插座底板注塑模具設計與CAE分析（桂理工）,插座,底板,注塑,模具設計,cae,分析,理工 學號：3110644204 題目類型：設計 (設計、論文、報告) 桂林理工大學 GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 本科畢業(yè)設計(論文) 題目： 插座底板注塑模具設計與CAE分析 學 院： 機械與控制工程學院 專業(yè)(方向)： 機械設計制造及其自動化（模具） 班 級： 機械11-2班 學 生： 蘇勇孫 指導教師： 楊 輝 2015年 5 月 30 日 桂林理工大學本科畢業(yè)設計·論文 摘要 近年來隨著我國工業(yè)的迅猛發(fā)展，塑料制品在計算機、電子通信、醫(yī)療器械、家電、汽車等領域的應用范圍越來越廣，因此對注塑模的要求也越來越高。而長期以來，我國的注塑模設計主要依靠經驗來修改設計方案以尋求優(yōu)化解決方案。這樣就導致了模具加工制造周期長、生產成本高，而且難以保證產品的質量。利用注塑成型 CAE 技術可以在設計階段對產品設計和模具設計的方案進行評價，分析出產品可能產生的缺陷，從而優(yōu)化設計方案，縮短成型周期、降低生產成本。本文以插座底板為研究對象，利用UG軟件進行注塑模的輔助設計，然后利用Moldflow軟件對注塑成型過程進行模流分析。通過充填、冷卻及翹曲模擬分析得到最佳的模具溫度、熔體溫度、注塑時間等成型工藝參數以及發(fā)現注塑成型過程中的各種缺陷，從而優(yōu)化設計方案以獲得較優(yōu)的模具設計。 關鍵詞： 插座底板；注塑模；模流分析；優(yōu)化設計  Design and CAE analysis of the Injection Mold for Socket Plate Student：SU Yong-sun Teacher：YANG Hui Abstract: In recent years, with the rapid development of China's industry, plastics in computers, electronic communications, medical equipment, home appliances, automotive and other fields increasingly wide range of applications, so the injection molding requirements are also increasing. And for a long time, China's injection mold design mainly relies on experience to modify the design in order to seek to optimize solutions. This led to the mold manufacturing cycle is long, high production costs, but it is difficult to ensure product quality. By injection molding CAE technology in the design stage of the product design and die design programs to evaluate, analyze defects in the product may cause to optimize the design, reduce cycle time, reduce production costs. Paper receptacle plate for the study, the application UG software, mold injection mold design, then use Moldflow software for the injection molding process for mold flow analysis. Obtained by filling, cooling and warpage simulation optimal mold temperature, melt temperature, injection molding process parameters of time and the discovery of various defects in the injection molding process to optimize the design to achieve optimum mold design. Key words：socket plate；injection molding；moldflow analysis；optimum design II 目次 摘要 I Abstract. II 1 緒論 1 2 注塑工藝分析及成型方法簡介 2 2．1塑件 2 2．2塑料的種類及選用 3 2．2．1 ABS 3 2．2．2 聚碳酸酯（PC） 4 2．2．3 PC/ABS 4 2．3 生產批量要求 5 2．4 塑件的成型要求 5 2．5 塑件的結構及成型工藝分析 5 2．6 注射機的初步選擇 5 3 模具設計 7 3．1 分型面的確定 7 3．2 澆注系統(tǒng)的設計 8 3．2．1 主流道的設計 8 3．2．2 冷料穴和拉料桿的設計 11 3．2．3 分流道的設計 11 3．2．4 澆口的設計 12 3．3 成型零件的設計 13 3．3．1 成型零件工作尺寸的計算 13 3．3．2 成型零件的結構設計 15 3．4 脫模機構的設計 16 3．4．1 脫模力的計算 17 3．4．