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论文写作模式-水彩笔帽注塑模具设计

2021-05-14 11:49:50

  水彩笔帽是办公学习中常见的塑料件,材质为PP,水彩笔帽塑件成型质量的好坏对于水彩笔的使用影响较大。水彩笔帽的结构并不复杂,没有复杂的曲面,不需要侧抽芯结构。对水彩笔帽进行注塑模具设计,既能掌握典型工程类塑件注塑模具设计方法,又能够培养独立自主的解决一般注塑模具设计问题。本课题首先对水彩笔帽的图纸进行转换,将二维图通过UG软件转换为三维图,更加直观的了解水彩笔帽的结构。结合二维图的尺寸以及三维图的结构对水彩笔帽进行零件分析,并对PP材料进行注塑分析,初步拟定水彩笔帽注塑成型的注塑机选型。其次,对注塑模具进行方案设计,包括浇注系统、冷却系统、成型零件、脱模机构等。在方案设计中,采用图纸及计算结合的方式进行论述,确保设计的合理性及可行性,以上系统或机构设计完毕后,对其进行校核。最后,将水彩笔帽的设计方案转换为关键零部件图纸及模具装配图,完成本次水彩笔帽的模具设计工作。

  伴随我国制造业的不断深入发展,各种制造领域对于高性能的塑料件的需求不断扩大,我国已经成为全球最大的注塑模具消费国及制造国。当前,塑料件在航空航天、电子仪器、汽车、管道等领域都有广泛应用。市场的需求及改革开放的不断深入,中国的塑料模具设计及制造进一步发展,由于现代工业对于塑料件的尺寸精度、耐用环境、成型外观的要求越来越严格,除了材料的研究选择之外,注塑模具的设计研究也是重中之重。我国已经成为注塑模具设计研究的全球主要国家之一,并且在某些塑料模具设计及制造领域的水平已经达到或者超过全球塑料模具设计及制造先进水平。目前我国塑料模具工业主要集中在珠三角及长三角,这些区域的资金流动较大,技术人才储备雄厚,我国塑料的模具制造也因此集中于此,是我国制造业的一个布局缩影。

  值得注意的是,在高分子材料研究方面,我国才刚刚起步,以至于目前我国在注塑原材料方面的研究还不够强。在高分子材料加工领域中,注塑模具应用非常广泛,它能够将高分子原材料注射成各种各样的生活生产所需要的零件,由于其使用次数频繁,工作环境恶劣,注塑模各零件的材料要求较高,机械加工工艺及热处理工艺也有特殊要求。随着高分子材料的研究深入,注塑模具的优化设计,也逐渐成为我国注塑行业的研究趋势。

  国外模具工业是大大领先我国的,现在这新材料的发掘、新的成型工艺模具种类、新结构框架的使用、新灵感创造都有大大的提升。有一个非常值得一说的一点是大型化,模具变成了各种多组分的集成模具方式和多工序段的一种智能方式,所以有对模具制造行业巨大的提升。当然,有一个非常值得在这里一说的就是精密,智能一体化,电子一体化,全球统一化。在模具的相关生产和使用过程中出现了精密化制造、智能一体化控制、绿色化制造、方便化、快捷一体化成为一种新的制造工业方式。

  国外模具制造业也由于较早的从机床工业中分离出来,单独研究生产,有着大量的实践积累及理论研究,其塑料模具制造业智能化及信息化很先进。在规格、精度、体型、材料等方面整体比国内优秀不少。尤其在模具加工方面,以日本德国为例,拥有最为先进的机床以及高素质人才,其加工制造能力也是在全球遥遥领先。

  本次的毕业设计,可以将所学专业的理论知识具体的运用在生产实践当中,培养独立设计塑料注塑模具的能力。并将所学的专业知识充分的融合在一起,将理论转换为生产指导方式。毕业设计的任务是水彩笔帽的注塑模具进行设计,以及图纸绘制。主要内容包括对注塑件的制造工艺设计的分析、成型注射设备的工艺选择;再通过运用科学理论知识对成型注射零件模具三维结构零件进行加工设计并重新确定模具尺寸;将注射模具三维零件造型图通过软件转换成二维图纸;相关零部件的尺寸校核;导向机构及调温系统的设计等。

