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摩托車尾燈罩注塑模具設計
緒論
塑料成型模具的內(nèi)容及其在塑料成型加工工業(yè)中的地位
對塑料模具的全面要求是:能生產(chǎn)出在尺寸精度,外觀,物理性能等各方面均能夠滿足使用要求的優(yōu)質(zhì)制品.以模具使用的角度,要求高效率,自動化,操作簡便;從模具制造的角度,要求結構合理,制造容易,成本低廉.
注射成型所用的模具叫注射模具.塑料先加在注射機的加熱料筒內(nèi),塑料受熱熔融,在注射機的螺桿或活塞推動下,經(jīng)噴嘴和模具的澆注系統(tǒng)進入模具型腔,塑料在模具型腔內(nèi)硬化定型.注射模具主要用于熱塑性塑料制品的成型,但近年來隨著塑料工業(yè)的發(fā)展,塑料注射模已經(jīng)成為制造塑料制造品的主要手段之一,且發(fā)展前景廣泛.實際上,塑料制品是目標,塑料注射模是實現(xiàn)目標的一種手段,所以不能夠孤立的為模具而只考慮模具,應從系統(tǒng)工程角度出發(fā),把塑料注射模作為塑料注射成型加工系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié),在設計和制造注射模時把整個系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)考慮在內(nèi). 所以,塑料注射模設計與制造涉及的內(nèi)容有:
(1)塑料制品的結構工藝性; (2)塑料的成型工藝特性;
(3)塑料注射機匹配; (4)塑料注射成型工藝及控制;
(5)塑料注射模的設計及模具材料; (6)塑料注射模的制造裝備和制造工藝等.
現(xiàn)代塑料制品生產(chǎn)中,合理的加工工藝,高效的設備,先進的模具是必不可少的三項重要因素,尤其是塑料模具對實現(xiàn)塑料加工工藝要求,塑料制件使用要求和造型設計起著重要作用.高效的全自動的設備也只有裝上能自動化生產(chǎn)的模具才有可能發(fā)揮其效能,產(chǎn)品的生產(chǎn)和更新都是以模具制造和更新為前提.由于工業(yè)塑料和日用塑料制品的品種和產(chǎn)量需求量很大,對塑料模具也提出了越來越高的要求,因此促進塑料模具生產(chǎn)不短向前發(fā)展.
模具及注射模具技術的發(fā)展趨勢
隨著工業(yè)產(chǎn)品的不斷發(fā)展和生產(chǎn)水平的不斷提高,無論從數(shù)量上和質(zhì)量上對模具要求都越來越高,高效率,自動化,大型,微型,精密高壽命的模具在整個模具產(chǎn)量中所占的比越來越大.從模具設計與制造技術角度看,其發(fā)展趨勢可歸納為:
a 加深理論研究 在模具設計中,對工藝原理的研究越來越深入,模具設計已由經(jīng)驗設計階段逐漸向理論計算設計方面發(fā)展,這樣使得塑料制品的產(chǎn)量和質(zhì)量都得到很大的提高.
b 模具CAD/CAM技術進一步發(fā)展 伴隨著計算機技術的發(fā)展,計算機輔助設計和計算機輔助制造已越來越廣泛的采用,從而大大提高了模具生產(chǎn)效率,縮短生產(chǎn)周期.
c 高效率,自動化,大量采用各種高效率,自動化的模具結構,如高效冷卻以縮短成型周期;各種能可靠地自動脫出產(chǎn)品和流道凝料的脫模機構;熱流道澆注系統(tǒng)注射模具等.高速自動化的塑料成型機械配合以先進的模具,對提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,降低成本起了很大的作用.
d 標準化 要使模具技術高速度發(fā)展,國外的經(jīng)驗表明:實現(xiàn)專業(yè)化,標準化生產(chǎn)是關鍵.目前,美國模具專業(yè)化程度已達90%,日本為74%,而我國僅為20%左右.要實現(xiàn)模具專業(yè)化生產(chǎn),前提是要模具標準化.有了模具的各項標準才可能采用專用的先進生產(chǎn)設備和技術,建立專門的機械化和自動化生產(chǎn)線,才可能采用高精度的,專用的質(zhì)量檢測手段,從而實現(xiàn)提高模具質(zhì)量,縮短生產(chǎn)周期,減低制造成本的目標.
