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浙江工業(yè)大學博士學位論文
XX學校
畢業(yè)設計說明書
課題名稱：電池蓋成型工藝及模具設計
學生姓名
學 號
所在學院
專 業(yè)
班 級
指導教師
起訖時間： 年 月 日～ 年 月 日
I
XX學院畢業(yè)設計說明書
摘 要
根據(jù)塑料制品的要求，了解塑件的用途，分析塑件的工藝性、尺寸精度等技術要求，選擇塑件制件尺寸。本模具采用一模二件，側潛伏澆口進料，注射機采用海天80XB型號，設置冷卻系統(tǒng)，CAD繪制二維總裝圖和零件圖，UG繪制3D模具圖，選擇模具合理的加工方法。附上說明書，系統(tǒng)地運用簡要的文字，簡明的示意圖和和計算等分析塑件，從而作出合理的模具設計。
關鍵詞：機械設計；模具設計；CAD繪制二維圖；注射機
Take to
According to the plastic products requirements, understand the use of plastic parts, plastic parts of the process analysis, dimensional accuracy and other technical requirements, selection of plastic parts size. The use of a mold of a mold two, a side gate feed, injection machine uses the Haitian 80XB models, cooling system, CAD drawing2D assembly drawing and parts drawing, drawing UG3D die drawing die, choose reasonable processing method. Enclose brochures, the systematic use of a brief text, concise schematic diagram and calculation analysis of plastic parts, so as to make reasonable mold design.
Key words: mechanical design; mold design; CAD maABSing of two-dimensional graph; injection machine
目 錄
摘 要 I
第1章 緒論 4
1.1 塑料簡介 4
1.2 注塑成型及注塑模 4
第2章 塑料材料分析 6
2．1 塑料材料的基本特性 6
第3章 塑件的工藝分析 7
3．1 塑件的結構設計 7
3．2 塑件尺寸及精度 8
3．3 塑件表面粗糙度 8
3．4 塑件的體積和質量 9
第4章 注射成型工藝方案及模具結構的分析和確定 10
4．1、注射成型工藝過程分析[5] 10
4．2 澆口種類的確定 10
4．3 型腔數(shù)目的確定 11
4．4 注射機的選擇和校核 11
4.4.1 注射量的校核 12
4.4.2 塑件在分型面上的投影面積與鎖模力的校核 12
4．4．3、模具與注射機安裝模具部分相關尺寸校核 12
第5章 注射模具結構設計 14
5．1 分型面的設計 14
5．2 型腔的布局 14
5．3 澆注系統(tǒng)的設計 15
5．3．1 澆注系統(tǒng)組成 15
5．3．2 確定澆注系統(tǒng)的原則 15
5．3．3 主流道的設計 15
5．3．4 分流道的設計 16
5．3．5 澆口的設計 17
5．3．6 冷料穴的設計 17
5．4 注射模成型零部件的設計[7] 17
