定位圈尺寸校核图 2-2喷嘴与浇口套尺寸关系注塑机固定模板台面的中心有一规定尺寸的孔，称之为定位孔。注塑模端面 凸台径向尺寸须与定位孔成间隙配合，便于模具安装，并使主流道的中心线与喷 嘴的中心线相重合。模具端面凸台高度应小于定位孔深度。2.5.5 模具外形尺寸校核第 15 页 共 26 页毕业设计（论文）注塑模外形尺寸应小于注塑机工作台面的有效尺寸。模具长宽方向的尺寸要 与注塑机拉杆 间距相适应，模具至少有一个方向的尺寸能穿过拉杆间的空间装在 注塑机的工作台面上。 2.5.6 模具厚度校核 模具厚度必须满足下式： H min ≤ H m ≤ H max 满足要求。 （2―4）165 ≤ 301 ≤ 406 式中 H m ――所设计的模具厚度 301 mm；H min ――注塑机所允许的最小模具厚度 165 mm；H max ――注塑机所允许的最大模具厚度 406 mm；2.5.7 模具安装尺寸校核 注塑机的动模板p定模板台面上有许多不同间距的螺钉孔或“T”形槽，用于安 装固定模具。模具固定安装方法有两种：螺钉固定，压板固定。采用螺钉直接固 定时（大型模具常用这种方法） ，模具动，定模板上的螺孔及其间距，必须与注塑 机模板台面上对应的螺孔一致；采用压板固定时（中，小模具多用这种方法） ，只 要在模具的固定板附近有螺孔就行，有较大的灵活性。 该模具外形尺寸为 250×400 属中，小型模具，所以采用压板固定法（一般认 为当尺寸在 500×500 内为中，小模具） 。 2.5.8 开模行程校核 所选注塑机为全液压式锁模机构，最大开模行程受模具厚度影响。此时最大 开模行程 S 开 应满足以下的条件。 S 开 RH 1 +H 2 +（5~10）mm 260R48+48+10 260R106 式中 S 开 ――注塑机移模行程 260 mm； H 2 ――塑件高度 48 mm。 3 模具设计 3.1 分型面的确定第 16 页 共 26 页（2―5）满足要求。 H 1 ――推出距离 48 mm；毕业设计（论文）根据分型面的选择原则： （1）便于塑件脱模； （2）在开模时尽量使塑件留在动模； （3）外观不遭到损坏； （4）有利于排气和模具的加工方便。 结合该产品的结构,分型面确定在塑件的最大投影面积上.如图 3-1 所示。分型面图 3-1 3.2 型腔数目的确定分型面的位置注塑模的型腔数目,可以是一模一腔,也可以是一模多腔,在型腔数目的确定时 主要考虑以下几个有关因素： (1)塑件的尺寸精度; (2)模具制造成本; (3)注塑成型的生产效益; (4)模具制造难度。 考虑到该塑件是一般日用品,查手册得塑件的经济精度推荐 4 级,这个产品是两 个壳件的组合,所以初定为一模两腔最合理.排列形式如图 3-2 所示。图 3－2 型腔的排布形式第 17 页 共 26 页毕业设计（论文）3.3 浇口确定 PP 料的流动性好,可适用于各种浇口,为了不影响外观,简化模局结构,确定使用 侧浇口。 3.4 模具材料的选择 现有的模具模架已经标准化,所以在模具材料的选择时主要是根据制品的特性 和使用要求选择合理的型腔和型芯材料.如何合理的选择模具钢,是关系到模具质 量的前提条件,如果选材不当则所有的精密加工所投入的工时,设备费用将浪费。 在选择模具钢时,首先必须考虑材料的使用性能和工艺性能,从使用性能考虑: 硬度是主要指标之一,模具在高应力作用下欲保持尺寸不变,必须有足够的硬度,当 承受冲击载荷时还要考虑折断,崩刃问题,所以韧性也是一重要指标,耐磨性是决定 模具寿命的重要因素,从 PP 特性看,这三项指标是必须要满足的,此外抗压屈服强 度、抗弯强度和热疲劳能力的指标。 