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摘要
模具是生產各種工業(yè)產品的重要工藝裝備，隨著塑料工業(yè)的迅速發(fā)展，以及塑料制品在各個工業(yè)部門的推廣應用，產品對模具的要求也越來越高，傳統(tǒng)的模具設計方法已無法適應當今的要求。與傳統(tǒng)的模具設計相比，計算機輔助設計（CAD）技術無論是在提高生產率、保證產品質量方面，還是在降低成本、減輕勞動強度方面，都具有極大的優(yōu)越性。
挖掘機在工程建設和搶險救災中用于挖掘、裝卸、起重、打樁、夯土、破碎、拆除等多種作業(yè)。挖掘機的控制部分放置在操縱箱中，回轉、挖掘、裝卸動作靠控制操縱箱前側的先導手柄完成。傳統(tǒng)挖掘機操縱箱缺少智能控制的功能設置，不能滿足挖機在危險環(huán)境下工作的產品升級換代需求。操縱箱箱體需要根據(jù)智能控制需求，改變其形態(tài)。本課題根據(jù)挖掘機智能操作箱箱體要求，進行注塑模具的設計和仿真。
挖掘機在工程建設和搶險救災中用于挖掘、裝卸、起重、打樁、夯土、破碎、拆除等多種作業(yè)。挖掘機的控制部分放置在操縱箱中，回轉、挖掘、裝卸動作靠控制操縱箱前側的先導手柄完成。傳統(tǒng)挖掘機操縱箱缺少智能控制的功能設置，不能滿足挖機在危險環(huán)境下工作的產品升級換代需求。操縱箱箱體需要根據(jù)智能控制需求，改變其形態(tài)。本課題根據(jù)挖掘機智能操作箱箱體要求，進行注塑模具的設計和仿真。
關鍵詞 注塑模具；計算機輔助設計
Abstract
Die is an important process equipment for the production of various industrial products. With the rapid development of the plastics industry and the promotion and application of plastic products in various industrial sectors, the requirements of the products on the moulds are also getting higher and higher, and traditional mould design methods can no longer be adapted. Today's request. Compared with the traditional mold design, computer-aided design (CAD) technology has great advantages in terms of improving productivity, ensuring product quality, reducing costs, and reducing labor intensity.
Excavators are used for excavation, loading and unloading, lifting, piling, rammed earth, crushing, demolition and other operations in construction and emergency rescue operations. The control part of the excavator is placed in the control box. The rotation, excavation and loading and unloading operations are accomplished by controlling the front handle of the control box. The traditional excavator control box lacks intelligent control function settings and cannot meet the upgrading requirements of excavators working in hazardous environments. Manipulating the cabinet box requires changing its form according to the needs of intelligent control. This topic carries out the design and simulation of the injection mold according to the requirements of the excavator's intelligent operation box.
Keywords Injection mold Computer Aided Design
II
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目 錄
摘要 I
Abstract II
目 錄 1
1.緒論 3
1.1 選題的背景及意義 3
1.2 外國模具的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.3 我國模具的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.4 我國模具的發(fā)展前景 4
1.5 注塑機的發(fā)展歷史 4
1.6 建模軟件AUTOCAD介紹 5
2.箱體工藝性分析 6
2.1 確認箱體的設計要求 6
2.2 注塑件材料分析 6
2.3 注塑件結構工藝分析 8
2.4 注塑模具工藝參數(shù) 8
2.5注塑粗糙度分析 9
2.6分析注塑件的精度等級 9
2.7初步選定塑料注射機的規(guī)格和型號 9
3.確定型腔形式 10
