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斜齿轮组件的成型工艺及塑料模具设计 绪 论 国外方面： 我国模具生产厂中多数是自产自配的工模具车间 （分厂），自产自配比例高达 60%左右，而国外模具超过 70%属商品模具。专业模具厂大多是 “大而全” 、 “小而 全”的组织形式，而国外大多是“小而专” 、 “小而精” 。国内大型、精密、复杂、 长寿命的模具占总量比例不足 30%，而国外在 50%以上。2004 年，模具进出口之 比为 3.7 ﹕1，进出口相抵后的净进口额达 13.2 亿美元，为世界模具净进口量最大 的国家。 我国塑料模具工业和技术今后的主要发展方向 一、我国塑料模具工业的发展现状 80 年代以来,在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的 支持和引导下,我国模具工业发展迅速,年均增速均为 13%,1999年我国模具工业产 值为 245 亿,至 2000 年我国模具总产值预计为 260-270 亿元,其中塑料模约占 30% 左右。在未来的模具市场中,塑料模在模具总量中的比例还将逐步提高。 我国塑料模工业从起步到现在,历经半个多世纪,有了很大发展,模 具水平有了较大提高。 在大型模具方面已能生产 48 英寸大屏幕彩电塑壳注射模具、 6.5kg 大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具;精密 塑料模具方面,已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。 如天津津荣天和机电有限公司和烟台北极星 I.K 模具有限公司制造的多腔 VCD 和 DVD 齿轮模具,所生产的这类齿轮塑件的尺寸精度、同轴度、跳动等要求都达到了 国外同类产品的水平,而且还采用最新的齿轮设计软件,纠正了由于成型收缩造成 的齿形误差,达到了标准渐开线齿形要求。还能生产厚度仅为 0.08mm 的一模两腔 的航空杯模具和难度较高的塑料 门窗挤出模等等 。注塑模型腔制造精度可达 0.02～0.05mm,表面粗糙度 Ra0.2μm,模具质量、 寿命明显提高了,非淬火钢模寿命 可达 10～30 万次,淬火钢模达 50～1000 万次,交货期较以前缩短,但和国外相比仍 有较大差距,具体数据见表一。 成型工艺方面,多材质塑料成型模、高效多色注射模、镶件互换结 构和抽芯脱模机构的创新设计方面也取得较大进展。气体辅助注射成型技术的使 用更趋成熟,如青岛海信模具有限公司、天津通信广播公司模具厂等厂家成功地在 29～34 英寸电视机外壳以及一些厚壁零件的模具上运用气辅技术,一些厂家还使 用了 C-MOLD 气辅软件,取得较好的效果。如上海新普雷斯等公司就能为用户提供 气辅成型设备及技术。 热流道模具开始推广,有的厂采用率达 20%以上,一般采用内 热式或外热式热流道装置,少数单位采用具有世界先进水平的高难度针阀式热流 道装置,少数单位采用具有世界先进水平的高难度针阀式热流道模具。但总体上热 流道的采用率达不到 10%,与国外的 50～80%相比,差距较大。 在制造技术方面,CAD/CAM/CAE 技术的应用水平上了一个新台阶,以 生产家用电器的企业为代表,陆续引进了相当数量的 CAD/CAM 系统,如美国 EDS 的 UGⅡ、美国 Parametric Technology 公司的 Pro/Emgineer、美国 CV 公司的CADS5、 英国 Deltacam 公司的 DOCT5、日本 HZS 公司的 CRADE、以色列公司的 Cimatron、 美国 AC-Tech 公司的 C-Mold 及澳大利亚 Moldflow 公司的 MPA 塑模分析软件等等。 这些系统和软件的引进,虽花费了大量资金,但在我国模具行业中,实现了 CAD/CAM 的集成,并能支持CAE 技术对成型过程,如充模和冷却等进行计算机模拟,取得了一 定的技术经济效益,促进和推动了我国模具 CAD/CAM 技术的发展。