2 脫模機構的選擇 17 3．5 冷卻系統(tǒng)的設計 17 3．6 排氣系統(tǒng)的設計 17 3．7 標準模架的選擇 18 3．8 校核計算 18 3．8．1 推桿強度的校核 18 3．8．2 模具與注塑機的部分相關尺寸校核 18 4 塑件的模流分析 21 4．1 Autodesk Moldflow軟件介紹 21 4．2 塑件模型的導入與網格劃分 21 4．3 澆口位置分析 23 4．4 成型窗口分析 25 4．4．1 質量（成型窗口）XY圖 25 4．4．1 區(qū)域（成型窗口）2D幻燈片圖 26 4．5 充填分析 27 4．5．1 充填時間 27 4．5．2 速度/壓力切換時的壓力 28 4．5．3 流動前沿溫度 29 4．5．4 總體溫度 30 4．5．5 氣穴的分布 30 4．5．6 熔接痕的分布 31 4．6 冷卻分析 31 4．6．1 回路冷卻液溫度 32 4．6．2 回路管壁溫度 32 4．6．3 零件的最高溫度 33 4．6．4 模具溫度 33 4．6．5 優(yōu)化后的回路冷卻液溫度 34 4．6．6 優(yōu)化后的回路管壁溫度 35 4．6．7 優(yōu)化后的模具溫度 36 4．7 翹曲分析 36 4．7．1 所有因素的翹曲變形 36 4．7．2 冷卻不均引起的翹曲變形 39 4．7．3 收縮不均引起的翹曲變形 39 4．7．4 取向不一致引起的翹曲變形 40 4．7．5 角效應引起的翹曲變形 40 5 結論 42 致謝 43 參考文獻 44 1 緒論 模具，被人們稱為“工業(yè)之母”，是工業(yè)生中用來成型制品的工具，生產中75%的粗加工零件和50%的精加工零件是通過模具來成型，絕大部分的塑料制品也是由模具成型。作為國民經濟的基礎行業(yè)，模具涉及輕工、化工、冶金、機械、汽車、電子、建材等各個行業(yè)，應用范圍十分廣泛。 近年來，隨著我國經濟的快速增長，我國的模具行業(yè)也迅速發(fā)展，特別是在塑料模具方面。根據中國報告大廳網相關數據顯示，我國塑料模具在整個模具行業(yè)中所占的比例約為30%，在模具進出口中的比例達到了50～70%。塑料模具已經形成了一條產業(yè)鏈，從原材料工業(yè)的加工、檢測設備到機械、家電、汽車、電子通信、建筑建材等幾大應用產業(yè)，塑料模具的發(fā)展顯示出一片生機。但在料制品廣泛應用的同時人們對各種設備和用品輕量化及美觀和手感的要求越來越高，因此對模具的各方面要求也就越高。據預測，在未來的模具市場中，我國塑料模具的發(fā)展將快于其它模具，在模具行業(yè)中的比重也將逐步提高。 根據宇博智業(yè)市場研究中心的了解，隨時模具工業(yè)的日益發(fā)達，許多行業(yè)對模具的要求也開始在變，精密模具行業(yè)前景一片廣闊，市場出現了供不應求的狀況。然而我國模具行業(yè)生產的高、中、低端模具的比例極不平衡，這非常不利于我國模具行業(yè)的發(fā)展。在塑料模方面，由于塑料零配件形狀復雜、設計靈活，對模具材料、設計水平及加工設備均有較高要求，并不是人人都可以輕易涉足的。我們應當意識到，目前我國與國外技術水平相比還存在較大差距，主要表現為以下六個方面： 1、整體的發(fā)展不平衡，產品質量水平較低；2、工藝裝備落后，組織協(xié)調能力差；3、企業(yè)的創(chuàng)造開發(fā)能力弱；4、管理落后更甚于技術落后；5、中高檔產品方面市場需求旺盛，生產發(fā)展難以跟上；6、體制和人才的問題亟需解決。 在模具的發(fā)展方向上，有專家指出，我國模具行業(yè)今后除了要繼續(xù)提高生產能力，更要著重于內部結構的調整和專業(yè)技術水平的提高。主要是企業(yè)結構向專業(yè)化調整，產品結構向中高端模具發(fā)展，向自動化、標準化、多功能復合模和復合加工、激光加工、高速切削、超精加工和信息化等方向發(fā)展。展望未來，由于國際、國內總體環(huán)境良好，國內塑料模具各主要用戶行業(yè)仍將持續(xù)以較快速度發(fā)展，塑料模具也必將持續(xù)高速發(fā)展。目前存在的主要問題通過國內外的交流與合作以及全行業(yè)的共同努力，這些問題一定會得到很好的解決。 基于上述，本次課題研究的目的在于利用UG等軟件輔助設計，以及Moldflow軟件進行輔助分析以優(yōu)化設計方案，得到最優(yōu)的結果，從而降低模具的設計制造成本。 2 注塑工藝分析及成型方法簡介 2．1塑件 塑件的三維模型如圖2-1所示；二維圖及具體尺寸如圖2-2和圖2-3所示。 圖2-1塑件三維模型 圖2-2塑件三視圖 圖2-3塑件仰視圖 塑件的最大長度為170mm，最大寬度為64mm，最大高度為13mm，壁厚為1.5mm。 2．2塑料的種類及選用 本次設計初選ABS、聚碳酸酯（PC）、PC/ABS（聚碳酸酯和丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物的混合物）三種材料，下面將這幾種材料的特性作對比。 2．2．1 ABS ABS是丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物?？梢钥醋魇荘B（聚丁二烯）、BS（丁苯橡膠）、PBA（丁腈橡膠）分散于AS（丙烯腈—苯乙烯的共聚物）或PS（聚苯乙烯）中的一種多組分聚合物。三種組分的作用： A（丙烯腈）——占20%～30%，使塑件表面具有較高的硬度，提高塑件的耐熱性、耐磨性。 B（丁二烯）——占25%～30%，提高柔順性，保持材料的彈性及耐沖擊強度。 S（苯乙烯）——占40%～50%，保持塑料良好的流動性、著色性、高光潔度及塑件的剛性。 1）化學和物理性質：ABS三種單體的比率及兩相中的分子結構決定了它的特性。