从工艺性能考虑:要热加工工艺好,加工温度范围宽,冷加工性能如切削,铣削,抛 光等加工性能好,此外还要考虑淬透性和淬硬性,热处理变形和氧化脱碳等性能.另 外从经济考虑,要求材料来源广,价格低。 查手册选择模仁的材料是 4Cr13.属马氏体类型不锈钢,该钢机械加工性能较好, 经热处理(淬火及回火)后,具有优良的耐腐蚀性能,抛光性能,较高的强度和耐磨性, 适于制造承受高负荷,高耐磨及在腐蚀介质作用下的塑料模具,透明塑料制品模具 等.有关参数如下: 物理性能: 临界温度（℃） Ac1 :820 ； ： 线膨胀系数(× 10 ?6 ℃)：10.5 热导率：27.6W.(m?K) ?1 Ac3 :1100；(在 20~100℃) (在 20℃左右)第 18 页 共 26 页毕业设计（论文）弹性模量(MPa)500 3.5 浇注系统设计(在 20℃左右)注塑模的浇注系统是指模具中从注塑机喷嘴开始到型腔入口为止的塑料熔体 的流动通道，它由主流道，分流道，冷料穴和浇口组成。它向型腔中的传质、传 热、传压情况决定着塑件的内在和外表质量，它的布置和安排影响着成型的难易 程度和模具设计及加工的复杂程度，所以浇注系统是模具设计中的主要内容之一。 3.5.1 主流道 主流道是连接注塑机的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，有一定的锥度，目的是便于冷料的脱模，同时也改善料 流的速度，因为要和注塑机相配，所以其尺寸与注塑机有关，如图 3-3 所示：主流道衬套图主要参数： 锥角 α =3°； 内表面粗糙度 Ra=0.63 ?m ； 小端直径 D=d+(0.5~1)mm； 半径 R 2 =R 1 +(1~2)mm ； 材料 T8A； 由于主流道要与高温的塑料熔体和喷嘴反复接触和碰撞，所以主流道部分常 设计成可拆卸的主流道浇口套，以便选用优质的钢材单独加工和热处理。 3.5.2 分流道 分流道是主流道与浇口之间的通道，一般开设在分型面上，起分流和转向作 用，分流道的长度取决于模具型腔的总体布置和浇口位置，分流道的设计应尽可第 19 页 共 26 页毕业设计（论文）能短，以减少压力损失，热量损失和流道凝料。常用分流道断面尺寸推荐如表 3-1 所示。表 3-1 流道断面尺寸推荐值塑料名称 分流道断面直径 mm ABS，AS 聚乙烯 尼龙类 聚甲醛 丙烯酸 抗冲击丙烯酸 醋酸纤维素 聚丙烯 异质同晶体 4.8~9.5 1.6~9.5 1.6~9.5 3.5~10 8~10 8~12.5 5~10 5~10 8~10 聚苯乙烯 软聚氯乙烯 硬聚氯乙烯 聚氨酯 热塑性聚酯 聚苯醚 聚砜 离子聚合物 聚苯硫醚 塑料名称 分流道断面直径 mm 3.5~10 3.5~10 6.5~16 6.5~8.0 3.5~8.0 6.5~10 6.5~10 2.4~10 6.5~13分流道的断面形状有圆形，矩形，梯形，U 形和六角形。要减少流道内的压 力损失，希望流道的截面积大，表面积小，以减小传热损失，因此，可以用流道 的截面积与周长的比值来表示流道的效率，其中圆形和正方形的效率最高，但正 方形的流道凝料脱模困难，所以一般是制成梯形流道。在该模具上取圆形断面形 状，直径为 6mm。 3.5.3 热流道 为了节约塑料原料, 减少再生料, 缩短生产周期, 提高生产效率, 模具采用了 热流道的浇注系统。 对于 1 模 2 腔的模具结构, 热流道需采用热流道板的结构形 式。如图 3－4 所示为热流道板结构。