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旋紐模具的設計
一、 塑件的工藝性分析
1、塑件的原材料分析
塑件的材料采用聚甲基丙烯酸
甲酯，屬熱塑性塑料，該塑料具有
如下的成型特性：
l 無定形料、吸濕性大、不易分解。
l 質脆、表面硬度低。
l 流動性中等，溢邊值0.03mm左右
，易發(fā)生填充不良、縮孔、凹痕、
熔接痕等缺陷。
l 宜取高壓注射，在不出現(xiàn)缺陷的條件下宜取高料溫、模溫，可增加流動性，降低內應力、方向性，改善透明度及強度。
l 模具澆注系統(tǒng)應對料流阻力小，脫模斜度應大，頂出均勻，表面粗糙度應好，注意排氣。
l 質透明，要注意防止出現(xiàn)氣泡、銀絲、熔接痕及滯料分解、混入雜質。
2、塑件的結構和尺寸精度及表面質量分析
1）塑件的結構分析
該零件的總體形狀為圓形，結構比較簡單。
2）塑件尺寸精度的分析
該零件的重要尺寸，如，30.9±0.09mm的尺寸精度為3級，次重要尺寸3.75±0.07mm的尺寸精度為4級，其它尺寸均無公差要求，一般可采用8級精度。
由以上的分析可見，該零件的尺寸精度屬中等偏上，對應模具相關零件尺寸的加工可保證。從塑件的壁厚上來看，壁厚最大處為4.5mm，最小處為2.25mm，壁厚差為2.25mm，較為均勻。
3）表面質量的分析
該零件的表面要求無凹坑等缺陷外，表面無其它特別的要求，故比較容易實現(xiàn)。
綜上分析可以看出，注射時在工藝參數(shù)控制得較好的情況下，零件的成型要求可以得到保證。
3、塑件的體積重量
計算塑件的重量是為了選用注射機及確定模具型腔數(shù)。
計算得塑件的體積：V＝9132mm3
計算塑件的質量：公式為W＝Vρ
根據(jù)設計手冊查得聚甲基丙烯酸甲酯的密度為ρ＝1.18kg/dm3，故塑件的重量為：
W＝Vρ
＝9132×1.18×10-3
＝10.776g
根據(jù)注射所需的壓力和塑件的重量以及其它情況，可初步選用的注射機為：SZ－60/40型注塑成型機，該注塑機的各參數(shù)如下表所示：
理論注射量/cm3
60
移模行程/mm
180
螺桿直徑/mm
30
最大模具厚度/mm
280
注射壓力/Mp
150
最小模具厚度/mm
160
鎖模力/KN
400
噴嘴球半徑/mm
15
拉桿內間距/mm
295×185
噴嘴口孔徑/mm
φ3.5
4、塑件的注射工藝參數(shù)的確定
根據(jù)情況，聚甲基丙烯酸甲酯的成型工藝參數(shù)可作如下選擇，在試模時可根據(jù)實際情況作適當?shù)恼{整。
注射溫度：包括料筒溫度和噴嘴溫度。
料筒溫度：后段溫度t1選用180℃
中段溫度t2選用200℃
前段溫度t3選用220℃
噴嘴溫度：選用220℃
注射壓力：選用100MP
注射時間：選用20s
保壓時間：選用2s
保壓： 80MP
冷卻時間：選用28s
總周期： 50s
二、型腔數(shù)的確定及澆注系統(tǒng)的設計
1、分型面的選擇
該塑件為旋紐，表面質量無特殊要求，
端部因與人手指接觸因此形成自然圓角，此
零件可采用右圖所示的分型面比較合適。
2、型腔數(shù)的確定
型腔數(shù)的確定有多種方法，本題采用注射機的注射量來確定它的數(shù)目。其公式如下：
n2=(G-C)/V
式中：G——注射機的公稱注射量/cm3
V——單個制品的體積/cm3
C——澆道和澆口的總體積/cm3
生產中每次實際注射量應為公稱注射量G的（0.75－0.45）倍，現(xiàn)取0.6G進行計算。每件制品所需澆注系統(tǒng)的體積為制品體積的（0.2－1）倍，現(xiàn)取C＝0.6V進行計算。
n2=0.6G/1.6V=0.375G/V=(0.375×60)/90132=2.46
由以上的計算可知，可采用一模兩腔的模具結構。
3、確定型腔的排列方式
本塑件在注射時采用一模兩件，即模具需要兩個型腔。綜合考慮澆注系統(tǒng)、模具結構的復雜程度等因素，擬采用下圖所示的型腔排列方式。
4、澆注系統(tǒng)的設計
1）主流道的設計
根據(jù)設計手冊查得SZ－60/40型注射機噴嘴有關尺寸如下：
噴嘴前端孔徑：d0=φ3.5mm
噴嘴前端球面半徑：R0＝15mm
為了使凝料能順利拔出，主流道的小端直徑D應稍大于注射
噴嘴直徑d?！?