這使產品在設計上具有很大的靈活性，并且由此產生了上百種不同品質的ABS材料。 ABS的收縮率在0.4%～0.7%之間，比重在1.02～1.08 g/cm3常用1.05 g/cm3。 ABS材料具有優(yōu)越的綜合性能，如制品的強度、硬度高，剛性及耐沖擊性好，制品表面光澤性、耐磨性好。ABS耐高溫工作溫度可以達到90℃；耐低溫，可以在-40℃下使用。同時耐油，耐酸、堿、鹽。具有一定的化學穩(wěn)定性和良好的介電性能。 ABS的缺點是，耐氣候性差，易老化，不耐有機溶劑。 2）注塑工藝條件: 干燥處理：ABS具有吸濕性，要求在加工之前進行干燥處理。建議干燥條件為80～90℃下最少干燥2小時。 料筒溫度：180～260℃；建議溫度245℃。 模具溫度：40～90℃（模具溫度影響制品的光潔度，溫度低則光潔度較低）。 注射壓力：56～176MPa。 注射速度：中高速度。 2．2．2 聚碳酸酯（PC） 1）化學和物理性質：PC材料剛硬而帶韌性，抗沖擊強度高，熱穩(wěn)定性及光澤度好，塑件的尺寸穩(wěn)定性好，精度高。PC的收縮率為0.5%～0.7%，比重為1.20 g/cm3。 PC具有非常突出的優(yōu)點：耐沖擊性非常好，機械強度高，彈性模量高，受溫度影響小，抗蠕變性突出；耐熱性、耐氣候性好；透光性、著色性好；吸水率低，但對水分極敏感，容易產生應力開裂現象；耐氧化劑、還原劑、烯酸等，但不耐堿、酮等有機溶劑。 PC最大缺點是流動性差，注塑過程較困難，其對壓力不敏感，但對溫度很敏感，因此可采用提高成型溫度的方法來提高流動性。PC的耐磨性、耐疲勞強度差，對缺口敏感，容易產生應力開裂，制品表面易出現銀紋。 2）注塑工藝條件： 干燥處理：PC具有吸濕性，在加工前要求干燥處理。建議干燥的條件為100℃～120℃，時間在12小時以上，濕度必須小于0.02% 料筒溫度：270～320℃。PC對壓力不敏感，但對溫度很敏感，因此適當提高料筒后段溫度有利于塑化。 模具溫度：80～120℃。適當提高模具溫度可以減少模具溫度和塑料熔體溫度的溫差，從而降低制品的內應力。但溫度過高會容易粘模，且使成型周期加長。 注射壓力：PC流動性差，需用高壓注射（138～200MPa），但要考慮殘留的內應力可能導致制品開裂。 注射速度：壁薄采用高速注射，壁厚用中速注射。 必要時可進行內應力退火：烘爐溫度為125～135℃，時間2小時，自然冷卻到常溫。 2．2．3 PC/ABS（聚碳酸酯和丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物的混合物） 1）化學和物理性質：PC/ABS具有PC和ABS兩者的綜合特性，例如PC優(yōu)良的力學性和熱穩(wěn)定性及ABS的易加工性，同時還具有優(yōu)良的流動性。兩者的比率會影響PC/ABS材料的熱穩(wěn)定性。PC/ABS的收縮率在0.4%～0.6%之間，比重在1.10～1.15 g/cm3之間。 2）注射工藝條件 干燥處理：加工前必須進行干燥處理，濕度應小于0.04%，建議干燥條件為90～110℃，2～4小時。 料筒溫度：230～300℃。 模具溫度：50～100℃。 注射壓力：100～200MPa。 注射速度：高速注射。 綜合考慮上述材料的化學物理特性和注射工藝條件，選擇材料為PC/ABS（聚碳酸酯和丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物的混合物）。 2．3 生產批量要求 該塑件為大批量，自動化生產，因此要求模具有較高的注塑效率，澆注系統(tǒng)要能自動脫模，可以采用潛伏式澆口自動脫模結構，型腔分布采用一模兩腔，從而提高生產效率，降低生產成本。 2．4 塑件的成型要求 該產品用于電源插座上，要求具有較強的絕緣性。塑件表面要求光滑，不能出現飛邊、氣泡、裂紋、劃痕等缺陷。 2．5 塑件的結構及成型工藝分析 1）從圖紙上分析，該塑件外形為四方殼，壁厚較均勻，為1.5mm，符合最小壁厚要求。 2）該塑件無側孔和內凸或內凹，不需考慮側向抽芯機構。 3）為使塑件順利脫模，可以增設拔模角度1°～2°。 4）塑件尺寸精度等級采用未標注公差的尺寸MT5級。 綜上所述，該塑件可以采用注射成型加工。 2．6 注射機的初步選擇 根據塑件樣品使用UG軟件創(chuàng)建插座外殼的三維數據模型（圖2-1），利用軟件自動計算出塑件的體積。根據UG軟件計算出的塑件體積為22.447cm3，查閱相關手冊，取PC/ABS的密度為ρ=1.12g/cm3，則塑件的質量為m=ρv=1.12×22.447≈25.14g。 已知該產品是大批量生產，從經濟性及模具尺寸大小考慮，同時兼顧生產效率，決定采用一模兩腔。型腔分布采用對稱布置，這樣有利于澆注系統(tǒng)的排列和模具的平衡。這樣兩個塑件的體積大約為44.894cm3。 初步估算澆注系統(tǒng)凝料的體積，按塑件體積的0.6倍計算，則澆注系統(tǒng)凝料體積約為26.94 cm3。則V總=44.894+26.94=71.834 cm3，根據注射機實際注射量最好為理論注射量的60%～80%，初步選擇注塑機的型號為SZ-100/80，其主要參數見表2-1。 表2-1 SZ-100/80注塑機主要技術參數 理論注塑量 100cm3 噴嘴球半徑 10mm 最大模具厚度 300mm 注塑壓力 170MPa 拉桿間距 320×320mm 鎖模力 800kN 螺桿直徑 35mm 定位孔直徑 100mm 最小模具厚度 170mm 模板行程 305mm 塑化能力 40kg/h 注射速率 95g/s  3 模具設計 3．1 分型面的確定 分型面是模具動、定模兩部分的分界面，是型腔設計的第一步。在塑件設計階段就要考慮成型時分型面的形狀和位置，否則無法用模具成型。分型面受塑件的外觀、形狀、尺寸精度、型腔數目、排氣槽和澆口位置等因素的影響。