  第2章塑件成型工艺的可行性分析

  一个塑料制品在设计的时候,要考虑其使用功能、外观要求、经济效益以及客户的特殊要求和现有的制造能力。在技术方面,要重点分析水彩笔帽的结构、尺寸及材料[1]。

  2.1塑件分析

  图2-1水彩笔帽零件图

  水彩笔帽工件如图所示,它是一种常见的学习用品,需求量大,外观有一定的要求,色泽明亮,表面光滑,且无毒无味。从水彩笔帽成型的方式及模具制造成本方面考虑,模具设计期间应有合理的型腔数目,但是呢?我考虑到量产规模比较大,我想这个模具应该选择一模16腔会符合要求。

  2.2塑件的原材料分析

  2.2.1选择制件材料

  我对多种塑料的性能与应用进行对比了大体差异化,最终把塑料的材料选择为了PP材料。

  水彩笔帽是办公学习类用品,首先要保证材料无毒无害,不能导电,并且成型的外观质量较为美观和耐用。在强度方面,水彩笔帽需要有一定的强度,也要有适当的弹性,能够更好的与水彩笔配合。综上所有条件,选用的水彩笔帽的材料为PP[2]。

  2.2.2分析制件材料使用性能

  我查阅了有关参考资料《注塑模具设计使用教程》,知道了当中PP材料有具备以下特点:

  (1)整体的性能特点好,外观透明并且轻。

  (2)具有良好的耐磨性及耐热性。

  (3)电绝缘性好,韧性好。

  (4)与耐腐蚀性好,在80℃以下能够耐多种有机溶剂腐蚀。

  2.2.3分析材料工艺性能

  我们将聚丙烯(PP)的注射工艺参数归类可以得出如表中2.1所示:

  表2-1 PP的注射工艺参数

  注射机类型:螺杆式

  保压压力:5~10 Mpa

  冷却时间:5~15s

  周期:15~30s

  螺杆转速:30~60r/min

  喷嘴形式:直通式喷嘴

  喷嘴温度:180~190℃

  模具温度:50~70℃

  注射压力:60~100Mpa

  备注原材料应预干燥0.5h以上

  2.3成型工艺分析

  2.3.1精度等级

  精度等级的确定主要是看水彩笔帽的设计要求,从二维零件图的尺寸标准看,水彩笔帽的结构尺寸没有很高的精度要求,为自由公差标准,通过调研,按照水彩笔帽制造企业的生产纲要,水彩笔帽为大批量生产,因此,从经济成本考虑,本次水彩笔帽注塑成型的精度等级取MT5级[3]。

  2.3.2脱模斜度

  在注塑模具设计中,为了保证水彩笔帽更容易脱落,都会设计一个脱模斜度。水彩笔帽上的孔教深,零件在产品设计过程中已经考虑了脱模角度,设计为0.5°。

  第3章模架的选择

  本次设计的水彩笔帽注塑模具无特殊要求,按照注塑模具手册得出,可以选择标准模架,型号为P3具体,如图4-3所示:

  图3-1标准模架

  综合以上的成型零件设计及注塑机型号,可以确定本次设计的模架的具体型号为P3型号的两板模,相关尺寸如下:

  定模板座:280×230×35mm

  定模板:230×230×80mm

  动模板:230×230×30mm

  动模板座:280×230×25mm

  垫块:43×230×100mm

  推板:140×230×20mm

  推板固定板:140×230×15mm

  总厚:321mm

  第4章注射成型机的选择与成型腔数的确定

  4.1注射成型机的选择

  4.1.1估算零件体积和投影面积

  用UG建模分析出塑件体积为体积:V=0.83cm3,其单侧投影面积为:A=82.9892mm2,因此我设计的模具浇注系统使用点浇口方式,其中他的浇注系统凝料比较好,浇注系统的体积初步大概体积为26 cm3,所以使用的是一模16腔比较好。

  所以:(式4.1)

  4.1.2选择注射机及注射机的主要参数

  我现在不得不考虑塑料件是大批量大规模生产,所以必须从温度、压力、时间、模具高度、宽度等多方面进行思考与考虑,经我查找《常用注塑机主要技术参数》的相关资料,我开始选择使用的是注射机XS-ZY-125这个机器。