D＝d+(0.5－1)mm=φ3.5+1＝φ4.5mm
主流道的半錐角α通常為1°－2°過大的錐角會產生湍流或渦流，卷入空氣，過小的錐角使凝料脫模困難，還會使充模時熔體的流動阻力過大，此處的錐角選用2°。經換算得主流道大端直徑D＝φ8.5mm,為使熔料順利進入分流道，可在主流道出料端設計半徑ｒ＝5mm的圓弧過渡。主流道的長度L一般控制在60mm之內，可取L＝55mm。
2）冷料穴與拉料桿的設計
對于依靠推件板脫模的模具常用球頭拉料桿，當前鋒冷料進入冷料穴后緊包在拉料桿的球頭上，開模時，便可
將凝料從主流道中拉出。球頭拉料桿固定在動模
一側的型芯固定板上，并不隨脫模機構移動，所
以當推件板從型芯上脫出制品時，也將主流道凝
料從球頭拉料桿上硬刮下來。其結構如右圖所示：
3）分流道的設計
分流道在設計時應考慮盡量減小在流道內的壓力損失和盡可能避免熔體溫度的降低，同時還要考慮減小流道的容積。圓形和正方形流道的效率最高，當分型面為平面時一般采用圓形的截面流道，但考慮到加工的方便性，可采用半圓形的流道。
一般分流道直徑在3－10mm范圍內，分流道的截面尺寸可根據(jù)制品所用的塑料品種、重量和壁厚，以及分流道的長度由《中國模具設計大典》第2卷中圖9.2－12所示的經驗曲線來選定，經查取D’
=5.6mm較為合適，分流道長度取L＝20mm從圖9.2－14中查得修正系數(shù)fL=1.02，則分流道直徑經修正后為D＝D’fL=5.6×1.02=5.712，取D＝6mm
4）澆口的設計
根據(jù)澆口的成型要求及型腔的排列方式，選用側澆口較為合適。
側澆口一般開設在模具的分型面上，從制品的邊緣進料，故也稱之為邊緣澆口。側澆口的截面形狀為矩形，其優(yōu)點是截面形狀簡單，易于加工，便于試模后修正。缺點是在制品的外表面留有澆口痕跡，因為該制件無表面質量的特殊要求，又是中小型制品的一模兩腔結構，所以可以采用側澆口。
在側澆口的三個尺寸中，以澆口的深度h最為重要。它控制著澆口內熔體的凝固時間和型腔內熔體的補縮程度。澆口寬度W的大小對熔體的體積流量的直接的影響，澆口長度L在結構強度允許的條件下以短為好，一般選L＝0.5－0.75mm。
確定澆口深度和寬度的經驗公式如下：
h=nt ①
W=nA1/2/30 ②
式中：h——側澆口深度（mm）中小型制品常用h=0.5－2mm，約為制品最大壁厚的1/3－2/3, 取1.5mm
t——制品的壁厚（mm） 3.38mm
n——塑料材料的系數(shù) 查表得 0.8
W——澆口的寬度（mm）
A——型腔的表面積（mm2） 計算得2940mm2
將以上各數(shù)據(jù)代入公式得：h=1.5mm，W=1.5mm, L取0.5mm。計算
后所得的側澆口截面尺寸可用r=6q/(Wh2)≥104s-1作為初步校驗。
制品的體積V＝9.132cm3，設定充模時間為1s，于是：
q=9.132/1=9132mm3/s
r=6q/Wh2=(6×9132)/(1.5×1.52)=1.6×104＞104s-1
所以符合要求。
三、排氣、冷卻系統(tǒng)的設計與計算
1、排氣系統(tǒng)的設計
排氣槽的截面積可用如下公式進行計算：
F＝25m1(273+T1)1/2/tP0 ?、?