因此，分型面的選擇是注塑模具設計中的一個關鍵因素。 分型面的選擇原則如下： 1）分型面應位于塑件截面尺寸最大的部位。這是第一原則，否則塑件無法從型腔中順利脫出。 2）分型面的選擇應盡可能使開模后塑件留在動模一側，有利于自動化生產。 3）有利于保證塑件的尺寸精度。 4）有利于保證塑件的外觀質量。 5）滿足塑件的使用要求。 6）選擇分型面時，應將分型或抽芯距離較長、投影面積較大的一邊放在動、定模的開模方向上。 7）盡量把分型面設計在熔體流動方向的末端，便于排氣。 8）盡量避免形成側孔、側凹或側凸，以利于簡化模具結構。 該塑件在設計時已充分考慮了上述原則，同時從塑件圖紙上可以看出該塑件的形狀、結構較簡單不需要側向抽芯分型。 綜合以上因素的考慮，該塑件選擇的分型面如圖3-1所示。 圖3-1 塑件分型面示意圖 3．2 澆注系統(tǒng)的設計 澆注系統(tǒng)是指模具中，從注射機噴嘴開始到型腔入口位置的塑料熔體流動通道，可分為普通澆注系統(tǒng)和熱流道澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)的作用是讓塑料熔體在壓力作用下平穩(wěn)有序地進入型腔，實現型腔充填。澆注系統(tǒng)的設計是否合理對塑件的外觀、內在性能質量、尺寸精度、模具結構及成型周期等有直接的影響。因此，設計澆注系統(tǒng)時要充分考慮成型過程可能產生的缺陷和填充條件，作具體全面的分析。 澆注系統(tǒng)的設計一般遵循如下基本原則： 1）適應塑料的成型工藝性。 2）流道盡可能短，以減少熱量和壓力的損失，減少塑料的用量，提高生產效率，降低生產成本。 3）流道盡可能采用平衡式布置，以便塑料熔體能平衡地充填塑件各部分或各型腔，使塑件收縮均勻，提高塑件的精度。 4）有利于氣體排出。 5）避免塑件出現各種缺陷。 6）保證塑件的外觀質量。 7）盡可能地提高生產效率，降低成本。 3．2．1 主流道的設計 主流道是指從注射機噴嘴和模具接觸面開始，到分流道為止的熔體的流動通道，形狀一般為圓錐形。主流道的形狀和尺寸會影響塑料熔體的流動速度和填充時間。主流道過大會造成回收凝料過多，冷卻時間加長，熔體熱量損失也會增大，造成成型困難。主流道過小則會增加流動阻力，也不利于成型。因此，主流道的設計應注意以下幾點： 1）為了減少熔體的壓力和熱量損失，減少凝料，降低塑料成本，同時縮短成型周期，主流道越短越好。 2）為了便于主流道凝料順利脫出和熔體的順利流入，主流道一般設計成圓錐形。 3）為了保證主流道與注射機噴嘴之間不產生溢料，主流道口尺寸與注射機噴嘴要有配合要求。 4）為了便于維護和更換，主流道應設計在澆口套內。 5）為了在成型時模具平穩(wěn)、注塑平穩(wěn)，主流道應盡量和模具在一條中心線上。 3．2．1. 1 主流道尺寸 主流道小端直徑 d1=d+（0.5～1）mm=4+（0.5～1）mm=4.5～5mm，取d1=4.5mm。 式中：d——注塑機噴嘴口直徑，mm。 主流道球面半徑 r1=r+（1～2）mm=10+（1～2）mm=11～12mm，取r1=11mm。 式中：r——注塑機噴嘴球半徑，mm。 球面配合高度 h=3～8mm，取h=3mm。 主流道錐角α=2°～5°，取α=3°。 3．2．1. 2 主流道襯套的形式 注塑成型時，主流道小端入口與注塑機噴嘴反復接觸，且主流道受塑料熔體的沖刷嚴重，屬于易損件，對材料要求較嚴格，因此模具主流道部分設計成可拆卸更換的主流道襯套形式即澆口套，以便選用優(yōu)質鋼材進行單獨加工和熱處理，常采用碳素工具鋼（如T8A、T10A等）材料制造，熱處理淬火硬度為53HRC～57HRC。常用的澆口套分為澆口套、定位圈整體式和澆口套與定位圈單獨分開兩種形式，本設計采用后一種形式。由于主流道襯套與定位圈均屬于注射模具的通用件，為了方便更換，在此參照《現代注塑模具設計實用技術手冊》查表GB/T4169.19—2006選取標準澆口套20×80 GB/T4169.19—2006，其規(guī)格尺寸見圖3-2；查表GB/T4169.18—2006選取標準定位圈100 GB/T4169.18—2006，其規(guī)格尺寸見圖3-3。 圖3-2澆口套 圖3-3定位圈 3．2．1. 3 主流道襯套的固定 因為采用的為分開式,所以用定位圈配合固定在模具的面板上。主流道襯套與定模座板間配合采用H7/m6的過渡配合，與定位圈采用H9/f9的間隙配合。具體固定形式如圖3-4。 圖3-4澆口套的固定形式 3．2．2 冷料穴和拉料桿的設計 冷料穴的作用是儲存塑料熔體料流的前端冷料，避免這些冷料進入型腔影響熔體充填速度和成型件的質量。同時冷料穴還起到在開模時將主流道中的冷料拉出附在動模一邊，以便脫模時隨塑件推出模外的作用。 3．2．2. 1 主流道冷料穴 主流道冷料穴開設在主流道對面的動模板上，本設計采用如圖3-5推桿形式的倒錐形冷料穴，有利于實現自動化生產。 圖3-5 倒錐形冷料穴 3．2．2. 2 分流道冷料穴 分流道冷料穴一般設置在分流道末端沿料流方向上，其長度為分流道直徑的1～1.5倍。 3．2．3 分流道的設計 分流道是指主流道末端與澆口之間的一段塑料熔體的流動通道，起作用是改變熔體流動方向，使熔體平穩(wěn)均衡地分布到各個型腔。 分流道的設計要點： 1）在保證塑料熔體能順利充滿型腔的前提下，分流道截面積盡可能小，長度盡量短，轉折處應以圓弧過度。 2）分流道較長時，應在末端開設冷料穴。 3）分流道可單獨開設在定模板或動模板上，也可以同時開設在動、定模板上，合模后形成分流道截面形狀。? 4）分流道與澆口連接處應加工成斜面，并用圓弧過度。 分流道的截面形狀有圓形、梯形、U形、半圓形、正六邊形及矩形等，常用的形狀為圓形、梯形、U形。