5．4．1 成型零部件結構設計 18
5．4．2 成型零部件工作尺寸的計算 19
5．5 排氣結構設計 19
5．6 脫模機構的設計 20
5．6．1 脫模機構的選用原則 20
5．6．2 脫模機構類型的選擇 20
5．6．3 推桿機構具體設計 20
5．7 注射模溫度調節(jié)系統(tǒng) 21
5．7．1 溫度調節(jié)對塑件質量的影響 21
5．9 模架及標準件的選用 22
5．9．1 模架的選用 22
第6章 模具材料的選用 24
6．1 成型零件材料選用 24
6．2 注射模用鋼種 24
總結 25
致謝 27
參考文獻 28
2
第1章 緒論
模具制造是國家經濟建設中的一項重要產業(yè)，振興和發(fā)展我國的模具工業(yè)，日益受到人們的重視和關注?！澳＞呤枪I(yè)生產的基礎工藝裝備”也已經成為廣大業(yè)內人士的共識。在電子、汽車、電機、電器、儀器、儀表、家電和通信等產品中，60%～80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生產制件所具備的高精度、高復雜程度、高一致性、高生產率和低消耗，是其它加工制造方法所不能比擬的。模具又是“效益放大器”，用模具生產的最終產品的價值，往往是模具自身價值的幾十倍、上百倍。模具工業(yè)是制造業(yè)中的一項基礎產業(yè)，是技術成果轉化的基礎，同時本身又是高新技術產業(yè)的重要領域。
1.1 塑料簡介
塑料是以樹脂為主要成分的高分子材料，它在一定的溫度和壓力下具有流動性?？梢员荒Ｋ艹尚蜑橐欢ǖ膸缀涡螤詈统叽纾⒃诔尚凸袒蟊３制浼鹊眯螤疃话l(fā)生變化。塑料有很多優(yōu)異性能，廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)和日常生活，它具有密度小，質量輕，比強度高，絕緣性能好，介電損耗低，化學穩(wěn)定性高，減摩耐磨性能好，減振隔音性能好等諸多優(yōu)點。另外，許多塑料還具有防水、防潮、防透氣、防輻射及耐瞬時燒蝕等特殊性能[1]。塑料以從代替部分金屬、木材、皮革及無機材料發(fā)展成為各個部門不可缺少的一種化學材料，在國民經濟中，塑料制作已成為各行各業(yè)不可缺少的重要材料之一。
1.2 注塑成型及注塑模
將塑料成型為制品的生產方法很多，最常用的有注射，擠出，壓縮，壓注，壓延和吹塑等。其中，注射成型是塑料成型加工中最普遍采用的方法。除氟塑料外，幾乎的有的熱塑性塑料都可以采用此方法成型。它具有成型周期短，能一次成型外形復雜、尺寸精度較高、易于實現(xiàn)全自動化生產等一系列優(yōu)點。因此廣泛用于塑料制件的生產中，其產口占目前塑料制件生產的30%左右。但注射成型的設備價格及模具制造費用較高，不適合單件及批量較小的塑料件的生產。
要了解注射成型和注射模，首先得了解注射機的一些基本知識，注射機是注射成型的主要設備，依靠該設備將粒狀塑料通過高壓加熱等工序進行注射。?注射機為熱塑性或熱固性塑料注射成型所用的主要設備，按其外形可分為立式、臥式、直角式三種，由注射裝置、鎖模裝置、脫模裝置，模板機架系統(tǒng)等組成。
注射成型是根據(jù)金屬壓鑄成型原理發(fā)展而來的，其基本原理是利用塑料的可擠壓性和可模塑性。首先將松散的粒狀或粉狀成型物料從注射機的料斗送入高溫的機筒內加熱熔融塑化，使之成為粘流態(tài)熔體，然后在柱塞或螺桿的高壓推動下，以很大的流速通過料筒前端的噴嘴注射進入溫度較低的閉合模具中，經過一段保壓冷卻定型時間后，開啟模具便可以從模腔中脫出具有一定形狀和尺寸的塑料制品。
注射成型生產中使用的模具叫注射模，它是實現(xiàn)注射成型生產的工藝裝備。
