1、 毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 塑料锥齿轮的模具设计 1、综述 1.1 本课题研究的目的和意义 塑料工业是发展历史短但发展速度惊人的新兴工业之一。现今，塑料已成为四大工业基础材料（钢铁、木材、水泥和塑料）之一， 21 世纪将跨入塑料工业迅猛发展的时代。由于塑料具有质量轻、强度高、耐腐蚀、绝缘性好、易着色、制件可加工成任意形状，而且具有生产率高、价格低廉等特点，所以应用日趋广泛，年增长居四大工业材料之首，已经深入到国民经济的各个部门。 由于塑料具有质量轻、强度高、耐腐蚀、绝缘性好、易着色、制件可加工 成任意形状，而且具有生产率高、价格低廉等特点，所以应用日趋广泛，年增长居四大工业材料
2、之首，已经深入到国民经济的各个部门。 模具工业在我国国民经济的重要性表现在国民经济的五大支柱产业 机械、电子、汽车、石油化工和建筑，都要求模具工业的发展与之相适应，以满足五大支柱产业发展的需要。以汽车、摩托车行业模具市场为例，在工业发达国家，汽车、摩托车行业是模具的最大市场，其占整个模具市场的一半左右。汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一，汽车模具作为发展重点，已在汽车工业产业政策中得到明确。 1.2 本课题拟解决 的关键问题 1: 根据零件使用性能确定工件材料，查询材料的收缩率，及考虑材料的热处理工艺 2：根据工件形状确定分型面 3：进行模具的型腔，型心的设计（考虑材料的收缩率） 4：浇注
3、系统设计 5：冷却系统设计 6：顶出机构及卸料机构的设计 设计时应综合考虑以上几项要求，注意吸收新技术，以获得满意的设计方案。 1.3 塑料及塑料工业的发展概况 塑料是以相对分子质量高的合成树脂为主要成分，并加入其他添加剂，在一定温度和压力下塑化成型的高分子合成材料。一般相对分子质量都大于一万，有的可达百万。在加热、加压条件 下具有可塑性，在常温下为柔韧的固体。可以使用模具成型得到我们所需要的形状和尺寸的塑料制件。其他的添加剂主要有填充剂、增塑剂、固化剂、稳定剂等其他配合剂。 塑料工业是一门新兴的工业。塑料最初品种不多、对它们的本质理解不足，在塑料制品生产技术上，只能从塑料与某些材料 如橡胶、
4、木材、金属和陶瓷等制品的生产有若干相似之处而进行仿制。从 1910 年生产酚醛塑料开始，塑料品种渐多，在生产技术和方法上都有显著的改进。虽然塑料工业的发展只有近 100 年的历史，但其发展速度却十分迅速， 1910 年世界塑料产量只有 2 万吨，到 2003 年产量达到了 1.28 亿吨目前塑料品种已有 300 多种，并且每年仍然在以 10左右的速度增长。 1 我国的塑料工业起步于 20 世纪 50 年代初期，建国前夕，我国只有上海、广州、武汉等个别大城市有塑料制品加工厂，只有酚醛和赛璐珞两种塑料， 1949 年全国塑料总产量仅有 200吨， 1958 年我国第一次人工合成酚醛塑料开始，我国的
5、塑料工业得到迅猛发展， 1958 年我国塑料产量为 2.4 万吨， 1965 年为 13.9 万吨， 70 年代中期引进的几套化工装置的建成投产，使塑料工业有了一次大的飞跃， 1979 年为 94.8 万吨， 1988 年猛增 到 135.42 万吨， 2000 年已达到 200 万吨，近 20 年来产量和品种都大大增加，许多新颖的工程塑料已投入批量生产。目前，我国的塑料制品总产量在世界上已跃居第二位。据统计，在世界范围内，塑料用量近几十年来几乎每 5 年翻一番预计今后将以每 8 年翻一番的速度持续高速发展。今天，我国的塑料工业已形成具有相当规模的完整体系，据中国轻工信息中心统计， 2002