e 大型,超小型及高精度 由于塑料應用的擴大,塑料制件已應用到建筑,機械,電子,儀器,儀表等各個領域,于是出現(xiàn)各種大型,精密和高壽命的成型模具,為了滿足這些要求,研制了各種高強度,高硬度,高耐磨性能且易加工,熱變形小，導熱性優(yōu)異的材料.
f 革新模具制造工藝 為了更新產(chǎn)品花色和適應小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)要求,除大力發(fā)展高強度,高耐磨性的材料外,同時又重視簡易制模工藝的研究;減少鉗工等手工操作的工作量,采用了各種仿形機床,光控機床,數(shù)控機床等,縮短了模具制造周期,大大提高了機械加工的比重,而且提高了加工精度.
第一章 模塑工藝規(guī)程的編制
該塑件是一個摩托車上的尾燈罩，其零件圖如圖所示1，塑件的材料采用PS204，生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)。
圖1
1.1塑件的工藝性分析
1.1.1塑件的材料分析。塑件的材料采用PS204，即聚苯乙烯，屬于熱塑性塑料。該塑料具有耐水、耐熱性能好，強度、硬度高，透明度高，其介電性能優(yōu)等特點，從使用的角度來看，是較好的絕緣材料。從成型性能上看，該塑料的吸濕性能小，吸水率的大小為0.01~0.05%，熔料的流動性能較高，所以成型比較容易，其收縮率小，在0.002~0.008之間。另外，此塑料有屬于非結晶性塑料，熔體充填型腔后，由于不發(fā)生相變，模具溫度主要取決于熔料的黏度，然兒PS204（聚苯乙烯）的黏度較低，所以應采用高溫模具進行注塑，但模具的溫度也不能太高或太低，應控制在85度左右，來保證其制件的表面質(zhì)量，冷卻是要快速冷卻，來降低其結晶度，提高制件的透明度。因此，在成型時應注意控制好成型溫度。
1.1.2 塑件的結構和尺寸精度及表面質(zhì)量的分析
a 結構分析。 從零件上分析，該塑件總體上形狀是長方形，在高度為55mm的方向上有一個長方孔，其尺寸為長53mm，寬26mm，所以在模具設計時必須設置側(cè)向抽芯機構，由于塑件的外觀形狀要求，分型面做成階梯形，因此零件屬于中等復雜程度。
b 尺寸精度分析。 由于該制件屬于照明件，對于制件表面要求不是太高，所以根據(jù)聚苯乙烯塑料成型性能上來看，制件的精度等級選為|MT3級（GB/T14486-1993），具體的尺寸如圖所示。
圖2
從塑件的壁厚上來分析看，壁厚均為1.5mm，所以壁厚較均勻，有利于塑件的成型。
c 表面質(zhì)量分析。該塑件的表面除了要求沒有缺陷，毛刺，內(nèi)部不得有導電雜質(zhì)外，沒有特別的表面質(zhì)量要求，故比較容易實現(xiàn)。
綜上分析可以得出結論，注塑時在工藝參數(shù)控制得較好的情況下，塑件的成型要求是可以得到保證的。
計算塑件的體積和質(zhì)量
計算塑件的質(zhì)量是為了選用注塑機及確定模具型腔數(shù)。
計算塑件的體積為V=2530.2mm（過程略），
計算塑件的質(zhì)量 ：根據(jù)表1-1可查得聚笨乙烯的密度為=1.05g/cm，故塑件的質(zhì)量為：
W=V
=2530.21.0510
2.66g
成型制件的塑料模采用一模兩腔的模具的模具結構，如圖所示：
圖3
考慮其外形尺寸，注塑時所需壓力和工廠現(xiàn)有設備等情況下，初步選用注塑機為XS-Z-60型。
注塑工藝參數(shù)的確定如下：
