【正文】 產(chǎn)品開發(fā)能力的重要性，而模具制造 (CAD／ CAM/CAE)是整個鏈條中最基礎(chǔ)的要素之一。模具制造技術(shù)現(xiàn)已成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的重要標(biāo)志，并在很大程度上決定了企業(yè)的生存空間。現(xiàn)在，模具制造行業(yè)追求的目標(biāo)是提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率、縮短設(shè)計及制造周期，降低生 產(chǎn)成本、最大限度提高模具制造業(yè)的應(yīng)變能力，滿足用戶需求。 國內(nèi)模具制造溉況 我國模具設(shè)計和制造水平在最近幾年中已經(jīng)有了很大提高，模具生產(chǎn)技術(shù)也有了很大進步。模具 CAD／ CAM／ CAE 技術(shù)，熱流道和氣輔技術(shù)，快速成型技術(shù)，高速切削技術(shù)等方面也有了很大進步。雖然我國模具工業(yè)的水平有了一定的提高，但與國際先進水平相比，我國的模具制造業(yè)在發(fā)展中也存在著很多的問題。 論文課題背景、意義與主要內(nèi)容 （ 1）選題背景及意義 改革開放以來，少數(shù)單位在該模具技術(shù)領(lǐng)域采用了 CAD、 CAM、 CAE 技術(shù)和先進制造技術(shù)，顯 著地縮短了模具設(shè)計和制造周期。提高了模具質(zhì)量，實現(xiàn)了模具工作零件的互換，但是有些模具仍然依靠進口，這嚴(yán)重地影響了我國機電產(chǎn)品自主開發(fā)的能力和改型更新的速度。 模具設(shè)計涉及到大量的表和結(jié)構(gòu)圖，要設(shè)計出符合要求的模具，除了要對模具知識有較深的掌握之外，還必須具備機械設(shè)計、材料、零件加工等多方面知識和技術(shù)。只有這樣，才能提高設(shè)計效率和可靠性，使設(shè)計人員能方便、快速、有效的設(shè)計出符合實際要求、性能穩(wěn)定的模具成為可能。同時，模具工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)行業(yè)，應(yīng)用計算機輔助設(shè)計的先進技術(shù)，是實現(xiàn)模具設(shè)計自動化的重要方法和手 段，對提高國家工業(yè)水平和產(chǎn)品開發(fā)能力都有現(xiàn)實的意義。 （ 2）課題研究的主要內(nèi)容 注塑模具設(shè)計是一個前后聯(lián)系的邏輯過程，通過加載產(chǎn)品模型、確定頂出方向、收縮率、目前布局、分型面、型芯和型腔、滑塊 /抽芯、模架及其標(biāo)準(zhǔn)件、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等步驟的工作完成整套模具設(shè)計的流程。在開展本課題的研究過程中，本文主要探討并研究了基于 solidworks 的注塑模具輔助設(shè)計和使用 solidworks 進行注塑模具設(shè)計的基本方法。 6 注塑模具概述 注塑模具是注塑成型加工所需要的模具。所謂注塑成型（ Injection Molding）是指受熱融化的材料由高壓射入模腔，經(jīng)冷卻固化后，得到成形品的方法 。 注塑成型過程大致可分為以下 6 個階段 “合模 注射 保壓 冷卻 開模 制品取出 ”，上述工藝反復(fù)進行，就可連續(xù)生產(chǎn)出制品。 塑料早已成為人類不可缺少的重要生產(chǎn)資料。