6、年中国塑料制品行业中，年销售额达 500 万元以上规模企业共计 7480 家，其中大中型企业约占 10%，产品销售收入亿元以上企业 397 家。开发新产品，掌握新技术己经得到企业的 普遍重视。一般企业每年都有 2 3 个新产品，有的高达 10 20 个新产品通过不同级别的鉴定，投入市场。 新产品产值一般占企业工业总产值的 20 30，有的高达 50 60。中国塑料机械技术通过消化吸收国外先进制造技术，开发具有国际先进水平的产品，新产品新技术开发速度加快。进行重大创新，也取得了显着成绩。总之，在塑料材料的消耗量上，塑料新产品、新工艺、新设备的研究、开发与应用上都取得了可喜的成就。 塑料已渗透到人
7、们生活和生产的各个领域，在家用电器、仪器仪表、机械制造、化工、医疗卫生、建筑器材、汽车工业、农用器 械、日用五金以及兵器、航空航天和原子能工业中，塑料已成为替代部分钢铁、木材、皮革等材料的发展成为各个行业中不可缺少的一种化学材料，并和钢铁、木材、水泥一起成为现代社会中的四大基础材料。塑料制件已成为国民经济中不可缺少的重要材料之一。 塑料制品的应用： .农业：薄膜、管道、片板、绳索和编织袋等，农田水利工程多选用塑料管，农舍建筑。 .交通运输：门把手、方向盘、仪表板等。 .电气工业： 电线、电缆、 开关、插头、插座 绝缘体、家用电器、计算机（键盘套件、显示器外壳）等及各种通讯设备等。 4.通信产品
8、：电话机 、手机、传真机等外壳。 .日常生活用品：塑料桶、塑料盆、热水器外壳、塑料袋、航空茶杯、尼龙绳等。 .医疗：人工血管、输液器、输血袋、注射器、插管、检验用品、病人用具、手术室用品等。 塑料广泛应用于各个领域，品种繁多，性能也各不相同。归纳起来，塑料主要具有以下优良特性： 1.塑料密度小、质量轻，大多数塑料密度在 1.0 1.4g cm3 之间，相当于钢材密度的 0.14倍和铝材密度的 0.5 倍左右；在同样体积下，塑件要比金属制品轻得多，采用塑料零件后对各种机械、车辆、飞机和航天器减轻质量、节省能耗具有非常重要的 意义。 2.比强度和比刚度，塑料的强度和刚度虽然不如金属的好，但塑料密度
9、小，所以其比强度（即强度和密度之比 /）和比刚度（弹性模量和密度之比 /）相当高。如玻璃纤维增强塑料和碳纤维增强塑料的比强度和比刚度都比钢好，该类塑料常用于制造人造卫星、火箭、导弹上的零件。 3.绝缘性能好，介电损耗低，耐电弧特性，所以广泛应用于电机、电器和电子工业中做结构零件和绝缘材料，是电子工业中不可缺少的原材料。 4.化学稳定性高，对酸、碱和许多化学物品都有良好的耐腐蚀性能。因此，在化工设备及日用工业品中得到广泛应用。常用 的耐腐蚀塑料是硬质，它可以加工成管道、容器和化工设备中的零部件。 5.耐磨、自润滑性能以及减振、隔声性能都较好 。塑料的摩擦系数小，耐磨性强，可以作为减摩材料，如用来
10、制造轴承、齿轮等零件适合用于转速不高、载荷不大的工作场合。塑料还具有优良的隔声和吸声性能。 6.成型性能、着色性能好，且有多种防护性能 （ 防水、防潮、防辐射 ） 。 塑料在一定的条件下具有良好的塑性，可以采用多种成型 方法制作不同的制品。 塑料的着色简单，着色范围广，可制成各种颜色，部分塑料的光学性能很好，具有良好的光泽，可制成透明性很高的塑件，如常用的有 机玻璃、聚碳酸脂等。塑料还具有防水、防潮、防透气、防振、防辐射等多种防护性能。 2 塑料虽具有上述优异的特性，但在某些性能上也存在着不足之处，如机械强度和硬度远不及金属材料高，耐热性也低于金属，导热性差，且吸湿性大易老化等，塑料的这些缺点
11、或多或少的影响和限制了的它的应用范围。 从发展趋势看，对现有的各种聚合物进行改性仍是目前和今后一段时间内对塑料材料进行开发和应用研究的主要任务。主要是继续扩大和完善新的聚合物高分子材料品种，对各种添加剂继续向低毒、高效和非污染的方向发展，同时以改善胶料的工艺加工性能，节 约能耗、提高产品质量、满足高速加工设备和高效加工工艺的要求，并减少环境污染、提高配料的准确性和发挥助剂的协同效能。 1、塑料成型技术的发展方向 在现代塑料制件的生产中，影响产品生产和质量的三个重要因素有合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具。因此，从塑料模的设计、制造、模具的材料等方面考虑，塑料成型技术的主要发展方向。 3 （