查相關文獻資料和根據(jù)工廠實際情況下，聚苯乙烯的成型工藝參數(shù)可以作如下選擇，而試模時可根據(jù)實際情況作出適當?shù)恼{(diào)整。
注塑溫度：包括料筒溫度和噴嘴溫度。
料筒溫度：后段溫度用260C；
中段溫度用270C；
前段溫度用280C；
噴嘴溫度：選用270C；
注塑壓力：選用100Mpa；
注塑時間：選用30s；
保壓壓力：選用75Mpa；
保壓時間：選用25s；
冷卻時間：選用15s；
第二章 確定模具結構方案
2.1注塑模的結構設計
注塑模的結構設計主要包括：分型面的選擇，模具型腔數(shù)目的確定，型腔的排列方式，冷卻水道的布置，澆口位置的設置，模具工作零件的結構設計，側(cè)向抽芯結構的設計，推出機構的設計等內(nèi)容。
2.1.1分型面的選擇。
在模具設計中，分型面的選擇很關鍵，它決定了模具的結構，所以應根據(jù)分型面的選擇原則和塑件的成型要求來選擇分型面，
該塑件為摩托車后燈罩，表面質(zhì)量要求應較好，不應在塑件的外表面分型，根據(jù)塑件的形狀以及其他相關條件，采用階梯分型面，如圖所示。這樣可以滿足塑件的要求，更使模具簡單化。
確定型腔的排列方式
該塑件在注塑時采用一模兩腔，即模具要有兩個型腔，綜合考慮澆注系統(tǒng)，模具結構的復雜程度等因素，擬采用方式如圖所示的型腔排列方式，
圖4
采用這種排列方式的最大的優(yōu)點是便于設置側(cè)向抽芯機構，制件容易脫出。
2.1.2澆注系統(tǒng)的設計
主流道的設計 ，根據(jù)設計手冊查得XS-Z-60X型注塑機噴嘴的有關尺寸：
噴嘴的前端孔徑：d=4mm；
噴嘴前端球面半徑：r=12mm；
根據(jù)模具主流道與噴嘴的關系：
R=r+（1~2）mm；
D=d+（0.5~1）mm；
取主流道的小端直徑d=4.5mm；
為了便于將凝料從主流道中拉出，將主流道設計成圓錐形，其斜度為1~3，經(jīng)過換算得出主流道大端直徑D=8.5mm，為了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。
2.1.3分流道的設計。
分流道的形狀及尺寸，應根據(jù)塑件的體積、壁厚、形狀的復雜程度，熔料填充型腔的難易程度，根據(jù)型腔的排列方式可知分流道的長度比較短，為了便于加工起見選用截面形狀為半圓形的分流道，查表得R=3mm。
2.1.4澆口的設計。
根據(jù)塑件的成型要求及型腔排列方式，選用側(cè)澆口比較為理想。
設計時應考慮從塑件的底部一側(cè)處進料，料流順暢，型腔由瓣拼而成的，將有利于排氣、冷卻，故采用截面為半圓形的澆口，查表初選尺寸為（blh）1mm0.6mm0.6mm試模時修正。
2.1.5抽芯機構的設計。
此塑件上高度方向的一側(cè)上有一個長方形孔，它與脫模方向垂直，阻礙了成型后塑件從模具中脫出，因此成型此塑件時應采用瓣式凹模；凹模型腔由瓣拼合成，須設置側(cè)向抽芯機構，本模具采用斜銷抽芯機構。
2.1.6確定抽芯距。
由型腔的排列及方式及制件的結構特點，可計算抽芯距H，抽芯距一般應大于成型孔的深度，因為塑件的孔壁厚為1.5mm，另加3~5的抽芯安全系數(shù)可取抽芯距S=4.5mm
2.1.7確定斜銷的傾角。
斜導柱的傾斜角是斜抽芯機構的主要技術數(shù)據(jù)之一，它與抽拔力以及抽芯距有直接的關系。一般取=15~25，所以此模具斜銷傾角取=20。
2.1.8確定斜銷的尺寸。
斜導柱的直徑取決與抽拔力及其傾角度，可按設計資料的有關公式進行計算。
抽拔力的計算，由于側(cè)孔為斷面為矩形，所以用以下公式：
=+
公式中的：Q—抽拔力（N）；