  表4-1注射机XS-ZY-125参数

  项目参数项目参数

  理论注射量/cm3125拉杆空间(长×宽)260×290

  注射压力/MPa 120喷嘴圆弧半径/mm 12

  柱塞直径/mm 42喷嘴孔径/mm 4

  最大注射面积/cm2 320最大开模行程/mm 300

  模板尺寸/mm 428×450模具最大厚度/mm 360

  锁模力/kN 900模具最少厚度/mm 200

  4.2注塑机的校核

  4.2.1最大注塑量校核

  最大注射量是指注塑机每次在注射时,其柱塞在行程最大时能够达到的注射容量,注射量反应着注塑机的注射容量,是注塑机的一个重要的参数,反映了注塑机的注射能力和注射制品的体积容量。

  普通聚苯乙烯的密度为ρs=1.05g/cm3。得考虑到熔体在注射过程中的流动阻力及逆流量,要设置一个安全系数,选取85%,则其实际注射量m′为:

  (式4.2)

  式中:——国产注射机理论注射容量,cm3;

  ——注塑系数,一般在0.8-0.9范围内,取0.85。

  模具型腔数最多为:

  (式4.3)

  式中:q是一个塑件的质量和它平均分到的浇注系统质量之和。

  由于我本课题塑件体积、投影面积都很小,为降低生产成本,提高生产效率,结合注射机的规格参数,设计模具型腔数为16个。校核型腔数:

  ,符合设计要求。

  4.2.2注射压力的校核

  注塑压力得需要大于塑件在成型时所需要的注塑压力才可以,而且额定的注塑压力必须乘以一个0.8的安全系统,不能按照理论数值去满算,也只有这样才能够安全的生产。因此公式为:

  我根据注射机的型号可查得最大注射压力120Mpa,塑件的成型压力100-120Mpa,因此注射压力满足要求。

  4.2.3锁模力校核

  当高压塑料的高熔体充满型腔时,就会产生模具会沿着分形面分开的巨大胀模力,所以其方向力的大小等于塑料件和流道系统会在其分形面上的投影等于其型腔压力的成积。就决定了胀模力大小必须小于注塑机额定锁模力大小。

  型腔压力Pc可按下式粗略计算:

  (式4.4)

  式中:Pc为型腔压强,MPa;

  P为注射压强,MPa;

  K为压力损耗系数,通常在0.25~0.5范围内选取。

  所以,Pc=K·P=0.3×120=36MPa,其型腔压力决定后,就可以用如下式子校核其注塑机的额定锁模力大小:

  (式4.5)

  式中:F为注塑机的额定锁模力,kN;

  A为塑件和流道系统在分形面上的投影面积,mm2;

  0.1Pc·A=0.1×36×82.9892kN=298.8kN

  因此F=900KN>K Pc A是成立的,得出的注塑机锁模力大小也是符合要求的。

  4.2.4开模行程校核

  当最大开模行程S等于该机床移动模板距离与固定板之间距离的最大开具SK减去该模具厚Hm,所以:

  (式4.6)

  水彩笔帽脱模距离H1=35mm,水彩笔帽包括浇注系统在内的高度H2=100mm,浇注系统内余料的脱模距离a=5mm。校核公式如4.7:

  (式4.7)

  结合式3.6和式3.7,可得:

  (式4.8)

  本课题中,S=300mm,而300mm≥145~150mm;符合条件要求。

  第5章浇注系统的设计

  5.1浇注系统的作用

  浇注系统是包括三个方面,其分别为浇口设计、主流道设计及分流道的设计。由于本次水彩笔帽是一模十六腔,需要对以上三个结构一一设计。浇注系统的设计基础主要还是注塑机的一些参数,通过计算公式,将注塑机的相关参数代入到浇注系统计算公式中,得出主流道、分流道与及浇口的一些关键尺寸

  5.2浇注系统的组成

  浇注系统的组成主要有其以下五个方面:主分流道、分流道、浇口、冷料穴、排气槽。

  5.3主流道设计

  本次主流道设计为圆锥形,它的锥度在2-3°,表面粗糙度要求在Ra6.3。主流道的尺寸与注塑机的喷嘴尺寸有关,结合注塑机参数,喷嘴直径为3mm,喷嘴的端球面半径大小为10mm[6]。