3.1型腔的選擇 11
3.1.1整體式型腔 11
3.1.2組合式型腔 11
3.2型腔的設計 11
4.分型面的選擇 14
5.設計澆注系統(tǒng) 16
5.1 主流道設計 16
5.2分流道的設計和布置 17
5.3 澆口的設計和布置 17
5.4 冷卻系統(tǒng)的設計 17
5.5 計算水道的直徑 19
6.確定注塑件的脫模方式 21
6.1 設計注塑件脫模裝置 21
6.2 確定注塑件的推出方式 21
6.3 計算注塑件的脫模力 21
6.3.1計算注塑件芯脫的模力 22
6.4 確定模具推桿的尺寸 23
7 .校核注射設備的相關技術參數(shù) 24
7.1校核注塑件注射量 24
7.2校核注射機的注射壓力 24
7.3校核鎖模力 24
7.4校核模具具體尺寸 24
7.4.1校核模具的長寬高 24
7.4.2校核模具定位圈的直徑 25
8 .繪制模具零件圖和裝配圖 26
結論 28
致謝 31
參考文獻 32
1.緒論
1.1 選題的背景及意義
模具是用來生產大批量同形產品的必須工具，是工業(yè)生產的必須工藝用品。注塑模具是國民經濟的基礎。用模具生產的產品，具有很高的生產效率，優(yōu)質的質量，相對較低的成本并且節(jié)約原料，對環(huán)境友好等優(yōu)點。已經成為了現(xiàn)代工業(yè)中非常重要的工業(yè)手段和發(fā)展方向，因此注塑模具工業(yè)對我國經濟發(fā)展有非常積極的作用。
根據(jù)不完全統(tǒng)計，在電器、日用品、玩具等輕工業(yè)行業(yè)中，將近90的零件是依靠注塑模具生產的，在交通工具制造業(yè)，農用機制造業(yè)等行業(yè)中，注塑模具所占比例也非常高。自20世紀80年代以來，在美國、日本、歐證等發(fā)達國家中，模具行業(yè)的產值已經逐漸超過機床行業(yè)，并且差距還在不斷擴大，可見模具行業(yè)對經濟發(fā)展有舉足輕重的地位。
1.2 外國模具的發(fā)展現(xiàn)狀
國外的注塑模具發(fā)展比較早，和國內相比也更為先進成熟?，F(xiàn)在的注塑行業(yè)主要向著高效率，多工位，全自動，低成本發(fā)展。例如WP公司成功組合了雙螺桿聚合物玻纖混練技術和活塞注塑成型技術組合，讓多相體系共混和注塑過程可以同時完成，極大地提高了生產效率。In-shot公司開發(fā)的子母螺桿雙色同時高精度注塑技術。這套設備有一個機筒，倆個字母螺桿和倆套傳動系統(tǒng)組成。這個子母螺桿非常特殊，由大螺桿的空腔作為小螺桿的機筒，這倆個螺桿運動相互獨立，注塑的結構也相對的比較簡單，這樣可以有效的降低共塑注塑的設備成本。英國Delcam公司的系列軟件就包括了曲面/實體幾何造型，復雜形體工程圖樣，塑料模具設計，工業(yè)設計的渲染和復雜形體的CAM，藝術造型，逆向工程和復雜形體測量。這種高度集成的軟件，對工業(yè)生產可以提供極大的便利，一個軟件完成設計到檢查的一系列的完整工藝流程，提高生產效率。像這樣的高效率軟件還有很多，包括我們常用的PRO/E、UG等都是由國外公司開發(fā)的軟件，可以說從軟件到硬件，國外注塑模具生產都全面領先于國內。
1.3 我國模具的發(fā)展現(xiàn)狀
相比而言，國內的塑料模具生產就比國外落后得多了，大部分企業(yè)使用的是單型腔模具，其中簡單單型腔更是占到總模具數(shù)量的70%以上，在中小企業(yè)重，這個比例還會更高。一模多腔的精密復雜注塑模，多色塑料注射模具已經開始逐漸普及并發(fā)展，但是很多精密模具還是需要進口。雖然如此，我國的注塑模具畢竟已經發(fā)展了半個多世紀了，已經取得了非常大的進步和一定的技術經驗積累，雖然和國外上百年的工業(yè)積累還是存在明顯的差距，但是得看到，我國注塑模具和國外的差距，正變得越來越小，這是非常值得肯定的。塑料模具產值約占國內模具行業(yè)總產值的30%，年均增速約為13%左右。模具平均壽命低于100萬次，模具最高壽命超過1億次，精度在1微米左右，和國際上平均壽命5000萬次，最高壽命8億次，我國處在90年代末的國際一線水平，而且國內技術水平差距也很大。沿海發(fā)達地區(qū)和內陸相比，存在很大的差距。
1.4 我國模具的發(fā)展前景
我國現(xiàn)代注塑模具行業(yè)的發(fā)展是十分快速的?，F(xiàn)代企業(yè)對注塑模具專業(yè)人才的需求量非常大，很多企業(yè)開出了優(yōu)厚的條件就是為了吸引人才并留住人才。自從義務教育普及完成后，普通的工人都具備了一定的知識基礎。加上高等教育的普及，普通人才的數(shù)量大大增加，這也造成了現(xiàn)在企業(yè)越來越不缺普通人才，而對高端人才的需求缺日益旺盛，現(xiàn)在的注塑模具行業(yè)正快速發(fā)展，正是投身本行業(yè)的好時機。只要能夠用心鉆研認真學習，踏實工作，就可以在這個行業(yè)內實現(xiàn)自己的價值[[] 甄瑞麟，磨具制造工藝學[M].北京：清華大學出版社，2005-1
]。
模具行業(yè)正面臨著專業(yè)化與高精度化的轉型。隨著現(xiàn)在3D打印技術的快速發(fā)展和成熟，已經在產率和精度上拉近了和注塑模具的差距，外加開模的制造和維護成本非常高昂，而3D打印技術的基礎成本只有打印機本身，無論是靈活性還是初期成本都遠低于注塑模具，所以注塑模具行業(yè)受到了不小的沖擊，而國內的注塑模具精度普遍不高，導致和3D打印產品的質量差距小，更是成為國內注塑模具行業(yè)遇到的老大難問題。于此同時，注塑生產作為一種污染較大的行業(yè)，政府對高污染行業(yè)的限制只會變得越來越嚴格。對后期排污的處理的限制也會越來越多，也會增加工業(yè)生產的成本，這對注塑行業(yè)是非常不利。所以注塑行業(yè)想要發(fā)展，必須走向技術導向，提高精度、提高生產效率、降低廢料率提高材料利用率是未來注塑模具行業(yè)的必然發(fā)展趨勢，所以高端人才對于模具行業(yè)正變得越來越不可或缺甚至成為這個行業(yè)的主導。