F—型芯的截面積（cm）；
a、 b--型芯截面的兩邊長尺寸；（mm）
k—無因次系數(shù)，僅與脫模和摩擦因數(shù)f有關；
k-- 無因次系數(shù)，僅與脫模和比值有關
l—塑件對型芯的包裝長度（mm）； E—塑料的彈性模量（Mpa）；
--塑料的收縮率（%）；
--塑料的泊桑比；
--型芯單面斜角（）；
及矩形型芯的折算半徑可推出以查表得此燈罩的脫模力 =。
斜銷的長度根據(jù)抽芯距固定端模板的厚度，斜銷的直徑及斜角的大小確定，其計
算圖所示：
圖5
根據(jù)公式；
由于上模座板和上凸固定板尺寸尚不確定即不確定，故暫選。如果該設計中有變化，則就修正l的長度取D=25mm，取l=55mm。
2.1.9滑塊與導滑槽的設計。
滑塊與側(cè)型芯的連接方式設計，在此設計中側(cè)向抽芯機構主要是用于成型零件的側(cè)向孔和側(cè)向凸臺的尺寸較小，考慮到型芯強度和裝配問題，采用組合式結構。型芯與滑塊的連接方式采用鑲嵌方式，其機構如裝配圖所示：
2.1.10滑塊的導滑方式。
為了使模具機構緊湊，降低模具裝配復雜程度，采用整體式滑塊和整體式導向槽的形式如裝配圖所示：
另外為了提高滑塊的導向精度，裝配時可以對導向槽或滑塊采用配磨，配研的裝配方式。
2.1.11滑塊的導滑長度和定位裝置設計。
由于側(cè)向抽芯距較短，故導滑長度只要符合，滑塊在開模時定位要求即可，滑塊的定位裝置采用彈簧與臺階的組合形式如裝配圖所示：
2.2成型零件的結設計。
模具采用一模兩腔的結構形式，由于要求較好的強度和剛度，塑件的體積不大，故凹模采用整體式結構，其結構形式如圖所示：
圖6
根據(jù)分流道和澆口的設計要求，分流道和澆口均設在凹模上。
2.2.1凸模的結構設計。
凸模采用與凹模相結合構成模具的型腔，其凸模和側(cè)型芯的結構形式如圖裝配圖中的件2所示。
第三章 模具設計的有關計算
成型零件工作尺寸計算時均采用平均尺寸，平均收縮率，平均制造公差和平均磨損量來進行計算。
查表1-3得聚苯乙烯的收縮率為S=0.002~0.008，故平均收縮率為，考慮到工廠模具制造的現(xiàn)有條件，模具的制造公差取。
3.1型腔，型芯的工作尺寸計算：
類別
模具
零件
名稱
塑件尺寸
計算公式
型腔或型芯的
工作尺寸
型腔
的
計算
凹模
內(nèi)腔
側(cè)長
方孔
型芯
的
計算
凸
模
3.2型腔的側(cè)壁厚度和底版的厚度計算。
3.2.1凹模型腔側(cè)壁厚度及底版厚度計算：
凹模型腔側(cè)壁厚度計算。由于凹模型腔為組合式矩形型腔，根據(jù)組合式矩形型腔側(cè)壁厚度計算公式進行計算：
公式中： （選定值）；
；
；
；
（初選值）；
。
代入公式計算得，h=2.1mm
考慮到凹模還需安放側(cè)向抽芯機構，故取下凹模的外形尺寸為170mm135mm。
凹模底版厚度計算。根據(jù)組合式型腔底版厚度計算公式進行計算：
公式中的： ；
；
（初選值）；
根據(jù)外形尺寸確定；
（地板料選定為45鋼）；
代入公式得：H=10.9mm；
考慮到模具的整體機構協(xié)調(diào)，取H=95mm。
第四章 模具加熱與冷卻系統(tǒng)的設計
4.1模具加熱與冷卻系統(tǒng)的計算
由于塑件在注塑成型時不要求太高的模具溫度，因而在模具上不設置加熱系統(tǒng)。是否需要冷卻系統(tǒng)可以作如下設計計算：
設定模平均工作溫度為，用的常溫水作為模具的冷卻介質(zhì)，其出口溫度為，產(chǎn)量為（初算每3分鐘1套）1.28kg/h，