12、一）塑料成型理论和成型工艺 模具设计已逐步向理论设计方面发展，目前为止，挤出成型的流动理论和数学模型已经建立，并在生产得到应用。注射成型的流动理论尚在进行研究，完善和发展塑料成型 理论，以便更好的指导实际生产，改进或采用先进的生产工艺以提高塑料产品的质量和生产效率。 （二） 模具的标准化 为降低模具成本，缩短模具的制造周期，模具的标准化工作需要进一步加强，目前我国的模具标准化 只有 20， 注射模方面关于模具零部件、模具技术条件和标准模架等有以下 14个国家标准： GB4169.1 84 推杆 GB4169.2 84 直导套 GB4169.3 84 带头导套 GB4169.4 84 带头导柱
13、GB4169.5 84 有肩导柱 GB4169.6 84 垫块 GB4169.7 84 推板 GB4169.8 84 模板 GB4169.9 84 限位钉 G34169.10 84 支承板 GB 4169.11 84 圆锥定位件 GB4169.12 84 技术 条件 GB T12555 90 大型注射模架标准 GB T12556 90 中小型注射模标准 还需 要研究开发热流道标准元件、模具温控标准装置 ；精密标准模架、精密导向件系列；标准模板和模具标准件的先进技术和等向性标准化模块等。 （三）塑料制件的精密化、微型化、超大型化 为了满足各种工业产品的使用要求，塑料成型技术正朝着精密化、微型化、
14、超大型化等方面发展。精密注射成型是塑件尺寸公差保持在 0.01 0.001mm 之内的成型工艺方法，国内已经有注射量为 0.1 克的微型注射机 ,可生产 0.05 克的微型注射成型塑件；塑件的大型化要求有大型的成型设备，国产注射机的注射量已达 35Kg，合模力为 80MN。 4 （四）生产的 高效率、自动化 简化塑件的成型工艺，缩短生产周期，是提高生产率的有效办法，近年来，正在大力应用电子计算机来控制加工成型过程，已经研制成功了数控热固性塑料注射机、计算机群控注射机等。 2、塑料模具设计及加工技术的发展方向 塑料模具对塑料加工工艺的实现，保证塑料制品的形状、尺寸及公差起着极重要的作用。高效率全
15、自动的设备只有配备了适应自动化生产的塑料模才有可能发挥其效能，产品的生产和更新都是以模具制造和更新为前提的。由于工业塑料制品和日用塑料制品的品种和产量需求日益增加，对塑料模具也提出了越来越高的要求，因此推 动了塑料模具不断向前发展。 5 （一）提高模具的使用寿命 模具材料的选用直接影响模具的加工成本、使用寿命、及塑件成型的质量等。因此，不断地采用新材料、新技术、新工艺，以提高模具的质量。 （二）模具加工技术的革新 为了提高加工精度，缩短模具的制造周期，塑料模具的加工已经广泛地应用了仿形加工、电加工、数控加工、以及微机控制加工等先进的加工技术，并且使用了坐标镗、坐标磨和三坐标测量仪等精密加工和测
16、量设备，超塑性成型和电铸成形型腔以及简易制模工艺等先进的型腔加工新工艺。 （三）推广应用 CAD/CAM 采用 CAD/CAM 进行产品设计以及模具设计、制造，比传统方式更迅捷、更方便、更合理，在缩短模具设计制造周期的同时可以更容易保证模具的制造质量。 （四） 模具的“三化” 为适应模具工业的发展必须大力发展模具的标准化、系列化、以及专业化，其中模具的标准化是前提条件，实现模具的三化“有利于分工明确、配套协作、进一步提高模具的制造质量和缩短模具的生产制造周期。 3、 塑料制品的生产工序 1、塑料制品的生产 塑料制品 生产的一般加工过程为 ：原料 合成树脂 塑料的配制 塑料成型 塑料制品的生产从
17、塑料原料的生产到塑料制品的生 产，包含了三个生产过程，第一生产过程是从原料经过聚合反应生成合成树脂；第二生产过程是加入助剂混合得到塑料，即为生产塑料制品的原材料；第三生产过程是根据塑料性能，利用各种成型加工手段，使其成为具有一定形状和使用价值的塑料制品。 生产中一般第一过程和第二过程属于塑料生产部门，通常由树脂厂来完成。第三过程属于塑料制品生产部门。但对于大型塑料制品生产厂家，为了满足塑料制品的多样性要求，生产中也有将第二过程归入塑料制品的生产范围。即以合成树脂作为原材料，添加助剂后，再成型加工。 6 2、塑料制品的生产工序流程 根据 各种塑料的固有性能，使其成为具有一定形状又有使用价值的塑料