注射模的種類很多，其結構與塑料品種、塑件的復雜程度和注射機的種類等很多因素有關，其基本結構都是由動模和定模兩大部分組成的。定模部分安裝在注射機的固定板上，動模部分安裝在注射機的移動模板上，在注射成型過程中它隨注射機上的合模系統(tǒng)運動。注射成型時動模部分與定模部分由導柱導向而閉合。一般注射模由成型零部件、合模導向機構、澆注系統(tǒng)、側向分型與抽芯機構、推出機構、加熱和冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)及支承零部件組成[2] 。
注射模、塑料原材料和注射機通過注射成型工藝聯(lián)系在一起。注射成型工藝的核心問題就是采用一切措施以得到塑化良好的塑料熔體，并把它注射到型腔中去，在控制條件下冷卻定型，使塑件達到所要求的質量。注射機和模具結構確定以后，注射成型工藝條件的選擇與控制便是決定成型質量的主要因素。
注射成型有三大工藝條件，即：溫度、壓力、時間。在成型過程中，尤其是精密制品的成型，要確立一組最佳的成型條件決非易事，因為影響成型條件的因素太多，有制品形狀、模具結構、注射裝備、原材料、電壓波動及環(huán)境溫度等。
塑料模具的設計不但要采用CAD技術，而且還要采用計算機輔助工程（CAE）技術。這是發(fā)展的必然趨勢。注塑成型分兩個階段，即開發(fā)/設計階段（包括產品設計、模具設計和模具制造）和生產階段（包括購買材料、試模和成型）。
傳統(tǒng)的注塑方法是在正式生產前，由于設計人員憑經驗與直覺設計模具，模具裝配完畢后，通常需要幾次試模，發(fā)現(xiàn)問題后，不僅需要重新設置工藝參數(shù)，甚至還需要修改塑料制品和模具設計，這勢必增加生產成本，延長產品開發(fā)周期。
目前國際市場上主要流行的，運用范圍最廣的注射模流動模擬分析軟件有澳大利亞的MOLDFLOW、美國的CFLOW、華中科技大學的H-FLOW等。其中MOLDFLOW軟件包括三個部分：MOLDFLOW PLASTICS ADVISERS （產品優(yōu)化顧問，簡稱MPA），MOLDFLOW PLASTICS INSIGHT （注射成型模擬分析，簡稱MPI），MOLDFLOW PLASTICS XPERT （注射成型過程控制專家，簡稱MPX）。
采用CAE技術，可以完全代替試模，CAE技術提供了從制品設計到生產的完整解決方案，在模具制造加工之前，在計算機上對整個注射成型過程進行模擬分析，準確預測熔體的填充、保壓、冷卻情況，以及制品中的應力分布、分子和纖維取向分布、制品的收縮和翹曲變形等情況，以便設計者能盡早發(fā)現(xiàn)問題，及時修改制件和模具設計，而不是等到試模以后再返修模具。這不僅是對傳統(tǒng)模具設計方法的一次突破，而且對減少甚至避免模具返修報廢、提高制品質量和降低成本等，都有著重大的技術經濟意義[3]。
第2章 塑料材料分析
2．1 塑料材料的基本特性
PPO塑料 （MPPO） (聚苯醚)
英文名稱:poly(phenylene oxide)
比重:1.07克/立方厘米 成型收縮率:0.3-0.8% 成型溫度：260-290℃ 干燥條件：130℃ 4小時
物料性能
1、為白色顆粒。綜合性能良好，可在120度蒸汽中使用，電絕緣性好，吸水小，但有應力開裂傾向。改性聚苯醚可消除應力開裂。
2、有突出的電絕緣性和耐水性優(yōu)異，尺寸穩(wěn)定性好。其介電性能居塑料的首位。
3、PPO與HIPS共混制得的改性材料，目前市面上的材料均為此種材料。
4、有較高的耐熱性，玻璃化溫度211度，熔點268度，加熱至330度有分解傾向，PPO的含量越高其耐熱性越好，熱變形溫度可達190度。
5、阻燃性良好，具有自息性，與HIPS混合后具有中等可燃性。質輕，無毒可用于食品和藥物行業(yè)。耐旋光性差，長時間在陽光下使用會變色。