隨著仿真技術的出現(xiàn)并且逐步發(fā)展至今，現(xiàn)代仿真技術已經很發(fā)達了，用模擬仿真軟件模擬產品，不需要實際生產就能了解產品的大致質量，對于開模成本極為高昂的注塑行業(yè)來說，這無疑減少了生產成本，可以降低產品價格而帶來更多的利潤]。俗話說的好，好馬配好鞍，在技術手段日新月異，在軟件功能日漸完善的今天，用于生產的硬件設備也需要升級換代來匹配生產軟件，加工機械的自動化，集成化，一體化是必然趨勢，在購買國外成熟產品的同時，也要研發(fā)屬于我們自己的拳頭產品，倆手都要抓，倆手都要硬。
1.5 注塑機的發(fā)展歷史
從20世紀50年代推出的螺桿式塑料注塑機到現(xiàn)在，已經有將近70年的歷史了。注塑機剛推出時，鎖模力大概在1000到5000牛頓之間，注射量也比較小，主流機型大約在50-2000G區(qū)間。到了70年代，隨著工程塑料的普及，特別是汽車，家電行業(yè)的需求的大量增加，使得大型注塑機得到快速發(fā)展，并且數(shù)量也開始增加。1980年美國有140臺左右的10000KN以上鎖模力的大型注塑機在生產，然而只過了5年也就是1985年，這個數(shù)字就變成了500多臺，可見塑料行業(yè)的發(fā)展有多快速。
在我國注冊生產注塑機的的廠家大約有90多家。注塑機的結構形式主要有：立式注塑機和臥式注塑機，也可以根據(jù)精度分成普通注塑機和精密性注塑機。
目前我國注塑加工的注射量在50—52000G，鎖模力在200-40000N 與國外發(fā)達國家還存在巨大的差距，但是差距正在逐漸縮小。注塑加工的產品主要分為：熱固性塑料，熱塑性塑料和橡膠。從加工的制品來說，分為單色，雙色塑料[[] Dong Mei Jiao，F(xiàn)ang Deng，Wei Min Yang. Design of Injection Mold and Research of Process for Plastic Parts Based on CAE Analysis[J]. Trans Tech，2017-7-17.
]。
注塑機是我國和國外先進水平差距最小的塑料行業(yè)機械同時也是發(fā)展的最快的塑料機械，但是在大型、專用，特殊，高精度塑料生產加工領域，國內仍產處于空白，外加3D打印技術的崛起，注塑機行業(yè)的利潤空間和行業(yè)環(huán)境正面臨的嚴峻的考研，這也是留給新一代注塑方面人才的挑戰(zhàn)與機遇。
圖1-1 注塑機模型
1.6 建模軟件AUTOCAD介紹
AutoCAD是Autodesk公司在1982年開發(fā)出來的自動計算機輔助設計軟件CAD常常用于二維制圖、基本三維制圖還有文檔設計?，F(xiàn)在CAD就是最常用也最基礎的制圖設計軟件。AutoCAD的用戶界面非常簡潔方面，通過使用菜單或命令就可以完成各種操作。CAD最大的便利就在于它可以同時處理多個文檔，多個文件。這種操作模式可以讓剛剛接觸這個軟件的人，也能夠進行一些復雜的操作，完成自己的設計，而對于可以熟練使用本款軟件的人，則可以非?？焖俚耐瓿勺约合胍M行的操作，達到設計的高效率，為實際的生產提供便利以及效率。
CAD還有一大特點就是，使用者不需要學會編程，就可以使用本軟件完成制圖，因此CAD被廣泛應用于土木工程，建筑設計，裝飾裝潢設計，工業(yè)繪圖，電子加工業(yè)，服裝家具設計等多領域。在現(xiàn)在，三維設計軟件如PRO/E UG開始逐漸普及并替代CAD，但是CAD仍然是一款基礎并且實用的設計軟件。
2.箱體工藝性分析
2.1 確認箱體的設計要求
圖2-1 箱體零件CAD圖
通過查閱資料，先設計出箱體零件，設計出的箱體零件如圖2-1所示，箱體的顏色為灰黑色。該注塑件的用處主要是收納挖掘機操縱桿，所以對該零件的表面質量要求不是很高，但是該箱體需要承受一定的重量所以不允許存在毛刺，氣泡等缺陷影響正常工作和零件壽命。該注塑件屬于中型零件，在和箱蓋零件配合時要求配合精密，注塑件壁厚最大為7mm，最小為5mm。
2.2 注塑件材料分析
選擇的注塑材料為ABS，也就是我們俗稱的工程塑料。其中A代表丙烯腈，B代表丁二烯而S則代表苯乙烯。所以ABS塑料就是上述三種單元組成的三元共聚物。這三種單元的含量是不固定的，可以根據(jù)實際產品需要的性能來調配三種單元的比例。比如A丙烯腈就具有增大塑料硬度，耐磨性，提高耐腐蝕性等作用。B丁二烯可以使塑料制品變得更強強韌，而S苯乙烯則具有改善塑料電性能的特性。ABS塑料在機械、汽車飛機輪船制造、紡織等行業(yè)內廣泛應用就是因為ABS是一種造價低廉，性能優(yōu)良，用途廣泛的塑料[[] 李維，模具設計師（注塑模）[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2009-9
]。
大部分的ABS塑料是無毒的，不透水，但能略微透過水蒸氣，并且吸水率很低，在室溫條件下浸水一年，吸水率不會超過1%并且物理性能不會起任何變化。ABS樹脂制品表面可以進行打磨和拋光處理，所以ABS塑料可以用于生產對表面光潔程度要求高的產品，這是很多別的塑料做不到。
圖2-2 ASB原料
ABS擁有良好的的物理性能和機械性能，良好的抗沖擊性能和尺寸的穩(wěn)定性。電性能優(yōu)良、較好的耐磨性、抗腐蝕性。成品加工和機械加工性能好，便于加工和二次加工，加工成本低。ABS塑料耐水、耐酸和堿類的腐蝕同時ABS塑料不溶于大部分醇類和烴類溶劑，但是溶于醛、酮、酯以及某些氯代烴中。同時ABS塑料的熱變形溫度比較低，耐熱性比較差。當溫度達到220度以上是，ABS塑料就會開始融化，當溫度繼續(xù)上升到250度以上時，ABS塑料就會開始熱分解，所以加工ABS塑料時溫度一定要嚴格控制，不能讓ABS塑料發(fā)生熱分解。
查閱模具設計手冊可知[[] 彭建聲，秦曉剛.模具技術問答[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.