求塑件在硬化時每小時釋放出的熱量為，查有關文獻資料得聚苯乙烯的單位熱量為，
求冷卻水的體積流量V：
由體積流量V查表可知所需的冷卻水管直徑為8.5mm。
第五章 模具閉合高度的確定
模具的閉合高度主要是由定模座板,動模座板,推件板,墊板,型芯固定板,型腔固定板等幾塊模板組成,同時，考慮到制件尺寸較大，所以選用355系列的模架，所選用的尺寸如下：[2]
定模座板： 35545025；
動模座板： 35545025；
墊塊： 3556380；(GB/T4169.6-1984)
推件板： 35540010；
固定板： 35540020；
型腔固定板： 35540060；
動模固定板： 35540020；
支承板： 35540015；
因而模具的閉合高度：
H=25+25+80+10+20+60+20+15=255
本模具的外形尺寸為355450255。XS——Z——60型注塑機模板的最大安裝尺寸為532634。故能滿足模具的安裝要求。[1]
由上述計算模具的閉合高度H=255, XS——Z——60型注塑機所允許模具的最小厚度Hmin=165,最大厚度Hmax=406,即模具滿足該安裝條件。
Hmin≤ H ≤Hmax
經(jīng)查資料XS——Z——60型注塑機的最大開模行程S=260,滿足塑件頂出要求。
S≥H1 + H2 +(5～10) ,
=67+60+10
=137
此外,由于側(cè)分型抽芯距較短,不會過大增加開模距離,注塑機的開模行程足夠。
經(jīng)驗證。 XS——Z——60型注塑機能滿足使用要求,所以可以采用。
第六章 注塑機有關參數(shù)的校核
本模具的外行尺寸為400 mm×180 mm×190 mm.XS-Z-60型注塑機模板最大安裝尺寸為650mm× 440 mm,故能滿足模具的安裝要求．
由于上述計算模具的閉合高度H=185mm, XS-Z-60型注塑機所允許模具的最小厚度H=70 mm.最大厚度H=200 mm,即模具滿足的安裝條件.
HHH
經(jīng)查資料XS-Z-60型注塑機的最大開模行程S=180 mm,滿足式頂出塑件的要求.
S H+H+(5~10) mm
=10+12+8
=30 mm
此外,由于側(cè)分型抽芯距較短,不會過大增加開模距離,注塑機的開模行程足夠.
經(jīng)驗證, XS-Z-60型注塑機能滿足使用要求,故可采用.
第七章 繪制模具總裝圖和非標零件工作圖
本模具的總裝圖如圖所示.非標零件圖如圖所示.
本模具的工作原理：開模時，在彈簧12的作用下Ｉ——Ｉ分型面分型，同時斜銷8帶動側(cè)型芯滑快5抽芯，抽芯完畢，型腔板4被定距拉桿11拉住，繼續(xù)開模分型面分型，推桿16推動推件板3將制品推出，流道凝料同時 從球形拉料桿15上推落。
第八章 注塑模主要零件加工工藝規(guī)程的編制
在此僅對凹?；瑝K，型芯固定板的加工工藝進行分析。
（1）上凹?；瑝K。上凹模滑塊加工工藝過程見表1-1
表1-1 上凹?；瑝K的加工工藝過程
序號
工序名稱
工序內(nèi)容
1
下料
2
鍛料
鍛到尺寸
3
熱處理
退火到28~35HRC
4
刨磨
刨六面到尺寸
5
平磨
磨六面尺寸，并保證上，下平面四面垂直度0.02/100。
6
銑削
以上底面為基準銑型腔，長寬要分別達到圖給尺寸。深度達到20。
7
鉗工
修銼兩個臺階兩端R10和R1。
8
熱處理
淬火到要求
9
平磨
磨尺寸到,磨到,保證各面垂直, 垂直度0.02/100.
10
鉗工
將本件壓入上固定板
11
平磨
與上固定板配磨,使本件與上固定板下下齊平,且使型腔深度
12
鉗工
研型腔到Ra0.1.