該塑件為矩形殼體，體積不大，形狀也不復雜，且壁厚均勻，但長度較長，因此考慮采用兩點進料的方式，縮短分流道的長度，有利于塑件的成型和外觀質量的保證。從熔體流動性及壓力和熱量損失方面考慮，采用截面形狀為圓形的分流道，按平衡式對稱布置。分流道的直徑一般在Φ（3～10）mm范圍內。在本設計中，參考相關的手冊，結合塑件的長度和壁厚，選擇分流道直徑Φ=8mm。分流道的內表面要求不是很高，一般取Ra=1.6μm即可，這樣可以在分流道摩擦阻力的作用下使料流外層的流動小些，使分流道的冷卻皮層固定，有利于對熔體塑料的保溫。 3．2．4 澆口的設計 澆口是指分流道和型腔之間的一段細短流道（直接交口除外），是澆注系統(tǒng)中最關鍵的部分，也是澆注系統(tǒng)的最后部分。其作用是使分流道的塑料熔體產生加速，以快速充滿型腔，澆口的設計或選擇是否合理，直接關系到塑件能否完好地注射成型。 在本設計中，該模具屬中小型塑件的多型腔模具，同時，對外觀有要求較高，所以從側澆口和潛伏式澆口中進行選擇。其中，側澆口的截面積小，容易去除澆口，而且形狀簡單，易于加工，并能隨時調整澆口尺寸，易于實現各型腔的澆口平衡，改善注射條件。但注塑壓力損失大，塑件和澆口不能自行分離，殼形零件排氣不良，容易形成熔接痕、縮孔、氣泡等缺陷。潛伏式澆口的位置可選擇在制品的外表面、側表面、端面或背面等，且澆口截面面積小，不會損傷制品外表面。同時潛伏式澆口用兩板式一次開模即可自行切斷澆口凝料，提高了注塑效率，且模具結構較簡單，降低了模具造價。但澆口壓力損失較大，對脆性材料不適用。 綜合以上所述本次設計采用潛伏式澆口，查閱現代注塑模具設計實用技術手冊，選擇如圖3-6所示的拉切式澆口的結構形式，其幾何形狀及參數如圖3-7所示。澆口直徑一般取在Φ0.8～2mm之間，本模具取d=1.5mm。 圖3-6 澆口形式圖 圖3-7 澆口幾何形狀及參數 3．3 成型零件的設計 成型零件是指直接與塑料熔體接觸構成塑件形狀的零件，包括凸模、凹模、成型桿、螺紋型環(huán)和螺紋型芯等，其中凹模是用來成型塑件的外形，凸模是用來成型塑件的內部形狀。因此，成型零件的設計是注塑模具設計最重要的組成部分。 3．3．1 成型零件工作尺寸的計算 成型零件的工作尺寸主要包括：凸、凹模的徑向尺寸和高度（深度）尺寸，以及中心距（位置）尺寸等，設計時要根據塑件的尺寸與精度來確定。而影響塑件尺寸精度的因素有很多，主要包括以下三個方面： 1）模具成型零件的制造誤差。通常模具成型零件的制造公差可取塑件尺寸公差的1/6～1/3。 2）塑件的收縮率變化。由于影響塑件成型后的收縮變化有很多種因素，因此，計算時一般按平均收縮率來確定，即(3-1) 式中：——平均收縮率 ——最大收縮率 ——最小收縮率 3）成型零件磨損。 模具工作尺寸的計算方法一般有兩種：平均值法和極限條件法。前一種方法計算比較方便，但不適用于精密塑件的模具設計；后一種計算較復雜，但能保證塑件的公差在規(guī)定范圍內。 結合本設計的塑件，不是屬于精密塑件，因此采用平均值法計算。PC/ABS的收縮率在0.4%～0.6%之間，因此按平均收縮率0.5%計算，塑件的精度等級為MT5, 模具成型零件的制造公差取塑件尺寸公差的1/4。成型零件尺寸的計算如表3-1所示。 表3-1成型零件尺寸的計算 尺寸類別 計算公式 塑件標注尺寸 塑件尺寸公差（按MT5級精度） 成型零件 工作尺寸 徑向尺寸 凹模徑向尺寸 ：凹模徑向尺寸（mm） ：塑料平均收縮率（%） :塑件徑向公稱尺寸（mm） x：隨塑件精度和尺寸的變化而變化，一般在0.5～0.8之間取，中小件取3/4。 Δ：塑件公差值（mm） ：凹模制造偏差（mm） 160.0 64.0 62.6 1.2 24.0 2.0 Φ5.0 Φ7.0 R1.5 R0.5 R3.5 R2.5 R7.0 R8.0 R5.0 型芯徑向尺寸 ：型芯徑向尺寸（mm） ：塑料平均收縮率（%） ：塑件徑向公稱尺寸（mm） x：一般在0.5～0.8之間取，一般中小件取3/4。 Δ：塑件公差值（mm） ：型芯制造偏差（mm） 157.0 61.0 3.5 7.5 Φ2.5 Φ3.0 Φ5.0 R4.0 R6.5 軸向尺寸 凹模深度尺寸 ：凹模深度尺寸（mm） ：塑件高度公稱尺寸（mm） x：隨塑件精度和尺寸的變化而變化，一般在0.5～0.7之間取，中小件取2/3。 其余符合意義同上。 13.0 1.8 6.0 5.0 10.0 8.0 3.0 型芯高度尺寸 ：型芯高度尺寸（mm） ：塑件孔深度公稱尺寸（mm） 其余符合意義同上。 11.5 4.0 5.5 10.0 3.5 11.0 中心距尺寸 ：模具中心距尺寸（mm） ：塑件中心距尺寸（mm） 其余符合意義同上。 50.0 50.0±0.32 50.25±0.08 146.0 146.0±0.72 146.73±0.18 48.0 48.0±0.32 48.24±0.08 41.0 41.0±0.32 41.21±0.08 32.0 32.0±0.28 32.16±0.07 25.0 25.0±0.25 25.13±0.06 3.5 3.5±0.12 3.52±0.03 6.7 6.7±0.14 6.73±0.04 12.0 12.0±0.16 12.06±0.04 5.8 5.8±0.12 5.83±0.03 4.0 4.0±0.12 4.02±0.03 3．3．2 成型零件的結構設計 由于凸、凹模直接與高溫、高壓的塑料熔體接觸，并且脫模時反復與塑件摩擦，因此，要求凸、凹模具有足夠的剛度、強度、耐磨性、耐腐蝕性和較低的表面粗糙度（一般要求在Ra0.4μm以下）以及足夠的硬度（一般通過熱處理使其硬度達到40HRC以上）。 3．3．2.1 凹模的結構設計 1）凹模的結構形式 凹模是成型塑件外表面的主要零件，其結構形式有多種，主要有：整體式、整體嵌入式、局部鑲嵌式、組合式等。