  其浇口套的尺寸设计要求:

  (1)需浇口套与喷嘴的圆弧的相互契合。

  (2)需主流道进口的直径d应比注射机喷嘴孔d1直径大0.5~2mm。根据注射机的喷嘴得出:

  D=3+0.5=3.5mm(式5.1)

  (3)浇口套的形式为,浇口锥度为1°,长度为36mm。

  (4)主流道衬套的固定

  因为采用的是托浇形式。用六角螺丝固定在模具的其中面板上。

  5.4分流道系统设计

  分流道的截面形状不仅有圆形、半圆形、矩形、梯形、V形,还有其他多种。其中不同截面的优点及缺点不尽相同。本次设计将用梯形截面,具体原因后文将会研究分析。

  分流道系统设计中,不仅需考虑冷却系统的方式,还得考虑其布局,要为冷却系统留出一定的空间。

  5.4.1分流道排布设计

  分流道的排布方式有平衡式布置和非平衡式布置。得考虑冷却系统布置的需要,结合型腔壁厚,本设计可选用平衡式H形。它是以4个型腔为一组按H形布局排列,其特点是排列紧凑、对称平衡、易于加工。在多型腔模具中得到广泛运用[7]。布局形式见图:

  图5-2分流道排布

  5.4.2分流道截面设计

  我查阅资料得知常用的分流道截面主要由圆形、正六边形、梯形、U形等截面形状。在我本次的设计时,我觉得是使用比较流道的效率(即流道截面积与周长的比值)来确定具体效果的差异化方便。则其效率比较见表5-1[8]。

  表5-1部分流道截面的效率

  截面形状

  效率0.25D 0.25D 0.153D 0.195D d=D/2 0.166D

  d=D/4 0.100D

  由上表可看出,其中圆形和正方形截面的流道效率最大,效果最好。但是两者的工艺性都较差,对称分布,加工困难,费用高。从模具的制造成本来说,梯形和U形分流道就是最佳的选择。

  本设计采用梯形分流道,其优势为只需在一个模板上加工,其他模板无需加工,降低制造成本的同时,热量损失和阻力损失都可在其接受范围内。其斜边和分模线垂线呈现出10°斜角。本设计的流道分2级,第一级尺寸为D=6mm,2D/3=4mm,第二级为D=4mm,3D/4=3mm。交线处倒角为R=0.5mm。

  5.5浇口设计

  浇口的设计当然是越简单越方便越好,这样模具的制造成本也是相对应的下降。然浇口设计也不能光考虑成本,去选择不合适的浇口类型,浇口设计越简单越好的前提是满足水彩笔帽的成型要求,在本次浇口设计中,则需遵循以下原则:

  (1)浇口位置选择及类型能够较好的让型腔内的气体排出去;

  (2)浇口位置不设在分型面上,并保持出水口的简洁,不损伤成型产品;

  (3)浇口位置的选择和类型是要降低能量损失。

  (4)浇口位置的选择及类型要避免塑料熔液直接冲进型芯,减少了型芯寿命;

  (5)避免C型浇口位置,这样极为容易造成塑件变形及痕迹严重;

  综上来看的话,会得出水彩笔帽的外形结构特点和PP材料的成型特点,把模具最终确定为一模16腔方式,使用点浇口方式,把其位置需要放在塑料件的中心位置。

  5.6冷料穴设计

  水彩笔帽模具设计中,要需进行设计流道冷料穴。但由于PP塑料熔液流体经过浇口进入型腔之后,其注塑模具还没有加热,与温度较高的PP塑料熔液相比,存在较大的温度差。这样熔液流体在通往型腔的路径中会不断冷却,部分熔液就在流道中固话,且流道速度慢,这样注塑出来的塑料件存在缺料且出现明显缺陷。所有设计冷料穴的就是降低以上状况发生的概率,提升模具设计的品质。本次使用无拉料杆冷料井设计(图5-3),其结构形式为90°锥角圆锥形凹坑,当模具开模的时候,流道凝料就会从定模板中被拉出,开模过程中自动脱离。