注射成型在整個塑料制品的生產(chǎn)中占有十分重要的地位。 2 塑件的分析 本文內(nèi)容主要有如下部分：根據(jù)齒輪的齒頂圓尺寸較小的情況，確定所需要模具屬于小型模具；根據(jù)圖紙精度要求查出了齒輪各個部分的公差；用 solidworks 設(shè)計了齒輪的三維圖，直觀的了解了塑件；為了便于脫模，對塑件的壁和孔 都選擇了一定的脫模斜度。 工件的原始尺寸 所要設(shè)計的塑件為齒輪，屬于正常齒制，齒頂高系數(shù) 1h*a? ，齒根系數(shù) * ? ，模數(shù) m=1，齒數(shù) z=28，所以齒根高度為： ）（）（ **af ????? m， 齒頂高為： 11ha ??? m 分度圓直徑為： 28??mzd 齒頂圓直徑為： 302 ??? dda 齒根圓直徑為： ??? ff hdd 塑件的三維圖 利用 solidworks 軟件和零件圖對工件進行三維建模 ,建模過程為 :首先利用 solidworks 的齒輪外掛直接將輪齒部分畫出來，然后在solidworks 的建模環(huán)境里，用草圖畫出筒壁圓環(huán)，用拉伸特征方式建模 。再在筒壁上打一個側(cè) 孔。 三維圖如右圖 21 所示： 塑料制品的尺寸，公差和表面質(zhì)量 （ 1） 塑件的主要尺寸如圖 22 所示： （ 2）塑料制品的公差 塑料制品分為 8 個精度等級，根據(jù)塑料品種的不同，每一種塑料可選其中的 3 個等級。模具制造的精度一般塑料制品的精度高出1~2 個等級。 （ 3）塑料制品的表面質(zhì)量塑料制品表面質(zhì)量包括有無斑點，條紋，凹痕，起泡，變色等缺陷，還有表面光澤性和表面粗糙度。 圖 23 齒輪公差要求 圖 21 齒輪零件圖 圖 22 齒輪基本尺寸 7 表面缺陷必須避免，表面光澤性和表面粗糙度應(yīng)根據(jù)塑料制品使用要求而定。 根據(jù)上面的要求，對所給定的塑料制品精度定為 MT4，模具精度為 IT6。查模塑件尺寸公差表（ GB/T 14486—— 1993），塑件的精度為 MT4，如 上圖 23 所示。 塑料制品的幾何形狀 （ 1）脫模斜度 為了便于塑料制品脫模，以防脫模時擦傷制品表面，與脫模方向平行的制品表面一般應(yīng)具有合理的脫模斜度。其大小主要取決于塑料的收縮率，塑料制品的形狀和壁厚以及制品的部位。 根據(jù)制品的形狀和壁厚，并且為了制品留在型芯一邊，選用內(nèi)表面脫模斜度為 30180。，外表面脫模斜度稍大，為 35180。脫模斜度選為：筒壁部分，外壁 5180。，內(nèi)表面 10180。；齒輪部分，外壁 0180。，內(nèi)表面 5180。 （ 2）塑料制品的圓角 塑料制品上所有轉(zhuǎn)角應(yīng)盡可能采用圓弧過渡。采用圓弧過渡的好處在于避免應(yīng) 力集中，提高強度，改善熔體在型腔中的流動狀況，有利于充滿型腔，便于脫模。在制品結(jié)構(gòu)上無特殊要求時，制品的各連接處的圓角半徑應(yīng)不小于 ～ 1mm。對于使用上要求必須以尖角過渡或分型處和型腔配合不便制成圓角時，則仍以尖角過渡。 模具的初步分析 圖 24 所示為工件簡圖。從圖上可以看出，工件主要是由三部分構(gòu)成：帶軸套齒輪，筒壁和其上的一個側(cè)孔。軸套和筒壁孔同心不同徑。筒壁側(cè)孔需采用抽芯機構(gòu)。 端面 1 和端面 2 是齒輪的最大投影面，初步可以選定其中一個為分型面。開模的時候因存在側(cè)向抽芯 機構(gòu)，故要先抽芯后開模。 3 塑件材料和注塑機的選擇 合適的材料和加工手段是制造合格產(chǎn)品的基礎(chǔ)，本節(jié)將詳細(xì)討論材料和注塑機的選擇。 