其中，整體式強度高、不易變形，但加工較困難，熱處理變形大且浪費貴重材料，只適用于于小批量生產，小型且形狀簡單的塑件；整體嵌入式采用H7/m6的過渡配合嵌入模板中，這種形式加工拆裝方便，熱處理變形小，且便于更換和維修，多用于多型腔模。結合本設計的塑件，塑件不大，形狀不太復雜，大批量生產,采用一模兩腔，因此凹模采用整體嵌入式。 2）凹模壁厚和底板厚度計算 凹模應具有足夠的強度和剛度來承受在成型過程中塑料熔體的高壓作用。如果凹模側壁和底板厚度過小，可能因剛度不足導致型腔擴大而發(fā)生翹曲變形，導致溢料飛邊，使塑件尺寸精度降低并影響脫模；也可能因強度不夠而產生塑性變形甚至損壞。對于小尺寸的型腔，主要矛盾是強度不足，因此凹模應滿足相應的強度條件。在此按強度條件來計算凹模的壁厚和底板厚度。 按強度計算的整體式矩形凹模壁厚計算公式：當＜0.41時， (3-2) 式中：S：凹模壁厚（mm） h：凹模深度（mm） p：模具型腔內最大的熔體壓力（MPa），由型腔壓力估算公式確定，一般是30～50MPa。 ：模具強度計算的許用應力（MPa），一般中碳鋼=160MPa，預硬化模具鋼=300MPa。 則凹模壁厚mm，取S=13mm。 按強度計算的整體式矩形凹模底板厚度計算公式：(3-3) 式中：T：凹模底板厚度（mm） b：矩形凹模短邊長度（mm） 其余符號意義同上。 則凹模底板厚度mm，取T=25mm。 3．3．2.2 型芯的結構設計 型芯是用于成型塑件內表面的零件，按結構形式可分為整體式和組合式。在本設計的塑件中需要成型塑件中間的兩個小圓柱孔，為了加工方便以及更換，采用組合式，在大型芯中裝入兩個小圓型芯鑲拼而成。 3．4 脫模機構的設計 脫模機構是指將注塑成型后的塑件和澆注系統(tǒng)凝料從模具中脫出的機構，又稱為頂出機構或推出機構。脫模機構一般由推出、復位和導向三大部件組成。設計脫模機構時，要根據塑件的形狀、復雜程度和注塑機的推出結構形式來確定，一般應遵循以下幾點原則： 1）盡量使塑件留在動模一側，以便借助開模力驅動脫模裝置來完成脫模。 2）保證塑件能夠順利脫出，不變形或不損壞。 3）合模時脫模機構應能正確復位。 4）合理選擇脫模方式，保證塑件可靠脫模。 5）脫模機構盡量簡單，脫模準確、可靠、靈活，且具有足夠的強度和剛度來克服脫模力。 3．4．1 脫模力的計算 脫模力的計算公式 (3-4) 式中：：脫模力（N） A1：塑件包緊型芯的側面積（mm2） A2:型芯端面面積 P：塑件對型芯單位面積上包緊力，一般情況下，模內冷卻的塑件，p值為8～12 MPa；模外冷卻的塑件，p值為24～39 MPa ：塑件與型芯之間的摩擦系數（塑料與鋼的摩擦系數約為0.1～0.3） α：脫模斜度（1～2°） 則KN 故兩腔的脫模力為2=13.2 KN。 3．4．2 脫模機構的選擇 根據塑件的形狀及復雜程度，本模具采用簡單的一次脫模機構。參照《現代注塑模具設計實用技術手冊》查表GB/T 4169.1-2006選用標準推桿5×80 GB/T 4169.1-2006；復位時選擇復位桿復位，查表GB/T 4169.13-2006選用標準復位桿10×100 GB/T 4169.13-2006。 3．5 冷卻系統(tǒng)的設計 冷卻系統(tǒng)的設計原則： 1）盡量使冷卻管道至型腔表面的距離相等。 2）注意水管的密封，避免漏水。 3）澆口處加強冷卻。 4）降低入水與出水的溫度差。 5）在模具結構允許的條件下，冷卻管道的直徑盡量大，回路盡量多。 6）盡量避免接近塑件熔接痕的產生位置。 在本設計的模具中，冷卻管道直徑為Φ8mm。 3．6 排氣系統(tǒng)的設計 由于該模具屬于小型模具，排氣量較小，可利用分型面和頂桿等間隙進行排氣，不需要單獨開設排氣槽。 3．7 標準模架的選擇 根據型腔的數量以及塑件的尺寸，參考《現代注塑模具設計實用技術手冊》查表9-27選擇標準模架A 2740—45×40×80 GB/T 12555—2006，模架采用壓板固定。 3．8 校核計算 3．8．1 推桿強度的校核 在本套模具中每個型腔擬用18根直徑為Φ5mm的推桿， 則，強度校核MPa＜[σ] (3-5) 式中： Q：脫模力（N） σ：推桿所受的應力（MPa） [σ]：推桿材料的許用應力（MPa） 故推桿可以滿足使用要求。 3．8．2 模具與注塑機的部分相關尺寸校核 3．8．2. 1最大注射量的校核 (3-6) 式中： n：型腔數目 V1：單個塑件的體積（cm3） V2：澆注系統(tǒng)凝料的塑料體積（cm3） V：注塑機最大注射量（cm3） K：注射機最大注射量的利用系數，可取0.7～0.9。 則，2×22.447+26.94=71.834 cm3＜0.9×100=90 cm3 3．8．2. 2鎖模力的校核 P腔A分≤F鎖 (3-7) 式中： P腔：型腔內塑料熔體的平均壓力，通常取20～40 MPa A分：塑件和澆注系統(tǒng)在模具分型面上的總投影面積（mm2） F鎖：注塑機的額定鎖模力（N） 則，30×21130=633900 N＜800000 N 3．8．2. 3模具的厚度和外形尺寸校核 Hmin≤Hm≤Hmax (3-8) 式中： Hm：模具厚度（mm） Hmin：注塑機允許的模具最小厚度（mm） Hmax：注塑機允許的模具最大厚度（mm） Hm=H4+A+B+H2+C+H1=25+45+40+40+80+25=255mm 式中： H4：定模座板厚度（mm） H2：支撐板厚度（mm） H1：動模座板厚度（mm） A：定模扳厚度（mm） B：動模板厚度（mm） C：墊塊高度（mm） 則，170mm＜255mm＜300mm 拉桿間距為320mm×320mm小于模架的長和寬320mm×400mm,不符合要求。 3．8．2. 