] ABS工程塑料的密度在1030-1070KG/M-3，模具溫度在50-80攝氏度左右，收縮率為0.3-0.8%，收縮率極低，最大不溢料間隙為0.04MM，ABS注塑件的尺寸精度為5-6級
表2-1 ABS的性能參數(shù)
性能
數(shù)據(jù)
工作溫度（）
50-80
密度（g/cm3）
1.05-1.07
收縮率（%）
0.3-0.7
吸水
0.3-0.6
熔點（）
220-240
抗拉強度（MPa）
40-50
壓縮強度（MPa）
18-36
彎曲強度（MPa）
820
彎曲彈性模量（GPa）
1.5
拉伸彈性模量（GPa）
2.0
硬度
R62～R86
物理結構
非結晶的線性結構。
化學結構
穩(wěn)定性較高，耐化學腐蝕
2.3 注塑件結構工藝分析
由圖2-1可以知道，注塑件的形狀近似為長方體，長寬高分別為516mm，150mm和408mm。壁厚為5-7mm。箱體頂開有1個大長方形槽，1個小圓形槽和7個小長方形槽。箱體體積大，結構也較為簡單所以采用單分型面。
2.4 注塑模具工藝參數(shù)
查閱《模具設計手冊》[[] 趙蓓蓓.初探塑料模具材料現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].科技資訊,2009(34).
]，可確定ABS工程塑料的注塑工藝參數(shù)如下:
注射機的類型：螺桿式注射機
螺桿旋轉速度：
噴嘴的形式：直通式
噴嘴的溫度：
料筒前端溫度：
料筒中端溫度：
料筒后端溫度：
模具溫度：
注射壓力：
保壓力：
注射時間：
保壓時間：
冷卻時間：
成型周期：
以上數(shù)據(jù)是理論上的數(shù)據(jù)，在生產實際過程中，可以根據(jù)時間情況進行修改以完成實際生產。
2.5注塑粗糙度分析
產品用來收納挖掘機操縱箱內各個零件以及傳動結構，所以外表平整即可。因此產品表面的粗糙度Ra=3.2，這個粗糙度綜合考慮了產品的表面加工所需求的質量和加工成本。同時成型產品內中，大型芯表面的粗糙度為Ra=6.3，成型后的產品外表型腔表面粗糙度應該為Ra=1.6。
2.6分析注塑件的精度等級
產品的尺寸根據(jù)實際情況，決定選用自由尺寸。由于本注塑件是挖掘機智能操作箱箱體零件，所以對精度沒什么要求，可以采用GBT14486-93塑料件尺寸公差中的MT5級精度，即未注公差[[] 歐圣雅.冷沖壓與塑料成型機械. [J].北京：機械工業(yè)出版社，1999-12
]
2.7初步選定塑料注射機的規(guī)格和型號
注射機的選擇對注塑模具來說非常重要，直接關系到加工能否順利完成以及產品的質量是否合格。要選擇正確的注射機，首先要了解注射機的類型，然后是最大注射量，最大注射力，最大注射面積和鎖模力。然后還要考慮模具在注射機上安裝需要多少定位孔，需要多大的定位孔之類的具體生產中遇到的實際問題。
注射壓力：為了完成注塑生產，需要把熔化的塑料注入模具，熔化的塑料進入流道就會遇到阻力，所以需要適合的注射壓力使熔化的塑料克服來自型腔和流道的阻力讓塑料充滿模具，這個壓力就是注射機的注射壓力了。
公稱注塑量：公稱注塑量反應一個注塑機的基本加工能力，是指注射機在對空對射時注射器做一次最大行程時，注射裝置所能注射的最大的量。
注射速率：熔化的塑料要充滿模具，不僅需要足夠的壓力，還需要一定的速度，速度太慢的話熔化的塑料就會提前凝固產生氣泡和缺陷，所以注射速率也是選擇注射機的重要指標[[] Noah S. Nelson，Steven R. Buchman，Albert J. Shih [J]. Emerald, 2017-1.