（2）固定板
序號
工序名稱
工序內(nèi)容
1
下料
切割鋼板至尺寸
2
刨削
刨六個面至尺寸
3
熱處理
調(diào)質(zhì)處理到20~25HRC
4
平磨
磨六個面至尺寸,保證上下平面和側(cè)面垂直, 垂直度0.01/100
5
鉗工
劃線以上平面為基準,劃各中心孔線;以及斜導槽中心線線;鉆穿孔線;
6
鉗工
與下墊板配合加工,同時鉆的光孔.
7
銑削
模具組合件鉆鏜斜銷孔到所要求尺寸.
結論
自從1932年德國人發(fā)明了世界上第一臺塑料注射機開始，人們就已從事了塑料注射成型模具的研究和開發(fā)應用，至今已有60多年的歷史。如今已進入用計算機輔助設計的階段，但是塑料在注射中的流動狀態(tài)在模具成型過程的變化情況，確定屬于一項高分子流變學范疇。曾經(jīng)有人這樣形容塑料熔體進入模具中就像進入了神秘的“黑盒子”，看不見，摸不著，由于塑料本身的特性，目前要找到合適的理論公式來正確的描述它，是非常困難的。在我沒有接觸到這門課程的時候，我還懷疑過它的難易程度，通過此次塑料注射模設計，才使我對塑料注射模有了個全新的認識。以前，我對著一副模具圖紙或一套模具形體。我總以為它的構成是模具設計者隨意設計成的，是一件很簡單的事情，不需要耗費什么精力的。可是，經(jīng)過這次塑料注射模設計，我才意識到以前一直在犯這樣一個錯誤。一套模具的設計從開始到結束都是根據(jù)現(xiàn)在市場需要所決定的。就此次盒蓋塑料注射模設計來說，任何一個模具設計者不可能憑空想象就能做出整套模具的，還可以讓它正常工作。一套模具的設計，除了選材外，還要根據(jù)塑件的材料，工藝性能以及尺寸精度等來確定設計那種模具，以及該模具適合于那種型號的注塑機。從這次模具設計來看，我的收獲是不小的，至少它讓我了解到模具設計所需要考慮的各種因素。就像緒論我所提到的一句話“塑料制品是目標，塑料注射模是實現(xiàn)目標的一種手段”。所以不能“孤立地為模具而只考慮模具”，應從系統(tǒng)工程角度出發(fā)，把塑料注射模作為塑料注射成型加工系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，這樣在設計和制造塑料注射模時，就應把這個系統(tǒng)中的其它環(huán)節(jié)作為塑料注射模設計與制造的考慮因素。對于這次塑料注射模設計來說，取的什么成果不敢說，但是至少我對其設計的內(nèi)容和步驟有了充分了認識，可以使我以后的學習有了明確的目標。
作為一名模具設計與制造的初學者來說，通過這次摩托車尾燈罩塑料注射模的設計。使我感覺到模具行業(yè)的專業(yè)化以及其專業(yè)知識的理論化與實踐的差距。不是我們這些在學校的學生所能充分掌握的。一名好的模具設計者，不但要有扎實的機械設計理論知識，還得是一名好的高分子材料工藝師，同時還要有計算機程序設計的知識。因此，作為一名模具設計初學者來說，我們不僅要有學習的激情，還要有學好它的毅力，堅持不懈的毅力才是學好和掌握模具設計的必要前提。
在此，我還要感謝各位老師在設計過程中給我的幫助和鼓勵，由于我是一名模具設計的初學者，在設計中，可能存在很多令人不太滿意的地方，還請老師給予批評和改正。
致謝
經(jīng)過一段時間的設計，本套摩托車燈罩殼注塑模具已經(jīng)設計完成．該模具經(jīng)生產(chǎn)檢驗,情況良好。
我從一個學生到能夠獨立從事工程設計和制造，應歸功于河南機電高等?？茖W校和材料系的全體老師，特別是模具設計與制造專業(yè)課老師三年來對我的教育和培養(yǎng)。在此向辛勤工作的河南機電高等?？茖W校和材料系的全體老師，特別是我的指導老師楊老師表示崇高的敬意和感謝，感謝你們對我的培養(yǎng)。畢業(yè)后我會更加百倍的努力工作和學習，早日成為一名模具方面的工程師，為祖國和人民做出更大的貢獻。
參考文獻
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