4開模行程的校核 S≥H1+H2+（5～10）mm (3-9) 式中： H1：塑件脫模距離，一般為型芯的高度（mm） H2：包括澆注系統(tǒng)在內的塑件高度（mm） S：注塑機最大開模行程（mm） 則，80mm ＜9.7+70+（5～10）mm 拉桿間距和開模行程均不符合要求，因此需重新選擇注塑機。重新選擇注塑機的型號為SZ-160/100，其主要參數見表3。 表3-2 SZ-160/100注塑機主要技術參數 理論注塑量 160cm3 噴嘴球半徑 15mm 模具最大厚度 300mm 注塑壓力 150MPa 拉桿間距 345×345mm 鎖模力 1000kN 螺桿直徑 40mm 定位孔直徑 100mm 模具最小厚度 200mm 模板行程 325mm 塑化能力 45kg/h 注射速率 105g/s 重新校核開模行程 100mm＞9.7+70+（5～10）mm 到此校核計算完成，模具的設計工作也完成。  4 塑件的模流分析 4．1 Autodesk Moldflow軟件介紹 Autodesk Moldflow軟件是如今全球塑料注塑成型行業(yè)中使用最廣泛、技術最先進的軟件。它為用戶提供了強大的分析功能、可視化功能和項目管理工具。運用Moldflow軟件可以模擬整個注塑成型過程以及這一過程對成型產品的影響，由此可以優(yōu)化塑件的設計、生產和質量，優(yōu)化模具結構以及注射工藝參數等。 歐特克公司于2009年7月7日推出了最新版本的Autodesk Moldflow 2010軟件包，該軟件包包括了AMI、AMA、MDL和MSA等一系列產品。其中，最常用的是AMI。AMI提供了中性面、雙層面和三維三類網格類型供用戶選擇，其中雙面網格是最常用的。AMI中可進行的分析類型有：澆口位置、成型窗口、快速充填、充填、流動、冷卻、翹曲、收縮、流道平衡、應力和工藝優(yōu)化等。 4．2 塑件模型的導入與網格劃分 Moldflow支持的文件格式有很多種，最常用的有STL和IGS，其中STL應用更為廣泛。STL文件的優(yōu)點是在精度的控制方面比較好，并且不會丟失源文件的特征；缺點是要求對原part文件的點、線、面必須是完好無損的，否則無法導出STL文件。IGS的優(yōu)點是網格的匹配率比STL要高一些；缺點是在原part文件有殘破缺陷的情況下依然可以導出，這會造成一些特征的丟失。因此，選擇由UG導出塑件模型的STL格式，然后再導入Moldflow進行網格劃分。 網格類型選擇雙層面，全局網格邊長為1mm，網格劃分得越細網格的匹配率越高，但在后續(xù)的分析中對計算機的計算能力要求也就越高。劃分網格后進行網格統(tǒng)計，統(tǒng)計情況如圖4-1所示，可以看出網格匹配百分比高達95.4%，但最大縱橫比偏高，可以通過網格修復來降低縱橫比。 圖4-1網格統(tǒng)計 經過網格修復后最大縱橫比降到了6，網格統(tǒng)計情況如圖4-2所示 圖4-2修復后的網格統(tǒng)計 4．3 澆口位置分析 澆口位置模塊能夠自動分析出最佳澆口的位置。最佳的澆口位置可以保證平衡的流動路徑和均勻的壓力分布，合理地選擇澆口的數量與位置可以使注塑壓力和保壓壓力有效傳遞，達到預期的產品成型效果。 本次的澆口位置分析模擬選擇由系統(tǒng)提供的制造商為SABIC Innovative Plastics US，LLC的ABS+PC材料，推薦的工藝如圖4-3所示。將澆口數量設置為2。分析得出的2個最佳澆口位置如圖4-4所示。 圖4-3材料的推薦工藝 圖4-4最佳澆口位置 澆口位置分析出來的澆口位置可以作為澆口位置的參考，但不一定就是模具設計的澆口位置，模具澆口位置的設置要綜合考慮塑件的外觀質量、溶體的流動和模具制造等方面的因素。分析得出的澆口位置在塑件的內表面中心線上，這對于模具的設計及加工制造難度很大，因此將澆口位置偏移到側面采用潛伏式澆口，澆口位置分布如圖4-5所示。 圖4-5澆口位置分布 4．4 成型窗口分析 成型窗口分析的作用是，用于定義能夠生產合格產品的成型工藝條件范圍。在這個范圍內可以生產出質量較好的塑件。通過成型窗口分析可以得到較佳的模具溫度和熔體溫度等一些成型參數值。 通過成型窗口分析得出推薦的模具溫度為98.00℃，推薦的熔體溫度為293.00℃推薦的注射時間為0.4898 s。 成型窗口分析結果如下： 4．4．1 質量（成型窗口）：XY圖 圖4-6質量（成型窗口）XY圖 從圖4-6中可以看出模具溫度為98.00℃，熔體溫度為293.00℃，在注射時間為0.4898 s的時候產品質量的系數達到0.9080，說明產品的質量是最好的。 4．4．1 區(qū)域（成型窗口）：2D幻燈片圖 圖4-7區(qū)域（成型窗口）2D幻燈片圖 從圖4-7中可以看出區(qū)域全部為黃色，說明當前的澆注系統(tǒng)和所選的塑膠材料很難調出質量很好的產品，雖然黃色表示當前所選的工藝可行，產品不會發(fā)生短射，最高注射壓力不會超出機臺的注射壓力，產品可以注塑成型，但產品的質量無法達到最高品質。出現這種情況可以通過不同的方面改進成型的狀態(tài)，比如選用流動性更好的塑膠材料、修改產品的局部特征、加大澆口尺寸和流道尺寸、更換澆口的類型、縮短流道的長度和降低壓降等來保證產品的質量。 4．5 充填分析 充填分析可以對塑料熔體從開始進入型腔到充滿型腔的整個過程進行模擬。根據模擬結果，可以得到塑料熔體在型腔中的充填行為報告，主要是查看產品的充填行為是否合理，充填是否平衡，能否完成對產品的完全填充等，目的是為了獲得最佳的澆注系統(tǒng)設計，也是為了獲得最佳的保壓設置，從而盡可能地降低由保壓引起的產品收縮、翹曲等缺陷。充填分析的結果包括充填時間、壓力、流動前沿溫度、剪切速率、氣穴、熔接痕等。 本次充填分析的模具溫度和熔體溫度采用由成型窗口分析得出的溫度值，其他工藝參數采用默認值。通過充填分析得出充填時間為0.96 s的時候，充填的體積達到98.27%，此時速度與壓力發(fā)生轉換，后面全部由壓力來填充完成。