第 20 页 共 26 页毕业设计（论文）热流道板结构图在热流道板上, 加热的方式是采用上下两层整体式加热管进行加热控制的。 为 了在成型后控制熔体于开模状态下不流失, 模具上采用了 SINO 针阀式热流道控 制系统, 其热嘴的型号为: SIM- 18- VV- 075。 （SINO 针阀式热流道控制系统是青岛 柳道贸易有限公司研制的。详细资料如图 3－5 所是） 为了控制热流道板上的温度, 使其不能超过塑料的分解温度, 在热流道板上 和热嘴中均安装热电偶, 通过温度控制系统实现温度的自动控制, 保证热流道板 中的塑料在成型过程中始终保持熔融状态, 同时又不要在过热的情况下发生碳化 和分解。采用热流道板后, 模具在浇注系统中的压力损失小, 注射过程所占有的时 间极少, 浇注系统不用冷却,所以成型周期所占有的时间主要消耗在对塑件的冷却 上。 为了使模具在注射后将制件快速冷却到塑料的玻璃态温度之下, 使制件具有足 够的强度被推板顶出脱模, 模具的定模部分设置有两层冷却循环水道。 动模部分于 动模型芯镶件中, 设置了螺旋式循环冷却水道型芯, 以达到有效地控制模具温度 的目的。第 21 页 共 26 页毕业设计（论文）第 22 页 共 26 页毕业设计（论文）图 3－5 3.5.4 浇口SINO 针阀系统浇口是连接分流道与型腔的一段细短的通道，它是浇注系统的关键部分，浇 口的形状，数量，尺寸和位置对塑件的质量影响很大，浇口的主要作用有两个， 一是塑料熔体流经的通道，二是浇口的适时凝固可控制保压时间。浇口的类型有 很多，有点浇口，侧浇口，直接浇口，潜伏式浇口等，各浇口的应用和尺寸按塑 件的形状和尺寸而定，该模具采用点浇口。其相应的尺寸如图 3－5。 3.6 模架的确定 3.6.1 模架的选用 （1）模仁尺寸的确定第 23 页 共 26 页毕业设计（论文）因为采用的是整体式凹模和组合式凸模，所以凹模模仁的大小可以任意制定， 模仁所承受的力最终是传递到凸、凹模上，从节约材料和见效模具尺寸出发，模 仁的值取的越小越好，但实际中因为要考虑冷却因素，又因为经过模仁的冷却系 统比经过模仁外部的冷却系统效率高，所以为了给冷却系统留有足够的空间，该 设计取模仁的大小为 250×400 mm。 （2）凸、凹模尺寸的确定 凸、凹模受力的作用，其尺寸需要进行强度或刚度校核来确定。根据 3.3.3 的 计算结果，只要凹模长边的宽度满足 12 mm 就可以达到刚度要求，理论上只要取 大于 12 mm 的值就满足设计要求，但考虑到导柱和导套、螺钉、冷却水孔等对模 架强度、刚度的削弱作用，实际生产中都取比理论值大得多的值，在本设计中， 在长度方向，取模仁到模具边的单边宽度为 45 mm，在宽度方向，取模仁到模具 边的单边宽度为 49 mm（实际生产中宽度方向的边值一般比长度方向的边值大） 。 所以凸、凹模尺寸为 270×400 mm。4.8 导向与定位机构 注射模的导向机构主要有导柱导向和锥面定位两种类型。导柱导向机构用于 动、定模之间的开合模导向和脱模机构的运动导向。锥面定位机构用于动、定模 之间的精密对中定位。 导柱：国家标准规定了两种结构形式，分为带头导柱和有肩导柱，大型而长 的导柱应开设油槽，内存润滑剂，以减小导柱导向的摩擦。若导柱需要支撑模板 的重量，特别对于大型、精密的模具，导柱的直径需要进行强度校核。 导套：导套分为直导套和带头导套，直导套装入模板后，应有防止被拔出的 结构，带头导柱轴向固定容易。 设计导柱和导套需要注意的事项有： 1） 合理布置导柱的位置， 导柱中心至模具外缘至少应有一个导柱直径的厚度。 导柱布置方式常采用等径不对称布置，或不等直径对称布置。 