]。
同時注塑件的體積應該也要低于注射機注射容量的80%，避免出現(xiàn)注射不足的情況。
通過CAD計算出零件的表面積A=467.81cm2，再通過V=P板厚×A計算出零件的體積V=346.5cm3
所以綜合考慮下，初步選定發(fā)那科280c注射機為本零件的注射機，技術數(shù)值如表2-1所示
表2-1 發(fā)那科280c注射機具體參數(shù)
技術參數(shù)
數(shù)值
標稱注射量（cm3）
450
螺桿直徑（mm）
64
注射壓力（MPa）
1550
注射行程（mm）
160
螺桿轉速（r/min）
20～170
注射時間（s）
10.8
注射方式
螺桿式
合模力（N）
最大成型面積（cm2）
400
模板最大行程（mm）
400
模板最大厚度（mm）
400
模板最小厚度（mm）
300
拉桿空間（mm）
630×630
合模方式
液壓—機械
推出形式
中心推出
電動機功率（kw）
50
噴嘴球半徑（mm）
24
噴嘴孔直徑（mm）
8
定位圈尺寸（mm）
200
機器外形尺寸(m)
5.34×1.75×1.60
圖2-3 發(fā)那科280C注射機
3.確定型腔形式
3.1型腔的選擇
模具的型腔，又叫做凹模，型腔的作用就是成型注塑零件的外表面，按照型腔的不同結構可將其分為整體式型腔和組合式型腔兩大類[[] 劉平平.注塑模自動分模技術研究[D].上海：同濟大學, 2009.
]。
3.1.1整體式型腔
整體式型腔就是由一整塊金屬材料直接加工不進行拼合而制成的型腔。整體式型腔的結構比較簡單但是具有強度大、剛性好，不易產生塑性變形，能生產出沒有拼縫痕跡的注塑件等優(yōu)點，常用來加工形狀簡單的中小型塑件。
3.1.2組合式型腔
當注塑件的外形和結構比較復雜時，一般會使用組合式型腔來完成加工工藝性。組合式型腔的結構形式較多，大致有如下幾種 圖3-1
圖3-1 型腔的類型
如圖b、c為底部與側壁分別加工后用螺釘聯(lián)接或鑲嵌；圖c拼縫與注塑件脫模方向相同，有利于注塑件的脫模。圖d為局部鑲嵌，這樣不僅有利于加工以外還方便模具磨損后的更換。
因為挖掘機智能操縱箱箱體是工業(yè)生產必須的零件，需要大批量生產，而且形狀不算特別復雜但是體積較大，再考慮到實際生產的成本問題，注塑箱體的上下倆部分，再組合到一起形成完整的箱體零件。所以決定選擇一模倆腔的結構。也就是組合式型腔
3.2型腔的設計
型腔按照結構不同大致可以分為4個不同的種類[[] 房顏明. 注塑模具的標準化探討與其自動化設計研究[J].科技展望,2017-02-10.
]，分別是整體式，整體嵌入式，組合式和鑲拼式。型腔應該采用整體結構，是因為整體結構具有較高的強度和剛度。型芯一般采用整體嵌入式結構，是為了便于熱處理加工。采用螺栓固定型芯。
一模兩腔是多型腔的，所以應當使用平衡式的型腔排列。所以就可以使用緊湊排布來減少模具的尺寸，縮短流道尺寸。因為已經確定了一模兩腔的結構，所以直接選用直線對稱的結構。根據(jù)資料數(shù)據(jù)顯示，多型腔之間的距離應該至少為20mm或以上，凹模是在定模上進行生產制作，所以剛度也是符合實際生產要求的。同時為了使注塑件能夠盡快完成注塑過程充滿整個腔體，所以型腔的間距不宜過大，最終我選擇的倆型腔之間的間距為22.5mm，如圖3-1
圖3-1 型腔的間距
所以整個型腔的設計如下圖3-2
圖 3-1 型腔的設計圖
4.分型面的選擇
分型面：分型面是為了將已成型好的注塑件從模具型腔內取出或為了滿足安放嵌件及排氣等成型的需要，根據(jù)注塑件的結構不同，將直接成型塑件的那一部分模具分成若干部分的接觸面。分為水平分型面、垂直分型面和復合分型面。制造注塑件時，為方便取出零件，將鑄型做成幾部分，其結合面稱為分型面。選擇分型面時，不僅要考慮注塑件的零件質量，還要考慮工藝是否簡便，有實際的生產效益。選擇分型面的標準有如下幾點[[] 張?zhí)m英.注塑成型模具設計的要點分析[J].山東工業(yè)技術,2017-01-01.
]：
分型面的選擇不能影響注塑件的質量和外觀，如果注塑過程中產生了飛邊也要易于清理修整，最大程度保證零件的外部的平整光潔。
分型面選擇要有利于注塑件的脫模，注塑件脫模的難度直接決定了生產成本和生產效率，所以選擇分型面時盡量把分型面留在塑料零件脫模方向最大外形輪廓處或者動?；蛘呦履Ｉ稀?