式中：F——排氣槽的截面面積（m2）
m1——模具內氣體的質量(kg)
P0——模具內氣體的初始壓力（Mp）取0.1Mp
T1——模具內被壓縮氣體的最終溫度(℃)
t——充模時間(s)
模內氣體質量按常壓常溫20℃的氮氣密度ρ0＝1.16kg/m3計算，有
m1=ρ0V0 ?、?
式中：V0——模具型腔的體積（m3）
應用氣體狀態(tài)方程可求得上式中被壓縮氣體的最終溫度（℃）
T1＝（273+T0）(P1/P)0.1304-273 ②
式中：T0——模具內氣體的初始溫度（℃）
由V＝9132mm3
充模時間t=1s
被壓縮氣體最終排氣壓力為P1＝20MPa
由③式得：T1＝(273+20)(20/0.1)0.1304-273=311.7℃
模具內的氣體質量由②式得：
m1=V0ρ0=9.132×10-6×1.16kg=1.06 ×10-5kg
將數(shù)據(jù)代入①式得：所需排氣槽的截面面積為：
F=[25×1.06×10-5(273+311.7)1/2]/(1×0.1×106)=0.064mm2
查取排氣槽高度h=0.03mm，因此排氣槽的總寬度為：
W’’=F/h=0.064/0.03=2.13mm
為了便于加工和有利于排氣，運用鑲拼式的型芯結構，與整體式型芯相比，鑲拼型芯使加工和熱處理工藝大為簡化。
2）冷卻系統(tǒng)的設計與計算
冷卻系統(tǒng)設計的有關公式：
qV=WQ1/ρc1(θ1-θ2) ①
式中：qV——冷卻水的體積流量(m3/min)
W——單位時間內注入模具中的塑料重量(kg/min)
Q1——單位重量的塑料制品在凝固時所放出的熱量(kJ/kg)
ρ——冷卻水的密度(kg/m3) 0.98×103
c1——冷卻水的比熱容[kJ/(kg.℃)] 4.187
θ1——冷卻水的出口溫度(℃) 25
θ2——冷卻水的入口溫度(℃) 20
Q1可表示為：Q1=[c2(θ3-θ4)+u]
式中：c2——塑料的比熱容[kJ/(kg.℃)] 1.465
Q3——塑料熔體的初始溫度(℃) 200
θ4——塑料制品在推出時的溫度(℃) 60
u——結晶型塑料的熔化質量焓(kJ/kg)
Q1=[c2(θ3-θ4)+u]=1.465(200-60)=205.1kJ/kg
將以上各數(shù)代入①式得：
qV=(0.013×205.1)/[0.98×103×4.187(25-20)]m3/min
=0.13×10-3m3/min
上述計算的設定條件是：模具的平均工作溫度為40℃，用常溫20℃的水作為模具的冷卻介質，其出口溫度為25℃，產量為0.013kg/min。
由體積流量查表可知所需的冷卻水管的直徑非常小，體積流量也很小，故可不設冷卻系統(tǒng)，依靠空冷的方式即可。但為滿足模具在不同溫度條件下的使用，可在適當?shù)奈恢貌贾弥睆絛為8mm的管道來調節(jié)溫度。
四、模具工作零件的設計與計算
凹模的結構采用整體嵌入式，這樣有利于節(jié)省貴重金屬材料。
型芯采用鑲拼式結構，有利于加工和排氣。（如圖所示）
本設計中零件工作尺寸的計算均采用平均尺寸、平均收縮率、平均制造公差和平均磨損量來進行計算，已給出這PMMA的成型收縮率為0.005，模具的制造公差取z=Δ/3。
型腔型芯工作尺寸的計算
類別
塑件尺寸
計算公式
模具尺寸
型
腔
計
算
型腔板
φ35.250-1.0
Lm=(Ls+Ls.Scp%-3/4Δ)0+δz
φ34.6800.33
R7.5±0.64
