1、 毕业论文 文献综述 机械设计制造及其自动化 某皮带轮注射成型模具及成型工艺设计 一、 背景与意义： 注射模塑（又称注射成型或简称注塑） ,是成型塑料制品的一种重要方法。几乎所有的热塑性塑料及多种热固性塑料都可用此法成型。用注射模塑可成型各种形状、尺寸、精度，满足各种要求的模制品。 注塑制品约占塑料制品总量的 20%30%，尤其是塑料作为工程结构材料的出现，注塑制品的用途已从民用扩大到国民经济各个领域，并将逐步代替传统的金属和非金属材料的制品，包括各种工业配件，仪器仪表零件结构件、壳体等。在尖端技术中，也是不可缺少 的。在我国实现四个现代化建设中起着重要的作用。 皮带轮 属于盘毂类零件，一般相
2、对尺寸比较大 ，在传统 制造工艺上一般以铸造、锻造为主。一般尺寸较大的设计为用铸造的方法，材料一般都是铸铁（铸造性能较好），很少用铸钢（钢的铸造性能不佳）；一般尺寸较小的，可以设计为锻造，材料为钢。 传统工艺不但能耗大，而且很笨重。现在采用注射成型皮带轮，质量轻，实践证明刚性也不差。 皮带轮各项指标及材质的选用是以能够达到使用要求的前提下上尽量减少原材料、工艺可行、成本最低的选择原则！皮带轮主要用于远距离传送动力的场合，例如小型柴油机动力 的输出，农用车，拖拉机，汽车，矿山机械，机械加工设备 ，纺织机械，包装机械，车床，锻床，一些小马 力摩托车 动力的传动，农业机械动力的传送，空压机，减速器，
3、减速机，发电机，轧花机等等。 皮带轮传动的优点有：皮带轮传动能缓和载荷冲击；皮带轮传动运行平稳、低噪音、低振动；皮带轮传动的结构简单，调整方便；皮带轮传动对于皮带轮的制造和安装精度不象啮合传动严格；皮带轮传动具有过载保护的功能；皮带轮传动的两轴中心距调节范围较大。 皮带传动的缺点有：皮带轮传动有弹性滑动和打滑，传动效率较低和不能保持准确的传动比；皮带轮传动传递 同样大的圆周力时，轮廓尺寸和轴上压力比啮合传动大；皮带轮传动皮带的寿命较短。 三角皮带的规格是由背宽（顶宽）与高（厚）的尺寸来划分的，根据不同的背宽（顶宽）与高（厚）的尺寸，国家标准规定了 三角带 的 O 、 A、 B、 C、 D、 E
4、等多种型号，每种型号的三角带的节宽、顶宽、高度都不相同，所以皮带轮也就必须根据三角带的形状制作出各种槽型；这些不同的槽型就决定了皮带轮的 O 型皮带轮 、 A 型皮带轮、 B 型皮带轮、 C 型皮带轮、 D 型皮带轮、 E 型皮带轮等多种型号。 二、 国内外研究状况： 注射成型技术已经历了大约 125 年的发展过程，由于 各种各样的工艺方法及技术的引入、改进和提高，这种成型技术显得更具有经济性。注射成型具有成型周期短，能一次成型外形复杂、尺寸精确、带有嵌件的制品；对成型各种塑料的适应性强；生产效率高，易于实现全自动化生产等一系列优点，是一种比较经济而先进的成型技术，因此世界各国对于它的研究都不
5、曾间断。 与早期开发的 John Wesley Hyatt 生产工艺专利相比，目前采用的生产理论方法存有较少的概念上差异。其基本过程仍然是在加热料筒内产生推动压力，形成熔料层流，并流入空的模腔内。在循环生产周期中，不管是采用单个浇口还是多个 浇口；高或低的熔料流动速率；待注射熔料与模腔壁之间温差的高或低；流畅的加工流程或突变式的加工流程，其基本过程完全相同。 由于许多新型聚合物、共混物和复合材料体系要求采用特殊的、先进的加工方法或技术才能顺利地注射模塑成型。辅助性材料的涌现，导致开发出许多更具有粘弹性的新树脂或新材料。也就是说，这些新型材料呈现出有更好的熔体弹性。而先进的注射成型工艺已开始着重