6、可以與ABS,HDPE,PPS,PA,HIPS、玻璃纖維等進行共混改性處理。
成型性能
1.非結晶料,吸濕小。
2.流動性差，為類似牛頓流體，粘度對溫度比較敏感，制品厚度一般在0.8毫米以上。極易分解，分解時產生腐蝕氣體。宜嚴格控制成型溫度，模具應加熱，澆注系統(tǒng)對料流阻力應小。
3、聚苯醚的吸水率很低0.06%左右，但微量的水分會導致產品表面出現(xiàn)銀絲等不光滑現(xiàn)象，最好是作干燥處理，溫度不可高出150度，否則顏色會變化。
4、聚苯醚的成型溫度為280-330度，改性聚苯醚的成型溫度為260-285度。
典型應用：
1、適于制作耐熱件、絕緣件、減磨耐磨件、傳動件、醫(yī)療及電子零件。
2、可作較高溫度下使用的齒輪、風葉、閥等零件，可代替不銹鋼使用。
3、可制作螺絲、緊固件及連接件。
4、電機、轉子、機殼、變壓器的電器零件。
第3章 塑件的工藝分析
在模具設計之前需要對塑件的工藝性如形狀結構、尺寸大小、精度等級和表面質量要進行仔細研究和分析，只有這樣才能恰當確定塑件制品所需的模具結構和模具精度。
電池蓋塑件如圖所示，具體結構和尺寸詳見圖紙，該塑件結構簡單，生產量大，要求中低的模具成本，成型容易，精度要求一般
圖（1）3D視圖
3．1 塑件的結構設計
（1）、脫模斜度
由于注射制品在冷卻過程中產生收縮，因此它在脫模前會緊緊的包住模具型芯或型腔中突出的部分。為了便于脫模，防止因脫模力過大拉傷制品表面，與脫模方向平行的制品內外表面應具有一定的脫模斜度。脫模斜度的大小與制品形狀、壁厚及收縮率有關。斜度過小，不僅會使制品尺寸困難，而且易使制品表面損傷或破裂，斜度過大時，雖然脫模方便，但會影響制品尺寸精度，并浪費原材料。通常塑件的脫模斜度約取0.5～1.5，根據(jù)文獻[1]，塑件材料PPO的型腔脫模斜度為0.35～130/，型芯脫模斜度為30/～1
（2）、塑件的壁厚
塑件的壁厚是最重要的結構要素，是設計塑件時必須考慮的問題之一。塑件的壁厚對于注射成型生產具有極為重要的影響，它與注射充模時的熔體流動、固化定型時的冷卻速度和時間、塑件的成型質量、塑件的原材料以及生產效率和生產成本密切相關。一般在滿足使用要求的前提下，塑件的壁厚應盡量小。因為壁厚太大不僅會使原材料消耗增大，生產成本提高，更重要的是會延緩塑件在模內的冷卻速度，使成型周期延長，另外還容易產生氣泡、縮孔、凹陷等缺陷。但如果壁厚太小則剛度差，在脫模、裝配、使用中會發(fā)生變形，影響到塑件的使用和裝配的準確性。選擇壁厚時應力求塑件各處壁厚盡量均勻，以避免塑件出現(xiàn)不均勻收縮等成型缺陷。塑件壁厚一般在1～4，最常用的數(shù)值為2～3。該塑件壁厚均勻，周邊和底部壁厚均為2左右。（3）、塑件的圓角為防止塑件轉角處的應力集中，改善其成型加工過程中的充模特性，增加相應位置模具和塑件的力學角度，需要在塑件的轉角處和內部聯(lián)接處采用圓角過度。在無特殊要求時，塑件的各連接角處均有半徑不小于0.5～1的圓角。一般外圓弧半徑大于壁厚的0.5倍，內圓角半徑應是壁厚的0.5倍。該塑料件表面圓角半徑和內部轉彎處圓角較小。
（4）、孔
塑料制品上通常帶有各種通孔和盲孔，原則上講，這些孔均能用一定的型芯成型。但當孔太復雜時，會使熔體流動困難，模具加工難度增大，生產成本提高，困此在塑件上設計孔時，應盡量采用簡單孔型。由于型芯對熔體有分流作用，所以在孔成型時周圍易產生熔接痕，導致孔的強度降低，故設計孔時孔時孔間距和孔到塑件邊緣的距離一般都尖大于孔徑，孔的周邊應增加壁厚，以保證塑件的強度和剛度。
3．2 塑件尺寸及精度