  图5-3无拉料杆冷料井

  5.7流动比计算

  塑件流动比是说最大流程度与制品厚度之比。其流程是说熔体从浇口流动到型腔最长到达的距离。然熔体的流动距离要受到熔体进入浇口的温度、初速度、模具温度、等元素相关。当浇注系统和型腔的各段断面尺寸不近相同时,流动比可按照以下方式进行来计算:

  (式5.2)

  式中:Li——流路各段长度,mm;

  δi——流路各段厚度,mm。

  我分析出我本课题的浇注系统和塑料件各段长度与厚度,可确定塑件的最大流程度需进行分析得出式子其下;

  符合要求。

  第6章成型零件结构设计

  6.1分型面的设计

  本课题分型面的选择是模具设计的关键步骤,得结合水彩笔帽的UG模型对其结构分析,根据水彩笔帽结构的特点,选择能够让模具结构较为简单的分型面。是按照分型面设计要求的准则,得出水彩笔帽的分型面选择需要注意方面其下:

  (1)确定能够顺利让型腔气体的排出;

  (2)分型面的位置最好选择在水彩笔帽的最大截面处;

  (3)成型后的水彩笔帽最好是留在动模处,而非定模侧;

  (4)得保证水彩笔帽成型后的精度及外观达到设计中的标准;

  (5)让注塑模具的结构要尽量简单。

  可以按照上述的分型面设计注意事项,本次水彩笔帽注塑模具中分型面为底部最大截面处,具体见图6-1位置。

  图6-1分型面位置

  6.2型腔的分布

  在本次型腔设计中,模具型腔数目的合理确定,是有利于企业生产效率的提升以及降低生产成本及生产周期。合理的排料腔可以使塑件的成型质量更高。在排布型腔的时候,得需保证每个型腔都要有足够的注塑压力,并且使得每个型腔内的注塑压力保持一致且均匀。

  在本次水彩笔帽注塑模具设计当中,得出确定为一模16腔方式,需零件4×4对称排列,得需要降低制造成本。如下图:

  图6-2型腔的分布

  6.3凹模的结构设计

  凹模是为成型塑件的外表面,又称为阴模型腔。型腔的结构形式可以分列出这几种:整体式、整体组合式、完全组合式与局部组合式等,优缺点,各有各个好。

  吊秧夹子注射模的型腔部分并不是很复杂,可利用电火花进行。我这里可选择采用整体嵌入式凹模。

  本次水彩笔帽注塑模具是为小型模具,且无其他特殊要求,外表面又要求一般,所以选择的是凹模板采用整体镶嵌式。如下图:

  图6-3型腔

  6.4凸模的结构设计

  凸模是用来确定成型塑件内表面的成型零件,一般又可以分出整体式与组合式两种方面的类型。查看对塑件的结构分析可得出,其塑料件的型芯是16个。如果采用整体式,由于工件的尺寸太小,会提高加工难度,所以为了加工方便,本模具采用组合式。如图:

  图6-4型芯

  图6-5型芯固定板

  6.5模具成型零件的工作尺寸的计算

  6.5.1型腔尺寸计算

  (1)型腔径向尺寸计算

  其型腔(孔)的最小尺寸是表面尺寸为LM,偏差δm为正值;塑件(轴)的最大尺寸是表面尺寸为Lp,偏差Δ为负值。因此塑料件平均的尺寸为:

  (式6.3)

  型腔平均尺寸:

  (式6.4)

  为其保证后续修磨的可操作性,需预留一定的负修模余量δr,但对于注塑模具,当磨损量很小,可按下式计算型腔名义尺寸为:

  (式6.5)

  其实际尺寸计算:

  (2)型腔深度尺寸计算

  其型腔深度尺寸是HM,同时有正公差值。对型腔深度,对型腔深度不考虑脱模磨损程度。所以其平均尺寸为:

  (式6.6)

  塑件高度其最大尺寸为名义尺寸,偏差Δ为负偏差,其平均尺寸为:

  (式6.7)

  型腔深度HM计算公式为:

  (式6.8)

  取修模余量为δr=,当型腔易修浅,δr取正值:

  (式6.9)

  当型腔易修深时δr取负值:

  (式6.10)

  其实际尺寸计算:

  (易修浅)

  其余各尺寸计算结果:

  (易修浅),(易修深)。

  6.5.2型芯尺寸计算

  (1)型芯径向尺寸计算

  型芯(轴)的最大尺寸是名义尺寸LM,偏差δm为负值;塑件内表面(孔)的最小尺寸为名义尺寸LP,偏差Δ为正值。其型芯的径向平均尺寸:

  (式6.11)

  塑件上孔的平均尺寸:

  (式6.12)

  最后得到的型芯名义尺寸为:

  (式6.13)

  其余各尺寸计算结果:,;

  (2)型芯高度尺寸计算

  型芯高度尺寸可以计算推导与型腔深度尺寸计算公式推导类似。所以其型芯高度平均尺寸为:

  (式6.14)

  塑件最小深度为基本其名义尺寸HP,偏差Δ为正值,则塑件深度平均尺寸为:

  (式6.15)

  最后推导的结果中,当型芯易修长时取负修模余量,则去型芯高度HM计算公式:

  (式6.16)

  当型芯易修短时取正修模余量,则:

  (式6.17)

  mm

  (易修短)

  其余各尺寸计算结果:(易修短)。

  6.6型腔壁厚和底板厚度的计算

  在水彩笔帽塑料件成型过程中,成型模具会受到一定的压力,这就需要其有足够的强度及刚度。如果型腔壁厚和底板厚度太小,则刚度及强度不够。如果型腔壁厚和底板厚度太大,则又增加成本及模具整体重量,本次设计型腔将采用整体式,在计算以上两个成型零件壁厚时,由于型腔受底部也是不同位置所受的压力存在变化,距离越远,变化越大。变形情况如下图6-5示:

  图6-5是整体式圆形型腔侧壁变形的情况图

  6.6.1型腔侧壁厚度计算

  (1)按其强度条件计算时,则侧壁厚度为:

  (式6.18)

  式中:S——壁厚,mm;

  []——许用应力,本课题采用45#钢,取200MPa;

  p——型腔内压力,MPa。

  计算壁厚:

  (2)按其刚度条件计算时,则侧壁厚度为:

  (式6.19)

  式中:S——壁厚,mm;

  p——型腔内的单位平均压力,MPa;

  h——型腔高度,mm;

  E——型腔材料的弹性模量,取2.1×MPa;

  ——型腔的许用变形量,本课题采用的PP材料,可取0.04mm。

  计算壁厚:

  所以,型腔壁厚度取S≥15.13mm。

  6.6.2型腔腔底厚度计算

  (1)按刚度的条件计算时,则腔底厚度为:

  (式6.20)

  数式中:H——型腔腔底厚度,mm;

  r——型腔内半径,mm;

  其余符号见公式(式6.19)

  计算腔底厚度:

  (2)按其强度条件计算时,其腔底厚度为:

  (式6.21)

  式中:——型腔材料的许用力,MPa;

  其余符号见公式(式6.20)

  计算腔底厚度:

  所以,其底板厚度取S≥1.846mm。

  第7章排气系统的设计

  注塑模具在其工作中,型腔及型芯内部就会存在一定的废气,这样的废气会增强模具的锁模力,并让保压时间延长,注塑压力提高,很大程度上降到了注塑成型的工作效率,因此就要在通过在型腔及型芯的合理位置添加一个排气槽机构,排出废气,就有利于提升水彩笔帽的生产效率。

  按照注塑模具设计手册,排气方式可有下几种结构:

  (1)注塑模具内部局部采用螺旋形状排气;

  (2)安装有槽的板芯开孔。

  (3)空腔的凹槽进行排气。

  (4)采用侧面的嵌件接缝排气;

  我知道水彩笔帽的尺寸不大,其中型腔和型芯对应的尺寸也不大,所以水彩笔帽模具完全可以利用配合间隙进行排气,中小型模具的简单型腔,是可利用推杆、活动型芯和双支点的固定型芯端部与模板的配合间隙一起来进行排气方式,这里就不需单独设计排气槽了。