2）导柱工作部分长度应比型芯端面高出 6~8 mm，以确保其导向与引导作用。第 24 页 共 26 页毕业设计（论文）3）导柱工作部分的配合精度采用 H7/f7，低精度时可采取更低的配合要求； 导柱固定部分配合精度采用 H7/k6；导套外径的配合精度采取 H7/k6。配合长度通 常取配合直径的 1.5~2 倍，其余部分可以扩孔，以减小摩擦，降低加工难度。 4）导柱可以设置在动模或定模，设在动模一边可以保护型芯不受损坏，设在 定模一边有利于塑件脱模。 4.9 顶出系统设计 注射成型每一循环中，塑件必须准确无误地从模具的凹模或型芯上脱出，完 成脱出塑件的装置称为脱模机构，也称顶出机构。 脱模机构的设计一般遵循以下原则： 1）塑件滞留于动模边，以便借助于开模力驱动脱模装置，完成脱模动作。 2）由于塑件收缩时包紧型芯，因此推出力作用点尽量靠近型芯，同时推出力 应施于塑件刚性和强度最大的部位。 3）结构合理可靠，便于制造和维护。 本设计使用推件板脱模机构，因为该塑件的分型面简单，结构也不复杂，采 用推件板脱模机构不会在塑件表面留有痕迹，给制造带来方便。在对脱模机构做 说明之前，需要对脱模力做个简单的计算。 4.9.1 脱模力的计算 当 t/d≤0.05 时，则认为塑件属于薄壁制品。 t/d=2.5/100.5≈0.025,故该塑件属于薄壁制品。 t:塑件的壁厚；d:塑件的直径。 其脱模力为：F=2πδ 1 ESL cos ? ( f ? tan ? ) + 0.1A (1 ? ? ) K 2= =2 × 3.14 × 2.5 × 0.0137 × 10 5 × 0.6 × 303 × cos 3o (0.26 ? tan 3o ) (1 ? 0.35) × 1.0335r:型芯半径(mm)；δ 1 ：塑件壁厚(mm)；E：塑料的弹性模量（MPa） ，E=0.0137 × 10 5 MPa；L：制品对型芯的包容长度（mm）,L= πD =3.14×96.73≈303mm； ? ：第 25 页 共 26 页毕业设计（论文）模具型芯的脱模斜度（°） ，取 ? ＝3°； ? ：塑料的泊松比, ? = 0.35 ； K 2 ：无因 次系数，随 f 和 ? 而异，查表 K 2 ＝ 1.0335 ； A ：型芯在脱模方向上的投影面积3.14 × 96.73 2 （ mm ）,A= = ≈7345 mm 2 ；S：塑料的平均收缩率（％） f：静 ； 4 42πD 2摩擦系数，f＝0.26。致谢经过两个月的毕业设计忙碌之后，设计最终完成，心理有一种说不出的轻松，设计过程 中遇到许多的问题，在众多师友的帮助下予以解决。首先要感谢刘汉武老师对我的指导和督 促，刘老师给我指出了正确的设计方向，使我加深了对知识的理解,同时也避免了在设计过程 中少走弯路，刘老师的督促使我一直把毕业设计放在心理，保证按质按量的完成；要感谢宿 舍同学，是大家营造了良好的学习环境，在做设计的过程中互帮互助，使我的 CAD 和 PRO/E 操作水平比以前有了很大提高，同时较全面的掌握了 Word 的编辑功能；还要感谢那些把借阅 证让我借书的同学，使得我查阅资料非常方便；还要感谢张甫军同学在我最需要电脑的时候 给我提供电脑，使我能够按时完成毕业设计。 大学生活至此划上了圆满的句号，在华北科技学院这块土地上有众多莘莘学子辛勤的耕 耘，在这块土地上我健康快乐的成长，我永远不会忘记可亲的同学和敬爱的老师，我永远记 得这片土地。第 26 页 共 26 页
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