分型面選擇要方便排氣和澆注系統(tǒng)的布置，所以分型面應該盡量和流料末端重合。
分型面選擇要考慮同軸度，為了保證注塑件的質量，對有對于同軸度要求的塑件，要把對于同軸度要求的部分放到同一模具腔體之中。
分型面選擇應改避免側抽芯，如果注塑零件有側抽芯，則盡量把型芯滑塊部分放在動模部分中。
分型面的選擇應考慮到注塑機的技術參數(shù)（鎖模力）。塑件投影面積越大，注塑件需要鎖模力大，分型面應該布置在與開、合模方向平行的方向上，這樣就不會發(fā)生因鎖模力不足產生的溢料情況
分型面還分為單分型面和雙分型面
單分型面：單分型面注塑是注塑模中最簡單也最普遍的一種分型面，以分型面為界限把注塑模分為倆部分——動模和定模。主流道在定模上，分流道就留在分型面上，零件本體則在動模上。
雙分型面：雙分型面注塑是從不同分型面取出零件的一種注塑方式。雙分型面注塑和單分型面注塑的區(qū)別，就在雙分型面注塑的模具里多里一個澆口板。澆口板可以自由移動。開模時，中間板和固定模板被定距分型，以便取出這兩塊板間的澆注系統(tǒng)凝料。雙分型面注塑模具的結構比較復雜，成本較高，主要用于點澆口的單型腔或多型腔注射模、側向分型抽芯機構設在定模一側的注射模及需要順序分型的注射模。
挖掘機智操作箱箱體結構較為簡單，所以不需要使用復雜的模具，采用單分型面模具就可以滿足正常的生產需求。
分型面的選擇如圖4-1
圖4-1 分型面
5.設計澆注系統(tǒng)
澆注系統(tǒng)是指由澆口杯，直澆口，橫澆口，內澆口組成。它的用處是將熔化的塑料充滿整個型腔并將注射壓力傳遞到模具內的各個部分，從而獲得組織均勻致密，外形完整，尺寸精準，表面光潔平整的注塑件[[] Chung Ming Tan. An Innovative Compression Mold Design for Manufacture of Reel Mower Helical Blades[J]. Trans Tech，2016.
]。
圖5-1 澆注系統(tǒng)模型簡圖
5.1 主流道設計
主流道：主流道是指從注塑機噴嘴開始到飛流道終止，讓熔化塑料流過的通道。主流道的直徑直接影響了熔化塑料通過流道時的速度和塑料充滿模具所需要的時間，直接影響加工質量以及生產效率，所以主流道的直接選擇一定要合理。如果流道直徑過大，會增加凝固時間并且容易產生渦流和紊流導致產品中含有氣孔等缺陷。直徑過小，熱量損失大，凝固加快，不易于注塑件的成型，造成加工困難并且增加加工成品，不利于實際的生產。所以主流道的設計原則就是：
在保證注塑件可以完整成型并且工藝性能優(yōu)良的前提下，縮短主流道的長度來減少壓力和熱量的損失。
主流道的長度一般不要超過60MM，主流道過長不利于熔化的塑料均勻充滿型腔，如果零件過大，就需要多澆口來同時注射塑料保證注塑質量。
在設計主流道時盡量多使用圓角過渡，避免或者少用直角過渡，減小熔化塑料通過主流道時受到的阻力
5.2分流道的設計和布置
分流道：分流道就是連接主流道和澆口的通道，對于單型腔模具的注塑，有時候可以省去分流道，但是對于多型腔的注塑模具已經復雜的注塑模具，分流道就是必不可少不可省略的重要部分了。分流道的作用是對熔化塑料的轉向和分流。越是復雜的注塑件，它的分流道就越多越密集，這么設計的原因都是為了注塑件能夠完整的成型并且具有優(yōu)良的質量，所以分流道的設計和布置，一定要合理并且簡便。分流道的設計要求如下：
流道能盡快充滿型腔，從而減小壓力和熱量的損失，降低生產成本。
盡量減小回料量
能夠將熔化的塑料均勻并且較快地分流到個個型腔之中。
常用的分流道截面有：圓形，梯形，；六邊形和U形等等。在生產中，分流道截面積越大則損失的壓力就越小，然而截面積越大損失的熱量就越多，這是互相矛盾的，所以我們就需要選取一個最合適的截面積來平衡熱量損失和壓力損失達到成本最低化，這個最合適的值通常由分流道的截面積和表面積之比來表示，比例越小，效率就越低，越不適合實際生產。
5.3 澆口的設計和布置
澆口也叫作進料口，指分流道到模具型腔中間的一段通道，也是澆注系統(tǒng)中截面最小并且長度最短的一部分。在注塑件注塑中指澆注時融化塑料進入型腔的入口和通道。作用是利用緊縮流動面而使進料加快，在成型完畢后澆口最先凝固，有防止塑料回流以及防止型腔內部壓力下降過快使注塑件產生收縮形成氣泡的功能。澆口的設計原則如下：[[] Ulf Bruder. Mold Design and Product Quality[M]. Elsevier Inc，2015.