齒輪材料聚甲醛的成型工藝 塑件材料為聚甲醛，它的成型工藝如下：聚甲醛流動性差，成形困難，若成型件大，模具需要加熱設(shè)備，主澆道粗而短，分澆道少轉(zhuǎn)彎。聚甲醛還有毒，型芯，型腔要進行電鍍處理。聚甲醛未結(jié)晶型高聚物，結(jié)晶度為 75%~80%，加上聚塊速度快，當(dāng)從定型轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶狀態(tài)時，會產(chǎn)生較大的體積變化，使成形收縮率達(dá) %~%，造成制品表面凹陷。因此必須嚴(yán)格控制加工工藝，并 對制件進行熱處理以提高其成形穩(wěn)定性和減少內(nèi)應(yīng)力。聚甲醛的穩(wěn)定性差，當(dāng)樹脂超過正常加工溫度上限或允許溫度下停留時間較長，均會引起分解，產(chǎn)生強烈刺激性氣體甲醛氣體，輕則產(chǎn)生變色和起泡，重則導(dǎo)致爆炸事故。因此，在圖 24 工件簡圖 8 保證注塑流動性的前提下，應(yīng)盡量用較低的加工溫度和較短的受熱時間，注塑時間一般為2~5s。一旦分解，立即緩慢降低機筒溫度，并設(shè)法清洗變色物料。為了防止局部過熱而分解，成形設(shè)備中不得存在料流死角，同時與樹脂接觸部位應(yīng)避免使用銅或銅合金材料。聚甲醛的加工溫度設(shè)定一般是：機筒后方 165~210℃；機筒中間 170~210℃；機筒前方180~215℃；射嘴 170~215℃；模具 40~120℃；射料速度可以是適中到快速；射壓無論是在首階段還是次階段，一般為 1000bar（ 1bar= 510 Pa），最大不要超過 1700bar；轉(zhuǎn)動線速度不應(yīng)超過 ~；背壓越低越好，最高不要超過 200bar。聚甲醛雖然吸濕性低，但是由于造粒時用水冷卻，故要求在 80~90℃干燥 4h。 注塑機的選擇 （ 1）選擇原則 ①注射量（容積）不能大于注塑機額定注射量的 80%： 額注 VV ? （ 31） ②注射量不能小于注塑機額定注射量的 20%： 額注 VV ? （ 32） 所給零件選取的材料為聚甲醛（ POM），故選用螺桿式注射機。 塑件的體積： ? ?）（）（ ）（）（）（ 33 22222 ?? ???????????V齒輪體積雖然很小，但是 POM 的注射時間很短，本模具選擇 2s，因為它在高溫度下停留較長時間會分解產(chǎn)生氣體，甚至引起爆炸事故。所以，所選用的注射機首先要保證其注塑時間在 POM 所能承受的時間范圍內(nèi)，且時間相差很小。故注 塑時間對生產(chǎn)率的影響不大。齒輪的體積小，如果采用多個型腔，在同一時間可以成形多個零件。但是每增加一個型腔，塑件的精度就會下降 4%左右。因此多型腔設(shè)計實際上是采用了舍精度而求效率的方法。而所給圖紙上標(biāo)明了塑件的精度為 MT4，是比較高的精度。所以，經(jīng)過充分分析后，選擇兩個型腔比較合理?？紤]到澆注系統(tǒng)凝料部分，可取模具注射體積為 3cm15 ，換算成質(zhì)量為 21g，超過了 SYS20 直角式注塑機的額定注射量。所以另外選擇額定注射量為 30cm2 ，型號 為 SZ25/20 的注塑機。 （ 2）注射機的校核 ①鎖模力的校核 鎖模力必須大于型腔內(nèi)壓力，一面在注射過程中由于鎖模力過小而造成模具脹開發(fā)生溢料現(xiàn)象。取型腔壓力為 35MPa，得鎖模力為 : ）（）（）（ NAAAPF jjzm ??????? 式中， zA ， jA 分別為型腔投影面積和澆注系統(tǒng)的投影面積。所選注射機的鎖模力為 200kN 遠(yuǎn)大于 90kN，故鎖模力可靠。 ②最大注射力校核 POM 注射壓力在 100~120MPa 之間。本塑件可選用 100MPa 的注射力。而所選注射機的最大注射壓力為 200MPa，比 100MPa 大，滿足要求，故最大注射壓力可靠。 9 ③最大開模行程校核 對于雙分型面開模行程按下式校核： ）（ 10~5a21 ???? HHS （ 33） 式中 S— 注塑機最大開模行程（移動模板臺面行程）， mm； a— 定模座板與定模型腔板分開的距離（應(yīng)足以取出凝料）， mm； 1H — 塑件脫模距離， mm； 2H — 包括流道凝料在內(nèi)的塑件高度， mm。 ）（）（ mm6310~58396210 ??????S 最大開模行程大于模具所需要的開模行程，所以選用的注塑機滿足要求。 4 注塑模的設(shè)計 這部分按照模具的設(shè)計步驟，對模具的各個結(jié)構(gòu)進行了詳細(xì)設(shè)計。通過對各個方案進行比較，擇優(yōu)選擇，最終確定了最優(yōu)化的模具結(jié)構(gòu)。 模具結(jié)構(gòu)分析 零件具有側(cè)孔，因而注塑模具有側(cè)向抽芯機構(gòu)。故模具的結(jié)構(gòu)主要有：澆注系統(tǒng)，成形機構(gòu)，導(dǎo)向機構(gòu)，脫模機構(gòu)，側(cè)向抽芯機構(gòu)，加熱冷卻系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)（聚 甲醛對溫度很敏感，故需良好的排氣系統(tǒng)，以防壓縮空氣的高溫造成零件的局部燒壞即產(chǎn)生氣泡等缺陷），其他部件。 型腔數(shù)量及排列方式 根據(jù)注塑機選擇時的分析，型腔數(shù)目為 2 個。在選擇型腔布局方式時，首先應(yīng)考慮到型腔的布局要求對稱，以防模具承受偏差力而產(chǎn)生溢料現(xiàn)象，型腔排列也宜緊湊，以節(jié)約模具材料，減輕模具重量。由前面分析可知，型腔數(shù)目已定為2 個，只能采用平衡對稱式布置。它應(yīng)以直線型排列方式設(shè)計。由于直線型腔排列方式平衡性較差，所以鎖模力需大些。又從前面所選注塑機鎖模力校核來看，鎖模力遠(yuǎn)大于型腔的壓力，股平衡性 沒有太大的影響，可以不考慮。故型腔的排列方式為直線排列。其排列形式如圖 41 所示： 分型面的選擇 分型面的設(shè)計在注塑模的設(shè)計中占有相當(dāng)重要的位置，分型面可以為一個也可以為多個。 考慮模具的側(cè)向抽拔距都比較小，選擇分型面時應(yīng)將抽芯和分型距離長的方向置于開合模的方向，將小抽拔距的方向作為側(cè)向分型和抽芯方向。 作為主要大排氣渠道應(yīng)將分型面設(shè)置在熔融塑料的流動末端，以利于模具型腔內(nèi)氣體的排出。 圖 41 型腔數(shù)量及排布 10 考慮模具的加工難度，要使模具 易于加工，工藝要力求簡單。 如圖 24 所示，從齒輪的結(jié)構(gòu)上分析可知只需要１個分型面。遵照分型面設(shè)計原則應(yīng)設(shè)置在最大投影面上，以便齒輪順利脫模，有兩種方案可供選擇：一個是端面１，另一個是端面 2。 如果選擇端面 2 做分型面時，軸套型芯和筒壁孔型芯應(yīng)該分開以順利脫模。軸套型芯和齒輪型腔可以都設(shè)置在動模上，以保證齒輪同軸度的要求。齒輪型腔的加工也比較容易，可以直接利用內(nèi)齒輪的加工方法加工。筒壁內(nèi)孔和軸套型芯在開 模合模過程中，二者的同心要求難以滿足。所以否定了端面 2 作分型面的方案。那么型芯可以加工為一體，滿足了筒壁和軸套同心要求，再將型腔也固定在動模上，就滿足了齒輪型腔和軸套的同軸度要求。型腔和型芯