6、于研究粘弹性材料伴随加工参数的响应状态。随着新技术的渗透，注射成型技术也在不断发展和完善。 1.共注射成型 采用共注射成型有助于观察到制件中独特的结构。塑 料“ A” 先注射充入部分型腔，然后塑料“ B”紧跟着“ A”注射进入型腔并保持初始推动流动压力场。根据表皮区和芯层区的尺寸大小，按正确的比例关系计量出“ A”和“ B”的用料量，可制得 1 个内芯层为“ B”外表完全由“ A” 包裹的制件。共注射成型并非一门新的工艺技术。英国 ICI 公司早在 70 年代就开始应用这一技术。现采用的 ICI 生产工艺类似“三明治模塑”。 2.气体辅助注射成型 气体辅助注射成型技术主要是为了减轻重量和节省循
7、环时间等而逐渐发展起来的。通常的共注射成型中，首先注射外层材料，并只部分填充型腔。然后气体通过喷嘴注 射或直接进入模腔内，模塑制件的芯层部位。液化气体也可注射到待成型制件的芯层部位。一般而言，在芯层内气体压力推动熔料向前流动，直至完全充满型腔，并防止制件表层在固化阶段从模腔壁凹下。相连的表皮层紧巾着模腔壁，气体则保存在模塑制件的芯层区间。 3.低压注射成型 低压注射成型也并不是一种新的工艺，但采用的加工方法，可使设备工序能更好地与预料中的熔体响应相匹配。低压注射成型只是控制或调节塑料粘弹特性的一种加工方法。随着对加工环境认识的深入，采用低压注射成型将使塑料熔体更能适应生产环境的要求。 4.交变
8、注射成型 这项 技术的最大难点在于当加工条件突然改变时，对塑料熔体将呈现出怎样的变化行为知之甚少。通过这种加工工艺，制件的变曲性能与其他机械性能得到了极大的提高。聚苯乙烯饮水杯和聚丙烯注射器就是采用这种加工方法获得重大改进突破的 2 个产品。 5.注射 -压缩成型 采用这种成型方法可以避免瞬间的材料响应，避免了阻碍熔体的流动。 6.模具的冷却 模具的冷却是一项关键的工艺技术。大部分的成型周期都是由传导热量传递组成。能量可从热的熔体传递至冷的模具上是由于存在温差所致。模具壁边的塑料表皮有效地隔离着芯层，从而使得这种热传递方式非常低 效。可是，模具冷却通常到设计的最后阶段才得以注意。较好的冷却设计
9、样式可缩短 20%30%或更短的循环生产时间，并提高劳动生产率。脉冲冷却技术是在注射塑料进入模腔后，通过采用循环冷却管内非常冻的冷冻液体来调节冷却的一项技术。脉冲冷却可广泛应用于薄壁制件的成型；要求重复精确表面的制件成型，以及流道深度变化范围宽的复杂型腔方面。脉冲冷却也可调节材料的突变行为。例如迟滞流动。 7.熔芯成型工艺 熔芯成型法是一种比较新的工艺方法，便于加工内部有交叉复杂的沟道、凹槽或切槽的制件。这种工艺基本上属于标准或常规型注射成型， 这个型芯与常规模具一样具有可折将式的型芯功能，设有限定的内腔壁的嵌件型芯。这种方法用于高精度制件是切实可行的。 此外，还有多点进料注射成型，推 -拉注
10、射成型，夹芯注射成型，层状注射成型，反应注射成型，结构发泡注射成型等等成型方法被研究并且运用到实际的生产中，大大推动了注射成型的发展。 三、 研究成果： 在注射成型发展的这几年中，也取得了不少的成果。 1金属粉末注射成型技术（ Metal Powder Injection Molding，简称 MIM）是将现代塑料注射成型技术引入粉末冶金领域而形成的一门新型粉末冶金 近净形成技术。其基本工艺过程是：首先将固体粉末与有机粘结剂均匀混炼，经制粒后在加热塑化状态下（ 150oC）用注射成型机注入模腔内固化成型，然后用化学或热分解的方法将成型坯中的粘结剂脱除，最后经烧结致密化得到最终产品。与传统工艺相