]
注塑過程中，注塑件能量損失盡量的小
澆口的位置布置要能避免注塑件發(fā)生收縮導致氣泡，變形等缺陷
澆口的位置要能避免注塑件表面產生熔接痕
澆口的位置布置要能夠是進去型腔的熔化塑料能夠擠出型腔內的空氣。
澆口位置安排要遠離型芯，避免熔化塑料流直接沖擊型芯造成對整體零件成型的影響。
澆口的位置安排要考慮對注塑件外形的影響，如果注塑件的外觀要求比較高的情況下，澆口就不能安排在分型面上。
5.4 冷卻系統(tǒng)的設計
注塑模具的冷卻系統(tǒng)是注塑模具系統(tǒng)中非常重要的一部分，合理設計的冷卻系統(tǒng)是對注塑件的質量的有效保證。查閱《模具設計手冊》得下表5-1，可以知道溫度對注塑件的影響：
表5-1 溫度對注塑件的影響
模具溫度
塑件質量情況
現(xiàn)象
過高
縮孔
在厚壁部分，易冷卻的地方先硬化，不易冷卻的地方會發(fā)生收縮并且產生縮坑。模具溫度過高易產生縮孔
溢料
因為模具具有間隙，當溫度過高，型腔內塑料黏度低，流動大，容易發(fā)生縫隙溢料
不均勻
變形
零件各部位冷卻不均勻，收縮不一致，就發(fā)生了變形
過低
填充不良
溫度過低時塑料流動性低，黏度過高就會發(fā)生填充不均
熔接焊
當倆股料流匯合時，由于模具的溫度低，容易產生不完全熔合，就會出現(xiàn)毛發(fā)狀的細紋線
表面不光澤
表面出現(xiàn)不光澤現(xiàn)象
溫度調整不當
機械性能不良
當模溫過高過低時，塑料的結晶不良，就會造成機械性能不良
參考上表可知：冷卻水道的位置安排和注塑件的形狀，壁厚有直接的關系。冷卻水道要設置在模具中熱量集中并且散熱比較困難的部位，例如厚壁處，轉角處。
圖5-2注塑模具冷卻系統(tǒng)模型
設置水路的基本原則：
在模具強度和結構允許的條件下，水道的直徑盡量大一點，數(shù)量也多一點。
水道不應該安排在螺釘?shù)恼戏?
水道的安排要遠離螺孔，頂針孔等模具孔洞，如果無法避開，則設計距離要超過3mm
水道的安排要遠離注塑件熔接的地方，避免帶走過多熱量影響注塑件的正常熔接降低注塑件質量
水道的安排，距離型腔表面的距離要保持一致，不可過遠也不可過近
水道的安排要注意模具中熱量集中的部位，熱流道，澆口處和厚壁處要加強冷卻，例如讓冷卻水直接流過澆口附近來加強散熱。
5.5 計算水道的直徑
查閱《模具設計手冊》[[] Jerry M. Fischer. Causes of Molded-Part Variation[M]. Elsevier Inc,2003.
] 得到公式5-1 公式5-2
（5-1）
公式1中：W----通過水道的冷卻流量（g）
w----單位時間進入流道的熔化的塑料的質量（g）
a----每克ABS工程塑料的熱容量（J/g）
T----冷卻水流出模具時的溫度（T）
t----冷卻水流入模具時的溫度（T）
K----熱傳導系數(shù)
（5-2)
公式2中：ρ----冷卻水的密度（g/cm2）
l----冷卻水道的長度（cm）
根據(jù)公式1和公式2可得冷卻水道的直徑d=15mm 根據(jù)設置水路的基本原則，水道直徑盡量大一點，我們最后選取的冷卻水道直徑為17mm
圖5-3 冷卻系統(tǒng)
6.確定注塑件的脫模方式
6.1 設計注塑件脫模裝置
在注塑過程中，能夠使挖掘機智能操作箱箱體注塑件順利從模具中脫離出來的結構就是脫模機構，在設計注塑模具的脫模結構需要注意的有以下幾點：
盡量把注塑件滯留在動模內，這樣有利于使開模力驅動整個模具機構，來幫助注塑件進行脫模，降低里脫模的難度。
當注塑件凝固時，注塑件會發(fā)生收縮，注塑件會吸附在型芯上，所以要在注塑零件強度和剛度的最大的部位和方向上施加一個脫模力，來幫助零件順利的從模具中脫離。
脫模結構的設計一定要簡便。一方面是為了方便加工，降低生產成品，另一方面，過于復雜的脫模結構有可能會損壞零件的表面質量，破壞零件完整結構。所以脫模結構設計的一定要合理。
6.2 確定注塑件的推出方式
注塑零件的脫模方式有很多種?？紤]到我們設計的零件是挖掘機智能操作箱箱體零件，是一個箱體零件，結構比較簡單，尺寸也不是非常大，所以就選用了推桿推出的方式來進行脫模。
圖6-1 推桿設計
6.3 計算注塑件的脫模力
因為熱脹冷縮，熔化的塑料在模具中冷卻凝固時注塑件的體積就會縮小。注塑件的體積縮小后，注塑件的外表面就會緊緊地包住型芯，所以把注塑件從模具中取出時就必須要有脫模力來幫助脫模。
6.3.1計算注塑件芯的脫模力
型芯的截面為矩形形狀，因為箱體是矩形，是規(guī)則形狀所以可以直接計算脫模力[[] 田光輝，林紅旗.模具設計與制造[M].北京大學出版社，2015-01.