R7.0600.21
19.20±0.44
Hm=(Hs+Hs.Scp%-2/3Δ)0+δz
18.7100.15
推件板
φ30.9±0.09
Lm=(Ls+Ls.Scp%-3/4Δ)0+δz
φ30.8800.06
型
芯
計
算
主型芯
φ26.2500.96
Lm=(Ls+Ls.Scp%+3/4Δ)0-δz
27.100-0.32
R2.25±0.24
R2.620-0.16
17.25±0.48
Hm=(Hs+Hs.Scp%+2/3Δ)0-δz
17.980-0.32
小型芯
φ3.75±0.07
Lm=(Ls+Ls.Scp%+3/4Δ)0-δz
φ3.870-0.05
7.5±0.32
Hm=(Hs+Hs.Scp%+2/3Δ)0-δz
8.050-0.11
2、型腔側壁厚度和底板厚度的計算
1）型腔側壁厚度的計算
根據(jù)圓形整體式型腔的側壁厚度計算公式：
S≥0.90[Pr4/E(δ)]1/3 ①
式中：S——側壁厚度(mm)
P——型腔壓力(Mpa) 40
r——型腔半徑(mm) 17.625
E——模具材料的彈性模量(MPa) 2.1×105
[δ]——剛度條件，即允許變形量(mm) 0.05
將以上各數(shù)代入式得：
S≥1.15[(40×19.84)/(2.1×105×0.05)]1/3
=9.62mm
2）底板厚度的計算公式如下：
hs≥0.56(Ph4/E[δ])1/3
將各參數(shù)代入式中得：hs≥4.68mm
型腔的厚度h腔hc+h=4.68+19.8=24.48mm
S可取10mms腔取32mm
根據(jù)計算，型腔側壁厚度應大于9.62mm，而型腔的直徑為35－25mm。根據(jù)澆注系統(tǒng)的條件及制件的大小，初選標準模架，依據(jù)《塑料注射模中小型模架及技術條件》(GB/T12556-90)，根據(jù)模板的參數(shù)確定導柱、導套、墊塊等的有關尺寸。
五、脫模機構的設計與計算
1、脫模力的計算
此模具采用推件板脫模，因該制件的，屬厚壁制品，厚壁制品脫模力受到材料向壁厚中性層冷卻收縮的影響，可用彈性力學的有關厚壁圓筒的理論進行分析計算，公式如下：
Qc=[1.25kfcaE(Tf-Tj)Ac]/{[(dk+2t)2+dk2]/[(dk+2t)2-dk2]}
式中，對于圓筒制品中：
k——脫模斜度系數(shù)
k=(fcCosβ-Sinβ)/fc(1+fcSinβCosβ)=0.92
fc——脫模系數(shù)，即在脫模溫度下制品與型芯表面之間的靜摩擦系數(shù)，它受高分子熔體經高壓在鋼表面固化中粘附的影響。 0.50
α——塑料的線膨脹系數(shù)（1/℃） 查表得：6×10-5
μ——塑料的泊松比 0.40
E——在脫模溫度下塑料的抗拉彈性模量（MPa） 3.16×103
Tf——軟化溫度(℃) 100
Tσ——脫模頂出時制品的溫度（℃） 60
Ac——制品包緊在型芯上的有效面積（mm2） 1422.55
t——制品的厚度（mm） 3.38
將以上各數(shù)據(jù)代入公式得：
Qc=1372.45N
2）推板的厚度
筒形或圓形制品采用推件板脫模，推件板的受力狀態(tài)可簡化為圓環(huán)形平板周界受集中載荷的力學模型，最大撓度產生在板的中心。按剛度條件和強度條件的計算公式如下，取大者為依據(jù)。
按剛度條件：h=(C2QeR2/Eδp)1/3 ①
按強度條件：h=(K2Qe/σp)1/2 ?、?