  第8章导向和定位机构的设计

  8.1导向机构的作用

  导向机构是其注塑模具的导向和定位机构,是在开模和合模过程中,让通过导柱和导套的配合,确定保证合模的精度,从而确定了型腔内注塑的尺寸精度,通俗来说,导向机构的的作用就是保证合模不会发生偏斜,同时对脱模的塑料也不会有损坏,与其他机构无干涉,能够承受沿着侧向的压力。从其效果看,定位导向机构主要包括了以下作用:

  (1)定位作用

  (2)导向作用

  (3)承载作用

  (4)保持运动平稳作用

  (5)锥面定位机构作用

  8.2导柱、导套的设计

  导柱导向是导柱与导套(导向孔)使用的,是其间隙配合使导柱在导套(导向孔)之间滑动,其配合间隙是采用H7/h6级配合[12]。

  8.2.1导柱的设计

  (1)采用直通式结构;

  (2)前端为锥形的结构;

  (3)导柱固定部分可以采用H7/m6公差的;

  (4)导柱和支撑板底部H7/m6过渡配合的;

  (5)滑动部分是采用H8/f8间隙配合的;

  (6)表面粗糙度大小为Ra0.8;

  (7)根据模具的大小可以来取导柱直径D=20毫米

  综上分析得出,选用直径为20mm长度为100mm的导柱。其示意图如下:

  图8.1导柱

  8.2.2导套的设计

  由于导柱既然选定了,其导套直径是20mm,长度是80mm,如图:

  图8-2导套

  8.2.3导向孔的总体布局

  导向孔的分布应尽量靠模具的边缘区域,这样就可以让成型零件有更大的空间。我根据手册推荐值参数选定的导柱分布情况得出,为下图:

  图8-3导向孔总体布局

  第9章脱模推出机构的设计

  塑件成型以后,需将水彩笔帽从其模腔中脱离出来,这种脱离机构称之为脱模推出机构。由于塑料水彩笔帽零件都是规则形状,外形规则,其该模具的型芯在动模一侧,开模后要将水彩笔帽包紧型芯留在动模一侧,根据塑件的特点,采用推板推出形式。这样推出平稳,保证了将水彩笔帽推出后的质量,模具结构也是简单。

  推出机构的设计要求[14]:

  (1)尽量设置在动模的一侧;

  (2)保证塑件不因推出而变形损坏;

  (3)机构简单,动作可靠;

  (4)良好的塑件外观;

  (5)合模时的准确复位。

  9.1脱模力计算

  使用估算法对该套模具的脱模力进行计算。

  由于本课题属于底部无孔的筒,推出力的计算可知:

  (式9.1)

  式中:F——脱模力,N;

  P——塑件对其型芯单位面积上的包紧力大小,Pa,模外冷却的塑料件,可取p=(24~39)MPa;

  A——塑件包紧型芯的侧面积,m2;

  ——塑件与钢体材料的摩擦系数,一般为0.1-0.3;

  α——脱模斜度。

  经计算,A=2.635,P=30 MPa,,α=30′

  =1.511957kN

  由式9.1就可得出:脱模力的大小是和包容型芯的面积存在巨大的联系,是随着脱模斜度的增大而减小,而塑料件包容型芯的面积增大而增大。在脱模机构脱模过程中,受到的影响因素多,假如分析所有的影响因素也是极为困难,因此只能采用简单估算法得到一个近似值,所以式9.1只能做粗略的估计。

  9.2顶出机构结构设计

  这个模具使用的是为一次顶出脱模的机构,是根据这个塑件的形状而确定,采用这个顶杆推出机构。是保证其顶杆推出机构在其塑件表面不留推出印记,同时保证其受力均匀,顶出平稳,顶出力大,结构简单明了。所以综合以上准则,其模具的脱模零部件设在动模上最好,选择顶杆式顶出形式是最好[15]。

  图9-1顶杆分布图

  10温度调节系统的设计

  本课题选用的材料为PP材料,这种材质是具有一定的粘度,所以对其模具注塑成型的温度要求不很高,用注射的温度在200°左右就可以,模具冷却的温度为50-80°C,因本设计选择的模具的冷却温度为50°C,而水的比热容大,导热快,并几乎零成本,因此选用水作为介质进行冷却,是最好的。