]
矩形的寬為,通過CAD可以直接計算出型芯的最大截面積為，利用截面積相等來進行等效替代，三
因此假設矩形的長為b
b
注塑件的厚薄程度用公式來表示，公式為：
所以可以判定改注塑件為薄壁，所以使用薄壁條件的的脫模力公式來計算脫模力，公式見式（6-1）。
（6-1）
式中----材料的彈性模量,ABS工程塑料的彈性模量
----工程塑料的平均收縮率S=
----L表示型芯的長度
----脫模的斜度，本次設計的斜度為0
----摩擦系數(shù)，這里
----為泊松比，
----為無因次數(shù)，這里值為
---- 塑料件上有氣孔所以氣壓可以認為是0
計算模具內小型芯所需的脫模力
先應用公式計算塑件的厚薄度。
（6-2）
式中----為小型芯的大端的直徑，取值為
因為，所以注塑件壁為厚壁，看作圓形塑件來計算脫模力，脫模力計算為：
式中Ka——
Kb——Kb
（2）計算塑件脫模力
計算過程具體見式
6.4 確定模具推桿的尺寸
因為已經選用了推桿來進行脫模，綜合考慮脫出注塑件以及方便氣體排出模具外，所以決定在型腔內設置4個推桿來進行脫模。
（1）計算推桿直徑
查資料[[] 鄭崢.沖壓注塑成型設備[M].北京：北京理工大學出版社,2010-12
]可以從公式求出，具體見式。
式中----安全系數(shù)
----推桿的總長度，長度值為210mm
----模腔內的脫模力，脫模力約為6442N
----為模腔里的推桿數(shù)量，n=9
----為推桿的彈性模量， 彈性模量
一般的推桿尺寸要比理論尺寸要大，這么做是為了保證推桿工作的時候穩(wěn)定性和高效性，所以推桿的的實際尺寸選擇 6mm
接下來再開始校對推桿的直徑
所以選擇的合理且正確的。
7 .校核注射設備的相關技術參數(shù)
7.1校核注塑件注射量
由于已經計算出了注塑件的體積大小，所以就可以直接計算注射量，來對注射量的大小進行校核。經計算，注塑件和澆注系統(tǒng)的總體積為[[] 袁小會，肖志余，劉金鐵，《塑料成型工藝與模具設計》與PROE課程銜接研究[J].教育教學論壇，2015
]。
（7-1）
計算的結果：
所以注塑件注射量是符合實際生產要求的。
7.2校核注射機的注射壓力
由《塑性加工手冊》可知：用ABS工程塑料來注塑成品塑料零件時，所選用注射機要有一定的注射壓力來保證生產的可行性，范圍為，直接取一個中間值。
查詢注塑機的注射壓力，可知該注射機的公稱注射壓力：，
因為注射壓力是有安全系數(shù)的，所以需要校核這個安全系數(shù)，安全系數(shù)K的范圍為：
所以我們可以再取一個中間值
校核：
所以注射壓力也是符合要求的。
7.3校核鎖模力
已經確定了注塑件的注射設備，所以查詢設備的數(shù)據(jù)可以找到鎖模力，而且鎖模力也是有安全系數(shù)的，其安全系數(shù)的范圍是,所以可以選定一個中間值,校核計算過程如下：
（1）先利用軟件計算注塑件在分型面上的投影面積A塑：可知
（2）然后再計算凝料在分型面上的投影面積A澆
（3）計算總面積 A總
（4）計算型腔內部的的脹型力F脹
然后就可以校核鎖模力F鎖了
所以鎖模力也是符合要求的。
7.4校核模具具體尺寸
7.4.1校核模具的長寬高
本模具的長寬高分別是900mm，800mm和850mm，要校核模具的長和寬，就需要知道注射機的拉桿的尺寸，通過查閱注塑機的相關尺寸，經查閱本注塑機的拉桿的長和寬均為630mm因為，。同時模具的高，應該介于注塑機模具的最大厚度和最小厚度之間，所以可以校核：本模具的最大厚度為900mm，最小厚度為300mm。
綜上所述，模具的長寬高都符合實際的生產要求。
7.4.2校核模具定位圈的直徑
本模具所使用的定位孔的直徑為100mm，而所選用的注塑機的定位孔直徑也是100mm，綜上所述定位圈直徑也是符合實際生產要求的。
8 .繪制模具零件圖和裝配圖
直接使用CAD整理模具零件設計圖，并且繪制裝配圖并保存在文件夾中。
圖8-1 操作箱箱體主視圖
圖8-2 操作箱箱體左視圖板
圖8-3 操作箱箱體動模板俯視圖
圖8-4 操作箱箱體定模板俯視圖
結論
對于挖掘機智能操作箱箱體這個零件的設計，已經基本完成了。選取ABS工程塑料，采用MT5精度，使用發(fā)科那280C注射機分別注射零件的下半部分和下半部分；采用一模兩腔，單分型面的設計。澆注系統(tǒng)采用直澆口，冷卻水道半徑選取17mm并且布置在熱量集中的部位。采用4個直徑為60mm的推桿進行成型后的脫模。在校核完各項參數(shù)合格之后，繪制模具的裝配圖，完成本次注塑模具設計。
致謝
充實而精彩的四年的大學生活就要結束了，這四年的時光將使我終生難以忘懷。不僅僅是學習到了專業(yè)知識，更多的是認識了很多人，來自同學的友情，來自老師的師生情，讓這四年時光充滿了快樂。
這次畢業(yè)設計中，我遇到了很多很多的問題，我通過查閱書籍、網上搜索、咨詢老師等方式解決了這些問題，完成了我的畢業(yè)設計。在此我要特別感謝我的畢業(yè)設計指導老師--劉憶老師。劉憶老師在繁忙的工作中，能夠抽出寶貴的時間，耐心地為我們解疑答惑，讓我能順利的完成了畢業(yè)設計。
最后，感謝在座的老師來聽取我們的畢業(yè)答辯，請老師指出論文的不足之處。
參考文獻
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