18、制品，是一个复杂而繁重的过程。塑料制品工业生产中，塑料制品的生产系统主要是由塑料的成型、机械加工、修饰和装配四个连续过程组成的， 7如图 1 所示。有些塑料在成型前需进行预处理 (顶压、预热、干燥等 )，因此，塑料制品生产的完整工序顺序为： 塑料原料 （预处理） 成型 机械加工 修饰 装配 塑料制品 注射模塑 压缩模塑 压注模塑 车削和铣削 挤出模塑 制孔 吹塑 切纹螺旋 锉削 铸塑 锯切、剪切和冲切 转鼓滚光 旋转模塑 其他 磨削 层压材料 抛光 涂层 溶浸增亮 泡沫塑料 彩饰 热成型 涂盖金属 其他 粘合 其它 焊接 机械连接 其他 图 1 塑料制品的生产流程 在这四个过程中，塑料的成型最
19、为重要， 是一切塑料制品或型材生产的必不可少的过程。成型的种类很多，如注射成型、压缩成型、压注成型、挤出成型、层压以及压延等。其它三个过程取决于塑料制品的要求而定，也就是说，不是每种塑料制品都须完整地经过这些过程。机械加工是用来完成成型过程所不能完成或完成得不够准确的一些工作。 8修饰主要是为美化塑料制品的表面或外观。装配是将各个已经完成的塑料部件连接或配套使其成为一个完整制品的过程。后三种过程有时统称为二次加工或后加工。对比来说，二次加工过程常居于次要地位。 9 塑料成型的方法很多，按成型过程中物理状态不同，塑 料成型加工的方法可分为熔体成型与固相成型两大类。熔体成型也叫熔融成型是把塑料加热
20、至熔点以上使之处于熔融态进行成型加工的一类方法。属于此类成型加工方法的主要有注射成型、压缩成型、压注成型、挤出成型、旋转成型、离心浇铸成型、粉末成型等。 10模塑成型约占全部塑料制品加工量的90以上。共同特点是塑料在熔融状态下利用模具来成型具有一定形状和尺寸的塑料制品 (简称塑件或制品 )。成型塑料制品的模具叫塑料成型模具 (简称塑料模 )。固相成型是泛指在室温条件下对尚处于固态的热塑性坯材（至少低于熔点 10 20）施加机械压力 作用，使其成为成型加工 塑料制品生产 修饰加工 机械加工 装配加工 塑件的一种方法，其中对非结晶类的塑料在玻璃化温度以上，熔点以下的高弹区域加工的常称为热成型，如真
21、空成型、压缩空气成型、压力成型等，而在玻璃化温度以下加工的则称作冷成型或室温成型，也常称作塑料的冷加工方法或常温塑性加工。包括在常温下的塑料粉末压延薄膜、片材辊轧、坯料或粉末塑料的模压成型以及二次加工等 11。 4、方案论证 塑料齿轮由于它的质轻、价廉，传动噪声小，不需后加工，生产工序少，又因其强度和刚度接近于金属材料，可以代替有色金属和合金，因此，它在工业上的应用正在逐步扩大，现已广泛应用 于机械、仪表，电讯、家用电器、玩具产品和各种记时装置中。由于成型塑料齿轮的模具有其特殊性，因而塑料齿轮形成了一种特殊类型的注射模。 12 1.齿轮材料 齿轮材料纤综合考虑使用性能、工艺性能和经济性，选用聚
22、甲醛 (又 POM)，该材料具有优异的综合性能，强度、刚性高，抗冲击，疲劳、蠕变性能较好，自润滑性能优良，摩擦系数小且耐摩性好，吸水小，产品尺寸稳定，适用于制造各种齿轮、传动零件或减摩零件等。 13 2.注射工艺 2.1 温度 注射过程中的温度主要足指熔胶温度和模具温度，因为两者都对整个注射过程有 重要影响。要同时有最高的充填速度，又能保持塑件的特性，就需要有适当的熔胶温度。模温越高，填模速度越快。 14模温控制塑料的充填速度、成品冷却时间和成品的结晶度。 模具温度对齿轮成型周期及成品质量 (如应力、系数率、尺寸公左、机械性能等 )有决定性影响的参数，对 POM 材料而言，成型齿轮的模温控制范