11、比，具有精度高、组织均匀、性能优异、生产成本低等特点，其产品广泛应用于电子信息工程、生物医疗器械、办公设备、汽车、机械、五金、体育器械、钟表业、兵器及航空航天等工业领域。因此，国际上普遍认为该技术的发展将会导致零部件成型与加工技术的一场革命，被誉为“当今最热门的零部件成型技术”和“ 21世纪的成型技术”。 MIM始于 20世纪 70年代末，其工艺包括产品设计、模具设计、质量检测、混炼、注射、脱脂、烧结、二次加工等 8个重要环节。特别是在八十年代中期，这项技术实现产业化以来更获得突飞猛进的发展，每年都以惊人的速度递增。到目前为止，美国、西欧、日本等十多个国家和地区有一百多家公司从事该工艺技术的产
12、品开发、研制与销售工作。在日本，许多大型株式会社均参与 MIM工业的推广，在这些公司包括有太平洋金属、三菱制钢、川崎制铁、神户制钢、住友矿山、精工 -爱普生、大同特殊钢等。 2计算机辅助成型 采用计算机辅 助工程（ CAE）对加工设计及分析有助于缩短设计周期并可避免代价昂贵的机械失误。商业性仿真代码常用于流道上标明尺寸，以平衡熔料在流道系统及型腔内的流动，同事确定浇口的最佳开设位置和浇口的数目。计算注射压力和合模吨位要根据不同的加工条件和材料而定。收缩率及翘曲率结合初始流向也可准确估算出来。重要的是要使得这种设计工具帮助熟练分析人员在某个设计方案或加工研究时进行判断和操纵。结果必须理解为以研究
13、对象和加工材料为前提。当考虑采用这种方法准确输入数据后，可取得巨大的效益。另外，这种分析经济性可使设计周期更短和所需的生 产时间更短。 应该提醒注意的是，商业性的 CAE程序通常是不可直接使用的。充模仿真可产生有价值的见识，但结果必须重新对其局限性进行重新考虑估计。应用现代计算机进行注射成型模拟试验，仅限于纯粘性流体（不包括粘弹性的熔融塑料）。 四、 发展趋势： 1.锁模力、注射量的趋向越来越大 从注射机问世起，锁模力在 1000 5000kN，注射量在 50 2000g的中小型注射机占绝大多数。到了 70年代后期，由于工程塑料的发展，特别是在汽车、船舶、宇航、机械以及大型家用电器方面的广泛应
14、用，使大型注射机得到了迅速发展。美国 最为明显。在 1980年全美国约有 140台 10000kN以上锁模力的大型注塑机投入巾场，到 1985年增至500多台。日本名机公司已经成功地制造了当今世界最大的注塑机，其锁模力达到120000kN，注射量达到 92000g。 2计算机辅助分析软件的开发应用 80年代以来， CAD/CAE CAPP CAM计算机应用技术在塑机制造业的广泛采用，促进了我国注塑机研发和制造水平的高速发展。一批国家级高新技术企业都相继引进美国 U.G.S和 PTC公司的计算机辅助设计和分析等软件，实现了三维立体参数化建模，机构运动仿真，对主 关原件分析，对高应力区的应力分布、
15、应力峰值、危险区域等进行准确的分析计算，帮助设计人员迅速地了解、评估和修改设计方案，保证重要零件结构合理性的可靠性达到完美结合。 3注射机的性能越来越好，效率越来越高 国际上移模速度，已从过去的 20 30m/min提高到 40 50m min，最高的达到70m/min。注射速度从过去的 100mm/s提高到现在的 250mm s，有的达到 450mm s。注射压力从过去的 120 150MPa提高到目前的 180 250MPa。日本的 SN120P机已达到 460MPa，它生产的制品收缩 率几乎为零，制品公差可保证在 0.02 0.03mm，壁厚可保证 0.l 0.2mm。节能方面从过去的流