近年来,我国自 主开发的塑料模 CAD/CAM 系统有了很大发展,主要有北航华正软件工程研究所开发 的CAXA 系统、华中理工大学开发的注塑模 HSC5.0 系统及 CAE 软件等,这些软件具 有适应国内模具的具体情况、能在微机上应用且价格较低等特点,为进一步普及模 具 CAD/CAM 技术创造了良好条件。 2、 在塑料模设计制造中全面推广应用 CAD/CAM/CAE 技术。 CAD/CAM 技术已发展成为一项比较成熟的共性技术,近年来模具 CAD/CAM 技术的硬件与软件 价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度,为其进一步普及创造了 良好的条件 ; 基于网络的 CAD/CAM/CAE 一体化系统结构初见端倪,其将解决传统混合型 CAD/CAM 系统无法满足实际生产过程分工协作要求的问题;CAD/CAM 软件的智能化程度将逐 步提高;塑料制件及模具的 3D 设计与成型过程的 3D 分析将在我国塑料模具工业中 发挥越来越重要的作用。 3、推广应用热流道技术、气辅注射成型技术和高压注射成型技术。 采用热流道技术的模具可提高制件的生产率和质量,并能大幅度节省塑料制件的 原材料和节约能源,所以广泛应用这项技术是塑料模具的一大变革。制订热流道元 器件的国家标准,积极生产价廉高质量的元器件,是发展热流道模具的关键。气体 辅助注射成型可在保证产品质量的前提下,大幅度降低成本。目前在汽车和家电行 业中正逐步推广使用。气体辅助注射成型比传统的普通注射工艺有更多的工艺参 数需要确定和控制,而且其常用于较复杂的大型制品,模具设计和控制的难度较大, 因此,开发气体辅助成型流动分析软件,显得十分重要。另一方面为了确保塑料件 精度,继续研究发展高压注射成型工艺与模具以及注射压缩成型工艺与模具也非 常重要。 4、开发新的塑料成型工艺和快速经济模具。以适应多品种、少批 量的生产方式。 5、提高塑料模标准化水平和标准件的使用率。我国模具标准件水 平和模具标准化程度仍较低,与国外差距甚大,在一定程度上制约着我国模具工业 的发展,为提高模具质量和降低模具制造成本,模具标准件的应用要大力推广。为 此,首先要制订统一的国家标准,并严格按标准生产;其次要逐步形成规模生产、提 高商品化程度、 提高标准件质量、 降低成本;再次是要进一步增加标准件规格品种。 6、应用优质模具材料和先进的表面处理技术对于提高模具寿命和 质量显得十分必要。 7、研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程。采用三坐标测量 仪或三坐标扫描仪实现逆向工程是塑料模 CAD/CAM 的关键技术之一。研究和应用 多样、调整、廉价的检测设备是实现逆向工程的必要前提。 第一章 任务来源及设计目的意义 1.1 设计任务来源 设计题目：斜齿轮组件注塑模 材 料：PA6 生产批量：大批量生产 技术要求：①未注圆角 R2 ②所有尺寸公差按 SJ137278 的4 级精度 图 11 产品零件图 1.2 设计目的及意义 本设计题目为斜齿轮组件注塑模，但对做毕业设计的毕业生有一定的设计意 义，它概括了斜齿轮组件塑料零件的设计要求、内容及方向。通过对该零件模具 的设计，进一步加强了设计者注塑模设计的基础，为设计更复杂的注塑模具做好 了铺垫和吸取了更深刻的经验。 第二章 零件的工艺性分析 2.1 塑件的工艺性分析 塑件的原材料分析。塑件的材料采用尼龙 6 （PA6）属于热塑性塑料。从使用 性能上看，该塑料具有的机械强度和刚度，优良的韧性， 自润滑性，耐磨性和 良 好的耐化学性。还具有无毒，着色容易等优点[1]；从成型性能上看，①.熔融粘度 低，流动性良好，易产生溢边 （溢料间隙0.02mm）②.塑料容易吸湿，成型前需要 预热干燥，并应防止干燥后再次吸湿，成型时的含水量不得超过 0.3%。否则流动 性下降。制品容易出现气泡，银丝等缺陷。对于精度要求高的制件，成型后需要 作调湿处理， 调湿后制品会发生尺寸胀大的现象。 [2] ③.塑料的收缩率不稳定 （收 缩率为 1.5～2.5%）[3] ④.