23、围为 90 度 C120 度 C。 2.2 注射压力与模温的关系 注射压力对塑料充填起决定性作用，而注塑压力与塑料温度、模具温度又是相互制约的。利用注塑绘图法，找出能止产优良成品的最佳参数组合，通过射胶压力与模具温度关系图 ，就可以找出合理的射胶压力和模具温度组合，如图 2 所示。由曲线图可知 ,ABCD 范围内的各点，代表能生产优质产品的压力和棋具温度组合。 15超过 CD 曲线便会造成成品飞边或尺寸过大；低于 AB 曲线会造成成品尺寸过小或充填不满，最佳的组合在 X 点，因它容许有最大的参数变化范围。 图 2 射胶压力和模具温度 关系 3. 模具结构及制造 目前，大多数注射成型齿轮的模数在
24、 l 以下，为防止齿轮变形和收缩，齿轮厚度在 23mm左右。模具结构如图 3 所示，成型齿轮注塑模采用均匀分布的 3 点浇门如图 4 所示，这样一方面町以保证齿轮的精 度，另一方面可以去除点浇口废料。齿轮采用顶杆顶出，型芯采用镶件结构。 16 图 3 模具结构 在设计齿轮模具型腔时，要正确掌握齿轮各参数的收缩状况，如果计算收缩率和实际收缩率有较大差距，则需重新制造型腔。型腔的加工精度是保证塑判齿轮精度的主要手段，该模具采用加工精度较高的精密线切割加工齿轮的型腔。对单个零件的加工精度，要注意检测零件的尺寸公左和形位公差。对成型齿轮的组合件，要求其同轴度达到 0.003mm。 图 4 齿轮注塑模分
25、布 4.成型齿轮的主要缺陷及对策 生产实践表明，成型齿轮的缺陷主要在于 模具的设计、制造精度和磨损程度等方面，刘于较成熟的塑料工厂，如果使用的注射机和模具在各方面比较理想，容易获得合格的制件质量。 17生产过程的工艺调节是提高制件产量、质量的必要途径。调节工艺的措施、手段是各方面的，找出问题的症结所在，才能真正解决问题。成型齿轮的缺陷容易导致齿乾传动的噪声、磨损加剧、效率降低甚至传动系统的卡死现象。下面就成型齿轮注射过程中产生主要缺陷的原因及刘策分述如下： (1)制件不满。 制件不满就是制品没有完全成型，导致这种缺陷的上要原因有： a进料调节不当。一是汁算装置调节得不 正确；二是装料室内被压实
26、和稍熔化的塑料形成了 “料塞 ”，使部分塑料从装料室中跳出，部分地堵住装料室的出料口 (柱塞不能椎到最前位置 )。 b射人模具中的料量太少。一是塑料温度低，塑料流动性差；二是塑模的温度低，沿成型部分左面而流过的塑料很快冷却到失去流动性，以致不能完全填满模腔的各个角落；三是注射压力不妥；四是生产周期过短，料温来不及跟上，影响充模成型。 c模具设计不合理。一是模具本身结构复杂，浇口数目不足或形式不当；二是模腔内排气措施不力，这种原因导致制件不满的现象是屡见不鲜的，消除这种缺陷的设计应开设 有效的排气孔道，选择合理的浇口位置使空气容易排腺，必要时将型腔的固气区域的某个局部制成镶件，使空气从镶件缝隙逸
27、出。 d模具浇注系统有缺陷。一是流道太小、太簿或太长，增加了流体的阻力；二是流道、浇口有杂质、异物塑料炭化物堵塞所致；三足流道、浇口粗糙有伤痕，光洁度不足，影响物料流动。 (2)飞边。 飞边又称溢边、毛刺、披锋等，大多发生在摸具的分合位置上，导致该缺陷的主要原因有： a.模具分型而精度差。模具分型面上粘有凸出异物、活动模板变形曲翘等。 b，模具设计和人料配置不合理。一是在不影响制件完整性 前提下，流道应设置在质量对称中心上，避免出现偏向性流动；二是塑料在熔融状态下具有很高的流动性和贯穿能力，容易进入活动的或固定的缝隙，要求模具的设计制造精度较高。 18 c.注笛机的锁模力不足。注射成型时，由于
28、机械上的缺陷，致使真正的锁模力不足或不恒定，也会产生飞边；另一方面由于模具本身平行度不好，也会导致锁模不紧密而产生飞边。 d.注射工艺条件差。一是塑料充模状态过分剧烈；二是加料量调得不准确。也就是说从料斗进入料筒的料量应维持一致。 参考文献 1郑修本 .机械制造工艺学 M.北京 ： 机械工业出版社 ， 1999. 2王运炎 .叶尚川 .机械工程材料 M.北京 :机械工业出版社， 2000. 3张耀良 .机械加工工艺设计手册 M.北京 :航空工业出版社出版， 1987. 4史铁梁 .模具设计指导 M.北京 :机械工业出版社， 2003. 5姚云英 .公差配合与测量技术 M.北京 :机械工业出版社
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