  10.1温度调节系统的重要性

  冷却系统在注射成型中有着重要作用,它影响了塑料熔液的固话定型及冲模流动,进而对生产效率及塑件质量产生影响。温度过高或者过低对于注塑件的成型有着负面效果。

  10.2冷却系统的设计

  模具的有效率冷却,就是将熔融状态的熔料传导给模具为热量,尽可能迅速全部存在的能量传递出去,其主要目的如下:

  (1)缩短成型周期;

  (2)提高塑件质量;

  (3)适应特殊需要。

  在设计冷却回路时,应该遵循其下的原则[16]:

  (1)冷却水孔数量需尽可能多、孔径需尽可能大;

  (2)冷却水孔至型腔表面的距离应需尽可能相等;

  (4)降低冷却水出入口处的温度差;

  (5)冷却水孔应该避免设置在塑件熔接痕处;

  (6)合理确定冷却水接头位置。

  10.2.1冷却水道参数计算

  冷却回路所需的总表面积A()可以按照如下式计算:

  (式10.1)

  式中:A——冷却回路总表面积,;

  M——单位时间内注入模具中树脂的质量,kg/h;

  q——单位质量树脂在模具内释放的热量,J/kg;

  ——冷却水的表面传热系数,W/(·K);

  ——模具成型表面的温度,℃;

  ——冷却水的平均温度,℃。

  冷却水的表面传热系数可用下式计算:

  (式10.2)

  方式中:——冷却水应在该温度下的密度,kg/;

  V——冷却水的流速,m/s;

  d——冷却水孔直径,m;

  ——与冷却水温度有关的物理系数。

  表10-1水的与其温度的关系

  平均水温/℃5 10 15 20 25 30 35 40 45 56

  值6.16 6.60 7.06 7.50 7.95 8.40 8.84 9.28 9.66 10.05

  冷却水在圆管中的流速可以按照如下式计算:

  (式10.3)

  式中:——冷却水的体积流量,;

  d——冷却管道的直径,m;

  V——冷却水为圆管中的流速,m/s。

  其冷却水体积的流量可以按照下式计算:

  (式10.4)

  式中:——冷却水的体积流量,;

  M——单位时间注射入模具中的树脂质量,kg/h;

  q——单位时间内树脂在模具中释放的热量,J/kg;

  c——冷却水比热容,J/(kg·K);

  ——冷却水的密度,kg/;

  ——冷却水出口温度,℃;

  ——冷却水入口温度,℃。

  其模具开设的冷却管道的孔数应该为:

  (式10.5)

  方式中:L——冷却管道开设方向上得模具长度或着宽度,m;

  A——冷却管道总传热面积,;

  D——冷却管道的直径,m。

  由查看硬PP材料的工艺参数可知,取模具注射的平均周期为60s;

  所以其每小时注射的次数,N=3600/60=60次。

  (1)得求出每小时注射塑料的质量M为

  (2)求冷却水的体积流量

  用常温20℃的水作为冷却介质,则出口温度是25℃,水需呈现出湍流状态,如果模具平均温度是50℃;就可以取模具的长度是230mm。

  其中:q=,c=4.183

  (3)求冷却管道直径d为

  冷却水孔的直径可由计算出的冷却水的体积流量进行查表对照得到,本设计可取的型腔冷却系统水道直径8mm。

  (4)求冷却水在其管道内的流速V为

  (m/s)

  (5)求冷却水的表面传热系数为

  由水的进去温度算出其平均值,=22.5℃,=7.725;

  (6)求冷却管道总传热面积A为

  (7)求模具上可开设的冷却管道的孔数n为

  10.2.2冷却水道结构设计

  为提高冷却效率,应该使冷却介质的温差在较小的范围内变化,正常冷却水的温差应控制在5℃之内最好。

  对其嵌入式型腔嵌件周围开螺旋形槽,但由于PP冷却速度快,所以浇注系统应散热缓慢而可以不必设计冷却系统,因此足以使塑件及模具达到冷却要求。图10-1为型芯冷却水道布置图。

  图10-1型芯冷却水道布置图

  10.3模具加热装置设计

  因为PP材料要求的模温为40~80℃,是不超过80℃的,所以没必要设置加热装置。

  10.4水嘴结构设计

  进水和出水处都采用水嘴,用45#钢,细牙螺纹的连接形式。