式中：h——推件板的厚度(mm)
C2——隨R/r值變化的系數(shù) 0.3500
R——推桿作用在推件板上的幾何半徑(mm) 61
r——推件板圓形內孔或型芯半徑(mm) 13.125
Qe——脫模力(N) 1372.45
E——推桿材料的彈性模量(MPa) 2.1×105
K2——隨R/r值變化的系數(shù) 1.745
σp——推件板材料的許用應力(MPa) 610
δp——推件板中心允許變形量(mm)，通常取制品尺寸公差的1/5－1/10，
即δp=(1/5－1/10)Δi 0.088
其中Δi——制品在被推出方向上的尺寸公差(mm) 0.88
將上述各數(shù)據(jù)代入①式得：h=1.69mm
將上述各數(shù)據(jù)代入②式得：h=1.98mm
所以推件板的厚度可?。?6mm
3、頂桿直徑的計算
推桿推頂推件板時應有足夠的穩(wěn)定性，其受力狀態(tài)可簡化為一端固定、一端鉸支的壓桿穩(wěn)定性模型，根據(jù)壓桿穩(wěn)定公式推導推桿直徑計算式為：
d=K(l2Qe/nE)1/4 ①
推桿直徑確定后，還應用下式進行強度校核：
σc=4Qe/nπd2≤σs ?、?
式中：d——推桿直徑(mm)
K——安全系數(shù)，通常取K=1.5－2 2
l——推桿的長度(mm) 102
Qe——脫模力(N) 1372.45
E——推桿材料的彈性模量(MPa) 2.1×105
n——推桿根數(shù) 4
σc——推桿所受的壓應力(MPa)
σs——推桿材料的屈服點(MPa) 360
將以上各數(shù)據(jù)代入①式得：
d=4.06mm 圓整取5mm
將以上各數(shù)據(jù)代入②式進行校核：
σc=4Qe/nπd2=17.47 MPa≤σs=360 MPa
所以此推桿符合要求。
六、注射機與模具各參數(shù)的校核
1、工藝參數(shù)的校核
1）注射量的校核（按體積）
Vmax=αV ①
式中：Vmax——模具型腔流道的最大容積(cm3)
V——指定型號與規(guī)格注射機的注射量容積(cm3)
ρ——塑料的固態(tài)密度(g/cm3)
α——注射系數(shù)取0.75－0.85，無定形料可取0.85，結晶形可取0.75。
將以上各數(shù)代入①式得：Vmax=αV ＝0.85×60＝51cm3
倘若實際注射量過小，注射機的塑化能力得不到發(fā)揮，塑料在料筒中停留的時間會過長。所以最小注射量容積Vmin＝0.25V。
Vmin＝0.25V=0.25×60=15cm3
實際注射量V’=2V0+2×0.6V0=2×9.132+2×0.6×9.132=29cm3
即Vmin ＜V’＜Vmax
所以符合要求。
2）鎖模力的校核
公式：F≥KAPm
式中F——注射機的額定鎖模力(kN) 400
A——制品和流道在分型面上的投影和(cm3)
Pm——型腔的平均計算壓力(MPa) 由表9.9-4 取30
K——安全系數(shù)，通常取K＝1.1－1.2 1.2
則：KAPm＝1.2×2[π(35.25/2)2+20×6]×30
=78.905kN＜400kN=F
所以符合要求。
3）最大注射壓和的校核
Pmax≥K’P0
式中：Pmax——注射機的額定注射壓力(MPa) 150
P0——成型時所需的注射壓力(MPa) 100
K’ ——安全系數(shù)，常取K=1.25－1.4 取1.3
則K’P0=1.3×100=130 MPa＜Pmax150 MPa
所以符合要求。
2、安裝參數(shù)的校核
模具各模板的厚度分別為：
H1——上模座 30mm H2——型腔板 32mm
H3——脫件板 16mm H4——型芯板 25mm
H5——型芯固定板 32mm H6——墊塊 63mm
H7——下模座 30mm
模具的閉合高度H=H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7=228mm
所允許的最小模具厚度Hmin=160mm
所允許的最大模具厚度Hmax=280mm
即模具滿足Hmin≤228mm≤Hmax的安裝條件。
經查資料SZ-60/40型注射機的最大開模行程S=180mm
S≥H1+ H2+(5－10)mm
=17.5+20+10
=47.5mm
滿足要求
所以注射機的開模行程足夠，由以上的驗證可知，型注射機能滿足使用要求，故可采用。
七、參考文獻
1、《塑料注塑模結構與設計》 主編：楊占堯 2003.8
2、《實用注塑模設計手冊》 主編：程志遠 2000.4
3、《塑料模具手冊》 主編：閻亞林 2004.8
4、《公差配合與測量技術》 主編：黃云清 2003.7
5、《中國模具設計大典》
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