16、量比例和压力比例控制发展到变量控制或定量控制，变频调速控制，伺服控制技术的注塑机，能耗仅为传统机器的 30，注塑机的高效率主要体现在工作节拍快，制品周期短，普遍比过去提高 24以上。高效注塑机的开模与预塑一般都是同步完成。开模中同时完成抽芯和顶出。日展会上最快注塑机，工作周期只有 1秒钟。注塑机的控制技术历经了继电器、接触器控制及可编程序控制器控制和专用计算机控制的发展过程。自 60年代末美国费洛斯公司首先应用计 算机控制技术，经过 80年代以来的高速发展，已经不是简单的动作控制，而是包括熔体温度、注射压力、注射速度、保压时间、冷却过程及液压回路的各种参数的综合控制。过去大多数采用开环控制，目
17、前正在向闭环控制方向发展。德国克劳斯马菲公司 PM控制系统，通过合模力、模腔压力和充模过程的控制，使制品质量的误差精确到 0.15。目前注塑机发展的另一个重要方面，是各种专用注塑机，如排气式注塑机、发泡注塑机、多色注塑机等等。以加拿大 HUSKY公司为代表的瓶胚机、包装机，集中体现了高新技术含量的特征。该公司推出的低压注塑成型技术，在 锁模力只有传统技术三分之一时，仍可高质量的保证制品成型，使机器的体积和重量都大幅度降低，在节能和制品成本控制方面都具有重大意义。 五、 存在问题： 我国塑料模具行业与其发展需要和国外先进水平相比，主要存在六个方面的问题。 1、 发展不平衡，产品总体水平较低。 2
18、、 工艺装备落后，组织协调能力差。 3、 大多数企业开发能力弱。一方面是技术人员比例低、水平不够高，另一方面是科研开发投入少，更重要的是观念落后，对开发不够重视。 4、 管理落后更甚于技术落后。技术落后往往容易看到，管理落后有时却难以意识到。国内外模具企业管理 上的差距十分明显，管理的差距所带来的问题往往比技术上的差距更为严重。 5、 市场需求旺盛，生产发展一时还难以跟上，供需矛盾一时还难以解决，供不应求的局面还将持续一段时间，特别是在中高档产品方面矛盾更为突出。 6、 体制和人才问题的解决尚待时日。 展望未来，由于国际、国内宏观环境总体良好，国内塑料模具各主要用户行业仍将持续以较快速度发展，
19、塑料模具也必将持续高速发展。目前存在的主要问题通过国内外交流与合作，通过全行业的共同努力，通过各方面的共同支持，定会逐渐得到较好的解决。 六、 总结： 我国的模具工业的发展，日益受 到人们的重视和关注，在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中， 60%-80%的零部件都要依靠模具成形（型）。用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和代消耗，是其它加工制造方法所不能比拟的。随着计算机软件的发展和进步， CAD/CAE/CAM 技术也日臻成熟，其现代模具中的应用将越来越广泛。可以预料不久的将来，模具制造业将从机械制造业中分离出来，而独立成为国民经济中不可缺少的支
20、柱产业，与此同时，也进一步促进了模具制造技术向集成化、智能化、益人化、高效化方向发展。因此，大力发 展模具工业可以促进我国更快的走向工业化国家。 参考文献 1 申树义、高济编 .塑料模具设计 .北京：机械工业出版社， 1999 2 陈万林等编 .使用塑料注射模具设计与制造 .北京：机械工业出版社， 2000 3 Zhou, H.M.; Li, D.Q. A numerical simulation of the filling stage in injection molding based on a surface model. Advances in Polymer Technology
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