塑料熔体冷却速度对结晶度和制品性能影响较大，故 应根据制品壁厚正确选择和控制模具温度范围(20～90 ℃)过低易造成物料冷凝 过快而产生阻塞喷孔、流道、浇口等引起制品不足现象的产生。 2.2 塑件的结构和尺寸精度及表面质量分析 2.2.1 结构分析 结构分析：从零件图上分析：该零件总体形状为带凸缘的斜齿轮组件，形状 简单，结构合理且制件的壁厚均匀，在两边相交的部分也都设有圆弧过渡，在成 型时塑料在模具型腔内流动阻力相对较小有利于制品的成型，只是该塑件是斜齿 轮组件，其齿槽方向与开模方向不一致，不能直接对塑件进行脱模，所以需要设 计一个旋转的脱模机构来实现脱模过程的顺利完成，因而在模具结构的设计具有 一定的难度，该零件属于中等复杂程度。 2.2.2 尺寸精度分析 +0.10 0 +0.3 -0.1 该零件的重要尺寸如 f 8 mm 、f 50 mm、 20 mm、f 41.5 mm 等尺寸精 + 0.05 - 0.4 + 0.1 - 0.2 度为 MT5 级（GB/T144861993）,次重要尺寸如 6mm、16mm 等的尺寸精度为未 注公差，由以上分析可见，该零件的尺寸精度中等偏下，对应的模具相关零件的 尺寸加工可以保证。 从塑件的壁厚上来看， 壁厚最大处尺寸为 6mm， 最小处为4mm壁厚差为 2mm， 较均匀，有利于塑件的成型。 2.2.3 表面质量分析 该零件的表面除要求没有缺陷、毛刺，内部要求比较光滑外，还要保证产品 两端面与中心孔的同轴度，制件不能弯曲变形等。故设计模具型腔时要特别考虑 型腔结构对塑件制品质量的影响。 综上分析可以看出，在模具型腔结构设计合理，注塑时工艺参数控制得合乎 要求的情况下，零件的成型要求是可以得到保证。 2.3 计算塑件的体积和质量 计算塑件的质量是为了选用注塑机及确定模具的型腔数。 3 计算塑件的体积：V 11070.887 mm （过程省略） 3 计算塑件的质量：根据设计手册可查得 PA6 的密度为ρ=1.12～1.15g/ cm 取 ρ=1.13 g/ cm 3 - 3 故塑件质量为：W=Vρ=11070.887×1.13× 10 =12.51g 采用一模四腔的模具结构考虑其外形尺寸注塑时所需要的注射压力、合模力等 有关因素的情况下初步选用型号为FL—80G型注塑机， 该注塑机的注射量为 146g， 最大注射压力为 120Mpa，最大锁模力为 800KN。最大开模行程 300mm 拉杆间距 离（水平×垂直）为 350mm×310mm,装模高度为 125mm～310mm,顶出力 22KN，顶 出行程为65mm[4]。 2.4 塑件注塑工艺参数的确定 查找相关文献和参考工厂实际应用情况 PA6 成型工艺参数可作如下选择（试模 时可根据实际情况作适当的调整） 注塑温度：包括料筒温度和喷嘴温度。 料筒温度：喂料区温度 t 选用 70℃ 1 后段温度 t 选用 240℃ 2 中段温度 t 选用 250℃ 3 前段温度 t 选用 250℃ 4 喷嘴温度选用 250℃ 熔料温度：240～250℃ 料筒恒温：220℃ 模具温度：60～100℃ 注射压力：100～160Mpa 注塑时间：选用 0.1s 保压压力：注射压力的 50% 保压时间：10s 背压：2～8Mpa 需要准确的调解 冷却时间：30s 注塑速度：建议采用较快的注塑速度 计量行程：0.5～3.5D 残料量：4mm 预热杆：80℃时烘干 4 小时 回收率：可加入 10%回料 收缩率：0.7%～2.0% 浇口系统：点式 机器停工时段：无需用其它料清洗，熔料残留在料筒内时间可达 20min。容易发 生热降解。 注：料筒设标准螺杆，特殊几何尺寸有较高塑化能力，上述可用直通式喷嘴。[4] 第三章 注塑模的结构设计 注塑模结构设计主要包括：分型面选择，模具型腔数的确定、型腔的排列方 式、冷却水道布局、浇口位置设置、模具工作零件的结构设计、侧向分型与抽芯 机构的设计、推出机构的设计等内容。[5] 3.1 分型面的选择 模具设计过程中，分型面的选择很关键，它决定了模具的结构。应根据分型 面选择原则和塑件的成型要求来选择分型面。 