塑料制品外形尺寸的大小主要取決于塑料品種的流動性和注射機規(guī)格，在一定的設備和工藝條件下流動性好的塑料可以成型較大尺寸的制品，反正成型出的制品尺寸就比較小。從節(jié)約材料和能源的角度出發(fā)，只要能滿足制品的使用要求，一般都應將制品的結構設計的盡量緊湊，以便使制品的外形尺寸玲瓏小巧些。該塑件的材料為PPO，流動性較好，適用于不同尺寸的制品。
塑件的尺寸精度直接影響模具結構的設計和模具的制造精度。為降低模具的加工難度和模具的制造成本，在滿足塑件要求的前提下盡量把塑件的尺寸精度設計得低一些。由于塑料與金屬的差異很大，所以不能按照金屬零件的公關等級確定精度等級。根據(jù)我國目前的成型水平，塑件尺寸公差可以參照文獻[2]表3-2塑件的尺寸與公關（SJ1372-1978）的塑料制件公差數(shù)值標準來確定。根據(jù)任務書和圖紙要求，本次產品尺寸均采用MT3級精度，未注采用MT5級精度。
3．3 塑件表面粗糙度
塑件的表面要求越高，表面粗糙度越低。這除了在成型時從工藝上盡可能避免冷疤、云紋等疵點來保證外，主要是取決于模具型腔表面粗糙度。塑料制品的表面粗糙度一般為Ra 0.02～1.25之間，模腔表壁的表面粗糙度應為塑件的1/2，即Ra 0.01～0.63。模具在使用過程中由于型腔磨損而使表面粗糙度不斷增加，所以應隨時給以拋光復原。
該塑件外部需要的表面粗糙度比內部要高許多，為Ra0.2，內部為0.4。
3．4 塑件的體積和質量
本次設計中，塑件的質量和體積采用估算，在有關UG軟件中，用分析模塊對其進行質量特性分析，輸入材料密度（PPO的密度為1.07），即可以得出該塑件制品的體積為質量為0.83克。
第4章 注射成型工藝方案及模具結構的分析和確定
4．1、注射成型工藝過程分析[5]
根據(jù)塑件的結構、材料及質量，確定其成型工藝過程為：
第一步：為使注射過程順利和保證產品質量，應對所用的設備和塑料作好以下準備工作。
（1）、成型前對原材料的預處理
根據(jù)注射成型對物料的要求，檢驗物料的含水量，外觀色澤，顆粒情況并測試其熱穩(wěn)定性，流動性和收縮率等指標，對原材料進行適當?shù)念A熱干燥，PPO率極低，成型前一般不必進行干燥處理。如有需要，可在70 ～ 80 ℃下干燥2～4 h。
（2）、料筒的清洗
在初用某種塑料或某一注射機之前，或者在生產中需要改變產品、更換原料、調換顏色或發(fā)現(xiàn)塑料中有分解現(xiàn)象時，都需要對注射機（主要是料筒）進行清洗或拆換。
柱塞式注射機料筒的清洗常比螺桿式注射機困難，因為柱塞式料筒內的存料量較大而不易對其轉動，清洗時必須拆卸清洗或者采用專用料筒。對螺桿式通常是直接換料清洗，也可采用對空注射法清洗。
（3）、脫模劑的選用
脫模劑是使塑料制件容易從模具中脫出而敷在模具表面上的一種助劑。一般注射制件的脫模，主要依賴于合理的工藝條件與正確的模具設計。在和產上為了順利脫模，常用的脫模劑有：硬脂酸鋅，液體石蠟（白油），硅油，對PPO可選用硬脂酸鋅，因為此脫模劑除聚酰胺塑料外，一般塑料都可使用。
第二步: 注射成型過程
完整的注射過程表面上共包括加料、塑化、注射入模、穩(wěn)壓冷卻和脫模幾個步驟，但實際上是塑化成型與冷卻兩個過程。
第三步：制件的后處理
注射制件經脫模或機械加工后，常需要進行適當?shù)暮筇幚?，目的是為了消除存在的內應力，以改善和提高制件的性能及尺寸穩(wěn)定性。制件的后處理主要有退火和調濕處理。該塑料制件材料為PPO用退火處理1～3小時。
4．2 澆口種類的確定
注射模的澆注系統(tǒng)是指模具中從注射機噴嘴開始到型腔為止的塑料流動通道。其作用是將塑料熔體充滿型腔并使注射壓力傳遞到各個部分。澆注系統(tǒng)設計的好壞對塑件性能、外觀及成型難易程度影響很大。它由主流道、分流道、澆口及冷料穴組成。其中澆口的選擇與設計恰當與否直接關系到制品能否完好的成型。