最大的注塑壓力發(fā)生在0.9643 s壓力為40.4MPa，最大的鎖模力為39.32tonne，說明所選的注塑機的壓力和鎖模力是足夠的。推薦的螺桿速度曲線如圖4-8所示，這個對于調節(jié)分段注塑是很有幫助的。 圖4-8螺桿速度曲線 充填分析結果如下： 4．5．1 充填時間如圖4-9 圖4-9充填時間 從圖4-9中可以看出充填時間為1.005 s，通過動態(tài)查看可以看出兩個型腔的充填是平衡的，充填的狀態(tài)是比較好的。 4．5．2 速度/壓力切換時的壓力如圖4-10 圖4-10速度/壓力切換時的壓力 從圖4-10中可以看出速度與壓力切換時的壓力為40.40MPa，灰色區(qū)域表示速度/壓力切換時壓力為0，這些灰色區(qū)域是靠最后的壓力來充填完成的，而有顏色的區(qū)域是靠前面的速度來充填完成。 4．5．3 流動前沿溫度如圖4-11 圖4-11流動前沿溫度 圖4-12 流動前沿溫度是塑料熔體流到模具中每一處的溫度，模型的溫度差一般允許值為20℃。從圖4-11可以看出，塑件的整體都是呈紅色的，表示溫度值是非常好的，塑件的成型還是比較理想的。本次模擬的溫度差很大主要是由于如圖4-12藍色顯示的小區(qū)域處的塑件壁厚非常薄接近于0，塑料熔體流動受到的阻力非常大，因此出現了流動前沿溫度的最小值為塑料熔體的轉變溫度。這種情況可以通過修改塑件的厚度來改善，但是這個小區(qū)域并不影響塑件的整體充填和使用要求。 4．5．4 總體溫度如圖4-13 圖4-13總體溫度 從圖4-13中可以看出塑件整體是呈紅色顯示，說明整個產品的溫度還是比較理想，只是在壁厚較薄的地方需要注意。還要注意一點的是總體溫度的最大值，此溫度值不能太接近或超過塑料的降解溫度，否則塑料就會降解。圖4-13中顯示為299.2℃沒有超過圖4-3中材料的絕對最大熔體溫度333℃。 4．5．5 氣穴的分布如圖4-14 圖4-14氣穴的分布 當材料從各個方向流向同一個節(jié)點時就會形成氣穴，氣穴對網格密度很敏感。圖4-14中粉紅色的小圈點表示氣穴所出現的位置。當氣穴位于分型面時，氣體可以通過分型面的間隙排出；當氣穴不是位于分型面時，可以考慮做鑲件，但盡量不要影響產品的外觀。還可以通過改變澆口位置、塑件的壁厚和注射時間、注射速度等來減少或消除氣穴。 4．5．6 熔接痕的分布如圖4-15 圖4-15熔接痕的分布 熔接痕是由于兩股匯集到一起，或一股料流分開后又合到一起而產生的，熔接痕對網格的密度也是非常敏感，由于網格劃分的原因，有時熔接痕可能顯現在并不存在的地方，或有時真正有熔接痕的地方沒有顯示。從圖4-15中可以看出目前的熔接痕還是有點嚴重。改善熔接痕的方法有很多，可以通過提高熔體的溫度和注射速度以最快的時間進行充填，以及改變注射壓力、保壓壓力，保持排氣通暢或改變澆口數量等。 4．6 冷卻分析 冷卻分析是用于分析塑料熔體在模具內的熱量傳遞情況，主要包括產品和模具的溫度，冷卻的時間等。冷卻階段對產品的質量影響非常大，冷卻的好壞直接影響產品的表面質量、殘余應力和結晶等。冷卻的時間長短決定了產品脫模時的溫度和成型周期的長短。 冷卻分析的目的是判斷產品冷卻效果的優(yōu)劣，進而優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，縮短冷卻時間從而縮短產品的成型周期，提高生產效率，提高塑件成型的質量，降低生產成本。 本次冷卻分析的模具溫度和熔體溫度采用由成型窗口分析得出的溫度值，其他工藝參數采用默認值。 冷卻分析結果如下： 4．6．1 回路冷卻液溫度如圖4-16 圖4-16回路冷卻液溫度 圖4-16中冷卻管道以不同的顏色顯示，表示各段管道中冷卻液的溫度，一般冷卻回路進水口和出水口冷卻液的溫差不超過3℃。從圖4-16中可以看出，本次冷卻模擬分析冷卻液溫差為0.94℃，符合要求。 4．6．2 回路管壁溫度如圖4-17 圖4-17回路管壁溫度 回路管壁溫度顯示了冷卻液和模具的界面的溫度，此最高溫度不能比冷卻液入口溫度高5℃以上。從圖4-17中可以看出，本次模擬的回路管壁最高溫度比冷卻液入口溫度高6.04℃，超過了5℃，表明不太理想，需要加強澆口處的冷卻?？梢钥紤]以下幾種方法去解決： 1）加大冷卻回路管道直徑； 2）增加冷卻液的流動速率； 3）降低冷卻液的溫度。 4．6．3 零件的最高溫度如圖4-18 圖4-18零件的最高溫度 從圖4-18中可以看出頂出時塑件的最高溫度為67.88℃。從圖4-3中可以看出，推薦的頂出溫度為110℃，即在110℃以下頂出是安全的。本塑件頂出的溫度為67.88℃，說明塑件的冷卻效率是比較好的。 4．6．4 模具溫度如圖4-19 圖4-19模具溫度 從圖4-19可以看出模具的溫度整體分布還是比較均勻，大概在35℃左右。通過檢查結果工具分別查看型芯和型腔的溫度，其溫差在3℃左右，溫差不是很大。如果模具型芯和型腔的溫差較大，則可能影響塑件的收縮不均，從而導致塑件翹曲變形。因此，應盡量減小模具型芯和型腔之間的溫差。 通過以上分析，在此重新設計優(yōu)化冷卻系統(tǒng)： 1）將冷卻管道深度由15mm改到20mm； 2）將型腔一側的冷卻液溫度都25℃提高到32℃。 重新設計的冷卻系統(tǒng)如圖4-20。 圖4-20重新設計的冷卻系統(tǒng) 再次進行冷卻分析。 優(yōu)化后的冷卻分析結果如下： 4．6．5 回路冷卻液溫度如圖4-21 圖4-21回路冷卻液溫度 從圖4-21中可以看出型腔回路冷卻液的入口和出口溫差為0.54℃，型芯回路冷卻液的入口和出口溫差為1.36℃，都在3℃以內，符合要求。 4．6．6 回路管壁溫度如圖4-22 圖4-22回路管壁溫度 從圖4-22中可以看出型腔回路管壁溫度最高為36.57℃，和冷卻液入口溫度相差4.57℃，型芯回路管壁溫度最高為