该塑件为斜齿轮组件，表面无特殊的质量要求，但齿轮配合部分要求光滑无 毛刺且端部有圆角过度为最好，塑件的下半部分有金属镶件为使镶件能够很好地 和塑料融合在一起，而成型后又较容易把塑件顶出。采用如下图所示的分型方式 较为合理。 图 31 分型面 3.2 确定型腔的排列方式 本塑件在注塑时采用一模四件即需要四个型腔，综合考虑浇注系统，模具结 构的复杂程度等因素拟采取以下的型腔排列方式： 图 32 型腔排列方式 采用上图所示的型腔排列方式的最大优点是从主流道末端到各型腔的分流道 其长度、端面形状和尺寸都是对应相等的，所以各流道受力较为平衡，易于塑件 的成型。 综合考虑模具型腔的排列方式和塑件的外形尺寸初步选用标准模架类型为 A — 1 200×250—T— F GB/T12556.1—1990 1 3.3 浇注系统设计 （1）主流道设计 根据设计手册查得 FL—80G型注塑机喷嘴的有关尺寸： 喷嘴前端孔经： d Ф6mm 0 喷嘴前端球面半径 R =15mm 0 根据模具主流道与喷嘴的关系 R= R + （1～2）mm 0 D d +(0.5～1)mm 0 取主流道球面半径 R=16mm 取主流道小端直径 d Ф6.5mm 为了便于将凝料从主流道中拔出，将主流道设计成圆锥形其斜度为 0 0 1 ～ 3 ，经换算得主流道大端直径 D Ф11.5mm。为了使熔料顺利进入分流道，可 在主流道出料端设计半径 r=5mm 的圆弧过渡。 （2）分流道设计 分流道的形状及尺寸应根据塑件的体积壁厚形状的复杂程度注塑速率，分流道 长度等因素来确定。本塑件的形状不算复杂，熔料填充型腔比较容易，根据型腔 的排列方式可知分流道的长度较短，为了便于加工起见选用截面形状为半圆形的 分流道。查表得 R=5mm。如图所示：图33 图 3－3 半圆形分流道 （3）浇口设计 根据塑件的成型要求及型腔的排列方式选用侧浇口较为理想。设计时考虑选择 从壁厚为 6mm 处进料，料有厚处往薄处流，而且在模具结构上采取镶拼式型腔， 型芯，有利于填充，排气，故采用截面为矩形的侧浇口，查表初选尺寸为 （b×l ×h）1mm×0.8mm×0.6mm, 试模时修整。 3.4 成型零件结构设计 （1）凹模结构设计。本塑件的模具设计过程中一模四件的结构形式，考虑加 工的难易程度。凹模拟采用镶拼式结构，其结构形式如图： 图 3－4 凹模结构设计 （2）凸模的结构设计。凸模主要是与凹模相结合构成模具的型腔，其凸模和 侧型芯的结构形式如图： 图 3－5 凸模结构设计 第四章 模具设计的有关计算 本例中成型零件工作尺寸计算时均采用平均收缩率，平均制造公差和平均磨损 量来进行计算。 查表得尼龙的收缩率为 S=1.5～2.5% 故平均收缩率为Scp= （1.5+2.5）% /2=2%， 考虑到工厂模具制造的现有条件，模具的制造公差取δZ △/3 4.1 型腔和型芯工作尺寸的计算 型腔、型芯工作尺寸计算见表 41 类别 序号 模具零件名称 塑件尺寸 计算公式 型腔或型芯工作尺寸 f 500 3 f 50.7+ 0.05 - 0.4 +d 0 L = (L + L S 0 0 - D ) Z M S S CP 0 1 动模镶件 4 6 2 6.12+ 0.03 0 +dZ 0 H = (H + H S 0 - D ) M S S CP 0 3 f 16 3 f 16.32+ 0.03 +d 0 L = (L + L S 0 0 - D ) Z M S S CP 0 型 腔 2 凸凹模 4 的 计 13 2 13.26+ 0.04 0 +dZ 0 H = (H + H S 0 - D ) M S S CP 0 算 3 f 41.5-0.1 3 49.7+ 0.08 - 0.2 +d 0 L = (L + L S 0 0 - D ) Z M S S CP 0 4 定模镶块 3 2 3.06+0.02 0 +dZ 0 H = (H + H S 0 - D )
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