由于本設計中塑件外表面質量要求較高，不允許出現(xiàn)澆口痕跡，所以選用側澆口。側澆口直接在兩端的平面處進，相機面殼組裝后，澆口被遮擋起來。
側澆口的側傾角可以在較大的范圍內依塑件的具體形狀選擇。其直徑與潛伏式澆口相同。引入的圓錐角α約在2°左右。司筒頂出結構相對簡單（采用兩板式模具結構）并且塑料流動平衡等優(yōu)點， 可以有效提高生產效率，縮短成型周期，節(jié)約成型材料和塑件去澆口清理等工作，尤其是對外形尺寸較小的產品。
4．3 型腔數(shù)目的確定
因為本設計中采用潛伏式澆口，且塑件的尺寸較小，為提高塑件成功概率，并從經濟型的角度出發(fā)，節(jié)省生產成本和提高生產效率，采用一模二腔，進行加工生產。
4．4 注射機的選擇和校核
由于采用一模二腔，需要至少注射量為0.83X2=1.66g，流道水口廢料1.8g，總注塑量達到3.46g，再根據(jù)工藝參數(shù)（主要是注射壓力），綜合考慮各種因素，選定注射機為海天80XB。注射方式為螺桿式，其有關性能參數(shù)為：
海天HTF80XB
型號
參數(shù)
單位
80×B
螺桿直徑
mm
36
理論注射容量
cm3
124
注射重量PS
g
113
注射壓力
Mpa
183
注射行程
mm
122
螺桿轉速
r/min
0~220
料筒加熱功率
KW
5.7
鎖模力
KN
800
允許最大模具厚度
mm
360
允許最小模具厚度
mm
150
移模行程
mm
310
移模開距(最大)
mm
670
液壓頂出行程
mm
100
液壓頂出力
KN
33
液壓頂出桿數(shù)量
PC
5
油泵電動機功率
KW
11
油箱容積
l
200
機器尺寸(長×寬×高)
m
4.3×1.25×1.8
機器重量
t
3.22
最小模具尺寸(長×寬)
mm
240×240
4.4.1 注射量的校核
模具設計時，必須使得在一個注射成型的塑料熔體的容量或質量在注射機額定注射量的80%以內。校核公式為：
式中 --型腔數(shù)量
--單個塑件的體積（）
--澆注系統(tǒng)所需塑料的體積（）
本設計中：n=2 0.79 =1.74
M=2x0.79X+1.74=3.32X1.05=3.46.g
注塑機額定注塑量為113g
113x0.8=90.4g>3.46g
注射量符合要求
4.4.2 塑件在分型面上的投影面積與鎖模力的校核
注射成型時塑件的模具分型面上的投影面積是影響鎖模力的主要因素。如果這一數(shù)值超過了注射機所允許的最大成型面積，則成型過程中會出現(xiàn)漲模溢料現(xiàn)象，必須滿足以下關系。
式中 n --型腔數(shù)目
--單個塑件在模具分型面上的投影面積
--澆注系統(tǒng)在模具分型面上的投影面積
n=2 =553.1 =124.5
=2x553.1+124.5
注射成型時為了可靠的鎖模，應使塑料熔體對型腔的成型壓力與塑件和澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積之和的乘積小于注射機額定鎖模力。即：
（）P < F
式中： P—塑料熔體對型腔的成型壓力（MPa）
F—注射機額定鎖模力（N）
其它意義同上
根據(jù)教科書表5-1，型腔內通常為20-40MPa，一般制品為24-34MPa，精密制品為39-44MP
（）P=1230.7X1.1X30X0.001=40.6131KN <800KNx0.8
鎖模力符合要求
4．4．3、模具與注射機安裝模具部分相關尺寸校核
（1）、模具厚度（閉合高度）
模具閉合高度必須滿足以下公式
式中 --注射機允許的最大模厚
--注射機允許的最小模厚
本設計中模具厚度為270mm 150
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